A sejtfal szerepe a sejt védelmében
18. fejezet - A sejtciklus és a sejtosztódás
A sejtciklus
A ma ismert életformák legkisebb önálló működési és szerveződési egysége a sejt. Az egysejtűeknél és a soksejtűekben egyaránt érvényes, hogy új sejt(ek) csak korábban létező sejtből jöhet(nek) létre, a sejt osztódása során. Az egysejtűek esetében a sejt osztódása új egyedek létrejöttét eredményezi. A soksejtű szervezetekben az egyedfejlődésük során a megfelelő sejtszám, a szövetek és szervek a megtermékenyített petesejt (zigóta) és utódsejtjei meghatározott számú osztódásával alkulnak ki. A sejtek reprodukciója általában a sejt tömegének, anyagainak megkettőződésével, két genetikailag azonos utódsejt kialakulásával járó, szigorú rendben lezajló események során valósul meg. A sejt anyagainak megkettőződését, majd osztódás következtében két új sejt létrejöttét eredményező folyamat asejtciklus. Hagyományos definició szerint a sejtciklus a mitózis kezdetétől a következő mitózisig tart.
A sejtciklust, annak meghatározó történései alapján, fázisokra osztjuk. A hagyományos fénymikroszkópos vizsgálatokkal a ciklust két szakaszra lehet osztani, a mag és a sejt ketté osztódására, valamint az osztódások között eltelt időszakra. A sejtmag osztódása (mitózis) és a sejt egészének (citoplazmájának) osztódása (citokinézis) együttesen alkotják azM fázist. (Gyakran nevezik ezt a két folyamatot együttesen mitózisnak.) Két egymást követő M fázist elválasztó szakasz azinterfázis. Korszerű vizsgáló módszerekkel azonosítható, hogy az interfázis is jól elkülöníthető szakaszokból áll: a tipikus sejtciklusbanG1, SésG2fázisokratagolható.
Az M fázisban megtörténik a kromoszómák szétválása és a sejt kettéosztódása. Interfázisban a sejt növekszik, tömege megkettőződik, majd a mitózisban feleződik. A fehérjék, ribonukleinsavak szintézise, a sejtorganellumok számának növeledése az interfázisban folyamatos, de megkettőződésük, majd feleződésük a mitózis során nem szigorúan pontos, ezért a két utódsejt tömege eltérő. E különbségek általában már az új ciklus elején kiegyenlítődnek:
az osztódásból kisebb tömeggel kilépő sejtek hosszabb időt töltenek a G1fázisban, mint a nagyobbak, ezalatt tömeghiányukat pótolják. A DNS szintézise az interfázis során nem folyamatos, kizárólag az S fázisban zajlik. A duplikáció pontos, minden DNS-molekuláról egy másolat készül, továbbá a feleződés a mitózis során szigorúan egyenlő, mindkét utódsejt pontosan egyforma kromoszómakészletet örököl. Hasonlóan szigorú szabályozás figyelhető meg a centriólumok számában és szétosztásában. Ezek száma az interfázisban, általában az S fázis során, duplázódik, majd osztódáskor fele-fele arányban kerülnek a két utódsejtbe.
A sejtciklus általánosított sémája.
A G1fázisban minden kromoszóma egy DNS-molekulából áll (2C; egy kromatidás állapot), az S fázisból kilépő sejtek kromoszómái már 2-2 DNS-molekulát tartalmaznak (4C; két kromatidás állapot).
Az egyes fázisok hossza a sejttípustól és a külső körülményektől (pl. oxigén- és tápanyagellátottság) függ. Az élesztősejtek kedvező körülmények között 1,5–2 óránként osztódnak. Emlőssejtek ciklusideje szövettenyészetben,
optimális körülmények között kb. 20–24 óra. Az M fázis kb. 1 óra, az S fázis kb. 8 óra, a G2kb. 4 óra. A G1fázis a leghosszabb és általában a legváltozóbb is.
