Diferenciace a buněčná smrt Regulace buněčného cyklu Buněčná reprodukce Buněčný cyklus Mitóza a meióza Diferenciace a buněčná smrt Regulace buněčného cyklu Rakovina

Dělení buněk 1 buňka → 2 buňky Funkce: Růst organizmu Reprodukce organizmu Regenerace organizmu Úplná genetická informace do obou buněk Rozdělení intracelulárních membránových struktur (ER, SAO) Symetrické x asymetrické dělení

3.1 Buněčný cyklus Periodické střídání dělení (mitóza/meióza) a fáze růstu (interfáze) Bakterie: Rozhodující pro dělení je koncentrace živin (velikost buňky) Cyklus cca 20-30 minut (ideální podmínky) Překryvné cykly DNA replikace (iniciace replikace je napřed) Methylace replikačního počátku Eukaryota: 4 fáze: G1 (growth/gap) - S (synthesis) - G2 - M (mitosis) Saccharomyces cerevisiae: 2 hodiny Homo sapiens: 24 hodin G1 - růst buňky S - syntéza DNA (replikace) G2 - růst buňky M - karyokinesis, cytokinesis VIDEO

Genetická informace během cyklu DNA: v S fázi se replikuje, v M fázi kondenzace chromozómů Během G2, M je každý chromozóm zdvojený (2 chromatidy) Během M je chromozóm viditelný (viz zobrazení chromozómu) x Ploidie se během interfáze nemění Diploidní buňka: Pár homologních chromozómů (nejsou identické)

3.2 Mitóza a meióza 2 různé typy buněčného dělení Mitóza: klonální dělení, obě dceřiné buňky mají stejnou GI haploidní i diploidní buňky Meióza: Redukční dělení diploidní → haploidní pohlavní rozmnožování (pohlavní buňky) Meióza Mitóza

Mitóza Události: Kondenzace chromozómů Rozpad jaderné membrány (otevřená x uzavřená mitóza) Dělící vřeténko (mikrotubuly) - navázání chromozómů Rozchod chromatid Rekonstituce jaderné membrány, dekondenzace chromozómů, cytokinesis Rozdělení na různé fáze (viditelné rozdíly v mikroskopu) Důležité momenty: Vstup do mitózy Přechod metafáze/anafáze

Mitóza II

Jaderná membrána Fosforylace laminů - rozpad membrány - váčky Defosforylace laminů - reassembly Souvislosti: Dynamika buňky - cytoskelet

Uzavřená mitóza U některých organizmů - nerozpadá se jaderná blána Např. Saccharomyces cerevisiae Obrněnky Brvitky Kvasinky/rozsivky

Rozchod chromatid Centrozóm - vřeténko - mikrotubuly - chromozómy Pohyb: Zkracování kinetochorových mikrotubulů/motorový protein Kinesiny (překryvné mikrotubuly)

Cytokinesis Živočichové: aktin + myosin (prstenec) Rostliny: fragmoplast (tvorba buněčné stěny) actin staining myosin staining

Buněčná kultura Čolek

Meióza - význam Pohlavní rozmnožování: meióza → gameta → splynutí gamet → zygota Rodozměna (metageneze) - střídání haploidní a diploidní fáze U vyšších eukaryot (metazoa, magnoliophyta): h. pouze gamety

Meióza - průběh 2 na sebe navazující dělení Heterotypické dělení: Bivalenty = 2 Homologní chromozómy Crossing-over Oddálení chromozómů 2. Homeotypické dělení: Oddálení chromatid (jako mitóza) Výsledek: 4 haploidní buňky (gamety) VIDEO

Variabilita dceřiných buněk Náhodná segregace chromozómů H. sapiens: 23 chromozómových párů = 223 variant 2) Crossing-over Homologní rekombinace mezi chromozómy VIDEO Bivalent Souvislosti: DNA - Rekombinace

Oogenesis a spermatogenesis

Oplodnění vajíčka - vznik zygoty Zona pellucida: obaluje vajíčko Navázání spermie na vajíčko Akrozomální reakce (proniknutí spermie) Depolarizace vajíčka (krátkodobá, blokuje polyspermii) Kortikální reakce (trvale blokuje polyspermii)

Embryonální vývoj Rýhování vajíčka: střídání S-M-S-M... VIDEO Rýhování vajíčka: střídání S-M-S-M... není fáze růstu synchronizace Drosophila: Počátečí stadium - jen karyokineze, nedělí se buňky Syncytium = Mnohojaderný útvar Gradient proteinů - diferenciace VIDEO VIDEO

3.3 Diferenciace a buněčná smrt Mnohobuněčný organizmus (metazoa) Zájem organizmu je upřednostněn před zájmy buňky! Diferenciace: G0 fáze - zastavení buněčného cyklu Diferenciační proces: kmenová buňka → terminálně diferenciovaná buňka Buněčná smrt: Nekróza (napadení virem, mechanické poškození atp.) Apoptóza (PCD) = programovaná buněčná smrt

Kmenové buňky Diferenciace je postupná Omnipotentní buňky = mohou dát vzniknout jakékoliv buňce Embryonální kmenové buňky - klonování člověka - terapie Princip diferenciace: Asymetrický osud dcer po dělení kmenových buněk Změna genové exprese Terminálně diferenciované buňky se většinou nedělí Souvislosti: Regulace genové exprese

