10Frumuæxlun

10.3 Stjórnun frumuferlisins

Hæfniviðmið

Í lok þessa hluta munt þú geta gert eftirfarandi:

Skilið hvernig frumuferlinu er stjórnað með ferlum sem eru bæði innan og utan frumunnar
Útskýrt hvernig þrír innri eftirlitsstaðir virka í lok G₁-fasa, við G₂/M-skipti og í metafasa
Lýst sameindunum sem stjórna frumuferlinu með jákvæðri og neikvæðri stjórnun

Lengd frumuferlisins er mjög breytileg, jafnvel milli frumna sömu lífveru. Hjá mönnum er hraði frumuendurnýjunar allt frá fáeinum klukkustundum snemma á fósturskeiði til að meðaltali tveggja til fimm daga hjá þekjufrumum. Sérhæfðar frumur, svo sem taugafrumur í heilaberki og hjartavöðvafrumur, geta aftur á móti varið allri mannsævinni í G₀.

Tíminn sem fruma ver í hverjum fasa frumuferlisins er einnig breytilegur. Þegar spendýrafrumur í hraðri skiptingu eru ræktaðar utan líkamans við bestu vaxtarskilyrði er frumuferlið um 24 klukkustundir. Í slíkum hraðskiptandi mannafrumum varir G₁-fasi í um níu klukkustundir, S-fasi í 10 klukkustundir, G₂-fasi í um fjórar og hálfa klukkustund og M-fasi í um hálfa klukkustund. Til samanburðar lýkur frumuferlinu í frjóvguðum eggjum og snemmfóstrum ávaxtaflugna á um átta mínútum. Ástæðan er sú að kjarni frjóvgaða eggsins skiptir sér margoft með mítósu án frymisskiptingar þar til fjölkjarna okfruma hefur myndast, með mörgum kjörnum við jaðar frumuhimnunnar. Þannig styttist tími frumuskiptingarferlisins. Tímasetningu atburða í frumuferli bæði hryggleysingja og hryggdýra er stjórnað með ferlum sem eru bæði innan og utan frumunnar.

Stjórnun frumuferlisins með ytri atburðum

Bæði upphaf og hömlun frumuskiptingar ráðast af atburðum utan frumunnar þegar hún er að hefja eftirmyndunarferlið. Slíkur atburður getur verið jafn einfaldur og dauði nálægra frumna eða jafn víðtækur og losun vaxtarhvetjandi hormóna, svo sem vaxtarhormóns manna (HGH eða hGH). Skortur á HGH getur hamlað frumuskiptingu og valdið dvergvexti, en of mikið HGH getur valdið risavexti. Þéttstaða frumna getur einnig hamlað frumuskiptingu. Þáttur sem getur hins vegar komið frumuskiptingu af stað er stærð frumunnar: þegar fruma stækkar verður hún lífeðlisfræðilega óhagkvæm vegna minnkandi hlutfalls yfirborðsflatarmáls og rúmmáls. Lausnin á þessu vandamáli er að skipta sér.

Hver sem uppruni boðsins er tekur fruman við merkinu og röð atburða innan hennar gerir henni kleift að halda áfram í millifasa. Frá þessum upphafspunkti verða öll skilyrði sem þarf í hverjum fasa frumuferlisins að vera uppfyllt; annars getur ferlið ekki haldið áfram.

Stjórnun við innri eftirlitsstaði

Nauðsynlegt er að dótturfrumurnar sem myndast séu nákvæm afrit af móðurfrumunni. Mistök við eftirmyndun eða dreifingu litninganna leiða til stökkbreytinga sem geta borist áfram til hverrar nýrrar frumu sem verður til af afbrigðilegri frumu. Til að koma í veg fyrir að sködduð fruma haldi áfram að skipta sér starfa innri stjórnkerfi við þrjá helstu eftirlitsstaði frumuferlisins. Eftirlitsstaður er punktur í frumuferli heilkjörnunga þar sem hægt er að stöðva framgang frumunnar yfir á næsta stig þar til aðstæður eru hagstæðar. Þessir eftirlitsstaðir eru nálægt lokum G₁-fasa, við G₂/M-skipti og í metafasa (Mynd 10.11).

