buněčnýcyklus -principyregulace buněčného růstu ... · dr. b. duronio, the university of...

57
Buněčný cyklus - principy regulace buněčného růstu a buněčného dělění

Upload: others

Post on 11-Oct-2020

0 views

Category:

Documents


0 download

TRANSCRIPT

Page 1: Buněčnýcyklus -principyregulace buněčného růstu ... · Dr. B. Duronio, The University of North Carolina at Chapel Hill. The INK4 Family of CDK inhibitors (p16 INK4a, p15 INK4b,

Buněčný cyklus - principy regulace buněčného

růstu a buněčného dělění

Page 2: Buněčnýcyklus -principyregulace buněčného růstu ... · Dr. B. Duronio, The University of North Carolina at Chapel Hill. The INK4 Family of CDK inhibitors (p16 INK4a, p15 INK4b,

Mitóza

Dr. B. Duronio, The University of North Carolina at Chapel Hill

Page 3: Buněčnýcyklus -principyregulace buněčného růstu ... · Dr. B. Duronio, The University of North Carolina at Chapel Hill. The INK4 Family of CDK inhibitors (p16 INK4a, p15 INK4b,

Průběh mitózy v buněčné kultuře fibroblastů

Dr. B. Duronio, The University of North Carolina at Chapel Hill

Page 4: Buněčnýcyklus -principyregulace buněčného růstu ... · Dr. B. Duronio, The University of North Carolina at Chapel Hill. The INK4 Family of CDK inhibitors (p16 INK4a, p15 INK4b,

Buněčný cyklus

Dr. B. Duronio, The University of North Carolina at Chapel Hill

Page 5: Buněčnýcyklus -principyregulace buněčného růstu ... · Dr. B. Duronio, The University of North Carolina at Chapel Hill. The INK4 Family of CDK inhibitors (p16 INK4a, p15 INK4b,

Kinázy závislé na cyklinech kontrolují buněčný cyklus

Dr. B. Duronio, The University of North Carolina at Chapel Hill

Page 6: Buněčnýcyklus -principyregulace buněčného růstu ... · Dr. B. Duronio, The University of North Carolina at Chapel Hill. The INK4 Family of CDK inhibitors (p16 INK4a, p15 INK4b,

Kontrola vstupu do mitózy

- výsledek využití různých buněčných modelů

Page 7: Buněčnýcyklus -principyregulace buněčného růstu ... · Dr. B. Duronio, The University of North Carolina at Chapel Hill. The INK4 Family of CDK inhibitors (p16 INK4a, p15 INK4b,

Experimental Systems Important for Cell Cycle Studies

Arbacia punctulata

Xenopus laevisSchizosaccharomyces pombe

Saccharomyces cerevisiae

Dr. B. Duronio, The University of North Carolina at Chapel Hill

Page 8: Buněčnýcyklus -principyregulace buněčného růstu ... · Dr. B. Duronio, The University of North Carolina at Chapel Hill. The INK4 Family of CDK inhibitors (p16 INK4a, p15 INK4b,

Cyclin was Discovered in Sea Urchin Embryos

Protein

Level

Time

cyclin A cyclin B

M M M

can stimulate to

lay lots of eggs

Dr. B. Duronio, The University of North Carolina at Chapel Hill

Page 9: Buněčnýcyklus -principyregulace buněčného růstu ... · Dr. B. Duronio, The University of North Carolina at Chapel Hill. The INK4 Family of CDK inhibitors (p16 INK4a, p15 INK4b,

Frog life cycle

1 mm

spermtadpole feeds, grows

and becomes an adult frog

OOCYTE GROWS WITHOUT DIVIDING

(MONTHS) FERTILIZATION

FERTILIZED EGG DIVIDES WITHOUT GROWING

(HOURS)

Page 10: Buněčnýcyklus -principyregulace buněčného růstu ... · Dr. B. Duronio, The University of North Carolina at Chapel Hill. The INK4 Family of CDK inhibitors (p16 INK4a, p15 INK4b,

The Maturation of Frog Eggs

An Assay for Maturation Promoting Factor (MPF)

Yoshio Masui, 1971

Page 11: Buněčnýcyklus -principyregulace buněčného růstu ... · Dr. B. Duronio, The University of North Carolina at Chapel Hill. The INK4 Family of CDK inhibitors (p16 INK4a, p15 INK4b,

