コアセミナー(2007.06.21)
~WinBEST-KITを用いた
細胞周期のシミュレーション~
生物資源環境科学府
生物機能制御学講座
担当:岩本一成
本日の内容
細胞周期について~役割・制御機構~
WinBEST-Kitを用いた細胞周期のシミュレーション
細胞周期について
細胞の分裂
(Mitosis)
G2/M checkpoint
細胞分裂の
ための準備期間
M
G2
G1
S
DNA複製のため
の準備期間
G1/S checkpoint
DNAの複製
(Synthesis)
細胞周期の役割は、正常な細胞の増殖や細胞の分化など
多岐にわたる。
細胞周期の異常は、細胞のがん化の原因の一つである。
細胞周期の進行は、厳密に制御されている。
細胞周期エンジン
サイクリン(Cyclin)とサイクリン依存性キナーゼ(CDK)
~細胞周期を進行をコントロールするリン酸化酵素
車に例えると、“アクセル”の役割を果たす
不活性化状態
不活性化状態
CDK
Cyclin
活性化状態
不活性化状態
P
CDK
結合
Cyclin
P
CDK
リン酸化
Cyclin~A, B, C, D, E, Fなどが存在
CDK~1, 2, 3, 4などが存在
Cyclin
リン酸化
P
P
CDK
Cyclin
CyclinとCDKが結合するペアは
決まっている。
CDKインヒビター
CDKインヒビター(CKI)
CDKに結合し、その活性を抑制する。
車に例えると、“ブレーキ”の役割を果たす。
活性化状態
不活性化状態
CKI
P
P
CDK
Cyclin
CDK
結合
CKI~p16, p21, p27などが存在
CKI
Cyclin
チェックポイント機構
チェックポイント~細胞周期が次のステップに進行するときに、
ミスやエラーがないかどうかを監視している機構
ミスやエラーがあった場合は、細胞周期の進行の停止を引き起こす。
G2/M
チェックポイント
M
G1
細胞周期
G2
S
G1/S
チェックポイント
これらのチェックポイ
ントは、主にDNAの損
傷を監視している。
がん抑制遺伝子p53
Normalized nuclear fluorescence
p53~DNAの損傷をチェックポイント機構に伝達する化学種
Mdm2~p53を阻害する化学種
DNA
Damage
p53
Mdm2
p53
Mdm2
1.0
0.5
0
12
24
time (h)
p53は振動様のダイナミクスを示す。*1
各チェックポイントへ
活性化
阻害
*1 Geva-Zatorsky N et al., Mol Syst Biol., vol.2, 2006
G1期からS期への移行
G1期からS期への移行は、G1/Sチェックポイントにより監視
細胞増殖因子など
p16
TGF-βなど
p27
DNA
Damage
p21
p53
CDK4
CDK2
CDK2
CycD
CycE
CycA
Mdm2
P P
P RB P
P
P
P
活性化
阻害
解離
RB
E2F
リン酸化
inactive form
E2F
active form
G1 phase
/
E2F が活性化する遺伝子群
• DNA polymerase α
活性化
• Cdc6
• MCM3
and so forth
S phase
細胞周期のS-phaseへの進行には、E2Fが重要な役割を果たしている。
G1/Sチェックポイント
DNA
Damage
p21
p53
CDK2
CDK2
CycE
CycA
Mdm2
P P
P RB P
P
P
P
解離
RB
E2F
inactive form
リン酸化
E2F
活性化
阻害
active form
DNA damageがp53を活性化し、p53は、p21の合成を促進する。
p21は、CycE/CDK2およびCycA/CDK2の活性を抑制し、Rbのリン酸化を阻害する。
その結果、E2Fの活性化が阻害され、S phaseへの進行が遅延する。
G1/Sにおける各化学種のダイナミクス
Level
Protein
Standardized
Standardized protein
level
[-] [-]
G1/S期におけるサイクリンA, Eの典型的な発現パターン
1.20
aCycA/CDK2
1.00
aCycE/CDK2
0.80
CyclinA
0.60
0.40
CyclinE
0.20
0
0 5 10 15 20 25 30 35 40
time [-]
[-]
time
サイクリンEが発現した後に、サイクリンAが発現する。
G2期からM期への移行
G2期からM期への移行は、G2/Mチェックポイントにより監視
DNA
Damage
14-3-3
p53
Cdc25
p21
preMPF
P
CDK1
Mdm2
MPF
P
P
CDK1
P
CycB
M期へ
CycB
inactive form
active form
Wee1
活性化
阻害
細胞周期のM-phaseへの進行には、MPFが重要な役割を果たしている。
G2/Mチェックポイント
DNA
Damage
14-3-3
p53
Cdc25
p21
preMPF
P
CDK1
Mdm2
MPF
P
P
CDK1
P
CycB
M期へ
CycB
