Buněčný cyklus

Buněčná proliferace – regulace růstu a dělení ………… Buněčná proliferace – regulace růstu a dělení …………...regulace buněčného cyklu proliferace diferenciace Kdy o proliferaci mluvíme: a) embryonální vývoj – ontogeneze b) v dospělém těle - fyziologické obnově buněk - reparaci a hojení - imunitní odpovědi O proliferaci mluvíme u buněk nebo u skupin buněk, které mají vysokou mitotickou aktivitu, tedy jednoduše řečeno rychle a opakovaně se množí. Selektivní proliferace některých tkání umožňuje vznik různých prostorových struktur v těle, udržování normálních tělních pochodů nebo obnovování některých tkání.

interfáze : G1, S, G2 M-fáze: mitóza, cytokineze

Buněčný cyklus G1 fáze - nejdelší, variabilní část cyklu, růst buňky doplnění organel, dvě možnosti: vstup do G0 fáze – zastavení buněčného cyklu, souvisí s diferenciací příprava na dělení: příprava na replikaci, syntéza RNA, proteinů, syntéza nukleotidů

S fáze - zdvojuje se genetická informace: replikace jaderné DNA mimojaderná DNA (=mitochondriální) se replikuje i mimo S fázi G2 fáze – růst buňky, příprava na mitotické dělení: syntéza proteinů, RNA, tvorba buněčných struktur Replikace DNA je proces tvorby kopií molekuly deoxyribonukleové kyseliny (DNA), čímž se genetická informace přenáší z jedné molekuly DNA (templát, matrice) do jiné molekuly stejného typu (tzv. replika). Celý proces je semikonzervativní, tzn. každá nově vzniklá molekula DNA má jeden řetězec z původní molekuly a jeden nový, syntetizovaný.

M-fáze: dva děje Mitóza – rozdělení jádra Cytokineze – rozdělení buňky mateřská buňka se fyzicky rozdělí na dvě dceřiné buňky. V případě mitózy jsou buňky identické živočišné buňky: zaškrcení od krajů do středu

MITÓZA dělení somatických buněk z diploidní mateřské buňky vzniknou dvě diploidní dceřinné rozdělení dvou identických sad chromozomů do dceřiných buněk 46 lidských chromozomů se rozdělí na dvě sady o 46 chromozomech

interfáze profáze prometafáze metafáze anafáze telofáze Mitoza 2n

MITÓZA Interfáze: jedno či více jadérek, replikují centrozomy, v živočišných buňkách do páru centriol, chromosomy jsou již duplikovány Profáze: chromatinová vlákna jsou spiralizované, jadérka zmizí, začíná se tvořit dělící vřeténko Prometafáze: jaderná obálka se rozpadá, dělící vřeténko komunikuje s chromozómy, chromozómy se kondenzují Dělicí vřeténko (mitotické vřeténko) je buněčná struktura, nezbytně nutná k mitóze. Skládá se z mikrotubulů, které „vyrůstají“ z centrozómů na obou koncích buňky. Rozeznáváme tři typy vřeténkových mikrotubulů: astrální mikrotubuly směřují v cytoplazmě do všech směrů, přispívají k ukotvení, orientaci a oddalování pólů vřeténka, kinetochorové mikrotubuly se napojují na kinetochory, což jsou speciální proteinové komplexy na centromerách chromozómů, a jsou tedy přímo zodpovědné za pohyb chromozómů v anafázi, překryvné nebo také polární mikrotubuly udržují tvar vřeténka. Po mikrotubulech se pohybují molekulární motory bílkovinného původu.

MITÓZA Metafáze: centrozómy na opačných pólech, chromozómy v equatoriální rovině, každý se pojí kinetochorem ke vřeténku Anafáze: chromatidy se posunují směrem k opačným pólům buňky, póly se od sebe oddalují, na konci jsou dvě kolekce chromozomů Telofáze: póly se stále od sebe vzdalují díky vřeténku, formují se jádra, vzniká nukleární obálka, běží cytokineze

Regulace buněčného cyklu regulace růstu a dělení buněk, proliferace Regulační nebo-li kontrolní body buněčného cyklu G1 - vstup do G0 fáze vstup do S fáze ……nebo zástava G2 - vstup do M nebo zástava + další kontrolní body (M - na rozhraní metafáze a anafáze) Tyto kontrolní body ověřují, zda byly úspěšně dokončeny všechny procesy probíhající v dané fázi buněčného cyklu, předtím, než buňka postoupí do další fáze. Bylo nalezeno několik takových kontrolních bodů, u některých z nichž stále mnohý detailům jejich mechanismu zcela nerozumíme.

