שיעור 21 ויסות מולקולרי וחלוקת תאים

מבוא: הקשר בין העברת אותות לחלוקת תאים

מחזור התא מהווה נושא מרכזי בביולוגיה של התא, עשיר במושגים ומולקולות הנבנים בשכבות זו על גבי זו. בהרצאה הקודמת דנו בנושא העברת האותות (signal transduction) וחשפנו עולם שלם של מולקולות ומסלולים מרכזיים, כגון מסלול הרצפטור טירוזין קינאז. כעת נבחן כיצד מסלולים אלה מופעלים, מה קורה במורד הזרם (downstream) לאחר ההפעלה, וכיצד הם מבקרים את מחזור התא.

הקשר בין מה שהתאים “מרגישים” מהסביבה לבין היכולת שלהם להתחלק הדוק במיוחד. לתאים יש רצפטורים המסוגלים לזהות סיגנלים - בין אם מדובר ברצפטורים תוך-תאיים עבור הורמונים סטרואידיים, או רצפטורים על פני קרום התא עבור ליגנדים שונים כמו רצפטורי טירוזין קינאז. רצפטורים אלה מזהים מגוון גורמי גדילה:

• EGF (Epidermal Growth Factor) - גורם גדילה אפידרמלי
• NGF (Nerve Growth Factor) - גורם גדילה עצבי
• PDGF (Platelet-Derived Growth Factor) - גורם גדילה המופרש מטסיות דם

גורמי גדילה אלה, יחד עם סיגנלים נוספים, חיוניים להבטחת אספקה נאותה של מזון ונוטריינטים מחוץ לתא. זאת כדי להכין ולמלא את המאגרים הדרושים לשלבים הבאים בחלוקת התא.

היחס בין גדילה לחלוקה

נקודה קריטית להבנה: בהרבה מאוד תאים, קצב החלוקה תלוי בקצב היכולת של התאים לגדול. גדילה משמעותה היכולת לייצר ולאגור מקרומולקולות - חלבונים, ליפידים, חומצות גרעין ופחמימות.

כפי שלמדנו, הסיגנלים שהתא מקבל מהסביבה מגיעים בארבע דרכים עיקריות:

1. תלוי-מגע (Contact-dependent) - מגע פיזי ישיר בין תאים
2. אנדוקריני - הורמונים שמופרשים למחזור הדם
3. פאראקריני - גורמים שמופרשים לסביבה הקרובה
4. אוטוקריני - גורמים שהתא מפריש ושפועלים עליו עצמו

רוב מולקולות העברת האותות, ובמיוחד מסלול PI3-kinase/AKT שדנו בו, מבקרים סינתזה ואגירה של מקרומולקולות. זהו תפקידם המרכזי בתהליכים אנאבוליים.

מהו מחזור התא?

מחזור התא הוא רצף אירועים מולקולריים וביוכימיים שבסופו של דבר מתא אחד נוצרים שני תאים. התהליך דורש:

1. אגירת מקרומולקולות ואנרגיה - במיוחד מולקולות ATP
2. שכפול הגנום - כל 46 הכרומוזומים (23 זוגות הומולוגיים) חייבים לעבור שכפול
3. שכפול אברונים - בעיקר מיטוכונדריה וצנטרוזומים

במהלך פאזת S (סינתזה), ה-DNA עובר שכפול כך שתאים דיפלואידיים (2n) הופכים לטטרפלואידים (4n). בחלוקה, כל תא בת מקבל בחזרה את הכמות הדיפלואידית.

פאזות מחזור התא

מחזור התא מוצג כמעגל מכיוון שתאים בעלי יכולת התרבות יכולים לעבור אותו שוב ושוב. המחזור מחולק לארבע פאזות עיקריות:

פאזת $\text{G}_1$ (Gap 1)

• משך: 12-6 שעות בתאים מתרבים
• מאפיינים:
  • גדילת התא ואגירת מקרומולקולות
  • התאים נשארים דיפלואידיים (2n)
  • קבלת סיגנלים מהסביבה והפעלת מסלולי PI3K/AKT

“במחזור התא, $\text{G}_1$ מאפשר לתא זמן לבדוק אם תנאי הסביבה מתאימים להיכנס לשלב S”

רוב התאים נמצאים בפאזת $\text{G}_1$.

פאזת S (Synthesis)

• משך: 8-6 שעות
• תהליכים עיקריים:
  • רפליקציה של DNA
  • דופליקציה של צנטרוזומים
  • בסיומה התאים הם טטרפלואידים (4n)

פאזת $\text{G}_2$ (Gap 2)

• משך: 4-3 שעות
• תפקיד: בדיקה ש-DNA עבר שכפול תקין והכנה למיטוזה

פאזת M (Mitosis)

• משך: 40 דקות עד שעה וחצי
• מחולקת לחמישה שלבים

---

פאזת $\text{G}_0$ - מצב מנוחה

תאים יכולים לצאת ממחזור התא ולהיכנס למצב $\text{G}_0$ כאשר:

• אין מספיק גורמי גדילה
• הסביבה אינה תומכת (environment unfavorable)
• התא במצב עקה

תאים יכולים להישאר ב-$\text{G}_0$ זמן רב מאוד, עד שיקבלו את הסיגנלים המתאימים.

