TRAKYA ÜNİVERSİTESİ Biyoteknoloji ve Genetik A.D.

Ahu TIKIZ

Hücre Döngüsünün Farklı Evreleri Arasındaki Koordinasyon Bir Kontrol Noktası (Checkpoints)Sistemi Tarafından Sağlanır.

**Devam etmekte olan evre tamamlanmadan hücrenin bir sonraki faza girmesini engeller.

**Replike olmamış ve hasarlı DNA’ya duyarlıdır.

**DNA replikasyonunu ve tamirini koordine eder.

Dört aşamada hücre döngüsü kontrol noktaları bulunur:

1. G1 kontrol noktası: DNA hasarına ve olumsuz koşullara duyarlıdır. DNA tamiri, G0 ya da apoptoza giriş

2. S-fazı kontrol noktası:DNA’nın devamlı olarak bütünlüğü sağlanır ve replikasyon sonucu oluşan hatalar kontrol edilir ve onarılır.

3. G2 kontrol noktası:Replike olmamış ve hasarlı DNA’ya duyarlıdır. Tamamlanmadan mitoza geçişe izin verilmez.

4. İğ-ipliği oluşumunda kontrol noktası:Kromozomların mitotik ipliklere düzgün tutunamamasına duyarlıdır.

HÜCRE DÖNGÜSÜNÜN KONTROLÜ

Bütün bu aşamalar sıkı bir şekilde denetim altında düzenlenirken, bu sistem aynı zamanda hücrenin çoğalmasının kontrol altında tutan hücre dışı uyarılarla da ilişkilidir.

Hücre döngüsü ve mitoz sırasında görevli moleküllerden;

‘’Maturation Promoting Factor (MPF)‘’

Siklinler ve hücre döngüsü inhibitörlerinin

çok önemli fonksiyonları olup hücre siklusunun devam etmesi bu fonksiyonların beraber işleyişlerine bağlıdır.

tümör supressör genlerdenoRb ve op53 genleri

hücre döngüsünün düzenlenmesinde rol alırken,

Bu ilişki sırasında, hücre siklusunun sessiz faza geçişinde , hücre döngüsü inhibitörlerindenoP21ove TGF-β hücre döngüsünü durdurmada anahtar

rol oynamaktadır.

Ökaryotik hücrelerin hücre döngüsünün kontrolünde protein kinazlar görev almaktadır. Bu kinazlar kontrol noktası geçişlerinde önemli rol oynamaktadır.

MPF Ayrı ayrı yapılan 3 çalışma hücre döngüsü düzenlenmesinde anahtar rol oynayan bir molekülün varlığını ortaya koymuştur. Bu çalışmaların ilki kurbağa yumurtaları ile yapılmıştır.G2 evresinde bekletilen yumurtalar progesteron uyarısı alınca M evresine geçmektedir.

İki farklı araştırma ekibi G2 de bekletilen bu yumurtalara, G2 de iken progesteron uyarısı almış ve M evresine geçmiş yumurtalardan alınan sitoplazmaların mikro enjeksiyonla verilmesi sonucunda, bu yumurtaların da herhangi bir hormon uyarısı olmaksızın M evresine geçtiklerini göstermişlerdir.

Böylece, hormon tarafından uyarılmış sitoplazmadaki bir faktörün , hormon tarafından uyarılmamış yumurtaya verilmesiyle bu yumurtanın G2 den M evresine geçebileceğini ortaya koymuştur.Bir yumurtanın mayoz bölünmeye girebilmesi yumurta olgunlaşması(oocyte maturation) olarak adlandırıldığından bu faktör MPF(maturation promoting factor) olarak adlandırılmıştır.

Daha sonra yapılan çalışmalar MPF nin sadece mayozda değil mitoz bölünmede de hücre döngüsünün M evresine geçişte etkili olduğunu ortaya koymuştur. Bu nedenle MPF, G2 ‘den M evresine geçişte etkili olan genel bir düzenleyici olarak kabul edilmiştir ve genel olarak M-Phase promoting factor (MPF) olarak adlandırılmıştır.

