Клеточный цикл. Митоз

1. Клеточный цикл. Митоз.

Владимир Сергеевич Вьюшков

2. Клеточный цикл

Последовательность событий, которые приводят к делению эукариотической
клетки на две дочерние клетки

3. Подсчет клеток на разных стадиях КЦ

Окраска клеток
флуорофором DAPI
Мечение BrdU
Количество клеток
Проточная цитометрия клеток окрашенных флуорофором,
связывающимся с ДНК (DAPI, Hoechst)
Относительное количество ДНК на клетку

4. Подсчет клеток на разных стадиях КЦ

Флуоресцентное мечение белков-регуляторов клеточного цикла
Красный – Cdt1 (G1)
Зеленый – Geminin (S, G2)

5. Клетка регулирует прохождение по клеточному циклу

6. G0: состояние неделящихся клеток

G1/S – контрольная
точка
Если клетка не проходит контрольную точку G1/S, она уходит в фазу G0

7. Нарушение контроля клеточного цикла ведет к опухолям

Деление клеток
Деление клеток
Деление клеток
Развитие опухоли
Метастазирование – миграция опухолевых
клеток по организму

8. Белки циклины – регуляторы клеточного цикла

MBL
Тим Хант, 1983 – открытие циклина
(дробление яйцеклетки морского ежа)

9. Циклин образует комплекс с циклин-зависимой киназой (CDK)

CDK активируется при связывании циклина
CDK2
Циклин
CDK-активирующая киназа (CAK)
Циклин
Т-петля
Активирующий фосфат
Активный центр
Не активна
Частично активна
Полностью активна
Активирующий фосфат
CDK – cyclin-dependent kinase
CycA

10. Киназы осуществляют фосфорилирование

АТФ
Серин
АДФ
Фосфосерин
CDK – серин/треониновые киназы
Фосфорилирование – регуляция
активности белков

11. Циклины и CDK регулируют клеточный цикл

Различные циклины и CDK’s активны на разных стадиях клеточного цикла
Активность CDK необходима для смены фаз клеточного цикла

12. Циклины и Cdk регулируют клеточный цикл

В клетках человека:
Фаза клеточного
цикла
Циклин
CDK
G1
D1, D2, D3
CDK4, CDK6
G1/S
E
CDK2
S
A
CDK2
G2/M
B
CDK1

13. Концентрация циклинов меняется по ходу клеточного цикла

Старт
Концентрация CDK остается (относительно) постоянной

14. Убиквитини(ли)рование циклинов

Циклины разрушаются по пути убиквитин-зависимой
деградации
Протеасома
Продукты
деградации
циклина
Убиквитин
Деградация
Полиубиквитинирование через К48

15. Убиквитини(ли)рование циклинов

Убиквитин присоединяется убиквитин-лигазами
Е1 – убиквитин-активирующий фермент
Е2 – убиквитин – конъюгирующий фермент
Е3 – убиквитин-лигаза
«Черная метка»

16. Протеасома – белковая мясорубка

Белок
ПолиУбиквитинированный
белок

17. Обратимое ингибирование циклинов и CDK

Неактивна
Связывание CDK
Связывание комплекса CDK-циклин

18. Переход G1/S («Старт» клеточного цикла)

После старта клеточный цикл должен закончиться делением.. или гибелью клетки
Белок Rb ингибирует транскрипционные факторы E2F

19. Переход G1/S («Старт» клеточного цикла)

P16, p21
(ингибиторы CDK)
Циклин Е, D, A, ДНК-полимеразы,
гистоны, PCNA, RPA, MCM2-7

20. р53 – регулятор клеточного цикла

Апоптоз
Остановка
клеточного цикла

21. p53: на страже генома

p53 – это онкосупрессор.
В 50% опухолей ген p53 содержит мутации

22. Переход к митозу

Киназа WEE ингибирует CDK1, а фосфатаза CDC25 - активирует
Неактивная фосфатаза
Ингибирующий фосфат
циклин
Неактивная
М-CDK
Активирующий
фосфат
Активная М-CDK
Ингибирующая Неактивная
М-CDK
киназа
+ обратная связь
Сdc – cell division cycle
+ обратная
связь

23. Переход к митозу

Исследование деления дрожжей привело к
открытию механизмов контроля клеточного цикла
Леланд Хартвелл
Пол Нёрс

24. Плоидность – количество одинаковых наборов хромосом в клетке

я
Хромосомы в гаплоидной клетке
Хромосомы в диплоидной клетке
Ген В
Ген В
Ген А
Ген А
n
Гомологичные
хромосомы
2n
По две копии каждого гена

25. Строение хромосомы

Короткое
плечо
Центромера
Длинное плечо
Интерфазная хромосома
Хроматида
(1 молекула ДНК)
Митотическая хромосома
(после репликации)

26. Строение хромосомы

Хроматин в интерфазе
Хромосомы в митозе
Ядро

27.

