11 Jan Šmarda Ústav experimentální biologie PřF MU Buněčný cyklus a cílený rozklad proteinů Přednáška kurzu Bi4010 Základy molekulární biologie, 2018/19 22 Co je buněčný cyklus? uspořádaný sled makromolekulárních procesů, při kterých buňka zdvojí svůj obsah a následně se rozdělí na dvě buňky dceřiné, přičemž každá z nich ponese stejné chromozomy hlavní cíl: reprodukce genetického materiálu pro příští generaci 33 Vysoké nároky na přesnost bezchybná replikace správné řazení fází přesná segregace chromozomů Nežádoucí rizika: mitóza před replikací: ztráta genetické informace nejméně u jedné buňky dvojnásobná replikace části chromozomu před mitózou: zvýšení poštu kopií genů 44 Řídící elementy cyklu kinázy skupiny CDK specifické degradační systémy 55 Kinázy CDK heterodimerní proteinkinázy s regulační složkou (cyklinem) a katalytickou složkou (cyklin-dependentní kinázou, CDK) na řízení cyklu se podílejí fosforylací klíčových regulátorů 66 Degradační systémy pro řízený rozklad specifických proteinů cyklu, následkem je nevratný posun fází cyklu v jednom směru Ubikvitin ligázy: SCF „anaphase promoting complex“ = cyklozom (APC/C) Zajistí specifické označení proteinů polyubikvitinovou značkou, která je předurčí k proteazomové likvidaci 7 Proč rozkládat proteiny? buňky mohou v organismu žít různě dlouhou dobu (dny – roky), ale jejich složky jsou průběžně nahrazovány „turnover“ - rovnováha mezi syntézou a degradací proteinů vychýlení k proteosyntéze – anabolismus – výstavba tkání vychýlení k degradaci – katabolismus – ztráta tkání při stárnutí se „turnover“ prodlužuje - zvýšení hladiny poškozených proteinů příčinu nebo následek stárnutí organismu? 8 Konstitutivní turnover udržovací funkce – pravidelné nahrazování starších molekul novými přesné vyvážení syntetických a rozkladných procesů v buňce vyjadřuje se jako poločas rozkladu, tj. doba, během které se rozloží polovina molekul daného typu poločas závisí na velikosti molekuly, náboji, termostabilitě, flexibilitě, hydrofobicitě, způsobu složení a způsobu uspořádání (jde-li o vícepodjednotkový protein) poločas rozkladu proteinů se pohybuje od hodin do dnů 9 Regulovaný turnover rychlý rozklad specifických cílových molekul, např. v přenosech signálů, regulaci buněčného cyklu nebo při diferenciaci a vývoji 10 neregulovaná proteolýza by znamenala riziko poškození buňky soustředěna do specifických buněčných kompartmentů: - lysozomů - proteazomů Kde probíhá proteolýza? 11 Lysozomy membránou ohraničené organely s rozkladnými enzymy hlavní organely štěpení buněčných složek 12 Lysozomy enzymová výbava: směs cca 40 kyselých hydroláz lysozomy poskytují nízké pH, při kterém jsou kyselé hydrolázy optimálně aktivní podmínkou aktivity hydroláz je jejich štěpení – syntetizují se jako neaktivní prekurzory o vyšší molekulové hmotnosti; aktivující štěpení probíhá až v lysozomech 13 Proteolýza v lysozomech nízké pH (4-5) je nezbytné pro účinnou degradaci: podmínka aktivity enzymů, pomoc při denaturaci substrátů kyselé pH se udržuje protonovými pumpami hydrolýzou ATP se uvolňuje energie, která se využije pro transport H+ proteiny lysozomální membrány jsou vysoce glykosylované, což zvyšuje jejich odolnost k lysozomálním proteázám produkty rozkladu (aminokyseliny, cukry, nukleotidy) se s pomocí transportních proteinů dostávají z lysozomů do cytozolu a mohou se podílet na biosyntetických procesech nebo být vyloučeny ven z buňky 