16.1

16. buněčný cyklus a jeho regulace

            Rozdělení mateřské buňky ve dvě buňky dceřiné je následováno růstem dceřiných buněk a jejich novým dělením. Během růstu buňky probíhá příprava na její příští rozdělení. Tyto růstové procesy zahrnují celou řadu dílčích dějů, které ve sém celku vedou k přírůstku všech buněčných struktur (ke zdvojení „buněčné hmoty“) a ke zdvojení genetického základu buňky. Sled těchto procesů, které začínají v okamžiku rozdělení buňky a končí jejím rozdělením, nazýváme buněčný cyklus.

            Fáze buněčného cyklu – základními fázemi jsou G₁-fáze, S-fáze, G₂-fáze, M-fáze. Hlavním kritériem tohoto dělení cyklu na čtyři fáze jsou dvě nápadné události: replikace jaderné DNA a rozdělení jádra (mitóza) spojené zpravidla s rozdělením buňky (cytokineze). Časové trvání všech fází dohromady označujeme jako délku buněčného cyklu nebo jako generační dobu buňky. Užívá se ještě pojem interfáze, což je období mezi dvěma mitózami. Buňky, u nichž byla reprodukce zastavena, jsou buňky klidové.

G₀-fáze – fáze, kdy se buňka již dále nedělí, zastavení buněčného cyklu. Setkáváme se s ní u diferencovaných buněk. Její nástup je ovlivněn kontrolním uzlem, umístěným na počátku G₁-fáze. Pokud se již buňka nemá dále dělit, vstoupí do G₀-fáze, místo do G₁-fáze. Plně diferencované buňky (neurony) se dále již nedělí. Naopak některé jiné buňky (hepatocyty) jsou schopny v případě potřeby přejít z G₀-fáze do G₁-fáze a začít se opět dělit.

G₁-fáze – začíná v okamžiku, kdy se po rozdělení mateřské buňky stává dceřiná buňka soustavou schopnou samostatné existence a končí zahájením replikace jaderné DNA. Časový úsek není u různých buněk stejný, u živočišných buněk pravidelně se dělících tvoří 30-40 % časového trvání celého buněčného cyklu (9 hodin). Ze všech fází je nejvariabilnější. Různá délka generační doby buňky, způsobená vlivem vnějších podmínek, se odráží zde. Již zde dochází v podstatě ke zdvojení „buněčné hmoty“. Probíhají intenzivně syntetické procesy, zejména syntéza RNA a proteinů, které vedou k přírůstku suché hmotnosti buňky, tj. buňka roste. Zvětšuje se počet většiny buněčných struktur, jako ribosomů, mitochondrií, ER atd. Vytváří se zásoba nukleotidů a syntezují se enzymy pro budoucí replikaci jaderné DNA. Leží zde hlavní kontrolní uzel celého buněčného cyklu. Dochází zde k opravám poškozeného genomu

S-fáze­ – časová etapa cyklu, kdy probíhá replikace jaderné DNA. U různých buněk různé, ale u dané buňky konstantní (30-50 % - 10 hodin). Replikace nejaderné DNA (mitochondriální, chloroplastové) není ve většině případů synchronizována s S-fází, ale probíhá během celého cyklu souběžně s tím, jak se počet struktur s nejadernými chromosomy zmnožuje. I během G₁-fáze můžeme zjistit v jádře určitý objem syntézy DNA. Tato je však spojena s reparačními procesy, které odstraňují většinu genových mutací. Tato syntéza DNA bývá označována jako neprogramovaná. Jakmile je replikace DNA skončena, obsahuje jádro dvojnásobné množství DNA. Každý chromosom je vlastně již zdvojen, ač oba nové chromosomy (chromatidy) zůstávají spojeny v místě centromery. Po skončení S-fáze má tedy buňka dvojnásobný počet genů.

G₂-fáze – nastupuje po S-fázi a končí zahájením mitózy.  Délka je krátká, asi 10-20 % (4,5 hodiny) trvání celého cyklu. Pokračuje růst buňky podmíněný intenzívní syntézou proteinů a RNA a tvorbou buněčných struktur. Syntézy jsou rychlejší než v předchozích fázích. Leží zde další kontrolní uzel, který rozhoduje o tom, zda buňky do mitózy skutečně vstoupí.