MPF (cdc2 ve siklin dimeri)

Bu faktör G2’den M dönemine geçişi sağlayan bir faktördür.

Cdc2 ve siklin B adı verilen 2 alt ünitesi vardır.

Siklin B, cdc2 protein kinazın katalitik aktivitesi için gerekli düzenleyici bir birimdir.

Hücre döngüsünün ilerleyişi sırasında siklin B’ nin periyodik olarak birikimi ve yıkımı ile MPF aktivitesi kontrol edilir.

Ayrıca cdc2’nin fosforilasyonu ve defosforilasyonu da MPF aktivitesini etkiler.

•Silkin B sentezi S döneminde başlar.

•Daha sonra cdc2 ile bir bileşik oluşturur.

•Bu bileşiklerin oluşma aşamasında cdc2, 2 kritik pozisyonda fosforile olur.

•Treonin-161’deki fosforilasyon cdc2 kinaz aktivitesi için gereklidir.

•Ayrıca cdc2 kinaz aktivitesini önleyen treonin-14 ve tirozin-15 fosforilasyonu gerçekleşir ve inaktif cdc2/siklin B bileşiğinin S ve G2 dönemlerinde birikimine neden olur.

•Treonin-14 ve tirozin-15’in cdc25 adı verilen bir protein fosfataz ile defosforile olması ile cdc2/siklin B aktive olur.

•Böylece G2’den M’ye geçiş olur.•Cdc2 aktivitesi aynı zamanda siklin B’nin yıkımına da neden olur.

MPF’nin görevleri;

Nüklear zarf yıkımıKromozom yoğunlaşmasıMitotik iplik oluşmasıMitozun sonlanması

1)Nüklear zarf yıkımı:

Profaz evresinde nuklear zarfın parçalanması, laminlerin cdk1 tarafından fosforlanması ile gerçekleşir.

Telofaz evresinde nuklear zarf yeniden oluşur.

Kromozom seyrelmesi ve Nüklear zarfın yeniden oluşumu MPF substratlarından fosfat koparılmasına bağlıdır.

2)Kromozom yoğunlaşması:

İnterfaz nukleusunda 30 nm çapında olan kromatin iplikler yaklaşık 1000 kez katlanarak 700 nm çapındaki kromozomları oluştururlar. MPF’nin alt birimi olan cdk1, histon H1’i substrat olarak kullanarak onu fosforile eder ve bu işlem sayesinde kromatin yoğunlaşması gerçekleşir.

3) Mitotik iplik oluşumu: Profaz evresinde sentrioller kutuplara çekilirken artan MPF aktivitesi ile mikrotübül molekülleri hızla dağılarak hücre iskeleti çöker. Bu işlem mikrotübüllerle ilgili proteinlerin MPF tarafından fosforlanması sayesinde gerçekleşir.

4)Mitozun sonlanması:

Mitoz bölünmeden çıkmak için, hücre döngüsünün S ve G2 evrelerinde etkili olan Siklin A ile M evresinde etkili olan Siklin B moleküllerinin yıkılması gerekir.

Bu yıkım işlemi DBRP (Destruction Box Recognition Protein= Yıkım Kutusu Tanıma Proteini) proteinini fosforile eden MPF tarafından tetiklenir.

Mitoz esnasında MPF aktivitesi sayesinde fosforile olan DBRP(destruction box) yıkım kutusu, Siklin B ‘nin ubiquitin yoluyla yıkımını sağlayarak aynı zamanda MPF aktivitesini de inhibe eder. MPF inhibisyonundan sonra kromozom yapısında meydana gelen morfolojik değişimler görülür; kromozomların gevşemesi, nuklear zarfın yeniden şekillenmesi, iğ ipliklerinin yok olmasına neden olarak mitozu sonlandırır.

