Hücre Bölünmesi ve Kontrolü

Transkript

1 Hücre Bölünmesi ve Kontrolü Doç. Dr. Metin Aytekin Erciyes Üniversitesi Tıp Fakültesi Tıbbi Biyoloji Anabilim Dalı 8 Aralık 2014

2 Robert Hooke Rudolf Virchow

3 GENERASYON ZAMANI BÜYÜME BÖLÜNME mitoz ve mayoz Hücre siklusu Deniz kestanesi ve embriyonik hücrelerde bir kaç dakika Bitkilerde genellikle dakika Hayvanlarda saat Insan hücre kültüründe 24 saat

4 İNTERFAZ G 1 S (DNA sentezi) G 2

5 HÜCRE BÖLÜNMESİ Tek hücreli canlıların çoğalması Çok hücreli canlıların büyüme, gelişme ve çoğalması hücre bölünmesiyle olur. Hücre bölünmesi için belli bir büyüklüğe erişmesi gerekir. Hücre bölünmesi hücrelerin çoğalması ve eşeysel üreme için gametlerin oluşumunu sağlar. Temel nokta: DNA nın replikasyonu ve Sitoplazma bölünmesidir. Prokaryot ve Eukaryot hücrelerde temelde aynıdır. Ancak bazı farklılıklar vardır.

6 Prokaryotlarda Bölünme 1. Prokaryotlarda bölünme daha hızlıdır 2. DNA halkasaldır. 3. İki halkasal DNA meydana gelir, hücre zarı ve çeperine değdiği noktadan hücre duvarı boğumlanarak sitoplazma bölünmesi olur. 4. DNA replikasyonunda kısalıp, kalınlaşma ve yoğunlaşma yoktur 5. Prokaryotlarda hücre bölünmesinde sadece S evresi vardır.

7 DNA sitoplazmaya değer bölünmeye başlar Sitoplazma bölümeye başlar Hücre tamamen bölünür

8 Prokaryotlarda bölünme Halkasal kromozom Birbiri ile aynı i Yavru hücre Ökaryotlarda bölünme Nükleus Birbiri ile ayn Iki haploit Yavru hücre

9 Ökaryotlarda bölünme DNA replikasyonu hücre siklusunun belirli evrelerinde olur. Her organizmanın hücre bölünmesi farklı sürelerde olur DNA materyali yavru hücrelere eşit olarak aktarılır. DNA sentezi devamlı değildir.

10 Mitoz bölünme (diploit hücrelerde) Birbiri ile aynı Iki diploit Yavru hücre Mayoz bölünme Mayosit Haploit yavru hücreler

11 Hücre Döngüsü Fazları (evreleri) { G1 (gap 1) İnterfaz S (sentez) G2 (gap 2) G1 { MİTOZ BÖLÜNME 1. Karyokinez 2. Sitokinez M (mitoz) G2 S

12 G1 kromozom S sentromer G2 Kromatit Kromatit

13 Sitoplazmik Kontrol M evresi -- G 1 evresi: M evresi -- S evresi: M evresi -- G 2 evresi: M M G 1 S M G 2 G 1 - S - G 2 deki nükleusun yoğunlaşması M evresi hücrelerinin sitoplazması mitotik olayları uyaran faktörler içerir!

14 G1 (Gap) Evresi RNA ve protein sentezlenir. Fakat DNA sentezi henüz yoktur Zaman olarak en değişken olanıdır ve memelilerde yaklaşık 11 saat sürer Hücreyi bölünmeye iten proteinler aktive olur (büyüme faktörleri) Büyüme için şartlar uygun değilse siklus geçiktirilir ve hücre G0 a girer.

15 S (Sentez) Evresi: RNA sentezi devam eder. Protein sentezi en yüksek seviyeye çıkar. Çok sayıda replikasyon orijini aktive olur. DNA sentezi başlar ve iki misline çıkar Sentrozom (sentrioller) kendini eşlemeye başlar.

16 G2 (Gap=Aralık) Evresi: Kromozom kondensasyonu ve mitoz için hazırlık aşamasıdır. Yoğunlaşan kromozomlar mikroskop altında görülebilir. Yaklaşık 1-4 saat arasında sürer. DNA sentezi durur, RNA ve protein sentezi devam eder. Sentrozom dublikasyonu tamamlanır. Organeller çoğalır, iki katına çıkar Mitozu aktive edecek proteinler birikir.