14 Transport substrátů a enzymů do lysozomů pomocí váčků (vezikulů) z vnějšího i nitrobuněčného prostoru enzymy jsou syntetizovány v ribozomech hrubého ER a do lysozomů se přenášejí přes Golgiho aparát 15 Lysozomy jsou heterogenní velikost a tvar značně rozmanité (ostatní organely uniformní) důsledek rozmanitosti rozkládaných substrátů pozůstatky různých mimobuněčných i nitrobuněčných struktur fagocytované mikroorganismy trávení molekul potravy po rozložení většiny dodaného materiálu obsahují pouze nedegradovatelné zbytky, které se vyloučí exocytózou je známo více než 30 různých genetických chorob člověka, které jsou důsledkem mutací v genech lysozomálních enzymů: nerozložený materiál se v lysozomech hromadí 16 Gaucherova nemoc Gaucherova (čti gošérova) nemoc je dědičně vázané onemocnění, které způsobuje ukládání tukových látek (především glukocerebrosidu) v lidských orgánech (slezina, játra, plíce, kosti, někdy mozek), čímž se zhoršuje jejich fungování příčinou je deficit gluko-cerebrozidázy, nedegradovaný materiál se v lysozomech hromadí – zvětšování tkání léčba: substituční enzymová terapie Philippe Gaucher (1854-1918) 17 Proteazom druhý hlavní buněčný kompartment proteolýzy představuje až 1% všech buněčných proteinů tvar válce, uvnitř dochází ke štěpení proteinů na malé peptidy poklopy ovlivňují přístupnost válce pro substráty substráty jsou abnormální a špatně složené proteiny + normální proteiny označené k likvidaci 18 Proteazomy přítomny v jádře i cytozolu sestaveny z mnoha proteinových podjednotek regulační systémy ovládají otevření „poklopů“ a umožňují tak vstup pouze vybraným molekulám podmínkou přenosu molekul do proteazomu je jejich modifikace připojením malého polypeptidu – ubikvitinu – k lyzinovým zbytkům nutná energie ATP 19 Proteazom a kontrola kvality proteosyntézy proteosyntéza většinou produkuje řádně složené proteiny neúplně složené proteiny jsou zacíleny chaperony díky obnaženým hydrofobním sekvencím a buňka se snaží zajistit, aby dosáhly správné konformace nesložené proteiny se likvidují v proteazomu nesprávná funkce proteazomu: proteiny s obnaženými hydrofobními úseky agregují a narušují funkce tkání 20 Proteazom 26S ATP-dependentní komplex proteáz katalyzuje rozvolnění a proteolytický rozklad svých substrátů složen z katalytického komplexu 20S, který je obklopen dvěma regulačními komplexy 19S 21 Struktura proteazomu Podjednotka 20S (jádro): válec složený ze čtyř kruhů (2xα, 2xβ) vnitřní komora přístupná pouze otvory na obou koncích aktivní místa pro proteolýzu soustředěna v podjednotkách β - β1 štěpí kyselé zbytky (caspase-like activity) - β2 štěpí zásadité zbytky (trypsin-like activity) - β5 štěpí hydrofobní zbytky (chymotrypsin-like activity) 22 Jádro proteazomu (20S) podjednotky α nemají katalytickou aktivitu, účastní se translokace substrátu do proteolytické komory vlastní hydrolýza molekul substrátu na malé peptidy je zajišťovaná podjednotkami β a nevyžaduje ATP ATP je potřeba pro rozvinutí proteinů, aby se do úzkého prostoru válce mohly dopravit 23 Složeny z 15-20 jednotek: jednotky n1-n12 bez ATPázové aktivity tvoří poklop: rozeznávají ubikvitinem označené proteiny a odstraňují ubikvitinové značky pro recyklaci ATPázy t1-t6 tvoří základnu: zajišťují rozplétání proteinů a jejich transport do podjednotky 20S obsahuje víko („lid“) a základnu („base“) regulační funkce: rozeznávají a rozplétají substrátové proteiny