A sejtciklus történései szigorúan meghatározott rendben követik egymást. Ellenőrző pontok – molekuláris mechanizmusok – működnek a ciklus meghatározott pontjain, melyek a továbblépést csak akkor engedik, ha a fázisra jellemző részfolyamatokat a sejt végrehajtotta. és nem mutatkozik károsodás a genetikai örökítő készletben.
A három fő ellenőrző pont: a G1/S fázis határán, a G2 fázis végén és az M fázisban működik.v
A sejt akkor tud a G1-ből az S fázisba lépni, ha a G1fázis során ún.növekedési faktorokhoz(általánosabban ún.
mitogénekhez) jutott és tömege megfelelő méretűre növekedett, DNS-állománya ép, a replikációhoz szükséges apparátus és anyagok (pl. polimerázok, nukleotidok stb.) rendelkezésre állnak. Mindezek ellenőrzésére a G1fázis végén kerül sor (G1ellenőrzési pont). Jellemző, ha ezen a ponton túllendül a sejt, akkor normális esetben végig is halad a cikluson. (Ezér is nevezik a G1ellenőrzési pontot start pontnak vagy restrikciós pontnak.) A G2ellenőrzési pont nem engedi mitózisba lépni a sejtet akkor, ha DNS-molekulái károsodottak vagy hiányosan replikálódtak az S fázis során. Az M ellenőrzési pontok a mitózis metafázisában működnek: például a sejt addig nem lép át az anafázisba, amíg az összes kromoszóma rá nem kötődik a szegregációt biztosító magorsóra (mitotikus készülékre) és el nem helyezkedik az ekvatoriális síkban.
A sejtciklus folyamatainak összehangolását molekuláris mechanizmusok biztosítják. Létezésükre a sejthibridizációs és magátültetési kísérletek szolgáltattak bizonyítékot. A fázisok közötti átmenetet kinázokból és szabályozófehérjékből álló komplexek működése irányítja. Alapvető elemei aciklinfüggő protein kinázok(cyclin dependens kinase – Cdk), valamint a ciklinek. A sejtben többféle Cdk és ciklin is működik (mai ismereteink szerint több mint tíz Cdk és több mint 30 ciklin), specifikus kombinációik más és más fázisátmeneteket szabályoznak.
A G1eseményeit a Cdk4/ciklin-D (vagy a Cdk6/ciklin-D) komplex, a G1/S átmenetet a Cdk2/ciklin-E komplex aktivitása szabályozza. A Cdk2/ciklin-A komplex az S fázisban aktív, a Cdk1/ciklin-A az S-G2 átmenetet és a G2 fázis történéseit irányítja. A Cdk1/ciklin-B komplex a G2-ből a mitózisba lendíti a sejtet.
A kapcsolóként funkcionáló, periodikusan változó ciklin/kináz rendszer működését számos belső és külső tényező modulálja. A Cdk-k aktivitását a ciklinek mellett még többféle inhibitor fehérje is befolyásolja, és a Cdk-k maguk is más kinázok és foszfatázok szubsztrátjai: aktivitásuk függ foszforiláltságuk szintjétől is. A Cdk molekulák (apoenzimek) aktivitásukat csak a ciklinekkel (koenzimek) képzett komplexben (holoenzim) képesek kifejteni. A Cdk a komplex kialakulásakor foszforilálódik, egy aktiváló (Cdk aktiváló kinázok hatására) és két gátló (Cdk gátló kinázok hatására) foszforilációs helyen. A komplex létrejötték követően a gátló foszforilációs helyekről foszfatáz enzimek távolítják el a foszfát csoportokat, így az enzimkomplex aktiválódik. A Cdk molekulák koncentrációja többé-kevésbé állandó a ciklus során. A ciklus egyes szakaszaira jellemző ciklinek koncentrációja ciklusról ciklusra periodikusan változik: újonnan szintetizálódnak, majd ubikvitinálódnak és a proteaszóma rendszerben degradálódnak.
