Tsükliinid

Tsükliinid on rühm valke, mis kontrollivad raku arengut läbi rakutsükli, aktiveerides tsükliinsõltuvaid kinaase (CDK – ingl cyclin-dependent kinase). Tsükliinid avastas Richard Timothy Hunt 1982. aastal, uurides meresiiliku rakutsüklit. Leland Harrison Hartwell, Richard Timothy Hunt ja Paul Maxime Nurse võitsid 2001. aastal Nobeli füsioloogia-meditsiiniauhinna tsükliinide ja tsükliinsõltuvate kinaaside avastamise eest. Intervjuus ajakirjale The Life Scientific seletas R. Timothy Hunt, et nimetus tsükliin tuli algselt Hunti jalgrattasõiduharrastusest. Pärast nimepanekut sai ta aga aru, kui tähtsad on tsükliinid rakutsüklile. Kuna nimi oli asjakohane, jäi see samaks. Tsükliinid said oma nimetuse tsükliliselt varieeruva kontsentratsiooni järgi rakutsüklis. Nüüdsest on tsükliinid klassifitseeritud oma konserveerunud järjestuse järgi ja mitte kõik tsükliinid ei muuda oma kontsentratsiooni taset läbi rakutsüklite. Tsükliin moodustab kompleksi CDK-ga, alustades CDK aktiveerimist, kuid lõplikuks aktiveerimiseks on vajalik fosforülatsioon. Kompleksi tekkimine aktiveerib CDK aktiivsaidi. Tsükliinidel endal pole ensümaatilist aktiivsust, kuid neil on seondumiskohad mõnedele substraatidele ning tsükliinid märgistavad CDK-d spetsiifilistesse subtsellulaarsetesse asukohtadesse. Tsükliinid, mis on seotud tsükliinsõltuvate kinaasidega, nagu p34 (cdc2) või CDK1 valkudega, moodustavad MPF-i (ingl maturation-promoting factor). MPF-d aktiveerivad teisi valke läbi fosforüleerimise. Fosforüleeritud valgud vastutasuks vastutavad spetsiaalsete sündmuste eest rakutsüklis nagu mikrotuubulite tekkimine ja kromatiini remodelleerimine. Tsükliinid on jaotatud nelja klassi, aluseks on võetud nende käitumine selgroogsete somaatiliste rakkude ja pärmirakkude rakutsüklis – G1/S-tsükliinid, S-tsükliinid, G2-tsükliinid ja M-tsükliinid. Selline jaotus on kasulik, kui rääkida enamikust rakutsüklitest, kuid ei ole universaalne, kuna mõnel tsükliinil on teistsugune funktsioon või ajastus erinevates rakutüüpides.  G1/S-tsükliinide tase kasvab hilises G1-faasis ning langeb varajases S-faasis. CDK-G1/S-tsükliini kompleks kutsub esile esmased sündmused DNA replikatsioonis, põhiliselt peatades süsteeme, mis hoiavad ära S-faasi CDK aktiivsuse G1-faasis. Tsükliinid soosivad ka teisi sündmusi rakutsükli edasiminekuks, nagu tsentrosoomi duplikatsioon selgroogsetes või käävipooluse keha pärmis. Kasv G1/S-faasi juuresolekul on paralleelne S-tsükliinide tõusuga.   S-tsükliinid seonduvad CDK-ga ja see kompleks kutsub esile DNA replikatsiooni. S-tsükliini tase jääb kõrgeks mitte ainult S-faasis, vaid ka läbi G2-faasi ja varase mitoosi, et soodustada varaseid sündmusi mitoosis.   M-tsükliini kontsentratsiooni tase kasvab, kui rakk alustab mitoosi ning kontsentratsiooni tase saavutab oma maksimumi metafaasis. Rakud muutuvad rakutsükli käigus: mitootilise käävi kokkupanek ja tütarkromatiidide joondumine mööda kääve on indutseeritud M-tsükliin-CDK kompleksi poolt. M-tsükliinide hävitamine metafaasi ja anafaasi ajal, peale seda kui käävi kokkupaneku kontrollpunkt on rahuldatud, põhjustab mitoosist ja tsütokineesist väljumise.  G1-tsükliinid ei käitu nagu teised tsükliinid. Nende tsükliinide tase tõuseb järk-järgult, ilma võnkumiseta läbi kogu rakutsükli, põhinedes raku kasvul ja välistel kasvuregulatsiooni signaalidel. G-tsükliinide kohalolek koordineerib raku kasvu minnes uude rakutsüklisse.  