Buněčný cyklus

Buněčný cyklus je posloupnost vzájemně koordinovaných procesů, které vedou od jednoho buněčného rozdělení k následujícímu buněčnému dělení. Rozdělení na víceméně totožné buňky dceřiné předpokládá zdvojení genetického materiálu a ostatních funkčních kapacit buňky během buněčného cyklu. Mikroskopicky snadno pozorovatelným mezníkem je mitóza (dělí se na karyokinezi – dělení jádra a cytokinezi – dělení cytoplazmy). Z jedné mateřské buňky vznikají dvě buňky dceřiné – tzv. vegetativní reprodukce (pravidelná distribuce sesterských chromatid do obou dceřiných buněk v mitóze zajišťuje jejich genetickou shodu). Buněčný cyklus je definován obdobím od vzniku buňky (která vznikla dělením mateřské buňky) až do stadia, kdy dojde opět k rozdělení na dvě buňky dceřiné. Toto období, trvající u některého typu buněk 20–24 hodin, u jiného mnohem déle (např. hepatocyty se dělí dvakrát do roka), má dvě stadia: M fázi (mitotická fáze, dělení jádra a buňky; asi 30 minut) a interfázi (buňka se nedělí). Interfázi dále dělíme na:

• G₁ fázi – trvá 9 hodin, buňka roste;
• S fázi – 10 hodin, syntéza DNA;
• G₂ fázi – 4,5 hodiny, buňka se připravuje na rozdělení.

Některé buňky přechází po mitóze do klidové fáze, takzvané G₀. Odtud mohou po různě dlouhé době opět vstoupit do buněčného cyklu – aktivace – nebo v klidovém stavu zůstat. To se týká například neuronů nebo buněk oční čočky.

Fáze buněčného cyklu

Fáze buněčného cyklu

G₁ fáze (předsyntetická)

• začíná v okamžiku, kdy se po rozdělení mateřské buňky stává dceřiná buňka soustavou schopnou samostatné existence
• končí zahájením replikace jaderné DNA
• průběh: zdvojení buněčné hmoty, intenzivní syntetické procesy – RNA, proteiny. Buňka roste, vytváří se zásoba nukleotidů a syntetizují se enzymy pro budoucí replikaci jaderné DNA
• leží zde hlavní kontrolní uzel cyklu, který rozhoduje o pokračování v interfáze na základě vnějších vlastností
• opravy poškozeného genomu

Buněčný cyklus

S fáze (syntetická)

• replikace jaderné DNA (zdvojení množství DNA), současná rychlá spřažená syntéza histonů (H2A, H2B, H3, H4 & H1), aby se mohly tvořit nové nukleosomy a chromatinové vlákno
• replikace vlákna 3´→ 5´: DNA polymeráza, kontinuální replikace („leading strand“)
• replikace vlákna 5´→ 3´: DNA polymeráza, diskontinuální replikace („lagging strand“, Okazakiho fragmenty)
• Telomeráza: dosyntetizuje DNA na koncích chromozomu
• na konci chromatidy spojeny v místě centromery; dvojnásobná genová dóza buněk

G₂ fáze (postsyntetická)

• závislá na dokončení replikace DNA v S fázi
• průběh: syntéza a aktivace proteinů (ke kondenzaci chromozomů, ke tvorbě mitotického aparátu a destrukci jaderného obalu), končí zahájením mitózy
• zde leží 2. kontrolní uzel buněčného cyklu – rozhoduje o tom, zda buňka do mitózy skutečně vstoupí na základě vnitřních vlastností

M fáze (mitotická)

• jaderné dělení, poslední etapa buněčného cyklu
• chromozomy reduplikované do konce S fáze jsou ohraničeny, sesterské chromatidy odděleny a přemístěny k protilehlým pólům buňky (vlastní mitóza)
• dceřiné buňky obdrží 2 kompletní sady chromosomů a shodnou výbavu cytoplazmatických organel (cytokineze, završuje celý proces)
• mitóza a cytokineze jsou většinou propojené procesy
• kondenzace chromozomů – až 10 000×
• pro pravidelné rozdělení sesterských chromatid do obou dceřiných buněk je důležitý mitotický aparát buňky (tvoří ho centromery a kinetochory)
• vývoj mitotického aparátu začíná v G₂ fázi – reduplikace centrozomů a výstavba kinetochor pro každou z chromatid
• jednotlivé fáze mitózy viz mitóza
• místo do mitózy může buňky vstoupit i do meiózy (zárodečné buňky)

Mechanismus regulace buněčného cyklu

Regulace buněčného cyklu je klíčová a její poruchy mohou vést až k nádorovému bujení. Uskutečňuje se na dvou základních úrovních:

1. aktivace: G₀ → G₁. Začíná expresí genů primární odpovědi a poté následuje exprese kaskády příslušných sekundárních genů.
2. progrese: G₁ → S → G₂ → M.

Kontrolní systém monitoruje kompletnost kroků v buněčném cyklu. V případě zjištění neúplnosti dochází k vyslání inhibičních signálů blokujících buněčný cyklus v tzv. kontrolních bodech.

3 kontrolní body

1. G₁ / S – blokáda buněčného cyklu, jsou-li buněčný růst nebo okolní podmínky nepříznivé pro další dělení;
2. G₂ / M – zastavení buněčného cyklu, není-li dokončena replikace DNA event. je-li DNA poškozena;
3. M / G₁ – na přechodu metafáze/anafáze, zastavení, nejsou-li chromozomy řádně připevněny k mitotickému vřeténku.

Kontrolní systém buněčného cyklu je založen na oscilacích aktivity cyklindependentních kináz – CdK. Jedná se o proteinkinázy, které tvoří komplexy s cykliny. Katalyzují fosforylaci bílkovinných substrátů (a to pouze, pokud jsou navázány na cykliny), čímž dochází ke změnám v enzymatické aktivitě substrátu a v jeho interakci s jinými proteiny. Rozeznáváme celkem 9 Cdk.

Mezi hlavní regulační komplexy patří:

• komplex cyklin E / CdK2: regulace vstupu do S fáze;
• komplex cyklin B / CdK1: regulace vstupu do mitózy.

Kontrolní body buněčného cyklu.

Cykliny

Cykliny přechodu G₁ → S

Pro přechod buňky z G₁ do S fáze hraje klíčovou úlohu komplex cyklin E / Cdk2. Dochází k tomu obdobným způsobem jako v případě přechodu G₂ → M. Po vstupu buňky do S fáze se Cdk2 spojí s cyklinem A. Ten je následně zásadní pro udržení a správný průběh S fáze.

Cykliny S fáze

Do této skupiny patří např. cyklin A. Hlavní funkcí cyklinů S fáze je aktivace helikáz a iniciace replikace DNA.

Mitotické cykliny

Jedná se například o cyklin B. Ten je prakticky nedetekovatelný na počátku G₁ fáze, syntetizován je však po celou dobu interfáze. Dosažení aktivačních hodnot na konci G₂ fáze má za následek aktivaci Cdk1. Ta probíhá formou postranslačních modifikací. Aktivovaný komplex cyklin B / CdK1 pak umožní vstup buňky do M fáze.

Odkazy

Související články

• Mitóza
• Meióza
• Replikace DNA

Zdroj

• ŠTEFÁNEK, Jiří. Medicína, nemoci, studium na 1. LF UK [online]. [cit. 2009]. <http://www.stefajir.cz>.