HÜCRE DÖNGÜSÜ

1. HÜCRE DÖNGÜSÜ Biyolog Bahattin KARLANKUŞ CUMHURİYET LİSESİ Sultangazi

2. HÜCRE BÖLÜNMESİ

3. Hücre Bölünmesi • Tek hücreli ve çok hücreli organizmaların • Büyüme • Gelişme • Çoğalmaları hücre bölünmesiyle sağlanır.

4. Hücre Bölünmesi • Prokaryotik ve ökaryotik hücreler DNA sentezinin koordinasyonu ve DNA’nın eşit olarak yavru hücrelere paylaştırılması yönünden birbirinden farklılık gösterirler. • Hücre bölünmesi iki tiptedir. • Mitoz: diploid somatik hücrelerde genetik özdeşlik • Mayoz: haploid germ hücrelerini meydana getirir

5. Hücre Bölünmesi • Prokaryotlar ve ökaryotlar arasındaki hücre düzeyindeki farklılıklara rağmen hücre bölünme süreçlerinde birçok ortak özellik bulunmaktadır. • Hücrenin büyümesi • DNA’nın replikasyonu • Orjinal ve kopyasının ayrılması • Sitoplazmanın bölünmesi

6. Hücre Bölünmesi Bakterilerde hücre büyümesi ve replikasyon hücre siklusunun büyük bir bölümünde yer alır ve iki katına çıkan kromozomlar yavru hücrelere sitoplazmayla birlikte ayrılır.

7. Hücre Siklusu Hücreler içeriklerini iki katına çıkararak ve ikiye bölerek çoğalırlar. Bu süreç HÜCRE SİKLUSU (DÖNGÜSÜ) olarak adlandırılır.

8. Prokaryotik Hücre Bölünmesi Prokaryotlar organizazyon bakımından ökaryotlara göre daha basittir. Ökaryotlar bir çok organel ve fazla sayıda kromozoma sahiptir. Prokaryotik hücrelerin bölünmesi genel olarak “binary fission” ikiye bölünme şeklinde olmaktadır. Prokaryotik kromozom tek bir DNA molekülüdür. Önce replikasyona uğrar ve daha sonra kromozomun her bir kopyası hücre membranının farklı bölgesine tutunur. Hücre uçlardan çekilmeye başlayınca orjinal ve kopya kromozomlar ayrılırlar. Sitolazmanında ikiye ayrılmasıyla (sitokinez) genetik içerik bakımından tamamıyle birbirinin aynı olan iki yeni hücre meydana gelir ( düşük oranda da olsa) eğer kendiliğinden mutasyon olmadıysa)

9. Prokaryot kromozomu araştırmak ökaryotik kromozoma göre daha kolay olduğundan prokaryotlarda genlerin yerleşimi ve kontrolu hakkında daha fazla bilgi bulunmaktadır. Bu eşeysiz çoğalmanın bir sonucu, kolonideki tüm organizmaların genetiğinin aynı olmasıdır. Bir bakteriyel hastalığı tedavi eden bir ilaç kullanıldığında bu ilaçla karşılaşan koloninin diğer üyeleride ölecektir.

10. ÖKARYOTİK HÜCRE BÖLÜNMESİ Ökaryotlarda hücre siklusu çok daha karmaşıktır ve 4 farklı fazdan oluşur. S fazı: DNA sentezi G1 (ilk aralık) RNA ve protein sentezi, DNA için sentez hazırlığı G2 (ikinci aralık) DNA sentezi tamamlanır, RNA ve protein sentezi devam eder. S+G1+G2 = İNTERFAZ

11. Hücre Siklusu • Hücreler interfaz süresince sabit bir hızda büyür. Bölünen hücreler için iki katına çıkma süresi iki mitoz arasında geçen süredir. • Sitokinezle sonlanan mitozdan sonraki faz DNA sentezi ile mitoz arasındaki G1 fazıdır.(gap1) Bu faz sırasında hücre metabolik olarak aktiftir ve sürekli olarak büyür ve DNA sentezi için gerekli proteinleri sentezler, fakat DNA’sının sentezini yapmaz. • G1 fazından sonra DNA replikasyonunun yer aldığı S fazı (sentez fazı) gelir. • DNA sentezinin tamamlanmasını G2 fazı (gap2) izler. Bu fazda hücre büyümeye devam eder ve mitoz için gerekli olan proteinler sentez edilir.