MPF Activity Peaks Before Each Cell Division

Moreover, MPF has kinase activity

Page 12: Buněčnýcyklus -principyregulace buněčného růstu ... · Dr. B. Duronio, The University of North Carolina at Chapel Hill. The INK4 Family of CDK inhibitors (p16 INK4a, p15 INK4b,

Dr. B. Duronio, The University of North Carolina at Chapel Hill

Page 13: Buněčnýcyklus -principyregulace buněčného růstu ... · Dr. B. Duronio, The University of North Carolina at Chapel Hill. The INK4 Family of CDK inhibitors (p16 INK4a, p15 INK4b,

Purification of MPF: The Birth

of Cyclin Dependent Kinases

This is cdc2+!!

(Cdc28 in

S. cerevisiae)

This is cyclin!!

Which = cdc13+

in S. pombe

Dr. B. Duronio, The University of North Carolina at Chapel Hill

Page 14: Buněčnýcyklus -principyregulace buněčného růstu ... · Dr. B. Duronio, The University of North Carolina at Chapel Hill. The INK4 Family of CDK inhibitors (p16 INK4a, p15 INK4b,

Fission yeast: Schizosaccharomyces pombe

Dr. B. Duronio, The University of North Carolina at Chapel Hill

Page 15: Buněčnýcyklus -principyregulace buněčného růstu ... · Dr. B. Duronio, The University of North Carolina at Chapel Hill. The INK4 Family of CDK inhibitors (p16 INK4a, p15 INK4b,

Budding Yeast Saccharomyces cerevisiae

Dr. B. Duronio, The University of North Carolina at Chapel Hill

Page 16: Buněčnýcyklus -principyregulace buněčného růstu ... · Dr. B. Duronio, The University of North Carolina at Chapel Hill. The INK4 Family of CDK inhibitors (p16 INK4a, p15 INK4b,

Permissive (low) temperature Restrictive (high) temperature

CdcMutants Arrest at the Same Cell Cycle Phase

Dr. B. Duronio, The University of North Carolina at Chapel Hill

Page 17: Buněčnýcyklus -principyregulace buněčného růstu ... · Dr. B. Duronio, The University of North Carolina at Chapel Hill. The INK4 Family of CDK inhibitors (p16 INK4a, p15 INK4b,

Cdc Genes Encode Proteins Needed for the G2-M Transition:

Studies in S. pombe

cdc2+ encodes a kinase

Moreover = cdc28 in S. cerevisiae!

Dr. B. Duronio, The University of North Carolina at Chapel Hill

Page 18: Buněčnýcyklus -principyregulace buněčného růstu ... · Dr. B. Duronio, The University of North Carolina at Chapel Hill. The INK4 Family of CDK inhibitors (p16 INK4a, p15 INK4b,

Phosphorylation of CDK Targets Changes Their Activity

Now performs

a cell cycle function

Dr. B. Duronio, The University of North Carolina at Chapel Hill

Page 19: Buněčnýcyklus -principyregulace buněčného růstu ... · Dr. B. Duronio, The University of North Carolina at Chapel Hill. The INK4 Family of CDK inhibitors (p16 INK4a, p15 INK4b,

Jak jsou CDK regulovány?

1. prostřednictvím syntézy a odbourávání cyklinů

2. fosforylací

3. pomocí CDK inhibitory proteins (CKIs)

Page 20: Buněčnýcyklus -principyregulace buněčného růstu ... · Dr. B. Duronio, The University of North Carolina at Chapel Hill. The INK4 Family of CDK inhibitors (p16 INK4a, p15 INK4b,
Page 21: Buněčnýcyklus -principyregulace buněčného růstu ... · Dr. B. Duronio, The University of North Carolina at Chapel Hill. The INK4 Family of CDK inhibitors (p16 INK4a, p15 INK4b,

Cyclin Destruction is Controlled by Ubiquitination

Dr. B. Duronio, The University of North Carolina at Chapel Hill

Page 22: Buněčnýcyklus -principyregulace buněčného růstu ... · Dr. B. Duronio, The University of North Carolina at Chapel Hill. The INK4 Family of CDK inhibitors (p16 INK4a, p15 INK4b,

Představují cykliny jediný způsob regulace CDK?

