1. Molecular regulation of cell cycle
Lecture presentations are available on
The course key is
„molecular13”
Molecular regulation of cell cycle
Aleksander L. Sieroń
Department of Molecular Biology

2. Segregation of chromosomes
CELL CYCLE
Segregation of chromosomes
Cell divisions 2
Cell
size 1
2 (4C)
DNA
content
1 (2C)
DNA replication
CDK1 activity
Cyclin levels
Aleksander L. Sieroń

3. Cell cycle:

4. Cell cycle:
reproductive cycle of cells consisting of a sequential phases resulting in cell content doubling (growth, replication of DNA) its division into two new daughter cells
includes a set of biochemical and morphological changes, from the end of the previous cell division by the end of next one

5. Cell cycle phases M-phase (the period of cell division)
Interphase (the period between cell divisions):
G1 - phase of rapid growth and reconstruction of cell organelles (intense anabolic processes, synthesis of cyclin A, C, D, E, proteins, RNA
S - phase DNA replication (doubling the amount of DNA, weight and volume of cell)
G2 - phase preparatory to enter the cells in mitosis (mitotic spindle protein synthesis, synthesis of cyclin B, the production of the components necessary to play the plasma membrane in telophase of mitosis and cytokinesis).

6. Cell cycle – what happens?

7. Cell cycle – how long it lasts?

8. Cell cycle – phases of the M phase
Ribonucleic Acid Export 1
nuclear mitotic apparatus protein

9. Cell cycle: intracellular events.

10. CELL CYCLE Segregation of chromosomes Cell divisions DNA replication2
Cell
size 1 2
DNA
content 1
DNA replication
Concentration of cyclins
Activity of CDKs
(cyclin-dependent kinases
Aleksander L. Sieroń

11. Cell cycle - controling molecules.

12. Cell cycle - controling molecules.
inhibition
p53 or
activation
p16/
/p21

13. Cell cycle - controling molecules.

14. The protein gene products of the cell cycle are: • enzymes such as protein kinases that phosphorylate proteins or phosphatases that dephosphorylate proteins • regulatory proteins that activate or inhibit kinases and phosphatases, or alter the activity of other proteins

15. Mitosis
Somatic cells
1 division
A result of the division is 2 daughter cells from 1 cell
Chromosome numbers
Before division 2n
After division 2n
PROPHASE
short
Chromosomes composed of 2 chromatides

16. Mitosis
METAPHASE Chromosomes are divided into two chromatids, that move to the equatorial plane of the caryokinetic spindle
ANAPHASE
To cells poles chromatids disperse, as a result of shrinkage of the caryokinatic spindle fibers
TELOPHASE
Chromatids reach the pole cells
Produced are two nuclei with diploid number of chromosomes
Cytokinesis occurs
Two daughter cells are formed

17. Cell cycle regulatory factors
Cyclins – proteins
their concentration in the cell changes during cell cycle
they form complexes with kinases determining their activity
known cyclins: A, B, D1, D2, D3, E
Cyclin dependent kinases (CDKs) – enzymes controlling
enzymes conducting protein phoshorylation
complex formation with cyclins
CDKs activity changes during cell cycle
known CDKs: 1, 2, 3, 4, 6, 7

18. Cell cycle regulation
Is done by running the reaction cascade of protein phosphorylation and dephosphorylation.
Phosphorylation means a transfer of a phosphate group from ATP to the corresponding amino acid residue of the target protein, catalyzed by a variety of protein kinases.
Dephosphorylation means removal of a phosphate group from a protein phosphatase-catalyzed.
Protein kinases substrates are different proteins in nucleus and cytoplasm, and most of phosphorylated amino acids in the proteins are tyrosine and threonine.
Protein kinase activity depends on a different set of protein’s control system called cyclins.
Kinases control the cell cycle protein kinases are called cyclin-dependent (Cdk - cyclin-dependent called protein kinases).
Kinase activation occurs during critical periods of time (points) of the cell cycle.

19. Checkpoints (no return) i cell cycle
Checkpoint in late G1 phase controls G1/S transition, called START .
It decides to enter the cell to the mitotic cycle.
Checkpoint in late G1 phase controls G2/M transition.
It decides to enter the cell to mitosis.
Mitotic spindle checkpoint controls the Metaphase/Anaphase transition. It decides the precise section of all sister chromatids (daughter chromosomes) to the two opposite poles of the cell

20. CDK inhibitors – a family of proteins p16 and p21
combine with CDK blocking phosphorylation processes responsible for stopping cell cycle checkpoint:
Cell cycle inhibitors
P53 – „guardian of the genome" a transcription factor activator of many genes including p21
PRb blocks E2F transcription factor required for the transition from G1 to S phase
mutations of genes coding for p53 and p21 lead to uncontrolled proliferation or cancer transformation
p53 and pRb - the products of tumor suppressor genes
Suppressor gene - a gene acting as a brake on the process of cell proliferation or stabilizes the processes maintaining genetic stability of the cells

