Podcast o p53, regulácia bunkového cyklu a apoptóza

Kapitoly

Čo je bunkový cyklus?

Regulátori cyklu: Cyklíny a CDK

Prvý kontrolný bod: Rozhodnutie o delení

Druhý a tretí bod: Príprava na mitózu

Strážca genómu: Proteín p53

Brzdy a plyn: Tumor-supresory a protoonkogény

Tri cesty ku koncu

Vonkajší signál smrti

Vnútorný spúšťač a strážca genómu

Popravčia čata kaspáz

Upratovacia služba a choroby

Zhrnutie a záver

Přepis

Peter: Určite si už počul, že rakovina je v podstate len nekontrolované delenie buniek. Znie to tak jednoducho, však? Ale v skutočnosti je za tým neskutočne prepracovaný systém bŕzd a plynov, ktorý riadi každú jednu bunku v našom tele.

Tereza: Presne tak, Peter. A tento systém, tento presný harmonogram života bunky od jej vzniku až po jej ďalšie rozdelenie, sa nazýva bunkový cyklus. Je to základný proces života. A dnes sa naň pozrieme zblízka.

Peter: Super! Počúvate Studyfi Podcast. Takže, Tereza, kde tento cyklus začína a kde končí?

Tereza: Začína sa vznikom bunky a končí jej rozdelením na dve dcérske bunky. Celé sa to delí na dve hlavné časti: interfázu, čo je taká dlhá prípravná fáza, a potom samotnú M-fázu, čiže mitózu, kedy prebehne to samotné delenie.

Peter: A delia sa všetky bunky rovnako často?

Tereza: Vôbec nie. A to je na tom to fascinujúce. Máme bunky, ktoré sú v neustálom kolotoči delenia, napríklad bunky v črevách, takzvané enterocyty, alebo v kostnej dreni. Tie sa takmer nezastavia.

Peter: A na druhej strane?

Tereza: Na druhej strane sú bunky, ktoré sa delia len výnimočne, napríklad pečeňové bunky, možno raz za rok. A potom sú tu hviezdy, ktoré sa už nedelia vôbec – väčšina neurónov a svalové vlákna. Tie sú v permanentnom oddychu.

Peter: Dobre, takže čo dá bunke ten prvotný signál, to „áno, teraz sa choď rozdeliť“?

Tereza: Skvelá otázka. Sú to takzvané rastové faktory. Predstav si ich ako malých poslov, ktorí prídu, zaklopú na dvere bunky – na jej receptor – a povedia: „Hej, potrebujeme vás viac!“

Peter: A čo sa stane potom vo vnútri bunky?

Tereza: Tieto receptory spustia reťazovú reakciu, takú kaskádu signálov, ktorá nakoniec vedie k aktivácii génov potrebných na delenie. Ale pozor, bunka nie je hlúpa. Nespustí delenie len tak.

Peter: Má nejaké poistky?

Tereza: Presne tak. Má takzvané kontrolné body. Sú to miesta v cykle, kde sa všetko zastaví a bunka si položí otázky: „Som dosť veľká? Je moja DNA v poriadku? Sú všetky prípravy hotové?“

Peter: Ako taká kontrola kvality vo fabrike.

Tereza: Dokonalé prirovnanie! A hlavnými manažérmi tejto kontroly sú dve skupiny proteínov: cyklíny a cyklín-dependentné kinázy, skrátene CDK.

Peter: Znie to zložito. Ako fungujú?

Tereza: Vôbec nie. Predstav si CDK ako motor, ktorý je v bunke stále prítomný, ale je vypnutý. A cyklín je kľúč, ktorý do toho motora pasuje a naštartuje ho. Keď sa cyklín naviaže na CDK, motor sa rozbehne a posunie bunku do ďalšej fázy.

Peter: A prečo sa to volá cyklín?

