endoreplikacja

ENDOREPLIKACJA









endoreplikacja – zwielokrotnienie zawartości DNA poza typowym cyklem komórkowym
w ogóle nie następuje wejście w mitozę po fazach G1, S i G2 lub następuje przedwczesne
zakończenie mitozy; poziom DNA po każdym cyklu endoreplikacyjnym się zwiększa;
liczba chromosomów się zwiększa lub nie
gdy następuje powielenie całości DNA, mamy do czynienia z endomitozą (wtedy zwiększa
się liczba chromosomów i następuje poliploidyzacja komórek) lub endoreduplikacją
(wtedy liczba chromosomów się nie zwiększa, tylko liczba chromatyd chromosomów –
powstają chromosmy politeniczne)
gdy następuje powielenie części DNA, mamy do czynienia z wybiórczą replikacją –
amplifikacją (wtedy powielone zostają tylko pewne geny; odbywa się zazwyczaj poza
chromosomami) lub niepełną replikacją (wtedy niewielkie fragmenty DNA, zazwyczaj
heterochromatynowe, nie zostają zreplikowane; powstają chromosomy politeniczne z
fragmentami niedoreplikowanego DNA)
endoreplikacja u roślin: zjawisko powszechne do tego stopnia, że trudno by było wskazać
roślinę, u której jakieś komórki nie przeszłyby przez endoreplikację; endomitoza,
endoreduplikacja i amplifikacja towarzyszą wczesnym stadiom rozwoju rośliny (lub jej
organów), np. w komórkach włosków liści, miękiszu liści (zwłaszcza u sukulentów),
epidermy liści, miękiszu kory pierwotnej, włośników, prekursorów naczyń; niepełna
replikacja zachodzi w komórkach, których różnicowanie kończy się programowaną
śmiercią komórkową, np. w komórkach wieszadełka, liścieni zarodka, bielma, ścian owocni,
łożyska, zarodka w fazie kiełkowania
korzyści z endoreplikacji dla roślin: powielenie genomu wydaje się bardziej
ekonomicznym rozwiązaniem wzrostu rośliny (lub jej organu) niż intensyfikacja mitoz
(endoreplikacja nie wymaga tak dużego zaangażowania związków wysokoenergetycznych,
jakiego wymaga mitoza); do pewnego momentu powielenie DNA jest skorelowane ze
wzrostem komórek i ich ilością – komórek jest mniej i są większe (ale tylko do tetra-,
oktoploidii)
endoreplikacja u zwierząt: wchodzą w nią nieliczne komórki, przede wszystkim organów
zaangażowanych w sekrecję, związana z intensyfikacją metabolizmu (biologiczny sens
endoreplikacji raczej nie polega na wzroście komórek, choć też jest z nim skorelowany);
występuje np. u owadów w komórkach przetchlinek, cewek Malpighiego, ścian jelita,
ślinianek (og. w gruczołach wydzielniczych), troficznych, follikularnych, oocytach; u
ssaków w megakariocytach i trofoblastach
endoreplikacja w cyklu komórkowym: jeżeli po replikacji do mitozy w ogóle nie
dochodzi, zachodzi endoreduplikacja; jeżeli przedwczesne zakończenie mitozy
następuje we wczesnej profazie, zachodzi endomitoza lub endoreduplikacja; jeżeli
przedwczesne zakończenie mitozy następuje we wczesnej anafazie, zachodzi
endomitoza; jeżeli zreplikowana zostaje niecała chromatyna (przede wszystkim
euchromatyna lub jej część), po czym nie dochodzi do mitozy, zachodzi amplifikacja lub
niepełna replikacja
zajście endoreplikacji wymaga wyłączenia mechanizmów kontrolnych cyklu
komórkowego*
ENDOMITOZA:
 jej efektem jest poliploidyzacja komórek
 megakariocyty: duże komórki wytwarzające wypustki (przypominające pseudopodia),