Struktura proteazomu: podjednotka 19S 24 Postupný rozklad proteinů v proteazomu víko proteazomu rozeznává příslušný substrát substrát se rozplétá a za spotřeby ATP se translokuje do válce; v rané fázi se odštěpuje ubikvitin pro recyklaci hydrolýza je důkladná: na malé peptidy 25 Značení proteinů pro proteazomovou likvidaci regulačním prvkem je vstup do válce proteazomu substráty, kterým má být povolen vstup do proteozomu se opatří specifickou značkou (protein-tagging) – ubikvitinem ubikvitin se k cílovém proteinu připojuje kovalentní vazbou pomocí specifických enzymů 26 Významné cíle proteazomové degradace regulátory buněčného cyklu a růstu složky buněčných signálních kaskád transkripční faktory enzymy zapojené do metabolických reakcí varianty proteinů vytvořené v důsledku mutace nebo defektní proteosyntézy antigeny hlavního histokompatibilitního komplexu třídy I vyřazení funkce proteazomu je pro buňky letální 27 Ubikvitin protein o nízké molekulové hmotnosti (76 AK) kompaktní globulární struktura evoluční konzervativnost vyskytuje se ve všech tkáních všech eukaryotických organismů v buňce se vyskytuje jako volná molekula nebo kovalentně připojená k jiným proteinům váže se k aminoskupině lyzinu cílového proteinu vazbou dalších molekul ubikvitinu vzniká polyubikvitinový řetězec, který je vstupenkou do proteazomu 28 Značení molekul ubikvitinem aktivace ubikvitinu katalyzovaná ubikvitin-aktivujícím enzymem E1 reakce je závislá na ATP výsledkem je ubikvitin připojený svým C-koncem k proteinu E1 následně se ubikvitin přenáší z E1 na ubikvitin-konjugující enzym E2 enzym E2 funguje v komplexu s enzymem E3; tento komplex se označuje jako ubikvitin-ligáza 29 Značení molekul ubikvitinem u savců existují stovky ubikvitin-ligáz, které rozeznávají degradační signály (tzv. degrony) na cílových proteinech prostřednictvím části E3 - rozeznání substrátu ubikvitin-ligázy zajišťují vznik polyubikvitinových řetězců připojených k lysinu cílového proteinu 30 Proteiny s navázaným Ub podléhají degradaci v proteazomu Průběh: vazba substrátu označeného poly-Ub k Ub-receptorové podjednotce proteazomu odštěpení Ub prostřednictvím izopeptidáz vázaných na poklop rozvinutí a translokace substrátu do válce proteazomu degradace substrátu na malé peptidy 31 Řízená destrukce proteinů - příklady likvidace špatně složených nebo jinak abnormálních proteinů likvidace normálních proteinů, jejichž poločas rozpadu je z nějakého důvodu potřeba zkrátit (např. v souvislosti se změnou stavu buňky, buněčným cyklem, apod.) existují proteiny s přirozeně krátkým poločasem rozpadu, jiné se rychle rozkládají jen podmínečně, jinak jsou stabilní např. cykliny se v určité fázi buněčného cyklu rychle rozkládají 3232 Aktivita komplexů cyklin-CDK koncentrace cyklinů kolísá v průběhu cyklu koncentrace CDK je stabilnější, ale jejich aktivita je bez cyklinu nulová cykliny spolurozhodují o výběru substrátu pro fosforylaci kinázou CDK 3333 Cykliny a fáze cyklu Cyklin fáze G1: cyklin D Cyklin fáze G1/S: cyklin E Cyklin fáze S/G2: cyklin A Cyklin fáze M: cyklin B 3434 Tři funkční stavy Cdk A) inaktivní - bez cyklinu, aktivní místo Cdk je blokováno částí proteinu zvanou T-smyčka (B) částečně aktivní - po navázání cyklinu opouští T-smyčka aktivní místo Cdk a částečně jej tak aktivuje (C) plně aktivní - fosforylace treoninu T smyčky Cdk kinázou CAK (Cdk-activating kinase): konformační změna, zvýšení afinity