กลไกในการควบคุมวัฏจักรของเซลล์ การควบคุม กลไก และระยะต่างๆ

วัฏจักรของเซลล์นี้จะต้องมีการควบคุม เพื่อให้เกิดความสมดุลของชีวิต มิฉะนั้นเซลล์จะเกิดการแบ่งตัวและเพิ่มขยายจำนวนอย่างไร้ขอบเขต เช่น เชื้อจุลชีพ Escherichia coli 1 เซลล์ มีน้ำหนักประมาณ 10-12 g ถ้าไม่มีการควบคุมแล้ว จะมีการแบ่งตัวทุก 20 นาที ภายใน 24 ชั่วโมงจะเกิดการแบ่งตัว 72 ครั้ง ซึ่งจะเพิ่มจำนวน E. coli จาก 10-12 g เป็น 4000 metritons (272 x 1072 x log2 = 4 x 1021) ฉะนั้นสิ่งมีชีวิตจึงต้องมีกลไกสำหรับควบคุมวัฏจักรของเซลล์ ในร่างกายมนุษย์ เซลล์ที่เกิดความผิดปกติและสูญเสียกลไกในการควบคุมวัฏจักรของเซลล์ เชื่อว่าก่อให้เกิดโรคมะเร็ง
จากการเพียรพยายามศึกษาวัฏจักรของเซลล์เป็นระยะนานกว่า 50 ปี ในเซลล์ของสิ่งมีชีวิตชนิดต่างๆ ทั้งจากยีสต์หลายสายพันธ์ เช่น Sacharomyces cerevisiae, Saccharomyces pombe เป็นต้น จากเซลล์ไข่กบพันธุ์ Xenopus, เซลล์จากหอยเม่นทะเล, ปลาดาว, และเซลล์ของมนุษย์ ในปัจจุบันเชื่อกันว่าวัฏจักรของเซลล์ดำเนินไปด้วยกลไกการทำงานของโปรตีน Cyclins ร่วมกับเอนไซม์ Cyclin-dependent protein kinases (CDKs)
เอนไซม์ CDK จะทำงานได้ต้องจับกับโปรตีน Cyclin จากนั้น สารประกอบที่เกิดขึ้นระหว่าง Cyclin-CDK (รูปที่ 6) จะร่วมกันทำหน้าที่ผลักดันกระบวนการที่ถัดหรือต่ำลงไป (Downstream process) โดยการเติมฟอสเฟต (Phosphorylation) ให้แก่โปรตีนเป้าหมาย โดยทั่วไปแบ่งโปรตีน Cyclin ได้เป็น 2 กลุ่ม คือ Mitotic cyclin ซึ่งเป็นโปรตีน Cyclin กลุ่มที่จับกับเอนไซม์ CDK ช่วง G2 และผลักดันเซลล์เข้าสู่ระยะ Mitosis สารประกอบระหว่าง Mitotic cyclin-CDK มีชื่อเรียกว่า “M-phase-promoting factor (MPF) และกลุ่มที่สองคือ G1 cyclin ซึ่งเป็นโปรตีน Cyclin กลุ่มที่จับกับเอนไซม์ CDK ช่วง G1 และผลักดันเซลล์เข้าสู่ระยะ S การจับกันของ Cyclin-CDK ผลักดันให้เซลล์ก้าวสู่ระยะต่างๆ ในวัฏจักรของเซลล์ โดยเมื่อผ่านระยะหนึ่งแล้ว CDK ของระยะนั้นๆ จะกลับสู่สภาพ Inactive เนื่องจากโปรตีน Cyclin จะถูกทำลายไปในแต่ละระยะที่ผ่านไป (รูปที่ 7) โปรตีน Cyclin และเอนไซม์ CDK มีหลายตัวดังจะกล่าวต่อไป
The CC control system is a protein-kinase-based machine

Two key components of the CC control system

A complex of cyclin with Cdk acts as a protein kinase to trigger downstream processes. Without cyclin, Cdk is inactive.

 รูปที่ 6
เอนไซม์ CDK จะทำงานได้นั้น ต้องจับกับโปร ตีน Cyclin จากนั้นสารประ กอบที่เกิดขึ้นระหว่าง Cyclin-CDK จะร่วมกันทำหน้าที่ผลักดันกระบวนการที่อยู่ถัดไป (Downstream process) โดยการเติมฟอสเฟต (Phospho-rylation) ให้แก่โปรตีนเป้าหมาย
(click ที่ภาพเพื่อดูภาพเคลื่อนไหว)
รูปที่ 7 สารประกอบระหว่าง Cyclin-CDK จะร่วมกันทำหน้าที่ผลักดันวัฏจักรของเซลล์ โดยกระตุ้นกระบวนการที่ต่ำลงไป

 

รูปที่7 A
โปรตีน G1 cyclin จับกับเอนไซม์ CDK ช่วง G1 และผลักดันเซลล์เข้าสู่ระยะ S
(click ที่ภาพเพื่อดูภาพเคลื่อนไหว)

