Механизмы регуляции пролиферативных процессов клетках презентация

факторы: биогенные и абиогенные, химические и физические, непосредственные и опосредованные, стимуляторы и ингибиторы:
влияющие на синтез нуклеотидов, ДНК, РНК, белков;
влияющие на синтез и накопление АТФ (энергетический «резервуар» митоза), особенно ингибиторы гликолиза и дыхания;
влияющие на формирование митотического веретена.
Это могут быть неспецифические факторы, модифицирующие цикл, часто побочные (температура, оксигенация, токсины и др.).
Нас интересуют здесь специфические регуляторные факторы, специально предназначенные для управления клеточным циклом.
Очевидно, что в гистогенезах изменения параметров
цикла, задержки в G0, выход в дифференцировку –
это отражение действия каких-то регулирующих
факторов.
Действие таких регуляторов возможно в точках
повышенной чувствительности (точка r, check points)
клеточного цикла.

и, в то же время, иерархичных звеньев регуляции. У многоклеточных животных (наиболее сложная система) он включает следующие уровни регуляции:
1) Клеточные регуляторы: ядерные (генетические), цитоплазматические (вторичные мессенджеры), мембранные (рецепторы);
2) Организменные регуляторы: гуморальные местные, тканеспецифические (факторы роста, ингибиторы), гуморальные дистантные, ткане- и видо-неспецифические (гормоны – стимуляторы и ингибиторы), нервные, от ЦНС через гипоталамус на аденогипофиз и далее на местные эндокринные железы;
3) Средовые регуляторы: через ЦНС, непосредственные абиотические, модифицирующие (тепло и др.).

ингибиторы (-).
Давно существовало 2 противоположных взгляда на сам принцип регуляции митозов:
Митогенная регуляция:
нормальное состояние клетки – покоящееся, а для деления необходимы стимуляторы, митогены.
Ингибиторная регуляция:
нормальное состояние клетки – непрерывная пролиферация, которая ограничивается ингибиторами.

Что верно? Или все сложнее?

контролируется периодической активностью определенных генов.
В крайнем выражении эта закономерность известна как принцип домино: очередной ген включается продуктами предыдущего гена.
Доказательства генетического контроля цикла складывались из разных фактов, экспериментов: цитологических, биохимических, генетических.
2.1. Опыты по слиянию клеток HeLa
Разработаны методы гибридизации (слияния) клеток. Получение гетерокарионов – клеток с различающимися ядрами.
Объединяли гомологичные однолинейные клетки (культура HeLa), но находящиеся в разных фазах митотического цикла (гетерофазные клетки).
Показали наличие фазово-специфических индукторов и ингибиторов митотического цикла.

к репликации, но ее начало
зависит от присутствия какого-то индуктора, который
образуется на границе G1/S. В опыте G1-ядро
получает его от цитоплазмы S-фазной клетки.
Т.о., для запуска S-фазы требуется некий индуктор синтеза ДНК – SPF (Synthesis Promoting Factor).
 
2) S + G2
В G2-ядре новый синтез ДНК не стимулируется, даже
с помощью дополнительного SPF (от S-фазной клетки),
реплицированные хромосомы не восприимчивы к
SPF.
Ожидаемый в G2-ядре митоз задерживается, пока не
закончится синтез ДНК в S-ядре.
Вывод: в G2-ядре ДНК защищена от повторной
репликации специальным ингибитором – SDF
(Synthesis Delaying Factor).
Для запуска митоза необходим М-индуктор?
В опыте он разбавляется цитоплазмой S-клетки?

оболочки и конденсация хромосом (инициация
митоза, наиболее полная в G2-ядре).
Вывод: в цитоплазме М-клетки присутствует в
высокой концентрации некий индуктор митоза –
MPF (Mitosis Promoting Factor).

(по: Ченцов, 2004)

G2-ядре блокируется начало митоза.
Вывод: митоз начинается лишь при критическом уровне MPF (в опыте он разбавляется G1-клетой).
Возможно также присутствие в цитоплазме сигнала задержки митоза – MDF (Mitosis Delaying Factor). (Показана задержка митоза избытком одноцепочечной ДНК).
   Т.о., смена периодов митотического цикла контролируется выработкой и накоплением в определенных концентрациях специальных индукторов и ингибиторов цикла:
- SPF – активатор синтеза ДНК,
- SDF – S-задерживающий фактор,
- MPF – М-стимулирующий фактор,
- MDF – М-задерживающий фактор.
Регулярная смена этих факторов в цитоплазме и кариоплазме разграничивает ряд событий хромосомного цикла, предотвращая неувязки (вроде конденсации хромосом посреди S-фазы или повторной репликации перед митозом).
Каковы же природа и происхождение этих факторов?

ингибиторный анализ для выявления возможной роли РНК и белков в регуляции митотического цикла (Епифанова, 1973).
Опыты на клеточных культурах, синхронизированных по циклу.
Синтезы РНК и белков блокировали соответствующими ингибиторами:
- ингибитор синтеза РНК – антибиотик актиномицин D (связывается с ДНК и блокирует транскрипцию).
- ингибитор синтеза белка – пуромицин (блокировка связи мРНК-тРНК) или циклогексимид (блок мРНК-рибосома).
Ингибиторы добавляли в культуру в точно известное время до ожидаемого наступления S-периода или митоза и регистрировали время наступления их задержки.