17 M evresi Profaz, Metafaz, Anafaz, Telofaz evreleri vardır. Mitotik ipliklerin oluşumu ilk sinyallerdir. Sentrozom dublike olur Yavru kromozomlar meydana gelir Sitokinez meydana gelir

18 Go evresi: Hücrelerin G1 evresinde kaldığı ve büyümelerinin durduğu evredir. Metabolik aktiviteye sahiptirler. Uygun hücre-dışı sinyaller tarafından uyarılmadıkça çoğalmazlar.

19 Erken embriyonik hücre döngüsü Somatik hücre döngüsü Sinir hücresi

20 Restriksiyon noktası S G 2 M G 1 G 0 Büyüme faktörleri hücre döngüsünü geç G1 de restriksiyon noktası denilen noktada kontrol eder. Restriksiyon noktası Büyüme faktörleri Bu noktada büyüme faktörleri yoksa hücre G 0 denilen evreye girer.

21 Restriksiyon noktası G1 içindeki dönüşü olmayan noktanın aşılması büyüme faktörleri ve farklılaşma uyarıcıları gibi dış ve iç sinyallere bağlıdır. Kanser hücreleri bu kontrolü kaybeder ve sürekli döngü içinde kalırlar. R noktasının açılı S evresine girilmesi CDK lar tarafından kontrol edilir.

22 Bazı Büyüme Faktörleri Trombosit kaynaklı büyüme faktörü (Platelet-derived Growth Factor) (PDGF): Bağ doku ve nöroglia hücrelerinin çoğalmasını uyarır. Epidermal Büyüme Faktörü (EGF): Birçok hücre tipinin çoğalmasını uyarır. İnsulin benzeri büyüme faktörü I (IGF-I): PDGF ve EGF ile birlikte çalışır, yağ hücreleri ve bağ doku hücrelerinin çoğalmasını uyarırlar.

23 Transforming Growth Factor β Transforme edici büyüme faktörü-beta; TGF-β: Diğer büyüme faktörlerine karşı birçok hücrenin cevabını güçlendirir. Hücre tipine göre hücrelerin farklılaşmasını düzenler. Fibroblast büyüme Faktörü (FGF): Fibroblast, endotel hücreleri ve myeloblastların çoğalmasını uyarır. Sinir büyüme faktörleri (Nerve Growth Factor) (NGF) : Bazı duyu ve merkezi sinir sistemi nöronların hayatta kalma süresini uzatır. İnterlökin 2 : T lenfositlerinin çoğalmasını sağlar.

24 kesiciler Petri PDGF içermeyen PDGF İÇEREN PDGF içermeyen PDGF İÇEREN 10 mm

25 Hücreler nasıl haberleşirler? Hücreler bir birleriyle haberleşirler Bunu Büyüme faktörleriyle yaparlar Bu büyüme faktörleri bir hücreden salğılanır ve diğerini etkiler

26 Hücreleri petri kabına ektiğimizde bölünmeye başlarlar Hücreler tek tabaka halinde bütün yüzeyi kapladıklarında hücre bölünmesi durur (yoğunluğa bağlı inhibisyon). Eğer bazı hücreler alınırsa, oluşan boşluğu doldurmak için o bölgedeki hücreler çoğalırlar Normal memeli hücreleri 25 µm

27 Kanser hücreleri normal Hücrelerdeki gibi yoğunluğa bağlı Inhibisyon göstermezler Kanser hücreleri 25 µm

28 Hücre döngüsü zamanı nasıl hesaplanır? Colcemid (kolsemit) Metafazda durdurur Colcemid (kolsemit) Mikrotübüller 24. saat

29 G1 evresi ne kadar sürer? Colcemid (kolsemit) S G G2 Kolsemit uzaklaştırılır Bir çok hücre AYNI anda G1 fazında hareket eder Anda radyoaktif TİMİN eklenir Saat başı DNA ekstraktı hazırlanır ve TİMİN değer ölçülür TİMİN ölçümü başladığı zaman S evresine geçilmiş ve G1 bitmiştir.