Page 23: Buněčnýcyklus -principyregulace buněčného růstu ... · Dr. B. Duronio, The University of North Carolina at Chapel Hill. The INK4 Family of CDK inhibitors (p16 INK4a, p15 INK4b,

Exprese cyklinů v jednotlivých fázích BC

Dr. B. Duronio, The University of North Carolina at Chapel Hill

Page 24: Buněčnýcyklus -principyregulace buněčného růstu ... · Dr. B. Duronio, The University of North Carolina at Chapel Hill. The INK4 Family of CDK inhibitors (p16 INK4a, p15 INK4b,

CDK jsou regulovány fosforylací

Page 25: Buněčnýcyklus -principyregulace buněčného růstu ... · Dr. B. Duronio, The University of North Carolina at Chapel Hill. The INK4 Family of CDK inhibitors (p16 INK4a, p15 INK4b,

Conformational Changes Associated

with CDK Phosphorylation

The T-loop blocks

substrate access

Free CDK CDK + Cyclin T161 phosphorylation

Binding of cyclin

moves the T-loop

Phosporylation moves

the T-loop more

Page 26: Buněčnýcyklus -principyregulace buněčného růstu ... · Dr. B. Duronio, The University of North Carolina at Chapel Hill. The INK4 Family of CDK inhibitors (p16 INK4a, p15 INK4b,

Cyclin Dependent Kinase Inhibitors (CKIs)

Page 27: Buněčnýcyklus -principyregulace buněčného růstu ... · Dr. B. Duronio, The University of North Carolina at Chapel Hill. The INK4 Family of CDK inhibitors (p16 INK4a, p15 INK4b,

The p21 Family of CDK inhibitors

(p21CIP1/WAF1, p27KIP1, p57KIP2)

CDK

Cyclin

active

p21+

inactive

CDK

Cyclinp21

p27Ki

p1

Cyclin

A

CDK

2

Russo et al. (1996) Nature 382:325

Cyclin

ACDK

2Jeffrey et al. (1995) Nature 376:313

Dr. B. Duronio, The University of North Carolina at Chapel Hill

Page 28: Buněčnýcyklus -principyregulace buněčného růstu ... · Dr. B. Duronio, The University of North Carolina at Chapel Hill. The INK4 Family of CDK inhibitors (p16 INK4a, p15 INK4b,

The INK4 Family of CDK inhibitors

(p16INK4a, p15INK4b, p18INK4c, p19INK4d)

INK4+CDK4/6

Cyclin D

active

CDK4/6 Cyclin DINK4 +

inactive

Russo et al. (1998) Nature 395:237

Brotherton et al. (1998) Nature 395:244

Dr. B. Duronio, The University of North Carolina at Chapel Hill

Page 29: Buněčnýcyklus -principyregulace buněčného růstu ... · Dr. B. Duronio, The University of North Carolina at Chapel Hill. The INK4 Family of CDK inhibitors (p16 INK4a, p15 INK4b,

CKIs Regulate the G1-S Transition

(p16)

(p21, p27)

Dr. B. Duronio, The University of North Carolina at Chapel Hill

Page 30: Buněčnýcyklus -principyregulace buněčného růstu ... · Dr. B. Duronio, The University of North Carolina at Chapel Hill. The INK4 Family of CDK inhibitors (p16 INK4a, p15 INK4b,

Nature Reviews Cancer 2001, 1:222

Page 31: Buněčnýcyklus -principyregulace buněčného růstu ... · Dr. B. Duronio, The University of North Carolina at Chapel Hill. The INK4 Family of CDK inhibitors (p16 INK4a, p15 INK4b,

Dr. B. Duronio, The University of North Carolina at Chapel Hill

Page 32: Buněčnýcyklus -principyregulace buněčného růstu ... · Dr. B. Duronio, The University of North Carolina at Chapel Hill. The INK4 Family of CDK inhibitors (p16 INK4a, p15 INK4b,

pRB Binds to the E2F Transcription Factor

Dr. B. Duronio, The University of North Carolina at Chapel Hill

Page 33: Buněčnýcyklus -principyregulace buněčného růstu ... · Dr. B. Duronio, The University of North Carolina at Chapel Hill. The INK4 Family of CDK inhibitors (p16 INK4a, p15 INK4b,

