§21. Клетъчен цикъл

За да може една клетка да се раздели напълно, тя трябва да се увеличи по размер и да създаде достатъчен брой органели. И за да не загуби наследствена информация, когато се раздели наполовина, тя трябва да направи копия на своите хромозоми. И накрая, за да разпредели наследствената информация строго равномерно между две дъщерни клетки, трябва да подреди хромозомите в правилния ред, преди да ги разпредели в дъщерните клетки. Всички тези важни задачи се изпълняват по време на клетъчния цикъл.

Клетъчният цикъл е важен, защото... демонстрира най-важното: способността за възпроизвеждане, растеж и диференциране. Обмяната също се случва, но не се взема предвид при изучаване на клетъчния цикъл.

Дефиниция на понятието

Клетъчен цикъл - Това е периодът на живот на клетката от раждането до образуването на дъщерни клетки.

В животинските клетки клетъчният цикъл, периодът от време между две деления (митози), продължава средно от 10 до 24 часа.

Клетъчният цикъл се състои от няколко периода (синоним: фази), които естествено се сменят един друг. Общо първите фази на клетъчния цикъл (G 1, G 0, S и G 2) се наричат интерфаза , а последната фаза се нарича .

Ориз. 1.Клетъчен цикъл.

Периоди (фази) на клетъчния цикъл

1. Периодът на първия растеж G1 (от английски Growth - растеж) е 30-40% от цикъла, а периодът на почивка G 0

Синоними: постмитотичен (настъпва след митоза) период, пресинтетичен (преминава преди синтеза на ДНК) период.

Клетъчният цикъл започва с раждането на клетка в резултат на митоза. След деленето дъщерните клетки намаляват по размер и имат по-малко органели от нормалното. Следователно „новородената“ малка клетка в първия период (фаза) на клетъчния цикъл (G 1) расте и се увеличава по размер, а също така образува липсващите органели. За всичко това има активен синтез на протеини. В резултат на това клетката става пълноценна, може да се каже, „възрастна“.

Как обикновено завършва периодът на растеж G1 за една клетка?

1. Влизането на клетката в процеса. Благодарение на диференциацията клетката придобива специални характеристики, за да изпълнява функциите, необходими за целия орган и организъм. Диференциацията се задейства от контролни вещества (хормони), действащи върху съответните молекулни рецептори на клетката. Клетка, която е завършила своята диференциация, отпада от цикъла на делене и влиза период на почивка G 0 . Излагането на активиращи вещества (митогени) е необходимо, за да претърпи дедиференциране и връщане към клетъчния цикъл.
2. Смърт (смърт) на клетката.
3. Навлизане в следващия период от клетъчния цикъл – синтетичен.

2. Синтетичен период S (от английски Synthesis - синтез), съставлява 30-50% от цикъла

Концепцията за синтез в името на този период се отнася до ДНК синтез (репликация) , а не към други процеси на синтез. След като достигне определен размер в резултат на преминаване през периода на първи растеж, клетката навлиза в синтетичния период или фаза S, в която се извършва синтеза на ДНК. Поради репликацията на ДНК клетката удвоява своя генетичен материал (хромозоми), т.к В ядрото се образува точно копие на всяка хромозома. Всяка хромозома става двойна и целият набор от хромозоми става двоен, или диплоиден . В резултат на това клетката вече е готова да раздели наследствения материал поравно между две дъщерни клетки, без да загуби нито един ген.

3. Периодът на втория растеж G 2 (от английски Growth - растеж), е 10-20% от цикъла

Синоними: премитотичен (минава преди митозата) период, постсинтетичен (настъпва след синтетичния) период.

Периодът G2 е подготвителен за следващото клетъчно делене. По време на втория период на растеж на G 2 клетката произвежда протеини, необходими за митозата, особено тубулин за вретеното; създава енергийни резерви под формата на АТФ; проверява дали репликацията на ДНК е завършена и се подготвя за разделяне.

4. Периодът на митотично деление M (от английски Mitosis - митоза), е 5-10% от цикъла

След деленето клетката навлиза в нова фаза G1 и клетъчният цикъл завършва.

Регулиране на клетъчния цикъл

На молекулярно ниво преходът от една фаза на цикъла към друга се регулира от два протеина - циклинИ циклин-зависима киназа(CDK).

За регулиране на клетъчния цикъл се използва процесът на обратимо фосфорилиране/дефосфорилиране на регулаторните протеини, т.е. добавяне на фосфати към тях, последвано от елиминиране. Ключовото вещество, регулиращо навлизането на клетката в митоза (т.е. нейния преход от фаза G 2 към фаза М), е специфична серин/треонин протеин киназа, което се нарича фактор на съзряване- FS, или MPF, от английски maturation promoting factor. В своята активна форма този протеинов ензим катализира фосфорилирането на много протеини, участващи в митозата. Това са например хистон Н1, който е част от хроматина, ламин (компонент на цитоскелета, разположен в ядрената мембрана), транскрипционни фактори, протеини на митотичното вретено, както и редица ензими. Фосфорилирането на тези протеини от фактора на съзряване MPF ги активира и инициира процеса на митоза. След завършване на митозата регулаторната субединица на PS, циклин, се маркира с убиквитин и претърпява разграждане (протеолиза). Сега идва ред протеинова фосфатаза, които дефосфорилират протеини, участвали в митозата, като по този начин ги прехвърлят в неактивно състояние. В резултат на това клетката се връща в интерфазно състояние.

PS (MPF) е хетеродимерен ензим, който включва регулаторна субединица, а именно циклин, и каталитична субединица, а именно циклин-зависима киназа CDK, известна също като p34cdc2; 34 kDa. Активната форма на този ензим е само димера CZK + циклин. В допълнение, активността на CZK се регулира чрез обратимо фосфорилиране на самия ензим. Циклините са получили това име, защото тяхната концентрация се променя циклично в съответствие с периодите на клетъчния цикъл, по-специално тя намалява преди началото на клетъчното делене.

