For at cellesyklusen skal gjennomføres trygt og nøyaktig, har cellen innebygde sjekkpunkter – mekanismer som overvåker og kontrollerer at alt går som det skal før cellen får lov til å gå videre til neste fase.
Disse sjekkpunktene fungerer som molekylære bremser: de stopper cellesyklusen midlertidig dersom noe ikke er klart – for eksempel hvis DNA ikke er ferdig kopiert, hvis det er oppstått skader, eller hvis kromosomene ikke er riktig festet til spindelapparatet.
Formålet med sjekkpunktene er å:
- Forebygge feil i celledelingen
- Hindre opphopning av mutasjoner
- Forhindre ukontrollert celledeling, som kan føre til utvikling av kreft
Bare når cellen har bestått kontrollen, får den grønt lys til å gå videre. Hvis feil oppdages, kan cellen enten reparere skaden, vente, eller – hvis skaden er alvorlig – gå inn i programmert celledød (apoptose).
Tre hovedsjekkpunkter i cellesyklus:
G1/S-fase overgang:
Det første store kontrollpunktet i cellesyklusen finnes i overgangen mellom G1-fasen og S-fasen.
Dette sjekkpunktet avgjør om cellen i det hele tatt skal gå videre og starte prosessen med å kopiere sitt DNA. Mange omtaler det som en slags “start-knapp” for celledeling.
Her vurderer cellen både indre og ytre signaler. Den spør:
– Er miljøet rundt gunstig?
– Er det nok næringsstoffer og energi tilgjengelig?
– Er DNA-et intakt?
– Er det signaler fra andre celler (for eksempel veksthormoner) som tilsier at det er nødvendig å dele seg?
Hvis svaret på disse spørsmålene er ja, begynner cellen å produsere et viktig signalprotein kalt cyklin D. Cyklin D fungerer som en slags nøkkel, som aktiverer spesifikke enzymer kalt CDK4 og CDK6 (cyclin-dependent kinases). Dette er en slags proteiner som fosforylerer andre proteiner. Og for at disse skal funke og aktiveres, må de ha syklin bundet til der, derav navnet cyklin avhengig kinase. Om dere har glemt det fra biokjemien så er kinase rett og slett et protein som har i hovedoppgave og koble fosfat på andre molekyler.
Når disse enzymene aktiveres, starter en kjedereaksjon som forbereder cellen på DNA-replikasjon.
Når cellen har passert dette sjekkpunktet, er den som regel forpliktet til å fullføre hele cellesyklusen – det er lite sannsynlig at den snur.
Derfor er G1/S-sjekkpunktet et viktig sted for kroppen å regulere celledeling og hindre unødvendig eller skadelig vekst.
G2/M-fase overgang:
Det andre store kontrollpunktet i cellesyklusen finner vi i overgangen fra G2-fasen til M-fasen. Her vurderer cellen om den virkelig er klar til å gå inn i mitose – altså å begynne selve delingsprosessen.
Dette sjekkpunktet stiller cellen overfor noen kritiske spørsmål:
– Er DNA-replikasjonen fullført?
– Har det oppstått DNA-skader underveis som må repareres?
– Har cellen tilstrekkelig størrelse og ressurser til å dele seg?
Hvis svaret på disse spørsmålene er ja, kan cellen aktivere de proteinene som er nødvendige for å starte mitosen. En sentral del av denne reguleringen skjer gjennom fosforylering og defosforylering – altså påkobling og fjerning av fosfatgrupper på nøkkelproteiner.
Spesielt viktig her er enzymet CDK1 (cyclin-dependent kinase 1), som må aktiveres for at mitose skal begynne. Aktiviteten til CDK1 reguleres på to måter(dette kommer vi mer inn på lenger nede):
- Wee1, et hemmende enzym, fosforylerer CDK1 og holder det inaktivt når forholdene ikke er gunstige
- Cdc25, en fosfatase, fjerner de hemmende fosfatgruppene og aktiverer CDK1 når cellen er klar
Denne fine balansen mellom hemming og aktivering sørger for at cellen ikke går inn i mitose for tidlig, og gir tid til å reparere eventuelle feil. Dersom kontrollen svikter her, risikerer cellen å dele seg med skadet eller ufullstendig DNA – noe som kan bidra til utvikling av sykdommer som kreft.