G1 Cyclin CDKs Phosphorylate pRB

Dr. B. Duronio, The University of North Carolina at Chapel Hill

Page 34: Buněčnýcyklus -principyregulace buněčného růstu ... · Dr. B. Duronio, The University of North Carolina at Chapel Hill. The INK4 Family of CDK inhibitors (p16 INK4a, p15 INK4b,

Proliferation Signals

p16 Regulates

pRB Phosphorylation

Dr. B. Duronio, The University of North Carolina at Chapel Hill

Page 35: Buněčnýcyklus -principyregulace buněčného růstu ... · Dr. B. Duronio, The University of North Carolina at Chapel Hill. The INK4 Family of CDK inhibitors (p16 INK4a, p15 INK4b,

Nature Reviews Cancer 2001, 1:222

Page 36: Buněčnýcyklus -principyregulace buněčného růstu ... · Dr. B. Duronio, The University of North Carolina at Chapel Hill. The INK4 Family of CDK inhibitors (p16 INK4a, p15 INK4b,

Kontrola buněčného cyklu úzce souvisí s:

�kontrolou buněčného růstu;

�přítomností růstových faktorů a dalších

růstových stimulů a živin;

�působením ostatních buněk populace

a mezibuněčné hmoty.

Page 37: Buněčnýcyklus -principyregulace buněčného růstu ... · Dr. B. Duronio, The University of North Carolina at Chapel Hill. The INK4 Family of CDK inhibitors (p16 INK4a, p15 INK4b,

The Difference Between Growth and Cell Division

Cell Division

No Growth

Cell Division + Growth =

Proliferation!

Growth with

No Cell Division

Page 38: Buněčnýcyklus -principyregulace buněčného růstu ... · Dr. B. Duronio, The University of North Carolina at Chapel Hill. The INK4 Family of CDK inhibitors (p16 INK4a, p15 INK4b,

Growth with

No Cell Division:

A Differentiated Neuron

Dr. B. Duronio, The University of North Carolina at Chapel Hill

Page 39: Buněčnýcyklus -principyregulace buněčného růstu ... · Dr. B. Duronio, The University of North Carolina at Chapel Hill. The INK4 Family of CDK inhibitors (p16 INK4a, p15 INK4b,

Cell Division with No Growth:

Early Development

1 mm

sperm

Dr. B. Duronio, The University of North Carolina at Chapel Hill

Page 40: Buněčnýcyklus -principyregulace buněčného růstu ... · Dr. B. Duronio, The University of North Carolina at Chapel Hill. The INK4 Family of CDK inhibitors (p16 INK4a, p15 INK4b,

Nature Reviews Cancer 2001, 1:222

Page 41: Buněčnýcyklus -principyregulace buněčného růstu ... · Dr. B. Duronio, The University of North Carolina at Chapel Hill. The INK4 Family of CDK inhibitors (p16 INK4a, p15 INK4b,

Growth Factors act

at the Restriction Point

Growth Factors Induce Cell Cycle Progression

Dr. B. Duronio, The University of North Carolina at Chapel Hill

Page 42: Buněčnýcyklus -principyregulace buněčného růstu ... · Dr. B. Duronio, The University of North Carolina at Chapel Hill. The INK4 Family of CDK inhibitors (p16 INK4a, p15 INK4b,

Nature Reviews Cancer 2001, 1:222

Page 43: Buněčnýcyklus -principyregulace buněčného růstu ... · Dr. B. Duronio, The University of North Carolina at Chapel Hill. The INK4 Family of CDK inhibitors (p16 INK4a, p15 INK4b,

Zetterberg and Larsson, PNAS 82:5365 (1985)

pm = post mitotic

ps = pre-synthetic

Dr. B. Duronio, The University of North Carolina at Chapel Hill

Page 44: Buněčnýcyklus -principyregulace buněčného růstu ... · Dr. B. Duronio, The University of North Carolina at Chapel Hill. The INK4 Family of CDK inhibitors (p16 INK4a, p15 INK4b,