Редица различни циклини и циклин-зависими кинази присъстват в клетките на гръбначните животни. Различни комбинации от две ензимни субединици регулират инициирането на митозата, началото на процеса на транскрипция във фазата G1, прехода на критичната точка след завършване на транскрипцията, началото на процеса на репликация на ДНК в S периода на интерфазата (начален преход ) и други ключови преходи на клетъчния цикъл (не са показани на диаграмата).
В ооцитите на жаба влизането в митоза (G2/M преход) се регулира чрез промяна на концентрацията на циклин. Циклинът се синтезира непрекъснато в интерфазата, докато се достигне максималната концентрация във фазата М, когато се стартира цялата каскада на протеиново фосфорилиране, катализирано от PS. До края на митозата циклинът бързо се разрушава от протеиназите, също активирани от PS. В други клетъчни системи активността на PS се регулира от различни степени на фосфорилиране на самия ензим.

Клетъчен цикъл

Клетъчният цикъл се състои от митоза (М фаза) и интерфаза. В интерфазата последователно се разграничават фазите G 1, S и G 2.

ЕТАПИ НА КЛЕТЪЧНИЯ ЦИКЪЛ

Интерфаза

Ж 1 следва телофазата на митозата. По време на тази фаза клетката синтезира РНК и протеини. Продължителността на фазата варира от няколко часа до няколко дни.

Ж 2 клетките могат да излязат от цикъла и са във фаза Ж 0 . Във фаза Ж 0 клетките започват да се диференцират.

С. По време на S фазата протеиновият синтез продължава в клетката, настъпва репликация на ДНК и центриолите се разделят. В повечето клетки S фазата продължава 8-12 часа.

Ж 2 . Във фазата G 2 синтезът на РНК и протеин продължава (например, синтезът на тубулин за микротубулите на митотичното вретено). Дъщерните центриоли достигат размера на окончателните органели. Тази фаза продължава 2-4 часа.

МИТОЗА

По време на митоза ядрото (кариокинеза) и цитоплазмата (цитокинеза) се разделят. Фази на митозата: профаза, прометафаза, метафаза, анафаза, телофаза.

Профаза. Всяка хромозома се състои от две сестрински хроматиди, свързани с центромера; Центриолите организират митотичното вретено. Двойка центриоли е част от митотичния център, от който радиално се простират микротубули. Първо, митотичните центрове са разположени близо до ядрената мембрана, след което се разминават и се образува биполярно митотично вретено. Този процес включва полюсни микротубули, които взаимодействат помежду си, докато се удължават.

центриол е част от центрозомата (центрозомата съдържа две центриоли и перицентриолен матрикс) и има формата на цилиндър с диаметър 15 nm и дължина 500 nm; стената на цилиндъра се състои от 9 триплета микротубули. В центрозомата центриолите са разположени под прав ъгъл една спрямо друга. По време на S фазата на клетъчния цикъл центриолите се дублират. При митоза двойки центриоли, всяка от които се състои от оригинална и новообразувана, се отклоняват към клетъчните полюси и участват в образуването на митотичното вретено.

Прометафаза. Ядрената обвивка се разпада на малки фрагменти. В центромерната област се появяват кинетохори, функциониращи като центрове за организиране на кинетохорни микротубули. Отпътуването на кинетохорите от всяка хромозома в двете посоки и тяхното взаимодействие с полюсните микротубули на митотичното вретено е причината за движението на хромозомите.

Метафаза. Хромозомите са разположени в екваторната област на вретеното. Образува се метафазна плоча, в която всяка хромозома се държи от чифт кинетохори и свързани кинетохорни микротубули, насочени към противоположните полюси на митотичното вретено.

Анафаза– дивергенция на дъщерните хромозоми към полюсите на митотичното вретено със скорост 1 µm/min.

Телофаза. Хроматидите се приближават до полюсите, кинетохорните микротубули изчезват, а полюсните продължават да се удължават. Оформя се ядрената обвивка и се появява ядрото.

Цитокинеза– разделяне на цитоплазмата на две отделни части. Процесът започва в късна анафаза или телофаза. Плазмалемата се прибира между двете дъщерни ядра в равнина, перпендикулярна на дългата ос на вретеното. Браздата на разцепване се задълбочава и между дъщерните клетки остава мост - остатъчно тяло. По-нататъшното разрушаване на тази структура води до пълно отделяне на дъщерните клетки.

Регулатори на клетъчното делене

Клетъчната пролиферация, която се осъществява чрез митоза, е строго регулирана от различни молекулярни сигнали. Координираната дейност на тези множество регулатори на клетъчния цикъл осигурява както прехода на клетките от фаза към фаза на клетъчния цикъл, така и точното изпълнение на събитията от всяка фаза. Основната причина за появата на пролиферативно неконтролирани клетки са мутациите в гените, кодиращи структурата на регулаторите на клетъчния цикъл. Регулаторите на клетъчния цикъл и митозата се делят на вътреклетъчни и междуклетъчни. Вътреклетъчните молекулярни сигнали са многобройни, сред тях, на първо място, трябва да се споменат самите регулатори на клетъчния цикъл (циклини, циклин-зависими протеин кинази, техните активатори и инхибитори) и туморни супресори.

МЕЙОЗА

По време на мейозата се образуват хаплоидни гамети.

Първо мейотично делене

Първото разделение на мейозата (профаза I, метафаза I, анафаза I и телофаза I) е редукция.

Профазаазпреминава последователно през няколко етапа (лептотен, зиготен, пахитен, диплотен, диакинеза).

лептотен –хроматинът кондензира, всяка хромозома се състои от две хроматиди, свързани с центромера.

Зиготена– хомоложните сдвоени хромозоми се приближават и влизат във физически контакт ( синапсис) под формата на синаптонемален комплекс, който осигурява конюгацията на хромозомите. На този етап две съседни двойки хромозоми образуват бивалент.

Пачитена– хромозомите се удебеляват поради спирализация. Отделни участъци от конюгирани хромозоми се пресичат един с друг и образуват хиазми. Случва се тук пресичане- обмен на участъци между бащините и майчините хомоложни хромозоми.

