Точка рестрикции

Первоначально в 1950-х Теминым было показано, что клетки курицы достигают определённой точки, при прохождении которой они становятся обязанными реплицировать свою ДНК и более не нуждаются во внеклеточных сигналах для движения по клеточному циклу[1]. Через 20 лет спустя, в 1973 году, Артур Парди продемонстрировал, что в фазе G₁ есть только одна точка рестрикции. До этого открытия фаза G₁ определялась просто как временной промежуток между митозом и S-фазой. Долгое время не было известно никаких молекулярных и морфологических факторов, присущих только клеткам, находящимся в фазе G₁. Парди использовал метод двойной блокировки (англ. double block), в ходе которой он переводил клетки из состояния блокировки клеточного цикла, вызванной удалением питательных веществ и сыворотки, в другое состояние блокировки и сравнивал эффективность каждой блокировки в предотвращении наступления S-фазы. Он показал, что во всех случаях обе блокировки были одинаково эффективны, следовательно, они обе влияли на одну и ту же точку в фазе G₁, которую он назвал точкой рестрикции (R-точкой)[3].

В 1985 году Зеттерберг и Ларссон показали, что на всех стадиях клеточного цикла удаление сыворотки из среды приводит к подавлению синтеза белка. Только в постмитотических клетках (то есть клетках в ранней G₁-фазе) удаление сыворотки переводило клетки в состояние покоя (фазу G₀). Зеттерберг также показал, что практически все различия в длине клеточного цикла у разных клеток связаны с разной продолжительностью периода от точки рестрикции до S-фазы[4].

За исключением раннего эмбрионального развития, большая часть клеток организма находится в состоянии покоя, известном как фаза G₀. Такие клетки не пролиферируют и, как правило, находятся в терминально дифференцированном состоянии. Некоторые специализированные клетки продолжают делиться и во взрослом организме. Каждая клетка из обеих групп в своё время приняла решение: уйти в состояние покоя или продолжить движение по клеточному циклу. Это решение принимается клеткой до S-фазы в фазе G₁ в точке рестрикции и зависит от комбинации стимулирующих и подавляющих внешних сигналов, получаемых клеткой. До наступления точки рестрикции для движения клетки по фазе G₁ необходимы внешние стимуляторы; после прохождения точки рестрикции, однако, внешние стимуляторы уже не нужны, и клетка необратимо движется по клеточному циклу в направлении репликации ДНК. Дальнейшее продвижение регулируется внутриклеточными механизмами. Если удалить внеклеточные стимуляторы до наступления точки рестрикции, клетка может уйти в фазу покоя[2][1]. В этом случае клетки «откатываются назад» по клеточному циклу, и им потребуется дополнительное время, чтобы после прохождения точки рестрикции вступить в S-фазу[1].

Сигналы от внеклеточных факторов роста обрабатываются типичным образом. Фактор роста связывается с рецептором на поверхности клетки, и разнообразные каскады фосфорилирования приводят, в конечном счёте, к увеличению концентрации Ca²⁺ в цитозоле и фосфорилированию белков. Количество фосфопротеинов также регулируется фосфатазами. В конце концов происходит активация транскрипции нескольких генов-мишеней. До наступления точки рестрикции клетки нуждаются во внеклеточных факторах роста, кроме того, им необходимо достаточное для быстрого синтеза белка количество питательных веществ. Кроме того, требуется накопление циклина D[5].

Циклинзависимые киназы 4 и 6 (Cdk4 и Cdk6) связываются с циклином D, активируются Cdk-активирующими киназами и двигают клетку в направлении точки рестрикции. Циклин D, однако, имеет большую скорость кругооборота (время полураспада менее 25 минут). Именно из-за быстрого кругооборота циклина D клетки чрезвычайно чувствительны к митогенным сигналам, которые не только стимулируют образование циклина D в клетке, но и стабилизируют циклин D[5][6]. Таким образом, циклин D выступает в роли сенсора митогенных сигналов[6].

Активные комплексы циклина D и Cdk фосфорилируют белок ретинобластомы (pRb) в ядре. Нефосфорилированный pRb выступает ингибитором продвижения по фазе G₁, предотвращая транскрипцию, опосредуемую E2F. После фосфорилирования E2F стимулирует транскрипцию циклинов E и A[5][6][7]. Начинает накапливаться активный комплекс циклин E-Cdk, который и завершает фосфорилирование pRb[8].

Рак можно рассматривать как нарушение нормальной работы точки рестрикции, потому что клетки ошибочно постоянно вступают в новый клеточный цикл, не уходя в фазу покоя G₀[2]. Мутации в шагах клетки по клеточному циклу до точки рестрикции могут приводить к злокачественному перерождению. Наиболее часто такие мутации наблюдаются в генах, кодирующих Cdk и их ингибиторы (CKI). Слишком активные Cdk и слишком неактивные CKI снижают строгость прохождения точки рестрикции, позволяя клеткам избежать старения[7].

Точка рестрикции может быть важной для разработки новых противораковых препаратов. В нормальных физиологических условиях пролиферация всех клеток регулируется точкой рестрикции. Это обстоятельство можно использовать для защиты нераковых клеток от противораковой химиотерапии. Химиотерапевтические препараты обычно действуют на быстро пролиферирующие клетки. Используя препараты, блокирующие прохождение точки рестрикции, например, ингибиторы рецепторов факторов роста, можно предотвратить пролиферацию нормальных клеток и тем самым защитить их от пагубного действия химиотерапии[6].