5/11/14 Hücre Bölünmesi ve Kontrolü Doç. Dr. etin Aytekin Robert Hooke Rudolf Virchow 1635-1703 1821-1902 Erciyes Üniversitesi Tıp Fakültesi Tıbbi Biyoloji Anabilim Dalı BÜYÜE Hücre siklusu BÖLÜNE mitoz ve mayoz z ne ki ito İ () TOZ EVR Eİ ito z GENERAYON ZAANI İNTERFAZ (DNA sentezi) G2 Deniz kestanesi ve embriyonik hücrelerde bir kaç dakika Bitkilerde genellikle 10-30 dakika Hayvanlarda 18-24 saat Insan hücre kültüründe 24 saat HÜCRE BÖLÜNEİ Tek hücreli canlıların çoğalması Prokaryotlarda Bölünme Çok hücreli canlıların büyüme, gelişme ve çoğalması hücre bölünmesiyle olur. 1. Prokaryotlarda bölünme daha hızlıdır Hücre bölünmesi için belli bir büyüklüğe erişmesi gerekir. 2. DNA halkasaldır. Hücre bölünmesi hücrelerin çoğalması ve eşeysel üreme için gametlerin oluşumunu sağlar. Temel nokta: DNA nın replikasyonu ve itoplazma bölünmesidir. Prokaryot ve Eukaryot hücrelerde temelde aynıdır. Ancak bazı farklılıklar vardır. 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 1
Prokaryotlarda bölünme DNA sitoplazmaya değer Halkasal kromozom Birbiri ile aynı i Yavru hücre bölünmeye başlar itoplazma bölümeye başlar Hücre tamamen bölünür Ökaryotlarda bölünme Nükleus Birbiri ile ayn Iki haploit Yavru hücre 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. itoz bölünme (diploit hücrelerde) ayoz bölünme ayosit Birbiri ile aynı Iki diploit Yavru hücre Haploit yavru hücreler Hücre Döngüsü Fazları (evreleri) (gap 1) İnterfaz (sentez) { G2 (gap 2) { kromozom (mitoz) İTOZ BÖLÜNE 1. Karyokinez 2. itokinez G2 sentromer G2 Kromatit Kromatit 2
itoplazmik Kontrol evresi -- G 1 evresi: evresi -- evresi: evresi -- evresi: (Gap) Evresi RNA ve protein sentezlenir. Fakat DNA sentezi henüz yoktur G 1 G 1 - - deki nükleusun yoğunlaşması evresi hücrelerinin sitoplazması mitotik olayları uyaran faktörler içerir! 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. (entez) Evresi: G2 (Gap=Aralık) Evresi: RNA sentezi devam eder. Protein sentezi en yüksek seviyeye çıkar. Çok sayıda replikasyon orijini aktive olur. DNA sentezi başlar ve iki misline çıkar entrozom (sentrioller) kendini eşlemeye başlar. 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. entrozom dublikasyonu tamamlanır. Organeller çoğalır, iki katına çıkar itozu aktive edecek proteinler birikir. evresi Profaz, etafaz, Anafaz, Telofaz evreleri vardır. itotik ipliklerin oluşumu ilk sinyallerdir. entrozom dublike olur Yavru kromozomlar meydana gelir Go evresi: Hücrelerin evresinde kaldığı ve büyümelerinin durduğu evredir. etabolik aktiviteye sahiptirler. Uygun hücre-dışı sinyaller tarafından uyarılmadıkça çoğalmazlar. itokinez meydana gelir 3
Restriksiyon noktası G 1 G 0 Büyüme faktörleri hücre döngüsünü geç de restriksiyon noktası denilen noktada kontrol eder. Erken embriyonik hücre döngüsü inir hücresi omatik hücre döngüsü Restriksiyon noktası Büyüme faktörleri Bu noktada büyüme faktörleri yoksa hücre G 0 denilen evreye girer. Restriksiyon noktası 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 evresine girilmesi CDK lar tarafından kontrol edilir. 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. 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. inir büyüme faktörleri (Nerve Growth Factor) (NGF) : Bazı duyu ve merkezi sinir sistemi nöronların hayatta kalma süresini uzatır. İnterlökin 2 : T lenfositlerinin çoğalmasını sağlar. kesiciler Petri PDGF içermeyen PDGF İÇEREN PDGF içermeyen PDGF İÇEREN 10 mm 4