Диплотена– разделяне на конюгирани хромозоми във всяка двойка в резултат на надлъжно разделяне на синаптонемния комплекс. Хромозомите се разделят по цялата дължина на комплекса, с изключение на хиазмата. При двувалентните 4 хроматиди са ясно различими. Такъв двувалент се нарича тетрада. Размотаващи се места се появяват в хроматидите, където се синтезира РНК.

Диакинеза.Процесите на скъсяване на хромозомите и разделяне на хромозомни двойки продължават. Хиазмите се придвижват към краищата на хромозомите (терминализация). Ядрената мембрана се разрушава и ядрото изчезва. Появява се митотичното вретено.

Метафазааз. В метафаза I тетрадите образуват метафазната плоча. Като цяло, бащините и майчините хромозоми са произволно разпределени от едната или другата страна на екватора на митотичното вретено. Този модел на разпределение на хромозомите е в основата на втория закон на Мендел, който (заедно с кръстосването) осигурява генетични различия между индивидите.

Анафазаазсе различава от анафазата на митозата по това, че по време на митозата сестринските хроматиди се придвижват към полюсите. По време на тази фаза на мейозата непокътнатите хромозоми се придвижват към полюсите.

Телофазаазне се различава от телофазата на митозата. Образуват се ядра с 23 конюгирани (удвоени) хромозоми, възниква цитокинеза и се образуват дъщерни клетки.

Второ делене на мейозата.

Второто разделение на мейозата - еквационалното - протича по същия начин като митозата (профаза II, метафаза II, анафаза II и телофаза), но много по-бързо. Дъщерните клетки получават хаплоиден набор от хромозоми (22 автозоми и една полова хромозома).

Клетъчен цикъл е периодът от живота на клетката от едно делене до друго. Състои се от междуфазови и разделителни периоди. Продължителността на клетъчния цикъл варира в различните организми (за бактериите - 20-30 минути, за еукариотните клетки - 10-80 часа).

Интерфаза

Интерфаза (от лат. интер- между, фази– възникване) е периодът между деленията на клетката или от деленето до нейната смърт. Периодът от деленето на клетката до нейната смърт е характерен за клетките на многоклетъчния организъм, които след делене са загубили способността си за това (еритроцити, нервни клетки и др.). Интерфазата заема приблизително 90% от клетъчния цикъл.

Интерфазата включва:

1) пресинтетичен период (G 1) – започват интензивни процеси на биосинтеза, клетката расте и се увеличава. Именно през този период клетките на многоклетъчните организми, които са загубили способността си да се делят, остават до смъртта;

2) синтетичен (S) – ДНК и хромозомите се удвояват (клетката става тетраплоидна), центриолите, ако има такива, се удвояват;

3) постсинтетичен (G 2) – основно синтезните процеси в клетката спират, клетката се подготвя за делене.

Настъпва клетъчно делене директен(амитоза) и непряк(митоза, мейоза).

Амитоза

Амитоза – директно клетъчно делене, при което не се образува апарат за делене. Ядрото се дели поради пръстеновидното стеснение. Няма равномерно разпределение на генетичната информация. В природата макронуклеусите (големите ядра) на ресничките и плацентарните клетки при бозайниците се разделят чрез амитоза. Раковите клетки могат да се делят чрез амитоза.

Непрякото делене е свързано с образуването на апарат за делене. Апаратът за разделяне включва компоненти, които осигуряват равномерно разпределение на хромозомите между клетките (вретено на делене, центромери и, ако има такива, центриоли). Клетъчното делене може да бъде разделено на ядрено делене ( митоза) и цитоплазмено деление ( цитокинеза). Последното започва към края на ядреното делене. Най-често срещаните в природата са митозата и мейозата. Понякога се появява ендомитоза- непряко делене, което се случва в ядрото без разрушаване на обвивката му.

Митоза

Митоза е индиректно клетъчно делене, при което две дъщерни клетки с идентичен набор от генетична информация се образуват от майчината клетка.

Фази на митозата:

1) профаза – настъпва уплътняване на хроматина (кондензация), хроматидите се спирали и се скъсяват (стават видими в светлинен микроскоп), нуклеолите и ядрената мембрана изчезват, образува се вретено, чиито нишки са прикрепени към центромерите на хромозомите, центриолите се разделят и се отклоняват към полюсите на клетката;

2) метафаза – хромозомите са максимално спирализирани и разположени по протежение на екватора (в екваториалната плоча), хомоложните хромозоми лежат наблизо;

3) анафаза – нишките на вретеното се свиват едновременно и разтягат хромозомите към полюсите (хромозомите стават монохроматидни), най-кратката фаза на митозата;

4) телофаза – образуват се деспирални хромозоми, нуклеоли и ядрена мембрана, започва разделянето на цитоплазмата.

Митозата е характерна предимно за соматичните клетки. Митозата поддържа постоянен брой хромозоми. Помага за увеличаване на броя на клетките, поради което се наблюдава по време на растеж, регенерация и вегетативно размножаване.

Мейоза

Мейоза (от гръцки мейоза- редукция) е непряко редукционно клетъчно делене, при което от майчината клетка се образуват четири дъщерни клетки, притежаващи неидентична генетична информация.

Има две части: мейоза I и мейоза II. Интерфаза I е подобна на интерфазата преди митозата. В постсинтетичния период на интерфазата процесите на протеинов синтез не спират и продължават в профазата на първото деление.

Мейоза I:

– профаза I – хромозомите спираловидно, ядрото и ядрената обвивка изчезват, образува се вретено, хомоложните хромозоми се доближават и се слепват заедно по сестринските хроматиди (като светкавица в замък) – възниква спрежение, като по този начин се образува тетради, или двувалентни, образува се кръстосване на хромозоми и обмен на секции - пресичане, тогава хомоложните хромозоми се отблъскват една друга, но остават свързани в областите, където е извършено кръстосването; процесите на синтез са завършени;

– метафаза I – хромозомите са разположени по екватора, хомоложни – бихроматидните хромозоми са разположени една срещу друга от двете страни на екватора;

– анафаза I – нишките на вретеното едновременно се свиват и разтягат по една хомоложна бихроматидна хромозома към полюсите;

– телофаза I (ако има) - хромозомите са деспирални, образуват се ядро ​​и ядрена мембрана, цитоплазмата е разпределена (образуваните клетки са хаплоидни).