синтез белков, то репликация ДНК не наступает (даже кратковременная блокада задерживает начало S). Блокада синтеза РНК эффективна на более ранних сроках (1 ч до начала S и раньше).

Следовательно, для инициации репликации ДНК необходимо:
(1) перед самым началом S-периода – синтез какого-то белка, это SPF;
(2) мРНК для этого синтезируется за 1-2 ч до начала S;
(3) рРНК для рибосом, обеспечивающих этот синтез белка, образуется раньше, в G2-периоде предыдущего цикла.

перед митозом, приводила к его задержке или полной остановке.

Т.о., показано, что для инициации митоза необходимы:
синтез белка – MPF, который происходит в G2-периоде за 10-30 мин до митоза;
синтез мРНК для этого MPF – за 1-2 ч до митоза;
синтез рРНК – за 2-3 ч до митоза.

самой клеткой, это собственные, внутриклеточные регуляторы митотического цикла;
2) это белки, а значит – продукты определенных генов – регуляторов цикла;
3) активация и экспрессия регуляторных генов цикла происходит непосредственно перед началом контролируемого процесса –
S-фазы или митоза.

NB:
Начало S-периода и запуск митоза – две важнейшие контрольные точки (check points), имеющие генетическое управление.
Существуют ли другие контрольные точки и контролирующие их гены?
Существует ли «система домино», управляющая клеточным циклом?

регуляции того или иного процесса (или структуры) – найти в природе мутации этого процесса (структуры).
У различных эукариот обнаружены циклоспецифические мутанты.
Дрожжи.
На дрожжах началось систематическое изучение генетики размножения клеток. Большой вклад внесли исследования лаборатории Hartwell’а (1968 – 1978, 1995 гг.).
Дрожжи имеют продолжительную гаплоидную стадию в жизненном цикле (связано с мейозом, образованием спор), что способствует выявлению рецессивных мутаций.
У дрожжей выявлено около 50 фенотипических мутаций по дефектам клеточного (митотического) цикла. Это значит, что не менее 50 генов управляют циклом.
Это семейство генов обозначено как гены cdc – cell division cycle.

других эукариот), и каждый из них имеет несколько мутаций (значит,
управляется несколькими генами). Ниже показаны только некоторые из них.









Стартовую точку и следующий митоз запускает ген cdc 28 (у почкующихся дрожжей) или его гомолог cdc 2 (у делящихся дрожжей).
Синтез ДНК инициирует ген cdc 8 (в хромосомном цикле).
Репродукция центриолей (у дрожжей – внутриядерные ЦОМТы) зависит от гена cdc 31 (в центросомном цикле).
При подготовке деления (почкования) ядра активен cdc 24, телофазу и цитокинез контролирует cdc 15 (в цитокинетическом цикле) и т.д..

дрожжей.
При нормальной температуре (37°) клетки делятся нормально. Но при пониженной (34°) или повышенной (39°) температуре клетки останавливаются в той или иной стадии цикла: возможны блок цитокинеза, блок анафазы, блок распада ядерной оболочки, блок перехода G1/S и другие. Значит, все эти процессы контролируются определенными генами.
Известно более 30 циклоспецифических мутантных (температурочувствительных) линий клеток млекопитающих. Всего, включая протоонкогены, определено более 100 генов, управляющих клеточным (митотическим) циклом.

др.
Это ключевые гены пролиферации.
Под действием внешних факторов роста и гормонов (см. ниже), через
соответствующие цитоплазматические мессенджеры, эти гены
активируются и экспрессируют белки Myc, Fos, Myb, которые
активируют клетку к переходу G0/G1.
Клетка становится компетентной (способной) к митотическому циклу.
Т.о., гены компетентности работают в раннем пререпликативном
периоде. Соответствующие, белки Myc, Fos, Myb после синтеза
поступают из цитоплазмы (с рибосом) в ядро, где взаимодействуют с
хроматином и ядерным матриксом.
NB: англоязычные навания генов и белков принято писать по-разному:
гены – со строчной буквы курсивом (myc, fos, myb, cdc 8, cyclin D);
белки – с прописной буквы прямым шрифтом (Myc, Fos, Myb, Cyclin D), а для многословных названий – аббревиатурой (семейство киназ CDK, киназы Cdk1, Cdk2 …). Безымянные белки обозначают строчной буквой «p» (protein) и массой в kD (p21, p34, p53 …)

кД),
способные связываться с точками
«origin» ДНК и соединять их с ядерным
матриксом для подготовки ДНК к
репликации.
Транскрипция этих генов резко
активируется (в 20-30 раз!) через 1 ч
после стимуляции (из G0-состояния),
достигает пика через 3 ч и вскоре
снижается, задолго до начала S-периода.
(В опыте, под действием колоние-стимулирующего фактора (КСФ) происходит быстрая экспрессия генов myc с угнетением цАМФ. Это условие для выхода из G0 в цикл или дифференцировку).
Ген fos продуцирует белок – тоже ядерный фосфопротеид (55 кД), который еще раньше (через 15-20 мин после стимуляции) связывается с ДНК и активирует гены типа myc, продукты которых необходимы для запуска предстоящей репликации.

myc → Myc … → Origin ДНК + матрикс.
Действие генов fos и myc кратковременно, это гены раннего пререпликативного периода (раннего ответа), факторы приобретения клеткой митотической компетентности.
Далее, в клеточном ядре белки этого каскада принимают участие в активации генов отложенного ответа – ранних G1-киназ и циклинов, ответственных за переход из G1 в S-период (см. ниже).
NB: Ранний ответ генов fos, myc и др.
соответствует первому пику транскрипции
в реакции плейотипического ответа
покоящихся клеток (см. выше о периоде
покоя).
NB: Действие генов myc и fos, т.е. белков
Myc и Fos, кроме прочего, направлено на
инактивацию и разрушение белка покоя
р27. Но об этом ниже.