osadzają się na ścianach naczyń krwionośnych i do światła naczyń odcinają obłonione
fragmenty swojej cytoplazmy (zachodzi sekrecja) – prekursory płytek krwi; konieczny jest
więc intensywny wzrost tych komórek, który jest skorelowany z podwyższonym poziomem
DNA; endomitoza inicjowana jest przez trombopoetynę – po zreplikowaniu DNA komórka

wchodzi w mitozę: pojawia się aktywne MPF, degradowana jest otoczka jądrowa,
chromatyna kondensuje, wyodrębniają się chromosomy, odbywa się normalna metafaza,
zainicjowana zostaje anafaza, ale przebiega tylko anafaza A, po czym następuje
przedwczesne wyjście z anafazy (nie odbywa się anafaza B), przez co siostrzane
chromosomy odsuwają się od siebie tylko na bardzo niewielki dystans, podczas telofazy
zostaje odbudowana otoczka jądrowa i wszystkie chromosomy znajdują się w jednym
jądrze – efektem jest powielenie liczby chromosomów; wyjście z mitozy następuje na
skutek przedwczesnej lub zintensyfikowanej degradacji cykliny B
komórki miękiszowe (np. w liściach sukulentów): bardzo duże komórki; po zreplikowaniu
DNA zahamowana zostaje degradacja otoczki jądrowej, nie powstaje wrzeciono
kariokinetyczne, kondensacja chromatyny jest niepełna, ale chromosomy dzielą się na
chromatydy, dochodzi do degradacji kohezyny i liczba chromosomów ulega podwojeniu
ENDOREDUPLIKACJA:
 jej efektem jest powstanie chromosomów politenicznych (złożonych z wielu chromatyd),
o bardzo dobrze widocznym prążkowaniu (ze względu na ogromną ilość położonych obok
siebie chromatyd), posiadających puffy (pierścienie Balbianiego), które są miejscami
gwałtownej dekondensacji, despiralizacji fragmentów chromatyny, będące przygotowaniem
do intensywnej transkrypcji na tych odcinkach, pojawiają się na chromosomach w różnych
miejscach, w zależności od tego, które fragmenty są aktualnie aktywne transkrypcyjnie;
obecne także duże, rogalikowate struktury na chromosomach politenicznych – jąderka
 aby zaszła endoreduplikacja konieczne: zablokowanie wejście w mitozę (nie może się
pojawić aktywne MPF) oraz cykliczna replikacja DNA (replikacja --> faza G --> replikacja
--> faza G..., faza G konieczna do tego, żeby chromatyna osiągnęła stan kompetencji do
replikacji – dołączone muszą zostać do chromatyny białka PRC (kompleksu
prereplikacyjnego); w typowym cyklu komórkowym chromatyna jest kompetentna do
replikacji w fazie G1, aby ją ponownie uzyskać musi przejść mitozę – istnieje mechanizm,
który chroni przed przedwczesnym zainicjowaniem replikacji DNA: aby została
zainicjowana replikacja, z chromatyną musi zostać zasocjowany kompleks
prereplikacyjny, składający się z wielu kompleksów białek, np. ORC – rozpoznający
miejsca inicjacji replikacji, kompleks MCM, cdc6; po zapoczątkowaniu replikacji
wszystkie białka (z wyjątkiem ORC) kompleksu prereplikacyjnego oddysocjowują od
chromatyny i pozostają odłączone tak długo, jak długo działają aktywne kompleksy
cyklina/kinaza; ponowne zmontowanie kompleksu prereplikacyjnego na chromatynie jest
możliwe, kiedy spadek aktywności i poziomu cyklin będzie maksymalny – po degradacji
cykliny A i B; cykliczność cyklów endoreduplikacyjnych zależy od zmian aktywności
kompleksu cyklina E/kinaza CDK (kom. zwierz.) oraz cyklina A/kinaza CDK i syntezy
białka cdk6 (kom. rośl.))