Интерфаза II(ако е налице): не се получава дублиране на ДНК.

Мейоза II:

– профаза II – хромозомите стават по-плътни, ядрото и ядрената мембрана изчезват, образува се вретено на делене;

– метафаза II – хромозомите са разположени по екватора;

– анафаза II – хромозомите, с едновременно свиване на нишките на вретеното, се отклоняват към полюсите;

– телофаза II – хромозомите се деспирират, образуват се ядро ​​и ядрена мембрана и цитоплазмата се дели.

Мейозата възниква преди образуването на зародишни клетки. Позволява сливането на зародишните клетки за поддържане на постоянен брой хромозоми на вида (кариотип). Осигурява комбинирана изменчивост.

ГОУВПО

"ВОРОНЕЖКИ ДЪРЖАВЕН ТЕХНИЧЕСКИ УНИВЕРСИТЕТ"

ОТДЕЛЕНИЕ ЗА СИСТЕМЕН АНАЛИЗ И УПРАВЛЕНИЕ В МЕДИЦИНСКИТЕ СИСТЕМИ

РЕЗЮМЕ

ДИСЦИПЛИНА: „Биология на човека и животните”

ПО ТЕМАТА: „Митотичен цикъл. Клетъчен цикъл, фази M, G1, S, G2, авто- и хетеросинтетични клетъчни функции"

Изпълнено от: 1-ва година студент от група BM-101 Tonkih M.A.

Проверява: професор, д.м.н. Наука Л. Б. Дмитренко

ВОРОНЕЖ 2010г

Клетъчен цикъл: преглед

Повтарящият се набор от събития, които осигуряват деленето на еукариотните клетки, се нарича клетъчен цикъл. Продължителността на клетъчния цикъл зависи от вида на делящите се клетки. Някои клетки, като човешките неврони, спират напълно да се делят след достигане на етапа на крайна диференциация. Клетките на белите дробове, бъбреците или черния дроб в тялото на възрастен започват да се делят само в отговор на увреждане на съответните органи. Епителните клетки на червата се делят през целия живот на човека. Дори в бързо размножаващите се клетки подготовката за делене отнема около 24 часа, разделен на етапи: Митоза - М-фаза, делене на клетъчното ядро. G1 фаза е периодът преди синтеза на ДНК. S-фазата е периодът на синтез (репликация на ДНК). G2 фаза е периодът между синтеза на ДНК и митозата. Интерфазата е период, който включва G1, S и G2 фази. Цитокинезата е разделянето на цитоплазмата. Рестрикционна точка, R-точка - времето в клетъчния цикъл, когато прогресът на клетката към делене става необратим. G0 фаза е състоянието на клетките, които са достигнали монослой или са лишени от растежни фактори в ранната G1 фаза.

митозумейоза) се предшества от удвояване на хромозомите, което се случва в S периода на клетъчния цикъл. Периодът се обозначава с първата буква на думата синтез - ДНК синтез. От края на периода S до края на метафазата ядрото съдържа четири пъти повече ДНК от ядрото на сперматозоид или яйцеклетка и всяка хромозома се състои от две идентични сестрински хроматиди.

По време на митозата хромозомите се кондензират и в края на профазата или началото на метафазата стават видими под оптична микроскопия. За цитогенетичен анализ обикновено се използват препарати от метафазни хромозоми.

Първо анафазна центромера на хомоложни хромозомиса изключени и хроматидисе отклоняват към противоположните полюси на митотичното вретено. След като пълните комплекти хроматиди се преместят към полюсите (отсега нататък те се наричат ​​хромозоми), около всеки от тях се образува ядрена мембрана, образуваща ядрата на две дъщерни клетки (разрушаването на ядрената мембрана на майчината клетка е настъпило при край профаза). Влизат дъщерни клетки период G1, и едва като се подготвят за следващото делене те навлизат в S период и в тях настъпва репликация на ДНК.

Клетки със специализирани функции, които не навлизат в митоза дълго време или като цяло са загубили способността си да се делят, са в състояние, т.нар. период G0 .

Повечето клетки в тялото са диплоидни – тоест имат две хаплоиден набор от хромозоми(хаплоидният набор е броят на хромозомите в гаметите; при хората е 23 хромозоми и диплоиден набор от хромозоми - 46).

В половите жлези предшествениците на зародишните клетки първо претърпяват серия от митотични деления и след това влизат в мейоза, процес на образуване на гамети, състоящ се от две последователни деления. При мейозата хомоложните хромозоми се сдвояват (1-ва хромозома на бащата с 1-ва хромозома на майката и т.н.), след което в т.нар. пресичаненастъпва рекомбинация, т.е. обмен на участъци между бащините и майчините хромозоми. В резултат на това генетичният състав на всяка хромозома се променя качествено.

В първа дивизия мейозаХомоложни хромозоми (а не сестрински хроматиди, както в митоза), което води до образуването на клетки с хаплоиден набор от хромозоми, всяка от които съдържа 22 удвоени автозомии една удвоена полова хромозома.

Няма период S между първото и второто разделение на мейозата ( ориз. 66.2, вдясно), а сестринските хроматиди се разделят на дъщерни клетки във второто деление. В резултат на това се образуват клетки с хаплоиден набор от хромозоми, в които има наполовина по-малко ДНК, отколкото в диплоидните соматични клетки в периода G1, и 4 пъти по-малко, отколкото в соматичните клетки в края на периода S.

По време на оплождането броят на хромозомите и съдържанието на ДНК в зиготата става същото като в соматичната клетка в периода G1.

S периодът в зиготата отваря пътя към редовното делене, характерно за соматичните клетки.