Tereza: Pretože jeho množstvo sa v bunke cyklicky mení. Keď splní svoju úlohu, je odbúraný. A na ďalšiu fázu je potrebný zase iný typ kľúča – iný cyklín. Týmto spôsobom je celý proces precízne načasovaný.

Peter: Okej, poďme na prvý a asi najdôležitejší kontrolný bod. Ten je kde?

Tereza: Ten sa nachádza na prechode z G₁ fázy do S fázy. G₁ fáza je obdobie rastu, a S fáza je tá, kde sa kopíruje DNA. Tento bod je kľúčový, lebo keď ním bunka prejde, už niet cesty späť. Je to bod bez návratu – bunka sa už musí rozdeliť.

Peter: Takže tu sa rozhoduje o všetkom. Kto je tu hlavný „vrátnik“?

Tereza: Hlavným vrátnikom je proteín menom RB. Za normálnych okolností RB drží na reťazi transkripčný faktor E2F, ktorý je potrebný na spustenie S-fázy. RB ho jednoducho blokuje.

Peter: A ako sa ho bunka zbaví, keď sa chce deliť?

Tereza: Práve tu prichádzajú na scénu naše cyklíny a CDK. Najprv komplex cyklínu D a CDK4/6 čiastočne „ošetrí“ RB, a potom komplex cyklínu E a CDK2 dokončí prácu. Fosforylujú ho.

Peter: Čo znamená, že ho fosforylujú?

Tereza: V podstate naň pripoja fosfátovú skupinu, čo zmení jeho tvar a on musí pustiť E2F. Uvoľnený E2F potom ako správny manažér zapne produkciu všetkých enzýmov potrebných na kopírovanie DNA, napríklad DNA polymerázy.

Peter: Chápem. Takže prechod týmto bodom je ako stlačenie tlačidla „štart“ na kopírke DNA.

Tereza: Presne tak. A po tomto bode už bunka nepotrebuje ani tie pôvodné rastové faktory. Už je rozbehnutá a proces dokončí.

Peter: Dobre, DNA sa úspešne skopírovala v S fáze. Čo nasleduje potom? Ďalší kontrolný bod?

Tereza: Áno. Po S fáze prichádza fáza G₂, kde bunka ešte dorastá a kontroluje, či je všetko pripravené na samotnú mitózu. A na konci G₂ fázy je druhý kontrolný bod.

Peter: Čo sa kontroluje tu?

Tereza: Hlavne dve veci: či sa skopírovala VŠETKA DNA a či pri kopírovaní nevznikli nejaké chyby. Bunka sa chce uistiť, že do mitózy vstupuje s dvoma bezchybnými kópiami svojej genetickej informácie.

Peter: A kto je tu spúšťačom? Zase nejaký cyklín?

Tereza: Samozrejme. Tu hrá hlavnú rolu komplex cyklínu B a CDK1. Tento komplex je akýmsi dirigentom mitózy – spúšťa kondenzáciu chromozómov a rozpad jadrovej membrány.

Peter: Takže keď je všetko v poriadku, tento komplex sa aktivuje a ide sa na to.

Tereza: Presne. Ale je tu ešte jedna zaujímavá regulácia. Tento komplex je najprv neaktívny, lebo ho brzdí enzým zvaný kináza Wee1. A na jeho odbrzdenie je potrebný iný enzým, fosfatáza Cdc25. Je to taký systém brzda-plyn.

Peter: Znie to ako preteky.

Tereza: Trochu áno. A potom je tu ešte tretí, posledný kontrolný bod, a ten je už priamo v mitóze, pri prechode z metafázy do anafázy.

Peter: Čo sa deje tam? Tam už sú chromozómy pekne zoradené v strede, nie?

Tereza: Presne! A bunka kontroluje, či sú VŠETKY chromozómy správne pripojené na mikrotubuly deliaceho vretienka. Predstav si to ako kontrolu pred štartom pretekov – musia byť všetci bežci na svojich pozíciách.

Peter: Aby sa nestalo, že jedna dcérska bunka dostane o chromozóm viac a druhá o jeden menej.