30 G2 evresi ne kadar sürer? Hydroxyurea DNA sentezi Hücreler hidroksiüre eklemeden önce her fazda bulunabilirler. S evresinde olanlar orada donup kalacaklar ileriye gidemeyecekler çünkü DNA yapamazlar. Hydroxyurea (Hidroksiüre) ekle (24 saat) DNA sentezini inhibe eder ve hücreler DNA sentezi yapamayacağı için bu sefer G1 sonunda toplanır. Hidroksiüre alınıp Kolsemit eklenir ve devamlı mikroskop altında kromozomlardaki lekeler göründüğü zamana kadar geçen süredir G2

31 Hücre Döngüsünün Kontrolü ve Düzenleyicileri

32 Hücre Döngüsünün Kontrolü ve Düzenleyicileri Vücudumuzda 3x10 13 hücre bulunur Ortalama insan yaşamında hücre döngüsü olur. Bu demektir ki her saniyede ortalama 10 7 hücre döngüsü gerçekleşmekte Sadece şu cümleleri okurken 100 milyon civarında vücudumuzda mitoz geçirilmekte

33 Hasarlı DNA veya kusurlu DNA replikasyonu DUR G 2 DUR Amaç: Evrelerin düzgün bir sırada olmasını sağlamaktır. G1 Kromozom düzensizliği DUR DUR Hasarlı DNA

34 Kontrol noktaları 1. İnterfazda hasarlı DNA nın ve replikasyonu tamamlanmamış kromozomların yavru hücrelere geçişini engeller 2. Hücre siklusunda fazlar arası koordinasyonu sağlar 3. Mitoz bölünmede hücrenin metafazdan anafaza geçişini ve mitozdan çıkışını kontrol eder. 4. G2 kontrol noktasında genom tam replike olana kadar bekletir.

35 G1 Kontrol Noktası DUR G 2 DUR DUR G1 DUR Hasarlı DNA nın S evresine girmeden onarılabilmesine olanak sağlar.

36 G1 Kontrol Noktası Hücre büyüklüğü ve DNA hasarları olup olmadığı kontrol edilir. Eğer şartlar uygun değilse p53 siklusu durdurur. Hücrenin G0 da durması sağlanır. Büyüme faktörlerinin yokluğu ve kontak inhibisyonu gibi çevre şartları değişirse siklus tekrar başlayabilir.

37 S Kontrol Noktası DUR Yanlış baz eşleşmeleri ya da DNA bölümlerinin eksik replikasyonu gibi hataları bulma ve onarma şeklide kalite kontrol eder. G 2 G1 DUR DUR DUR

38 S Kontrol Noktası Hasarlı DNA nın replike olmadan onarılması için DNA nın bütünlüğünü sürekli izler DNA replikasyonu sırasında yanlış baz eşleşmeleri ya da DNA bölümlerinin eksik replikasyonu gibi hataları bulma ve onarma şeklinde kalite kontrol görevi yapar.

39 G2 Kontrol Noktası DUR G 2 DUR DUR G1 DUR S fazının Tamamlanmadan mitozun başlamasını engeller.

40 G2 Kontrol Noktası S fazının tamamlanmadan mitozun başlamasını engeller. M fazı işlemlerini uyarmak S fazında tam olarak replike olmamış DNA yı tanımak Hücre siklüsünü S fazında durduracak sinyali üretmektir.

41 G2 Kontrol Noktası- 2 Bu sinyalin etkisiyle M fazı işlemleri uyarılmaz ve Mitozun başlaması engellenir Genom tam replike olana kadar hücre G2 fazında bekler. DNA replikasyonu tamamlanınca G2 kontrol noktasının inhibisyonu ortadan kalkar ve hücre mitoza başlar Yavru hücrelere hasarsız ve tam replike olmuş DNA dağıtılır.

42 M Kontrol Noktası Metafazdan anafaza geçişi ve hücrenin mitozdan çıkmasını sağlar. Genomun bütünlüğünü korur Mitotik iplikciğin kromozomun sentromer bölgesindeki kinetekora bağlanarak metafazdan anafaza geçişi ve kromozomların yavru hücrelere taşınmasını sağlar.

43 Lisansing faktör (licensing Factor) mekanizması: G2 noktasından S fazına geri dönüşü engeller Bu mekanizma faktörün mitoz süresince kromozoma bağlı kalmasını sağlar. Bu faktör DNA replikasyon süresince inaktiftir. M fazı boyunca nükleus zarı parçalanıncaya kadar nükleusa yeniden giremez. Bir sonraki siklusun G1 fazına kadar DNA replikasyonu engellenir. G2 kontrol noktası ayrıca irradyasyondan kaynaklanan DNA hasarına da duyarlıdır.