Cdc 14 fosfataz cdh1 den fosfat ayırır APC/C ye bağlanır ve aktive eder APC/C (ubikütinlenmeyi sağlar) B tipi siklinlerin yıkımı MPF inaktivasyonu telofazın başlaması tetiklenir siklin B ve MPF seviyesi artar tekrar mitoz

Çoklu alt ünite içeren APC/C (anafaz ilerletici kompleks) mitotik siklinlerde korunmuş yıkım kutusunu tanıyan ve ubikütinasyonları destekleyen, proteinlerin proteozomlar tarafından yıkımı için işaretleyen bir ubikütin protein ligazdır.

Anafaz İlerletici Kompleks (APC/C) Mitotik Siklinlerin Yıkımını ve Mitozdan Çıkışı Kontrol Eder

B tipi siklinlerin yıkılması sırasında birçok ubikitin molekülünün kovalent bağlanması ile modifiye olması gerekmektedir. Bu birçok ubikitin eklenme süreci ökaryotik hücrelerde çeşitli proteazları içeren protein kompleksi olan proteozom tarafından hızlı yıkılması için proteinleri işaretler ubikitin-protein ligazlar B tipi siklinlere veya hedef proteinlere ubikitin eklenmesine aracı olurlar.

Çeşitli ökaryotlardan elde edilen birçok B tipi siklin kodlayan c DNA ların dizi analizi ile tümünde N terminaline yakın bölgede homolog dokuzlu bir dizi içeren yıkım kutusunun varlığı gözlenmiştir.

Bu yıkım kutusu çıkarılması B tipi siklinlere ubikitin eklenmesini engeller ve böylece onları yıkılamaz hale getirir. Mitotik siklin kutusunu tanıyan ubikitin –protein ligaz (APC/C) olarak adlandırılan çok alt üniteli bir proteindir.

Erken embriyoda mitotik siklin, hücre döngüsü boyunca kararlı bir m RNA dan sentezlenir. Geç anafazda konsantrasyonda gözlenen düşüş , hücre döngüsünde bu noktadaki APC/C tarafından tetiklenen yıkımından kaynaklanır. Cdh 1 olarak adlandırılan faktör ,APC/C ye bağlanarak onu mitotik siklinlere ubikitin eklemek üzere yönlendirir.

Cdh1 bu özelliğinden dolayı APC/C nin özgüllük faktörü olarak tanımlanmıştır. Bu faktör, bölünen hücrede sadece bir tam set kromozomu alması beklenen iki yavru hücreye yönelmiş kromozomlar yeterince uzağa hareket ettikleri zaman olan geç anafazda aktive olur.

Cdh1 aktivitesi, fosforilasyon olaylarıyla düzenlenir. G1 siklin-CDK kompleksleri tarafından cdh1 in fosforlanması G1 boyunca cdh1 in APC/C ilişkisini önler ve böylece mitotik siklin yıkımını baskılar.

Bu baskılama , bir sonraki hücre döngüsünün interfazı boyunca gözlenen mitotik siklin seviyelerinde yavaş yükselişe izin verir. Kardeş kromozomlar geç anafazda düzgün şekilde ayrıldıklarında , cdc14 fosfataz aktive olur ve cdh1 den fosfat grubunun ayrılmasını ve APC/C ye bağlanabilmesini sağlar. Bu etkileşim hızlı bir şekilde APC/C aracılı çoklu ubikitin eklenmesini ve B tipi siklinlerin protozomal yıkımına ve böylece de MPF İnaktivasyonuna neden olur.

Çoklu alt ünite içeren anafaz ilerletiici kompleks(APC/C) , mitotik siklinlerce korunmuş yıkım kutusunu tanıyan ve ubikütinasyonları destekleyen, proteinlerin proteozomlar tarafından süratle yıkımı için işaretleyen bir ubikütin ligazdır. MPF aktivitesindeki azalma mitozun tamamlanmasını sağlar.

