11

‫מבוא לביולוגיה של התא‬ ‫המרצה‪ :‬פרופ' אורנה אלרואי שטיין‬

‫‪29/03/2005‬‬ ‫הרצאה מס' ‪11‬‬

‫עמוד ‪ 1‬מתוך ‪3‬‬

‫הרצאה מס' ‪ :11‬מחזור התא‬ ‫חיים מורכבים גדילה והתרבות‪ .‬תא החי גדל ומתרבה כלומר מתחלק לשני תאי בת‪ .‬תהליכי הגדילה וההתחלקות הם‬ ‫תהליכים מאוד מורכבים ומבוקרים‪ .‬תאים זקוקים לאמצעי חישה‪ ,‬כדי לדעת האם הסביבה מתאימה לתהליכים אלו‪ .‬יש‬ ‫מנגנונים שחייבים להיות ערניים למצב הדנ"א‪ .‬האם אפשר לשכפל אותו? מתי כדאי להתחיל לשכפל אותו? האם‬ ‫השכפול הושלם במלאו?‬ ‫מחזור חלוקת התא מתחלק לשני מחזורים‪:‬‬ ‫‪ .1‬מחזור ציטופלסמה – הציטופלסמה גדלה ומתחלקת בערך חצי חצי אבל לא חייבת להיות בדיוק כי ישנים אברונים‬ ‫בציטופלסמה שיכולים להיבנות מחדש לפי המידע הקיים בדנ"א‪.‬‬ ‫‪ .2‬מחזור הגרעין – מחזור שצריך להיות מבוקר מאוד וחייב להיות מחולק חצי חצי בדיוק‪ .‬יש תאום בתוך כל מחזור‪ ,‬ובין‬ ‫שני המחזורים‪ .‬שני המחזורים האלה חייבים להיות מבוקרים מאוד‪ ,‬כל אחד בפני עצמו וכל אחד ביחס לשני‪.‬‬ ‫מחזור התא מתחלק לארבע פאזות‪:‬‬ ‫‪ .1‬פאזת ‪ - M‬מיטוזה – שלב החלוקה ‪ -‬זהו השלב קצר‪.‬‬ ‫אינטרפאזה – השלב שבין שתי חלוקות‪ -‬זהו השלב הארוך‪.‬‬ ‫את שלב האינטרפאזה ניתן לחלק לשלושה חלקים‪:‬‬ ‫‪ .2‬פאזת ‪ – (GAP) G1‬הזמן בין פאזת ‪ M‬לפאזת ‪ – S‬סינתזה של חומרים‬ ‫בציטופלסמה‪ .‬התא גדל‪ ,‬מקרומולקולות נבנות‪ ,‬אברונים נוצרים‪ ,‬שלד התא‬ ‫נוצר ובקיצור כל מה שהתא צריך‪ .‬זו הפאזה הארוכה ביותר במחזור התא‪.‬‬ ‫תאים שונים נבדלים זה מזה באורך מחזור התא‪ ,‬ועיקר השוני הוא באורך‬ ‫פאזת ‪.G1‬‬ ‫דוגמאות ‪ :‬תאי עצב נמצאים בדרגת התמיינות סופית‪ ,‬ולכן לא מתחלקים‪.‬‬ ‫פאזת ‪ G1‬שלהם כל כך ארוכה‪ ,‬שהיא מכונה פאזה ‪ .G0‬תאי מעי לעומתם‬ ‫מתחלקים מהר מאוד )פעם עד פעמיים ביום(‪ .‬תאי כבד מתחלקים פעם‬ ‫בשנה או שנתיים‪ .‬ההבדל בין אורך המחזור של חיי התאים האלה הוא‬ ‫בפאזת ‪.G1‬‬ ‫‪ .3‬פאזת ‪) S‬סינתזה( – השלב בו מסונתז ‪ – DNA‬פאזת השכפול)ריפלקציה( בגרעין‪.‬‬ ‫‪ .4‬פאזת ‪ – G2‬בין פאזת ‪ S‬לפאזת ‪ .M‬בשלב זה יש בקרת איכות הבודקת את הדנ"א לפני תהליך המיטוזה‪ .‬פאזה זו‬ ‫קצרה יחסית‪.‬‬ ‫לסיכום‪ ,‬ישנן סה"כ ‪ 4‬פאזות ‪M,G1,S,G2 :‬‬ ‫יש שלוש נקודות בדיקה במהלך מחזור התא‪:‬‬ ‫‪ : (start) G1 checkpoint.1‬הנקודה בה ההחלטה לעבור לפאזת ‪ S‬מתקבלת‪ .‬בדיקות‪ :‬האם הסביבה מספיק תומכת‬ ‫ומתאימה לתחילת החלוקה? באורגניזם חד תאי – האם יש מזון? באורגניזם רב תאי – האם יש הורמונים‪ ,‬מיטוגנים‪,‬‬ ‫סיגנלים מתאימים? במידה וכן‪ ,‬תהיה ריפלקציה של דנ"א‪ .