Proteiny důležité pro regulaci cykliny - syntéza a odbourávání v průběhu buněčného cyklu cyklin dependentní kinázy (CDK) = enzymy fosforylující další proteiny - trvale přítomny v buňce, aktivují se vazbou s cyklinem komplex cyklin / CDkináza = aktivní komplex, který spouští další fázi cyklu

Regulace exogenními (vnějšími) mechanismy přímé: - kontaktem membrán - přímým propojením - „gap junctions“ zprostředkované : signálními molekulami endokrinní – na velké vzdálenosti – hormony parakrinní – difuze, na krátké vzdálenosti autokrinní – sekretující buňka=cílová buňka Na podnět odpovídá jen buňka obsahující specifický receptor. vodivý spoj (gap junction), čili nexus, mezerový spoj nebo také komunikační spoj. Je zajímavý tím, že mezi membránami vytváří jakési póry, jimiž jsou spojeny cytoplazmy. Základem tohoto spoje jsou proteinové komplexy nazývané konexony, které se v tomto druhu spojů vyskytují v hexamerech. V jedné z membrán je šest konexinů tvořících konexon, které se vzájemně napojí na stejný útvar šesti konexinů v druhé membráně.

Signální molekuly hormony cytokíny: proteinové molekuly, které regulují růst a dělení (proliferaci) a zasahují do diferenciace (funkční rozrůznění) růstové faktory: stimulační signál př. EGF-epidermální růstový faktor IGF – inzulin „like“ růst.faktor PDGF – z trombocytů Cytokin je označení pro skupinu menších signálních proteinů, účastnících se významně imunitní odpovědi. Cytokiny jsou produkovány buňkami imunitního systému (makrofágy, T-lymfocyty, atp.) a jsou schopné navodit například rychlé dělení a diferenciaci určitých typů buněk, které se účastní boje proti patogenům, případně další rysy imunitní obrany K růstovým faktorům se řadí především skupina proteinů, které stimulují buněčnou proliferaci a diferenciaci. Zpravidla se růstové faktory účastní signalizace mezi buňkami.

Signální molekuly lymfokiny, monokiny: hemopoetický původ role v imunitních reakcích interleukiny interferony – inhibice proliferace, protivirový účinek TNF – tumor necrosis faktor zabíjení nádorových buněk

Dráhy signální transdukce - regulace

Signál je přenášen do nitra buňky Receptory na membráně nebo uvnitř buňky (v cytoplazmě) Posléze se signál přenáší do jádra prostřednictvím regulačních proteinů = přenos kaskádou fosforylací regulačních proteinů Kde se aktivují genů, jejichž produkty aktivují buněčný cyklus

Geny regulující buněčné dělení Protoonkogeny produkty stimulují buněčné dělení kódují růstové faktory, receptory růstových faktorů, regulační proteiny apod. mutované formy = onkogeny = produkty mají nezměnitelnou nebo nadměrná mitotická aktivita

Nádorové supresorové geny Jejich produkty inhibují mitotické dělení př. Rb1 gen – mutace u retinoblastomu i jiných tumorů – Rb1 protein TP53 gen – p53 protein mutace genu v mnoha nádorech funkce: zástava cyklu v G1 při poškození DNA a navození reparace nebo apoptózy - programované buněčné smrti Základem deregulace buněčné proliferace vedoucí k nekontrolovanému množení buněk je mutace DNA. Mutaci mohou způsobit různé faktory: Biologické,chemické - působení mutagenů a karcinogenů, fyzikální - záření o vysoké energii, zejm. ionizující (UV, rentgenové záření, gama záření, částice z jaderného rozpadu,..) a hormonální Obvykle se rozlišují tři skupiny zasažených genů: Protoonkogeny Tumor supresorové geny Mutátorové geny - geny, jejichž funkcí je oprava poškozené DNA. Mutovaný gen je neaktivní.

Programovaná buněčná smrt Apoptóza Účel: odstranění buněk, které již splnily svou fyziologickou úlohu nebo byly nenávratně poškozeny v tkáních musí být vznikající a zanikající buňky v rovnováze Je to konečné stadium procesu stárnutí buněk. během embryogeneze-redukce nadbytečných částí Programovaná buněčná smrt je nejednoznačný termín označující ty typy buněčné smrti, při nichž buňky páchají sebevraždu díky vnitrobuněčnému „programu“. Někdy je synonymizován s termínem apoptóza, ačkoliv jindy se vymezuje poněkud šířeji, totiž že apoptóza je jen jeden z typů programované buněčné smrti (a dalším je zejména autofágie). Jindy se apoptóza definuje jako programovaná buněčná smrt u mnohobuněčných organismů.

