Regulace buněčného cyklu
seminář
Kateřina Vopěnková
vopenkova@med.muni.cz
Buněčné dělení
Co je účelem buněčného cyklu?
Jsou tyto buňky identické i svou morfologií a funkcí?
Kdy se buňky dělí?
Co je účelem buněčného cyklu?
• ne nutně
Jsou tyto buňky identické i svou morfologií a funkcí?
• vytvořit dvě geneticky identické dceřiné buňky
symetrické
dělení
asymetrické
dělení
proliferace
diferenciace
Symetrické a asymetrické dělení buněk
Symetrické dělení
Asymetrické dělení
Neurální kmenová buňky
(radiální gliové buňky)
Přechodně se množící progenitory
(non-radiální buňky)
Nedělící se diferencované buňky
(neurony)
Symetrické nebo asymetrické dělení závisí na vnějších signálech, koncentraci
morfogenů, obsahu molekul mRNA v cytoplazmě dceřiných buněk, atd.
• když svými receptory zachytí signál k dělení – za účelem růstu nebo
regenerace tkáně
Kdy se buňky dělí?
aby byla regulována regenerace – nahrazení
poškozených a opotřebovaných buněk
aby mohl mnohobuněčný
organismus organizovaně růst
Buněčný cyklus
Co platí o buněčném cyklu?
01:10
Not Voted:20
(20,0%)
A. Buněčný cyklus je spouštěn signály
pocházejícími zevnitř buňky
B. Většina buněk v našem těle je v
G1- nebo G2- fázi buněčného cyklu
C. V G0-fázi je metabolická aktivita
buněk velmi omezená
D. Buňka, která opustila buněčný
cyklus a nepřijme žádné signály
pro dělení, je odstraněna
apoptózou
E. Většina buněk v našem těle je v
G0-fázi buněčného cyklu
Co platí o buněčném cyklu?
01:10
Not Voted:20
(20,0%)
A. Buněčný cyklus je spouštěn signály
pocházejícími zevnitř buňky
B. Většina buněk v našem těle je v
G1- nebo G2- fázi buněčného cyklu
C. V G0-fázi je metabolická aktivita
buněk velmi omezená
D. Buňka, která opustila buněčný
cyklus a nepřijme žádné signály
pro dělení, je odstraněna
apoptózou
E. Většina buněk v našem těle je v
G0-fázi buněčného cyklu
Neustále se dělící buňky – dospělé (tkáňově
specifické) kmenové buňky a progenitorové buňky
tkání, které potřebují neustálou regeneraci
(pokožka, dýchací epitel, střevní epitel, atd.)
Buňky, které se už v těle
dospělého člověka
nedělí – neurony,
kardiomyocyty
(senescence buněk)
Buňky, které se za určitých podmínek
mohou dělit – například po zranění
(nebo chirurgickém zákroku) – jaterní
buňky, buňky hladké svaloviny, atd.
Neustále se dělící buňky pokožky – svrchní vrstva kůže má ochranou funkci,
musí být neustále obnovována z dospělých (tkáňově specifických)
kmenových buněk a progenitorů umístěných v nižších vrstvách tkáně
Dělení kožních buněk pro nahrazení odumřelých buněk
Mrtvé kožní buňky
Proces degenerace
Postup k povrchu
Nové kožní buňky
Životní cyklus
kožních buněk
Dělení buněk v našem těle je přísně regulováno
• pouze buňky některých tkání se mohou dělit neustále – buněčný cyklus je
spouštěn signalizací (většinou růstovými faktory a jejich navazujícími
signálními drahami)
• v ostatních buněčných typech není pro funkci tkání potřeba; někdy je to pro
správnou funkci tkáně přímo nežádoucí – buněčný cyklus je inhibován
(TGF-β)
Jak je buněčný cyklus regulován?
Co spouští vstup buňky do buněčného cyklu a
podporuje průchod buněčným cyklem?
Co zabraňuje vstupu buňky do buněčného cyklu a
zastavuje průchod buněčným cyklem?
