Modul: Struktura a fyziologie rostlinné buňky

• Definice buňky• Historie a metodologie cytologie - vědy o buňce• Prokaryotická buňka• Eukaryotická buňka – živočišná a rostlinná• Organely rostlin

• Dělení buněk – karyokineze, cytokinezeMitóza

Meióza• Buněčný cyklus, tumorogeneze

Inovace studia botaniky prostřednictvím e-learninguCZ.1.07/2.2.00/07.0004

Buněčné dělení vs. buněčný cyklus historie

1869 – J. F. Miescher – izolace „nucleinu“ z bílých krvinek 1910 – A. Kossel – Nobelova cena za studium nukleových kyselin a bílkovin1944 – O. Avery, C. MacLeod a M. McCarty - DNA je genetický materiál – transformace bakterií1951 – zdvojnásobení obsahu DNA v interfázi - S fáze 1953 – J. Watson a F. Crick - Nobelova cena - struktura DNA + replikace DNA v S-fázi1953 – A. Howard a S.R. Pele – 4 fáze buněčného cyklu – Vicia faba: G1 S (syntéza)G2M (mitóza)

Buněčný cyklus• doba mezi dvěma děleními buňky• zahrnuje

– interfázi• G1 – fázi• S – fázi• G2 – fázi• M – fázi

• liší délka u různých typů buněk• regulován na molekulární úrovni - kontrolní body (check points) • pomáhá řídit vnitřní a vnější faktory• rakovinné buňky - mimo regulaci

Buněčný cyklus

G1

G2

S

M CDK

cyclin

Buňka s chromozomy v jádře

Syntéza DNA

Duplikace chromozomů

Buňka s duplikovanými chromozomy

Mitóza

Buněčné dělení

Rozchodchromozomů

CDK / cyclinassociation

peptide CDK inhibitor association

(INK4, CIP/KIP)export from nucleus

phosphorylation (T161)

phosphorylation(T14, Y15)

cyclin synthesis / proteolysis

Regulace aktivity CDK

Regulace aktivity CDK cykliny

G0 G1 S G2 M G1 S G1 M G0

mitogenic stimulation

p27

cyclin D

cyclin Ecyclin A

cyclin B

CDK4-6Cyklin D

CDK1Cyklin ACDK2

Cyklin A

CDK2Cyklin E

CDK1Cyklin B

G2

M

G1

S

G0

CDC25B

CDC25A

CDC25C

CDC25B

CDC25B

CDC25A

CDK7Cyklin H

CDK7Cyklin H

p21 CIP1

p57 KIP2

p27 KIP1

p16 INK4A

p15 INK4B

p19 INK4D

p18 INK4C

Wee1

Myt1

Inhibice CDK

Koning, Ross E. 1994. Cell Cycle. Plant Physiology Information Website. http://plantphys.info/plant_physiology/cellcycle.shtml

Buněčný cyklus

transkripce

E2FDP

pRB

PP

CDK2Cyklin E

p21 CIP1

p27 KIP1 p16 INK4A

E2F

PDP

CDK4-6Cyklin D

pRB E2FDP

p130E2F

p107E2F

pRB

transcripce G1

Buněčný cyklus a rakovinac-myc, cyclin E, cyclin A, thymidin kinase, thymidylate synthase, DNA pol , ...

Přibližně 80% nádorů se vyznačuje mutacemi v signální kaskádě CDK4, INK4, cyklin D, pRb. Jedná se zejména o amplifikace cyklinů a CDK, jejichž aktivita podporuje buněčný cyklus, delece cyklus brzdících proteinů INK a hlavně delece nebo i bodové mutace v pRb, který ztrácí afinitu k E2F. Další mutace se objevují i genech dalších regulátorů cyklu - CDK2, cyklin E, p21, p27, p57. Vše pak podporuje neustálý růst a dělení buněk. Z tohoto pohledu jsou farmakologické inhibitory CDK skutečně perspektivní, zejména např. v nádorech s těmito mutacemi.Transgenní myši s amplifikacemi genů pro některé cykliny anebo delecemi INK skutečně vykazují výrazně vyšší četnost spontánních nádorů.

G1/S regulační mechanismy v rostlinných buňkách

p27

target gene

++ +pRb pRbPP

P PP

pRb

Gem

E2F

cyclin D3

CDKA

CAK(CDK7)

cyclin H

WEE1

Cip1/Kip1

p19 ?

MDM2 ?

p53?

p21 ?cyclin E

CDK2A

pRb

x x

G1S fáze

E2F E2F

cyclin D2

CDKA

sucrosecytokinin

auxin

+MAT1 ?