APC/C übikitin ligaz seviyesi kontrol edilir, böylece mitotik siklinlere sadece geç anafazda ubikitin eklenir. G1 de APC/C nin etkinsizleştirilmesi, mitotik siklinlerin bir sonraki hücre döngüsünde birikimini sağlar. Bu da, mitoza girmeye ve mitozdan çıkmaya neden olan, MPF aktivitesindeki artış ve azalışla sonuçlanır.

Siklin Aileleri ve Siklin Bağımlı Kinazlar;

Yapılan çalışmalar, siklin ve cdc2’nin birçok proteinle ilişkili büyük bir ailenin üyeleri olduğunu ortaya koymuştur.

Bu ailenin değişik üyeleri hücre döngüsünün değişik aşamalarında görev almaktadır.

Cdc2 hem G1 hem de G2 kontrol noktalarında görev alır.

Bu görevini bir çok siklinle beraber yapar. Örneğin; G2’den M’ye geçişte mitotik B tipi siklinler (clb1, clb2, clb3, clb4) görev alır. G1’de ise G1 siklin (cln’s) adı verilen proteinlerle ilişkilidir.

Bunlar cdc2’nin değişik proteinleri fosforillemesiyle hücre döngüsünün ilerlemesi sağlanır.

Büyüme faktörleri ve hücre döngüsü arasındaki ilişkiyi Siklin D ile sağlanır.

Siklin D düzenlenmesinde oluşabilecek bir hata, kanser hücrelerinin bir özelliği olan büyüme düzenlenmesi kontrolünün kaybına dolayısı ile kanser oluşumuna sebep olur.

Rb proteinleri; büyüme kontrolü, kanser ve siklin D arasındaki ilişkinin ortaya konmasına yardımcı olmuştur.

Rb, retinoblastomaya neden olan bir genin ürünüdür.

Rb tipik bir tümör supressör gendir ve inaktivasyonu tümör gelişimine neden olur.

Rb aktivasyonu, fosforilasyon ile olur.

Özellikle cdk4/siklin D bileşikleri, Rb’yi fosforiller ve hücre G1 sınırlama noktasından geçer.

Fosforillenmemiş halinde ise Rb, E2F ailesine(transkripsiyon faktörleri olup hücre döngüsünün ve DNA sentezinin düzenlenmesinde görevlidir.)bağlanır.

Rb’nin cdk4/siklin D tarafından fosforillenmesi Rb ‘nin E2Fden ayrılmasına ve E2F’nin hedef genlerinin aktivasyonuna neden olur.

Kısaca Rb, E2F’nin baskılanması ve aktivasyonu arasında bir anahtar görevi görür.

Ancak; Rb reseptör olarak görev alır. Böylece E2F ile düzenlenen genlerin transkripsiyonu baskılanır.

Hücre Döngüsünün G1 evresinde Rb ve E2F’nin Kontrolü Rb (retinoblastoma): tümör baskılayıcı gen.

E2F: Transkripsiyon faktör.

Kanserde Retinoblastoma

Retinoblastoma bebeklik veya erken çocukluk döneminde ,gözde en sık rastlanan göz tümörüdür. Retinoblastoma geninin ,RB1, her iki allelinin işlev kaybı sonucu oluşur.

Tümörün başlaması için iki inaktivasyon olayı gereklidir. İlk mutasyon, bir tümörün gelişmesi için hücreyi yatkın hale getirir; ikincisi tümörün oluşumunu başlatır.

İlk mutasyon, ya retinanın projenitör hücresinin birinde (retinoblast) somatik mutasyon ya da germ hattında olan bir mutasyon olabilir.

Hücre döngüsü inhibitörleri;

Hücre proliferasyonu sadece büyüme faktörleriyle değil, aynı zamanda hücre döngüsünü engelleyen sinyallerce de düzenlenir.

Örneğin; DNA’yı hasara uğratan etkenler hücre döngüsünü durdurur ve hasarı tamir etmeye çalışır.