Клетъчен цикъл: фази

Еукариотният клетъчен цикъл е разделен на четири фази. На етапа на директно клетъчно делене (митоза) кондензираните метафазни хромозоми са равномерно разпределени между дъщерните клетки ( М фаза на клетъчния цикъл - митоза). Митозата е първата идентифицирана фаза на клетъчния цикъл и всички други събития, настъпващи в клетката между две митози, се наричат интерфаза. Развитието на изследванията на молекулярно ниво направи възможно идентифицирането на етап от синтеза на ДНК в интерфазата, т.нар. S-фаза (синтез). Тези два ключови етапа на клетъчния цикъл не преминават директно един в друг. След края на митозата, преди да започне синтеза на ДНК, G1 фаза на клетъчния цикъл (пролука), очевидна пауза в клетъчната активност, по време на която вътреклетъчните синтетични процеси подготвят репликацията на генетичен материал.

Второ прекъсване на видимата активност ( фаза G2) се наблюдава след края на синтеза на ДНК преди началото на митозата. Във фазата G2 клетката следи точността на настъпилата репликация на ДНК и коригира откритите повреди. В някои случаи се разграничава петата фаза на клетъчния цикъл ( G0), когато след завършване на деленето клетката не навлиза в следващия клетъчен цикъл и остава латентна за дълго време. Той може да бъде изведен от това състояние чрез външни стимулиращи (митогенни) влияния.

Фазите на клетъчния цикъл нямат ясни времеви и функционални граници, но по време на прехода от една фаза към друга се извършва организирано превключване на синтетични процеси, което позволява тези вътреклетъчни събития да бъдат диференцирани на молекулярно ниво.

Циклини и циклин-зависими кинази

Клетките влизат в клетъчния цикъл и синтезират ДНК в отговор на външни митогенни стимули. Лимфокини(Например, интерлевкини), цитокини(в частност интерферони) и полипептидни растежни фактори, взаимодействайки с техните рецептори на клетъчната повърхност, индуцират каскада от реакции на фосфорилиране на вътреклетъчни протеини, придружени от предаване на сигнал от клетъчната повърхност към ядрото и индуциране на транскрипция на съответните гени. Сред първите, които се активират, са гените, кодиращи циклинови протеини, които получават името си от факта, че тяхната вътреклетъчна концентрация се променя периодично, докато клетките преминават през клетъчния цикъл, достигайки максимум на определени етапи. Циклините са специфични активатори на семейството циклин-зависими протеин кинази (CDK) (CDK - циклин-зависими кинази) са ключови участници в индуцирането на транскрипция на гени, които контролират клетъчния цикъл. Активирането на отделна CDK става след нейното взаимодействие със специфичен циклин и образуването на този комплекс става възможно след като циклинът достигне критична концентрация. В отговор на намаляване на вътреклетъчната концентрация на определен циклин, съответният CDK се инактивира обратимо. Някои CDK се активират от повече от един циклин. В този случай група циклини, сякаш прехвърляйки протеин кинази един към друг, ги поддържа в активирано състояние за дълго време. Такива вълни на активиране на CDK възникват по време на G1 и S фазите на клетъчния цикъл.

Циклини: обща информация

Всеки тип циклин, означен от A до H, има хомоложен регион (150 аминокиселинни остатъка, наречени " циклинова кутия". Този регион е отговорен за свързването към CDK. Има 14 известни протеина в семейството на циклините (циклин А - циклин J). Някои членове на семейството образуват подсемейства. Например, подсемейството циклини от D-тип се състои от три члена: D1, D2 и D3 са разделени на две подсемейства: G1-циклини (° С , дИ д) И митотични циклини (АИ б).

Циклините са бързо обменящи се протеини с кратък полуживот, който е 15-20 минути за D-тип циклини. Това гарантира динамичността на техните комплекси с циклин-зависими кинази. N-терминалната последователност от аминокиселинни остатъци, наречена кутия за унищожаване. Тъй като клетките преминават през клетъчния цикъл, след активирането на индивида CDKте се инактивират при необходимост. В последния случай се извършва протеолитично разграждане на циклина, който е в комплекс с CDK, което започва с кутия за разрушаване.

Самите циклини не могат да активират напълно съответните CDK. За да завърши процесът на активиране, трябва да настъпи специфично фосфорилиране и дефосфорилиране на определени аминокиселинни остатъци в полипептидните вериги на тези протеин кинази. Повечето от тези реакции се извършват CDK активираща киназа (CAK), което е комплекс CDK7с циклин H. По този начин, CDKs стават способни да изпълняват функциите си в клетъчния цикъл само след тяхното взаимодействие със съответните циклини и пост-транслационни модификации под влиянието на CAK и други подобни регулаторни протеини на клетъчния цикъл.

Деление на еукариотни клетки: начало

В отговор на митогенен стимул, клетка в фаза G0или рано G1, започва преминаването си през клетъчния цикъл. В резултат на индукция на експресия циклин D гениИ д, които обикновено са групирани циклини G1, нараства вътреклетъчната им концентрация. Циклини D1 , D2И D3образуват комплекс с кинази CDK4И CDK6. За разлика от циклин D1, последните два циклина също се комбинират с CDK2. Функционалните разлики между тези три циклина са неизвестни, но наличните данни показват, че те достигат критични концентрации на различни етапи от развитието на G1 фазата. Тези разлики са специфични за вида на пролифериращите клетки.

Активирането на CDK2/4/6 води до фосфорилиране катерица РБ(продукт ген за ретинобластом pRb) и свързани протеини стр. 107И стр. 130. В началото на фаза G1 pRb протеинслабо фосфорилиран, което му позволява да бъде в комплекс с транскрипционен фактор E2F, който играе ключова роля в индуцирането на синтеза на ДНК, и блокират неговата активност. Напълно фосфорилираната форма на pRb освобождава E2F от комплекса, което води до транскрипционно активиране на гени, които контролират репликацията на ДНК.