M-fáze­ – poslední etapa buněčného cyklu, která je zpravidla zakončena vlastním rozdělením buňky, tj. cytokinezí. Za začátek považujeme chování jádra, zejména nástup strukturních změn chromosomů, tedy jejich kondenzace, rozpad jaderné membrány a vytváření mitotického aparátu. Její trvání je relativně konstantní a krátké, zaujímá asi 5-10 % cyklu. Ustává tvorba RNA. Tvoří ji rozdělení jádra (mitóza) a rozdělení buňky (cytokineze). Mitóza je velmi složitý proces, jehož smyslem je rozdělit replikované chromosomy tak, aby obě dceřiné buňky získaly jejich kompletní sady. U buněk prokaryontních, které obsahují jeden chromosom, je také mechanismus zajišťující rozchod chromosomů podstatně jednodušší. Bakteriální chromosom je připojen na specifické místo plazmatické membrány přibližně uprostřed buňky. po jeho zdvojení (po replikaci DNA) jsou oba chromosomy přichyceny svým replikačním počátkem vedle sebe. Růstem membrány v místě mezi příchytnými místy se oba chromosomy od sebe oddalují. Profáze, prometafáze, metafáze, anafáze, telofáze.

            Regulace buněčného cyklu – k přerušení buněčného cyklu může dojít: buňka se nenachází v podmínkách, které reprodukci umožňují (nedostatek zdrojů látek a energie). Je-li buňka subsystémem vyššího organismu, pak udržování počtu tkáňových buněk na jisté výši je podmínkou integrity organismu (regulace; pozitivní i negativní). Buněčný cyklus může být ovšem zastavován i faktory (látkami) – cytostatika.

Ovlivnění vnějšími faktory – vnější podmínky mohou buněčný cyklus ovlivnit buď kvantitativně (délka cyklu) nebo kvalitativně (zastavují nebo zahajují). Rychlost cyklu může ovlivnit nižší či vyšší teplota prostředí (dělí se pomaleji), nedostatek živin v prostředí, zplodiny metabolismu. Kvalitativně nejčastěji přítomnost či nepřítomnost těch látek, které musí buňka přijímat. Jestliže dojde k náhlému nedostatku některé z esenciálních živin v prostředí (např. zdrojů uhlíku a dusíku), nezastaví se okamžitě buněčný cyklus v tom stadiu, ve kterém se nachází. Když dojde do kontrolního bodu G₁-fáze, cyklus se zastaví. Toto můžeme využít k synchronizaci buněk dané populace. Buňky se dostanou do média, které způsobí zastavení v G₁-fázi a po přidání živin se cyklus obnoví.

Kontrolní body – kontrolní bod G₁ – zde se rozhoduje, zda se bude buňka dělit, jestli bude dělení oddáleno, nebo buňka vstoupí do klidové fáze. Restrikční bod je řízen inhibitorem CDK4/6, který znemožňuje interakci s cyklinem D. Pokud je zvýšená exprese cyklinu D (růstovými faktory), dojde ke vzniku komplexu CDK4/6-cyklin D, fosforylaci Rb proteinu a aktivaci transkripčního faktoru, který umožní expresi cyklinu E, který s CDK2 umožní přechod do S-fáze.

Kontrolní bod G₂ – rozhodování o vstupu do mitózy. Když je překonán, jsou CDK spojené s tímto kontrolním bodem aktivovány fosforylací zprostředkovanou komplexem MPF (mitosis promoting factor). Uplatňuje se zde i komplex CDK1-cyklin B. Zastaví se zde cyklus, není-li dokončena replikace DNA nebo je-li DNA poškozena.

Kontrolní bod v anafázi – na konci metafáze je pro správný rozchod chromozomů nezbytná kontrola, jsou-li všechny chromozomy navázány na kinetochorové mikrotubuly dělícího vřeténka. Dochází k degradaci cyklinu B, který inhiboval APC (anaphase promoting complex). APC degraduje sekurin, který inhiboval separázu, která odděluje sesterstké chromatidy. SAC (spindle assembly checkpoint) – zabraňuje anafázi, než dojde ke správnému napojení na kinetochorové mikrotubuly.