Příklad: Kostní dřeň Diferenciace buněk kostní dřeně → krevní buňky Souvislosti: Buněčná komunikace - Imunologie

Apoptosis Programovaná buněčná smrt Funkce: Vývoj Likvidace poškozených buněk (DNA) Likvidace napadených buněk (viry) Přirozená obnova tkáně Znaky: Fragmentace chromatinu (jádra) FS na vnější straně membrány ("naruby") Kondenzace a fragmentace cytoplazmy (váčky) Uklizení buňky (fagocyty) VIDEO

Vnější/vnitřní aktivace apoptózy 1) T8 buňky - polibek smrti (virus) 2) Absence "signálu přežití" (video) 3) Poškození DNA (p53) Kaspázy (proteázy) → kaskáda VIDEO VIDEO

3.4 Regulace buněčného cyklu BC je přísně regulován Důvody: podmínky, následnost, kooperace Základní kontrolní body (checkpoints): Vstup do S - vstup do dělení (živiny, velikost) Vstup do M - po zreplikování DNA Metafáze/anafáze (jsou chromozómy navázané na vřeténko?) Základní principy regulace: 1) Systém pozitivních a negativních zpětných vazeb Postup BC bez ohledu na další signály 2) Určující signály - vnější a vnitřní povahy

Cykliny a cyklin dependentní kinázy Hlavní regulátory buněčného cyklu Cdk/Cykliny aktivní pouze v příslušné fázi BC S. cerevisiae: 1 Cdk, více cyklinů Mammalia: více Cdks Souvislosti: Proteiny - Regulace proteinů

Regulace CDKs Vazba cyklinu Aktivační fosforylace Inhibiční fosforylace Vazba inhibitoru

Ubikvitin ligázy Další mechanismus regulace buněčného cyklu Cílená degradace proteinů (cykliny, CKI) SCF komplex - přechod do S fáze Regulace: fosforylace substrátu Cíl: G1/S cykliny, CKI APC (anaphase promoting complex) - vstup do anafáze Cíl: M cykliny, anafázový inhibitor (=sekurin) Regulace: Vazba aktivační podjednotky

Události: Vstup do S fáze Rb - inhibitor E2F - aktivátor (pozitivní zpětná vazba) + transkripce cyklinů G1 Cdk → G1 /S Cdk → S Cdk

Iniciace DNA replikace S fázová Cdk G1 - pre-replikační komplex S - fosforylace Cdc6 - degradace (start) S - fosforylace ORC (blok) Souvislosti: DNA - Replikace

Události: Vstup do M fáze Aktivace M-Cdk: 1. Fosforylace kondensinového komplexu (Kondenzace chromozómů) 2. Fosforylace laminů - rozpad jaderného obalu 3. Vznik mitotického vřeténka 4. Aktivace APC

Události: Vstup do anafáze Aktivní APC: Degradace M cyklinu (negativní zpětná vazba) Kaskáda → degradace kohesinu (rozchod chromatid)

Regulační signály Zatím jsme mluvili především o prvním principu (časový) Příklady signálů: DNA poškození (p53) Velikost buňky Stimulace mitogenem p53 Poškození DNA → p53 aktivace Zastavení buněčného cyklu Apoptóza

Kontrola velikosti buňky Model: Signál = poměr DNA/protein Koncentrace DNA klesá, koncentrace proteinu je konstantní

Stimulace mitogenem Mitogen = signální molekula (hormon) produkovaná buňkami Posílá buňku do dělení Souvislosti: Buněčná komunikace

Regulace buněčného cyklu: přehled VIDEO

3.5 Rakovina Nekontrolovaná proliferace (=dělení) buněk Porušení pravidla, že zájem buňky je podřízen zájmu organizmu Selhání regulace buněčného cyklu: Nádorové supresory (p53, Rb - negativní regulátory BC) Protoonkogeny (pozitivní regulátory BC) → onkogeny (mutované)

Vlastnosti maligního nádoru Nezávislost na růstových signálech Neodpovídání na negativní regulaci (zastavení cyklu, PCD) Neomezená proliferace (překročen limit) Ztráta kontaktní inhibice Invazivita + metastáze Genetická nestabilita

Vznik nádoru Vznik nádoru - sekvence více náhodných událostí: 1. Mutace (vyřazení nádorového supresoru, aktivace onkogenu) 2. Viry (DNA viry - posílají do dělení, retroviry) 3. Epigenetika - methylace promotorů Maligní x benigní Telomeráza VIDEO

Rakovina = civilizační choroba Důvody pro stoupající význam rakoviny: Prodlužování délky života Potlačení infekčních chorob Vliv prostředí (rakovinotvorné látky) Úmrtí na rakoviny podle typu nádoru (USA)

Shrnutí Buněčný cyklus se skládá ze 4 fází (G1, S, G2, M) Mitóza = klonální dělení, ontogeneze, nepohlavní rozmnožování Meióza = redukční dělení, snížení ploidie, pohlavní rozmnožování Meióza → splynutí gamet → zygota → embryo Kmenová buňka → kmenová buňka + diferencující se buňka Apoptóza = programovaná buněčná smrt = sebevražda Regulace buněčného cyklu: fosforylace, degradace, transkripce Checkpointy: vstup do S, vstup do M, vstup do anafáze Cykliny + cyklin dependentní kinázy, APC, p53 Nádor: klonální původ, únik regulaci proliferace, mutace, metastáze