Концентрацията на D-циклини се увеличава по време на G1 фазата на клетъчния цикъл и достига максималните си стойности непосредствено преди началото на S-фаза, след което започва да намалява. Въпреки това, по това време pRb все още не е напълно фосфорилиран и E2F факторът остава в комплекса в неактивно състояние. Фосфорилирането на pRb се завършва чрез активиране на CDK2 циклин Е. Вътреклетъчната концентрация на последния става максимална в момента на прехода на клетъчния цикъл от G1 фаза към S фаза. По този начин комплексът циклин E-CDK2 поема от комплексите циклин D с CDK4 и CDK6 и завършва фосфорилирането на pRb, придружено от освобождаването на активния транскрипционен фактор E2F. В резултат на това започва синтеза на ДНК, тоест клетката навлиза в S-фазата на клетъчния цикъл.

S фаза на клетъчния цикъл: ДНК синтез

Период интерфазакогато настъпва репликация на ДНК на клетъчното ядро, се нарича "S фаза"

Клетъчното делене (митоза или мейоза) се предшества от дублиране на хромозоми, което се случва в S периода на клетъчния цикъл ( ориз. 66.2). Периодът се обозначава с първата буква на думата синтез - ДНК синтез.

След като клетката навлезе в S фаза, настъпва бързо разграждане циклин Еи активиране CDK2 циклин А. Циклин Е започва да се синтезира в края фаза G1и взаимодействието му с CDK2 е необходимо условие клетката да влезе в S фаза и да продължи синтеза на ДНК. Този комплекс активира синтеза на ДНК чрез фосфорилиране на протеини в началото на репликацията. Сигнал за край на S-фазата и преминаване на клетката към фаза G2е активиране на друга киназа от циклин А CDK1с едновременно спиране на активирането на CDK2. Забавяне между края на синтеза на ДНК и началото митоза(G2 фаза) се използва от клетката за контролиране на пълнотата и точността на възникналата хромозомна репликация. Последователността на събитията през този период не е точно известна.

При стимулиране растежни факториклетки от бозайници, намерени в състояние на пролиферативна латентност , циклини D-тип се появяват по-рано от циклин Е. иРНК и протеин циклин D1за първи път се появяват след 6-8 часа, след което нивата на D1 остават повишени до края на клетъчния цикъл ( Matsushime H. et al., 1991 ; Спечели K.A. и др., 1992).

Когато растежните фактори се отстранят от средата, нивото на D-тип циклини спада бързо, тъй като D-циклините и тяхната РНК са нестабилни.

Циклин D1свързани с CDK4непосредствено преди да започне синтеза на ДНК. Нивото на комплексните пикове в ранната S фаза, преди да намалее в късната S и G2 фаза (Matsushime H. et al., 1992).

Очевидно циклини D2И D3действат в периода G1 малко по-късно от циклин D1.

Свръхекспресията на D-тип циклини (пет пъти по отношение на нормалното) с намаляване на клетъчното търсене на растежни фактори и скъсяване на G1 фазата води до намаляване на размера на клетката. Циклин Енеобходими за влизане на клетките S-фаза. Асоциира се предимно с CDK2, въпреки че може да образува комплекс с CDK1 .

Нивата на иРНК и протеини на циклин Е, както и активността на комплекса циклин Е-CDK2 достигат пик по време на прехода G1-Sи намалява рязко, когато клетките преминават през средна и късна S фаза.

Когато антителата срещу циклин Е се инжектират микроинжектирано в клетки на бозайник, синтезът на ДНК се потиска.

Когато циклин Е е свръхекспресиран, клетките преминават през G1 фазата по-бързо и навлизат в S фаза и такива клетки изискват по-малко растежни фактори.

Митоза: започване

Сигналът за започване на клетъчното делене (митоза) идва от MPF фактор (фактор, насърчаващ фазата на М), стимулирайки М фазата на клетъчния цикъл. MPF е киназен комплекс CDK1с активирането му циклини Аили б. Очевидно комплексът CDK1-циклин А играе по-важна роля в завършването на S фазата и подготовката на клетката за делене, докато комплексът CDK1-циклин В основно упражнява контрол на последователността.

Циклини В1И B2присъства в много ниски концентрации в фаза G1. Концентрацията им започва да нараства към края С-и навсякъде G2 фази, достигайки своя максимум по време на митозата, което води до тяхното заместване циклин Ав комбинация с CDK1. Това обаче не е достатъчно за пълното активиране на протеин киназата. Функционалната компетентност на CDK1 се постига след серия от фосфорилиране и дефосфорилиране на специфични аминокиселинни остатъци. Такъв контрол е необходим, за да се предотврати навлизането на клетките в митоза, докато синтезът на ДНК не завърши.

Клетъчното делене започва едва след като CDK1, който е в комплекс с циклин В, е фосфорилиран в остатъци Thr-14 и Tyr-16 протеин киназа WEE1, както и при остатък Thr-161 протеин киназа CAKи след това дефосфорилиран при остатъци Thr-14 и Tyr-15 фосфатаза CDC25. Активиран по този начин, CDK1 фосфорилира структурни протеини в ядрото, в т.ч. нуклеолин , ядрени ламиниИ виментин. След това ядрото започва да преминава през цитологично ясно различими етапи на митоза.

Първият етап на митозата е профаза- започва след CDK1е напълно фосфорилиран, последван от метафаза , анафазаИ телофазазавършва с клетъчно делене - цитокинеза. Последицата от тези процеси е правилното разпределение на репликирани хромозоми, ядрени и цитоплазмени протеини, както и други съединения с високо и ниско молекулно тегло в дъщерните клетки. След завършване на цитокинезата настъпва разрушаване циклин Б, придружено от инактивиране на CDK1, което води до навлизане на клетката в фаза G1или G0клетъчен цикъл.

G0 фаза на клетъчния цикъл

Някои видове клетки на определени етапи на диференциация могат да спрат да се делят, като напълно поддържат своята жизнеспособност. Това състояние на клетките се нарича G0 фаза. Клетките, които са достигнали състояние на крайна диференциация, вече не могат да излязат от тази фаза. В същото време клетки, които имат изключително ниска способност за делене, като хепатоцитите, могат да влязат отново в клетъчния цикъл след отстраняване на част от черния дроб.

Преходът на клетките в състояние на покой става възможен поради функционирането на високо специфични инхибитори на клетъчния цикъл. С участието на тези протеини клетките могат да спрат пролиферацията при неблагоприятни условия на околната среда, когато ДНК е повредена или възникнат груби грешки в нейната репликация. Такива паузи се използват от клетките за възстановяване на настъпили щети.