‬אחרת תהיה המתנה עד שיהיו מספיק משאבים או שיהיה‬ ‫מעבר לפאזת ‪ .G0‬ברגע שהתא עובר את השלב הזה לשלב ‪ S‬אז אין דרך חזרה‪ ,‬והוא יהיה חייב להתחלק‪ .‬תא שמתחיל‬ ‫את שלב ‪ S‬בסוף יגיע בחזרה ל‪.G1-‬‬ ‫‪ :G2 checkpoint .2‬נמצאת בסוף פאזת ‪ .G2‬הבדיקות‪ :‬האם כל ה‪ DNA -‬מושלם והוכפל במלואו? האם הוא לא נפגע‬ ‫מאז השכפול‪ ,‬כתוצאה מקרינה למשל? אם אין בעיה‪ ,‬יש הפעלה של שלב המיטוזה‪ .‬אם יש בעיה אז יש מקרים בהם יש‬ ‫אפשרות לתקן את הדנ"א‪.‬‬ ‫‪ :Metaphase checkpoint .3‬האם המיטוזה מושלמת? האם הכרומוזומים מסודרים על כישור החלוקה‪.‬‬ ‫הערה‪ :‬האם הסביבה תומכת כדי להתחלק לתאי בת? המנגנונים הללו מורכבים מחלבונים ומושפעים בעיקר מתנאי‬ ‫סביבה‪ .‬בתא פרוקריוט‪ ,‬סביבה נמדדת לרוב בתנאי סביבה רגילים כגון טמפ'‪ PH ,‬וכמות מזון זמינה‪ .‬לעומת זאת בתאים‬ ‫אאוקריוטים הסביבה מבוקרת בסיגנלים מתאימים הבאים גם מתאים שכנים‪ .‬הסיגנלים יגידו לתא אם ישנם כל‬ ‫החומרים ההכרחיים לקיום שלבי חלוקת התא‪.‬‬ ‫מערכת בקרה על מחזור התא‬ ‫מנגנוני בקרה בנויים תמיד מרפרסורים ואקטיבטורים‪ .‬אקטיבטור הוא פונקציה שגורמת לזרוז של תהליך‪ .‬רפרסור הוא‬ ‫פונקציה שמונעת מתהליכים להתרחש‪.‬‬ ‫מה מונע כניסה שלב ‪ ?S‬היעדר אקטיבטור‪ ,‬קיום רפרסור‪ ,‬או שניהם? ניסוי לבדיקת השאלה‪:‬‬ ‫מפרידים בין תאים בפאזות שונות ע"י זיהוי המטען הכרומוזומלי בכל תא‪ .‬בתאים בשלב ‪ G1‬יהיה מטען כרומוזומלי ‪.X‬‬ ‫לכן בשלב ‪ G2‬ושלב המיטוזה יהיו תאים בעלי מטען כפול )‪ .(2X‬בשלב הכפלת ה‪ ,DNA-‬הוא שלב‬ ‫‪ S‬ושם יהיה המטען הגנטי הכרומוזומלי יותר מ‪ X -‬ופחות מ‪.2X-‬‬ ‫שיטה אחת ‪ -‬ניתן להפריד את התאים בשלבים השונים על ידי צנטריפוגה‪.‬‬ ‫שיטה אחרת – )‪Fluorescence Activated Cell Sorter(FACS‬‬ ‫מסמנים את ה‪ DNA-‬של התאים עם צבעים פלואורסנטים‪ .‬צבעים אלו נכנסים בתוך הסליל‬ ‫הכפול‪ ,‬וגורמים לדנ"א להיות פלורוסנטי‪ .‬תאים שהם מאוד פלורוסנטיים יהיו בעלי מטען גנטי ‪2X‬‬ ‫לעומת תאים שהם פחות פלורוסנטיים שיהיו בעלי מטען ‪ X‬בשלב ‪ G1‬ותאים שיצבעו ברמת ביניים‬ ‫יהיו אם כך בשלב ‪.S‬‬ ‫ניתן להסתכל על גרף התוצאות‪:‬‬ ‫על ציר ‪ – X‬כמות ה‪ DNA-‬היחסית לתא‪.‬‬ ‫בציר ‪ – Y‬מספר התאים‪.‬‬ ‫ניתן לראות שרוב התאים )רוב השטח( נמצא בשלב ‪ .G1‬בפאזת ‪ G2‬ו‪) M-‬הפיק השני( מכיל גם‬ ‫הרבה תאים‪ ,‬אך פחות מ‪ .G1-‬כל מה שביניהם הם תאים שבשלב ה‪.S-‬‬