Inhibice buněčného cyklu
Které molekuly inhibují průchod buňky
buněčným cyklem?
Not Voted:19
(19,0%)
00:05
A. většina růstových faktorů
B. cykliny
C. cyklin-dependentní kinázy (CDK)
D. inhibitory CDK
E. protein p53
Které molekuly inhibují průchod buňky
buněčným cyklem?
Not Voted:19
(19,0%)
00:05
A. většina růstových faktorů
B. cykliny
C. cyklin-dependentní kinázy (CDK)
D. inhibitory CDK
E. protein p53
Nádorové supresory
Regulátory buněčného cyklu, které potlačují buněčné dělení
Zabraňují dělení buněk, které by se dělit neměly:
• buňky, které nedostaly signál k dělení (signalizace proteinu RB v bodě restrikce
– první kontrolní bod buněčného cyklu)
• buňky, které nemají dost energie a zdrojů k dokončení dělení (signalizace
proteinu RB v bodě restrikce)
• buňky s poškozenou nebo nesprávně replikovanou DNA
(signalizace proteinu p53 → aktivace transkripce genů pro
inhibitory cyklin-dependentních kináz (inhibitory CDK),
například pro p21
• buňky vystavené dalším typům stresu (nedostatek kyslíku,
kritické zkrácení telomer, atd.) → aktivace transkripce genů
pro inhibitory CDK, například p21, p16 a další
→ zabránění buněčnému dělení
nebo zástava buněčného cyklu
Jak může dojít k deaktivaci proteinů
kódovaných nádorovými supresory?
Not Voted:21
(21,0%)
00:35
A. gen pro nádorový supresor získá mutaci
vnášející předčasný stop kodon
B. gen pro nádorový supresor se začne
exprimovat s vyšší intenzitou
C. gen pro nádorový supresor získá mutaci
způsobující posun čtecího rámce
ovlivňující velkou část proteinu
D. gen pro nádorový supresor se zmnoží do
několika kopií
E. jsou inhibovány svými negativními
regulátory, které jsou nadměrně aktivní
F. signální dráhy, které spouštějí jejich
expresi, se stanou nadměrně aktivními
nebo nezávislými na vnějším signálu
Jak může dojít k deaktivaci proteinů
kódovaných nádorovými supresory?
Not Voted:21
(21,0%)
00:35
A. gen pro nádorový supresor získá mutaci
vnášející předčasný stop kodon
B. gen pro nádorový supresor se začne
exprimovat s vyšší intenzitou
C. gen pro nádorový supresor získá mutaci
způsobující posun čtecího rámce
ovlivňující velkou část proteinu
D. gen pro nádorový supresor se zmnoží do
několika kopií
E. jsou inhibovány svými negativními
regulátory, které jsou nadměrně aktivní
F. signální dráhy, které spouštějí jejich
expresi, se stanou nadměrně aktivními
nebo nezávislými na vnějším signálu
Inaktivace nádorových supresorů narušenou signalizací
inhibitory CDK
G0
Růstové faktory
TGF-β
→ = aktivace
= inhibice
┬
inaktivace nádorových supresorů narušenou
kontrolou buněčného cyklu (snížená aktivita
TGF-β, inaktivní nebo mutované regulátory
důležité pro aktivaci nádorových supresorů,
příliš aktivní nebo nadměrně produkované
jejich přirozené inhibitory, atd.)
inaktivace nádorových supresorů
virovými proteiny
Deaktivace nádorového supresoru a nadměrné dělení buněk
Gen pro nádorový supresor
Normální
protein
inhibující
buněčný
cyklus
Kontrolované
dělení buněk
Mutovaný gen pro nádorový supresor
Nefunkční
protein
Nekontrolované
dělení buněk
Nádorová onemocnění, která mohou být asociována
s inaktivací nádorových supresorů
retinoblastom – nádor sítnice oka
melanom – nádor kůže
osteosarkom – nádor kostní tkáně
leukemie – nadměrná produkce
bílých krvinek
sarkomy – nádory
měkkých tkání
...a mnoho dalších
Máme dvě kopie téměř každého genu
– v případě nádorových supresorů musí být
deaktivovány obě kopie, aby došlo k rozvoji nádoru
(inaktivace nebo ztráta veškerého proteinu)
Stimulace buněčného cyklu
Které molekuly stimulují průchod buněčným
cyklem nebo mu napomáhají?