Hücreler arası temas ve bazı hücre dışı faktörler hedef hücrede uyarıdan çok, hücre döngüsünü engelleyici etki gösterir.

Bu tip inhibitör sinyaller genellikle cdk inhibisyonuyla düzenleyici etkilerini gösterirler.

Örneğin; DNA hasarına yanıt olarak p53 proteinince yönlendirilen hücre döngüsünün durdurulmasıdır.

P53 proteini, cdk inhibitörü p21’in ekspresyonunu uyararak etki gösteren bir faktördür.

DNA hasarı olduğu zaman, bu hasar hızlıca p53 üretimini artırır. Bu artan p53 seviyesi de hücrenin G1 evresinde kalarak S evresine geçmesini önleyen sinyalleri oluşturur.

P53,hücrede bir şekilde DNA hasarı oluştuğunda, eğer hasar onarılabilecek düzeyde ise hücre siklusunu G1 fazında durdurur ve hücreye DNA’sını tamir için süre kazandırır.

Eğer hasar tamir edilemeyecek kadar büyükse;p53 apoptozisi indükler.

Dolayısıyla p21 hem cdk’yı önler hem de S dönemindeki hücrelerde DNA replikasyonunu engeller ve hücre döngüsünü durdurur.

Bax inhibisyonu artar.

Bu da indüksiyonun bcl-2/bax oranının değiştirmesi yoluyla gerçekleşir.

Bax, veya Bcl-2-associated X protein, p53 adlı tümör baskılayıcı proteinin kofaktörü olma işlevine sahip, Bax geni, Bcl-2 gen ailesinin bir üyesidir. Bax, p53 aracılığıyla indüklenir ve bulunduğu hücrenin apoptoza gidişini hızlandırır.

En iyi bilinen ekstrasellüler inhibitör TGF-β, epitel hücrelerinin bir çok tipinde proliferasyonunu G1’de durdurarak engeller.

Bu aktiviteside cdk inhibitörleri olan p15 ve p27’nin indüksiyonu ve cdk4/siklin D bileşiğine bağlanmasıyla oluşur.

Cdk4 aktivitesinin yok olmasıda; Rb fosforilasyonunu bloke eder ve hücre döngüsü G1’de durur.

Ubikitin-Proteozom Yıkım Yolu

Ökaryotik hücrelerde proteinin yıkımını sağlayan iki büyük yol vardır ;

Lizozomal proteolizis Ubikitin –proteozom yıkım yolu

Ubikitin 76 aa. ‘den oluşur Bir proteinin yan zincirlerine bağlanarak o proteini yıkım için işaretler. Bu noktaya daha sonra yeni ubikitinler eklenerek bir multiubikitin zincir oluştururlar. Bu şekilde çok sayıda ubikitinle işaretlenmiş olan protein, oldukça iri, çok sayıda alt birimden oluşmuş bir proteaz kompleksi olan proteazom tarafından yıkılır. Ubikitinin bağlanması ve işaretlenen proteinin yıkılması için ATP enerjisi kullanılır.

Yıkılacak proteine ubikitinlerin bağlanması birkaç aşamada gerçekleşir.

1. Önce ubikitin , ubikitin aktifleştirici enzim(E1)’e bağlanarak aktifleşir. Bu adımda ATP kullanılır.

2. Bundan sonra ubikitin-conjugating enzim (E2) olarak adlandırılan ikinci bir enzime aktarılır. Bazı durumlarda ubikitin doğrudan E2 ‘ den hedef proteine aktarılırken bazı durumlarda da ubikitin ligaz (E3) olarak adlandırılan üçüncü bir enzime aktarıldıktan sonra hedef proteine iletilir. Bu hedef proteine daha sonra başka ubikitinler de eklenir.

Çok sayıda ubikitin ihtiva eden protein artık ATP kullanarak proteazom tarafından parçalanır. Proteazom herbiri 19 S lik iki düzenleyici altbirim ile bunların arasında yer alan 20 S lik bir protein komplekstir.

TEŞEKKÜRLER