This illustration shows the three major checkpoints of the cell cycle: G subscript 1 baseline checkpoint restriction, G subscript 2 baseline checkpoint, and M checkpoint in the mitotic phase. — **Mynd 10.11.** Frumuferlinu er stjórnað á þremur eftirlitsstöðum. Heilleiki DNA er metinn við G₁-eftirlitsstaðinn. Rétt eftirmyndun litninga er metin við G₂-eftirlitsstaðinn. Tenging hvers þráðhalds við spóluþráð er metin við M-eftirlitsstaðinn.

G₁-eftirlitsstaðurinn

G₁-eftirlitsstaðurinn ákvarðar hvort allar aðstæður séu hagstæðar fyrir áframhaldandi frumuskiptingu. G₁-eftirlitsstaðurinn, sem í gersveppum er einnig kallaður takmörkunarpunktur, er punktur þar sem fruman skuldbindur sig óafturkræft til frumuskiptingar. Ytri áhrif, svo sem vaxtarþættir, gegna stóru hlutverki við að koma frumunni fram hjá G₁-eftirlitsstaðnum. Auk fullnægjandi forða og réttrar frumustærðar er kannað hvort erfðamengis-DNA sé skaddað. Fruma sem uppfyllir ekki öll skilyrðin fær ekki að halda áfram í S-fasa. Hún getur stöðvað ferlið og reynt að bæta úr vandanum, eða farið í G₀ og beðið frekari merkja þegar aðstæður batna.

G₂-eftirlitsstaðurinn

G₂-eftirlitsstaðurinn hindrar inngöngu í mítósufasa ef tilteknum skilyrðum er ekki fullnægt. Eins og við G₁-eftirlitsstaðinn eru frumustærð og próteinforði metin. Mikilvægasta hlutverk G₂-eftirlitsstaðarins er þó að tryggja að allir litningar hafi verið eftirmyndaðir og að eftirmyndað DNA sé óskaddað. Ef eftirlitskerfin greina vandamál með DNA stöðvast frumuferlið og fruman reynir annaðhvort að ljúka eftirmyndun DNA eða gera við skaddað DNA.

M-eftirlitsstaðurinn

M-eftirlitsstaðurinn er nálægt lokum metafasa í kjarnaskiptingu. Hann kallast einnig spólueftirlitsstaður, því hann ákvarðar hvort allir systurlitningsþræðir séu rétt tengdir við örpíplur deilispólunnar. Þar sem aðskilnaður systurlitningsþráða í anafasa er óafturkræft skref heldur ferlið ekki áfram fyrr en þráðhöld hvers pars systurlitningsþráða eru tryggilega fest við að minnsta kosti tvo spóluþræði frá gagnstæðum skautum frumunnar.

Tengill í námsefni

Skoðaðu hvað gerist við G₁-, G₂- og M-eftirlitsstaðina í hreyfimynd um frumuferlið: https://openstax.org/l/cell_checkpnts

Stjórnsameindir frumuferlisins

Auk innri eftirlitsstaðanna eru tveir hópar innanfrumusameinda sem stjórna frumuferlinu. Þessar stjórnsameindir ýta annaðhvort undir framgang frumunnar yfir á næsta stig, sem kallast jákvæð stjórnun, eða stöðva ferlið, sem kallast neikvæð stjórnun. Stjórnsameindir geta verkað einar sér eða haft áhrif á virkni eða framleiðslu annarra stjórnpróteina. Þess vegna getur bilun í einum stjórnþætti haft nánast engin áhrif á frumuferlið, einkum ef fleiri en eitt kerfi stjórnar sama atburði. Áhrif gallaðs eða óvirks stjórnþáttar geta þó verið víðtæk og jafnvel banvæn fyrir frumuna ef mörg ferli verða fyrir áhrifum.

