미토틱 출구

Mitotic exit

미토탈출구는 세포의 유사분열 종식과 새로운 G1 단계의 시작을 나타내는 중요한 전환점이며, 세포는 일단 유사분열에서 벗어나면 G1, S, G2 단계를 거쳐 필요한 모든 체크포인트를 통과할 때까지 결코 유사분열로 되돌아가지 않도록 하기 위해 특정한 제어 메커니즘에 의존할 필요가 있다.사이클린, 사이클린 의존형 키나제(CDK), 유비퀴틴 리깅스, 사이클린 의존형 키나제의 억제제, 가역형 인광화 등을 포함한 많은 요인들은 세포주기 사건이 가장 적은 오류로 정확한 순서로 발생하도록 하기 위해 유사분출구를 규제한다.[1]유사분열 종단은 스핀들 파손, 키네토코어 미세관절 단축, 아스트랄(비키네토코어) 미세관절의 발현 등이 특징이다.정상적인 진핵세포의 경우, 유사체 출구는 되돌릴 수 없다.[2]

단백질 분해

그림 1 Hela 세포에 있는 사이클린 B와 인광염화 사이클린 의존 키나제1(Cdk1)의 면역불화성 패턴은 G2에서 아나파제로 가면서 변한다.

진핵 모델 유기체에서 유사체 출구의 불가역성을 촉진하기 위해 세포에 의해 사용되는 제어 메커니즘, 즉 싹트고 있는 효모 사카로마이오스 세레비시아이에 대해 많은 추측이 이루어졌다.세포 주기 조절기의 단백질 분해능 저하와 사이클린 의존적 키나아제 수준에 대한 해당 영향은 특히 진핵 세포 주기 및 은유-아나파제 전환을 촉진하는 메커니즘으로 제안되었다.이 이론에서 유비퀴틴 리가제의 한 종류인 아나파제 추진 복합체(APC)는 미토틱 사이클린(Clb2)과 아나파제 억제 인자(PDS1, CUT2)의 열화를 촉진시켜 미토탈 출구를 촉진한다.[3]APC는 프로테아솜에 의한 열화를 위해 NH2단말기 사이클린 영역에 있는 파괴 상자(D 박스)로 알려진 9-아미노산 모티브를 보편화한다.[3]APC는 Cdc20(APC-Cdc20)과 연계하여 초기 단계에서 분해하기 위해 미토틱 사이클린(Clb2)을 보편화 및 표적화한다.동시에, APC-Cdc20은 결합을 통해 분리를 억제하는 증권화의 성능저하를 매개한다.방출되고 활성 분리효소는 자매 크로마티드를 함께 잡아주는 응집력을 분해하여 자매 크로마티드의 분리를 촉진하고 뉴클레오루스에서 Cdc14의 방출을 촉진하여 유사분출을 개시한다.[4][5]이후 단계에서는 Cdk1의 하향조절과 Cdh1-활성화인광효소인 Cdc14의 활성화는 Cdh1(APC-Cdh1)과 연계하여 APC 형성을 촉진하여 Clb2s를 저하시킨다.[2]APC의 활성체인 Cdc20과 Cdh1은 유비쿼터스화를 위해 증권, B형 사이클린(Clb) 등의 기판을 모집한다.[6]Slim15, ASE1, Ask1 등 스핀들 역학관계에 관여하는 인산화 단백질에 대한 Cdk1-Clb2 콤플렉스가 없는 경우 스핀들 신장화 및 염색체 분리가 촉진되어 유사 퇴출을 촉진한다.[2]진핵 세포 주기에서 단백질 분해의 중요성은 세포 분열을 단순한 키나아제 계단식으로서 인지화, 편재화, 단백질 분해 사이의 상호작용이 필요한 보다 복잡한 과정으로 변화시켰다.[3]그러나 INM-PP1(ATP 아날로그)에 민감한 Cdk 알레르기가 있는 싹트고 있는 효모세포(cdc28-as1)를 이용한 실험에서는 B형 사이클린(Clb)의 파괴가 되돌릴 수 없는 유사 퇴출을 촉발하는 데 필요하지 않음을 입증했다.[2]Clb2 성능저하로 인해 사이클린 프로테롤리시스가 진핵 세포 주기의 동적 특성에 기여하지만 되돌릴 수 없는 세포 주기 전환을 촉발하는 주요 결정 요인이 될 가능성이 낮다는 것을 나타내는 되돌릴 수 없는 미토틱 출구를 촉발하는 데 필요한 Cdk1 억제 기간이 단축되었다.[2]