Om det var vanskelig å forstå CDK, så skal jeg straks forklare det enda bedre.
Mitotisk sjekkpunkt
Nå har vi gjennomgått sjekkpunkter i selve interfasen. Men vi har også sjekkpunkt i mitosen!
Overgangen fra metafase til anafase er et kritisk punkt i celledelingen. Her står cellen overfor et viktig valg: Er alt klart for å trekke kromosomene fra hverandre – eller må den vente?
I metafasen ligger alle kromosomene oppstilt i en nøytral linje midt i cellen, kjent som metafaseplaten. Men før cellen får grønt lys til å gå videre, må den kontrollere at alle kromosomene er riktig festet til det mitotiske spindelapparatet. Dette er avgjørende for å opprettholde genomisk stabilitet og hindre feil som kan føre til unormal cellevekst eller kreft.
Det mitotiske spindelapparatet består av mikrotubuli som vokser ut fra hver sin pol i cellen.
For at kromosomene skal kunne trekkes presist fra hverandre, må hver søsterkromatid være festet til mikrotubuli fra motsatt pol gjennom en struktur kalt kinetokor, som sitter på centromeret. Om dette kjennes utfordrenede å forstå, står det mer grundig forklart i Mitose og meiose. Hovedpoenget er at det er et sjekkpunkt som passer på at alle tråder er koblet riktig, før det trekkes fra hverandre og deles inn i to celler.
Dersom ett eller flere kromosomer ikke er riktig koblet, stanser cellesyklusen opp.
Det er for risikabelt å gå videre før hver eneste kobling er korrekt. For å overvåke dette, har cellen et kontrollsystem kjent som spindelsjekkpunktet – en form for molekylær kvalitetskontroll som kontinuerlig sjekker disse festepunktene. Da “strekker” den litt i spindelet (trådene) for å sjekke om alt virker rett. Dette skjer rett før vi går over i anafase.
APC/C – det molekylære klarsignalet
Når alle kromosomene er riktig festet og i balanse mellom polene, sendes et signal som aktiverer et stort enzymkompleks: Anaphase Promoting Complex/Cyclosome (APC/C).
Dette komplekset fungerer som en biokjemisk bryter og markerer spesifikke regulatoriske proteiner for nedbrytning gjennom ubiquitinering. Det var en slitsom setning. Poenget er at det er et viktig enzym som setter merkelapper på andre molekyler som gjør at molekylet sendes til nedbrytning.
Dermed er APC/C sin viktigste rolle rett og slett hjelpe å bryte ned stoffer, ved å markere de slik at de “spises” opp av proteaser.
To av de viktigste målene er:
- Securin, som holder enzymet separase inaktivt. Dette er veldig essensielt i mitosen, og da selve segregeringen av søsterkromatidene. Da spesifikt i anafase.
- Sykliner, som regulerer CDK-aktivitet og fremdrift i cellesyklusen. Og dette er selvsagt veldig relevant her, da vi må bryte ned sykliner i faser, for å regulere cellesyklusen.
Når APC/C bryter ned securin, frigjøres separase.
Det kløyver proteinbåndene som holder søsterkromatidene sammen – de såkalte cohesin-kompleksene. Først da kan kromatidene bevege seg fritt mot hver sin cellepol, og anafase begynner.
Hvis kromosomene deles feil, kan dattercellene få for mye eller for lite genetisk materiale, noe som kan føre til celledød eller utvikling av genetiske sykdommer og kreft.
CDK og sykliner
Hva er CDK?