pro příslušné substráty 3535 Regulace aktivity Cdk: fosforylace vazba cyklinů primárně určuje aktivitu Cdk pomocné mechanismy přispívají jemné regulaci aktivity Cdk: - fosforylace dvojice aminokyselin v blízkosti aktivního místa kinázou Wee1 inhibuje aktivitu komplexu cyklin/Cdk - defosforylace těchto aminokyselin fosfatázou Cdc25 zvyšuje aktivitu komplexu cyklin/Cdk - další aktivační fosfát přidává CAK na T smyčku Kináza Wee1 – inhibuje komplexy cyklin Cdk Fosfatáza Cdc25 – aktivuje komplexy cyklin- Cdk 3636 Regulace aktivity Cdk: inhibiční proteiny CKI vážou se na komplexy cyklin/Cdk a inhibují je v důsledku změny konformace aktivního místa Cdk 3737 Inhibitory CDK: rodina Cip/Kip tři členové u savců: p21Cip1, p27Kip1, p57Kip2 p21 se indukuje při poškození DNA pomocí proteinu p53, pozastavuje cyklus ve fázích G1 a G2 3838 Inhibitory CDK: rodina INK4 p16INK4A p15INK4B p18INK4C p19INK4D Společné znaky: inhibice tvorby komplexů cyklinů D a CDK4/CDK6 a inaktivace již vytvořených komplexů zastavení buněčného cyklu ve fázi G1 (před bodem restrikce) 39 Kontrolní body cyklumolekulární brzdy Kontrolují : iniciaci fáze S iniciaci mitózy rozdělení dceřiných chromozomů v anafázi začátek telofáze a cytokineze celistvost DNA zajišťují, aby hlavní události cyklu probíhaly v pevně daném pořadí sensory sledují klíčové děje cyklu a poskytují řídícímu systému zpětnou vazbu je-li zaznamenána chyba, řídící systém prodlouží danou fázi, aby chyba mohla být opravena zajišťují extrémní přesnost buněčného dělení (příjem správného počtu řádně replikovaných chromozomů dceřinou buňkou) 40 41 Princip fungování kontrolních bodů kontrolují aktivity komplexů cyklin-CDK a ubikvitinligáz SCF a APC/C různé mechanismy: regulace syntézy a degradace cyklinů fosforylace CDK v inhibičních a aktivačních místech regulace syntézy a stability inhibitorů CDK 4242 Buněčný cyklus reaguje na signály z vnějšího i vnitřního prostředí Vnější podněty: signální molekuly živiny a růstové faktory Vnitřní podněty: stupeň dokončení předchozích fází poškození DNA Na základě těchto podnětů může být buněčný cyklus pozastaven. 4343 Důkaz existence regulátorů cyklu: fúze savčích buněk spojení buněk v různých fázích cyklu: G1 + S sledován průběh replikace DNA inkorporací značeného tymidinu značka se objevila v DNA buňky fáze G1 i S: buňka ve fázi G1 zahájila replikaci okamžitě po fúzi (Johnson a Rao, 1970) buňka G1 + buňka S Heterokaryon DNA jádra G1 se replikuje Závěr: v S-fázové buňce existuje faktor, který indukuje replikaci v jádře ve fázi G1 44 Důkaz existence regulátorů cyklu: fúze savčích buněk spojení buněk v různých fázích cyklu: G1, G2 nebo S + M buňka G1, G2 nebo S + buňka M retrakce jaderné membrány, chromozomy kondenzují Závěr: v M-fázové buňce existuje faktor, který indukuje mitózu 45 Výhody kvasinkového modelu dostupnost údajů o sekvenci genomu haploidní status - usnadnění genetických analýz snadná kultivace, vysoká rychlost cyklu snadné vizuální vyhodnocení fáze buněčného cyklu mikroskopickou analýzou morfologie buněk: - u pučících kvasinek (Saccharomyces cerevisiae) nepřítomnost pupene – značí fázi G1, přítomnost pupene menšího než u rodičovské buňky – značí fázi S, přítomnost pupene podobné velikosti jako u rodičovské buňky – značí fázi G2 - u štěpících se kvasinek (Schizosaccharomyces pombe) lze na fázi cyklu usuzovat z délky buněk Výzkum buněčného cyklu u kvasinek 46 Kvasinky: buněčný