A sejtciklus szabályozása.
Megfelelő tápanyag-ellátottság mellett és az ún. növekedési faktorok hatására a G1fázisban aktiválódik a sejtekben a receptor tirozin-kináz/Ras/MAP kináz jelátviteli út. (Ma már több mint 50 növekedési faktor ismert. Parakrin módon ható, a célsejt plazmamembránjában találhatók receptorokhoz igen nagy affinitással kötődő jelmolekulák.) A jelátviteli útvonalon aktiválódnak és felszaporodnak azon transzkripciós faktorok, melyek a sejtciklus elindításához szükséges gének expresszióját irányítják. A ciklin-D gén fokozódó aktivitása következtében megnő a ciklin-D koncentrációja a sejtben és aktiválódik a Cdk4/ciklin-D komplex. E komplex egyik szubsztrátja azRb-fehérje(a retinoblasztoma-gén terméke, a gén deléciója retinoblasztomát, egy daganatos elváltozást okozhat). Az Rb számos foszforilációs hellyel rendelkezik, és defoszforilált állapotban az E2F transzkripciós faktort tartja kötött állapotban.
A Cdk4 fokozatosan foszforilálja az Rb fehérjét, mely hiperfoszforilált állapotba kerül. Ekkor az E2F faktor felszabadul, és a magban megindítja a G1/S átmenethez és a DNS replikációjához szükséges gének – többek között a ciklin-E génjének – átírását: a sejt átlép a G1-ből az S fázisba. Növekedési faktorok hiányában ez a szabályozás nem működik, a növekedés és a lelassul vagy leáll, a ciklin-D koncentráció csökken, a G1fázis elhúzódik, sőt a sejt kiléphet a ciklusból és G0fázisba kerülhet.
Megakad a sejt a G1/S határon akkor is, ha DNS-állományát károsodás (pl. száltörés) érte. A DNS megfelelő szerkezetét, épségét a p53 fehérje ellenőrzi. A p53 folyamatosan termelődik, normális körülmények között gyorsan degradálódik is, koncentrációja ezért alacsony. Hibás DNS szakaszon tetramerizálódik és stabilizálódik, koncentrációja hirtelen emelkedik. A p53 egyben transzkripciós faktor, például ap21 kinázgátló fehérjeszintézisét indítja be. A p21 a Cdk4/ciklin-D komplexhez kötődve azt inaktív állapotban tartja, a sejt nem lép az S fázisba, ez lehetőséget biztosít a DNS hiba kijavítására. Ha a DNS kijavítása sikertelen, a p53 apoptotikus fehérjék képződését is képes stimulálni, melyek sejtpusztulást (apotózist) okoznak. Ezért a p53 a genom integritásának egyik fontos
“őre”, megakadályozza, hogy a sejt károsodott, hibás DNS-molekuláit replikálja és utódaiba örökítse.
A valóságban még számos más tényező befolyásolja a G1/S fázisátmenetet, de a szabályozás lényegét a fenti két mechanizmus is jól megvilágítja: a külső és belső hatások úgy szabályozzák a fázisátmeneteket, hogy különböző áttételeken keresztül gátló vagy aktiváló jeleket generálnak, melyek célpontja valamelyik Cdk. Ez integrálja a pozitív és negatív jeleket, és attól függően, hogy melyik van túlsúlyban, engedi tovább vagy állítja meg a sejtet a ciklus valamelyik fázisában.
Az S fázisban a sejt egyszer és csakis egy másolatot készít DNS-molekuláiról. A szabályozómechanizmus, mely minden DNS-ről csak egy kópia készítését engedélyezi, egy fehérjekomplex, ajogosítófaktor(licensing factor) működésén alapul. Ez a komplex a mitózis végén a DNS-molekulák azon szakaszaira kötődik, ahol majd a következő S fázisban megindul a replikáció. A másolást végző DNS-polimeráz csak a jogosítófaktor által kijelölt helyekről tudja megindítani a replikációt, de ehhez a G1/S fázis határán aktiválódó Cdk-k (pl. Cdk2-ciklinE) közreműködése is szükséges. Hatásukra a jogosító faktor egyes fehérjéi foszforilálódnak, majd leválnak a DNS-ről, utat nyitva a DNS-polimeráznak, mely viszont a jogosító faktor hiányában ismételten már nem tud a replikációs eredő pontokhoz kötődni, tehát nem indulhat meg ugyanazon szakasz ismételt lemásolása.