21. Schematic presenting external signals influence on a cell
survive
Many cells require different signals for survival, additional signals to share and still other signals to differentiate. Most of the cells lacking the respective signal undergoes a kind of suicide, known as programmed cell death, or apoptosis.
divide
differentiate
Wiele komórek wymaga różnorodnych sygnałów do przeżycia, dodatkowych sygnałów do dzielenia się i jeszcze innych sygnałów do różnicowania. Większość komórek pozbawionych odpowiednich sygnałów ulega swego rodzaju samobójstwu, znanemu jako zaprogramowana śmierć komórki, czyli apoptoza.
die
A cell undergoing apoptosis

22. Three waves of cyclins in cell cycle
Changes in the level of three major cyclins in the cell cycle They are the molecular basis of the activity change of CDK-cyclin complexes that control the cycle CDK levels are fixed and are present in excess relative to cyclins APC complex degrades cyclin inactivating CDKs

23. MPF Complex = CDK1 + Cyklin B (mitosis promoting factor complex)
CDK1 is a component of an enzyme dimer
(the enzyme phosphorylates other proteins, structural, regulatory, etc.) Synonyms CDK1: p34 (a protein with MW 34 kD) Cdc2, because it is encoded by a gene Cdc2 in discovered in yeast
Cyclin B is a regulatory protein, encoded by the CDC13 gene

24. MPF is active in the G2/M transition
Active MPF: CDK1 is dephosphorylated by the phosphatase Cdc25 at tyrosine 15 (Tyr15), and threonine 14 (Thr14) Active MPF phosphorylates structural proteins following: Histones - the effect is the condensation of chromosomes from prophase to metaphase Lamina of nuclear lamina - the result is fragmentation of nuclear envelope in prophase Proteins MAP - the result is the creation of the mitotic spindle Nucleolin - the effect of dispersion in prophase nucleolus
MPF is inactivated at the Metaphase/Anaphase transition, following degradation of cyclin B in anaphase

25. Regulation of cyklina B/Cdk1 complex at subcellular level
Synteza cykliny B rozpoczyna się bezpośrednio po podziale. Gromadzi się i jej stężenie zwiększa się i określa chwilę rozpoczęcia mitozy. Jego późniejsze gwałtowne zmniejszenie się rozpoczyna wyjście z mitozy. Nagły spadek stężenia cykliny jest spowodowany zniszczeniem w układzie zależnym od ubikwityny
Synthesis of cyclin B starts immediately after the replication. Its concentration is increased and the moment when mitosis starts. Its subsequent sharp decline begins an output from mitosis. A sudden decrease in the concentration of cyclin destruction is due to the ubiquitin-dependent system .

26. Activation and inactivation of MPF
Activation: Cdc25C = protein phosphtase, dephosphorylation at Tyr15 and Thr14
Inactivation: Wee1 = inactivating kinase, phosphorylation at Tyr15 and Thr14

27. Mitose progression control
Cyklina B osiąga maksymalna aktywność na początku profazy. W wyniku aktywności kompleksu cyklina B-Cdk1 dochodzi do kondensacji chromosomów, zaniku błony jadrowej i tworzenia wrzeciona podziałowego.
Na początku anafazy kohezyna odpowiedzialna za połączenie się 2 chromatyd jest trawiona przez separazę, co pozwala na rozejście się chromatyd. Przesuwają się one w kierunku biegunów komórki. Separaza podczas cyklu jest związana z sekuryną. Sekuryna jest ubikwitynowana przez kompleks APC (aktywowany przez białko cdc20). W anafazie dochodzi do rozpadu cyklin i inaktywacji Cdk, co powoduje zanik wrzeciona podziałowego, inicjacja cytokinezy i przejście do fazy G1
Cyklina B osiąga maksymalną aktywność na początku profazy. W wyniku aktywności kompleksu cyklina B-Cdk1 dochodzi do kondensacji chromosomów, zaniku błony jądrowej i tworzenia wrzeciona podziałowego.
Na początku anafazy kohezyna odpowiedzialna za połączenie się 2 chromatyd jest trawiona przez separazę, co pozwala na rozejście się chromatyd.
Przesuwają się one w kierunku biegunów komórki. Separaza podczas cyklu jest związana z sekuryną, która jest ubikwitynowana przez kompleks APC (aktywowany przez białko cdc20).
W anafazie dochodzi do rozpadu cyklin i inaktywacji Cdk, co powoduje zanik wrzeciona podziałowego, inicjację cytokinezy i przejście do fazy G1