cyklus je sled navazujících fází nová fáze cyklu může nastat až po dokončení fáze předchozí – dominový efekt mutace v genech nutných pro průchod danou fází cyklu (cdc) se projeví synchronizací celé populace kvasinkových buněk – jejich cyklus se zastaví ve stejné fázi Geny cdc jsou esenciální, proto kvasinky defektní v cdc nejsou životaschopné – připraveny podmínečně letální mutanti 47 Identifikace genů řídících cyklus 48 Buněčný cyklus krok za krokem růst kopírovat DNA kondenzovat chromozomy vytvořit vřeténko rozdělit se 49 Fáze G1 nejdelší a nejvariabilnější biosyntetické procesy, sestavování organel monitorování vnějších a vnitřních podmínek před zahájením S-fáze dostatek živin a růstových faktorů: růst buňky, vysoká metabolická aktivita nedostatek živin nebo anti-proliferační signál: zpomalení postupu fází G1 nebo opuštění cyklu do fáze G0 na konci kontrolní bod restrikce/Start 5050 Fáze G1 buňka schopna reagovat na mimobuněčné signály: mitogenní a anti-mitogenní (TGF-ß) růstové faktory růstové faktory přítomny a protirůstové nepřítomny: překonání bodu restrikce do další fáze S-fáze probíhá i za nepřítomnosti růstových faktorů stejnému signálu jsou vystaveny sousedící buňky – koordinace 51 Fáze G0 fáze, ve které se nachází většina buněk mnohobuněčných organismů: jsou diferencované a specializované k výkonu určité funkce, nedělí se možnost opětného vstupu do buněčného cyklu po přijetí prorůstového signálu Neurony a buňky kosterního svalstva jsou terminálně diferencované (fáze G0) - exprese genů nutných pro buněčný cyklus je zcela vypnuta; opětné nastartování cyklu téměř nemožné Jaterní buňky: udržují schopnost rychlého obnovení funkcí cyklu, např. v případě poranění Fibroblasty a lymfocyty: přecházejí do G0 a znovu se vracejí do cyklu několikrát během svého života 52 Návrat do cyklu z fáze G0 přidání růstových faktorů aktivuje transkripci genů ve dvou fázích: geny okamžité reakce (early-response genes) a geny opožděné reakce (delayed-response genes) transkripce raných genů se indukuje během minut (např. jun, fos, myc) exprese genů opožděné reakce závisí na produktech genů okamžité reakce (např. cyklin D) 53 Proteiny E2F E2F jsou transkripční faktory, které aktivují expresi genů kódujících proteiny pro replikaci DNA, cykliny pozdní fáze G1, S a CDK fáze S Nepřítomnost mitogenů: exprese genů řízených E2F je znemožněna interakcí mezi E2F a proteinem Rb Přítomnost mitogenů: G1-CDK fosforyluje Rb tím se uvolní vazba Rb-E2F E2F následně zajistí expresi cílových genů 54 Přechod bodu restrikce: účast Rb Rb protein je jedním z nejdůležitějších substrátů komplexů cyklin-CDK fáze G1 fosforylace Rb brání jeho asociaci s E2F – následkem je posun do fáze S fosforylace Rb se v průběhu cyklu dále zvyšuje fosfatázou PP1 přechází Rb zpět do hypofosforylovaného stavu ve fázi G2 55Šmarda: Bi7090_2010 55 Mitogeny prorůstové signální molekuly, které nitrobuněčnými signálními kaskádami aktivují geny okamžité reakce produkty genů okamžité reakce aktivují geny opožděné reakce (např. cyklin D) cyklin D/CDK fosforyluje Rb pozitivní zpětné vazby: E2F posiluje transkripci vlastního genu; G1/S-Cdk a S-Cdk zvyšují fosforylaci Rb 56 Fáze G2 buňka má dvojnásobný obsah DNA než v G1 sesterské dvoušroubovice drženy v komplexu kohezinem kontrola celistvosti DNA a příprava mitózy v případě, že je nalezena nereplikovaná nebo poškozená DNA, nebo nedošlo k duplikaci centrozomu