0
9328

Белок pRb. Влияние на старение клетки

Для гена Rb, существование которого было впервые постулировано в 1971г., который был клонирован в 1986г., и с тех пор интенсивно изучался, казалось бы, не должны было остаться «темных пятен». Однако, белок pRb до сих пор привлекает внимание ученых благодаря своим новым функциям, открытым в последние годы. Одной из такой функций является регуляция старения клетки.

на сайте с 15 января 2009

Введение

Ген Rb (retinoblastoma gene) функционально инактивирован в большинстве новообразований человека. Инактивация может осуществляться либо непосредственно мутацией гена Rb (ретинобластома, остеосаркома, мелкоклеточный рак легкого), либо посредством изменения экспрессии/активности вышестоящих регуляторов. Данные регуляторы включают в себя циклин D1 при раке груди, CDK4 при глиобластомах, Bmi-1 при лимфомах, p16/INK4A (отсутствие экспрессии) при меланоме.

Существование этого гена было постулировано в начале 1970-х г. доктором Альфредом Кнудсоном. Он отметил, что около 40% ретинобластом возникает в младенческом возрасте (средний возраст 14 месяцев). Если такие пациенты в результате хирургического вмешательства излечивались от ретинобластом,то у многих из них в юношеском возрасте развивались остеосаркомы, а в зрелом возрасте – меланомы кожи. При этом во многих случаях отмечался наследственный характер заболевания. Кнудсон сформулировал гипотезу, согласно которой, если дети наследуют мутантный аллель гена, позже названного Rb, то вторая мутация, происходящая уже в ретинобласте, ведет к возникновению опухоли. С помощью цитогенетических исследований было обнаружено, что при некоторых наследственных ретинобластомах происходят маленькие делеции в 13ой хромосоме. Было сделано предположение, что ген, ответственный за развитие опухоли локализуется именно в этом участке. Впоследствии Stephen H. Friend и др. с помощью позиционного клонирования этот ген
идентифицировали
. При этом при наследственных формах заболевания все клетки организма имели врожденные мутации этого гена. Экспрессии этого гена в культивируемых in vitro клетках ретинобластом и остеосарком приводила к торможению их роста. Так впервые было доказано существование генов, полная инактивация которых приводит к развитию новообразований и продукты которых способны подавить размножение неопластических клеток. Закономерности, выявленные при исследовании гена Rb, в частности, ассоциация с наследственными формами опухолей и необходимость поражения обоих аллелей, стали использоваться в качестве критериев при поиске и идентификации других опухолевых супрессоров.
Канцерогенез
Книга
Автор:
Под редакцией Д. Г. Заридзе
Цена:
1752.00 руб.
Вес:
930 г
развернуть
Книга является руководством по фундаментальной онкологии. В ней представлены современные сведения, касающиеся эпидемиологии рака, химического, вирусного и радиационного канцерогенеза. Подробно рассмотрены генетические механизмы малигнизации клетки и влияние экзогенных факторов на процесс канцерогенеза. Главы,...

Регуляция клеточного цикла белком pRb.


На клеточном уровне белок pRb контролирует G1 чекпойнт. Термин чекпойнт клеточного цикла (или сверочные точки) обозначает механизмы, способные останавливать клеточный цикл в определенных точках в ответ на различные повреждения. Эти системы достаточно консервативны в эволюции, что отражает их важность не только для конкретной особи, но и для популяции в целом. В случае возникновения каких-либо нарушений клетка приостанавливает продвижение по клеточному циклу. Иногда – на некоторое время, если последствия воздействий среды окажутся обратимыми. Иногда – навсегда, если последствия окажутся необратимыми. Подобные остановки и происходят в сверочных точках – чекпойнтах.


Клеточный цикл разделен на следующие фазы: G1 (gap1) – интервал между митозом (М) и синтезом ДНК (S). G2 разделяет фазы М и S. Во время фазы G1 активность клеточного механизма контролируется позитивными и негативными регуляторами. Некоторые из этих сигналов приходят от соседних клеток, другие отражают состояние самой клетки (повреждение ДНК, вызванное различными стрессами и др.). Из G1 клетки могут уходить в стадию покоя G0, дифференцировку или в апоптоз. Во время S фазы реплицируется ДНК. Фаза G2 ответственна за исправление ошибок репликации перед делением клеток (митозом). В течение митоза (М) образуется митотическое веретено, происходят сегрегация хромосом и клеточное деление.