CDK står for cyclin-dependent kinase. Dette er en gruppe enzymer – altså proteiner med katalytisk aktivitet – som spiller en avgjørende rolle i reguleringen av cellesyklusen. De er avhengige av å binde seg til et annet protein, et syklin, for å bli aktive.
I utgangspunktet er CDK-ene inaktive, selv om de finnes i cellen.
Det er først når de binder seg til sitt spesifikke syklin at enzymets struktur endres, og det får evnen til å fosforylere målproteiner – det vil si å feste fosfatgrupper til andre proteiner.
Dette fungerer som en slags biokjemisk “av/på”-bryter som setter i gang eller endrer aktivitet i de proteinene som regulerer cellesyklusens framdrift.
Sykliner
Sykliner er en familie av proteiner som ikke har enzymaktivitet selv. Deres hovedfunksjon er å binde og aktivere CDK-ene. Hvilket syklin som produseres, avhenger av hvor i cellesyklusen cellen befinner seg. For eksempel produseres syklin D i G1-fasen, mens syklin B øker mot slutten av G2-fasen.
Navnet “syklin” kommer nettopp av at disse proteinene kommer og går i et syklisk mønster – nivåene deres stiger og faller til bestemte tider, og de brytes raskt ned når oppgaven deres er fullført.
Sykliner går i syklus
I motsetning til CDK-ene, som er til stede hele tiden, er nivåene av sykliner nøye regulert og varierer gjennom cellesyklusen. Dette gjør at cellen kan kontrollere nøyaktig når en bestemt CDK skal være aktiv.
Produksjonen av sykliner skjer ved behov, styrt av transkripsjonsfaktorer som aktiveres av signaler både fra cellens omgivelser og dens indre tilstand. Når et syklin har gjort jobben sin – for eksempel hjulpet cellen gjennom en fase – brytes det raskt ned. Dette skjer gjennom et nøye kontrollert system:
- Syklinet ubiquitineres, altså merkes med små proteiner (ubiquitin)
- Det sendes til proteasomet, cellens “makuleringsmaskin”, hvor det brytes ned
- Dette fører til at CDK-aktiviteten avtar, og cellesyklusen kan gå videre – eller stoppe
Et tydelig eksempel på dette er ved slutten av mitosen, hvor enzymkomplekset APC/C aktiveres. APC/C sørger for at flere sykliner – spesielt syklin B – blir ubiquitinert og fjernet.
Dette avslutter mitosen, reduserer CDK-aktivitet, og lar cellen gå tilbake til G1 eller inn i G0-fasen (hvile).
Kontroll av CDK-aktivitet
Celler bruker flere lag med regulering for å sikre at CDK bare er aktiv når forholdene er riktige. De tre viktigste mekanismene er:
1. Syklinbinding
CDK-er finnes i cellen gjennom hele cellesyklusen, men de er som sagt inaktive alene. For å fungere må de binde seg til et spesifikt syklin, et protein som produseres og nedbrytes i bestemte faser. Når syklin binder til CDK, endres enzymets struktur, slik at det kan fosforylere målproteiner. Dette gir retning og fremdrift i cellesyklusen.
Men selv med syklin til stede, trengs det ytterligere kontroll.
CDK må også reguleres kjemisk.
2. Fosforylering og defosforylering
Et CDK–syklin-kompleks er ikke nødvendigvis aktivt selv om det er dannet.
Det kan holdes inaktivt ved at en hemmende fosfatgruppe legges på et bestemt sted i enzymet.
- Wee1 er et enzym (en kinase) som hemmer CDK ved å fosforylere det.
- Cdc25 er en fosfatase som aktiverer CDK ved å fjerne denne fosfatgruppen.
Denne balansen mellom Wee1 og Cdc25 er spesielt viktig i G2/M-overgangen, der cellen må være helt sikker på at alt DNA er korrekt kopiert før den får gå videre til mitose.
3. Inhibitorproteiner (CKI-er)
I tillegg til fosforylering, finnes det proteiner som binder seg direkte til CDK–syklin-komplekset og hemmer det mekanisk. Disse kalles CDK-inhibitorproteiner (CKI-er). De virker ofte i G1-fasen, hvor cellen vurderer om den i det hele tatt skal starte deling.