‫סיכום‪ :‬גבריאל מירקוס וינון כהן‬

‫מבוא לביולוגיה של התא‬ ‫המרצה‪ :‬פרופ' אורנה אלרואי שטיין‬

‫עמוד ‪ 2‬מתוך ‪3‬‬

‫‪29/03/2005‬‬ ‫הרצאה מס' ‪11‬‬

‫איך נדע להבדיל בין תא שנמצא בפאזת ‪ ,M‬לבין תא שנמצא בפאזת ‪?G1‬‬ ‫האם זה רפרסור או אקטיבטור שמפעיל בתאים את המיטוזה?‬ ‫כדי לבדוק זאת השתמשו בשיטה של איחוי תאים )‪ .(cell fussion‬לוקחים תאים משתי האוכלוסיות אותן אנו בודקים‪,‬‬ ‫ומאחים אותם באמצעים מוכרים‪.‬‬ ‫נעשו שלושה איחויים בין התאים ולהלן התוצאות ‪:‬‬ ‫איחוי בין ‪ - M + G1‬בתאי ‪ M‬הכרומוזומים ארוזים ודחוסים‪ .‬בתאי ‪ G1‬הכרומטין מפוזר בגרעין‪ .‬כתוצאה מהאיחוי‬ ‫התחילה מיטוזה בתא ‪ .G1‬מסקנה אפשרית היא שיש פקטור של אקטיבציה שנמצא בתאים שבשלב המיטוזה‪.‬‬ ‫איחוי בין ‪ - S + M‬קוראת אותה התופעה‪ .‬התא שנמצא במיטוזה מפעיל את המיטוזה גם בתא שלא מוכן לזה‪ ,‬וזהו תא‬ ‫ה‪.S-‬‬ ‫איחוי בין תא ‪ - G2+ M‬רואים את אותה התוצאה‪.‬‬ ‫המסקנה היא שיש אקטיבטור רציני למיטוזה והאקטיבטור הזה נקרא‪:‬‬ ‫‪ - M-phase Promoting Factor – MPF‬זהו חומר מאוד שמור באבולוציה‪ MPF .‬מיצור אחד יכול לגרום למיטוזה ביצור‬ ‫אחר‪) .‬קפאין גם הוא מזרז מיטוזה כאשר הוא בריכוז גבוה מאוד(‬ ‫האם יש בפאזת ‪ S‬אקטיבטור או שבפאזה ‪ G1‬יש רפרסור?‬ ‫עושים איחוי בין ‪
S+G1‬מתחילה רפליקציה בגלל האיחוי‪ .‬כלומר יש אקטיבטור ל‪ .S-‬האקטיבטור נקרא ‪S-phase‬‬ ‫‪ .Activator‬זה עושה אקטיבציה של כל החלבונים שצריכים להיות פעילים בזמן רפליקציה‪ .‬האקטיבטור הזה קיים ופעיל‬ ‫רק בזמן מסוים בפאזת ‪.S‬‬ ‫האם האקטיבטור נשאר פעיל גם בפאזת בפאזת ‪ G2‬לאחר שלב ‪?S‬‬ ‫עושים איחוי בין ‪ .G1+G2‬כתוצאה מכך לא נראה רפליקציה‪ .‬המסקנה היא שהאקטיבטור לפאזת ‪ S‬לא נמצא בשלב ‪.G2‬‬ ‫האם האקטיבטור של ‪ S‬עם תאי ‪ G2‬יבצע שיכפול בתאים אלו?‬ ‫עושים איחוי בין ‪
S + G2‬ה‪ S-phase activator-‬לא משפיע על הגרעין של התא שב‪ .G2-‬ההנחה היא שיש בתוך‬ ‫הגרעין בשלב ‪ G2‬רפרסור ל‪ .S-phase activator-‬אם יש כזה רפרסור‪ ,‬הוא בטוח לא דיפוזי‪ ,‬כי הוא לא השפיע לרעה על‬ ‫הגרעין של התא שנמצא ב‪ .S-‬מנגנון כזה מונע מה‪ DNA-‬לעבור רפליקציה נוספת לפני המיטוזה‪ .‬מנגנון זה נקרא ‪Re-‬‬ ‫‪ .Replication Block‬מנגנון זה חשוב כדי שלא תהיה לדנ"א אפשרות לעבור שיכפול יותר מפעם אחת! החסימה הזאת‬ ‫תוסר בזמן החלוקה במיטוזה‪ .‬המנגנון שמסיר את החסימה הוא מערכת חלבונים שנמצאת בציטופלסמה אך לא נכנסת‬ ‫לגרעין‪.‬הכרומטין שעבר שיכפול‪ ,‬נגרמה לו מודיפקציה שאומרת שמעתה הוא לא יכול לעבור יותר שכפול‪ .‬בזמן‬ ‫המיטוזה ממברנת הגרעין מתפרקת ואז החלבון הזה שנמצא בציטופלסמה יכול להסיר את אותן המודפיקציות שיש‬ ‫לדנ"א)להחזיר למצב הקודם( ולאפשר שיכפול‪.‬‬ ‫אקטיבטורים‬ ‫האקטיבטורים האלה הם קינאזות – חלבונים שמזרחנים חלבוני מטרה‪.‬‬ ‫‪ - CDK – Cyclin-dependent kinase‬היא קינאזה שנמצאת כל הזמן בתא )לא קצרת חיים( ותלויה בחלבון בשם‬ ‫ציקלין‪.‬‬ ‫ציקלינים ‪ -‬חלבונים המבקרים את מחזור התא‪ ,‬והמופיעים במחזוריות‪.‬‬ ‫ה‪ – S-phase activator -‬מורכב מ‪ .s-phase cdk + s-phase cyclin -‬לא פעיל כל הזמן כי אין ציקלין זמין תמיד‪ .‬הציקלין‬ ‫הוא חלבון קצר חיים שהולך ומצטבר בתא ובריכוז מסוים הוא נקשר ל‪ CDK-‬ומפעיל אותו‪ .‬כתוצאה מכך מתאפשר‬ ‫השכפול‪.‬‬ ‫קומפלקס אחר הוא ה‪ – MPF-‬מורכב מ‪ cdk -‬מיטוטי ‪ +‬ציקלין מיטוטי‪ .‬ה‪ cdk-‬המיטוטי הוא לא פעיל כל הזמן אלא רק‬ ‫כאשר יש לו את הציקלין המיטוטי קיים בריכוז גבוה בתוך התא‪ .‬רק כאשר יש ריכוז מסוים בלבד של ציקלין‪ ,‬הציקלין‬ ‫יקשר ל‪ cdk-‬המיטוטי ואז מאקטב אותו‪ .‬זהו אנזים האחראי על הפעלת תהליך המיטוזה‪ .‬ה‪ s-p CDK -‬נמצא כל הזמן‬ ‫בתא‪ .‬לאחר האקטיבציה הציקלין מתפרק‪ .‬הציקלין הוא חלבון קצר חיים‪.‬‬