Growth Factors Induce Gene Expression

Dr. B. Duronio, The University of North Carolina at Chapel Hill

Page 45: Buněčnýcyklus -principyregulace buněčného růstu ... · Dr. B. Duronio, The University of North Carolina at Chapel Hill. The INK4 Family of CDK inhibitors (p16 INK4a, p15 INK4b,

Growth Factors Induce Cyclin D1 Expression

Sherr and McCormick, Cancer Cell, Vol 2, 103-112 (2002)

Page 46: Buněčnýcyklus -principyregulace buněčného růstu ... · Dr. B. Duronio, The University of North Carolina at Chapel Hill. The INK4 Family of CDK inhibitors (p16 INK4a, p15 INK4b,

Mitogen Induced Cell Cycle Progression

in Cell Culture

Dr. B. Duronio, The University of North Carolina at Chapel Hill

Page 47: Buněčnýcyklus -principyregulace buněčného růstu ... · Dr. B. Duronio, The University of North Carolina at Chapel Hill. The INK4 Family of CDK inhibitors (p16 INK4a, p15 INK4b,
Page 48: Buněčnýcyklus -principyregulace buněčného růstu ... · Dr. B. Duronio, The University of North Carolina at Chapel Hill. The INK4 Family of CDK inhibitors (p16 INK4a, p15 INK4b,

Cell Cycle Checkpoints

Page 49: Buněčnýcyklus -principyregulace buněčného růstu ... · Dr. B. Duronio, The University of North Carolina at Chapel Hill. The INK4 Family of CDK inhibitors (p16 INK4a, p15 INK4b,

Weinert and Hartwell, Science 246:629 (1989)

Cell Cycle Checkpoints Improve Cell Viability

Page 50: Buněčnýcyklus -principyregulace buněčného růstu ... · Dr. B. Duronio, The University of North Carolina at Chapel Hill. The INK4 Family of CDK inhibitors (p16 INK4a, p15 INK4b,

How do Cell Cycle Checkpoints Work?

Zhou and Elledge Nature 408, 433 - 439 (2000)

Page 51: Buněčnýcyklus -principyregulace buněčného růstu ... · Dr. B. Duronio, The University of North Carolina at Chapel Hill. The INK4 Family of CDK inhibitors (p16 INK4a, p15 INK4b,

Zhou and Elledge Nature 408, 433 - 439 (2000)

Page 52: Buněčnýcyklus -principyregulace buněčného růstu ... · Dr. B. Duronio, The University of North Carolina at Chapel Hill. The INK4 Family of CDK inhibitors (p16 INK4a, p15 INK4b,

Signal

Sensor

Transducer

Effector

Dr. B. Duronio, The University of North Carolina at Chapel Hill

Page 53: Buněčnýcyklus -principyregulace buněčného růstu ... · Dr. B. Duronio, The University of North Carolina at Chapel Hill. The INK4 Family of CDK inhibitors (p16 INK4a, p15 INK4b,

Dr. B. Duronio, The University of North Carolina at Chapel Hill

Page 54: Buněčnýcyklus -principyregulace buněčného růstu ... · Dr. B. Duronio, The University of North Carolina at Chapel Hill. The INK4 Family of CDK inhibitors (p16 INK4a, p15 INK4b,

Metaphase in a mammalian cell

Page 55: Buněčnýcyklus -principyregulace buněčného růstu ... · Dr. B. Duronio, The University of North Carolina at Chapel Hill. The INK4 Family of CDK inhibitors (p16 INK4a, p15 INK4b,

The Metaphase to Anaphase Transition

Page 56: Buněčnýcyklus -principyregulace buněčného růstu ... · Dr. B. Duronio, The University of North Carolina at Chapel Hill. The INK4 Family of CDK inhibitors (p16 INK4a, p15 INK4b,

The Spindle Assembly Checkpoint

Page 57: Buněčnýcyklus -principyregulace buněčného růstu ... · Dr. B. Duronio, The University of North Carolina at Chapel Hill. The INK4 Family of CDK inhibitors (p16 INK4a, p15 INK4b,

poškození DNA

poruchy buň. cyklu

poruchy buň. dělení

nedostatek živin a růstových faktorů

kontaktní inhibice

vliv ECM

zástava buň.cyklu

(restriction point,

checkpoints)

setrvání v G0 fázi

apoptóza

dostatek živin a růstových faktorů

mitogeny

proliferace