Buněčný cyklus a buněčná smrt

Biologie I 6. přednáška

Buněčný cyklus a buněčná smrt

Buněčný cyklus Jak se dostat k nové buňce? pouze jako kopie nějaké již existující buňka zdvojí obsah (včetně genetického materiálu) a rozdělí se

přesně řízený proces, násobná kontrola správnosti včetně přesnosti kopírování genomu

Proč? reprodukce

Dělící se Amoeba (nepohlavní rozmnožování prvoka) = dva samostatné organismy

růst a vývoj

Embryo krátce po prvním dělení oplozeného vajíčka.

obnova tkání a pletiv

Kmenová buňka kostní dřeně – nové buňky dají vzniknout diferencovaným krvinkám 6/2

Campbell biology 10ed (Reece JB, Urry LA, Cain ML, Wasserman SA, Minorsky PV, Jackson RB, Pearson Education, 2014, ISBN 978-0-321-77565-8)

výsledek – geneticky identické dceřinné buňky

Reprodukce prokaryot jednoduché dělení replikace bakteriálního chromosomu růst buňky do dvojnásobné velikosti tvorba přepážky – nová cytoplasmatická membrána a buněčná stěna, separace genomů

Adaptováno z Johnson R.: Biology, 5th edition 1999; © The McGraw-Hill Comp., Inc.

Replikace začíná v jednom místě (počátek replikace). Chromosomy jsou v jednom bodě připojeny k cytoplasmatické membráně a s růstem buňky dochází k jejich separaci. 6/3

Reprodukce prokaryot buněčný cyklus Agrobacterium tumefaciens A – buňka po ukončeném cyklu dělení B – počátek dělení, vznik nového středového kroužku z proteinu FtsZ C – zaškrcení středové oblasti, oddělování nově vznikajících buněčných prostorů D, E – nově vzniklé sesterské buňky

při dělení – lze odlišit původní oblast a nově vznikající membránu ve středu bakterie

vlákna FtsZ tvoří utahující se spirálu FtsZ protein s GFP – v růstové oblasti buňky

Swiedniak et al, DOI: 10.7554/eLife.04601 Mori et al, doi: 10.1093/pcp/pce095 Zupan et al, DOI: 10.1073/pnas.1307241110

dělení chloroplastů z lilie 6/4

Reprodukce eukaryot mnohem složitější proces - více chromosomů než jeden

(počet chromosomů v somatických buňkách většiny eukaryot se pohybuje mezi 10 až 50)

- obsahují organely

6/5

Reprodukce eukaryot prokaryota

bez jádra, obvykle cirkulární chromosom, po replikaci DNA se rozdělí do vznikajících buněk, po prodloužení buňky se uprostřed vytvoří prstenec z FtsZ proteinu, který se podílí na tvorbě přepážky a oddělení dceřiných buněk

některá protista

obsahují jádro, které při dělení zůstává neporušené, chromosomy se seřadí, mikrotubuly projdou póry jaderné membrány a vytvoří osu pro separaci replikovaných chromosomů a rozdělení buňky mezi dvěma centriolami na opačných stranách buňky se vytvoří vřeténko, projde jedním pórem neporušené jaderné membrány, vytvoří se kinetochorové mikrotubuly mezi chromosomem a póly vřeténka, chromosomy jsou taženy k jednotlivým pólům jaderný obal zůstává při dělení neporušený, vřeténko se tvoří uvnitř jádra mezi póly, ke každému chromosomu se připojí jediný kinetochorový mikrotubul, který přitáhne chromosom k pólu

ostatní protista

kvasinky

živočichové

vřeténko se vytváří vně jádra mezi centriolami a dochází k zániku jaderné membrány, kinetochorové mikrotubuly se připojí na kinetochory chromosomů a dochází k jejich oddělení 6/6

Reprodukce eukaryot

struktura chromozomu

Homologní chromosomy

mají stejný vzhled (délka, umístění centromery, barvení) kontrolují stejné vlastnosti (obecné pořadí genů) mohou nést různé formy jednoho genu (alely)

Nehomologní chromosomy

mají odlišný vzhled kontrolují odlišné vlastnosti (nesou různé geny)

Pohlavní chromosomy

podle tvaru mitotického chromosomu XaY určují pohlaví

typ Drosophila (i člověk): XX – samičí typ Abraxas (např. ptáci): XY – samičí typ Protenor (rovnokřídlý hmyz): XX – samičí

XY – samčí XX – samčí X0 – samčí

Biology 11ed (Raven, Johnson, Mason, Losos, Singer, McGraw-Hill, 2011, ISBN 978-1-259-18813-8)

