12/12/13 Hücre Bölünmesi ve Kontrolü Tıbbi Biyoloji Anabilim Dalı Erciyes Üniversitesi Tıp Fakültesi GENERAYON ZAANI 12 Aralık 2013 BÜYÜE Hücre siklusu BÖLÜNE mitoz ve mayoz Doç. Dr. etin Aytekin Deniz kestanesi ve embriyonik hücrelerde bir kaç dakika Bitkilerde genellikle 10-30 dakika Hayvanlarda 18-24 saat Insan hücre kültüründe 24 saat HÜCRE BÖLÜNEİ İNTERFAZ Tek hücreli canlıların çoğalması ito z z ne ki ito İ () TOZ EVR Eİ (DNA sentezi) 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 DNA sitoplazmaya değer 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 bölünmeye başlar itoplazma bölümeye başlar Hücre tamamen bölünür 1
Prokaryotlarda bölünme Halkasal kromozom Ökaryotlarda bölünme Nükleus Birbiri ile aynı i Yavru hücre 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) Hücre Döngüsü Fazları (evreleri) ayoz bölünme ayosit Birbiri ile aynı Iki diploit Yavru hücre Haploit yavru hücreler (gap 1) İnterfaz (sentez) { (gap 2) { İTOZ BÖLÜNE 1. Karyokinez 2. itokinez (mitoz) itoplazmik Kontrol evresi -- G 1 evresi: evresi -- evresi: evresi -- G 2 evresi: G 1 kromozom Kromatit sentromer Kromatit G 1 - - G 2 deki nükleusun yoğunlaşması evresi hücrelerinin sitoplazması mitotik olayları uyaran faktörler içerir! G 2 2
(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. (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. (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. evresi Profaz, etafaz, Anafaz, Telofaz evreleri vardır. itotik ipliklerin oluşumu ilk sinyallerdir. entrozom dublike olur Yavru kromozomlar meydana gelir itokinez meydana gelir Go evresi: Hücrelerin evresinde kaldığı ve büyümelerinin durduğu evredir. etabolik aktiviteye sahiptirler. Uygun hücre-dışı sinyaller tarafından uyarılmadıkça çoğalmazlar. Erken embriyonik hücre döngüsü inir hücresi omatik hücre döngüsü 3
Restriksiyon noktası Restriksiyon noktası G 2 G 1 G 0 Büyüme faktörleri hücre döngüsünü geç de restriksiyon noktası denilen noktada kontrol eder. içindeki dönüşü olmayan noktanın aşılması büyüme faktörleri ve farklılaşma uyarıcıları gibi dış ve iç sinyallere bağlıdır. Restriksiyon noktası Büyüme faktörleri Bu noktada büyüme faktörleri yoksa hücre G 0 denilen evreye girer. Kanser hücreleri bu kontrolü kaybeder ve sürekli döngü içinde kalırlar. R noktasının açılı evresine girilmesi CDK lar tarafından kontrol edilir. Bazı Büyüme Faktörleri Transforming Growth Factor β 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. 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 Hücreleri petri kabına ektiğimizde bölünmeye başlarlar Petri PDGF içermeyen Hücreler tek tabaka halinde bütün yüzeyi kapladıklarında hücre bölünmesi durur (yoğunluğa bağlı inhibisyon). PDGF İÇEREN Eğer bazı hücreler alınırsa, oluşan boşluğu doldurmak için o bölgedeki hücreler çoğalırlar PDGF içermeyen PDGF İÇEREN 10 mm Normal memeli hücreleri 25 µm 4
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? 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 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 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 5
Hasarlı DNA veya kusurlu DNA replikasyonu G 2 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. kontrol noktasında genom tam replike olana kadar bekletir. Kontrol Noktası Kontrol Noktası Hücre büyüklüğü ve DNA hasarları olup olmadığı kontrol edilir. G 2 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 Kontrol Noktası Yanlış baz eşleşmeleri ya da DNA bölümlerinin eksik replikasyonu gibi hataları bulma ve onarma şeklide kalite kontrol eder. G 2 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. 6