Not Voted:18
(18,0%)
00:19
A. většina růstových faktorů
B. receptory růstových faktorů
C. protein Ras
D. protein p53
E. cykliny
F. cyklin-dependentní kinázy (CDK)
G. inhibitory CDK
Které molekuly stimulují průchod buněčným
cyklem nebo mu napomáhají?
Not Voted:18
(18,0%)
00:19
A. většina růstových faktorů
B. receptory růstových faktorů
C. protein Ras
D. protein p53
E. cykliny
F. cyklin-dependentní kinázy (CDK)
G. inhibitory CDK
Cykliny a cyklin-dependentní kinázy (CDK)
• cykliny – aktivují každý své specifické kinázy (CDK)
- v průběhu různých fází buněčného cyklu jsou přítomné různé typy cyklinů
(nejprve se vytvoří, pak jsou zase odbourány v proteazomu díky ubikvitinaci)
• cyklin-dependentní kinázy – enzymy schopné fosforylovat (a tím aktivovat)
transkripční faktory a další molekuly – to umožňuje transkripci genů pro
proteiny potřebné k průběhu následující fáze buněčného cyklu (včetně
dalšího cyklinu) – umožňují tedy průchod buňky buněčným cyklem
- CDK jsou v buňce přítomné stále, čekají jen na aktivaci
• proteiny důležité pro regulaci buněčného cyklu
Růstové faktory jsou potřeba pro vstup do buněčného cyklu, pak už je buněčný cyklus
řízen pouze zevnitř buňky – pomocí cyklinů a cyklin-dependentních kináz (CDK)
signál
k dělení buňky
(růstové faktory)
nový signál
k dělení buňky
(růstové faktory)
Weinberg RA. The biology of cancer, Garland Science 2007
+ CDK4 nebo 6 + CDK2 + CDK2
cyklin D cyklin Bcyklin E cyklin A
+ CDK1
Cyklin D řídí díky aktivaci své CDK vstup buňky do buněčného cyklu (opuštění
klidové fáze G0 a zahájení G1-fáze) – dochází k integraci signálů z vnějšku a
zevnitř buňky (Byl navázán růstový faktor a spuštěna mitogenní signalizace? Má
buňka dostatek energie a stavebních látek pro dokončení dělení? atd.) – pokud
je to tak, mitogenní signalizace kromě jiného spustí tvorbu cyklinu D, ten
aktivuje svou CDK (CDK4, v některých tkáních CDK6) a v buňce dojde ke spuštění
transkripce genů (a tvorbě proteinů) nutných pro vstup do procesu dělení –
například strukturních proteinů (v G1-fázi buňka roste) a cyklinu E (obecně
cyklinu aktivujícího vstup do další fáze buněčného cyklu)
Cyklin E pak díky aktivaci své CDK řídí přechod z G1- do S-fáze, připravuje buňku
na replikaci DNA, a spouští také expresi cyklinu A
Cyklin A díky aktivaci své CDK spustí například tvorbu/aktivaci proteinů
potřebných pro replikaci DNA, a spouští expresi cyklinu B
Cyklin B díky aktivaci své CDK, která fosforyluje mnoho proteinů, řídí vstup do
M-fáze (do mitózy)
Cykliny a cyklin-dependentní kinázy (CDK)
Proto-onkogeny
→ nezbytné regulátory, které se ale
mohou stát onkogeny, pokud
jsou deregulované
Regulátory buněčného cyklu, které stimulují buněčné dělení
Jsou nezbytné k umožnění buněčného dělení:
• růstové faktory, receptory růstových faktorů, Ras proteiny, MAP-kinázy
(protein kinázy aktivované mitogeny, mitogen-activated protein kinases) a
transkripční faktory, které jsou součástí mitogenní signalizace – zahájení
G1-fáze – signalizace růstových faktorů spustí expresi „startovního“ cyklinu
(cyklin D)
• cykliny a cyklin-dependentní kinázy tvoří komplexy, které v průběhu
jednotlivých fází buněčného cyklu fosforylují další proteiny a umožňují tak
postup buňky z jedné fáze cyklu do druhé
proto-onkogen s normální funkcí/onkogen při deregulaci
Not Voted:21
(21,0%)
01:08
Jak se může proto-onkogen stát onkogenem?