รูปที่7 B
เมื่อผ่านเข้าสู่ระยะ S โปรตีน Cyclin จะถูกทำลายโดยเอนไซม์ Ubiquitin ส่วน CDK จะกลับสู่สภาพ Inactive
(click ที่ภาพเพื่อดูภาพเคลื่อนไหว)
รูปที่7 C
Mitoyic cyclin จับกับเอนไซม์ CDK ช่วง G2 และผลักดันเซลล์เข้าสู่ระยะ Mitosis สารประกอบระหว่าง Mitoyic cyclin-CDK มีชื่อเรียกว่า “M-phase-promoting factor (MPF) และ
(click ที่ภาพเพื่อดูภาพเคลื่อนไหว)
รูปที่7 D
เมื่อเข้าสู่ผ่านระยะ M โปรตีน Cyclin จะถูกทำลายโดยเอนไซม์ Ubiquitin และ CDK จะกลับสู่สภาพ Inactive
(click ที่ภาพเพื่อดูภาพเคลื่อนไหว)

ในปัจจุบันเชื่อว่าวัฏจักรของเซลล์ในระยะ G1 นั้น เริ่มต้นจากการทำงานของ Cyclin C จับกับ CDC28 ซึ่งเป็นโปรตีนที่เกิดจากยีน CDC28 หรือเรียกว่า “start” เพราะเป็นยีนสำคัญที่เริ่มวัฏจักรของเซลล์ จนกระทั่งเข้าสู่จุด R (Restriction point หรือ R point) ซึ่งเป็นจุดที่เมื่อเซลล์ผ่านพ้นเข้ามาแล้วจะเข้าสู่วัฏจักรของเซลล์ ซึ่งจะไม่ถูกควบคุมด้วย Growth factors ต่างๆ ในน้ำเหลือง (Serum independent point) อีกต่อไป ที่จุด R นี้เอง Cyclin D1, Cyclin D2, และ Cyclin D3 จะจับกับ CDK2, CDK4, และ CDK5 และจะกระตุ้น Proliferating-cell nuclear antigen (PCNA) ซึ่งเป็นส่วนสำคัญของ DNA polymerase S และมีความจำเป็นต่อการเกิด DNA replication ให้ทำงาน
นอกจากนี้ Cyclin E และ CDK2 จะร่วมกันทำหน้าที่ต่อไปตรงตำแหน่งรอยต่อระหว่างระยะ G1 และระยะ S (G1-S boundary) เพื่อให้เซลล์ผ่านจากระยะ G1ไปสู่ระยะ S โดย Cyclin E เมื่อรวมตัวกับ CDK2 จะกระตุ้นให้เกิดการเติมฟอสเฟต หรือที่เรียกว่า Phosphorylation กับโปรตีน pRb-like molecules เช่น โปรตีน pRb, p107, และ p130 ทำให้โปรตีน pRb-like molecules ปลดปล่อย transcription factors คือ E2F ซึ่งจะไปทำหน้าที่กระตุ้นการทำงานของสารพันธุกรรมที่มีความจำเป็นต่อการออกจากระยะ G1 เข้าสู่ระยะ S ในระยะ S โปรตีน Cyclin A จะทำหน้าที่เช่นเดียวกับ Cyclin E จะรวมตัวกับ CDK2 เพื่อให้ได้ E2F จนเซลล์เข้าสู่ระยะต่อระหว่างระยะ S และระยะ G2 (S-G2 boundary) ที่ระยะต่อนี้ Cyclin B จะจับกับ CDC2 และกระตุ้นเซลล์เข้าสู่ระยะ G2 เพื่อเตรียมพร้อมที่จะดำเนินต่อไปจนเข้าสู่ระยะ M Cyclin B จะถูกทำลายไปในระยะ M โปรตีน Cyclin A จะจับกับ CDC2 ในระยะ M นี้ จนกระทั่งเซลล์เกิดการแบ่งตัวเสร็จสิ้น (รูปที่ 8)
รูปที่ 8 วัฏจักรของเซลล์ในระยะ G1 นั้น เริ่มต้นจากการทำงานของ Cyclin C จับกับ CDC28 จากนั้น Cyclin D1, Cyclin D2, และ Cyclin D3 จะจับกับ CDK2, CDK4, และ CDK5 และจะกระตุ้น Proliferating-cell nuclear antigen (PCNA) จากนั้น Cyclin E เมื่อรวมตัวกับ CDK2 จะกระตุ้นให้เกิดการเติมฟอสเฟตหรือที่เรียกว่า Phosphorylation กับโปรตีน pRb-like molecules เช่น โปรตีน pRb, p107, และ p130 ทำให้โปรตีน pRb-like molecules ปลดปล่อย Ttranscription factors คือ E2F ในระยะ S นั้น cyclin A จะทำหน้าที่เช่นเดียวกับ Cyclin E จะรวมตัวกับ CDK2 เพื่อให้ได้ E2F ที่ระยะต่อระหว่างระยะ S และระยะ G2 (S-G2 boundary) นี้ Cyclin B จะจับกับ CDC2 และกระตุ้นเซลล์เข้าสู่ระยะ G2 จนเข้าสู่ระยะ M ซึ่ง Cyclin A จะจับกับ CDC2 จนกระทั่งเซลล์เกิดการแบ่งตัวเสร็จสิ้น