Kontrol Noktası Kontrol Noktası G 2 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. Kontrol Noktası- 2 Bu sinyalin etkisiyle fazı işlemleri uyarılmaz ve itozun başlaması engellenir Genom tam replike olana kadar hücre fazında bekler. DNA replikasyonu tamamlanınca 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: 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. kontrol noktası ayrıca irradyasyondan kaynaklanan DNA hasarına da duyarlıdır. 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 7
12/12/13 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 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 Clement arkert 1971 Hormonla uyarılmış kurbağa oositlerinin sitoplazmasını başka bir hücreye aktarmışlar Progesteron p53 proteini Cdk inhibitörü olan p21 in ekspresyonunu uyarır. P21 proteini bir çok Cdk/iklin kompleksini inhibe eder. Oositler hormonla tetikleninceye kadar 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 den evresine geçişte düzenleyici olarak davrandığı görülmüş Hücre Döngüsü Gelişiminin Düzenleyicileri itoplazmanın mikroenjeksiyonu Uyarı olmadan evresinde dururlar Hormonla uyarı ile evresine geçerler evresine geçen hücrenin sitoplazması alınıp evresinde başka bir hücreye enjekte edilir Bu hücrenin de hormon olmadan da evresine geçtiği gözlemlenir. 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 8
12/12/13 Hücre Döngüsü Gelişiminin Düzenleyicileri PF in keşfi Deniz Kestanesi çalışmalarından ortaya çıktı. İKLİNLER (iklin A ( evresinde) ve ikin B ( evresine pik yapar)) chizosaccharomyces pompe ile çalıştılar. Bu mutantlardan cdc2. pompe hücre döngüsünü hem hem de den e geçiste durdurur. Her iki maya türünde de HE TART noktasına geçişte hem de İTOZ a girişte gerekli olduklarını gösterdi. Tim Hunt Nobel ödülü 2001 Paul Nurse Nobel ödülü 2001 İnterfaz itoz İnterfaz İnterfaz itoz itoz Zaman PF in Yapısı 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 PF, iklin B ve protein kinazlardan oluşan bir dimerdir. PF regülasyonu iklin B 1 G Cdk iklin B Thr 161 Thr 15 iklin B Aktif PF iklin B iklin Yıkımı itoz iklin Yıkılmaya başlar iklin B sentezi Defosforillenme Cdk Kontrol noktası PF lin accumulati on Defosforillenme Cyc Thr 14 Fosforillenme iklin iklinb yıkımı olecular mechanisms that help regulate the cell cycle 9
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 30 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 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. 10
12/12/13 - Evresi Cyclin/Cdk Komplekslerinin AkZvasyonu Cdk düzenleme mekanizmaları Cyclin-Kinase Inhibitor (CKI) DNA replikasyonu başlamasının hücre hazırlanıncaya kadar evresi Cyclin/Cdk komplekslerini tutar. (-phase) Cyclin/Cdk komplekslerinin artması CKI ların fosforlanmasına yol açar. -phase Cyclin/Cdk kompleksleri DNA replikasyonunun başlamasını aktive eder D Zpi siklinlerin uyarılması Cdk İnhibitörleri Büyüme faktörleri Cdk İnhibitörleri İnhibitörler Cdk/iklin kompleksi Etkilenen evre Ras/Raf/ERK (Büyüme faktörleri) Cip/Kip ailesi (p21, p27, p57) Ink4 ailesi (p15, p16, p18, p19) D Ppi siklin sentezi Cdk4/siklin D Cdk6/siklin D Cdk2/siklin E / Cdk2/siklin A Cdk4, 6/CycD Cdk4/siklin D Restriksiyon noktası Cdk6/siklin D Kontrol Noktasının Denetimi Replikasyon tamamlanmış Replike olmamış veya hasarlanmış DNA Hücre döngüsünün Rb ve E2F ile düzenlenmesi Algılayıcı proteinler Algılayıcı proteinler Chk1 Chk2 AT ATR Chk2 Chk1 Rb Cdk4, 6/iklinD Rb AT ATR E2F E2F 5C Aktif P 5C inaktif iklin B iklin B P inaktif PF Aktif PF itoza ilerlerme iklin B Rb E2F E2F RNA P İnaktif PF de duraklama Transkripsiyon baskılanır evresi genlerin transkripsiyonu 11
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