Tereza: Presne. Až keď je všetko dokonale pripravené, aktivuje sa takzvaný anafázu promujúci komplex, alebo APC/C. Ten spustí rozdelenie sesterských chromatíd a ich odtiahnutie k pólom bunky.

Peter: Tereza, spomínala si, že bunka kontroluje poškodenie DNA. Čo sa stane, ak nejaké nájde? Zastaví sa všetko?

Tereza: Áno. A tu na scénu prichádza superhrdina bunkovej biológie – proteín p53. Volajú ho aj „strážca genómu“.

Peter: To znie dôležito. Akú má úlohu?

Tereza: Jeho úlohou je zabezpečiť, aby sa poškodená DNA nikdy nedostala do dcérskych buniek. V zdravej bunke je p53 neustále vyrábaný, ale aj hneď odbúravaný. Je v takej pohotovosti.

Peter: A keď dôjde k poškodeniu?

Tereza: Pri poškodení DNA sa p53 stabilizuje a jeho hladina v bunke prudko stúpne. Aktivovaný p53 potom urobí dve veci. Najprv ako transkripčný faktor zapne produkciu proteínu p21.

Peter: A p21 je čo zač?

Tereza: p21 je univerzálny brzdový pedál. Je to inhibítor CDK. Dokáže sa naviazať na komplexy cyklínov a CDK a jednoducho ich vypne. Zastaví bunkový cyklus, najmä v tom prvom kontrolnom bode G₁/S.

Peter: Takže bunka získa čas na opravu DNA.

Tereza: Presne tak. Dáva šancu opravným mechanizmom, aby chybu napravili. No a ak je poškodenie príliš veľké a nedá sa opraviť…

Peter: Tak čo potom?

Tereza: Potom p53 prepne na plán B. Aktivuje gény, ktoré spustia programovanú bunkovú smrť, apoptózu. Konkrétne zvýši produkciu proapoptotického proteínu Bax.

Peter: Takže p53 v podstate bunke povie: „Buď sa opravíš, alebo spáchaš samovraždu pre dobro celého organizmu.“ Je to drsné, ale logické.

Tereza: Presne tak. A teraz si predstav, čo sa stane, keď gén pre p53 zmutuje a prestane fungovať. To je bohužiaľ veľmi časté pri nádorových bunkách. Stratia svojho strážcu.

Peter: Takže keď zhrnieme tieto regulačné proteíny, zdá sa, že sú to dva tábory. Jedny, ktoré delenie podporujú, a druhé, ktoré ho brzdia.

Tereza: Áno, presne tak sa na to môžeme pozerať. Tie, čo delenie brzdia, ako p53, p21 alebo ten RB proteín, nazývame tumor-supresory. Sú to brzdy systému.

Peter: A mutácia v nich znamená, že brzdy prestanú fungovať a bunka sa môže deliť, aj keď by nemala.

Tereza: Presne. A naopak, proteíny, ktoré delenie stimulujú, sa nazývajú protoonkogény. Sú to plynové pedále. Patrí sem napríklad Ras proteín z tej signálnej kaskády, o ktorej sme hovorili na začiatku.

Peter: A keď zmutuje protoonkogén?

Tereza: Tak sa z neho stane onkogén. Predstav si to tak, že plynový pedál sa zasekne v polohe „na podlahe“. Bunka dostáva neustály signál na delenie, aj keď žiadne rastové faktory neprichádzajú.

Peter: Čiže rakovina je vlastne výsledkom poruchy v tomto systéme – buď pokazené brzdy, zaseknutý plyn, alebo najčastejšie kombinácia oboch.

Tereza: Perfektne zhrnuté. Celý bunkový cyklus je neuveriteľne krehká rovnováha medzi signálmi „choď“ a „stoj“. A práve pochopenie týchto mechanizmov nám otvára dvere k liečbe mnohých ochorení, vrátane rakoviny.