6/7

Reprodukce eukaryot


před rozdělením buňky zdvojení chromosomů vznik sesterských chromatid spojených v oblasti centromery

následuje kondenzace chromosomů chromosomy se sbalí se do „zhuštěné“ podoby

Nesesterské chromatidy

centromera

zdvojení (replikace)

sesterské chromatidy dva chromosomy

dva zdvojené chromosomy Biology 11ed (Raven, Johnson, Mason, Losos, Singer, McGraw-Hill, 2011, ISBN 978-1-259-18813-8)

6/8

Reprodukce eukaryot


úrovně organizace chromosomu Nukleosom komplex dvojřetězcové DNA s histonovými proteiny základní jednotka sbalování chromatinu DNA se dvakrát obráčí okolo proteinového jádra, délka DNA mezi nukleosomy cca 200 párů bazí „korálky na vlákně“ napojení histonu H1 mimo nukleosom napomáhá dalšímu svinutí kostra z nehistonových proteinů jako lešení výsledek: každá molekula je svinuta do mitotického chromosomu, který je 10 000x zkrácen oproti nataženému stavu Color Atlas of Biochemistry 2ed (Koolman J, Roehm KH, Thieme, 2005, ISBN 3-13-100372-3)

6/9

Reprodukce eukaryot úrovně organizace chromosomu

struktura chromozomu smyčky

„lešení“

Color Atlas of Biochemistry 2ed (Koolman J, Roehm KH, Thieme, 2005, ISBN 3-13-100372-3) Campbell biology 10ed (Reece JB, Urry LA, Cain ML, Wasserman SA, Minorsky PV, Jackson RB, Pearson Education, 2014, ISBN 978-0-321-77565-8)

6/10

Reprodukce eukaryot


p = petite (malý) q = v abecedě po „p“

Telomera - ochrana konců chromosomů (proteiny) - brání rekombinaci s jinými chromosomy - zamezuje/omezuje zkracování chromosomu při replikaci Campbell biology 10ed (Reece JB, Urry LA, Cain ML, Wasserman SA, Minorsky PV, Jackson RB, Pearson Education, 2014, ISBN 978-0-321-77565-8)

6/11

Reprodukce eukaryot

struktura chromozomu mitotické chromosomy … a uspořádané do karyotypu

interfázní chromosomy


6/12

Reprodukce eukaryot


Centromera zúžení na kondenzovaném chromosomu (oblast se specifickými repetitivními sekvencemi) místo spojení sesterských chromatid na centromeře se uskupí proteinové disky - kinetochory kinetochory jsou místem napojení mikrotubulů (pro separaci sesterských chromatid během dělení buňky)


6/13

Buněčný cyklus

fáze buněčného cyklu

Interfáze Buňka roste, vytváří proteiny, zmnožuje /zvětšuje organely G1 – (growth) buňka roste S – navíc replikace (syntéza chromosomů) G2 – rychlejší růst, příprava na dělení M- fáze

mitoza – dělení jádra cytokineze – dělení cytoplasmy

The Molecular Biology of the Cell 6ed (Alberts B, Johnson A, Lewis J, Morgan D, Raff M, Roberts K, Walter P, Garland Science, 2015, ISBN 978-0-8153-4432-2)

6/14

Buněčný cyklus


6/15

Buněčný cyklus

fáze buněčného cyklu - mitosa

Každá buňka získává kopii každého chromosomu (jednu ze sesterských chromatid) Po cytokinezi vznikají dceřiné buňky geneticky identické s mateřskou

Živočichové a rostliny během mitosy dochází k „rozpadu“ buněčného obalu Houby a (někteří) prvoci mitosa probíhá přímo v jádře a po skončení se jádro rozdělí

6/16

Adaptováno z Campbell, Reece: Biology 6th edition © Pearson Education, Inc, publishing as Benjamin Cummings

Buněčný cyklus


konec G2 fáze Zdvojení centrosomů (centrioly charakteristické pro živočišné buňky) Výrazné jádro se zdvojenými chromosomy (zůstávají v nekondenzovaném stavu) Zjevné jadérko (či dvě) Od centrosomů se paprsčitě rozbíhají mikrotubuly (astrosféra)

6/17


Buněčný cyklus


profáze Kondenzace chromosomů, chromosomy viditelné jako dvě spojené sesterské chromatidy Mizí jadérka Prodlužováním mikrotubulů z obou centrosomů se začíná vytvářet mitotické vřeténko

Centrosomy se pohybují k opačným pólům buňky (odtlačovány rostoucími mikrotubuly) Maturace kinetochor

6/18


Buněčný cyklus


prometafáze Rozpad jaderného obalu (fosforylace laminů) Napojování kinetochorových mikrotubulů na zralé kinetochory Vzájemná interakce nekinetochorových mikrotubulů

