35.6
Duplikacja centrosomów
Centrum organizacji mikrotubul (MTOC) w komórkach zwierzęcych jest centrosom. Centrosom ma w swoim rdzeniu dwie cylindryczne centriole. Każda centriol…
Centrosom jest głównym organizatorem mikrotubul komórki eukariotycznej i odgrywa istotną rolę w tworzeniu wrzeciona mitotycznego, dwubiegunowego układu mikrotubul, który oddziela siostrzane chromatydy. Dwa bieguny wrzeciona są utworzone przez dwa przeciwnie umieszczone centrosomy.
Jednak przed cyklem komórkowym większość komórek zwierzęcych zawiera tylko jeden centrosom w cytoplazmie. Kinaza zależna od G1 / S-cykliny lub kompleks Cdk - składający się z cykliny E i Cdk2 w komórkach zwierzęcych - pomaga wywołać duplikację centrosomów, a także wejście w cykl komórkowy.
Każdy centrosom składa się z dwóch centrioli, które są otoczone białkową matrycą pericentriolną.
Duplikacja centrosomów rozpoczyna się we wczesnej fazie G1, kiedy separaza przeprowadza odłączenie dwóch centrioli. Białko należące do rodziny kinaz białkowych polo, Plk-4, jest ważnym regulatorem biogenezy centriolów u ludzi.
Na początku fazy S centriole potomnej zaczyna rosnąć pod kątem prostym do podstawy każdej centrioli.
Podczas G2 centriole potomne zazwyczaj kończą wydłużanie się. Cztery centriole pozostają blisko siebie w centrosomie, dopóki komórka nie wejdzie w mitozę.
Na początku mitozy centrosom dzieli się na dwie części, co jest również znane jako dysjunkcja centrosomów. Każdy z dwóch powstałych centrosomów zawiera parę centroli i macierz pericentrioralną. Oba centrosomy zarodkują zestaw mikrotubul, głównie w centrioli macierzystej, wspólnie tworząc wrzeciono mitotyczne.
Cykl życiowy centrosomów i chromosomów jest podobny w kilku aspektach. Ich duplikacja występuje tylko raz na cykl i obie duplikują się w procesie semikonserwatywnym, w którym nowa kopia jest tworzona z wcześniej istniejącej kopii nadrzędnej.
Ponadto, podobnie jak chromosomy, jedna kopia centrosomu jest równomiernie rozprowadzana do każdej komórki potomnej po podziale.
Nadmierna duplikacja centrosomów może upośledzać składanie wrzecion mitotycznych i powodować nieprawidłową segregację chromosomów, co może powodować choroby takie jak rak.
View the full transcript and gain access to JoVE Core videos
Q1: What is centrosome duplication and when does it occur?
Centrosome duplication is the process by which a cell replicates its centrosome to produce two centrosomes before cell division. This duplication occurs during the cell cycle, typically beginning in G1 phase and completing by the end of S phase. Each daughter centrosome contains a pair of centrioles and serves as a microtubule-organizing center essential for proper cell division.
Q2: Why is centrosome duplication important for cell division?
Centrosome duplication is critical because the two resulting centrosomes organize and nucleate microtubules that form the spindle apparatus during mitosis and cytokinesis. Without proper duplication, cells cannot establish bipolar spindles needed for accurate chromosome segregation and successful cell division. This ensures each daughter cell receives the correct genetic material.
Q3: What are the main structural components of a centrosome?
A centrosome consists of two centrioles arranged perpendicular to each other, surrounded by pericentriolar material (PCM). The centrioles are cylindrical structures composed of microtubules, while the PCM contains proteins that nucleate and organize microtubules. Together, these components enable the centrosome to function as the cell's primary microtubule-organizing center.
Q4: How does the centrosome cycle relate to the cell cycle?
The centrosome cycle is tightly coordinated with the cell cycle, ensuring centrosome duplication occurs once per cell cycle. Duplication begins in G1 phase and completes by late S phase, so two centrosomes are available for spindle formation during mitosis. This synchronization prevents centrosome over-duplication and maintains genomic stability across cell divisions.
Q5: What role do centrosomes play in organizing microtubules?
Centrosomes nucleate and organize microtubules into radial arrays that extend throughout the cell. During interphase, centrosomes organize the cytoplasmic microtubule network that supports cell shape and transport. During cell division, the two centrosomes organize microtubules into the bipolar spindle that separates chromosomes and organizes the cell for cytokinesis.
Q6: What happens if centrosome duplication fails or is abnormal?
Abnormal centrosome duplication can lead to multipolar spindles, chromosome missegregation, and aneuploidy, potentially causing cell death or cancer development. Conversely, failure to duplicate centrosomes results in monopolar spindles and improper chromosome segregation. Both scenarios disrupt normal cell division and can compromise cellular viability and genomic stability.
Q7: How do cells regulate centrosome duplication to occur only once per cycle?
Cells regulate centrosome duplication through licensing and re-licensing mechanisms controlled by cell cycle checkpoints and kinases. Licensing factors allow duplication during G1 phase, but are inactivated during S and G2 phases to prevent re-duplication. This tight regulation ensures exactly two centrosomes exist before division, maintaining proper spindle formation and chromosome segregation.