Primaarstruktuuri või aminohappelise järjestuse poolest erinevad tsükliinid üksteisest väga. Siiski on kõik tsükliinid sarnased 100 aminohappe ulatuses, mis moodustab tsükliinile omase järjestuse. Tsükliinid koosnevad kahest sarnasest α-voltumise domeenist. Esimene nendest asub N-terminuses ning teine C-terminuses. Kõik tsükliinid koosnevad sarnasest tertsiaarstruktuurist, mis koosneb viiest α helikaasist kahes kompaktses domeenis. Esimene nendest on konserveerunud tsükliini järjestus, millest väljaspool on tsükliinid erinevad. Näiteks S- ja M-tsükliinide aminoterminaalsed regioonid koosnevad lühikesest konserveerunud motiivist, mida kasutatakse märklauana tsükliinide proteolüüsis mitoosi käigus. Rakutsükli eri osades on aktiivsed mitmed erinevad tsükliinid ja nad põhjustavad CDK fosforülatsiooni erinevates substraatides. On veel mitmed üksikud tsükliinid, millele pole veel leitud ühtegi CDK-d partneriks. Näiteks tsükliin F, mis on oluline G2/M üleminekuks, millele pole leitud ühtegi CDK-d partneriks. Mitootiliste tsükliinide spetsiifilised rollid said selgeks uuringutega C. elegans’iga. Viimased uuringud näitavad tsükliin A omadust tekitada rakulist keskkonda, mis parandab prometafaasis mikrotuubulite eemaldumist kinetohoorist ning see omakorda tagab korrektse vigade paranduse ja kromosoomide eraldumise. Kromosoomide bi-orienteeritud kinnitumine mikrotuubulite käävidele läbi kinetohooride võimaldab rakkudel väga täpselt kromosoomid eraldada. Mitmeid vigu tekib rakujagunemise varajastes staadiumites just kinetohoori seondumisel mikrotuubuli käävidele. Ebastabiilne seondumine kutsub esile vigade parandamise, tekitades pideva lahti seondumise, ümberkorralduse ning mikrotuubulite uuesti seondumise kinetohoorile, kuni saadakse õige seondumine. Tsükliin A hoiab sellist seondumise protsessi pidevalt töös kuni kõik vead on parandatud. Pidev tsükliin A ekspressioon takistab normaalsetes rakkudes kinetohooridele seondunud mikrotuubulite stabiliseerimise isegi juba joondunud kromosoomidega. Tsükliin A taseme vähenemisega muutub mikrotuubulite seondumine stabiilsemaks ning kromosoomid jaotatakse võrdselt. Tsükliin A puuduse korral stabiliseeritakse mikrotuubulite seondumine enneaegselt ning see võib viia kromosoomide vale eraldumiseni. Tsükliinid jaotuvad kahte põhigruppi: G1/S-tsükliinid on olulised kontrollimaks rakutsüklit G1/S üleminekul. Tsükliin A/ CDK2 – aktiivsed S-faasis Tsükliin D/ CDK4, tsükliin D/ CDK6 ja tsükliin E/ CDK2 – reguleerivad G1-faasi üleminekut S-faasi G2/M-tsükliinid – olulised rakutsükli kontrollis G2/M üleminekul. G2/M-tsükliinid akumuleeruvad ühtlaselt G2-faasi ajal ning hävitatakse pärast mitoosi ehk M-faasi lõpus. Tsükliin B/ CDK1 – reguleerivad G-faasi üleminekut M-faasi Tsükliin A/ CDK1 – kontrollib fosfataaside lagundamist G2-faasis Pärmi rakutsüklit kontrollivad mitmed geenid. Paljud rakutsükli reguleeritavad geenid on seotud protsessidega, mis vaid korra rakutsükli jooksul toimuvad. Nende protsesside hulka kuuluvad DNA süntees ja tsütokinees. Lisaks mõned geenid kontrollivad ka rakutsüklit ennast. Rakutsükli ühe faasi alustamiseks on vajalik tsükliinide süntees vastavate geenide poolt ning faasist lahkumiseks tsükliin-CDK