 endoreduplikacja u roślin: w komórkach w nią wchodzących utrzymuje się wysoki poziom
białka ccs52 (cell cycle switch), które jest odpowiednikiem cdc20 u zwierząt (jest
składnikiem kompleksu ligazy ubikwitynowej/APC, decydującym o specyficzności
substratowej ligazy ubikwitynowej), przez co nawet, gdy cyklina B się pojawi, jest od razu
degradowana przez kompleks APC – brakuje jednego ze składników MPF, poza tym
istnieje dodatkowa ścieżka zabezpieczająca przed wejściem w mitozę: utrzymuje się też
wysoki poziom białka CKI, które jest inhibitorem aktywności kinaz cyklinozależnych oraz
zahamowana jest aktywność fosfatazy, która defosforyluje w miejscach inhibitorowych
kinazę – nie pojawia się więc aktywne MPF, przez co jest spełniony 1. warunek
endoreduplikacji (zablokowanie wejścia w mitozę); 2. warunek (zapewnienie cykliczności
replikacji DNA): utrzymuje się stały poziom aktywności kompleksu fazy G1 (cyklina
D/kinaza CDK), który fosforyluje białko FB, w wyniku czego uwolniony zostaje czynnik
transkrypcyjny f2f, który promuje transkrypcję genów cykliny A i białka cdc6, powstaje
kompleks cyklina A/kinaza CDK, który inicjuje replikację DNA, po zainicjowaniu



replikacji cyklina A jest ubikwitynowana i degradowana w proteasomach, następnie znów w
fazie G musi dojść do fosforylacji FB... itd.; w fazie G zachodzi też reasocjacja białek
kompleksu prereplikacyjnego na chromatynie
endoreduplikacja u zwierząt (owadów): zahamowanie wejścia w mitozę podobnie jak u
roślin: w komórkach follikularnych, znajdujących się w jajnikach, zahamowana zostaje
ekspresja genu dla fosfatazy STRING cdc25, która może defosforylować kinazę cdk w jej
miejscach inhibitorowych (niski poziom STRING cdc25 = nieaktywna kinaza cdk1);
poza tym promowana ekspresja genu białka Fzr (odpowiednika ccs52 u roślin),
regulującego specyficzność substratową kompleksu APC/ligaza ubikwitynowa, którego
wysoki poziom wywołuje degradację cykliny B – nie może więc powstać aktywne MPF;
zapewnienie cyklicznej replikacji DNA: kluczową rolę w regulacji cyklu spełnia kompleks
cyklina E/cdk2; niski poziom białka Dacapo (CIP/KIP), inhibitora kinazy cdk2, pozwala
na utworzenie aktywnego kompleksu cyklina E/cdk2, niezbędnego do inicjacji replikacji,
po zainicjowaniu replikacji cyklina E ulega degradacji, następnie syntetyzowana jest
ponownie itd.; w trofoblastach ssaków poziom cykliny E się nie zmienia (nie ulega
degradacji), ale konieczna jest cykliczność aktywności kompleksu cdk2/cyklina E, którą
wywołuje zmienny poziom białka p57, które jest inhibitorem kinaz cdk (CIP/KIP), p57
akumulowane jest pod koniec S (wtedy zahamowana aktywność cdk2 i kompleks
cdk2/cyklina E przestaje być aktywny, co pozwala na oddysocjowanie od chromatyny białek
kompleksu prereplikacyjnego i wejście w fazę G), pod koniec S p57 degradowane, co
umożliwia reasocjację białek kompleksu prereplikacyjnego podczas fazy G, wtedy też
zaczyna być syntetyzowane białko p57 (ale maksimum akumulacji osiąga pod koniec S)
(ścieżka Notch)
pętle inwersyjne są efektem zaistnienia w jednym ze skoniugowanych chromosomów
politenicznych inwersji (chromosom, w którym nie doszło do inwersji, musi się
odpowiednio złożyć, aby dopasować się do chromosomu z inwersją)
niepełna endoreduplikacja: chromosomy mają powielone całe DNA, z wyjątkiem DNA
centromerowego – chromosomy połączone są okolicami centromerowymi
AMPLIFIKACJA:
 podlegają jej najczęściej geny, których ostatecznym produktem jest RNA
 odbywa się najczęściej pozachromosomowo: odcinki mające być zamplifikowane są
transkrybowane – powstaje matryca rRNA, na której odwrotna transkryptaza syntetyzuje
rDNA; kopia rDNA ulega cyrkularyzacji i odbywa się replikacja: endonukleaza rozcina
jedną z nici DNA, miejscem inicjacji replikacji jest koniec 3', asocjuje z nim polimeraza,
która cyrkuluje po kolistej matrycy, katalizując syntezę komplementarnego DNA, przez co
z każdym obrotem wydłuża się powielane DNA