A sejtciklus regulátorai

A sejtciklus ellenőrzési pontjairól szóló tananyagban a sejtciklus átmeneteinek miértjeivel foglalkoztunk: áttekintettük, hogy melyek azok a tényezők, amelyeket a sejtek figyelembe vesznek, mikor meghozzák a sejtciklus folytatására vonatkozó döntéseiket. Az áttekintett információk egyaránt vonatkoznak a külső környezetre (ilyen információ-hordozók például a különféle molekuláris jelek), vagy a sejtek belső állapotára (ilyen üzenetet közvetít pl. a károsodott DNS jelenléte).

A fentiekhez hasonló jelek megváltoztatják a sejtek sejtciklust szabályozó fehérjéi aktivitását. Ezek a szabályozásért felelős ún. regulátorok meghatározóak az alapvető folyamatok (például a DNS-replikáció, vagy a kromoszómák szétválasztása) lezajlásában. A regulátorok felelősek azért is, hogy a sejtciklus egyes fázisai a megfelelő sorrendben következzenek: hogy egy adott fázis (pl. a G${}_1$‍) befejezése előidézze a következő (jelen esetben az S-fázis) elindulását.

Ebben a tananyagban áttekintünk néhányat a legfontosabb regulátorok közül: a ciklineknek nevezett fehérjéket, a Cdk-enzimeket, és az APC/C enzimkomplexet.

A ciklinek a sejtciklus legfontosabb regulátorai közé tartoznak. Több típusuk létezik, amelyek egy egész fehérjecsaládot alkotnak. A továbbiakban egy egyszerűsített sémán, négy példán keresztül mutatjuk be a ciklineket, működésük logikáját. Ezek a G${}_1$‍-ciklinek, a G${}_1$‍/S-ciklinek, az S-ciklinek és az M-ciklinek.

Ahogy a név alapján sejthető, az egyes ciklinek egy adott fázishoz (vagy két fázis közötti átmenethez, illetve egy új fázis elindításához) kötődnek, és elősegítik az adott fázis (vagy átmenet) történéseit. Például az M-ciklin serkenti az M-fázisban zajló folyamatokat, úgy mint a sejtmaghártya lebomlását és a kromoszómák kondenzálódását${}^{1,2}$‍.

A különböző ciklinek koncentrációja erőteljesen változik a sejtciklus során, ahogy az a grafikonon is jól látható. Jellemzően egy adott ciklin kis mennyiségben fordul elő a sejtciklus nagy részében, de hirtelen felszaporodik, ha a jelenléte szükségesség válik. Például az M-ciklin koncentrációja hirtelen megnő a G${}_2$‍/M-fázis átmenet előtt (és tetőzik is nem sokkal az M-fázis kezdetét követően). A G${}_1$‍-ciklinek különlegessége, hogy a sejtciklus döntő részében fontos szerepet játszanak, ezért koncentrációjuk végig viszonylag magas.

A sejtciklus továbblendítése érdekében a ciklinek serkentik vagy gátolják a sejtek bizonyos fehérjéit: egy enzimcsalád képviselőihez kötődnek, amelyeket ciklin-dependens kinázoknak (Cdk-knak) nevezünk. Az egyedül álló Cdk-k inaktívak, a hozzájuk kötődő ciklinek révén alakulnak működőképes enzimekké, amelyek módosításokat hajtanak végre a célfehérjéiken.

Vajon hogyan működik mindez? A Cdk-k kinázok, vagyis olyan enzimek, amelyek foszforilálják (foszfátcsoportokkal látják el) a célfehérjéiket. Az újonnan bekötött foszfátcsoportok úgy viselkednek, mint egy kapcsoló: aktívabbá, vagy éppen kevésbé aktívvá teszik a célfehérjéket. A ciklin-Cdk kötődésnek két fontos következménye van: egyrészt aktiválódik a Cdk-k kináz funkciója, másrészt pont a ciklin-Cdk kötődés teszi lehetővé, hogy az adott ciklinek által felügyelt sejtciklus-fázisra jellemző célfehérjék kötődni tudnak a Cdk-ciklin komplexhez. Például a G${}_1$‍/S-ciklinek az S-fázis célfehérjéi bekötését serkentik (amely fehérjék például a DNS replikációjában vesznek részt), míg az M-ciklinek az M-fázis fő fehérjéivel való kapcsolatot befolyásolják (amelyek például részt vesznek a sejtmaghártya lebontásában).