Hücreler nasıl haberleşirler? 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 Hücreler bir birleriyle haberleşirler Bunu Büyüme faktörleriyle yaparlar Bu büyüme faktörleri bir hücreden salğılanır ve diğerini etkiler Normal memeli hücreleri 25 µm Kanser hücreleri normal Hücrelerdeki gibi yoğunluğa bağlı Inhibisyon göstermezler Hücre döngüsü zamanı nasıl hesaplanır? Colcemid (kolsemit) etafazda durdurur Colcemid (kolsemit) Kanser hücreleri 25 µm ikrotübüller 24. saat Colcemid (kolsemit) 1 7 8 evresi ne kadar sürer? G2 Kolsemit uzaklaştırılır Bir çok hücre AYNI anda fazında hareket eder Aynı Anda radyoaktif TİİN eklenir aat başı DNA ekstraktı hazırlanır ve TİİN değeri ölçülür TİİN ölçümü başladığı zaman evresine geçilmiş ve bitmiştir. Hydroxyurea G2 evresi ne kadar sürer? DNA sentezi Hücreler hidroksiüre eklemeden önce her fazda bulunabilirler. 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 sonunda toplanır. Hidroksiüre alınıp Kolsemit eklenir ve devamlı mikroskop altında kromozomlardaki lekeler göründüğü zamana kadar geçen süredir G2 5
Hücre Döngüsünün Kontrolü ve Düzenleyicileri Hücre Döngüsünün Kontrolü ve Düzenleyicileri Vücudumuzda 3x10 13 hücre bulunur Ortalama insan yaşamında 10 16 hücre döngüsü olur. Bu demektir ki her saniyede ortalama 10 7 hücre döngüsü gerçekleşmekte adece şu cümleleri okurken 100 milyon civarında vücudumuzda mitoz geçirilmekte Hasarlı DNA veya kusurlu DNA replikasyonu Amaç: Evrelerin düzgün bir sırada olmasını sağlamaktır. Kromozom düzensizliği Hasarlı DNA Kontrol noktaları 1. İnterfazda hasarlı DNA nın ve replikasyonu tamamlanmamış kromozomların yavru hücrelere geçişini engeller 2. Hücre siklusunda fazlar arası koordinasyonu sağlar 3. itoz bölünmede hücrenin metafazdan anafaza geçişini ve mitozdan çıkışını kontrol eder. 4. G2 kontrol noktasında genom tam replike olana kadar bekletir. Kontrol Noktası Kontrol Noktası Hücre büyüklüğü ve DNA hasarları olup olmadığı kontrol edilir. Eğer şartlar uygun değilse p53 siklusu durdurur. Hücrenin G0 da durması sağlanır. Hasarlı DNA nın evresine girmeden onarılabilmesine olanak sağlar. Büyüme faktörlerinin yokluğu ve kontak inhibisyonu gibi çevre şartları değişirse siklus tekrar başlayabilir. 6
Kontrol Noktası Kontrol Noktası Yanlış baz eşleşmeleri ya da DNA bölümlerinin eksik replikasyonu gibi hataları bulma ve onarma şeklide kalite kontrol eder. 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. G2 Kontrol Noktası G2 Kontrol Noktası fazının tamamlanmadan mitozun başlamasını engeller. fazı işlemlerini uyarmak fazının Tamamlanmadan mitozun başlamasını engeller. fazında tam olarak replike olmamış DNA yı tanımak Hücre siklüsünü fazında durduracak sinyali üretmektir. G2 Kontrol Noktası- 2 Bu sinyalin etkisiyle fazı işlemleri uyarılmaz ve itozun 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. Kontrol Noktası etafazdan anafaza geçişi ve hücrenin mitozdan çıkmasını sağlar. Genomun bütünlüğünü korur itotik iplikciğin kromozomun sentromer bölgesindeki kinetekora bağlanarak metafazdan anafaza geçişi ve kromozomların yavru hücrelere taşınmasını sağlar. 7