12. Hücre Siklusu • Hücre siklusu fazlarının süreleri farklı hücre tipleri için oldukça çeşitlilik gösterir. • Toplam hücre siklusu 24 saat olan hızlı çoğalan bir insan hücresinde G1 fazı 11 saat, S fazı 8 saat, G2 4 saat ve M fazı 1 saattir. • Diğer hücreler örneğin maya hücresi tüm siklusunu yaklaşık 90 dakikada tamamlayabilir.

13. Hücre Döngüsü Daha da kısa hücre siklusları yumurtanın döllenmesinden sonraki erken embriyonik hücrelerde 30 dakika olabilir. Bu tip hücrelerde hücre büyümesi olmaz yumurta sitoplazması küçük hücrelere hızlı bir şekilde bölünür ve G1 ve G2 fazları yoktur. DNA sentezi hızlı bir şekilde çok kısa olan S fazında gerçekleşir

14. Ökaryotik hücre siklusu Hücre büyümesi kesintisiz bir süreç olmakla beraber DNA, hücre siklusunun sadece bir fazında sentez edilir ve replikasyona uğrayan kromozomlar daha sonra bir seri karmaşık işlemi kapsayan hücre bölünmesi ile yavru nukleuslara bölünür.

16. Hızlı çoğalan embriyonik hücrelerin dışında yetişkin hayvanlarda bazı hücreler bölünmeyi tamamıyla durdurur (sinir hücreleri, kas hücreleri) ve bazıları da sadece nadiren hücrenin yaralanması veya ölümüyle kaybolması sonucu yerine koymak için gerekli olduğunda bölünür. Bu ikinci tip hücreler deri fibroblast hücreleri ve karaciğer, böbrek ve akciğer gibi iç organ hücreleridir. Bu hücreler metabolik olarak aktif oldukları, uygun bir hücre dışı sinyal almadıkça çoğalmadıkları bir faz olan G0fazına girmek üzere G1 fazından ayrılırlar (çıkarlar).

17. Hücre Siklusu Kontrolu Hücre siklusunun aşamaları arasındaki geçişler korunmuş bir düzenleme mekanizması (“checkpoints” sistemi)tarafından kontrol edilir. Bu mekanizma sadece hücre siklusunun farklı olaylarını kontrol etmez aynı zamanda hücre çoğalmasını kontrol eden hücre dışı sinyallerle hücre siklusu arasındaki ilişkiyi de sağlar.

18. Hücre Siklusu Kontrolu G1 evresindeki karar verme noktası (“Restriction point” sınırlayıcı nokta) hayvan hücresinin çoğalmasını düzenler. Mayalara zıt olarak hayvan hücrelerinin hücre siklusunu tamamlamaları öncelikle besin maddelerinin kullanılabilmesinden çok hücre dışı “growth” büyüme faktörleritarafından düzenlenir.

19. Hücre Büyümesi ve Hücre dışı Sinyallerle Hücre siklusunun Düzenlenmesi Hücre siklusunun bölümleri arasındaki geçiş ve farklı hücre sikluslarında meydana gelen çeşitli işlemler hücre içi sinyallerin yanı sıra çevreden gelen hücre dışı sinyallerle de düzenlenir. Hücre dışı sinyallerle hücre siklusunun düzenlenmesine bir örnek hayvan hücrelerinin çoğalmasına büyüme faktörlerinin etkisidir. Hücre büyümesi, DNA replikasyonu ve mitoz gibi hücresel süreçler hücre siklusu sırasında farklı kontrol noktalarında düzenlenirler.