‫בודקים את ריכוז ה‪ MPF-‬הפעיל בתא‪ ,‬ואת ריכוז הציקלין‪:‬‬

‫סיכום‪ :‬גבריאל מירקוס וינון כהן‬

‫מבוא לביולוגיה של התא‬ ‫המרצה‪ :‬פרופ' אורנה אלרואי שטיין‬

‫עמוד ‪ 3‬מתוך ‪3‬‬

‫‪29/03/2005‬‬ ‫הרצאה מס' ‪11‬‬

‫עיכוב פונקצית ה‪ CDK -‬בעזרת רפרסורים ‪:‬‬

‫קיימת מערכת גדולה של רפרסורים שיכולים לעכב את פונקציית ה‪ ,CDK-‬גם אם הציקלין נמצא בריכוז גבוה‪ .‬אם התא‬ ‫לא הגיע לגודל הקריטי‪ ,‬אם יש תנאים סביבתיים לא נוחים‪ ,‬אם ה‪ DNA-‬פגום )כל אלו בשלב ‪ (G1‬אז יהיה עיכוב של ה‪-‬‬ ‫‪ .CDK‬מוטציה נקודתית יהיה אפשר לתקן אבל יש נזקים כתוצאה מקרינה שיכולים ליצור שברים בדנ"א לדוגמה ואז‬ ‫הרפרסורים לא יאפשרו את פעילות ה‪.CDK-‬‬