Белок pRb, контролируя G1 чекпойнт и, таким образом, ингибируя вход в S фазу, влияет на терминальную дифференцировку и клеточное старение. На молекулярном уровне эти функции в большинстве своем зависят от репрессорной активности комплекса pRB-E2F и регулируются комплексами циклин-Cdk, которые играют основную роль в регуляции клеточного цикла. Комплекс циклин D-Cdk фосфорилирует белки семейства Rb, выключая, таким образом, их рост-ингибирующие функции. Сначала комплекс циклин D-Cdk4(6) фосфорилирует pRb по 608Ser, и от pRb отсоединяется гистонацетилаза, которая репресcировала транскрипцию, также происходит изменение ремоделирующих хроматин комплексов SWI/SNF. Активируется транскрипция гена циклина E. Образуется комплекс циклин E-Cdk2. Клетка переходит в позднюю G1 фазу. Образовавшийся комплекс циклин E-Cdk2 фосфорилирует pRb по 373Thr, 612Ser, 795Ser, в результате чего освобождаются транскрипционные факторы семейства E2F, которые, взаимодействуя с другими транскрипционными факторами, регулируют активность ряда генов, необходимых для начала и прохождения S фазы. Это – гены циклина А, ДНК-полимеразы α, дигидрофолатредуктазы, тимидинкиназы, фактора процессивности ДНК-полимераз δ. Также E2F-зависимым геном является ген циклина Е, то есть образуется регуляторная петля, поддерживающая необходимую активность транксприпционных факторов и регулируемых ими генов, что необходимо для репликации ДНК. При переходе в S фазу циклин Е быстро деградирует, и Cdk2 cвязывается с циклином А. Поздняя G2 и переход к митозу контролируется комплексом циклин B-Cdk1 (другое название Cdk1 - cdc2). Интересно, что среди E2F-зависимых генов, экспрессию которых подавляет pRb, обнаружены проапоптотические гены Apaf-1 и прокаспазы. Таким образом, длительная стимуляция Е2F за счет инактивации опухолевого супрессора pRb при неопластической трансформации клетки может приводить к апоптозу клетки, что представляет собой своеобразный механизм защиты организма от поврежденных клеток.


Два семейства белков являются супрессорами Cdk. Это семейства INK4 и Cip/Kip. Белки INK4 обладают достаточно узкой специфичностью: они связывают Cdk4 и Cdk6, препятствуя образованию их комплексов с циклином D. Семейство Cip/Kip состоит из трех членов – p21waf1 (другое название - Cip1), p27Kip1 и p57Kip2. Общим для всех Cdk свойством Cip/Kip является то, что они связывают как сформированные комплексы циклин-Сdk, так и их отдельные компоненты, стимулируя, таким образом, формирование комплексов. Однако, не для всех Сdk связывание Cip/Kip влечет за собой ингибирование активности. Так, для комплексов циклин A-Сdk2 и циклин E-Сdk2, белки Cip/Kip действительно являются сильнейшими ингибиторами. В то же время на комплекс циклин D-Сdk4(6) эти же белки, наоборот, оказывают активирующее воздействие и необходимы для транспорта этого комплекса в ядро.


Клетки организмов с обновляющимися тканями способны приостанавливать свое продвижение по клеточному циклу в ответ на разнообразные внешние стрессы: нарушения теломер, повреждения ДНК и хроматина. Подобные стрессы могут приводить к состоянию клеток, которое называется клеточное старение. Этот процесс контролируется опухолевыми супрессорами р53 и pRb, представляя собой противораковый механизм. Несмотря на это, стареющие клетки приобретают фенотипические изменения, которые могут приводить к различным заболеваниям, в том числе, опять же и к раку. Таким образом, старение представляет собой достаточно антагонистический процесс, с одной стороны, увеличивая выживаемость, снижая вероятность развития рака, а, с другой стороны, уменьшая продолжительность жизни за счет накопления стареющих клеток.