– регуляторов митотического цикла установлено время активности по ходу самого цикла. Мутации этих генов останавливают соответствующие стадии цикла.
Это гены двух больших семейств – cdc (cell division cycle) и cyclin.

Открытие генов семейства cdc связано с изучением циклоспецифических мутантов дрожжей и культур клеток млекопитающих (см. выше). Позже эти работы были сопоставлены с открытием белкового фактора MPF в процессах созревания ооцитов и дробления зиготы лягушки.
Это интересная и драматичная история в изучении проблем репродукции и дифференцировки клеток.

в ооцитах деления созревания (мейоз), а также и митозы первых делений дробления. В ооцитах MPF появлялся под действием гормонального сигнала (прогестерона), так что это типичный эндогенный регулятор, вырабатываемый самими ооцитами.
В дробящихся бластомерах активность MPF пульсирует: он появляется в митозе и исчезает в интерфазе. При этом клетка совершает ритмические сокращения, не зависящие от активности ядра. Сокращения сохранялись при блокировании митоза, блокировании веретена, даже при удалении ядра. Стало ясно, что в цитоплазме ооцита, зиготы, бластомеров работает автономный осциллятор, колебательный цикл химических реакций веществ, накопленных заранее (запас MPF или его мРНК).

цикла:
Механизм генного «домино», представляющий конвейер генетических активностей семейства cdc, в котором каждый отработавший ген включает следующий ген митотического цикла (на основе работ с мутантными по циклу дрожжами и клеточными культурами).
Механизм цитоплазматического осциллятора («часовой механизм»), который заложен заранее и периодически включает весь комплекс биохимических и структурных реакций митоза (на основе работ с ооцитами лягушки и морских ежей).
Вскоре состоялся неожиданный синтез этих двух идей.

двух моделях:
белка-продукта гена cdc-2, запускающего митоз у дрожжей, и
одной из субъединиц MPF лягушки – белка p34, а также аналогичных белков и генов у других животных, включая человека.
Это оказалась одна и та же протеинкиназа – p34cdc-2 – фермент, фосфорилирующий (при расщеплении АТФ) разнообразные белки, участвующие в организации и течении митоза (см. ниже).
[Этим «золотым гвоздем» соединились две линии исследований, две, казалось, альтернативные теории регуляции митотического цикла.]
Вторая субъединица MPF была определена как белок-активатор киназы и названа Cyclin B (циклин Б). То есть, киназа p34 работает только в связке с циклином Б (гетеродимерная форма белка). Поэтому безымянный до тех пор фермент класса протеинкиназ - p34 - получил имя – Cdk1 (cyclin dependent kinaze 1 – циклин-зависимая киназа 1).
Cdk1 + Cyclin B = Cdk1/Cyclin B
Неактивные формы киназы и циклина = Активная димерная форма

а уже в анафазе
циклин разрушается и киназа
теряет свою активность.
В течение следующей
интерфазы циклин
синтезируется заново.
Перед митозом он
соединяется со своей киназой
Cdk1, активирует ее для
запуска нового митоза и в
анафазе разрушается.
В следующем цикле циклин
синтезируется заново.
 

Т.о., активность Cdk 1 циклически изменяется вслед за изменением концентрации циклина. Отсюда и название киназы:
Cdk– cyclin-dependent kinaze – циклин-зависимая киназа.

B (переменная) – в ходе митотических циклов.
NB: Разрушение циклина обязательно для нормального завершения текущего митоза и начала следующего цикла.






Что же делает MPF = Cdk1/Cyclin B как триггер митоза?
Какие функции выполняет протеинкиназа Cdk1, активируемая циклином В?

и, тем самым, инициирует ее распад;
2) фосфорилирует белки конденсины и гистон Н1, способствуя конденсации хромосом;
3) фосфорилирует центросомный белок р225, способствуя сборке веретена;
4) активирует APC (anaphase promoting complex) – ферментная система, которая
- разрушает белок когезин хромосомных связок, делая возможным расхождение сестринских хроматид,
- запускает протеолитическую деградацию собственного циклина В (убиквитинация и расщепление ферментами протеасом).
Т.о., протеинкиназа Cdk1, активированная циклином В, после выполнения работы по запуску митоза сама же инициирует распад своего циклина и становится неактивной.
Эта реакция обеспечивает кратковременность действия MPF.
Так был расшифрован митотический осциллятор – MPF.