Peter: Fantastické. Takže od jedného rozhodnutia bunky, či sa rozdeliť, sme sa dostali až k základom onkológie. Ďakujem ti, Tereza, za toto skvelé vysvetlenie.

Tereza: Rada som to priblížila. Je to naozaj fascinujúci svet.

Peter: No a tým sa dostávame k nášmu poslednému, a možno trochu morbídne znejúcemu, no fascinujúcemu tématu. Apoptóza.

Tereza: Presne tak, Peter. A vôbec to nie je morbídne! Apoptóza je vlastne taký krásny, kontrolovaný proces. Je to programovaná bunková smrť.

Peter: Programovaná? To znie ako nejaký seba-deštrukčný mechanizmus z filmu. Stlačíš červené tlačidlo a bum!

Tereza: V podstate áno! Je to spôsob, ako sa telo elegantne zbavuje buniek, ktoré sú staré, poškodené, alebo jednoducho nepotrebné. Bez zápalu, bez neporiadku. Čistá práca.

Peter: Dobre, takže ako bunka dostane ten príkaz na... no, na seba-deštrukciu?

Tereza: Sú tri hlavné spôsoby, tri cesty, ako to spustiť. Predstav si to ako tri rôzne typy rozkazov. Prvá je vnútorná cesta. To je ten prípad, keď si bunka sama uvedomí, že je príliš poškodená, napríklad má poškodenú DNA, a rozhodne sa obetovať pre dobro celku.

Peter: Ako taký hrdina.

Tereza: Presne. Potom je tu vonkajšia cesta. Tam bunka dostane signál zvonku, od inej bunky, že jej čas vypršal. Je to ako doručený list s výpoveďou.

Peter: Tomu rozumiem. A tá tretia?

Tereza: To je granzým-perforínová cesta. Znie to akčne, a aj to je. Používajú ju hlavne bunky imunitného systému, keď potrebujú zlikvidovať napríklad nádorové alebo vírusom infikované bunky. Je to v podstate priamy útok.

Peter: Poďme sa pozrieť na tú vonkajšiu cestu. Ten list s výpoveďou ma zaujal.

Tereza: Dobre. Na povrchu buniek máme niečo, čo sa volá "receptory smrti". Jeden z najznámejších je Fas receptor. Predstav si ho ako zvonček na dverách.

Peter: A kto naň zvoní?

Tereza: Napríklad bunka imunitného systému, ktorá má na svojom povrchu kľúč – takzvaný Fas ligand. Keď sa tento ligand naviaže na receptor Fas, je to ten signál. Zvonček zazvoní.

Peter: A čo sa deje vo vnútri bunky, keď zazvoní?

Tereza: Aktivuje sa vnútorná časť receptora, ktorá sa volá "doména smrti". To na seba naviaže ďalšie proteíny a vytvorí sa komplex s názvom DISC. A tento DISC potom aktivuje prvého kata v rade – iniciačnú kaspázu 8.

Peter: Dobre, a čo tá vnútorná cesta? Keď sa bunka rozhodne sama?

Tereza: Tam hrá kľúčovú rolu proteín p53. Hovorí sa mu aj "strážca genómu". Jeho úlohou je kontrolovať, či DNA nie je poškodená. Ak nájde chybu, najprv zastaví delenie bunky a snaží sa DNA opraviť.

Peter: A keď sa oprava nepodarí?

Tereza: Vtedy p53 povie: "Tak dosť, končíme." Spustí apoptózu. Urobí to tak, že ovplyvní rovnováhu v rodine proteínov Bcl-2.

Peter: Zase nová rodinka.

Tereza: Áno, táto je dôležitá. Máme v nej pro-apoptotické členy, ako Bax a Bak, ktoré chcú spustiť smrť, a anti-apoptotické, ako samotný Bcl-2, ktorý ich drží na uzde. A p53 v podstate posilní tých "zlých" chlapcov a oslabí toho "dobrého".

Peter: Takže Bax a Bak vyhrajú.