A G2/M átmenetet kiváltó MPF nevű faktor (maturation promoting factor, érést/mitózist elősegítő faktor) a Cdk1/ciklin-B komplex, mely számos fehérjét, így a hisztonokat, a magváz, a magvacska, a magorsó fehérjéit képes foszforilálni. A ciklin-B az interfázis elején hiányzik a sejtből, majd fokozatosan felhalmozódik és a G2/M fázis határán eléri azt a kritikus koncentrációt, mely a Cdk1 aktiválásához szükséges. Ekkor a kináz működni kezd, foszforilálja az M fázis végrehajtásához szükséges fehérjéket, de emellett aktivál egy proteolitikus enzimrendszert is (az APC-t), mely a ciklin-B-t a metafázisban perceken belül elbontja. Ezzel a kináz kikapcsolódik, és újra csak akkor kezd működni, ha a fehérjeszintézis elegendő új ciklin-B-t produkál. A ciklin-B/Cdk1 kináz komplex, tehát egy viszonylag egyszerű önszabályozó rendszer, melyben az egyik komponens (a ciklin) periodikus mennyiségi változásai szabályozzák a másik komponens (a kináz) aktivitását, ami viszont visszahat a szabályozó komponensre.
A sejtciklus tipikus, az eukariótákban általánosan érvényesülő formája négy fázisból áll, ám számos változata is létezik. Azembrionális sejtciklusigen rövid ideig tart (8–10 perc), csak az M és S fázisok különíthetők el, a G1 és G2fázisok kimaradnak vagy nagyon rövidek. (A „G” név az angol gap = rés szóból származik, jelezve, hogy az M és S fázisokat időbeli „rés” választja el egymástól.) A G fázisokra jellemző ellenőrzési pontok nem működnek, egyedüli molekuláris szabályzómechanizmusát az M-Cdk (Cdk1-ciklinB) komplex biztosítja. Amikor a ciklinB kapcsolódik a Cdk1-hez, kialakul az aktív kináz komplex, a sejt belép az M fázisba. Az osztódást követően a ciklinB elbomlik, és a sejt az S fázisba lép. Itt a DNS duplikálódik, a ciklinB újra szintetizálódik. A DNS replikáció rövidebb ideig tart, mint a ciklinB szintézise, így a DNS megkettőződése rendben befejeződhet, mielőtt a sejt a következő M fázisba lépne. A sejtszám minden ciklusban duplázódik, míg a sejtek tömege nagyjából feleződik.
Ez azért lehetséges, mert a petesejt általában igen nagy, tömege az átlagértéket sokszorosan meghaladja a A sejtciklus és a sejtosztódás
felhalmozott tartalék anyagok miatt. A gyors, rövid ciklusok addig zajlanak, amíg a sejtek mérete az átlagos szintre nem csökken, ekkor beiktatódnak a mérettartást biztosító G1és G2fázisok.
Ha az M fázis végén elmarad a citokinezis, két- és többmagvú sejtek alakulhatnak ki (a májban pl. gyakoriak a kétmagvú sejtek). A meiózisban az első osztódást követően kimarad az S fázis, ezért a második meiotikus osztódás haploid sejteket eredményez. Bizonyos rovarlárvák egyes sejtjeiben éppen ellenkezőleg, a sejtek ismételt S fázisokon mennek keresztül, melyeket nem követ mitózis, és a replikálódott DNS-szálak együtt maradnak,óriás-(ún.politén –sokfonalas)kromoszómákjönnek létre.