Инактивация р53 способна выводить клетки из состояния старения, однако, происходит это не во всех типах клеток. Подобные различия могут быть связаны с уровнем экспрессии белка p16, положительного регулятора pRb, являющегося опухолевым супрессором. Некоторые типы клеток способны спонтанно снижать уровень экспрессии р16, как правило, за счет метилирования промотора. В подобных клетках состояние клеточного старения под воздействием повреждения ДНК развивается по р53-зависимому механизму. Тем не менее, механизм p16/pRb также имеет место быть в некоторых клетках, и уровень p16 поднимается при репликативном старении. В лаборатории доктора Judith Campisi из Lawrence Berkeley National Laboratory показали, что р16 препятствует выходу клеток из состоянии клеточного старения при инактивации р53, а также он необходим при RAS-вызванном клеточном старении.

В лаборатории Scott Lowe из Cold Spring Harbor Laboratory продемонстрировали, что механизм р16/pRb может влиять на переход клетки в состояние старения за счет pRb-зависимой реорганизации хроматина. За счет pRb-зависимого образования гетерохроматина происходить репрессия генов, кодирующих циклины и другие позитивные регуляторы клеточного цикла. Многие из этих генов являются транскрипционными мишенями факторов транскрипции семейства E2F, которые неактивны в комплексе с pRb. Несмотря на то, что pRb устанавливает репрессивное состояние хроматина в своих локусах-мишенях, полагают, что поддержание состояние гетехроматина не требует наличия активности pRb или р16. Это предположение объясняет достаточно высокую стабильность состояния клеточного старения, обусловленного механизмом p16/pRb. Помимо ингибирования транскрипции одних генов-мишеней pRb-механизм способен индуцировать экспрессию других генов. Детально этот аспект еще не изучен, однако, считается, что подобная активация может осуществляться непрямым способом, а через ингибирование соответствующих репрессоров. Исследователи под руководством Stanley N. Cohen из Stanford University School of Medicine показали, что многие гены, активность которых увеличивается при старении, близко расположены в локусах хромосом.


В лаборатории Charles J. Sherr из St Jude Children's Research Hospital обнаружено, что при старении увеличивается уровень экспрессии р16, позитивного регулятора pRb, а также доля р16-положительных клеток во многих тканях мыши и крысы. Ограничение потребления калорий, замедляющее старение у различных видов организмов, снижает активность р16. Поскольку р16 активирует pRb, эти данные подтверждают гипотезу о том, что pRb-механизм, подобно р53-механизму, приводит к старению организма, за счет развития клеточного старения.

Отличия в регуляции pRb в клетках млекопитающих различного происхождения.

Регуляция клеточного цикла имеет свои особенности в клетках различного происхождения. Эти отличия могут касаться клеток одного типа разных организмов или клеток разного типа одного и того же организма. В первом случае можно привести в качестве примера отличия в регуляции клеточных циклов фибробластов мыши и человека. У мышей система антиоксидантной защиты работает хуже, чем у человека, что приводит к быстрому накоплению повреждений ДНК. Существует гипотеза, что у мышей, в отличие от человека, репликативное старение не связано с длиной теломер. Также стволовые клетки приматов отличаются от стволовых клеток мышей по характеру экспрессии циклина А. В то время как у мышей в течение всего клеточного цикла существует перманентная экспрессия циклинов Е и А, у приматов постоянно активен только циклин Е.

Отличия в регуляции клеточного цикла в клетках разного типа одного и того же организма хорошо выявляются на примере фибробластов и эмбриональных стволовых клетках (ES), клеток, обладающих
плюрипотентностью, то есть способностью развиваться в любую клетку организма.

Особенностями регуляции клеточного цикла ES клеток по сравнению с рядом других типов клеток, в частности фибробластами, являются: а) практически полное отсутствие G1 фазы и G1 чекпойнта, что обуславливается функционированием белка Rb в ES клетках б) постоянная активация комплекса циклин Е-Сdk2, не зависящая от МАР-киназного каскада, что приводит к перманентно гиперфосфорилированному белку Rb.