стимулирующие переходы G1/S (SPF), S/G2 и всю прогрессию интерфазы.
Это тоже протеинкиназы, белки-ферменты семейства CDK (2, 4, 6…) – продукты генов cdc, активируемые своими циклинами (A, C, D, E…).
Особенно важен SPF – комплекс Cdk2/Cyclin E,
обеспечивающий переход G1/S. Его функция –
фосфорилирование регуляторного белка pRb
(открыт как супрессор опухоли ретинобластомы,
но оказался универсальным супрессором любого
митотического цикла в точке перехода G1/S).
В активной (дефосфорилированной) форме pRb
блокирует фактор транскрипции E2F,
необходимый для синтеза белков, запускающих
и поддерживающих репликацию ДНК.
Т.о., фосфорилирование pRb с помощью киназы Cdk2 освобождает и
активирует фактор транскрипции E2F, разрешая начало синтеза ДНК.
Транскрипционный фактор E2F поддерживает также синтез самого циклина Е, обеспечивая поддержку репликации по всему S-периоду.

только 2 осциллятора: Cdk1/CycB (MPF) и Cdk2/CycE (SPF). Работают независимо от ядра, без транскрипции, так как они (или их иРНК) накоплены в цитоплазме в периоде роста ооцита, как и многие другие регуляторы раннего эмбриогенеза.
Это простейший митотический цикл – без G1-периода, часто и без G2.
В соматических клетках, начиная с гаструлы, включается морфогенетическая (транскрипционная) функция ядер, начинает работать вся система генетического контроля цикла.
У млекопитающих, по разным данным, это 7-12 видов Cdk и 9-14 видов циклинов.
При этом одна киназа может работать с несколькими циклинами и наоборот, так что регуляторный пул очень велик и многообразен.
Цикл удлиняется, появляются G1- и G0-периоды, необходимые для исправления возникающих мутаций и ошибок репликации, а также для ожидания сигналов к дифференцировке.

представляют взаимосвязанную цепь шагов: репликация ДНК, удвоение центросом и формирование веретена, разрушение ядерной оболочки, компактизация и разделение хромосом, цитокинез …
При этом в нормальном цикле нарушение одной стадии обычно приводит к задержке следующих стадий, хотя далее возможно продолжение цикла с перескоком через стадию.
Например, если в температурочувствительных (ts) мутантах по ДНК-полимеразе остановлена репликация ДНК, то и митоз, и цитокинез останавливаются.
Почему в этих условиях не активируется Cdk1/CyclinB, не собирается веретено, не расходятся хромосомы?
В начале 1990-х годов выдвинута гипотеза (Хартвел и др., 1989-92), которая объясняло этот феномен.

циклом. Должны быть специальные ингибиторы митотических киназ – CKI (cyclin kinaze inhibitor), которые останавливают цикл, если предыдущий шаг не пройден.
Это система контрольных точек (check point) – короткие остановки на переходных стадиях цикла, в которых клетка с помощью специальных молекулярных сенсоров оценивает состояние своих структур, ферментов, ДНК на их готовность к дальнейшим шагам по циклу. Если обнаруживаются нарушения, вырабатывается негативный сигнал и цикл приостанавливается.
Число контрольных точек, по-видимому, равно числу промоторов Cdk/Cyclin. Сначала (дробление зиготы) активны 2 из них – для SPF и MPF. Позже (гаструляция) включаются остальные (у Xenopus от стадии 800-клеточного зародыша). Включение контрольных точек и есть реальная причина замедления циклов, появления G0-, G1-, G2-задержек.

на границе G2/M и G1/S в случае нарушений репликации ДНК.
При неполной или неправильной репликации, при повреждениях ДНК (например радиацией) с помощью специальных сигнальных белков (р19 и др.) активируется главный «сторож цикла» - белок р53 (фактор транскрипции), который активирует промотор и запускает ген для синтеза белка р21/Waf1 из семейства INK4 (от Inhibitor of Cdk). Этот р21 является универсальным ингибитором различных СD-киназ – подавляет активность Cdk1 (=блок митоза) или Cdk2,4,6 (=блок G1/S) до устранения разрывов и завершения репаративных синтезов ДНК.
Если ДНК не репарируется, р53 при достижении критической концентрации стимулирует синтез каспаз и запускает апоптоз.
Другой универсальный ингибитор CD-киназ – белок р27/Kip1 – обеспечивает более стойкое и глубокое блокирование Cdk2,4,6 и перевод клетки в период покоя G0. Преодоление этого блока, разрушение р27, возможно с участием белков/генов компетентности Mycmyc, Fosfos… (см. выше) под влиянием факторов роста и гормонов (см. далее).
Прочие ингибиторы цикла (CKI): из семейства KIP – р57; из семейства INK4 – р15, р16, р18, р19.

соответственно, белков), направляющих клетку в дифференцировку. Так увязаны выход клеток из митотического цикла и начало их тканевой специализации.

цикла (гены компетентности, гены cdc, производящие киназы семейства CDK, гены циклинов, гены соответствующих сигнальных путей и прочие) являются протоонкогенами. Их повышенная экспрессия, например, при случайной активации их промоторов или в результате привнесения их мутированных форм вирусами, превращает эти нормальные гены пролиферации в онкогены и ведет к постепенно нарастающему, избыточному, опухолевому росту ткани.
Соответственно, все гены белков-ингибиторов цикла (белков CKI, особенно р53 – сторож цикла, pRb и др.) должны быть обозначены как антионкогены, в онкологии это опухолевые супрессоры. Однако их мутации, недостача, утрата в результате неправильного митоза – тоже путь к опухолевой трансформации клеток, причем гораздо более короткий и радикальный, чем накопление мутаций протоонкогенов. Достаточно одной р53-дефицитной клетки, чтобы породить мутантный клеточный клон и быстро растущую раковую опухоль.
Но это отдельная большая тема, можно сказать, специальная медико-биологическая наука – онкобиология. Ее изучение за пределами нашего спецкурса.