kontrolní body znemožní zahájení mitózy 57 Kondenzace chromatid replikovaná DNA ve fázi S má podobu dlouhých vláken, jejichž oddělení by znamenalo riziko poškození proto buňka postupně reorganizuje chromatidy do kompaktnějších struktur, které mohou být rozděleny snadněji na konci metafáze mají chromatidy podobu tyčinkovitých struktur, které jsou pevně spojeny v oblasti centromery 58 M-Cdk jediná kináza zajišťující všechny procesy mitózy: sestavení vřeténka připojení sesterských chromatid k opačným pólům kondenzaci chromozomů do tyčinkovitých struktur degradaci jaderné membrány změna uspořádání aktinových vláken, atd. 59 Mitóza oddělení chromatid a jejich distribuce do dceřiných jader, každá s úplnou kopií genomu cytokineze Pro regulaci jsou zásadní dva procesy: prudké zvýšení aktivity M-Cdk v kontrolním bodě G2/M, které vede k procesům rané mitózy (sestavení vřeténka a jeho připojení sesterským chromatidám) ubikvitinligáza APC/C zajistí likvidaci (a) sekurinu: štěpení kohezinu a oddělení chromatid, (b) cyklinu M-fáze: inaktivace a defosforylace cílových proteinů (anafáze, telofáze, cytokineze) 6060 Pozitivní zpětná vazba při aktivaci MPF 61 Dokončení M-fáze jakmile je každý kinetochor připojen k vláknům vřeténka, faktor Cdc20 aktivuje ubikvitin ligázu APC/C APC/C katalyzuje vazbu ubikvitinu na cyklin M-fáze a sekurin následuje rozklad označených proteinů proteazomem absence cyklinu B inaktivuje MPF a zakončuje mitózu 62 Dokončení M-fáze sekurin (inhibitor anafáze) chrání vazby, které udržují sesterské chromatidy pohromadě na počátku mitózy (kohezin) rozklad sekurinu při přechodu metafáze/anafáze aktivuje separázu separáza oddělí chromatidy a umožní anafázi po připojení kinetochorů k dělícímu vřeténku Cdc20 aktivuje APC/C ubikvitin ligáza APC/C označí sekurin degradací sekurinu se aktivuje separáza separáza rozloží kohezin, který spojuje chromatidy - nastává anafáze 63 Kontrolní body 64 Hlavní kontrolní body cyklu 65 chyby při replikaci, záření nebo chemikálie poškozují DNA oprava nutná před replikací nebo segregací kontrolní systém: detekce poškození DNA a zastavení cyklu v kontrolních bodech před začátkem S-fáze nebo M-fáze detekci poškození DNA zajišťují kinázy ATM a ATR, které fosforylují své cílové proteiny, včetně kináz Chk1 a Chk2 fosforylace proteinů těmito kinázami zastavuje cyklus hlavním cílovým genem je p53 fosforylovaný p53 stimuluje transkripci genu p21 protein p21 jedním z inhibitorů (CKI) komplexů G1-Cdk a G1/S-Cdk Kontrolní body monitorující poškození DNA 66 p53 p53 je nestabilní protein, v nepoškozených buňkách přítomen v nízké koncentraci důsledek jeho interakce s ubikvitinligázou Mdm2, jejíž expresi sám aktivuje Mdm2 zprostředkovává rozklad p53 v proteazomu 67 p53 fosforylace p53 v poškozených buňkách omezuje jeho interakci s Mdm2, tím se stabilizuje a může aktivovat transkripci genu p21 68 Poškození DNA a rakovina hromadění neopravovaných poruch v DNA zvyšuje riziko vzniku nádorotvorných mutací mutace, které vyřadí z činnosti systém reakcí na poškozenou DNA jsou velmi nebezpečné absence funkčního p53 provází alespoň polovinu lidských nádorů, protože umožňuje hromadění mutací 69 Ataxia telangiectasia vzácné genetické neurodegenerativní onemocnění důsledek defektu ATM, tj. kinázy určené pro reakci na poškození DNA (reparační mechanismy oslabeny) pacienti jsou velmi citliví na záření a mají zvýšené riziko vzniku rakoviny 70