5/11/14 Hasarlı yada replike olmamış DNA Lisansing faktör (licensing Factor) mekanizması: Algılayıcı Proteinler G2 noktasından fazına geri dönüşü engeller Ataxia telangiectasia mutated Bu mekanizma faktörün mitoz süresince kromozoma bağlı kalmasını sağlar. ataxia telangiectasia and Rad3-related protein AT ATR Chk2 Chk1 Bu faktör DNA replikasyon süresince inaktiftir. fazı boyunca nükleus zarı parçalanıncaya kadar nükleusa yeniden giremez. Bir sonraki siklusun fazına kadar DNA replikasyonu engellenir. G2 kontrol noktası ayrıca irradyasyondan kaynaklanan DNA hasarına da duyarlıdır. DNA hasarı Chk2 AT p53 düzeyi artar p53 de durma emeli hücrelerinin noktasında Durması p53 proteini olarak adlandırılan bir protein aracılığı ile olmaktadır. Hücre Döngüsü Gelişiminin Düzenleyicileri Yoshio asui Clement arkert 1971 Hormonla uyarılmış kurbağa oositlerinin sitoplazmasını başka bir hücreye aktarmışlar Checkpoint kinase (Chk)2 Checkpoint kinase (Chk)1 Hücre döngüsünün durdurulması p53 proteini Cdk inhibitörü olan p21 in ekspresyonunu uyarır. P21 proteini bir çok Cdk/iklin kompleksini inhibe eder. DNA hasarı p53 düzeyinde artma p53 p21 mrna p21 Proliferating Cell Nuclear Antigen Cdk lar Hücre döngüsünün baskılanması PCNA DNA replikasyonunun baskılanması Hücre Döngüsü Gelişiminin Düzenleyicileri Oositler hormonla tetikleninceye kadar G2 evresinde duraklatılırlar. Hormonla tetiklenince ise ayozun evresine girerler. Olgunlaşmayı ilerleten faktör = aturation promoting factor (PF) PF nin somatik hücrelerde de bulunduğu tespit edilmiş itoz bölünmede evresine girişi uyarır G2 den evresine geçişte düzenleyici olarak davrandığı görülmüş 8
G2 Progesteron itoplazmanın mikroenjeksiyonu G2 Uyarı olmadan G2 evresinde dururlar Hormonla uyarı ile G2 evresine geçerler evresine geçen hücrenin sitoplazması alınıp G2 evresinde başka bir hücreye enjekte edilir Bu hücrenin de hormon olmadan da evresine geçtiği gözlemlenir. Hücre Döngüsü Gelişiminin Düzenleyicileri Tomurcuklanan maya accharomyces 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 Hücre Döngüsü Gelişiminin Düzenleyicileri chizosaccharomyces pompe ile çalıştılar. Bu mutantlardan cdc2. pompe hücre döngüsünü hem hem de G2 den e geçiste durdurur. Her iki maya türünde de HE TART noktasına geçişte hem de İTOZ a girişte gerekli olduklarını gösterdi. Paul Nurse Nobel ödülü 2001 PF in keşfi Deniz Kestanesi çalışmalarından ortaya çıktı. İKLİNLER (iklin A ( evresinde) ve ikin B ( evresine pik yapar)) İnterfaz itoz İnterfaz itoz İnterfaz itoz Zaman Tim Hunt Nobel ödülü 2001 Olgunlaşmayı ilerleten faktör = aturation promoting factor (PF) 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 itozun sonunda parçalanıyorlar. Hunt bu proteinler İKLİNLER (iklin A ve ikin B) olarak isimlendirdi. PF in Yapısı PF PF, iklin B ve protein kinazlardan oluşan bir dimerdir. 9
