מערכת בקרת מחזור התא

פעילות התא היא תהליך מורכב המתחלק לשלבים, כאשר כל אחד מהשלבים תלוי גם בשלב שקדם לו. באופן הזה התא מבקר את פעילותו התקינה ומצליח לפעול בהתאם לצורך, כדי לשמור על כל התהליכים החיוניים באורגניזם החי. פעילות בקרת חלוקת התא חיונית בין היתר לתהליכי הרבייה, חידוש רקמות, פעילות מערכת חיסונית, גדילה ומגוון תהליכים אחרים, המשתנים בין האורגניזמים השונים. פגיעה במערכת רגולטיבית זו עלולה לשבש תהליכים פיזיולוגים באורגניזם החי ולמנוע התפתחותו התקינה.
התא מתחלק על פי רצף אירועים מאורגן, הכולל שכפול תוכן התא וחלוקת התא לשני תאים נפרדים. תהליכי שכפול DNA וחלוקת התא מהווים את מחזור התא (Cell Cycle), מכניזם החיוני להתרבות והמשכיות בכל היצורים החיים. ביצורים החד תאיים (כגון: שמרים ו/או חיידקים), כל חלוקה תיצור אורגניזם שלם במלואו. לעומת זאת, ליצירת אורגניזם רב תאי יידרש רצף ארוך ומורכב של חלוקות. כך למשל, בגוף  מיוצרים מיליוני תאים, במגוון סוגים, בכל רגע נתון, אשר מהווים חלופה לתאים המתים שמתחלפים. כל זאת, כדי שגוף האדם יוכל להתקיים ולחדש רקמות במהלך החיים. במידה וחלוקות אלה ייעצרו (למשל: כתוצאה מחשיפה ממושכת לקרינת רנטגן נרחבת), גוף האדם יקרוס תוך ימים ספורים.
מערכת ארגון ובקרה של מחזור התא השתמרה לאורך אבולוציה של מיליוני שנים, נחקרה במגוון מחקרים ונבדקה על טווח רחב של מערכות, החל משמרים, עוברים בבע"ח ועד לתאי יונקים. כל אלו תרמו להבנה כי מדובר במערכת אשר אחידה בכל התאים האיקריוטים. מחזור התא הוא תהליך מגוון, המשתנה בהתאם לסוג האורגניזם ובהתאם לשלב הספציפי בו מצוי האורגניזם בחייו. יחד עם זאת, האורגניזציה הבסיסית של מחזור התא אוניברסלית בכל התאים האיקריוטים, היות שבכולם ניתן להבחין במנגנון ובמכניזם בקרה זהים, האחראים לוויסות שלבי מחזור התא. אורגניזציה זו, בסיסית ככל שתהיה, היא הכרחית לקיום הפונקציה החיונית ביותר של התא – העברת האינפורמציה הגנטית המצויה בתא לדורות הבאים. כדי לייצר שני תאי בת (Daughter Cells), בעלי תוכן גנטי זהה, ה-DNA המצוי בכל כרומוזום חייב ראשית לשעתק (Replicate) את עצמו לשני עותקים מלאים. לאחר מכן, כרומוזומים אשר עברו שעתוק (Replication) צריכים לעבור חלוקה (Segregation) מדויקת לשני תאים, כך שכל תא יקבל עותק אחיד ושלם מכל גנום.
תאים איקריוטים סיגלו לעצמם לאורך האבולוציה, מערכת שלמה המורכבת מקומפלקס חלבוני רגולציה (Regulatory Proteins), הידועה כמערכת בקרת מחזור התא (Cell Cycle Control System), מערכת האחראית על ניהול מחזור התא התקין. ליבת המערכת מושתתת על סדרות מאורגנות של תפניות ביוכימיות (Switches), המעוררות אקטיבציה של השלבים המרכזיים במחזור התא, לרבות שיכפול כרומוזומים וחלוקת התא. במרבית התאים, מערכת הבקרה מכילה רגולציות נוספות באמצעות אותות (סיגנלים), הן מתוך התא והן מחוצה לו. בתוך התא מערכת הבקרה מנטרת את ההתקדמות דרך מחזור התא עצמו, ובמידת הצורך מעכבת את השלב הבא עד שהשלב שקדם לו הושלם באופן מלא ומדויק. כך למשל, מערכת הבקרה לא תאפשר הכנות לשלב חלוקת התא אלא רק לאחר ששלב השכפול הושלם. המערכת אחראית גם לניטור התנאים שמחוץ לתא, כך למשל בבע"ח (יצורים רב תאיים) קיימת מערכת אותות (המגיעים מתאים אחרים ויוצרים גירוי) אשר במידת הצורך, ממריצים חלוקת תאים ו/או מעכבים יצירת תאים (באמצעות חסימת האותות).
מכאן שמערכת בקרת מחזור התא בעלת תפקיד מרכזי ברגולציה של כמות התאים הנתונה ברקמות הגוף. בעת פגיעה במערכת זו, ייתכן ייצור עודף של תאים, שיתבטא למשל במחלת הסרטן.
בנוסף לשכפול הגנום, מרבית התאים משכפלים גם את תוכנם (אברונים ומקרומולקולות), כדי למנוע הקטנת תאי הבת במעבר מחלוקה לחלוקה. כלומר, כדי לשמר את גודל התא, קיימת קואורדינציה בין חלוקת התא למסת התא הגדל.