kompleksi lagundamine. Saccharomyces cerevisiae ja Schizosaccharomyces pombe rakutsüklist võtab osa vaid üks CDK. Nii S. cerevisiae kui ka S. pombe on head mudelsüsteemid rakutsükli mehhanismide kontrollimiseks. Rakutsükkel käivitatakse hilises G1-faasis, mida tuntakse ka START faasina. START faasi alustamisega sunnitakse rakk uuele mitoosi tsüklile ja vajalik on Cdc28 aktiveerimine. Cdc28 on ainuke CDK, mis võtab osa S. cerevisiae rakutsüklist ning moodustab kompleksi mitme erineva tsükliiniga: Cln1, Cln2, Cln3, Clb1, Clb2, Clb3, Clb4, Clb5 ja Clb6. Cdc28 aktiivsust kontrollitakse tsükliinidega. Lisaks reguleeritakse proteolüüsiga tsükliinide rohkust. Tsükliin-CDK kompleksi kontrollitakse läbi inhibiitorite seondumise kompleksile ning läbi CDK fosforülatsiooni. S. pombe rakutsüklis on üksainus CDK, mis loob tsükliiniga kompleksi – Cdc2. Teada on, et Cdc2 moodustab kompleksi nelja tsükliiniga: Cig1, Cig2, Puc1 ja Cdc13. Läbi rakutsükli jääb Cdc2 hulk konstantseks, vaid tsükliinide tase võngub. Enne uue faasi alustamist elimineeritakse eelmise faasi tsükliin-CDK kompleks proteolüüsi teel. Galderisi U, Jori FP, Giordano A (August 2003). "Cell cycle regulation and neural differentiation" Evans T; et al.(1983) "Cyclin: a protein specified by maternal mRNA in sea urchin eggs that is destroyed at each cleavage division" Cell 33, p389-396 [1] "Tim Hunt – Biographical". Nobelprize.org. Nobel Media AB 2014 "The Life Scientific". BBC Radio 4. BBC. Retrieved 13 December 2011 [2] Morgan, DO (2007) 'The Cell Cycle: Principles of Control, Oxford University Press Clute and Pines, (1999) Nature Cell Biology, 1, lk 82–87 Sherr CJ, (juuli 1995) "Mammalian G1 cyclins and cell cycle progression" Davies TG, Tunnah P, Meijer L; et al. (mai 2001). "Inhibitor binding to active and inactive CDK2: the crystal structure of CDK2-cyclin A/indirubin-5-sulphonate" NR Brown, MEM Noble, JA Endicott; et al (november 1995) "The crystal structure of cyclin A" Fung TK, Poon RY (juuni 2005) "A roller coaster ride with the mitotic cyclins" [3] Gerald Karp (2007) "Cell and Molecular Biology: Concepts and Experiments" van der Voet, Monique; Lorson, Monique; Srinivasan, Dayalan G.; Bennett, Karen L.; van den Heuvel, Sander (2009). "C. elegans mitotic cyclins have distinct as well as overlapping functions in chromosome segregation" Rahman, Mohammad M.; Kipreos, Edward (2010). "The specific roles of mitotic cyclins revealed" Nature Reviews Molecular Cell Biology (2013) Baldin V, Cans C, Knibiehler M, Ducommun B (detsember 1997) "Phosphorylation of Human CDC25B Phosphatase by CDK1-Cyclin A Triggers Its Proteasome-dependent Degradation" Paul T. Spellman, Gavin Sherlock; et al. (1998) "Comprehensive Identification of Cell Cycle–regulated Genes of the Yeast Saccharomyces cerevisiae by Microarray Hybridization" Vohradska E, Vohradsky J (aprill 2011) "Virtual Mutagenesis of the Yeast Cyclins Genetic Network Reveals Complex Dynamics of Transcriptional Control Networks" Moser BA, Russell P (detsember 2000) "Cell cycle regulation in Schizosaccharomyces pombe" Alberghina L, Mavelli G, Drovandi G; et al. (jaanuar 2012) "Cell growth and cell cycle in Saccharomyces cerevisiae: Basic regulatory design and protein–protein interaction network" Futcher B (1996) "Cyclins and the Wiring of the Yeast cell cycle"