A soksejtűek szervezetében gyakran előfordul, hogy egyes sejtek hosszabb-rövidebb időremegállnaka ciklus valamelyik fázisában. Az oocitákra pl. jellemző, hogy a meiotikus osztódás hosszú időre (akár évekig is) felfüggesztődik az profázis I-ben. A növekedés ilyenkor sem szünetel, hiszen a fejlődő petesejtben folytatódik a szikanyagok felhalmozása. A petesejtek hormonális (gerincesekben progeszteron-) hatásra fejezik be az osztódást, de a meiózis II. metafázisában általában újra megállnak és a ciklus csak a megtermékenyítés után lesz teljes.
A sejtek külső vagy belső hatásra (vagy inkább annak hiányában) kiléphetnek a sejtciklusból,G0fázisbakerülnek.
Külső hatás lehet pl. a növekedési faktor, vagy a táplálék megvonása stb. A ciklusból való kilépés ebben az esetben ideiglenes, a külső hatás megszüntét követően a sejt visszaléphet a G1fázisba. Ám ha a sejtek túl hosszú időt töltenek G0fázisban, elveszthetik képességüket a ciklusba történő visszatérésre. Ennek oka lehet a DNS kovalens módosulása pl. metilálás következtében. Ez utóbbi az osztódóképesség teljes elvesztését jelenti, mivel az ilyen sejt nem késztethető DNS-szintézisre.
A kifejlett soksejtű szervezetek fő tömegét valamilyen funkcióra specializálódott,differenciált sejtekalkotják, melyek az egyedfejlődés korai szakaszaiban már megjelennek. Jellemző rájuk, hogy az utolsó sejtciklus G1fázisából G0fázisbalépnek. Az utolsó néhány ciklus során olyan gének aktiválódnak e sejtekben, amelyek előkészítik a ciklusból való program szerinti kilépést, majd a differenciálódást. A ciklizáló sejtek szintetikus kapacitásukat saját anyagaik folyamatos megkettőzésére fordítják, a G0 állapotú differenciálódó/differenciált sejtek elsősorban a funkcióik ellátásához szükséges anyagokat állítanak elő (pl. az izomsejtek nagy mennyiségű aktint és miozint, a mirigysejtek váladékot stb.). A ciklusból való kilépés lehet ideiglenes vagy végleges. A ciklusból véglegesen kilépő sejtek tipikus példái a neuronok és a szívizomsejtek. Osztódóképesség hiányában populációik jellemzően regenerációra képtelenek, a sejtszám stabilizálódik, majd az életkor előrehaladtával a sejtpusztulás miatt fokozatosan csökken. A differenciált sejtek egyes csoportjai a ciklusból csak ideiglenesen lépnek ki. Megfelelő inger hatására a G0állapotból újra visszatérnek a G1fázisba, majd szabályosan áthaladva az S és G2fázisokon, osztódnak. Az ilyen típusú sejtek az elvesztett sejtek pótlására (a szövetek, szervek regenerációjára) képesek (pl. májsejtek).
Számos gyorsan kicserélődő, megújuló szövetben együtt fordulnak elő ciklizáló nem véglegesen differenciált ún.
törzssejtek(stem cells, őssejtek) és az osztódóképességüket elvesztett differenciált sejtek, melyek folyamatosan pusztulnak. Ilyen pl. a bőr hámrétege, melynek felületéről a differenciálódott és elhalt sejtek lekopnak, vagy a bél felszívóhámja, melynek hámsejtjei a bélbolyhok csúcsairól lelökődnek. Az ilyen rendszerekben a törzssejt osztódásából származó két utódsejt egyike megőrzi ciklizálóképességét (törzssejt marad), míg a másik utódsejt G0 fázisba kerül, differenciálódik, ellátja feladatát, majd elpusztul.