При определени външни условия клетъчният цикъл може да спре ограничителни точки. В тези точки клетките се ангажират да навлязат в S фаза и/или митоза.

Гръбначни клетки в стандартна културална среда, лишена от серум, В повечето случаи не влизайте в S-фаза, въпреки че средата съдържа всички необходими хранителни вещества.

При достигане на затворен монослой клетките, способни на контактно спиране, излизат от клетъчния цикъл дори при наличие кръвен серум. Клетки, които са напуснали митотичния цикъл за неопределен период от време, поддържайки жизнеспособност и пролиферативен потенциал, се наричат ​​клетки в покой. Това се нарича преход към състояние на пролиферативна почивка или G0 фаза.

През 90-те години Дискусиите продължиха дали състоянието на пролиферативна латентност може да се определи като фаза, фундаментално различна от G1. Явно това наистина е така.

В ядрата на клетките, които са в пролиферативен покой, както и в клетките, които са в G1 фаза, като правило, съдържа неудвоено количество ДНК. Съществуват обаче значителни разлики между клетките в тези две състояния. Известно е, че продължителността на фазата G1 в делящите се клетки е значително по-кратка от времето на прехода G0-S. Многобройни изследвания върху сливането на неподвижни и пролифериращи клетки и върху микроинжектирането на иРНК показват, че клетките във фазата G0 съдържат инхибитори на пролиферацията, предотвратявайки влизането в S-фазата.

Тези факти предполагат, че клетката трябва да изпълни специална програма, за да излезе от G0. Трябва също да се отбележи, че те не се експресират в клетки в покой. CDK2И CDK4, и циклини D- И Е-типове. Техният синтез се индуцира само от растежни фактори ( Lodish H. et al., 1995). IN постоянно циклични клеткинивото на D- и E-циклините остава високо през целия цикъл, а продължителността на периода G1 намалява в сравнение с предрепликативния период.

По този начин в клетките във фазата G0 няма протеини, които да позволяват преминаване през рестрикционни точки и да позволяват влизане в S фазата. За прехода на почиващите клетки към S-фаза растежни факторитрябва да индуцира синтеза на тези протеини в тях.

Клетъчен цикъл: инхибитори

Има два основни етапа в клетъчния цикъл (точки на преход, контролни точки R - ограничителни точки), върху които могат да бъдат внедрени отрицателни регулаторни въздействия, спирайки движението на клетките през клетъчния цикъл. Единият от тези етапи контролира прехода на клетката към синтеза на ДНК, а другият контролира началото на митозата. Има и други регулирани етапи от клетъчния цикъл.

Преходът на клетките от една фаза на клетъчния цикъл към друга се контролира на нивото на активиране CDKтехен циклинис инхибитори на циклин-зависими кинази CKI. Ако е необходимо, тези инхибитори могат да бъдат активирани и да блокират взаимодействието на CDK с техните циклини и следователно самия клетъчен цикъл. След промяна на външните или вътрешните условия клетката може да продължи да се размножава или да влезе в пътя апоптоза .

Има две CKI групи: p21 семейство протеиниИ INK4 (инхибитор на CDK4), чиито членове в семействата имат сходни структурни свойства. Семейството инхибитори на p21 включва три протеина: стр.21 , стр. 27И стр. 57. Тъй като тези протеини са описани независимо от няколко групи, техните алтернативни имена все още се използват. По този начин протеинът p21 е известен също под имената WAF1 (див тип p53 активиран фрагмент 1), CIP1 (CDK2 взаимодействащ протеин 1), SDI1 (инхибитор 1, получен от стареене) и mda-6 (ген, свързан с диференциация на меланома). Синоними за p27 и p57 са съответно KIP1 (протеини, инхибиращи киназа 1) и KIP2 (протеини, инхибиращи киназа 2). Всички тези протеини имат широка специфичност на действие и могат да инхибират различни CDK .

Обратно, INK4 инхибиторната група е по-специфична. Съдържа четири протеина: p15INK4B , p16INK4A , p18INK4CИ p19INK4D. Инхибиторите от семейството на INK4 функционират по време на фазата G1клетъчен цикъл, инхибиране на активността CDK4 киназа, обаче второто протеинов продукт на гена INK4A - p19ARF, взаимодейства с регулаторен фактор MDM2 протеин p53и инактивира фактора. Това е придружено от повишена стабилност p53 протеини спрете

Клетъчен цикъл: регулиране на прехода от G1- към S-фаза

Преди началото на клетъчния цикъл p27 протеин, като е във висока концентрация, предотвратява активирането протеин киназа CDK4или CDK6 циклини D1 , D2или D3. При такива условия клетката остава вътре фаза G0или ранна G1 фазапреди получаване на митогенния стимул. След адекватна стимулация концентрацията на инхибитора на р27 намалява на фона на увеличаване на вътреклетъчното съдържание на циклини D. Това е придружено от активиране на CDK и в крайна сметка фосфорилиране pRb протеин, освобождаването на асоциираните транскрипционен фактор E2Fи активиране на транскрипцията на съответните гени.

По време на тези ранни етапи от G1 фазата на клетъчния цикъл, концентрацията на p27 протеин е все още доста висока. Следователно, след прекратяване на митогенната стимулация на клетките, съдържанието на този протеин бързо се възстановява до критично ниво и по-нататъшното преминаване на клетките през клетъчния цикъл се блокира на съответния етап G1. Тази обратимост е възможна докато G1 фазата в своето развитие достигне определен етап т.нар преходна точка, след което клетката се ангажира с делене и отстраняването на растежните фактори от околната среда не е придружено от инхибиране на клетъчния цикъл. Въпреки че от този момент нататък клетките стават независими от външни сигнали за делене, те запазват способността си да контролират самостоятелно клетъчния цикъл.