20. Hücre Siklusu • Büyüme (“Growth”) Faktörleri • “Platelet-derived Growth factor” (PDGF): Bağ doku ve nöroglia hücrelerinin çoğalmasını • “Epidermal Growth Factor” (EGF):Birçok hücre tipinin çoğalmasını • “İnsulin like Growth factor” (IGF-1): yağ hücreleri ve bağ doku hücrelerinin çoğalmasını • “Trasforming Growth Factor” (TGF): Hücre tipine bağlı olarak hücrelerin farklılaşmasını düzenler • “Fibroblast Growth Factor” (FGF): Fibroblast ve endotel hücrelerin çoğalmasını • “Nerve Growth FActor” (NGF): Bazı duyu ve merkezi sinir sistemi nöronlarının hayatta kalma süresini uzatır. • İnterlökin 2: T lenfositlerim çoğalmasını • “Hemopoietic Cell Growth Factors” : Kan hücrelerinin oluşumunu etkiler

21. Birçok hücre tipinde hücre siklusu ana kontrol noktası, G1’den S fazına geçişi kontrol eden geç G1 noktasıdır. Bu düzenlenme noktası ilk kez Saccharomyces cerevisiae’de saptanmıştır. START olarak bilinen bu noktayı geçen hücreler S fazına girerler ve hücre bir hücre bölünmesi geçirir.

22. START noktasının geçilmesi oldukça yüksek düzeyde kontrol edilen bir süreçtir. Besin maddelerinin varlığı, hücrenin boyutu gibi hücre dışı sinyallerle kontrol edilir. Örneğin eğer maya besin açlğı ile karşılaşırsa hücre siklusunu START noktasında durdurur ve S fazına geçmeden uyku (dinlenme) durumuna geçer. Maya eşleşmesinde etkili olan polipeptit faktörler de hücre siklusunu START noktasında durdurur. Bu faktörler maya hücresini S fazına sokmak yerine haploid maya hücrelerinin birbiriyle birleşmesini sağlar

24. Hücre dışı sinyallerin izlenmesinde bir karar noktası gibi iş görmesine ek olarak START noktası hücre çoğalmasının; DNA replikasyonu ve hücre bölünmesi ile koordine olduğu bir noktadır. • Bu düzenlenme özellikle tomurcuklanan mayalar için önemlidir. Çünkü ana hücre çok büyük, yavru hücreler çok küçüktür. Bu hücrelerin tekrar bölünmeden sabit bir boyda olması için küçük yavru hücrelerin hızlı bir şekilde en az annesi kadar büyümesi gerekmektedir. • START noktasındaki kontrol ve düzenleme bölünecek hücrenin belirli bir büyüklüğe ulaşmasını sağlar.

25. Bu düzenlenme her bir hücrenin START noktasını geçmeden önce minimum boyuta ulaşmasını gerektiren kontrol mekanizmasıyla birlikte olur. Sonuç olarak küçük yavru hücre G1’de daha uzun zaman harcar ve ana hücreden daha fazla büyüyerek tekrar bir tomurcuk oluşturma konumuna girer. Bu nedenle mayada G2 fazı oldukça kısadır.

26. Hücre siklusu kontrolu Birçok hücrenin çoğalması G1 fazında düzenlenmekle beraber bazı hücrelerin çoğalmasının kontrolu özellikle G2 fazında yapılır. Buna bir örnek Schizosaccharomyces pombe (“fission yeast”) mayasının hücre siklusudur. G2 fazından M fazına geçişte hücre boyutu ve besin varlığının etkili olduğu nokta temel kontrol noktasıdır. Bu maya heriki ucundan uzayarak büyür ve hücrenin ortasında hücre duvarı oluşturarak ikiye bölünür. S.cerevisiae’den farklı olarak normal G1,S,G2 ve M fazlarına sahiptir. Sitokinez G1 de olur. Hücre boyutu (uzunluğu) hücrenin siklusun hangi aşaşmada olduğunu gösterir. Hayvanlarda hücre siklusunun G2 fazında kontroluna örnek oositlerdeki kontrol mekanizmasıdır. Omurgalı oositleri G2 fazında çok uzun yıllar kalabilirler. M fazına geçişleri hormonol uyarılma ile birlikte olur. SONUÇ :Hücre dışı sinyaller hücre siklusunda G2 fazından M fazına ve G1 den S fazına geçişleri düzenleyerek hücre çoğalmasını kontrol eder.