A sejtciklusból való kilépés vagy visszatérés szabályozásának tanulmányozására szövettenyészeteken nyílik lehetőség. A ciklizálásra csaknövekedési faktorokjelenlétében képesek a sejtek (régrbbi kifejezéssel a sejtciklus szérumfüggő), e faktorok hatása a G1fázisban érvényesül. Szükséges a ciklizáláshoz, hogy a sejtekki tudjanak tapadnivalamilyen hordozófelületre. A sejt-sejt kapcsolatok kialakulása (a sejtek közvetlen fizikai kapcsolatának kialakulása) ugyanakkor a ciklizálást gátló tényező. Asejtek száma(a sejtsűrűség) egy szöveti rendszerben szintén ciklusszabályozó tényező. Ezt utóbbi regenerációs kísérletekben igazolható. Például a máj egy részének eltávolítását követően, a megmaradt csonk sejtjei néhány órán belül visszalépnek a sejtciklusba, majd addig osztódnak, míg a szerv normális mérete helyre nem áll. Ekkor a sejtek többsége G0fázisba lép, a további proliferáció leáll. (A bőr felhámjának sérülését követő sebgyógyulás is hasonló jelenség.)
Egy sejt osztódási potenciálját jól jellemzi, hogy hány cikluson tudnak keresztülmenni élő szervezetben. A lehetséges ciklusszám fajra jellemző, genetikailag szabályozott érték. Humán embrióból származó fibroblasztok tenyészetben kb. 50 sejtciklust képesek végrehajtani, azután G0fázisba, majd szeneszcenciába lépnek, a növekedési faktorokra nem reagálnak (a ciklusba vissza nem léptethetők) és végül elpusztulnak. A jelenség oka a kromoszómák telomerikus szakaszának fokozatos rövidülése. Az S fázisban a DNS-szálak végeinek replikációját, vagyis az eredetivel megegyző hosszúság biztosítását egy speciális enzimkomplex, atelomerázvégzi. A telomeráz szomatikus sejtekben nem, vagy csak igen kis aktivitással működik, ezért az egymást követő ciklusokból a sejt egyre rövidebb kromoszómákkal kerül ki, végül életképtelenné válik. A ciklizálóképesség kimerülését/elvesztését celluláris
öregedésneknevezik. A teljes osztódási potenciált a szervezet valószínűleg nem használja ki (50 ciklus elméletileg 250számú – tonnányi súlyú – sejttömeget eredményezhet).
A sejtciklust szabályozó molekuláris mechanizmusok hibás működése többszörös mutáció következtében, ún.
transzformált sejtek, immortális – állandóan kontrollálatlanul osztódó – sejtvonalak alakulnak ki. Ennek számos oka lehet, pl. tartós telomerázenzim-aktivitás, mely kikapcsolja a ciklusszám-korlátot, vagy az Rb-gén hiánya, ami miatt az E2F típusú transzkripciós faktorok állandóan szabad állapotban vannak, és ez felfüggeszti a G1/S átmenet ellenőrzését. Hasonló hatása van a Cdk inhibitor fehérjék hiányának vagy alulműködésének stb. A sejtosztódást serkentő géneketprotoonkogénekneknevezzük. Ezek túlműködést előidéző mutációjával létrejövő transzformáló gének az onkogének. Utóbbiak termékei nagyobb mennyiségben termelődhetnek, vagy aktivitásuk nagyobb, esetleg szabályozásuk felfüggesztődése miatt állandóan bekapcsolt állapotban vannak. Hatásuk domináns a protoonkogének termékei felett, fokozott sejtosztódás, sejtburjánzás következhet be. Az osztódást gátló gének a tumor szupresszorgének. Normál működésű termékeik hozzájárulnak a sejtciklus szabályozásának egyensúlyához.
E gének deléciós vagy alulműködést okozó mutációja a sejtciklus szabályozásának felborulását eredményezheti.
Mindkét géncsoport mutációja a ciklus szabályozásának zavarához, szélsőséges esetben annak felfüggesztődéséhez, végül tumorok kialakulásához vezethet.