При репликации хромосома удваивается
Репликация
S-фаза
Гомологичные
хромосомы
G1 фаза
Хроматиды
G2 фаза

28. Митоз – деление клеточного ядра с сохранением плоидности

G1
2n=2
G2
Митоз
2n=2

29. G2: клетка готовится к митозу

Удвоенные центриоли
• Центриоли уже удвоены
• ДНК еще не конденсирована (хромосомы не видны)
• Увеличение количества митохондрий и других органелл

30. Фазы митоза: профаза

Веретено деления
Фазы митоза: профаза
• Формируется веретено деления
• ДНК конденсирована (хромосомы видны)
• Ядрышко исчезло

31. Фазы митоза: прометафаза

кинетохор
Исчезает ядерная мембрана
Центриоли достигают полюсов
ДНК конденсирована еще сильнее
Микротрубочки присоединяются к кинетохорам
Хромосомы начинают двигаться

32. Фазы митоза: метафаза

Кинетохорные МТ
Метафазная
пластинка
Межполюсные МТ
• Хромосомы выстраиваются по экватору клетки (метафазная пластинка)
• К каждой центромере присоединены пучки микротрубочек от обоих полюсов

33. Фазы митоза: анафаза

Хроматида
Фазы митоза: анафаза
• Анафаза А: Хроматиды расходятся к противоположным полюсам
• Анафаза B: Клетка удлиняется

34. Фазы митоза: телофаза и цитокинез

Формирующиеся
ядра
Ядерная оболочка восстанавливается
Ядрышко восстанавливается
Веретено деления разбирается
Хромосомы деконденсируются
Цитокинез – деление цитоплазмы

35. При цитокинезе животной клетки образуется борозда деления

Борозда деления
Сократимое кольцо (актин)
Дочерние клетки

36. Митоз: time-lapse

37. Запуск митоза: циклин В/CDK1

Киназа CDK1 вместе с циклином B фосфорилирует различные белки
Конденсация
хромосом
Сборка
веретена
деления
Распад
комплекса
Гольджи
Разрушение
ядерной
оболочки

38. Конденсины и когезины

Представители SMC- белков (Structural maintenance of chromosomes)
Когезины – удержание
сестринских хроматид
вместе
Конденсины –
конденсация
хромосом

39. Веретено деления

Центросома удваивается в S-фазу

40. Моторные белки играют ключевую роль в формировании веретена

Новые микротрубочки также могут зарождаться на хромосомах

41. Микротрубочки присоединяются к кинетохорам

Хромосома
Центромера
Кинтеохор
Кинетохорные микротрубочки
Хроматида
Кинтеохор

42. Динамика тубулина в веретене

APC/C: переход к анафазе
Anaphase promoting complex/ cyclosomе – это Е3 - убиквитин-лигаза
APC/C (при наличие Cdc20)
убиквитинирует циклин В
и секурин
Переход к анафазе,
завершение митоза

43. APC/C: переход к анафазе

Контроль перехода к анафазе: MCC
MCC – mitotic checkpoint complex
Комплекс MCC ингибирует APC/C

44. Контроль перехода к анафазе: MCC

Контроль перехода к анафазе: Aurora B
Киназа Aurora B – сенсор натяжения?

45. Контроль перехода к анафазе: Aurora B

Движение хромосом: моторные белки
или разборка микротрубочек?
Моторные белки (динеины?) передвигают
хромосомы к (-) концам МТ
Моторные белки не нужны,
разбирающаяся микротрубочка
сама создает движущую силу

46. Движение хромосом: моторные белки или разборка микротрубочек?

Моторные белки не нужны,
разбирающаяся микротрубочка
сама создает движущую силу

47. Движение хромосом: моторные белки или разборка микротрубочек?

Цитокинез
Сократимое кольцо из актина и миозина по экватору клетки
Актин
Миозин

48.

У растений при цитокинезе образуется
клеточная пластинка
кольцо микротрубочек
Микротрубочки
Клеточная
пластинка
Клеточная
стенка
Везикулы от
комплекса Гольджи
Фрагмопласт

49. Цитокинез

Мейоз – редукционное деление ядра
Диплоидная клетка делится на 4 гаплоидные клетки
Репликация
Расхождение
хромосом
Интерфаза
I деление
мейоза
Расхождение
хроматид
II деление
мейоза

50. Веретено деления определяет место формирования сократимого кольца

В профазе мейоза I гомологичные
хромосомы образуют биваленты
Гомологичные хромосомы
Хромосомы конденсируются
Между гомологичными хромосомами
происходит кроссинговер
Центромера
Сестринские
хроматиды
бивалент
Хиазма

51. Образование сократимого кольца: RhoA

Профаза мейоза I
Синаптонемный комплекс

52. У растений при цитокинезе образуется клеточная пластинка

Фазы мейоза: профаза I
• Хромосомы конденсируются
• Формируется веретено деления
• Гомологичные хромосомы попарно
объединяются (биваленты)
• Происходит кроссинговер
• Исчезает ядерная мембрана
2n=6

53. Мейоз – редукционное деление ядра

Профаза мейоза I

54. В профазе мейоза I гомологичные хромосомы образуют биваленты

Профаза мейоза I
Нуклеаза Spo11 вносит двуцепочечные
разрывы, необходимые для запуска
гомологичной рекомбинации
Spo11 – гомолог топоизомераз II типа