27. Schizosaccharomyces pombe’nin birbirini izleyen mitoz ve sitokinez aşamalrının mikroskobik görüntüsü, Robinow

28. Hücre Siklusu Kontrol Noktaları Hücre siklusunun farklı fazları arasındaki koordinasyon, hücre siklusunda bir fazın işlemi tamamlanmadan bir sonraki faza geçişini engelleyen kontrol noktalarına ve “feedback” kontroluna bağlıdır. Bazı kontrol noktaları tamamlanmamış veya zarar görmüş kromozomun replikasyonunun yapılmamasından ve yavru hücreye geçmemesinden sorumludur. Bu noktalardan en iyi bilineni G2’dedir ve DNA replikasyonu tamamlanmadan mitoza girişi engeller. Bu G2 kontrol noktası replikasyon olmamış DNA’ya duyarlıdır. Böyle bir DNA hücre siklusunu durdurmaya yol açan bir sinyal oluşturur. Böylece G2 kontrol noktası S fazı tamamlanmadan önce Mitoza girişi engeller. G2’deki kontrol noktası zarar görmüş DNA’ya karşı da duyarlıdır. Bu noktada hücre siklusu durdurularak zarar görmüş DNA’nın onarılması için zaman kazanılır.

29. Her bir hücre döngüsü için DNA replikasyonunu bir kereyle sınırlayan moleküler mekanizmada, MCM proteinleri başlangıç noktasına replikasyon kompleksi (ORC) ile birlikte bağlanır. MCM proteinleri, kopyalamanın başlamasına izin veren “yetki faktörleri” olarak davranırlar. DNA’ya bağlanmaları G1’de bağlanabilecek şekilde düzenlenmiştir ve DNA replikasyonunun, sadece hücre S evresine girdiğinde başlamasına izin verir. Başlama gerçekleşince MCM proteinleri orijinden ayrılır, böylce hücre mitozdan geçip bir sonraki hücre döngüsünün G1 evresine girene kadar kopyalama tekrar başlatılamaz.

30. Hücre Siklusu Kontrol Noktaları DNA hasarı hücre siklusunu sadece G2’de tutmaz aynı zamanda S fazından hücrenin çıkışını da yavaşlatır ve G1’deki kontrol noktasında hücre siklusunun ilerlemesini durdurur. G1 tutuklanması, hasarlı DNA’nın replikasyonunun yapılacağı S fazına girmeden önce hatanın onarılmasına izin verir.

31. Hücre Siklusu Kontrol Noktaları S’deki kontrol noktası hasarlı DNA’nın replike olmadan onarılması için DNA’nın bütünlüğünü sürekli izler. DNA replikasyonu sırasında yanlış baz eşleşmesi ya da DNA bölümlerinin eksik replikasyonu gibi oluşabilecek hataları bulma ve onarma şeklinde kalite kontrol görevi yapar

32. Hücre Siklusu Kontrol Noktaları Bir başka hücre siklusu kontrol noktası kromozomların mitoz sırasında dizilimlerini kontrol eder. Böylece tam bir kromozom takımının yavru hücrelere geçirilmesi sağlanır. Eğer hatalı dizilim olursa mitoz fazının metafazında siklus, kromozomların tam bir takımının yavru hücrelere dağılımı düzenleninceye kadar durdurulur.

33. Hücre Siklusu Kontrol Noktaları • G2 kontrol noktası S fazı tamamlanmadan mitoza girişi engeller. Böylece replikasyonu tamamlanmamış DNA yeni yavru hücrelere geçmez • En az bunun kadar önemli olan bir diğer nokta genomun her bir hücre siklusunda sadece bir kere replikasyon olmasıdır. Böylece DNA bir kere replikasyon olduktan sonra mitozdan önce yeni bir S fazına girişi engelleyen kontrol mekanizmaları olmalıdır. Bu kontrol, hücrelerin G2’de tekrar S fazına girmesini engeller ve mitozdan önce bir başka DNA replikasyon döngüsüne girmesini durdurur.