28. Activation of G1/S–Cdk complexes at starting point through removal of an inhibitor p27
Protein p27
belongs to the family of inhibitors of cyclin-dependent kinases
controls the cell cycle by regulating the activity of CDK-cyclin complexes
participates in the formation of stable complexes of cyclin D1-CDK4
increases the affinity of the CDK4 to cyclin D1, affects the level of synthesis of D-type cyclins in the cell and the stability of the cyclin D1
the level of its concentration in a cell is indirectly controlled by a complex of CDK2-cyclin E, which is phosphorylated at position 187, threonine p27 molecule. Phosphorylation is a signal to the proteolytic degradation of p27 protein by protease complex 26S.
Białko p27, należące do rodziny inhibitorów kinaz cyklino-zależnych. Nie tylko kontroluje ono cykl komórkowy poprzez regulację aktywności kompleksów CDK-cyklina, ale uczestniczy także w indukcji apoptozy. Białko p27 reguluje aktywność kompleksów CDK-cyklina w dwojaki sposób. Po pierwsze, hamuje ono aktywność kompleksów kinazowych. Po drugie, białko p27 uczestniczy w procesie powstawania stabilnych kompleksów CDK4-cyklina D1. Zwiększa ono powinowactwo CDK4 do cykliny D1, wpływa na poziom syntezy cyklin typu D w komórce oraz na stabilność cykliny D1. Białko p27 uczestniczy także w transporcie cykliny D1 i CDK4 do jądra komórkowego. Białko p27 jest z jednej strony regulatorem aktywności holoenzymów CDK-cyklina, z drugiej zaś strony poziom jego stężenia w komórce jest pośrednio kontrolowany przez kompleks CDK2-cyklina E, który fosforyluje znajdującą się w pozycji 187 cząsteczki p27 treoninę. Fosforylacja ta stanowi sygnał do proteolitycznej degradacji białka p27 przez kompleks proteazy 26S.

29. Protein p16 functions as a kinase inhibitor, which modulates CDK4/Cdk6 Rb protein phosphorylation, thus affecting cell proliferation
Active complex
Cyclin D1-cdk6/cdk6
Phosphorylated Rb
Rb phosphorylation
Białko p16 pełni funkcję inhibitora kinazy CDK4/Cdk6 i moduluje fosforylację białka Rb, wpływając w ten sposób na proliferację komórki.
Aktywne (w stanie defosforylacji) białko Rb utrzymuje w stanie nieaktywnym swoiste białka regulujące geny. Białka te konieczne są do pobudzenia transkrypcji genów kodujących białka uczestniczące w proliferacji komórek. Fosforylacja Rb przez aktywny kompleks CDK4,6-cyklina D prowadzi do inaktywacji Rb i uwolnienia białek regulujacych geny i prowadzi do podziałów
S phase gene promoters
Active Rb protein (in dephosphorylation) is maintained in an inactive state-specific protein that regulates the genes. These proteins are necessary to induce transcription of genes that encode proteins involved in cell proliferation. Rb phosphorylation by active complex CDK4-cyclin D leads to the inactivation of the Rb protein the release of genes that products lead to cell divisions.

30. Aleksander L. Sieroń

31. (UV, Ionising radiation, some drugs, etc.)
DNA damage
(UV, Ionising radiation, some drugs, etc.)
Block of MDM2
Stabilization of p53
Block of
MDM4
p53
p21
*CYKLINA E/CDK2
CYKLIN-CDK
ATP
ADP
*E2F
CYKLIN + CDK
Rb:E2F
ppRb
ARREST IN G1 S
A.L. SIEROŃ; 2005/06

32. BRCA1 G2 M DNA DAMAGE IN CELL NUCLEUS ATM/ATR ? hCds1/Chk2
(ataxia telangiectasia mutated/ATM and Rad3-related)
ATM, ATR i hCds1/Chk2
are proteins responding
to cell damage changing
phosphorylation of BRCA
gene product ?
hCds1/Chk2
BRCA1
Chk1 – regulatory kinase
Cdc25C
Kinase
Wee1
Cyklin B/Cdk1 G2 M
ARREST IN
Aleksander L. Sieroń

33. Crosses of doted lines point to defects in ATM and/or ATR pathways in different cancer cell lines.

34. Cykl komórkowy cdk 1 cykliny A i B pRB/RIZ1 p53 p21 pRB cdk2, 4 i 6
Entrance to
Apoptosis
p53
p21
pRB
cdk2, 4 i 6
cyclins A, E i D
Exit
to G0
Entrance to
Apoptosis
Aleksander L. Sieroń

35. RB1 GENE IN CANCER CELL CYCLE

36. RB PROTEIN (pRB) PHOSPHORYLATION

37. INTERACTION OF pRB AND TRANSCRIPTION REGULATORS
Modified from

38. Thank you Aleksander L. Sieroń Department Molecular biology
and genetics