Jákvæð stjórnun frumuferlisins

Tveir hópar próteina, sýklín (cyclins) og sýklínháðir kínasar (Cdk), kallast jákvæðir stjórnþættir. Þeir bera ábyrgð á framgangi frumunnar í gegnum hina ýmsu eftirlitsstaði. Magn fjögurra sýklínpróteina sveiflast á fyrirsjáanlegan hátt í gegnum frumuferlið (Mynd 10.12). Aukning á styrk sýklínpróteina verður vegna bæði ytri og innri merkja. Eftir að fruman færist yfir á næsta stig frumuferlisins eru þau sýklín sem voru virk á fyrra stigi brotin niður af ensímum í umfrymi, eins og sést á Mynd 10.12.

This graph shows the concentrations of different cyclin proteins during various phases of the cell cycle. Cyclin D concentrations increase in G subscript 1 baseline phase, and decrease at the end of mitosis. Cyclin E levels rise during G subscript 1 baseline phase and fall during S phase. Cyclin A levels rise during S phase and fall during mitosis. Cyclin B levels rise in S phase and fall during mitosis. — **Mynd 10.12.** Styrkur sýklínpróteina breytist í gegnum frumuferlið. Bein fylgni er milli uppsöfnunar sýklína og þriggja helstu eftirlitsstaða frumuferlisins. Takið einnig eftir snarpri lækkun á sýklínmagni eftir hvern eftirlitsstað, það er við skiptin milli fasa frumuferlisins, þegar sýklín er brotið niður af ensímum í umfrymi. Mynd: byggt á verki eftir „WikiMiMa“/Wikimedia Commons.

Sýklín stjórna frumuferlinu aðeins þegar þau eru þétt bundin Cdk-próteinum. Til að Cdk/sýklín-flóki verði fullvirkur þarf hann einnig að vera fosfóraður á tilteknum stöðum. Eins og allir kínasar eru Cdk ensím sem fosfóra önnur prótein. Fosfórun virkjar próteinið með því að breyta lögun þess. Próteinin sem Cdk fosfórar taka þátt í að færa frumuna áfram í næsta fasa (Mynd 10.13). Magn Cdk-próteina er tiltölulega stöðugt í gegnum frumuferlið; styrkur sýklína sveiflast hins vegar og ákvarðar hvenær Cdk/sýklín-flókar myndast. Mismunandi sýklín og Cdk bindast á tilteknum stöðum í frumuferlinu og stjórna þannig mismunandi eftirlitsstöðum.

This illustration shows a cyclin protein binding to a upper case C lower case d lower case k. The cyclin slash upper C lower d lower k complex is activated when a kinase phosphorylates it. The cyclin slash upper C lower d lower k complex, in turn, phosphorylates other proteins, thus advancing the cell cycle. — **Mynd 10.13.** Sýklínháðir kínasar (Cdk) eru próteinkínasar sem geta, þegar þeir eru fullvirkjaðir, fosfórað og þar með virkjað önnur prótein sem færa frumuferlið fram hjá eftirlitsstað. Til að verða fullvirkur verður Cdk að bindast sýklínpróteini og síðan vera fosfóraður af öðrum kínasa.

Þar sem hringlaga sveiflur í sýklínmagni byggjast að miklu leyti á tímasetningu frumuferlisins en ekki á tilteknum atburðum fer stjórnun frumuferlisins venjulega fram með Cdk-sameindunum sjálfum eða Cdk/sýklín-flókunum. Án tiltekins styrks fullvirkjaðra sýklín/Cdk-flóka getur frumuferlið ekki haldið áfram í gegnum eftirlitsstaðina.

Þótt sýklín séu helstu stjórnsameindirnar sem ákvarða framdrif frumuferlisins eru til nokkur önnur kerfi sem fínstilla framgang ferlisins með neikvæðum áhrifum fremur en jákvæðum. Þessi kerfi stöðva framgang frumuferlisins þar til vandamálið hefur verið leyst. Sameindir sem koma í veg fyrir fulla virkjun Cdk kallast Cdk-hemlar. Margar þessara hemilsameinda fylgjast beint eða óbeint með tilteknum atburði í frumuferlinu. Hindrunin sem hemilsameindir setja á Cdk er ekki fjarlægð fyrr en þeim tiltekna atburði sem hemillinn fylgist með er lokið.