Sic1 수준

진핵 세포 주기를 조절하는 데 있어 사이클린 의존적 키네이즈의 억제제 수준의 중요성을 나타내는 발견이 이루어졌다.특히 Sic1의 수준은 효모 발생 시 Clb-CDK 콤플렉스의 확률계 억제제로서 S상 키나제를 불가역적으로 활성화함으로써 되돌릴 수 없는 G1-S 전환에 특히 중요한 것으로 나타났다.[7]Sic1 레벨은 G1-S 전환뿐만 아니라 되돌릴 수 없는 M-G1 전환(M-G1 전환)을 촉발하는 데 큰 역할을 하는 것으로 나타났다.체세포 분열 중 Cdk1의 수치가 감소하면 Cdc14가 활성화되는데, 이는 Sic1 단백질의 전사 활성제인 Swi5와 Cdh1의 활성화를 통해 Cdk1에 대항하는 인산염이다.[8]Sic1을 일정 수준 낮은 수준으로 저하시키는 것이 S상 시작을 유발하는 반면, 되돌릴 수 없는 유사체 출구를 유발하기 위해서는 Sic1을 특정 높은 수준으로 축적해야 했다.[2]Cdk1 억제제는 분해되지 않는 Clbs나 프로테아솜 억제제의 발현에 의해 B형 사이클린의 열화가 차단된 경우에도 유사분열 퇴출을 유도할 수 있었다.그러나, 자매 크로마티드는 분리에 실패했고, 세포는 일단 억제제가 씻겨나가면 다시 유사분열로 되돌아갔고, 이는 억제제의 임계수준을 달성하여 사이클린 분해와 독립적으로 되돌릴 수 없는 유사분열 출구를 촉발할 필요가 있음을 보여준다.[9]G1-S 전환에 비해 유사체 출구를 촉발하는 데 필요한 Sic1 수준의 문턱이 다르지만, Sic1의 수준은 CDK의 활동을 억제함으로써 진핵 세포 주기를 조절하는 데 핵심적인 역할을 하는 것으로 나타났다.

동적 시스템 접근법

그림 1 제어 매개변수가 Sic1 수준이고 매개변수가 셀 주기 단계인 유사 출구에서 되돌릴 수 없고 비스듬한 스위치.