данной клетки, их регуляция идет извне.
Исторически идея стимуляции митозов развивалась через ряд теорий.
Теория митогенетических лучей (полей), испускаемых яйцеклеткой, зиготой, зародышем (Гурвич, 1930-е годы).
Теория некрогормонов (1950-е годы), согласно которой поврежденные клетки освобождают активные митогенные вещества – стимуляторы пролиферации (некрогормоны, раневые гормоны). Это – продукты распада белков или НК.
Современное представление о «факторах роста», которые совместно с гормонами управляют размножением и дифференцировкой клеток. Сегодня этой системе отводится центральная роль в организации роста и морфогенезов.

vitro, так как в организме (in vivo) это действие опосредовано и скооперировано со всей системой регуляции.
Давно известно, что для роста клеточных культур в искусственную питательную среду необходимо добавлять 5-10% сыворотки крови, лучше фетальной (эмбриональной, плодной). В ней содержатся различные биогенные стимуляторы, которые и были названы факторами роста. Для растительных культур это – соответствующие гормоны роста (ауксины и др.).
Без этих факторов клетки не размножаются, переходят в G0-, реже в G2-период.

в разных органах и тканях, многие в клетках крови – как правило вне регулируемой клеточной популяции (вне клеточной мишени).
 2) ФР распространяются через кровь (эндокринные ФР) или диффузно через межклеточные жидкости (паракринные, местные). Некоторые паракринные ФР могут быть автокринными – секретируются, но регулируют функции самой клетки-производительницы.
Известны также юкстакринные факторы – сигнальные молекулы в форме
интегральных
белков плазмалеммы
(не секретируются,
действуют контактно
на рецепторы
соседних клеток).

– 10-9 – 10-11 М.
4) ФР действуют, как правило, на несколько функционально связанных типов клеток – относительно тканеспецифично.
5) ФР – это несколько семейств полипептидов, многие с тремя -S-S-связями (6 остатков цистеина) (гомология в пределах семейства).
6) ФР действуют на клетку-мишень, как и пептидные гормоны – через рецепторы плазмалеммы. Внутриклеточный сигналинг осуществляется обычно с участием каскадов вторичных мессенджеров.
Цитоплазматический домен рецептора (эффектор) может быть различным и комплексным: - тирозинкиназа – фосфорилирует сигнальные белки- мессенджены по тирозину (факторы FGF, EGF, IGF и др.);
- серин-треонинкиназа – по серину и треонину (TGF-β);
- диацилглицеролкиназа, фосфолипаза С и другие (разные ФР).

микрофиламентов цитоскелета (выявлены прямые контакты рецепторов с актином, быстрая реорганизация микрофиламентов, в т.ч. стресс-фибрилл, при контакте рецептора с ФР).
NB: Рецепторы локализованы на фокальных контактах клетки с внеклеточным матриксом, здесь же вход сигнала. Распластанные (фиксированные) клетки чувствительны к ФР.






8) Конечное действие мессенджеров – на хромосомы: активация транскрипционных факторов (ТФ) для генов компетентности (myc, fos, myb), генов прогрессии цикла (cdc, cyclin) и других генов, управляющих циклом и дифференцировкой клеток.

FGF-лиганд связывается со своим рецептором (известны 4 формы – FGF-рецепторов). Взаимодействуют 2 рецептора. Их цитоплазматические домены – тирозинкиназы – при возбуждении FGF-лигандом автофосфорилируются, после чего фосфорилируют белок-адаптор – один из элементов сигналинг-каскада. Фосфо-белок-адаптор активирует G-белок RAS:
RAS-GDP→RAS-GTP.
Далее через цепочку MAP-киназ (RAF-MEK-ERK) фосфорилируется транскрипционный фактор. Теперь его активная фосфо-форма включает экспрессию нужного гена.

(PIP2) на инозитолтрифосфат (IP3) и диацилглицерол (DAG), что вед к изменению ионного состава цитоплазмы.










NB: Как правило, ФР регулируют не только репродукцию клеток, но и их дифференцировку, выступая не только стимуляторами митоза, но где-то и ингибиторами.
Т.е. ФР в целом контролируют весь морфогенез.

изученные у млекопитающих животных и человека.
1. EGF – Epidermal Growth Factor; = ЭФР – Эпидермальные ФР.
Полипептид из 53 аминокислот, включающий 6 остатков цистеина, т.е. 3 S-S-мостика. Сигналинг через тирозинкиназный эффектор, белок-адаптор и цепочку киназ (как показано выше).
Основной источник: синтезируется и выделяется в кровь клетками протока подчелюстной слюнной железы (здесь же ФРН – фактор роста нервов).
Мишени: деление эпидермоцитов, фибробластов дермы и др. клеток.

Дополнительный источник: клетки стромы и теки яичника.
Мишень: клетки гранулёзы фолликулов.
Хороший пример взаимодействия эпителия и соединительной ткани.
NB: ЭФР уже используется при выращивании in vitro кожных пластов для имплантации в заместительной терапии.