55. Профаза мейоза I

Механизм кроссинговера –
гомологичная рекомбинация
Rad51
Белки Rad51 и Dmc1 обеспечивают
внедрение цепочек ДНК
Dmc1

56. Фазы мейоза: профаза I

Гомологичная рекомбинация

57. Профаза мейоза I

Конверсия генов
Превращение одного аллеля в другой при кроссинговере у гетерозиготы
А
а
1n
fusion
А
2n
а
мейоз
А
а
а
А
митоз
А
а
А
а
А
а
А
а
СПОРЫ
А А А А
Половой процесс и образование спор у Neurospora Crassa
a a a a

58. Профаза мейоза I

Конверсия генов
Превращение одного аллеля в другой при кроссинговере у гетерозиготы
?
В ходе развития сумки у Neurospora crasa порядок расположения аскоспор не
меняется

59. Профаза мейоза I

Конверсия генов
В ходе развития сумки у Neurospora crasa порядок расположения аскоспор не
меняется
Проявление кроссинговера – чередование пар черных и белых спор
Проявление конверсии генов – неодинаковое число черных и белых спор в аске

60. Гомологичная рекомбинация

Фазы мейоза: метафаза I
Метафазная пластинка
• Микротрубочки веретена присоединяются к
кинетохорам
• Биваленты выстраиваются по экватору клетки

61.

Фазы мейоза: анафаза I
• Гомологичные хромосомы расходятся к
противоположным полюсам
• Клетка удлиняется

62. Конверсия генов

Фазы мейоза: анафаза I
Шугошин защищает когезины в районе центромеры в первом делении мейозы

63.

Фазы мейоза: телофаза I и цитокинез
В каждом ядре –
гаплоидный набор
удвоенных хромосом
(n=3)
• Разбирается веретено деления
• Иногда восстанавливается ядерная оболочка и деконденсируются
хромосомы
• Происходит деление цитоплазмы

64. Фазы мейоза: метафаза I

Фазы мейоза: профаза II
• Формируется веретено деления
• (ядерная оболочка разрушается)
• (хромосомы конденсируются)

65. Фазы мейоза: анафаза I

Фазы мейоза: метафаза II
• Хромосомы выстраиваются по экватору клетки
• К каждой хроматиде прикреплены микротрубочки

66. Фазы мейоза: анафаза I

Фазы мейоза: анафаза II
Хроматида
• Хроматиды расходятся к противоположным полюсам

67. Фазы мейоза: телофаза I и цитокинез

Фазы мейоза: телофаза II и цитокинез
Клетка с гаплоидным
набором хромосом
• Ядерная оболочка восстанавливается
• Веретено деления разбирается
• Происходит цитокинез

68. Фазы мейоза: профаза II

Апоптоз
Программируемая клеточная гибель

69. Фазы мейоза: метафаза II

Апоптоз vs некроз
Мембрана
разрушается
Полный лизис
содержимого клетки
Развивается
воспалительная
реакция
Мембрана не
разрушается
Частичный
протеолиз
клеточных белков

70. Фазы мейоза: анафаза II

Апоптоз
Каспазы – цистеиновые аспартазы
(в активном центре цистеин, разрезают белки после аспартата)
Инициаторные и исполнительные каспазы
Каспазы расщепляют клеточные белки

71. Фазы мейоза: телофаза II и цитокинез

Апоптоз
Нарезка ДНК по нуклеосомам – лесенка на электрофорезе
CAD – caspase-activated DNAse

72. Апоптоз

Маркер апоптоза – появление фосфатидилсерина (PS) на внешней стороне мембраны
Фагоциты узнают
фосфатидилсерин и поглощают
фрагменты апоптических клеток

73. Апоптоз vs некроз

Апоптоз
Внешний путь
Запуск апоптоза в ответ на внеклеточные сигналы

74. Апоптоз

Внутренний (митохондриальный) путь
Запуск апоптоза в ответ на внутриклеточные сигналы
Выход цитохрома с из митохондрий

75. Апоптоз

Внутренний (митохондриальный) путь
Апоптосома

76. Апоптоз

Регуляция – Bcl2 семейство белков
BID, BAD
Bcl2

77. Апоптоз

Белки IAP – ингибиторы апоптоза
Апоптоз регулируется сложной
сетью взаимодействий про- и
анти-апоптотических белков

78. Апоптоз

Связь путей апоптоза

79. Апоптоз

Факторы выживания подавляют апоптоз

80. Апоптоз

81. Апоптоз

Бактерии: бинарное деление
Точка начала репликации
(ориджин)
Ориджин
Клеточная стенка
Плазматическая
мембрана
П
ДНК (геном)
Репликация генома
синхронизована с
делением

82. Апоптоз

Деление клетки бактерии
FtsZ
FtsZ – гомолог тубулина

83. Апоптоз

Деление клетки бактерии:
сегрегация хромосом
ParA/B – система – диффузионный храповик
Важна ориентация генома в клетке