진핵 세포 주기는 다양한 단백질과 규제 상호작용을 수반하기 때문에 복잡한 생물학적 회로를 보다 나은 분석을 위한 일반적인 프레임워크로 단순화하기 위해 동적 시스템 접근법을 취할 수 있다.[10][11]가능한 네 가지 입출력 관계 중에서 Sic1 수준과 유사체 출구 사이의 관계는 APC-Cdh1, Sic1 및 Clb2-Cdk1 사이의 피드백에 의해 구동되는 되돌릴 수 없는 바이스트 가능 스위치의 특성을 보여주는 것으로 보인다.[2]Bistability는 세포 주기 제어와 세포 분화와 같은 생물학적 기능을 제어하고 많은 세포 규제 네트워크에서 핵심적인 역할을 하는 것으로 알려져 있다.[12]Bistable 입출력 관계는 두 개의 분기점을 갖는 두 개의 안정된 상태가 특징이다.두 개의 분기점으로 표시된 비istability 영역에서 하나의 특정 입력에 대해 복수 출력이 가능하다.또한, 바이스트 가능한 관계는 이력(최종 상태/출력)을 표시하고 있다. 시스템에 메모리가 있기 때문에 입력의 현재 값뿐만 아니라 입력의 이력에 따라 최종 상태/출력이 결정된다.[10]한 분기점은 음의 제어 매개변수 값(분지점은 축의 반대쪽에 있음)을 가지고 있어 두 개의 안정된 상태 사이에 단절되고 한 상태에서 다른 상태로의 전환이 불가역적으로 이루어질 수 있다.유사분열성 출구에 관하여, 두 가지 안정 상태는 유사분열과 G1 단계로 정의된다.Sic1 수준(입력)이 임계값을 초과하여 축적되면 유사분열(안정상태 I)에서 G1 단계(안정상태 II)로 되돌릴 수 없는 전환이 발생한다.불완전한 환경에서, 온전하게 남아있는 유일한 분기점은 안장-노드 분리뿐이다.안장-노드 분리는 분해되지 않는 반면(새들-노드는 예상되는 일반적인 동작이다), 초임계 및 피치포크 분기는 불완전한 상태에서 분해된다.[13]따라서 불완전한 생물 세계에서 존재할 수 있는 유일한 1차원 분리는 안장-노드 분리뿐이다.[10]M-G1 전환과 Sic1 수준 사이의 이istable 관계는 제어 매개변수의 작은 변화인 Sic1의 양과 함께 시스템의 동작이 질적으로 변화하는 두 개의 안장 노드 분기도의 도표로 나타낼 수 있다.

시스템 수준 피드백

그림 2 Cdk1-Clb2, APC-Cdh1, Sic1 및 Cdc14를 포함하는 단순화된 네트워크.Cdk1-Cdh1과 Sic1이 매개하는 이중 음성 피드백 루프는 Cdk1-Clb2를 억제하고 유사분출구를 트리거하기 위해 필요하다.

셀 주기의 동작은 M-G1 전환 상태에서 Sic1의 양에 따라 결정적으로 좌우되기 때문에, Sic1의 양은 시스템 수준 피드백에 의해 엄격하게 규제된다.Because Cdk1-Clb2 inhibits Sic1 by phosphorylating Sic1 and making Sic1 available for degradation via ubiquitylation, APC-Cdh1-dependent degradation of Cdk1-Clb2 not only decreases the level of available Cdk1-Clb2 complexes but also increases the level of Sic1 which in turn further inhibits the function of Cdk1-Clb2.[8]이중 음성 피드백 루프의 활성화는 APC-Cdc20 의존성 저하 Cdk1-Clb2 및 핵극단백질 Net1/Cfi1에서 Cdc14를 방출하는 것에서 시작된다.[14]FREE(Cdc14 조기 아나파제 방출) 경로로 Net1의 Clb2-Cdk1 의존성 인산화(Phosphylation)를 촉진하여 일시적으로 Cdc14를 Net1에서 방출한다.[15]공개된 Cdc14와 Clb2-Cdk1 콤플렉스는 유사퇴출망(MEN)을 활성화하는 스핀들 형태에 들어간다. MEN은 핵에서 Cdc14를 지속적으로 방출할 수 있도록 하고, [15]Cdc14는 Cdh1을 활성화하고 Sic1-transactivator Swi5의 활성화를 통해 Sic1을 안정화함으로써 Cb2-Cdk1의 활동에 대항한다.[16]Sic1은 Swi5의 억제를 해제하기 위해 Cdk1-Clb2를 억제함으로써 스스로를 긍정적으로 규제하고, Cdh1도 Cdc14를 활성화할 수 있는 MEN의 억제를 해제하기 위해 Cdb2-Cdk1을 억제하여 스스로를 긍정적으로 규제하고 있다.APC-Cdh1과 Sic1에 의해 형성된 이중 음성 피드백 루프는 Clb2-Cdk1의 활동을 유지하는데 필요한데, Clb2는 전사 인자 Fk2-Mcm1 Ndd1 콤플렉스를 활성화하여 합성을 자동 활성화하기 때문이다.[8]