44 G1 ve S kontrol noktaları Hasarlı yada replike olmamış DNA Algılayıcı Proteinler Ataxia telangiectasia mutated ATM ATR ataxia telangiectasia and Rad3-related protein Chk2 Chk1 Checkpoint kinase (Chk)2 Checkpoint kinase (Chk)1 Hücre döngüsünün durdurulması

45 DNA hasarı Memeli ATM Chk2 hücrelerinin G1 noktasında Durması p53 düzeyi artar p53 p53 proteini olarak adlandırılan bir protein G1 de durma aracılığı ile olmaktadır.

46 p53 proteini Cdk (sikline bağlı kinaz) inhibitörü olan p21 in DNA hasarı p53 düzeyinde artma p53 ekspresyonunu uyarır. P21 proteini bir çok Cdk/Siklin kompleksini inhibe eder. Cdk lar Hücre döngüsünün baskılanması p21 mrna p21 Proliferating Cell Nuclear Antigen PCNA DNA replikasyonunun baskılanması

47 Hücre Döngüsü Gelişiminin Düzenleyicileri Yoshio Masui Clement Markert 1971 Hormonla uyarılmış kurbağa oositlerinin sitoplazmasını başka bir hücreye aktarmışlar

48 Hücre Döngüsü Gelişiminin Düzenleyicileri Oositler hormonla tetikleninceye kadar G2 evresinde duraklatılırlar. Hormonla tetiklenince ise Mayozun M evresine girerler. Olgunlaşmayı ilerleten faktör = Maturation promoting factor (MPF) MPF nin somatik hücrelerde de bulunduğu tespit edilmiş Mitoz bölünmede M evresine girişi uyarır G2 den M evresine geçişte düzenleyici olarak davrandığı görülmüş

49 Progesteron G2 M G2 M Sitoplazmanın mikroenjeksiyonu Uyarı olmadan G2 evresinde dururlar Hormonla uyarı ile G2 evresine geçerler M evresine geçen hücrenin sitoplazması alınıp G2 evresinde başka bir hücreye enjekte edilir Bu hücrenin de hormon olmadan da M evresine geçtiği gözlemlenir.

50 Hücre Döngüsü Gelişiminin Düzenleyicileri Tomurcuklanan maya Saccharomyces cerevisia ile çalıştılar. Hücre döngüsü bozuk olan, sıcaklığa duyarlı mutantları tanımladılar (cdc) [cell division cycle]. Ana karakteristikleri hücre döngüsünün belirli noktalarında büyümelerin durmasıydı. Lee Hartwell Nobel ödülü 2001

51 Hücre Döngüsü Gelişiminin Düzenleyicileri Schizosaccharomyces pompe ile çalıştılar. Bu mutantlardan cdc2 S. pompe hücre döngüsünü hem G1 hem de G2 den M e geçiste durdurur. Her iki maya türünde de HEM START noktasına geçişte hem de MİTOZ a girişte gerekli olduklarını gösterdi. Paul Nurse Nobel ödülü 2001

52 MPF in keşfi Deniz Kestanesi çalışmalarından ortaya çıktı. SİKLİNLER (Siklin A (S evresinde) ve Sikin B (M evresine pik yapar)) Tim Hunt Nobel ödülü 2001 İnterfaz İnterfaz İnterfaz Mitoz Mitoz Mitoz Zaman

53 Olgunlaşmayı ilerleten faktör = Maturation promoting factor (MPF) in keşfi Deniz Kestanesi çalışmalarından ortaya çıktı. Döllenmeyi takiben bu embriyolar bir seri hızlı hücre bölünmesine uğrarlar. Tim Hunt isimli araştırmacı bu hücrelerde periyodik olarak biriken ve parçalanan iki protein tanımladı. Bu proteinler interfaz boyunca birikip daha sonra her Mitozun sonunda parçalanıyorlar. Hunt bu proteinler SİKLİNLER (Siklin A ve Sikin B) olarak isimlendirdi.