Általánosságban elmondható, hogy a Cdk-k koncentrációja többé-kevésbé állandó marad a sejtciklus során, de a Cdk-k aktivitása és a célfehérjék koncentrációja változik a különböző ciklinek koncentrációjában beálló változásokkal. Meg kell továbbá említeni azt a tényt is, hogy a Cdk-k, azon túl, hogy szükséges számukra a ciklin partner bekötődése is, további foszforilációt is igényelnek bizonyos specifikus helyeken az aktiválódás érdekében, míg más helyek foszforilálása negatív regulációt, vagyis gátlást vált ki${}^{3,4}$‍. (Az ábra nem mutatja ezeket a foszforilációs helyeket.)

A ciklinek és a Cdk-k evolúciós szempontból meglehetősen konzervatívak, ami azt jelenti, hogy egymással igen távoli kapcsolatban álló fajokban egyaránt megtalálhatóak, az élesztőktől kezdve a békákon át egészen az emberig. A rendszer részleteiben ugyanakkor mutatkozik némi eltérés: az élesztőkben például csak egyetlen Cdk van jelen, míg az ember és a többi emlős több különböző Cdk-t használ a sejtciklus egyes fázisaiban. (Igen, ez egyben kivételt is jelent „A Cdk-k koncentrációja nem változik” általános szabály alól!) De az alapelvek mindenütt hasonlóak, ugyanúgy, mint a különböző fajokban található ciklinek és Cdk-k molekuláris felépítése${}^5$‍.

A mitózist/érést elősegítő faktor (MPF) egy nevezetes példája a ciklinek és a Cdk-k sejtciklus-átmeneteket szabályozó együttműködésének. Az névadás az 1970-es évekre nyúlik vissza, mikor a kutatók felfedezték, hogy az M-fázisban lévő sejtek tartalmaznak egy olyan ismeretlen molekulát, amely kiváltja a G${}_2$‍-fázisban ragadt béka petesejtek M-fázisba lépését. Az 1980-as években derült csak ki, hogy ez a rejtélyes molekula, amely az MPF nevet kapta, valójában egy Cdk, amely az M-ciklin partneréhez kapcsolódik${}^6$‍.

Az MPF jó példája annak, hogy a ciklinek és a Cdk-k hogyan működnek együtt a sejtciklus átmeneteinek előmozdításában. Ahogy az a legtöbb ciklinre jellemző, az M-ciklin koncentrációja is alacsony a sejtciklus nagy részében. Azonban ahogy egy sejt közelít a G${}_2$‍/M átmenet felé, hirtelen megugrik az M-ciklin szintje. A felhalmozódó M-ciklin hozzákapcsolódik a már jelenlevő Cdk-khoz, és az így kialakuló komplexek készen állnak arra, hogy beindítsák az M-fázist. Mindehhez egy végső jelre várnak (amely jel megerősíti, hogy a sejt DNS-e ép), és ha ezt megkapják, aktivizálódnak, és beindítják az M-fázis folyamatait${}^7$‍.

Az MPF-komplexek foszfátcsoportokkal látják el a sejtmaghártya számos különféle fehérjéjét, ami végső soron a sejtmaghártya lebomlását fogja eredményezni (ami a korai M-fázis kulcsfolyamata), valamint serkentenek más célfehérjéket, amelyek elősegítik a kromoszómák kondenzálódását és más M-fázisra jellemző folyamatokat. Az MPF sejtmaghártya-lebomlásban játszott szerepét az alábbi sematikus ábra szemlélteti.

A MPF azon túlmenően, hogy előmozdítja az M-fázis folyamatait, katalizálja a saját megsemmisülését is, méghozzá az anafázist serkentő komplex/cikloszóma (APC/C) aktiválásán keresztül. Az APC/C egy fehérjekomplex, amely az M-ciklinek lebomlását idézi elő az anafázis kezdetén. Az M-ciklinek eltűnése lehetővé teszi a sejt számára, hogy kilépjen a mitózisból, és az utódsejtek megkezdhessék saját sejtciklusuk G${}_1$‍-fázisát. Az APC/C hozzájárul továbbá a testvérkromatidákat összetartó fehérjék lebontásához is, vagyis fontos szerepet játszik a testvérkromatidák szétválasztásában az anafázis során, illetve abban, hogy a leánykromoszómák megkezdhessék vándorlásukat a sejt ellentétes pólusai irányába.

