Циклины и регуляция клеточного цикла¶

Циклины — семейство белков, регулирующих прохождение клеткой последовательных фаз клеточного цикла. Они не обладают собственной ферментативной активностью, но связываются с циклинзависимыми киназами (CDK) и активируют их, обеспечивая фосфорилирование белков-мишеней. Концентрация циклинов в клетке периодически меняется: они синтезируются и разрушаются в строго определённые моменты цикла, что и дало название всему семейству. Циклины обнаружены у всех эукариот — от дрожжей до человека; у прокариот их аналогов нет.

¶История открытия

Ключевой вклад в изучение циклинов внёс британский биохимик Тим Хант, который в 1982 году работал с яйцеклетками морских ежей и обнаружил белок, чья концентрация циклически менялась в ходе делений. Название «циклин» предложил именно он. Позднее Ли Хартвелл и Пол Нёрс исследовали гены, контролирующие клеточный цикл у дрожжей, и выявили циклинзависимые киназы — партнёров циклинов. В 2001 году все трое получили Нобелевскую премию по физиологии и медицине «за открытие ключевых регуляторов клеточного цикла».

¶Механизм действия

Циклин работает как регуляторная субъединица гетеродимерного комплекса. Сам по себе он не фосфорилирует белки; каталитической активностью обладает CDK. Связывание с циклином меняет конформацию киназы, открывает её активный центр и делает возможным перенос фосфатной группы на остатки серина и треонина в белках-мишенях. Комплекс «циклин–CDK» фосфорилирует десятки субстратов: белки ядерной ламины, компоненты веретена деления, факторы транскрипции, регуляторы репликации ДНК.

Активность комплекса контролируется на нескольких уровнях:

• Синтез и деградация циклинов — основной механизм. Уровень белка растёт за счёт транскрипции и падает при убиквитин-зависимом расщеплении в протеасоме.
• Фосфорилирование самой CDK — активирующие и ингибирующие модификации.
• Связывание с ингибиторами CDK — белками семейств CIP/KIP и INK4, блокирующими комплекс.
• Локализация в клетке — часть циклинов должна попасть в ядро, чтобы работать.

¶Основные классы

Циклины делят на группы по фазе цикла, в которой они действуют, и по типу партнёрной киназы.

У дрожжей номенклатура иная: выделяют Cln-циклины (G1) и Clb-циклины (S и M). У растений набор шире и включает циклины типа D, A, B и других групп.

¶Фазы клеточного цикла

Клеточный цикл состоит из интерфазы (G1, S, G2) и митоза (M). Каждой фазе соответствует свой набор циклинов.

В фазе G1 клетка растёт и «решает», делиться ли ей. Циклины D накапливаются в ответ на внешние сигналы и активируют CDK4 и CDK6. Ключевой момент — прохождение так называемой точки рестрикции: после неё клетка уже не зависит от ростовых факторов и обязана завершить цикл. Здесь работает комплекс циклин E–CDK2.

В S-фазе удваивается ДНК. Циклин A в комплексе с CDK2 поддерживает репликацию и препятствует повторному запуску репликации на тех же участках.

В G2 клетка проверяет целостность ДНК. Циклины B накапливаются и образуют комплекс с CDK1 (у дрожжей — Cdc2). В момент перехода к митозу этот комплекс резко активируется, запуская конденсацию хроматина, распад ядерной оболочки и сборку веретена деления. После завершения метафазы циклин B быстро разрушается — это необходимое условие выхода из митоза.

¶Контрольные точки

Циклин-зависимая система тесно связана с контрольными точками — механизмами, приостанавливающими цикл при повреждениях. Белок p53 при обнаружении разрывов ДНК запускает синтез ингибитора p21, который блокирует комплексы циклин–CDK и останавливает цикл в G1. Это даёт время на репарацию; при неустранимых повреждениях включается апоптоз. Нарушение работы контрольных точек ведёт к накоплению мутаций.

¶Роль в патологии

Нарушения регуляции циклинов и их киназ характерны для опухолевых клеток. Амплификация гена циклина D1 и гиперэкспрессия циклина E встречаются при ряде карцином, включая рак молочной железы и некоторые лимфомы. Избыточная активность CDK4/6 делает клетки независимыми от внешних ростовых сигналов. Это послужило основой для создания ингибиторов CDK4/6 — класса противоопухолевых препаратов, применяемых при гормонозависимом раке молочной железы.

¶Методы изучения

Циклины исследуют методами молекулярной биологии и клеточной биологии:

• Вестерн-блоттинг — оценка уровня белка в синхронизированных культурах клеток.
• Иммунофлуоресценция — визуализация локализации циклинов в ядре и цитоплазме.
• Проточная цитометрия — определение фазы цикла по содержанию ДНК.
• Нокаут и РНК-интерференция — выключение генов циклинов для изучения их функций.
• Модельные организмы — дрожжи, дрозофила, нематода, мыши.

¶Значение

Циклины — центральный узел регуляции деления клеток. Их изучение связало биохимию белков, генетику и онкологию и привело к появлению таргетных лекарств. Понимание работы циклинов важно для эмбриологии, регенеративной медицины и разработки методов борьбы с опухолями.