	מצב	תיאור	זמן ממוצע
$\text{G}_1$	פעיל	התא מוכן להתחלק, אך עדיין לא התחיל בשכפול DNA	12-6 שעות
S	פעיל	התא עובר שכפול DNA	8-6 שעות
$\text{G}_2$	פעיל	התא מוכן למיטוזה, אך עדיין לא התחיל בה	4-3 שעות
M	פעיל	התא עובר מיטוזה וחלוקה	40 דקות עד שעה וחצי
$\text{G}_0$	מנוחה	התא לא מתכוון להתחלק כרגע, אך יכול לחזור למחזור	זמן לא מוגדר

---

מערכת הבקרה של מחזור התא

מערכת הבקרה (Cell Cycle Control System) כוללת תהליכים ביוכימיים שדוחפים את התא להתקדם במחזור. המערכת מבוססת על איזון בין:

רגולטורים חיוביים - “דוחפים קדימה”

קומפלקסי Cyclin-Cdk (Cyclin-Dependent Kinases)

Cyclin-Cdk הם אנזימי קינאז התלויים בציקלינים להפעלתם. המנגנון:

1. ציקלין נקשר ל-Cdk
2. הקומפלקס עובר אקטיבציה
3. Cdk מזרחן סובסטרטים ספציפיים

הקומפלקסים העיקריים:

• Cdk4/6-Cyclin D: מניע התקדמות ב-$\text{G}_1$
• Cdk2-Cyclin E: כניסה מ-$\text{G}_1$ ל-S
• Cdk2-Cyclin A: התקדמות ב-S ו-$\text{G}_2$
• Cdk1-Cyclin B: כניסה למיטוזה (נקרא גם Mitotic Cdk)

Cyclin-Cdk complex	Cyclin	Cdk partner
G1-Cdk	Cyclin D*	Cdk4, Cdk6
G1/S-Cdk	Cyclin E	Cdk2
S-Cdk	Cyclin A	Cdk2, Cdk1**
M-Cdk	Cyclin B	Cdk1

מזרחנים אחרים.

כדי שיוכלו לעבוד הם צריכים להיות מאוקטבים. מה שמאקטב אותם הם ציקלינים.

לכל פאזה יש ציקלין ספציפי שנקשר ומווסת.

רגולטורים שליליים - “הבלמים”

נקודות ביקורת (Cell Cycle Checkpoints)

• בודקות שכל שלב הושלם בהצלחה
• מונעות התקדמות אם יש בעיות

מעכבי Cdk (Cdk Inhibitors)

• p27: מעכב בעיקר Cdk2-Cyclin E, מבוקר על ידי AKT
• p21: מעכב רחב טווח, מטרה של p53
• p16, p15, p18: מעכבים של Cdk4/6

בקרה רב-שכבתית של Cdk

הפעלת Cdk דורשת שלושה תנאים:

1. קישור ציקלין מתאים
2. דפוספורילציה מפעילה - הסרת זרחנים מעכבים על ידי פוספטאזות CDC25
3. העדר מעכבים - הרחקת חלבוני CKI

דוגמה לוויסות: כאשר AKT מופעל על ידי מסלול PI3K, הוא מזרחן את p27. זרחון זה גורם ל-p27 להישאר בציטופלזמה ולא להגיע לגרעין, ובכך מאפשר ל-Cdk2-Cyclin E להיות פעיל לחלוטין.

נקודת ההגבלה (Restriction Point או R-Point)

R-point: restriction point

זוהי הנקודה הקריטית ביותר במעבר מ-$\text{G}_1$ ל-S - “נקודת אל-חזור”. נקודת המעבר מ-$\text{G}_1$ ל-S מבוקרת על ידי Cdk2 Cyclin E (בסוף פאזת S מבקר את התהליך גם Cdk1 עם Cyclin A).

כאן התא בודק:

• האם הסביבה תומכת?
• האם יש מספיק גורמי גדילה?
• האם יש מספיק נוטריינטים?

מה קורה עם שאר הסיקלנים - D או E כשהתאים הגיעו למידל - $\text{G}_1$ וכו?

הם מתפרקים.

הערה כללית - דוגמה לתשובה, מי אחראי על X?

זה סייקלין D, בקומפלקס עם Cdk4/6 וכן הלאה.

מנגנון E2F-Rb

The R-point (E2F-Rb axis)

Retinoblastoma (Rb) - חלבון מדכא גידולים שהתגלה לראשונה בסרטן עין (רטינובלסטומה).