34. G1, S ve G2’deki kontrol noktalarında hücre döngüsünün durdurulması: Algılayıcı proteinler kompleksi hasarlı ya da replike olmamış DNA’ya bağlanarak ATM ve ATR protein kinazları aktive eder. ATM ve ATR sırasıyla Chk2 ve Chk1 protein kinazları fosfatlayarak aktive eder ve hücre döngüsünün durmasını sağlar.

35. Araştırıcılar (Potu Rao ve Robert Johnson, 1970) siklusun farklı fazlarındaki hücreleri izole ettikten sonra hibrit hücreler elde etmek için hücreleri birbirleriyle birleştirdiler. S fazı hücreleri G1 hücreleri ile birleştirildiğinde G1 nukleusu hemen replikasyona başlar. S faz hücreleri G2 hücreleri ile birleştirilirse sadece S faz nukleusu DNA replikasyonuna devam eder. G2 nukleusunun, M fazını geçmek zorunda olduğu ve birbaşka DNA replikasyonuna başlamadan önce G1 fazına girmesi gerektiği ortaya çıkmaktadır.

36. SONUÇ:Mitoz oluşuncaya kadar G2 nukleusunda kontrol mekanizması DNA replikasyonunu durdurmaktadır

37. Hücre Siklusu Kontrol Noktaları Memeli hücrelerinin G1 kontrol noktasında durması p53 proteini olarak bilinen protein aracılığı ile olmaktadır. Bu protein hasarlı DNA tarafından çok hızlı bir şekilde indüklenir.

38. Hücre Siklusu Kontrol Noktaları • Bir çok kanser tipinde p53 proteinini şifreleyen gende mutasyon saptanmıştır. • Bu mutasyonların sonucu olarak p53 işlevinin kaybolması DNA hasarına cevap olarak G1 de durma olayı gerçekleşmez. Böylece hasarlı DNA replikasyona uğrar ve yeni yavru hücrelere onarılmadan geçer. Hasarlı DNA’nın bu şekildeki kalıtımı mutasyon sıklığının ve kanser gelişimine eşlik eden hücre genomunun genel kararsızlığının artmasına neden olur. • P53 genindeki mutasyonlar insan kanser tiplerinde en sık görülen genetik değişikliklerdir. • SONUÇ: Çok hücreli organizmaların hücre siklusunun kontrolu ÇOK ÇOK ÖNEMLİDİR !!!!!

39. Hücre siklusu fazlarının belirlenmesi Mitoz fazındaki hücreler mikroskobik olarak kolaylıkla ayırt edilebilir. Siklusun diğer fazları (G1, S ve G2) biyokimyasal kriterlerle ayrılır. S fazındaki hücreler DNA sentezi sırasında kullandıkları timidinin radyoaktif işaretli olmasıyla ayrılırlar. Örneğin hızlı çoğalan bir insan hücresi populasyonunda kültür kısa bir süre (15 dakika) radyoaktifli timidin etkisinde bırakılıp otoradyografi ile analiz edilirse hücrelerin yaklaşık 1/3 ünün işaretlendiği görülür ve hücrelerin S fazında olduğu anlaşılır.

40. Hücre siklusunun farklı aşamalarındaki hücreler DNA içeriklerine göre de ayırt edilebilir. Örneğin hayvan hücreleri G1 fazında 2n’dir. S fazının sonunda DNA içeriği 4n olur. Hücreler S fazında 2n-4n arasında DNA içeriğine sahiptir. G2 ve M fazlarında 4n olarak kalır Sitokinez sonrası DNA miktarı tekrar 2n olur. Deneysel olarak DNA miktarındaki bu değişim DNA’ya bağlanan özel fluorosan boyaların “flow cytometer” ile tek bir hücredeki fluorasan yoğunluğun ölçülmesiyle saptanır ve hücreler G1, S ve G2/M fazlarında ayrılırlar.