CKI-er er spesielt viktige ved DNA-skade eller andre stressignaler, og sørger for at cellen kan stoppe og reparere før den går videre. Viktige eksempler på CKI-er er:
- p21
- p27
- p16
Forskjellen mellom de tre reguleringsmekanismene
| Mekanisme | Type regulering | Hvordan det virker | Eksempel |
|---|---|---|---|
| 1. Syklinbinding | Strukturell (aktivering) | Syklin binder til CDK og endrer formen på enzymet slik at det kan bli aktivt | Syklin D + CDK4 i G1-fasen |
| 2. Fosforylering / defosforylering | Kjemisk (reversibel) | Fosfatgrupper legges på eller fjernes – slår CDK av/på som en bryter | Wee1 (hemming), Cdc25 (aktivering) |
| 3. CKI (inhibitorproteiner) | Fysisk / mekanisk (blokkerende) | CKI binder direkte til CDK–syklin-komplekset og blokkerer funksjonen | p21 hemmer CDK2–syklin E ved DNA-skade |
Hvordan eksterne signaler styrer cellesyklusen – veien fra G1 til S-fase
Celler lever ikke isolert. De står i kontinuerlig kontakt med omgivelsene, og tar imot signaler fra vekstfaktorer, naboceller og miljøet. Noen signaler forteller cellen at den skal dele seg – disse kalles mitogener. Men et mitogen alene får ikke cellen til å hoppe rett inn i celledeling. I stedet starter det en hel signal- og reguleringskjede som leder frem mot en viktig beslutning: skal cellen gå videre til DNA-replikasjon og starte S-fasen?
Denne prosessen – overgangen fra G1 til S-fase – er nøye kontrollert og involverer tre overordnede trinn: signaltransduksjon, genregulering og syklusaktivering.
1. Signaltransduksjon – budskapet fanges opp
Det hele starter når et mitogen binder seg til sin spesifikke reseptor på celleoverflaten.
Dette aktiverer en signalkaskade inne i cellen, der Ras-proteinet står sentralt.
Ras videreformidler signalet ved å aktivere en gruppe enzymer kalt MAP-kinaser, som igjen fosforylerer transkripsjonsfaktorer.
Disse fosforylerte faktorene vandrer inn i cellekjernen og setter i gang transkripsjon av gener som trengs for å drive cellen videre.
2. Genregulering – cellekjernen tar styring
I kjernen aktiveres såkalte umiddelbare tidlige gener, som raskt gir opphav til proteiner som Myc – en nøkkelregulator i kontrollen av cellevekst. Myc fungerer som en transkripsjonsfaktor og aktiverer igjen en rekke forsinkede gener, som blant annet koder for komponenter som driver cellesyklusen fremover, deriblant cykliner og CDK-er.
3. Aktivering av cellesyklus
For at en celle skal gå fra hvile til deling, må den først få et signal om å starte.
Dette signalet kan komme fra vekstfaktorer i miljøet, og fører til aktivering av transkripsjonsfaktoren Myc.
Myc regulerer en rekke gener som til sammen forbereder cellen på deling.
Blant disse genene finner vi flere som stimulerer produksjonen av G1-CDK-komplekser, spesielt syklin D–CDK4/6.
Rb
Et viktig mål for G1-CDK-komplekset er Rb-proteinet (retinoblastoma-protein).
Når Rb er ufosforylert, fungerer det som en brems:
– Det binder og hemmer E2F, en transkripsjonsfaktor som trengs for å aktivere gener involvert i DNA-replikasjon.
Men når CDK-komplekset fosforylerer Rb, endrer proteinet form og slipper E2F fri.
Dette er et kritisk vendepunkt i cellesyklusen.