המנגנון:

1. במצב לא מזורחן, Rb קושר ומעכב את פקטור השעתוק E2F
2. Cdk4/6-Cyclin D מזרחן את Rb
3. Rb המזורחן משחרר את E2F
4. E2F מפעיל שעתוק של גנים הכרחיים ל:
   • סינתזת DNA
   • ייצור ציקלינים נוספים (כמו Cyclin E)
   • חלבונים לשכפול DNA

E2F - פאקטור שעתוק חיוני לשכפול DNA, במיוחד בשלב S.

פאקטור שעתוק - חלבון שמקשר ל-DNA ומפעיל שעתוק של גנים ספציפיים.

פאזת S - סינתזה ושכפול

שני תהליכים מרכזיים מתרחשים ב-S:

1. רפליקציית DNA

• שכפול מלא של הגנום
• מבוקר על ידי Cdk2-Cyclin E (כניסה) ו-Cdk2-Cyclin A (התקדמות)

2. דופליקציה של צנטרוזומים

• הצנטרוזום בתא אינטרפאזי מורכב משני צנטריולים
• ב-S נוצרים עוד שני צנטריולים
• הצנטרוזומים משמשים כמרכזי ארגון מיקרוטובולים (MTOC)
• חיוניים ליצירת ציר החלוקה במיטוזה

שלבי המיטוזה

1. פרופאזה (Prophase)

• עיבוי כרומטין - היווצרות כרומוזומים נראים
• חלבוני קונדנסין וקוהזין מסייעים בתהליך
• מודיפיקציות של היסטונים תורמות לעיבוי

2. פרומטאפאזה (Prometaphase)

• פירוק מעטפת הגרעין (Nuclear Envelope Breakdown - NEBD)
  • Cdk1-Cyclin B מזרחן למינים וחלבונים נוספים
  • גורם לדיסאינטגרציה של הממברנה
• התחברות מיקרוטובולים לקינטוכורים
  • קינטוכורים - אזורים בכרומוזום עשירים בחלבונים
  • מכילים וריאנט של היסטון H3 בשם CENP-A
  • משמשים כנקודות עגינה למיקרוטובולים

3. מטאפאזה (Metaphase)

• היערכות כרומוזומים במישור המשווני (Metaphase Plate)
• כל הקינטוכורים חייבים להיות מחוברים למיקרוטובולים
• Spindle Assembly Checkpoint - מוודא שכל החיבורים תקינים

4. אנאפאזה (Anaphase)

מתחלקת לשני תהליכים:

• Anaphase A: התכווצות מיקרוטובולים קינטוכוריים - מושכת כרומטידות לקטבים
• Anaphase B: התארכות מיקרוטובולים המחברים צנטרוזומים לממברנת התא

5. טלופאזה וציטוקינזיס (Telophase & Cytokinesis)

• הרכבה מחדש של מעטפות גרעיניות סביב הכרומוזומים
• דה-קונדנסציה של הכרומטין
• יצירת טבעת התכווצות מאקטין ומיוזין
• חלבון ספסטין חותך את הגשר הציטופלזמי האחרון

זמנים ואבחון

• משך מיטוזה: 30 דקות עד שעה וחצי
• סה”כ מחזור תא בתרבית: כ-24 שעות
• ברקמות חיות: יכול להימשך ימים עד שבועות

ניתן לזהות תאים בשלבי המחזור השונים על ידי:

• כמות DNA - מבדילה בין $\text{G}_1$ (2n), S (2n-4n) ו-$\text{G}_2$/M (4n)
• מורפולוגיה - במיוחד בשלבי המיטוזה השונים
• סמנים מולקולריים - ביטוי ציקלינים ספציפיים

השלכות קליניות

הבנת מחזור התא קריטית למחקר ולטיפול בסרטן. תרופות רבות פועלות על:

• עיכוב Cdks ספציפיים
• הפרעה לנקודות ביקורת
• פגיעה בציר החלוקה

מוטציות בגנים כמו Rb, p53, p16 או ציקלינים שונים נמצאות בבסיס גידולים סרטניים רבים.

הבדל בין תאים סומטיים לתאי רבייה

בעוד שתאים סומטיים עוברים מיטוזה ויוצרים שני תאי בת זהים גנטית, תאי המין עוברים מיוזה - תהליך שונה הכולל:

• יצירת כיאזמות (chiasma) - נקודות מגע בין כרומוזומים הומולוגיים
• החלפת חומר גנטי (רקומבינציה)
• יצירת גמטות הפלואידיות

סיכום

מחזור התא הוא תהליך מורכב ומבוקר בקפידה, המבטיח העברה מדויקת של המידע הגנטי לדורות הבאים של תאים. השילוב בין גורמים מקדמים (Cdk-Cyclin) ומעכבים (CKIs ונקודות ביקורת), יחד עם התיאום ההדוק עם מסלולי העברת אותות, מבטיח שחלוקת התא תתרחש רק בתנאים המתאימים. הבנה מעמיקה של התהליכים האלה חיונית להבנת התפתחות נורמלית, רגנרציה של רקמות, וכן לפיתוח טיפולים למחלות הקשורות בחלוקת תאים בלתי מבוקרת.