시사점

진핵 세포 주기는 충실하고 성공적인 세포 분열을 보장하기 위해 다양한 체크포인트와 피드백 루프로 구성된다.예를 들어 유사분열 시 중복 염색체가 유사분열 스핀들에 부적절하게 부착된 경우, Mad, Bub 등 스핀들 조립체 검사점(SAC) 단백질은 APC-Cdc20을 억제하여 아나파제와 B형 사이클린 분해로 진입을 지연시킨다.또한, 유사수전 스핀들이 잘못 정렬되었을 때, MEN과 후속적으로 Bub2와 Bfa1 의존적인 방식으로 Cdc14를 억제하여 유사수전 사이클린과 아나파제 진입을 방지한다.[16]Sic1은 시스템 수준 피드백이 환경 조건을 감지하고 셀 주기 전환을 트리거하기 위해 어떻게 상호작용하는지를 보여주는 좋은 예다.실제 M-G1 전환은 수많은 단백질과 규제가 수반되는 매우 복잡하지만, 동적 시스템 접근방식은 출력(미토탈 출구)이 Sic1의 임계 농도에 의존하는 두 개의 안장 노드의 분기점과의 비스트 가능 입출력 관계로 이 복잡한 시스템을 단순화할 수 있다.1차원 분석을 사용하면 시스템 수준 제어와 피드백에 의해 지배되는 진핵 세포 주기의 많은 되돌릴 수 없는 전환점을 설명할 수 있을 것이다.되돌릴 수 없는 전환점의 다른 예로는 시작(새로운 셀 분할 주기에 대한 되돌릴 수 없는 약속)이 있다. 이 스위치는 제어 매개변수가 Cln2, Whi5, SBF와 관련된 시스템 피드백에 의해 엄격하게 규제된다.[17]