ФР.
Разновидности из 2 цепей по 125 (А) и 160 (В) аминокислот: АА, АВ, ВВ.
Источник: кровяные пластинки (тромбоциты).
Мишени: стимулируют размножение гладкомышечных клеток поврежденных сосудов, а также фибробластов и нейроглии в очаге повреждения (и в культуре).
NB: регулирует комплекс функционально связанных клеток.
3. FGF – Fibroblast Growth Factor; = ФРФ – Фибробластные ФР.
Название возникло от первого обнаруженного фактора этого семейства, который стимулировал размножение культуры клеток фибробластов.
Это – обширное семейство FGF-белков, синтезируемых с соответствующих генов fgf, насчитывающее много представителей (до 19 у млекопитающих) и сотни изоформ от альтернативного сплайсинга.
Основные формы: FGF-1 – кислый, 140 аминокислот. FGF-2 – основный (щелочной), 146 аминокислот.
Мишени: стимулируют размножение многих типов клеток, в основном из мезенхимного ряда: фибробластов, эндотелия, миобластов, мезенхимы, но также клеток тимуса, печени.

→ стимуляция эндотелия гипофиза.
Более того, эндотелий in vitro, т.е. в отсутствие внешнего источника, синтезирует ФРФ сам для себя и транспортирует его в свои ядра, а избыток выделяет во внеклеточный матрикс.)
FGF-7 – фактор роста (размножения) кератиноцитов.


Клетки гранулёзы фолликула →
стимуляция эндотелия жёлтого тела.
(Но способен активировать и саму
гранулёзу (автокринная регуляция).

Гомологичен с ФРФ.
Источник: клетки селезенки.
Мишени: стимулирует пролиферацию гепатоцитов, фибробластов, эндотелия.
В целом стимулирует рост печени.
5. IGF-I, IGF-II – Insulin-like Growth Factor; = ИФР – Инсулиноподобный ФР.
2 основные формы – 70 и 73 аминокислот.
Действует совместно с ТФР и ЭФР.
Стимулирует размножение соединительно-тканных и жировых клеток.
6. Остеопоэтин.
Из клеток красного костного мозга.
Стимулирует пролиферацию остеобластов.

Источник: строма костного мозга. Мишень: миелоидные бласты (миелопоэз).
Тимопоэтин.
Источник: строма тимуса. Мишень: лимфобласты в тимусе.
Интерлейкины (цитокины) и лимфокины (колониестимулирующие факторы).
Участвуют в реакциях клеточного иммунитета, стимулируют размножение и дифференцировку лимфоцитов.
8. TGF-α – Transforming Growth Factor-α; = ТФР-α – Трансформирующий ФР-α.
30% гомологии с ЭФР, содержит 6 остатков цистеина. Взаимодействует с теми же рецепторами.
Выделен из раковых опухолей (т.е. из трансформированных клеток). Но работает и в нормальном эмбриональном развитии: в клетках плаценты, печени (стимулирует овальные стволовые клетки печени).
Т.е., TGF-α – нормальный ФР раннего развития и регенерации. В опухолях активируется вторично.

Большое семейство ФР. По свойствам близки к настоящим гормонам (оказывают двойной эффект).
Усиливают или подавляют (для разных клеток по-разному) реакцию на другие ростовые факторы, регулирует дифференцировку многих клеток.
В эмбриогенезе контролируют не только репродукцию, но также апоптоз и миграцию клеток, дифференциацию мезодермы, нейронов, кишки.
Примеры:
- активирует рост ранне-эмбриональных фибробластов, но в поздне-эмбриональных фибробластах и многих эпителиях ингибирует G0-G1-переход и способствует их дифференцировке;

- в фолликулах яичника ТФР-β синтезируется клетками теки и ингибирует пролиферацию клеток гранулёзы, одновременно усиливая ее чувствительность к ФСГ и способствует дифференцировке в желтое тело (паракринный механизм регуляции).

Еще один пример гормоноподобного (двойственного) действия ФР.
Является митогеном (стимулятором размножения) нейроглии и фибробластов оболочек нервов. Но одновременно индуцирует дифференцировку нейронов и образование их аксонов (индуцирует синтез мРНК и специальных белков для роста аксонов).
  …………………………………
В целом, факторы роста в разных условиях, концентрациях и комбинациях могут работать и как стимуляторы, и как ингибиторы пролиферации, управляя ростом и специализацией зачатков, тканей, органов.
Тканеспецифичность факторов роста тоже относительна, как и у гормонов. Клетки реагируют, как правило, не на один ФР, а на специфическую комбинацию ФР и гормонов.
Разнообразие ФР не так велико, но комбинаций очень много – на разные типы клеточной спецификации (дифференцировки).

культуре установлен «лимит Хэйфлика» (Hayflick, 1965) – ограничение на максимальное число делений, после которого культура отмирает (= репликативное старение клеток).
Фибробласты от плода человека переживают до 50 пассажей, т.е. удвоений популяции;
Фибробласты от 40-летнего человека – до 40 пассажей;
Фибробласты от 80-летнего человека – до 30 пассажей.
(NB: потенциальный возраст истощения соединительных тканей человека – 200 лет).
Оказалось, что старение клеток и отмирание культуры ускоряется при недостатке ФР и, наоборот, замедляется при их избытке.
Примеры:

удвоения, но в присутствии избытка ЭФР – 150 циклов.
«Бессмертные» клетки перевиваемой линии 3Т3 при недостатке в среде факторов роста все же проявляют признаки старения.
(ФР поддерживают активность теломеразных генов?)
Клетки эмбриона мыши на обычной среде с сывороткой тоже дают ограниченное число поколений, а в присутствии очищенных ФР (вместо сыворотки) растут без признаков старения. Но при добавлении сыворотки рост останавливается.
Т.о., старение клеточной популяции (частично) обусловлено какими-то компонентами сыворотки, которые перевешивают действие ростовых факторов.
Фибробласты от больных синдромом Вернера (преждевременное старении в 40-50 лет, наследуемое) быстро стареют в культуре (дают мало циклов удвоения). Они оказались не чувствительны к ТФР (PDGF) и ФРФ (FGF) – мутация с утратой рецепторов?