PF regülasyonu iklin B iklin B sentezi Fosforillenme iklin B Thr 161 iklin B Defosforillenme Tirocin 15 Aktif PF Treonin 14 Defosforillenme iklin B iklinb yıkımı itoz iklin Yıkımı Cdk iklin Yıkılmaya başlar G 1 Cdk Kontrol noktası PF iklin Cyclin accumulation olecular mechanisms that help regulate the cell cycle PF in Hedefleri PF iklin B PF nin hücrede gerçeklemesini sağladığı olaylar 1. Kromatin yoğunlaşması 2. Nüklear zarfın yıkılım 3. itoz iğciğinin oluşumu KromaPn yoğunlaşması Kondensinlerin yoğunlaşması Nükleer zarn yıkılması Laminlerin fosforillenmesi Golgi ve ER un parçalanması G130 un fosforillenmesi İğ ipliği oluşmu ikrotübül kararsızlığı 4. Golgi ve ER un küçük veziküllere ayrışması /Clb1, Clb2, Clb3, Clb4 emeli Hücre iklusunun Kontrolü /CycB /Clb5, Clb6 /Cln1, Cln2, Cln3 TART Cdk4, 6/CycD aya ve Hayvan hücresinde iklin ve siklin bağımlı kinaz kompleksleri -phase Cyclins/Cdk -phase Cyclin/Cdk G 1 -phase Cyclins/Cdks Restriksiyon noktası Cdk2/CycA Cdk2/CycE 10
Hücre döngüsü kontrolünde 3 önemli faktör 1- iklinler 2- iklin bağımlı kinazlar (cdk) 3- iklin bağımlı kinaz inhibitörleri iklinlerin evrelere göre ekspresyonu /-siklin -siklin -siklin iklinler 1- Hücre döngüsünün temel regülatörüdürler 2- iklinler cdk fosforilasyon ile aktive olurlar. - Evresi Cyclin/Cdk Komplekslerinin AkZvasyonu Cdk düzenleme mekanizmaları Cyclin-Kinase Inhibitor (CKI) DNA replikasyonu başlamasının hücre hazırlanıncaya kadar evresi Cyclin/Cdk komplekslerini tutar. (-phase) G 1 Cyclin/Cdk komplekslerinin artması CKI ların fosforlanmasına yol açar. -phase Cyclin/Cdk kompleksleri DNA replikasyonunun başlamasını aktive eder Cdk İnhibitörleri D Zpi siklinlerin uyarılması Cdk İnhibitörleri İnhibitörler Cdk/iklin kompleksi Etkilenen evre Büyüme faktörleri Ras/Raf/ERK (Büyüme faktörleri) Cip/Kip ailesi (p21, p27, p57) Cdk4/siklin D Cdk6/siklin D D Ppi siklin sentezi Cdk2/siklin E / Ink4 ailesi (p15, p16, p18, p19) Cdk2/siklin A Cdk4/siklin D Cdk6/siklin D Cdk4, 6/CycD Restriksiyon noktası 11
5/11/14 Hücre döngüsünün Rb ve E2F ile düzenlenmesi G2 Kontrol Noktasının Denetimi Replikasyon tamamlanmış Replike olmamış veya hasarlanmış DNA Algılayıcı proteinler Algılayıcı proteinler Chk1 Chk2 AT ATR Chk2 Chk1 Rb Rb Cdk4, 6/iklinD AT ATR E2F E2F 5C Aktif P Rb 5C inaktif iklin B iklin B P inaktif PF Aktif PF itoza ilerlerme iklin B E2F E2F RNA P İnaktif PF Transkripsiyon baskılanır G2 de duraklama evresi genlerin transkripsiyonu Kaynaklar WormBook: hap://www.wormbook.org/chapters/www_cellcyclereguln/cellcyclereguln.html Glossary: hap://www.histol.chuvashia.com/tab- en/ccyc- en.htm Cancer Genome Anatomy Project: hap://cgap.nci.nih.gov/pathways/biocarta/h_cellcyclepathway Tyson s Generic Cell Cycle: hap://mpf.biol.vt.edu/research/generic_model/main/pp/index.php Cells Alive: hap://www.cellsalive.com/cell_cycle.htm Cell Cycle Tutorial: hap://www.biology.arizona.edu/cell_bio/tutorials/cell_cycle/main.html Teşekkürler 12