E2F/DP E2F/DP

ABA

C yclin D

C dk4

C dk6

C dk2

C dk1C dk1

C dk1

C dc25C

C dc25A

p15 p16 p18 p19

p21 p27 p57

p53

C yclin D

C yclin E

P

R b

R bP

E 2F

E 2F

C yclin AP

P

p53

C yclin H

C dk7

M AT1W ee1

C yclin A

C yclin A

p107& E2F

M ik1

M yt1

P P2A

p107& E2F

G row th Factors

Res

tric

tio

n P

oin

t

C dc25BP IK -1

C H K-1

C dk2

G S K-3

R as, R af, M yc, Fos, Jun

M yc

H iston H 1,lam ins, vim entin ,ca ldesm on,other substrates

P

P

Proteiny zapojené v karcinogenezi

CDK a cyklus dělení buňky

??p53 !p53 !

poškození DNA,mitotického aparátuoxidačnístresnedostatek živinhypoxie

poškození DNA,mitotického aparátuoxidačnístresnedostatek živinhypoxie

Zablokování buň. cykluReparace poškozeníZablokování buň. cykluReparace poškození

ApoptózaApoptózaBax, PUMA, NOXAFas, DR-5,CD45, AIP1, PTENScotin, PIG3

Bax, PUMA, NOXAFas, DR-5,CD45, AIP1, PTENScotin, PIG3

p21 ,14-3-3Gadd45, p53R2p21 ,14-3-3Gadd45, p53R2

p53p53

p53p53 Transkripční faktor

Transkripční faktor

HladinaHladina Schopnost Schopnost vázat DNAvázat DNA

Interakce s transkrip.Interakce s transkrip.aparátemaparátem

p53p53

p53p53

Genetic instability(BRCA mutation)

LI-FRAUMENY SYNDROM

17p

Embryonic MutationAcquired Mutation

ChemotherapyRadiotherapy

Loss of 1. alleleLoss of 1. alleleGenetic instability„Gain of function“Dominant ngative effect

Loss of 2. alelle = loss of heterozygosityLoss of 2. alelle = loss of heterozygosity

p53p53p53p53

p53p53 p53p53

p53p53

DeletionDeletion 2. point mutation2. point mutation Other types of mutationsOther types of mutations

282282282282

273273273273248248248248

175175175175

22

33

44

55

66

77

88

99

00

11

Fre

qu

ency

of

mu

tati

on

s (%

)F

req

uen

cy o

f m

uta

tio

ns

(%)

Position of mutated codonPosition of mutated codon

N- terminalN- terminal DNA-binding domainDNA-binding domain C- terminalC- terminal

N-term C-term

DNA-binding domain

175175 248248 273273 282282

feedbackloop

feedbackloop

PTEN Cyclin G

p53p53p53p53 MDM2MDM2

DNAPKDNAPKATMATM

DNA breaksDNA breaks

ATRATR Caseinkinase II

Caseinkinase II

UV radiationstress

UV radiationstress

p14ARFp14ARF

OncogenesOncogenes

Tsp1

Maspin GD-AIF

BAI1PERP NOXAScotin

Fas Bax PIDD

KILLER/DR5 P53AIP1

GADD45

Reprimo

14-3-3

p21

ApoptosisApoptosisCell cycle blockCell cycle block

p53 signalling p53 signalling

StressStress

Stress signallingStress signalling

Increase of p53 levelTransactivationIncrease of p53 levelTransactivation

Expression ofeffectorgenes

Expression ofeffectorgenes

Inhibition ofvascularizationInhibition ofvascularization

Stabilizace p53/ indukující p21

G2

MG1

S

p21 CIP1

apoptóza

CDK2Cyklin E

CDK1Cyklin B

Pp53MDM2p53

p14 ARF

PMDM2poškození DNA, hypoxie, teplotní

šok

Chk2

ATM

MDM2p14 ARF

Microtubular arrays during cell cycle progression

in plant cells

CDKB1/2PPTALREPPTTLREmotifs CDKA

PSTAIREmotif

Agrobacterium a geny tumorogenezeTransformace hostitelských buněk – hypertrofie, hyperplazieRi plazmid – indukce tvorby kořenů - A. rhizogenesTi plazmid – indukce tvorby nádorů - A. tumefaciens

Tumorogeneze = přírodní způsob genetického inženýrstvíTi kóduje enzymy měnící hladiny růstových regulátorů – nádor

Vazba bakterie na rostlinu - obranné fenoly indukují Ti systém – onkogenní interakce iniciována inkorporací T-DNA fragmentů náhodně do jádra buněk r.

1. vznik nádoru2. syntéza opinů

+ rostlina produkuje další látky podporující růst tumor působící bakterie

Opiny