6/19


Buněčný cyklus


metafáze Centrosomy na opačných stranách buňky Kinetochory sesterských chromatid napojeny na mikrotubuly (ve skutečnosti svazek mikrotubulů) vycházející opačných pólů mitotického vřeténka

Chromosomy se shromažďují v metafázové destičce stejně vzdálené od pólů vřeténka Metafáze je nejdelší fází mitosy Po kontrole připojení všech chromatid na mikrotubuly je aktivován tzv. APC (anaphase promoting complex)

Pojmenování mitotické (dělící) vřeténko odkazuje na tvar aparátu

6/20


Buněčný cyklus


metafáze – mitotické vřeténko

Kinetochorové mikrotubuly pohybují chromosomy a ustavují centromery všech chromosomů v jedné rovině (metafázová destička), následně se budou zkracovat a oddělovat sesterské chromatidy Astrosféra - krátké mikrotubuly směřující k cytoplasmatické membráně (živočichové - zpevňuje aparát při „smršťování vřeténka retrakci; rostliny mají rigidní buněčnou stěnu) Nekinetochorové mikrotubuly se překrývají a následně se budou prodlužovat a tím přispívat k „transportu“ chromatid 6/21

Buněčný cyklus


metafáze – mitotické vřeténko

The Cell Cycle: Principles of Control (Morgan DO, New Science Press, 2007, ISBN 9780199206100)

6/22

Buněčný cyklus


metafáze – mitotické vřeténko připojení chromosomů na vřeténko


6/23

Buněčný cyklus


Fyzické rozdělení sesterských chromatid = vznik nezávislých dceřiných chromosomů Uvolněné chromosomy se pohybují k opačným pólům rychlostí ~ 0,5 až 1 µm/min Anafáze končí když je na opačných koncích buňky kompletní sada chromosomů Anafáze je nejkratší fází mitozy Při anafázi se • kinetochorové mikrotubuly zkracují • nekinetochorové mikrotubuly se prodlužují, živočišná buňka se protahuje


anafáze

6/24


Buněčný cyklus


anafáze kinetochorové mikrotubuly - chromosom tažen motorem podél mikrotubulu - uvolňovaný plus-konec depolymeruje

nekinetochorové mikrotubuly vzájemný posun zprostředkován molekulovým motorem

6/25


Buněčný cyklus


telofáze Nekinetochorové mikrotubuly se dále prodlužují a připravují buňku na cytokinezi téměř přesný opak sledu pochodů v profázi a prometafázi Zánik mitotického vřeténka Tvoří se jaderné obaly Chromosomy despiralizují Znovu se utváří jadérko Konec mitosy

buněčné organely – Profáze – rozpad ER, Golgiho útvaru a jaderné membrány na membránové váčky Telofáze – i) znovuutváření ER, ii) Golgiho útvaru z původních váčků a ER) iii) a jaderného obaly (z původních váčků a ER) 6/26

Buněčný cyklus


Adaptováno z Campbell, Reece: Biology 6th edition © Pearson Education, Inc, publishing as Benjamin Cummings The Cell Cycle: Principles of Control (Morgan DO, New Science Press, 2007, ISBN 9780199206100)

telofáze – znovuvytváření jaderného obalu

6/27

Buněčný cyklus

fáze buněčného cyklu - cytokinese


6/28

Buněčný cyklus

fáze buněčného cyklu - cytokinese


6/29

Buněčný cyklus

buněčný cyklus a centrosom

každá dceřinná buňka získá při dělení jeden centrosom

v G1 fázi buňka obsahuje jediný centrosom, ze kterého vycházejí mikrotubuly pokud buňka vstoupí do nového buněčného cyklu, jednotlivé centrioly se od sebe začnou oddělovat a ztratí pravoúhlou orientaci

během mitosy se mezi centrosomy vytvoří uspořádané vřeténko

každá centriola dává za vznik nové procentriole

centrosomy se od sebe vzdalují a začíná se mezi nimi tvořit síť mikrotubulů

na počátku mitosy se oba centrosomy od sebe oddělí

během S-fáze se procentrioly prodlužují a vzniknou nové centrioly v pravoúhlém uspořádání 6/30

Buněčný cyklus

buněčný cyklus

Úroveň despiralizace chromosomů buněk v interfázi se může lišit: Heterochromatin zachovány vyšší úrovně spiralizace (oblasti s geny, které nejsou exprimovány)

Euchromatin rozvolněné oblasti, přístupné transkripčnímu aparátu.

heterochromatin je viditelný jako granule uvnitř jádra 6/31

Buněčný cyklus

buněčný cyklus

G0 stadium mimo buněčný cyklus některé buňku celý život v G0 fázi (neurony) některé buňky dočasně do buněčného cyklu (hepatocyty)