A. gen se začne exprimovat s vyšší
intenzitou
B. je inhibovaný dalšími regulátory, které
jsou nadměrně aktivní
C. gen získá mutaci způsobující posun
čtecího rámce ovlivňující velkou část
proteinu
D. gen se zmnoží do několika kopií
E. gen získá mutaci vnášející předčasný
stop kodon
F. signální dráha, která spouští jeho
expresi, se stane nadměrně aktivní
nebo nezávislá na vnějším signálu
Not Voted:21
(21,0%)
01:08
Jak se může proto-onkogen stát onkogenem?
A. gen se začne exprimovat s vyšší
intenzitou
B. je inhibovaný dalšími regulátory, které
jsou nadměrně aktivní
C. gen získá mutaci způsobující posun
čtecího rámce ovlivňující velkou část
proteinu
D. gen se zmnoží do několika kopií
E. gen získá mutaci vnášející předčasný
stop kodon
F. signální dráha, která spouští jeho
expresi, se stane nadměrně aktivní
nebo nezávislá na vnějším signálu
Proto-onkogeny – součásti mitogenní signalizace
a pozitivní regulátory buněčného cyklu
• růstové faktory a jejich receptory, Ras proteiny, MAP-kinázy, transkripční
faktory mitogenní signalizace, cykliny a cyklin-dependentní kinázy
Aktivace proto-onkogenů nadměrnou aktivací nebo nadprodukcí
zvýšená intenzita buněčného
dělení, která může dát vznik
malignímu nádoru
Máme dvě kopie téměř každého genu
– v případě proto-onkogenů stačí k deregulaci
buněčného dělení jedna kopie exprimovaná v
nadměrném množství nebo nadměrně aktivní,
a už to může přispět k rozvoji nádoru
počkáme na
signál k
dělení
dělíme
TEĎ!
nemutovaný receptor čeká na signál, zatímco nadměrně aktivní receptor
spouští buněčné dělení neustále, jeden buněčný cyklus za druhým
Buňka nemá na výběr a
zahájí dělení – protein
kódovaný onkogenem spustil
mitogenní signalizaci
(zatímco zdravý protein,
kódovaný proto-onkogenem,
čeká na vnější signál k dělení)
– onkogen vždy „zvítězí“ nad
proto-onkogenem
Rakovinné (aktivující) mutace proto-onkogenů se obvykle
nedědí – způsobily by tvorbu nádoru už u vznikajícího embrya
(namísto regulovaného vývoje embrya a diferenciace buněk),
což by znemožnilo přežití embrya
Většina dědičných nádorů je důsledkem zdědění
jedné mutované kopie nádorového supresoru
Klinický případ
Žena (58 let), relativně štíhlá, ve výborném zdravotním
stavu, si během sprchování nahmatala malou bulku
blízko podpaží. Co navrhujete vyšetřit?
Žena (58 let), relativně štíhlá, ve výborném zdravotním
stavu, si během sprchování nahmatala malou bulku
blízko podpaží. Co navrhujete vyšetřit?