E2F
Når E2F er frigjort, skrur det på uttrykket av en rekke gener som er nødvendige for at cellen skal gå inn i S-fasen. Dette inkluderer gener som koder for:
- G1/S-CDK-komplekser (som syklin E–CDK2)
- S-CDK-komplekser (som syklin A–CDK2)
- Enzymer og proteiner som trengs for DNA-replikasjon
Dermed skapes en positiv tilbakekobling: Mer CDK → mer Rb-fosforylering → mer E2F → mer CDK. På denne måten går cellen fra forberedelse til handling. Den passerer G1/S-kontrollpunktet, og starter DNA-syntesen i S-fasen.
Dette er en form for positiv tilbakekobling: mer CDK-aktivitet fører til mer Rb-fosforylering, som frigjør mer E2F, som igjen øker produksjonen av sykliner og CDK-er.
Denne selvforsterkende mekanismen gjør at cellen ikke nøler, men går raskt og målrettet videre inn i S-fasen – og forplikter seg dermed til å fullføre cellesyklusen.
Hvorfor regulering er helt nødvendig
I en kompleks organisme som mennesket, er det helt avgjørende at cellene bare deler seg når det er behov. Under fosterutviklingen er rask celledeling nødvendig for vekst og formdannelse. I voksen alder skjer celledeling først og fremst for å erstatte celler som naturlig dør, som hudceller, blodceller og celler i tarmepitelet – eller ved reparasjon av skader.
Men dersom cellesyklusen ikke reguleres korrekt, kan cellene begynne å dele seg uten kontroll. Ukontrollert celledeling er et grunnleggende kjennetegn ved kreft.
p53
Et av de viktigste proteinene for å hindre ukontrollert vekst er p53.
Dette proteinet fungerer som en slags overvåker i cellen – det registrerer DNA-skader og annen cellulær stress, og avgjør hvordan cellen skal svare.
Ved skade på DNA aktiveres p53, og det kan:
- Stanse cellesyklusen midlertidig ved å aktivere CDK-hemmere (som p21), slik at cellen får tid til å reparere
- Aktivere DNA-reparasjonsgener
- Indusere celledød (apoptose) hvis skaden er for omfattende
På denne måten beskytter p53 organismen mot mutasjoner og genomisk ustabilitet.
Dessverre er p53 mutert eller inaktivt i over halvparten av alle kreftformer. Uten funksjonell p53 mister cellen evnen til å respondere på DNA-skade, og cellesyklusen kan fortsette selv om genetisk materiale er ødelagt. Dette fører til akkumulering av mutasjoner, og øker risikoen for videre utvikling av kreft.
Regulering = beskyttelse
Flere andre proteiner fungerer sammen med p53 for å holde cellesyklusen under kontroll, blant annet Rb og ulike CDK-hemmere (CKI-er) som p16, p21 og p27. Når disse systemene svikter – enten ved mutasjon, tap av funksjon eller overaktivering av vekstsignaler – kan celler begynne å vokse ukontrollert.
Derfor er regulering av cellesyklusen helt avgjørende for både normal utvikling, vevsvedlikehold og forebygging av kreft.
Medisinsk relevans – når vi angriper cellesyklus
Fordi mange kreftformer skyldes svikt i cellesyklusens regulering, brukes dette som angrepspunkt i moderne behandling.
- Taksaner (f.eks. paklitaksel) er cellegift som hindrer mikrotubuli i å brytes ned. Uten dynamisk omorganisering av mikrotubuli, kan ikke kromosomene separeres i anafase – og cellen dør midt i mitosen. Dette rammer både kreftceller og normale celler som deler seg raskt.
- CDK-hemmere, som palbociklib og ribociklib, brukes i behandling av visse brystkrefttyper. Disse hemmer CDK4 og CDK6, og blokkerer dermed G1/S-overgangen. Resultatet er at cellene stopper opp før de rekker å kopiere DNA-et sitt – og får ikke gjennomført ny deling.
Ankikort
Tomt! Kommer etterhvert.
Eksamensoppgaver
Dette er tidligere gitte eksamensoppgaver på NTNU.