INK4 семейство CDK инхибитори (стр.15 , стр.16 , стр. 18И стр. 19) конкретно взаимодействат с CDK4 киназиИ CDK6. Протеините p15 и p16 са идентифицирани като туморни супресори и техният синтез е регулиран pRb протеин. И четирите протеина блокират активирането на CDK4 и CDK6, или чрез отслабване на тяхното взаимодействие с циклини, или чрез изместването им от комплекса. Въпреки че и двата протеина p16 и p27 имат способността да инхибират активността на CDK4 и CDK6, първият има по-голям афинитет към тези протеин кинази. Ако концентрацията на р16 се повиши до ниво, при което напълно инхибира активността на CDK4/6 киназите, протеинът р27 става основният инхибитор CDK2 киназа .

В началото на клетъчния цикъл здравите клетки могат да разпознаят и реагират на увреждане на ДНК чрез спиране на прогресията на клетъчния цикъл във фазата G1, докато увреждането бъде поправено. Например, в отговор на увреждане на ДНК, причинено от ултравиолетова светлина или йонизиращо лъчение, p53 протеининдуцира транскрипция p21 протеинов ген. Увеличаването на неговата вътреклетъчна концентрация блокира активирането на CDK2 циклини Еили А. Това спира клетките в късната G1 фаза или ранната S фаза на клетъчния цикъл. По това време самата клетка определя бъдещата си съдба - ако повредата не може да бъде отстранена, тя влиза в апоптоза .

Има две различно насочени регулаторни системи G1/S- преход: положителен и отрицателен.

Системата, положително регулираща влизането в S-фаза, включва хетеродимер E2F-1/DP-1и активирането му циклин киназни комплекси .

Друга система възпрепятства влизането в S-фазата. Той е представен от туморни супресори стр.53И pRB, които потискат активността на E2F-1/DP-1 хетеродимери.

Нормалната клетъчна пролиферация зависи от точния баланс между тези системи. Връзката между тези системи може да се промени, което води до промени в скоростта на клетъчна пролиферация.

Клетъчен цикъл: регулиране на прехода от G2 към M фаза

Отговорът на клетката на увреждане на ДНК може да се появи преди митоза. Тогава p53 протеининдуцира синтеза на инхибитори стр.21, което предотвратява активирането

CDK1 киназа циклин Ви забавя по-нататъшното развитие на клетъчния цикъл. Преминаването на клетката през митозата е строго контролирано - следващите етапи не започват без пълното завършване на предишните. Някои от инхибиторите са идентифицирани в дрожди, но животинските им хомолози остават неизвестни. Например описано дрождени протеини BUB1 (пъпкуване, неинхибирано от беномил)И MAD2 (дефицит на митотичен арест), които контролират прикрепването на кондензирани хромозоми към митотичното вретено в метафаза на митозата. Преди да завърши правилното сглобяване на тези комплекси, протеинът MAD2 образува комплекс с протеин киназа CDC20и го инактивира. CDC20, след активиране, фосфорилира протеини и в резултат на това блокира тези от техните функции, които предотвратяват разминаването на всеки от двата хомоложни хроматида по време на цитокинеза .

Заключение

Експерименти с температурно-зависими мутанти на дрожди и клетъчни линии на бозайници показват, че появата на митоза се определя от активирането на определени гени и синтеза на специфична РНК и протеин. Понякога митозата се счита само за ядрено делене (кариокинеза), което не винаги е придружено от цитотомия - образуването на две части. клетки.
Така в резултат на митозата една клетка се превръща в две, всяка от които има броя и формата на хромозомите, характерни за даден тип организъм, и следователно постоянно количество ДНК.
Биологичното значение на митозата е, че тя осигурява постоянството на броя на хромозомите във всички клетки на тялото. По време на процеса на митоза, ДНК на хромозомите на майчината клетка се разпределя строго поравно между двете дъщерни клетки, произтичащи от нея. В резултат на митозата всички клетки на тялото, с изключение на половите, получават еднаква генетична информация. Такива клетки се наричат ​​соматични (от гръцки "сома" - тяло). цикъл). Клетъчен цикъл- това е периодът... Митотичен цикълвключва митоза, както и период на почивка (G0), постмитотичен ( G1), синтетични (S) и премитотични ( G2... . Постмитотичен период ( G1). Фаза G1- това е основното...

Тъй като е във висока концентрация, той предотвратява активирането на протеин кинази CDK4 или CDK6 от циклини D1 или. При тези условия клетката остава във фаза G0 или ранна фаза G1, докато не получи митогенен стимул. След адекватна стимулация концентрацията на инхибитора p27 намалява на фона на увеличаване на вътреклетъчното съдържание на циклини D. Това е придружено от активиране на CDK и в крайна сметка фосфорилиране на pRb протеина, освобождаване на свързания транскрипционен фактор E2F и активиране на транскрипцията на съответните гени.

По време на тези ранни етапи от G1 фазата на клетъчния цикъл, концентрацията на p27 протеин е все още доста висока. Следователно, след прекратяване на митогенната стимулация на клетките, съдържанието на този протеин бързо се възстановява до критично ниво и по-нататъшното преминаване на клетките през клетъчния цикъл се блокира на съответния етап G1. Тази обратимост е възможна, докато G1 фазата в своето развитие достигне определен етап, наречен преходна точка, след което клетката се ангажира с делене и отстраняването на растежните фактори от околната среда не е придружено от инхибиране на клетъчния цикъл. Въпреки че от този момент нататък клетките стават независими от външни сигнали за делене, те запазват способността си да контролират самостоятелно клетъчния цикъл.

В началото на клетъчния цикъл здравите клетки могат да разпознаят и реагират на увреждане на ДНК чрез спиране на прогресията на клетъчния цикъл във фазата G1, докато увреждането бъде поправено. Например, в отговор на увреждане на ДНК, причинено от ултравиолетова светлина или йонизиращо лъчение, протеинът p53 индуцира транскрипция на гена на протеина p21. Увеличаването на вътреклетъчната му концентрация блокира активирането на CDK2 от циклини Е или . Това спира клетките в късната G1 фаза или ранната S фаза на клетъчния цикъл. По това време самата клетка определя бъдещата си съдба - ако повредата не може да бъде отстранена, тя влиза в