• Ultrazvukové vyšetření potvrzené magnetickou
rezonancí (MRI) ukázaly nádor prsu a metastázy
v několika mízních uzlinách
• Kombinace pozitronové emisní tomografie (PET)
a počítačové tomografie (CT) neodhalily žádné
metastázy v kostech, plicích ani játrech
• Z biopsie prsní tkáně byla provedena cytologie a
molekulární vyšetření nádorových buněk
fluorescenčním značením – to odhalilo
nadměrnou expresi receptoru růstového faktoru
EGFR (také Her2/Neu nebo receptorová tyrozinkináza
Erb-B2)
nadměrná exprese receptoru
EGFR zvyšuje pravděpodobnost
dimerizace i bez přítomnosti
signálu (EGF – epidermálního
růstového faktoru)
Not Voted:22
(22,0%)
02:00
Jak můžete tuto pacientku léčit?
A. chirurgickým odstraněním nádoru
B. podáváním zvýšených dávek cyklinů
C. aktivací onkogenů podáváním
stimulačních signálů
D. inhibicí nádorových supresorů pomocí
nízkomolekulárních inhibitorů
E. podáváním inhibitorů růstového
faktoru (inhibitory EGF)
F. podáváním protilátek, které se vážou
na nadměrně produkovaný receptor
(EGFR), a zabrání tvorbě dimerů
Not Voted:22
(22,0%)
02:00
Jak můžete tuto pacientku léčit?
A. chirurgickým odstraněním nádoru
B. podáváním zvýšených dávek cyklinů
C. aktivací onkogenů podáváním
stimulačních signálů
D. inhibicí nádorových supresorů pomocí
nízkomolekulárních inhibitorů
E. podáváním inhibitorů růstového
faktoru (inhibitory EGF)
F. podáváním protilátek, které se vážou
na nadměrně produkovaný receptor
(EGFR), a zabrání tvorbě dimerů
Monoklonální protilátky (produkované jedním klonem B-lymfocytů) zabrání
tvorbě dimerů nadměrně tvořeného receptoru, a přilákají imunitní buňky
Buňka imunitního
systému Protilátka Herceptin
se naváže na Her2pozitivní
nádorové
buňky a přiláká tak
buňky imunitního
systému, aby na
tyto nádorové
buňky cílily
Bez Herceptinu
Her2-pozitivní
nádorové buňky
stále aktivují své
vlastní dělení a
vytvářejí další
nádorové buňky
Her2-pozitivní
nádorová buňka
Herceptin také
zastavuje signalizaci
vedoucí k
nadměrnému dělení
nádorové buňky
(dimerizaci
receptorů)
Tumour cell
Phagocytosis
Čím víc rozumíme signalizaci a jejímu narušení v nádorové buňce,
a čím lépe známe mutace u konkrétního pacienta,
tím lépe můžeme nakombinovat a zacílit léčbu
Například kombinace Herceptinu s inhibitory nebo monoklonálními protilátkami proti CD47
– i po podávání Herceptinu se může stát, že antigeny CD47 na povrchu nádorové buňky
vysílají signál blokující fagocytózu nádorových buněk makrofágy
(a u mnoha nádorů je zvýšená hladina CD47 v důsledku narušení signalizace)
– blokování CD47 v kombinaci s Herceptinem může výrazně pomoct
Protinádorová léčba
Ke specifickému zacílení na narušené signální dráhy se používají různé malé
molekuly nebo protilátky s proteinovým základem:
- nízkomolekulární inhibitory nadměrně aktivních receptorů růstových faktorů,
nebo monoklonální protilátky zabraňující jejich dimerizaci, pokud jsou
produkované ve zvýšené míře
- inhibitory dalších signálních molekul mitogenních signálních drah – inhibitory
Ras proteinů, inhibitory MAP-kináz (kináz Raf, MEK, nebo Erk); inhibitory
fosfatidylinositol-3-kinázy (PI3K), inhibitory transkripčních faktorů
aktivovaných mitogenní signalizací
- syntetické inhibitory cyklin-dependentních kináz
- atd.
Je nutné specificky cílit na tu část signalizace, která způsobila
nadměrné dělení nádorových buněk u konkrétního pacienta
receptory
aktivované
druhé posly
(přenašeče
signálu)
cykliny a
CDK
názvy různých
monoklonálních
protilátek (slova) a
nízkomolekulárních
inhibitorů (písmena
a čísla)