참조

  1. ^ Erich A. Nigg (2005). "Cyclin-dependent protein kinases: key regulators of the eukaryotic cell cycle". BioEssays. 17 (6): 471–480. doi:10.1002/bies.950170603. PMID 7575488.
  2. ^ a b c d e f g Sandra Lo´pez-Avile´s, Orsolya Kapuy, Be´la Nova´k, Frank Uhlmann (2009). "Irreversibility of mitotic exit is the consequence of systems-level feedback". Nature Letters. 459: 592–595. Bibcode:2009Natur.459..592L. doi:10.1038/nature07984. PMC 2817895. PMID 19387440.{{cite journal}}: CS1 maint : 복수이름 : 작성자 목록(링크)
  3. ^ a b c Randall W. King; Raymond J. Deshaies; Jan-Michael Peters; Marc W. Kirschner (1996). "How proteolysis drives the cell cycle". Science. 274 (5293): 1652–1659. Bibcode:1996Sci...274.1652K. doi:10.1126/science.274.5293.1652. PMID 8939846.
  4. ^ I. Waizenegger; JF. Giménez-Abián; D. Wernic; JM. Peters (2002). "Regulation of Human Separase by Securin Binding and Autocleavage". Current Biology. 12: 1368–1378. doi:10.1016/S0960-9822(02)01073-4. PMID 12194817.
  5. ^ Matt Sullivan, Frank Uhlmann (2003). "A non-proteolytic function of separase links anaphase onset to mitotic exit". Nat Cell Biol. 5: 249–254. doi:10.1038/ncb940. PMC 2610357. PMID 12598903.
  6. ^ Rosella Visintin; Susanne Prinz; Angelika Amon (1997). "CDC20 and CDH1: A Family of Substrate-Specific Activators of APC-Dependent Proteolysis". Science. 278 (5337): 460–463. Bibcode:1997Sci...278..460V. doi:10.1126/science.278.5337.460. PMID 9334304.
  7. ^ Steven I. Reed (2003). "Ratchets and clocks: the cell cycle, ubiquitylation and protein turnover". Nature Reviews Molecular Cell Biology. 4: 855–864. doi:10.1038/nrm1246. PMID 14625536.
  8. ^ a b c P. K. Vinod, Paula Freire, Ahmed Rattani, Andrea Ciliberto, Frank Uhlmann, and Bela Novak (2011). "Computational modeling of mitotic exit in budding yeast: the role of separase and Cdc14 endocycles". J. R. Soc. Interface. 8: 1128–1141. doi:10.1098/rsif.2010.0649. PMC 3119881. PMID 21288956.{{cite journal}}: CS1 maint : 복수이름 : 작성자 목록(링크)
  9. ^ Tamara A. Potapova; John R. Daum; Bradley D. Pittman; Joanna R. Hudson; Tara N. Jones; David L. Satinover; P. Todd Stukenberg & Gary J. Gorbsky (2006). "The reversibility of mitotic exit in vertebrate cells". Nature Letters. 440: 954–958. Bibcode:2006Natur.440..954P. doi:10.1038/nature04652. PMC 1513549. PMID 16612388.
  10. ^ a b c Strogatz, Steven H, ed. (1994). "Chapter 2 and 3". Nonlinear dynamics and chaos : with applications to physics, biology, chemistry, and engineering. Perseus Books.
  11. ^ John J. Tyson, Attila Csikasz-Nagy, and Bela Novak (2002). "The dynamics of cell cycle regulation". BioEssays. 24 (12): 1095–1109. doi:10.1002/bies.10191. PMID 12447975.{{cite journal}}: CS1 maint : 복수이름 : 작성자 목록(링크)
  12. ^ Dan Siegal-Gaskins; Maria Katherine Mejia-Guerra; Gregory D. Smith; Erich Grotewold (2011). "Emergence of Switch-Like Behavior in a Large Family of Simple Biochemical Networks". PLOS Computational Biology. 7 (5): 1–12. arXiv:1104.2845. Bibcode:2011PLSCB...7E2039S. doi:10.1371/journal.pcbi.1002039. PMC 3093349. PMID 21589886.
  13. ^ Crawford, John (1991). "Introduction to Bifurcation Theory". Reviews of Modern Physics. 63: 991–1037. Bibcode:1991RvMP...63..991C. doi:10.1103/revmodphys.63.991. hdl:2152/61063.
  14. ^ Visintin R, Hwang ES, Amon A (1999). "Cfi1 prevents premature exit from mitosis by anchoring Cdc14 phosphatase in the nucleolus". Nature. 398: 818–823. Bibcode:1999Natur.398..818V. doi:10.1038/19775. PMID 10235265.
  15. ^ a b A. Lindqvist; W. van Zon; Rosenthal C. Karlsson; RM. Wolthuis (2007). "Cyclin B1–Cdk1 Activation Continues after Centrosome Separation to Control Mitotic Progression". PLOS Biology. 5 (5): 1127–1137. doi:10.1371/journal.pbio.0050123. PMC 1858714. PMID 17472438.
  16. ^ a b Joanna Bloom; Frederick R. Cross (2007). "Multiple levels of cyclin specificity in cell-cycle control". Nature Reviews Molecular Cell Biology. 8: 149–160. doi:10.1038/nrm2105. PMID 17245415.
  17. ^ Charvin G, Oikonomou C, Siggia ED, Cross FR (2010). "Origin of Irreversibility of Cell Cycle Start in Budding Yeast". PLOS Biology. 8 (1): 1–13. CiteSeerX 10.1.1.355.8815. doi:10.1371/journal.pbio.1000284. PMC 2797597. PMID 20087409.