מכניזם הבקרה

מכניזם הבקרה ספציפי לכל שלב, כאשר הזמן המוקצב לכל שלב אינו תלוי בהצלחת השלב עצמו (כלומר, ממשיך לפעול גם אם השלב לא הסתיים בהצלחה). למשל: במקרה בו סינתזת DNA שלא הסתיימה בהצלחה בזמן, התא ישאף להמשיך לשלב הבא בכל מקרה. בשלב הזה תכנס לפעולה מערכת הבקרה, אשר תושפע מאותות המגיעים אליה בשלב הזה, המאותתים לעכב את ההתקדמות ל-M phase. העיכוב מקנה זמן לתיקון או החלפה, אשר למשל יכולים למנוע בהמשך יצירת תאים המתקדמים לשלבים הבאים במחזור התא למרות שאינם בשלים.
מערכת בקרת מחזור התא מבוססת על סדרות של אקטיבציות ביוכימיות המקושרות ביניהן, כאשר כל אחת מהן מאתחלת שלב ספציפי במחזור התא. 
המערכת נעזרת במתווכים חיוניים שתפקידם לשמור על דיוק ומהימנות בכל שלב ושלב במהלך מחזור חיי התא.

קומפלקס Mitosis Promoting Factor\Maturation promoting factor) MPF)

במהלך G2 Phase ציקלינים המתחברים ל-Cdks יוצרים קומפלקס Mitosis Promoting Factor) MPF) אשר עליה ברמתו מעל הסף הדרוש מהווה איתות לתהליך המיטוזה. כאשר שלב M הושלם במלואו, מכניזם המורכב בין היתר מקומפלקס MPF מעודד יצירת אנזימים האחראים לפירוק ציקלינים ודיכוי פעולתם. ירידה ברמת קומפלקס MPF משמש כאינדקיציה לסיום שלב M. מה שמתבטא בשלב G1 המתמשך באופן יציב בדרכו לשלב S במחזור התא הבא.

סיכום

מערכת בקרת מחזור התא אחראית להכוונה והתקדמות מחזור התא. במקביל, מבקרת את פעילות מחזור התא, כך שכל שלב יעשה בזמן המוקצב ובסדר הנדרש. מערכת הבקרה מגיבה למגוון אותות, תוך או חוץ תאיים, ובמידת הצורך בולמת את המעבר לשלב הבא עד לקיום התנאים המיטביים. פעילות קומפלקס Cycline-Cdk מושפעת בין היתר מזירחון תת-יחידות Cdk, חיבור Cdk לחלבונים אחרים, פירוק ציקלינים (Proteolysis) ותעתוק הגנים המקודדים לרגולטורים של Cdk. מערכת הבקרה תלויה גם בקומפלקסים אנזימתים אחרים, כגון: Anaphase-promoting complex ו-SCF complex אוביקוויטין ליגאז, המובילים לרצף אירועים שיתבטאו בסופו של דבר בפירוק חלבונים רגולטוריים המשפיעים על תהליכים קריטיים במחזור התא.