54 MPF in Yapısı MPF MPF, Siklin B ve Cdc2 protein kinazlardan oluşan bir dimerdir.

55 MPF regülasyonu Fosforillenme Siklin B Cdc2 Thr 14 Defosforillenme Siklin B Thr 161 Thr 15 Siklin B Cdc2 Aktif MPF Cdc2 Mitoz Siklin B Siklin B sentezi Cdc2 Cdc2 SiklinB yıkımı Defosforillenme

56 Siklin Yıkımı Cdk Siklin Yıkılmaya başlar G 2 Cdk Kontrol noktası Siklin MPF Cyclin accumulation Molecular mechanisms that help regulate the cell cycle

57 MPF in Hedefleri MPF Siklin B Cdc2 KromaHn yoğunlaşması Nükleer zarkn yıkılması Golgi ve ER un parçalanması İğ ipliği oluşumu Kondensinlerin yoğunlaşması Laminlerin fosforillenmesi GM130 un fosforillenmesi Mikrotübül kararsızlığı

58 MPF nin hücrede gerçeklemesini sağladığı olaylar 1. Kromatin yoğunlaşması 2. Nüklear zarfın yıkılım 3. Mitoz iğciğinin oluşumu 4. Golgi ve ER un küçük veziküllere ayrışması

59 Cdc2/Clb1, Clb2, Clb3, Clb4 Cdc2/Cln1, Cln2, Cln3 START Maya ve Hayvan hücresinde Siklin Cdc2/CycB Cdc2/Clb5, Clb6 ve siklin bağımlı Cdk4, 6/CycD kinaz kompleksleri Restriksiyon noktası Cdk2/CycA Cdk2/CycE

60 Memeli Hücre Siklusunun Kontrolü M-phase Cyclins/Cdk S-phase Cyclin/Cdk G 1 -phase Cyclins/Cdks

61 Hücre döngüsü kontrolünde 3 önemli faktör 1- Siklinler 2- Siklin bağımlı kinazlar (cdk) 3- Siklin bağımlı kinaz inhibitörleri Siklinler 1- Hücre döngüsünün temel regülatörüdürler 2- Siklinler cdk fosforilasyon ile aktive olurlar.

62 Siklinlerin evrelere göre ekspresyonu G1/S-siklin S-siklin M-siklin

63 S- Evresi Cyclin/Cdk Komplekslerinin AkZvasyonu Cyclin-Kinase Inhibitor (CKI) DNA replikasyonu başlamasının hücre hazırlanıncaya kadar S evresi Cyclin/Cdk komplekslerini tutar. (S-phase) G 1 Cyclin/Cdk komplekslerinin artması CKI ların fosforlanmasına yol açar. S-phase Cyclin/Cdk kompleksleri DNA replikasyonunun başlamasını aktive eder

64 Cdk düzenleme mekanizmaları

65 Cdk İnhibitörleri Cdk İnhibitörleri İnhibitörler Cdk/Siklin kompleksi Etkilenen evre Cip/Kip ailesi (p21, p27, p57) Ink4 ailesi (p15, p16, p18, p19) Cdk4/siklin D Cdk6/siklin D Cdk2/siklin E Cdk2/siklin A Cdk4/siklin D Cdk6/siklin D G1 G1 G1/S S G1 G1

66 D Zpi siklinlerin uyarılması Büyüme faktörleri D Hpi siklin sentezi Ras/Raf/ERK (Büyüme faktörleri) Cdk4, 6/CycD Restriksiyon noktası

67 G2 Kontrol Noktasının Denetimi Replikasyon tamamlanmış Replike olmamış veya hasarlanmış DNA Algılayıcı proteinler ATM Algılayıcı proteinler ATR Chk1 Chk2 ATR ATM Chk2 Chk1 Cdc25C Aktif P Cdc25C inaktif Siklin B Siklin B Siklin B Cdc2 Cdc2 Cdc2 P inaktif MPF Aktif MPF Mitoza ilerlerme P İnaktif MPF G2 de duraklama

68 Hücre döngüsünün Rb ve E2F ile düzenlenmesi Rb Cdk4, 6/SiklinD Rb E2F E2F Rb E2F E2F RNA Transkripsiyon baskılanır S evresi genlerin transkripsiyonu

69

70 Kaynaklar WormBook: h`p:// Glossary: h`p:// en/ccyc- en.htm Cancer Genome Anatomy Project: h`p://cgap.nci.nih.gov/pathways/biocarta/h_cellcyclepathway Tyson s Generic Cell Cycle: h`p://mpf.biol.vt.edu/research/generic_model/main/pp/index.php Cells Alive: h`p:// Cell Cycle Tutorial: h`p://

71 Teşekkürler