Hücre Bölünmesi ve Kontrolü

Hücre Bölünmesi ve Kontrolü Danışmanlık aati Her Cuma 16:00-17:00 arası Doç. Dr. etin Aytekin Doç. Dr. etin Aytekin Lütfen gelmeden en az bir gün önce kendinizi ve derdinizi tanıtan bir email gönderin www.metinaytekin.com www.metinaytekin.com Erciyes Üniversitesi Tıp Fakültesi Tıbbi Biyoloji Anabilim Dalı 11 Aralık 2015 Erciyes Üniversitesi Tıp Fakültesi Tıbbi Biyoloji Anabilim Dalı DER NOTALARI DERİN AACI Doç. Dr. etin Aytekin www.metinaytekin.com Hücre Döngüsü ve Kontrol ekanizmalarını Kavramak Adresinden temin edebilirsiniz Erciyes Üniversitesi Tıp Fakültesi Tıbbi Biyoloji Anabilim Dalı Erciyes Üniversitesi Tıp Fakültesi Tıbbi Biyoloji Anabilim Dalı İNTERFAZ GENERAYON ZAANI BÜYÜE BÖLÜNE mitoz ve mayoz Hücre siklusu (Döngüsü) İTOZ () EVREİ G 1 itokinez itoz (DNA sentezi) Deniz kestanesi ve embriyonik hücrelerde bir kaç dakika Bitkilerde genellikle 10-30 dakika Hayvanlarda 18-24 saat Insan hücre kültüründe 24 saat 1

HÜCRE BÖLÜNEİ 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 itoplazma bölünmesidir. Prokaryot ve Eukaryot hücrelerde temelde aynıdır. Ancak bazı farklılıklar vardır. 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 evresi vardır. DNA sitoplazmaya değer Prokaryotlarda bölünme Halkasal kromozom Birbiri ile aynı iki Yavru hücre bölünmeye başlar itoplazma bölümeye başlar Hücre tamamen bölünür Ökaryotlarda bölünme Nükleus Birbiri ile aynı 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 2

Hücre Döngüsü Fazları (evreleri) (gap 1) İnterfaz (sentez) { G2 (gap 2) { kromozom (mitoz) İTOZ BÖLÜNE 1. Karyokinez 2. itokinez G2 sentromer G2 Kromatit Kromatit itoplazmik Kontrol evresi -- G 1 evresi: evresi -- evresi: evresi -- evresi: (Gap) Evresi RNA ve protein sentezlenir. Fakat DNA sentezi henüz yoktur G 1 Zaman olarak en değişken olanıdır ve memelilerde yaklaşık 11 saat sürer Hücreyi bölünmeye iten proteinler aktive olur (büyüme faktörleri) G 1 - - deki nükleusun yoğunlaşması evresi hücrelerinin sitoplazması mitotik olayları uyaran faktörler içerir! Büyüme için şartlar uygun değilse siklus geçiktirilir ve hücre G0 a girer. (entez) 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. 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. entrozom dublikasyonu tamamlanır. Organeller çoğalır, iki katına çıkar itozu aktive edecek proteinler birikir. 3

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 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. 4

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 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 5

Colcemid (kolsemit) 1 7 8 evresi ne kadar sürer? G2 Kolsemit uzaklaştırılır Bir çok hücre AYNI anda fazında hareket eder Anda radyoaktif TİİN eklenir aat başı DNA ekstraktı hazırlanır ve TİİN değer 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 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. 6

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. Kontrol Noktası Yanlış baz eşleşmeleri ya da DNA bölümlerinin eksik replikasyonu gibi hataları bulma ve onarma şeklide kalite kontrol eder. 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. 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. 7

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. Lisansing faktör (licensing Factor) mekanizması: G2 noktasından fazına geri dönüşü engeller Bu mekanizma faktörün mitoz süresince kromozoma bağlı kalmasını sağlar. 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. ve kontrol noktaları Ataxia telangiectasia mutated Checkpoint kinase (Chk)2 AT Chk2 Hücre döngüsünün durdurulması Hasarlı yada replike olmamış DNA Algılayıcı Proteinler ATR Chk1 ataxia telangiectasia and Rad3-related protein Checkpoint kinase (Chk)1 p53 düzeyi artar DNA hasarı AT p53 de durma Chk2 emeli hücrelerinin noktasında Durması p53 proteini olarak adlandırılan bir protein aracılığı ile olmaktadır. p53 proteini Cdk (sikline bağlı kinaz) inhibitörü olan p21 in ekspresyonunu uyarır. P21 proteini bir çok Cdk/iklin kompleksini inhibe eder. DNA hasarı Cdk lar Hücre döngüsünün baskılanması p53 düzeyinde artma p53 p21 mrna p21 Proliferating Cell Nuclear Antigen PCNA DNA replikasyonunun baskılanması 8

Hücre Döngüsü Gelişiminin Düzenleyicileri Hücre Döngüsü Gelişiminin Düzenleyicileri Oositler hormonla tetikleninceye kadar G2 evresinde duraklatılırlar. Hormonla tetiklenince ise ayozun evresine girerler. Yoshio asui Clement arkert Olgunlaşmayı ilerleten faktör = aturation promoting factor (PF) 1971 Hormonla uyarılmış kurbağa oositlerinin sitoplazmasını başka bir hücreye aktarmışlar PF nin somatik hücrelerde de bulunduğu tespit edilmiş itoz bölünmede evresine girişi uyarır G2 den evresine geçişte düzenleyici olarak davrandığı görülmüş G2 Progesteron itoplazmanın mikroenjeksiyonu G2 Uyarı olmadan G2 evresinde dururlar Hormonla uyarı ile 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 9

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 Cdc2 protein kinazlardan oluşan bir dimerdir. PF regülasyonu iklin B iklin B sentezi Fosforillenme iklin B Cdc2 Cdc2 Thr 161 iklin B Cdc2 Defosforillenme Thr 14 Thr 15 Aktif PF Cdc2 Defosforillenme iklin B Cdc2 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 Cdc2 2. Nüklear zarfın yıkılım 3. itoz iğ iplikciğinin oluşumu KromaOn yoğunlaşması Kondensinlerin yoğunlaşması Nükleer zarrn yıkılması Laminlerin fosforillenmesi Golgi ve ER un parçalanması 30 un fosforillenmesi İğ ipliği oluşumu ikrotübül kararsızlığı 4. Golgi ve ER un küçük veziküllere ayrışması 10

Cdc2/Clb1, Clb2, Clb3, Clb4 emeli Hücre iklusunun Kontrolü Cdc2/CycB Cdc2/Clb5, Clb6 Cdc2/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 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 11

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 Opi 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 G2 Kontrol Noktasının Denetimi Replikasyon tamamlanmış Replike olmamış veya hasarlanmış DNA Algılayıcı proteinler Chk1 Chk2 ATR AT AT Algılayıcı proteinler ATR Hücre döngüsünün Rb ve E2F ile düzenlenmesi Rb Cdk4, 6/iklinD Rb Chk2 Chk1 Cdc25C Aktif P Cdc25C inaktif iklin B iklin B iklin B Cdc2 Cdc2 Cdc2 E2F Rb E2F E2F E2F RNA P inaktif PF Aktif PF itoza ilerlerme P İnaktif PF G2 de duraklama Transkripsiyon baskılanır 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 12