и организмов
(наряду с другими):
1) утрата клетками рецепторов к ФР (мутации);
2) снижение выработки ФР;
3) снижение выработки гормонов, управляющих синтезом ФР (эндокринное старение).

– продукты эндокринных желез.
Биохимически различаются три группы гормонов:
моноамины,
стероиды,
пептиды.
Роль гормонов состоит в регуляции роста, развития и функционирования органов и тканей, включая регуляцию клеточного размножения и дифференцировки.

неспецифические регуляторы роста и дифференцировки клеток разных тканей.
Тирозин → норадреналин, адреналин (катехоламины мозгового вещества надпочечников), тироксин (гормон щитовидной железы).
 




 
Норадреналин – стимулятор, сокращает клеточный цикл в различных тканях.
Адреналин – действует на другие рецепторы и подавляет клеточное размножение, работает как универсальный ингибитор пролиферации. При этом запускает в организме комплексную стрессовую реакцию.

своего же камбия, адреналин является «орудием» в действии кейлонов. Кейлон обеспечивает тканеспецифич-ность реакции, а адреналин – ингибирование.

На основе тирозина образуются также ингибиторы у гидроидов: гомарин и тригонеллин.
Это нейросекреты нейронов головы и подошвы гидры. Задерживают метаморфоз, регенерацию головы и столона. В межклеточном веществе создают градиенты вместе с пептидными активаторами.

развития разных животных, стимуляторы регенерации планарии, моллюсков, печени млекопитающих и в других случаях. (Например, серотонинэргические нейроны активны в личиночном нейрогенезе у моллюсков, а также резко активируются при регенерации нервов и ганглиев ЦНС.)
Прочие моноамины, образуемые из пищевых аминокислот: гистамин, путресцин, спермин, спермидин – ткане- и видонеспецифические стимуляторы пролиферации.
NB: У всех моноаминов очень слабая (или вообще отсутствует) видовая и тканевая специфичность. Содержание путресцина, спермина и спермидина повышено в любых растущих тканях: плаценте, регенерирующей печени, опухолях и др. Это отражает их давнее происхождение! Моноамины – древнейшие и простейшие регуляторы клеточного размножения и роста. Имеются уже у цианобактерий.

стероидов и полипептидов.
7.2. Стероидные гормоны
Реакция поликонденсации: терпены → стероиды:
Терпен (С5Н8)2 – димер углеводорода изопрена
↓
Сесквитерпены (С5Н8)3 → Фарнезол → Ювенильный гормон членистых (стимулирует размножение клеток и рост, препятствует линьке).
↓
Дитерпены (С5Н8)4
↓
Тритерпены (С5Н8)6 → (циклизация) → циклопентанопергидрофенантрен
→ холестерин → разнообразные стероидные гормоны.
(Перестройки за счет кетонирования (=О), окисления (-ОН), метилирования (-СН3), ацетилирования и других радикалов, а также двойных связей в кольцах).
Экдизон – гормон линьки у Ecdysozoa (нематоды, приапулиды, членистоногие).
Антагонист ювенильного гормона, а значит, ингибитор пролиферации.

различаются: глюкокортикоиды (кортикостерон, кортизон, гидрокортизон), минералкортикоиды (альдостерон и др.).
Характерен двойственный эффект (±) в зависимости от дополнительных факторов.
Например, гидрокортизон в чистом виде (без сыворотки) усиливает действие EGF на клетки HeLa (способствует связыванию ФР с клеточными рецепторами), но в присутствии сыворотки (т.е. в сумме с другими ФР) ингибирует размножение тех же клеток.
Тот же гидрокортизон на фибробластах 3Т3 усиливает действие EGF (работает как синергист ФР), но ингибирует действие FGF (антагонист ФР). Дексаметазон вместе с сывороткой стимулирует миобласты, но ингибирует фибробласты.
Половые гормоны.
Мужские половые гормоны семенников (частично коры надпочечников, яичников): тестостерон, андростерон и др.
Женские гормоны яичников (частично семенников, коры надпочечников): прогестерон, эстрадиол, эстрон и др.
Кроме прочего, стимулируют мейоз – запускают сигнальный путь на синтез MPF.

плазмалемму и находят свой рецептор в цитоплазме, далее проникают в ядро и становятся организаторами транскрипции для соответствующих групп генов.

NB: Стероидные гормоны в целом более видо- и тканеспецифичны, чем моноамины, но все же их специфичность ограничена.
Все они эволюционно консервативны.