Apoptóza: svrašťování buňky bez porušení její integrity a integrity organel, kondenzace chromatinu, rozpad DNA mezi nukleozomy, fragmentace buňky  apoptotická tělíska - fagocytóza takto změněných buněk bez zánětu Zahrnuje sled biochemických procesů vedoucích k typickým změnám vzhledu buňky (degradace cytoskeletu a následná změna tvaru cytoplazmatické membrány, smrštění buňky, fragmentace jádra i chromozomů uvnitř. Následně dochází k šetrnému odstranění zbytků této buňky (a nikoliv k zánětu), čímž se apoptóza v základech liší od nekrózy.

Nekróza smrt buněk a tkání vzniká jako následek nevratného poškození buněk porušení membrány buňky i organel, rozpad chromatinu, vylití obsahu buněk do extracelulárního prostoru  zánět

Obr. 1. Schéma nekrotické a apoptotické smrti buňky / Cancer 1994; 73: 2013-26/

Meióza v průběhu vývoje pohlavních buněk redukuje se diploidního počtu chromozomů na haploidní a tím je umožněno pohlavní rozmnožování segregace alel náhodný rozchod chromozomů – náhodné kombinace chromozomů v gametách zvýšení genetické variability crossing-overem Tyto buňky (gamety) mohou po určité době buďto splynout s další vhodnou gametou a vytvořit nového jedince složeného opět z dvojité sady chromozómů (viz spermie a vajíčko u savců), nebo mohou dělením vytvořit mnohobuněčný organismus (viz gametofyt u výtrusných rostlin, některých řas nebo u hub).

Meiotické dělení I redukční kdy se redukuje počet chromozómů z diploidního na haploidní, 2n na n Meiotické dělení II ekvační, n na n - probíhá jako mitóza Obě dělení mají čtyři fáze: Profáze, Metafáze, Anafáze a Telofáze

nejdelší, komplikovaná, dále se rozděluje na pět fází: Profáze I nejdelší, komplikovaná, dále se rozděluje na pět fází: leptotene - počátek spiralizace zygotene - párování (synapse homologních chromozómů) Párování zajišťuje proteinová struktura, která se nazává synaptonemální komplex Třívrstevná proteinová struktura. U chromozómů X a Y se tvoří pouze jen konci chromozómů Párování pohlavních chromozómů se děje vytvořením sexuálního váčku - synapt. Spojení jen na některých místech chromozómů. Molecular biology of the cell http://www.ncbi.nlm.nih.gov/bookshelf/br.fcgi?book=mboc4&part=A3686&rendertype=figure&id=A3688

pachytene - patrny sesterské chromatidy crossing over= překřížení a výměna částí nesesterských chromatid homologních chromozomů = rekombinace otcovského a mateřského genetického materiálu diplotene - separace chromozómů spojeny v místě crossing-overu = chiasmata diakineze - maximální zkrácení chromozomů Molecular biology of the cell http://www.ncbi.nlm.nih.gov/bookshelf/br.fcgi?book=mboc4&part=A3686&rendertype=figure&id=A3688

Meiotické dělení I Metafáze I : spárované chromozómy v ekvatoriální rovině, centromery se neštěpí Anafáze I : rozchod mezi homologními chromozomy náhodné kombinace otcovských a mateřských chromozomů Telofáze I: haploidní sady na opačných pólech Interkineze: bez replikace

Meiotické dělení II Profáze II Metafáze II štěpení centromer Anafáze II separace chromatid Telofáze II Molecular biology of the cell http://www.ncbi.nlm.nih.gov/bookshelf/br.fcgi?book=mboc4&part=A3686&rendertype=figure&id=A3688

Meióza v průběhu vývoje spermií a vajíček - spermatogeneze a oogeneze Spermatogeneze začíná v době sexuální zralosti, z 1 diploidní mateřské buňky buňky vzniknou 4 haploidní spermie, trvá zhruba 64 dní Oogeneze začíná již v časném embryonálním období, pak je zastavena, dále pokračuje v pravidelných intervalech v době sexuální zralosti. Plně je dokončena až po oplození Z 1 diploidní mateřské buňky vznikne 1 vajíčko a 2-3 pólová tělíska

Spermatogeneze Spermatogonie - 46 Mitotické dělení růst primární spermatocyt - 46 sekundární spermatocyt - 23 Spermatidy - 23 Spermie - 23 růst M I M II meioza zrání, diferenciace- spermiogeneze Spermatogeneze