Tereza: Presne. Urobia diery do vonkajšej membrány mitochondrie. A z mitochondrie sa do cytoplazmy vyleje cytochróm c. To je kľúčový signál pre vznik takzvaného apoptozómu, ktorý potom aktivuje inú iniciačnú kaspázu – kaspázu 9.

Peter: Počkaj, spomínala si kaspázy pri oboch cestách. Čo to presne je?

Tereza: Výborná otázka. Kaspázy sú enzýmy, sú to tie finálne vykonávateľky, taká demolačná čata bunky. Máme dva typy. Iniciačné, ako kaspáza 8 a 9, sú manažéri. Tie sa aktivujú ako prvé.

Peter: A čo robia títo manažéri?

Tereza: Tí potom aktivujú svojich robotníkov – efektorové kaspázy 3, 6 a 7. A tieto efektorové kaspázy sa pustia do práce. Štiepia všetko dôležité v bunke – cytoskelet, proteíny v jadre, enzýmy na opravu DNA... Rozoberú bunku zvnútra.

Peter: Brutálne, ale efektívne. Takže bunka sa vlastne sama rozloží na kúsky.

Tereza: Presne tak. Scvrkne sa a rozpadne na malé, úhľadné balíčky, ktorým hovoríme apoptotické telieska. Žiadny neporiadok.

Peter: A čo sa stane s tými balíčkami?

Tereza: Tie sú potom elegantne "zjedené" fagocytmi, napríklad makrofágmi. Je to ako upratovacia služba. Apoptotické telieska majú na svojom povrchu signál – fosfatidylserín – ktorý im hovorí: "Hej, som odpad, zjedz ma!"

Peter: Fascinujúce. Ale čo sa stane, keď tento dokonalý systém zlyhá?

Tereza: To je základom mnohých ochorení. Ak máme málo apoptózy, bunky, ktoré majú zomrieť, nezomrú. To je princíp nádorových ochorení – bunky sa nekontrolovateľne množia. Alebo pri autoimunitných ochoreniach, kde imunitné bunky, ktoré majú byť zlikvidované, prežívajú a útočia na vlastné telo.

Peter: A keď je apoptózy naopak priveľa?

Tereza: To tiež nie je dobré. Zvýšená apoptóza je spojená s neurodegeneratívnymi ochoreniami ako Alzheimerova či Parkinsonova choroba, kde zanikajú neuróny. Ale aj pri AIDS alebo po infarkte myokardu.

Peter: Takže, aby sme to zhrnuli na záver nášho dnešného podcastu. Apoptóza je vlastne kľúčový a vysoko regulovaný proces programovanej bunkovej smrti.

Tereza: Presne. Zabezpečuje odstránenie nepotrebných alebo poškodených buniek bez toho, aby poškodila okolie. Má tri hlavné spúšťacie cesty – vnútornú, vonkajšiu a granzýmovú.

Peter: A kľúčoví hráči sú proteíny ako p53, rodina Bcl-2 a hlavne vykonávači – kaspázy, ktoré bunku rozložia na malé, ľahko stráviteľné kúsky.

Tereza: A jej porucha, či už príliš malá alebo príliš veľká aktivita, vedie k závažným ochoreniam, od rakoviny až po neurodegeneráciu. Je to naozaj krehká rovnováha.

Peter: Tereza, ďakujem ti veľmi pekne. Nielen za toto vysvetlenie, ale za všetky témy, ktorými si nás previedla. Bolo to skvelé.

Tereza: Aj ja ďakujem za pozvanie, Peter. Bolo mi potešením. A dúfam, že sme našim poslucháčom aspoň trochu pomohli!

Peter: O tom nepochybujem. Takže, milí študenti, to je od nás pre tentokrát všetko. Učte sa, skúmajte a hlavne, nestrácajte zvedavosť. Dopočutia pri ďalšom dieli Studyfi Podcastu!

Tereza: Dopočutia!