inactive form
active form
Wee1
活性化
阻害
DNA damageがp53を活性化し、p53は、p21および14-3-3の合成を促進する。
p21はCycB/CDK1(MPF)の活性を抑制し、14-3-3はCdc25の活性を抑制する。
その結果、MPFの活性化が阻害され、M-phaseへの進行が遅延する。
G2/Mにおける各化学種のダイナミクス
G2/M期におけるMPFの典型的な発現パターン
MPF
CycB/cdk1(MPF)の発現によりM期へ進行する。
チェックポイントの効果~G1/S
Standard protein level (-)
1.2
DNA damage無し
0.8
0.6
0.4
p53
0.2
0
1.2
Standard protein level (-)
CycE CycA
1
0
500
1000
1500
2000
p53
1
DNA damageが発生した場合、
DNA damage有り
0.8
CycEおよびCycAの発現が遅延する。
0.6
0.4
CycE
0.2
0
0
500
1000
Time (-)
p53が振動様のダイナミクスを示す。
CycA
1500
2000
チェックポイントの効果~G2/M
1.4
1.2
1.0
M期開始
0.8
0.6
Wee1
0.4
DNA damageが発生した場合、
p53
0.2
0.0
aMPF
0
1000
2000
3000
4000
1.4
MPFの発現が遅延する。
p53が振動様のダイナミクスを示す。
1.2
p53
1.0
0.8
0.6
aMPF
0.4
Wee1
0.2
0.0
0
1000
2000
3000
4000
細胞周期シミュレーション
G1期からS期への移行とG2期からM期への移行の
シミュレーションをWinBEST-Kitを用いて行う。
下記のアドレスにアクセスして、
WinBEST-Kit用のファイルをダウンロードしてください
http://www.brs.kyushu-u.ac.jp/~kazunari-i/coresemi/
g1s.bkw
g2m.bkw
coresemi_070621
G1/Sモデル
G2/Mモデル
今日の講義資料
リンクを右クリックして、“対象をファイルに保存”をクリック
G1/Sモデル
cycD
cycD
P
CDK4/6
DNA damage signal
cycD
cycD p21
P
CDK4/6
CDK4/6
p21
p53
p21
p27
p16
I
p27
Mdm2
P
P
cycD p27
P
cycA p27
P
CDK4/6
cycE p27
CDK2
CDK2
P
cycE
cycE
mdm2
cycE p21
CDK2
CDK2
P
CDK2
cycE
cycA p21
CDK2
CDK2
cycE
P
Rb
E2F
P
Rb
E2F
cycA
CDK2
P
rb
P
Rb
cycA
P
e2f
Rb
P
cycA
CDK2
P
E2F
X
cycA
Reversible flux
Irreversible flux
Activation
Inhibition
化学種28個、キネティックパラメータ77個から構成
G2/Mモデル
: Interaction
: Synthesis
: Degradation
: Flux
DNA Damage
(+)
(+)
(+)
ATR
(-)
p53
(+)
(+)
Chk1
(+)
Chk1P
(-)
(+)
I
Mdm2
(-)
(+)
(+)
aCdc25
aCdc25Ps216
(+)
14-3-3
(+)
(+)
iCdc25
iCdc25Ps216
iCdc25Ps216/14-3-3
(+)
p21
(+)
(+)
(+)
Wee1
(-)
preMPF
Wee1P
aMPF
(+)
(+)
p21/aMPF
化学種18個、キネティックパラメータ46個から構成
シミュレーション条件
G1/Sモデル
calculation time: 4000 secぐらい
“signal”の値を0.000、0.003、0.005に設定
主にCycE, CycA, p53のダイナミクスに注目
余裕のある人は、他の化学種のダイナミクスも見てください
G2/Mモデル
calculation time: 4000 secぐらい
“signal”の値を0.000、0.003、0.005に設定
主にMPF, Wee1, p53のダイナミクスに注目
余裕のある人は、他の化学種のダイナミクスも見てください
G1/Sシミュレーション
DNA damageなし
DNA damageあり
p53
CycE
p53
CycE
CycA
CycA
DNA damageが発生するとサイクリンEおよびAのピーク時間が遅延した。
→細胞周期の進行が一時的に停止した。
G2/Mシミュレーション
DNA damageなし
DNA damageあり
p53
MPF
Wee1
MPF
Wee1
p53
DNA damageが発生するとMPFのピーク時間が遅延した。
→細胞周期の進行が一時的に停止した。
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岩本一成