Особенности функционирования pRb в ES-клетках


Пролиферация большинства типов клеток, в первую очередь, контролируется во время прохождения G1 фазы и входа в S фазу. Белки семейства pRb являются необходимыми компонентами контроля G1/S перехода. Активность pRb регулируется фосфорилированием: гипофосфорилированный pRb ингибирует экспрессию генов, необходимых для входа в S фазу. Во время G1 Rb фосфорилируется комплексами циклин-Cdk. В отличие от этого в ES клетках pRb фосфорилируется непосредственно сразу после митоза (статья Signalling, cell cycle and pluripotency in embryonic stem cells). Спорным остается вопрос: регулируются ли ES клетки белком pRb или этот белок в ES клетках функционально инактивирован гиперфосфорилированием. В дополнению к pRb ES клетки экспрессируют его гомолог р107, но не гомолог р130. Ряд фактов указывает на то, что pRb не регулирует клеточный цикл в эмбриональных стволовых клетках. Во-первых, ES-клетки невосприимчивы к действию ингибитора Cdk4(6) – p16INK4a. Устойчивость к p16INK4a является характерным свойством многих опухолевых клеток, в которых нарушено функционирование сигнального пути рRb. Отсутствие LIF (leukaemia inhibitory factor), фактора стимулирующего обновление ES клеток, и последующая дифференцировка связаны с повышением чувствительности клеток к p16INK4a. Также на стимуляцию пролиферации ES влияет фактор Eras. Таким образом, возможность остановки в G1 фазе появляется у ES только с началом дифференцировки. Во-вторых, в лаборатории Tyler Jacks показали, что инактивирующие повреждения всех трех генов семейства рRb (triple knockout (TKO) cells) не влияют на пролиферацию клеток, но способны уменьшать дифференцировку. Это также подтверждает, что рRb начинает контролировать клеточный цикл в ES-клетках только после вступления их в дифференцировку. В-третьих, существует некоторое сходство в репликативном поведении между ES-клетками и мышиными эмбриональными фибробластами (MEF) c TKO. И ES, и MEF-TKO не способны к остановке в G1 (G1 арест) в случае повреждений ДНК, хотя ES экспрессируют достаточное количество активного р53. В нормальных фибробластах к G1-аресту приводит увеличение количества p27Kip1, уменьшение количества циклина D и накопление гипофосфорилированного рRb. Кроме того, и ES, и MEF-TKO не подвержены репликативному старению, контактному торможению и являются "бессмертными". В других клетках репликативное старение и последующий за ним G1-арест осуществляются накоплением гипофосфорилированного pRb. Данное состояние pRb вызванно действиями ингибиторов Cdk: p16INK4а и р21Cip1. Несмотря на то, что ES и MEF-TKO не способны к G1-аресту, эти два типа клеток демонстрируют pRb-зависимый G2-арест.

Механизм, лежащий в основе функциональной инактивации pRb в ES-клетках, остается неясным. Возможны аналогии с опухолевыми клетками, в которых pRb может быть инактивирован гиперфосфорилированием в связи с перманентной экспрессией циклин-зависимых киназ циклин D-Сdk4(6) и/или циклин E-Сdk2.

Заключение

Подобно р53, pRb является важным регулятором клеточного старения. Сигнальный механизм p16/pRb/E2F контролирует прохождение клетки по клеточному циклу, интегрируя многочисленные пролиферативные и антипролиферативные сигналы. pRb выполняет противоположные функции. С одной стороны, является опухолевым супрессором, а, с другой стороны, способен подавлять апоптоз. Подобная "двойственность" могла возникнуть из-за того, что pRb поддерживает пул стволовых клеток, контролирует их дифференцировку, обеспечивая условия для выживания дифференцирующихся клеток как во время формирования и развития организма, так и в течение жизни для самообновления тканей организма.

Нерешенные вопросы

- Как разграничиваются противоположные функции pRb: опухолевый супрессор и подавление апоптоза?

- Для перехода клетки в состояние старения достаточно лишь pRb-зависимого механизма?

- При pRb-механизме экспрессия каких генов-мишеней приводит к состоянию старения?

- Какие существуют взаимодействия, регулирующие процессы клеточного старения, между pRb- и p53-механизмами?

Комментарии

22 марта 2014 в 12:27
 
Хай. Нашел ссылку на этот сайт у себя в френленте. Буду заходить чаще, потому http://writingworlds.com/ что занес ваш вебсайт в список своих закладок. Ваши статьи умно читать.

Оставить комментарий

Поделиться с друзьями

Share on Twitter