–
нейропептид из 11 аминокислот.
Секретируется нейронами «головы» и
стимулирует деление стволовых (i) клеток,
которые дают в первую очередь новые нейроны,
потом эпителий (ПМГ – активатор головы).
Вместе с активатором подошвы, а также
моноаминовыми ингибиторами (см. выше)
создает морфогенетические градиенты (поля)
вдоль тела гидры, направляющие векторный
рост и регенерацию: от подошвы растет голова,
от головы – подошва.
NB: ПМГ еще малоспецифичен, его гомологи есть у других животных.
ПМГ активен даже в отношении клеток млекопитающих. Используется в медицине для стимуляции роста легочного, кожного и других эпителиев.

7); соматостатин и др. статины (всего 3).
- Тропные гормоны аденогипофиза (передней доли гипофиза): соматотропин (СТГ), кортикотропин (АКТГ), тиреотропин (ТТГ), гонадотропины (ФСГ, ЛГ), пролактин и др.
- Гормоны периферических эндокринных желез – большей частью моноамины и стероиды. Среди пептидных гормонов малоспецифичные инсулин, кальцитонин (паратгормон) – вовлечены в регуляцию размножения клеток в красном костном мозге, тимусе, печени и др.

У позвоночных полипептидные гормоны очень разнообразны, более ткане- и видоспецифичные. Хорошо выражена иерархия источников:

тот же тип клеток регулируется группой факторов разной сложности и специфичности, например:

с возможностью изменения уровня активности.
Например, сеть управления через СТГ (соматотропный гормон) включает:

ГИПОТАЛАМУС ЭПИФИЗ
↓ ↓ ↓
рилизинг-пептиды ↓
↓соматолиберин – (стимуляция) → (+) ГИПОФИЗ (+) ← серотонин – (стимуляция)
соматостатин – (угнетение) →→→ (–) ↓ ↓ ↓
СТГ ТТГ АКТГ и др.
↓↓↓
Пролиферация гепатоцитов, энтероцитов и др.
Стимулирует выделение печенью соматомедина -
- ускоряет рост костной и др. тканей.
Стимулирует образование в тканях полиаминов –
- неспецифическая стимуляция…

Причем в сетях возможны каскадные реакции превращения неактивных форм регулятора в активные и наоборот, с участием разнообразных ферментов, например:
кортизон → кортизол (= гораздо более сильный стимулятор);
норадреналин → адреналин (= смена стимуляции на угнетение).

дифференцировки, в комбинации с несколькими факторами роста, специфическими и неспецифическими ингибиторами. Поэтому для гормонов, как и для некоторых факторов роста (см. выше) характерны двойственные (стимулятор-ингибитор) эффекты.
Система экзогенной регуляции пролиферативных процессов и дифференцировки клеток многоклеточных организмов усложнялась в ходе биологической эволюции.
У высших животных клеточная пролиферация в тканях регулируется сочетанием филогенетически древних факторов – видо- и тканенеспецифических (амины, стероиды) и более молодых – специфичных (полипептидные гормоны и факторы роста). При этом действие древних неспецифических факторов становилось подчиненным, они использовались как усилители сигналов от новых, более ткане- и видоспецифичных регуляторов. Т.е. специфические регуляторы (полипептидные гормоны и ФР) в ходе эволюции дополняли систему регуляции, которая изначально (у одноклеточных) была довольно примитивной – неспецифической. Появлялись и соответствующие наборы клеточных рецепторов, усложнялись межклеточные и межтканевые взаимодействия.

запрограммирована на пролиферацию.
Синтез белков – стимуляторов клеточного цикла (Cdk) идет постоянно, и вместе с соответствующими циклинами они задают график течения цикла. Главные из них (и минимально достаточные) – белки SPF (Cdk2/Cyclin E) и MPF (Cdk1/Cyclin B).
2) Но в клетке есть и гены негативного контроля цикла, экспрессирующие белки-ингибиторы циклинзависимых киназ (CKI): p19, p21, p27,…p53, p57, pRb, а также TGF β, интерферон и другие ингибиторы.
В G1-периоде каждого очередного цикла (в точке r, check point) эти белки подавляют гены подготовки нового синтеза ДНК (cdk 6, 4, 2, cyclin D, E) и направляют клетку в период покоя G0.

наличием или отсутствием пищи, феромонов и других активаторов цикла.
У первых многоклеточных экзогенные индукторы – моноамины, стероиды, олигопептиды – дополнили систему регуляции, и далее она усложнялась с участием нейросекреторных, эндокринных (гормоны) и паракринных (факторы роста) полипептидов.
Факторы роста через рецепторы и внутриклеточные мессенджеры активируют транскрипционные факторы (ТФ) генов компетентности (myc, fos, myb и др.); экспрессируемые этими генами белки блокируют белки-ингибиторы (прежде всего p27), изменяют структуру хроматина и выводят клетку из состояния покоя G0.

(сdk/cyclin); продуцируемые белки семейств Cdk и Cyclin обеспечивают продвижение клетки по циклу: G1-S-G2-M, до нового G0-периода (позитивный контроль цикла). Негативный контроль с помощью белков CKI создает паузы для исправления ошибок репликации.
5) Гормоны и пептидные ингибиторы модифицируют (подавляют или усиливают) действие факторов роста, регулируя переходы к дифференцировке клеток и апоптозу.
Т.о., у высших многоклеточных животных, с их сложной органно-тканевой структурой, в экзогенной регуляции клеточного размножения факторы роста специализируют действие гормонов и других неспецифических регуляторов. Центральная нервная система (через гипоталамус) и факторы внешней среды выступают как еще более удаленные эпигенетические регуляторы роста и развития.