‫מערכות הבקרה הראשית על התא‪:‬‬ ‫מיטוזה – חלוקת התא לשני תאי בת‪.‬‬ ‫התמיינות סופית‬ ‫אפופטוזיס – מוות תאים מתוכנן‪.‬‬ ‫אפופטוזיס‬ ‫תא צריך יכולת לזהות מצבים שיכולים להיות קטסטרופלים לדור הבא‪ .‬אם התא מזהה יותר מדי נזקים‪ ,‬או שמערכת‬ ‫התיקון לא מסוגלת לעשות את התיקון בזמן הסביר‪ ,‬אז אין טעם להשהות את מחזור התא בזמן רב מדי‪ ,‬והתא מתאבד‪.‬‬ ‫החלבונים המבקרים על התהליכים האלה נמצאים כל הזמן בתא בהיכון להרוג את התא )אין בגנום גנים שאחראים על‬ ‫זה כי זו החלטה שמתבצעת מאוד מהר(‪ .‬אפופטוזיס לא מתרחשת רק כאשר יש בעיות‪ ,‬זהו תהליך שמתרחש הרבה גם‬ ‫במהלך ההתפתחות העוברית )לדוגמה‪ :‬הסרת הקרומים בין האצבעות או פירוק תאי הזנב של ראשן שהופך לבוגר(‪ .‬יש‬ ‫גם מוטגנים שלא ברמת ה‪ DNA-‬שיכולים לגרום לאפופטוזיס‪ .‬בתהליך של אפופטוזיס התא מתפרק בצורה נקייה‪ ,‬ולא‬ ‫משאיר עקבות‪ ,‬זאת אומרת שה‪ DNA-‬נחתך לחלקים קטנים‪ ,‬האברונים מתפרקים ומקרופגים מפנים את השאריות‪.‬‬ ‫לעומת זאת ישנו מוות המכונה נקרוזיס – מוות לא מתוכנן‪ .‬זהו‬ ‫מוות לא נקי‪ ,‬וגורם להיווצרות סביבה מזוהמת‪.‬‬ ‫קספזות‬ ‫אנזימים בשם קספזות – שהם בעצם פרוטאזות )חלבונים‬ ‫שמפרקים חלבונים( הם אלה שמבצעים את תהליך‬ ‫האפופטוזיס‪.‬‬ ‫יש שני אזורי חיתוך בתוך החלבון‪ .‬פרוקאספז – מצב לא‬ ‫פעיל‪ .‬כאשר הוא נתקל בחלבון אחר שחותך ממנו את הקצה‬ ‫האמיני‪ ,‬והקצה הקרבוכסילי‪ ,‬הקספזה מופעלת על ידי‬ ‫הצמדות לתת היחידה הקטנה לתת היחידה העיקרית‪ .‬כל‬ ‫קספזה פעילה יודעת לפרק סוגים ספציפיים של חלבונים‪.‬‬ ‫בנוסף יש קספזת הפעלה של קספזות שנועדה ליצור‬ ‫אמפליפיקציה של כמות הקספזות הפעילות‪ .‬לכל קספזה יש‬ ‫חלבון מטרה שונה והם מפרקים את כל האברונים שקיימים‬ ‫בתא‪.‬‬

‫בתאים של יונקים ישנם ‪ 3‬סוגי סיגנלים חשובים כדי לגרום לתא להתחלק‪:‬‬ ‫‪ .1‬מיטוגנים – חלבונים )לא רק חלבונים( שיכולים לגרום לתא להתחלק‪ .‬מיטוגנים פועלים על כל המעכבים שמעכבים‬ ‫את כל המחזור של התא כאשר הכל מבוקר‪.‬‬ ‫‪ .2‬פקטורי גידול – חומרים הדרושים להנעת מחזור התא‪ .‬חומרים אלו מופרשים מתאים שכנים כשצריך להגדיל את‬ ‫המסת הרקמה‪.‬‬ ‫‪ .3‬פקטורי הישרדות – חלבונים שמפעילים מסלולים הדרושים לשמירת הקספזות במצב לא פעיל‪ .‬גם חלבונים אלו‬ ‫מופרשים מתאים שכנים‪.‬‬ ‫לסיכום‪ ,‬מנגנוני הבקרה הם קריטיים למחזור התא‪ .‬תאים סרטניים הם תאים שאיבדו את היכולת למנוע החלוקה‪ ,‬וכן‬ ‫את היכולת לעבור אפופטוזיס‪.‬‬

‫סיכום‪ :‬גבריאל מירקוס וינון כהן‬