41. Hücre Döngüsü Gelişiminin Düzenleyicileri Hücre döngüsünün düzenlenmesi ile ilgili şu anki bilgilerimiz: maya, deniz kestanesi, kurbağa ve memelilerden elde edilmiştir. Ökaryotların hücre döngülerinin korunmuş bir seri protein kinaz tarafından kontrol edildiği gösterilmiştir.

42. Hücre Siklusunun Düzenlenmesinde etkili olan moleküller Ökaryotik hücrelerin hücre siklusunun kontrolünde protein kinazlar görev alır. Kontrol noktalarını geçişte önemli rol oynarlar. Mayalarla yapılan çalışmalar sonucunda işlevleri ortaya çıkarılmıştır.

43. MPF: Cdc2 ve Siklin Dimeri Olgunlaşmayı ilerleten faktör. G2’den M’ye geçişte genel düzenleyici görevi vardır. • Siklin ve Siklin Bağımlı Kinaz Aileleri Cdc2 ve siklin B birbiriyle ilişkili geniş ailelerin üyeleridir. Bu ailelerin farklı üyeleri hücre döngüsünün farklı evrelerinde kontrolü sağlarlar.

44. Hücre Siklusunun Düzenlenmesi Hücre siklus düzenlenmesinde anahtar rol oynayan molekülün varlığı çeşitli araştırmalarla saptanmıştır. Bu çalışmalardan ilki kurbağa yumurtaları ile yapılmıştır. G2 evresinde bekletilen yumurtalar progesteron hormon uyarısı alınca Mayoz evresine geçmektedir. G2 de iken progesteron uyarısı almış ve Mayoz evresine geçmiş yumurtalardan alınan sitoplazmalar enjeksiyonla horman etkisinde olmayan hücrelere aktarıldığında bu yumurtaların da Mayoz fazına geçtikleri gösterilmiştir. Hormon tarafından uyarılmış sitoplazmadaki bir faktörün yumurtayı G2 den M fazına geçirmekten sorumlu olduğu saptanmıştır. Bu faktör “Maturating Promoting Factor” (MPF) olarak adlandırılmıştır.

46. Hücre Siklusunun Düzenlenmesi Diğer bir çalışmada Lee Hartwell ve ark. (1970) S.cerevisiae’de hücre siklus işlemlerinde kusurlu, ısıya duyarlı bir mutant tanımlamışlar ve “Cell division cycle” kelimelerinin kısaltılması olan cdc adını vermişlerdir. Bu mutant hücre siklusunu uygun sıcaklık olmadığında START noktasında durdurmaktadır. Cdc 28 olarak adlandırılan proteinin G1 evresindeki bu kontrol noktasını geçmede önemli olduğu saptanmıştır.

48. Hücre Siklusunun Düzenlenmesi Paul Nurse ve ark. S.pombe mayasında benzer bir çalışma yapmıştır. cdc2 mutantı hücre siklusunu G1’den S fazına ve G2’den M fazına geçişte durdurmaktadır. cdc28 ve cdc2’nin birbirinin homoloğu olduğu saptanmıştır. Moleküler klonlama ve dizi analizi çalışmaları bu genlerin bir kinaz şifrelediğini göstermiştir.

49. Hücre Siklusunun Düzenlenmesi Tim Hunt ve ark (1983) deniz kestanelerinin embriyolarında interfazda biraraya gelip mitoz sonuna doğru ayrılan 2 protein varlığını saptamışlardır. Bu proteinler Siklin’ler (siklin A ve siklin B) olarak dlandırılmıştır.

50. Hücre Siklusunun Düzenlenmesi Tüm bu çalışmaların sonucunda hücre siklusu kontrol sistemi için bir kavram geliştirilmiştir. 1988 yılında kurbağa yumurtasından saflaştırılmış MPF’nin iki alt birimden oluştuğu gösterilmiştir. Siklin protein = düzenleyici alt birim ve işlevi için Cdc2’nin katalitik aktivitesine gerek duyar. cdc 2 = kinaz