Zatrzymanie cyklu – mechanizm obronny

Pojawianie się niepożądanych zmian w DNA komórki jest zjawiskiem występującym dość powszechnie. Mechanizmy naprawy takich uszkodzeń są ewolucyjnie utrwalone i spotykane w komórkach eukariotycznych, począwszy od drożdżowych aż po ludzkie. Swoisty nadzór nad samorzutnie powstającymi zmianami w DNA jest niezbędny, ponieważ, jak wiadomo, to właśnie powstanie zmian genetycznych może prowadzić do zmiany komórki zdrowej w nowotworową. W przypadku wykrycia uszkodzenia DNA uruchamiane są specjalne molekularne szlaki sygnalizacyjne, które w efekcie prowadzą do zapobieżenia propagacji powstałej zmiany do nowych komórek potomnych. Jednym ze sposobów radzenia sobie komórki w takiej sytuacji jest zablokowanie cyklu. Wówczas możliwa jest albo naprawa uszkodzenia albo zapoczątkowanie programowanej śmierci komórki, czyli apoptozy – wszystko po to, by uniknąć utrwalenia niekorzystnej zmiany, która może wywołać chorobę.

W wielu typach komórek obserwowane są zaburzenia cyklu komórkowego jako odpowiedź na powstające uszkodzenia DNA. W przypadku pojawienia się różnego typu mutacji, a także niekorzystnych warunków otoczenia, mamy do czynienia z blokiem w fazie G1, jeszcze przed fazą S cyklu, w której to mogłoby nastąpić powielenie nieprawidłowej informacji genetycznej. Innym rodzajem blokady cyklu jest jego zatrzymanie w fazie G2, które zapobiega powstaniu dwóch wadliwych komórek potomnych w następującej dalej fazie M, a więc fazie podziału mitotycznego. Mówimy zatem o punktach kontrolnych (ang. check points) G1/S oraz G2/M, w zależności od fazy cyklu. Dodatkowo wyróżnia się dwa dodatkowe punkty kontrolne: punkt kontrolny fazy S oraz tzw. punkt kontrolny wrzeciona podziałowego w fazie M.

Mechanizm molekularny

W wyniku powstałych uszkodzeń DNA, czyli tzw. stresu genotoksycznego, dochodzi do kaskady zjawisk molekularnych, która polega w uogólnieniu na fosforylacji specjalnych białek, jakimi są regulatory cyklu. I tak w efekcie powstających uszkodzeń aktywacji ulegają w pierwszej kolejności sensory - białka ATM oraz ATR (aktywacja polega na ich fosforylacji przez działanie odpowiednich kinaz). W następstwie tego modyfikowana jest kolejna grupa molekuł, tym razem przekaźnikowych, na przykład białka supresorowego p53 (wzrasta wówczas jego stabilność) lub kinaz rodziny Chk, by ostatecznie przekazać sygnał do efektorów: białek cyklu komórkowego. Ta ostatnia grupa to przede wszystkim kinazy zależne od cyklu komórkowego (CDK), cykliny i inhibitory połączeń cyklin z kinazami CDK. Ostatecznie to ich aktywność enzymatyczna lub jej brak warunkuje przejście komórki do kolejnej fazy cyklu.

Cykl w komórce nowotworowej

W komórkach nowotworowych bardzo często występuje zaburzenia działania punktów kontrolnych cyklu. Jednym z częstych przypadków jest dysfunkcjonalność białka supresorowego p53. Jeżeli tak się dzieje, to łatwo można sobie wyobrazić, że powstawanie kolejnych zmian genetycznych upośledzających komórkę, nie skutkuje zablokowaniem cyklu i w efekcie tego naprawieniem uszkodzeń lub skierowaniem komórki na drogę śmierci apoptotycznej. Oznacza to, że powstałe zmiany, które warunkują charakter nowotworowy danej komórki, są powielane i propagowane bez przeszkód. Unikanie blokowania cyklu komórkowego oraz mechanizmów naprawy materiału genetycznego wywołuje niestabilność genetyczną i jest jedną z typowych cech komórki nowotworowej.

Zjawisko zaburzeń w cyklu komórkowym jest wykorzystywane w terapii przeciwnowotworowej – mechanizmy odpowiadające za przebieg cyklu są miejscem uchwytu dla leku, czyli tak zwanym targetem. Cytostatyki, a więc leki, których działanie polega na zahamowaniu podziałów komórkowych, w ujęciu molekularnym mogą blokować cykl komórkowy (ang. cell cycle arrest) na drodze różnych procesów farmakodynamicznych. Jest to często występujący i pożądany efekt działania. Co więcej, możliwe jest farmakologiczne zatrzymanie cyklu na takim etapie, w którym komórka jest najbardziej podatna na działanie innego leku – oczekiwany efekt uzyskuje się w terapii skojarzonej, wykorzystującej odpowiednią kombinację 2 aktywnych substancji.

Badanie zaburzeń cyklu komórkowego

Zdolność danej substancji aktywnej do blokowania cyklu można obserwować wykorzystując techniki cytometrii przepływowej. Jest to metoda powszechnie stosowana w badaniach działania potencjalnych leków przeciwnowotworowych w warunkach in vitro. Metoda jest de facto wykorzystaniem zjawiska zmian poziomu ilości DNA w komórce w trakcie cyklu. Komórki, których materiał genetyczny w postaci DNA zostanie wybarwiony (na przykład jodkiem propidyny) na drodze odpowiednich procedur można poddać analizie cytometrycznej. W ten sposób uzyskuje się ilościową analizę dystrybucji komórek danej populacji o różnej zawartości wybarwionego DNA. Wiedząc, jak w poszczególnych fazach cyklu zmienia się ilość DNA, można łatwo określić, jaki odsetek komórek w obrębie danej populacji znajduje się w poszczególnych fazach cyklu. Nagromadzenie się grupy komórek w określonej fazie cyklu względem grupy kontrolnej może sugerować blokowanie przebiegu cyklu w tej fazie.

Ewa Sankowska