Vajon hogy csinálja az APC/C mindezt? A Cdk-khoz hasonlóan az APC/C is enzim, de a működési elve teljesen más, mint a Cdk-ké. Ahelyett, hogy foszfátcsoporttal látná el a célfehérjéit, egy kis jelölőfehérjét kapcsol hozzájuk, amelyet ubiquitinnek (Ub-nek) nevezünk. Az ubiquitinnel jelölt fehérje az ún. proteaszómához kerül, ami tulajdonképpen a sejtek szelektív kukája, vagyis a jelölt fehérje megsemmisítésre (majd elemeiben újrahasznosításra) kerül. Például az APC/C ubiquitin jelölővel látja el az M-ciklineket, amelyeket aztán a proteaszóma bedarál, így az újonnan alakuló utódsejtek pedig be tudnak lépni a G${}_1$‍-fázisba${}^8$‍.

Az APC/C ubiquitin jelölőt használ ahhoz is, hogy kiváltsa a testvérkromatidák szétválasztását a mitózis anafázisában. Ha a metafázisban az APC/C megkapja a megfelelő jelet, beindít egy láncreakciót, ami végül a testvérkromatidákat összetartó, kohézin molekulákból álló „fehérjeragasztó” lebontásához vezet${}^{8,9}$‍.

A Cdk-k, ciklinek és az APC/C a sejtciklus-átmenetek közvetlen szabályozói, de nem mindig ők irányítják a folyamatokat. Ellenkezőleg, ők is jelekre reagálnak, amelyek a sejtek külső és belső környezetéről hordoznak információkat. Ezek a jelek befolyásolják a fő regulátorok aktivitását, meghatározva, hogy a sejtek továbbhaladhatnak-e a sejtciklusban. A pozitív jelek, mint például a növekedési faktorok, jellemzően serkentik a Cdk-kat és a ciklineket, míg egy negatív jel, például a károsodott DNS jelenléte gátolja vagy teljesen le is állítja őket.

Vegyünk egy példát, amelyben a DNS-károsodás hatására leáll a sejtciklus a G${}_1$‍-ben! A DNS-károsodás számtalan sejtünkben fellép az életünk során, például a Napból származó UV-sugárzás hatására. A sejteknek tudniuk kell kezelni ezeket a helyzeteket: amennyiben lehetőség van rá, ki kell javítaniuk a hibákat, ellenkező esetben meg kell akadályozniuk az érintett sejtek osztódását. A DNS-károsodásra adott válaszreakció központi fehérjéje a p53, egy nevezetes tumorszupresszor, amelyre gyakran mint „a genom őrére” is hivatkoznak${}^{10}$‍.

A p53 több szinten is kifejti hatását annak érdekében, hogy a végzetesen károsodott sejtek ne tudják továbbörökíteni hibás DNS-üket az osztódás során${}^3$‍. Először is leállítja a sejtciklust a G${}_1$‍ ellenőrzési ponton. Ezt úgy éri el, hogy serkenti a Cdk-kat gátló, ún. Cdk-inhibitor (CKI) fehérjék termelődését. A CKI fehérjék a Cdk-ciklin komplexekhez kötődnek, gátolva a működésüket (lásd az alábbi ábrát), ezzel időt nyerve a DNS-hibák kijavítására. A p53 további feladata, hogy aktiválja a DNS-javító enzimeket. Ha a hibát nem lehet kijavítani, a p53 harmadszor (és véglegesen) akcióba lép, és beindítja a programozott sejthalál folyamatait, hogy megakadályozza a sérült DNS továbbörökítését.

A DNS-hibás sejtek osztódását gátolva a p53 megakadályozza, hogy a mutációk (a DNS maradandó megváltozásai) öröklődjenek. Ha a p53 maga hibás, vagy hiányzik, a mutációk gyorsan felhalmozódhatnak, adott esetben rákos elfajulást eredményezve. E fehérje kiemelkedő szerepét bizonyítja, hogy az egész humán genom összes génje közül a p53 génje az, amely a leggyakrabban mutálódik a rákos sejtekben${}^{11}$‍. A p53 ismerete és a sejtciklus-szabályozás tanulmányozása alapvető a rák elleni küzdelemben dolgozó kutatók számára.