Oogeneze 1 vajíčko - 23 a 3 pólová tělíska Oogonie - 46 Mitotické dělení 1 primární oocyt -46 1 sekundární oocyt - 23 růst M I M II meioza 1.pol.tělísko 2.pol.tělísko ovulace Anafáze,telofáze po oplození prenatálně zástava dělení 1 vajíčko - 23 a 3 pólová tělíska Oogeneze

Fertilizace a II. meiotické dělení Sekundární oocyt v průběhu II. meiotického dělení

Po oplození – pólová tělíska a v zygotě 2 prvojádra - pronuclei Rýhující se zygota http://www.spacesciencegroup.nsula.edu/sotw/newlessons/defaultie.asp?Theme=humanbody&PageName=embryo

Chyby v meióze Nondisjunkce Opoždění 1 chromozomu v anafázi v MI – nerozdělení homologních chromozomů v MII – nerozdělení chromatid Důsledky: pro 1 pár – disomická nebo nullisomická gameta (po oplození trisomie-47chrom. + monosomie-45chrom.) pro celou sadu – diploidní gameta (po oplození triploidie - 69chrom.) Opoždění 1 chromozomu v anafázi Důsledek: nullisomická gameta – po oplození monosomie (45chrom.) chyba při rozchodu chromosomů do dceřiných buněk během buněčného dělení

Chyby v meióze 46 23 46 24 22 M I M II nondisjunkce v M I důsledek: po oplození trizomie/monozomie normální průběh meiózy

Opoždění chromozomu v anafázi M I nebo M II Nondisjunkce v M II 46 23 24 22 46 22 23 M I M II Důsledek: po oplození monozomie Důsledek: po oplození trizomie/monozomie

Chyby v meiose – nondisjunkce celé sady chromozomů 46 46 M I 46 23 23 M II 46 46 23 23 46 Důsledek: neredukovaná gameta, po oplození triploidie

Chyby v mitóze – během ontogeneze Nondisjunkce (postzygotická) Opoždění v anafázi důsledek: mozaicismus – v organismu 2 nebo více linií buněk s různým karyotypem Endoreduplikace - dělení chromozomů bez dělení buňky tetraploidie (92 chromozomů)

Nondisjunkce v mitoze při vývoji organismu 46 47 45 vznik mozaiky - trizomie/normální chrom.vybavení Monozomie letální s vyjímkou gonozomu X – Turnerův sy.

Opoždění v anafázi při vývoji organismu 46 - X 45 Mozaika: normální buněčná linie a monozomická buněčná linie – letální Vyjímka je monozomie gonozomu X

Endoreduplikace – dělení jádra bez dělení buňky 46 92 tetraploidie

Chyby fertilizace, oplodnění Dispermie – oplození vajíčka 2 spermiemi triploididní zygota (= 69 chromozomů ) = mola částečná – inkompletní mola Vzniká též splynutím normálního haploidního vajíčka s diploidní, neredukovanou spermií (se 46 chromozomy) Chiméra – dvojí oplození a splynutí zygot oplození vajíčka a oplození pólového tělíska spermiemi s odlišným gonozomem

Chyby fertilizace, oplodnění 23,X 46XX 23X 69XXY 23Y 23X oplození Dispermie - oplození vajíčka 2 spermiemi

oplození vajíčka a polového tělíska – vznik chimery 23, X 23,X 46XX/46XY 23Y 23X oplození vajíčka a polového tělíska – vznik chimery

Hydatiformní mola - kompletní – kompletní (hypertrofie trofoblastu bez přítomnosti fetální tkáně) karyotyp 46,XX (XY), pouze samčí sada chromozomů!!!!!!! a) duplikace chromozomů spermie v enukleovaném vajíčku (90%) b) dispermie v enukleovaném vajíčku - (10%)

Mechanizmy vzniku úplné moly 46XY 23X 23Y Duplikace chromozomů 46XX 23X Mechanizmy vzniku úplné moly

Partenogeneze ovariální teratom původ z oocytů po prvním meiotickém dělení- duplikace samičí sady chromozomů (dělení neoplozeného vajíčka) karyotyp buněk benigního tumoru je 46,XX přítomnost různých druhů tkání (kůže, chrupavka, štítná žláza atd.)

E. Kočárek: Genetika, Scientia 2004, kapitola 2 E. Kočárek: Genetika, Scientia 2004, kapitola 2.: každá buňka pochází z buňky, kapitola 21.: Otázky kolem nádorových onemocnění D.J. Pritchard: Lékařská genetika, kapitola 9.: Buněčný cyklus, kapitola 10.: Gametogeneze, kapitola 31.: Molekulární biologie nádorového bujení