The Molecular Biology of the Cell 6ed (Alberts B, Johnson A, Lewis J, Morgan D, Raff M, Roberts K, Walter P, Garland Science, 2015, ISBN 978-0-8153-4432-2)

6/32

Buněčný cyklus

regulace buněčného cyklu

hlavní kontrolní body

6/33

Buněčný cyklus


načasování jednotlivých procesů cyklin-dependentní kinasy (Cdk) – řídí buněčný cyklus cykliny – určují cíle pro Cdk, určují lokalizaci Cdk další regulační prvky - proteiny inhibující CDK, fosforylace Cdk, regulace transkripce, regulovaná proteolýza

6/34

Buněčný cyklus


G1/S kontrolní bod

6/35

Buněčný cyklus


G2/M kontrolní bod vznik právě jediné kompletní kopie chromozomů

6/36

Buněčný cyklus


G2/M kontrolní bod

Během intefáze roste koncentrace mitotického cyklinu (M-cyklinu) M cyclin a Cdk vytváří MPF

(zůstává v neaktivní formě – fosforylace v inaktivačním místě)

Aktivní MPF: fosforylace v aktivačním místě (a defosforylace v inaktivačním místě) Hladina aktivovaného MPF během G2 roste do prahové hodnoty → spuštění mitozy Aktivní MPF fosforyluje histony, nukleární střední filamenta a proteiny podílející se na vzniku mitotického vřeténka nepřímo MPF iniciuje odbourávání vlastního M-cyklinu → snižování koncentrace MPF → procesy vedoucí k terminaci (dovršení) mitozy

kovalentní označení M-cyklinu ubikvitinem (zprostředkuje tzv. anaphase promoting complex [APC])→ proteolyza v proteasomu 6/37

Buněčný cyklus


Vřeténkový kontrolní bod APC (anaphase-promoting complex) ubikvitin ligasa, aktivace pomocí M-Cdk – fosforylace aktivovaná APC inaktivuje M-cykliny a sekurin, specifická sekvence pro rozpoznání negativní zpětná vazba s Cdk způsobuje oscilace aktivit Cdk a APC destrukce sekurinu aktivuje separasu a tím oddělení sesterských chromatid inaktivace Cdk umožní pohyb chromosomů k pólům dokončení mitosy

kontrola správné orientace sesterských chromatid

dokud nejsou správně orientovány, APC ubikvitinyluje jenom cyklin A (důležitý v S-fázi), teprve když je vše připravené, tak cyklin B a sekurin nesprávně připojené kinetochory inhibují aktivaci APC

6/38

Apoptosa programovaná buněčná smrt Odstraňování poškozených / nemocných buněk (imunita / NK-buňky) Ontogeneze – tvorba / odstraňování orgánů, kontrola počtu buněk

porucha funkce lysozomů Tay-Sachsova nemoc

Maturace nervového systému tělo neuronu

apoptoza neuronů

neurony

smrt „přebytečných“ neuronů

axon

terčové buňky

sjednocení počtu neuronů a terčových buněk

„survival“ faktor uvolněný buňkami Adaptováno z Alberts a kol.: Molecular Biology of The Cell, 4th ed. 2002; © Garland Science

6/39

Apoptosa apoptosa vs.

NEKROSA

- pasivní proces s rychlým nástupem doprovázený zánětem - patologický proces způsobený fyzikálně-chemický traumatem, infekcí - postihuje mnoho buněk tkáně / pletiva NEKROZA

trauma

rozpad buněčných struktur

b. spoje mitochondrie jádro

voda

buňky a organely botnají chromatin kondenzuje membrána poškozena

lyze buněk, nástup fagocytů, zánět

Adaptováno z Pollar a kol.: Cell Biology, 2nd ed., 2007; © Elsevier 6/40

Apoptosa - aktivní proces sebedestrukce s pomalým nástupem - vyžaduje energii - nepůsobí zánět

6/41

Apoptosa kaspasy přítomny jako neaktivní monomery – prokaspasy prokaspasy se aktivují po přiblížení (agregaci) na organizujících proteinech

naštěpení proteinu vede ke změně konformace → aktivní kaspasa → aktivace dalších kaspas – proteolyza

6/42

Apoptosa kaspasy – vnitřní cesta aktivace regulace pomocí mitochondrií

Molecular Cell Biology, 8ed (Lodish, Berk, Kaiser, Krieger, Bretscher, Ploegh, Amon, Martin, 2016)

6/43

Apoptosa kaspasy – vnější cesta aktivace „cell murder“ a „receptory smrti“

6/44

Buněčný cyklus a buněčná smrt

Recommend Documents