Neikvæð stjórnun frumuferlisins

Annar hópur stjórnsameinda frumuferlisins eru neikvæðir stjórnþættir, sem stöðva frumuferlið. Í jákvæðri stjórnun valda virkar sameindir því að ferlið heldur áfram.

Best þekktu neikvæðu stjórnsameindirnar eru retínóblastómaprótein (Rb), p53 og p21. Retínóblastómaprótein eru hópur æxlisbælipróteina sem finnast í mörgum frumum. Tákningarnar 53 og 21 vísa hér til virks mólmassa próteinanna (p) í kílódaltónum; dalton er jafnt atómmassaeiningu, sem samsvarar massa einnar róteindar eða einnar nifteindar, eða 1 g/mól. Mikið af því sem vitað er um stjórnun frumuferlisins kemur úr rannsóknum á frumum sem hafa misst stjórn á ferlinu. Öll þessi þrjú stjórnprótein reyndust sködduð eða óvirk í frumum sem voru farnar að eftirmyndast stjórnlaust, það er orðnar krabbameinsfrumur. Í hverju tilviki var meginorsök stjórnlauss framgangs í gegnum frumuferlið gallað eintak af stjórnpróteininu.

Rb, p53 og p21 verka fyrst og fremst við G₁-eftirlitsstaðinn. p53 er fjölvirkt prótein sem hefur mikil áhrif á skuldbindingu frumu til skiptingar vegna þess að það bregst við sködduðu DNA í frumum sem ganga í gegnum undirbúningsferli G₁-fasa. Ef skaddað DNA greinist stöðvar p53 frumuferlið og kallar síðan til sértæk ensím til að gera við DNA. Ef ekki er hægt að gera við DNA getur p53 hrundið af stað stýrðum frumudauða, apoptósu, til að koma í veg fyrir eftirmyndun skaddaðra litninga. Þegar magn p53 eykst hefst framleiðsla á p21. p21 framfylgir stöðvuninni sem p53 mælir fyrir um með því að bindast Cdk/sýklín-flókum og hamla virkni þeirra. Eftir því sem fruma verður fyrir meira álagi safnast meira p53 og p21 upp, sem gerir ólíklegra að fruman færist yfir í S-fasa.

Rb, sem fylgist aðallega með frumustærð, hefur stjórnandi áhrif á önnur jákvæð stjórnprótein. Í virku, affosfóruðu ástandi binst Rb próteinum sem kallast umritunarþættir, oftast E2F (Mynd 10.14). Umritunarþættir kveikja á tilteknum genum og leyfa framleiðslu próteina sem þessi gen skrá fyrir. Þegar Rb er bundið E2F er lokað á framleiðslu próteina sem eru nauðsynleg fyrir G₁/S-skipti. Eftir því sem fruman stækkar er Rb smám saman fosfórað þar til það verður óvirkt. Þá losar Rb E2F, sem getur nú kveikt á geninu sem framleiðir skiptipróteinið, og þessi tiltekna hindrun er fjarlægð. Til að fruman komist fram hjá hverjum eftirlitsstað verða allir jákvæðir stjórnþættir að vera virkir og allir neikvæðir stjórnþættir óvirkir.

Myndræn tenging

This illustration shows the regulation of the cell cycle by the upper case R lower case b protein. Unphosphorylated upper R lower b binds the transcription factor E 2 F. E 2 F cannot bind the D N A, and transcription is blocked. Cell growth triggers the phosphorylation of R b. Phosphorylated R b releases E 2 F, which binds the D N A and turns on gene expression, thus advancing the cell cycle. — **Mynd 10.14.** Rb stöðvar frumuferlið og losar tak sitt sem svar við frumuvexti.

Rb og önnur prótein sem stjórna frumuferlinu á neikvæðan hátt eru stundum kölluð æxlisbælar. Hvers vegna heldur þú að heitið æxlisbælir eigi vel við um þessi prótein?