§21. Cellecyklus

For at en celle kan dele sig fuldt ud, skal den øges i størrelse og skabe et tilstrækkeligt antal organeller. Og for ikke at miste arvelig information, når den deles i to, skal hun lave kopier af sine kromosomer. Og endelig, for at fordele arvelig information strengt ligeligt mellem to datterceller, skal den arrangere kromosomerne i den rigtige rækkefølge, før de distribueres til dattercellerne. Alle disse vigtige opgaver udføres i løbet af cellecyklussen.

Cellecyklussen er vigtig, fordi... det demonstrerer det vigtigste: evnen til at reproducere, vokse og differentiere. Udveksling forekommer også, men det tages ikke i betragtning, når man studerer cellecyklussen.

Definition af begrebet

Cellecyklus - Dette er cellelivets periode fra fødslen til dannelsen af ​​datterceller.

I dyreceller varer cellecyklussen, tidsrummet mellem to delinger (mitoser), i gennemsnit fra 10 til 24 timer.

Cellecyklussen består af flere perioder (synonym: faser), som naturligt erstatter hinanden. Samlet kaldes de første faser af cellecyklussen (G 1, G 0, S og G 2) interfase , og den sidste fase kaldes .

Ris. 1.Cellecyklus.

Perioder (faser) af cellecyklussen

1. Perioden for den første vækst G1 (fra engelsk Growth - growth), er 30-40% af cyklussen, og hvileperioden G 0

Synonymer: postmitotisk (opstår efter mitose) periode, præsyntetisk (overgår før DNA-syntese) periode.

Cellecyklussen begynder med fødslen af ​​en celle som følge af mitose. Efter deling er dattercellerne reduceret i størrelse og har færre organeller end normalt. Derfor vokser en "nyfødt" lille celle i den første periode (fase) af cellecyklussen (G 1) og vokser i størrelse og danner også de manglende organeller. Der er en aktiv syntese af proteiner nødvendig for alt dette. Som et resultat bliver cellen fuldgyldig, man kan sige "voksen".

Hvordan ender vækstperioden G1 normalt for en celle?

1. Cellens indtræden i processen. På grund af differentiering får cellen særlige egenskaber til at udføre de funktioner, der er nødvendige for hele organet og organismen. Differentiering udløses af kontrolstoffer (hormoner), der virker på cellens tilsvarende molekylære receptorer. En celle, der har fuldført sin differentiering, falder ud af delingscyklussen og er inde hviletid G 0 . Udsættelse for aktiverende stoffer (mitogener) er påkrævet, for at det kan gennemgå dedifferentiering og vende tilbage til cellecyklussen.
2. Cellens død (død).
3. Indtastning af den næste periode af cellecyklussen - syntetisk.

2. Syntetisk periode S (fra engelsk Synthesis - syntese), udgør 30-50% af cyklussen

Begrebet syntese i denne periodes navn refererer til DNA-syntese (replikation) og ikke til nogen andre synteseprocesser. Efter at have nået en vis størrelse som følge af at have passeret gennem perioden med første vækst, går cellen ind i den syntetiske periode, eller fase, S, hvor DNA-syntese finder sted. På grund af DNA-replikation fordobler cellen sit genetiske materiale (kromosomer), pga En nøjagtig kopi af hvert kromosom dannes i kernen. Hvert kromosom bliver dobbelt, og hele kromosomsættet bliver dobbelt, eller diploid . Som følge heraf er cellen nu klar til at dele arvematerialet ligeligt mellem to datterceller uden at miste et eneste gen.

3. Perioden for den anden vækst G 2 (fra engelsk Growth - growth), er 10-20% af cyklussen

Synonymer: præmitotisk (overgår før mitose) periode, postsyntetisk (opstår efter den syntetiske) periode.

G2-perioden er forberedende til næste celledeling. Under den anden periode med G2-vækst producerer cellen proteiner, der kræves til mitose, især tubulin til spindlen; skaber energireserver i form af ATP; kontrollerer om DNA-replikationen er fuldstændig og forbereder deling.

4. Perioden for mitotisk deling M (fra engelsk Mitosis - mitose), er 5-10% af cyklussen

Efter deling går cellen ind i en ny G1-fase, og cellecyklussen slutter.

Cellecyklusregulering

På molekylært niveau reguleres overgangen fra en fase af cyklussen til en anden af ​​to proteiner - cyklin Og cyclin-afhængig kinase(CDK).

For at regulere cellecyklussen anvendes processen med reversibel phosphorylering/dephosphorylering af regulatoriske proteiner, dvs. tilsætning af fosfater til dem efterfulgt af eliminering. Nøglestoffet, der regulerer en celles indtræden i mitose (dvs. dens overgang fra G2-fasen til M-fasen) er en specifik serin/threonin proteinkinase, som kaldes modningsfaktor- FS, eller MPF, fra den engelske modningsfremmende faktor. I sin aktive form katalyserer dette proteinenzym phosphoryleringen af ​​mange proteiner involveret i mitose. Det er fx histon H1, som er en del af kromatin, lamin (en cytoskeletkomponent placeret i kernemembranen), transkriptionsfaktorer, mitotiske spindelproteiner samt en række enzymer. Fosforylering af disse proteiner med modningsfaktoren MPF ​​aktiverer dem og starter mitoseprocessen. Efter afslutning af mitosen vil PS regulatoriske underenhed, cyklin, er markeret med ubiquitin og undergår nedbrydning (proteolyse). Nu kommer turen proteinfosfatase, som dephosphorylerer proteiner, der deltog i mitose, og derved overfører dem til en inaktiv tilstand. Som et resultat vender cellen tilbage til interfasetilstanden.

PS (MPF) er et heterodimert enzym, der inkluderer en regulatorisk underenhed, nemlig cyclin, og en katalytisk underenhed, nemlig cyclinafhængig kinase CDK, også kendt som p34cdc2; 34 kDa. Den aktive form af dette enzym er kun dimeren CZK + cyclin. Derudover reguleres aktiviteten af ​​CZK af reversibel phosphorylering af selve enzymet. Cycliner modtog dette navn, fordi deres koncentration ændres cyklisk i overensstemmelse med perioder i cellecyklussen, især falder den før starten af ​​celledeling.

En række forskellige cycliner og cyclinafhængige kinaser er til stede i hvirveldyrceller. Forskellige kombinationer af to enzymunderenheder regulerer initieringen af ​​mitose, begyndelsen af ​​transkriptionsprocessen i G1-fasen, overgangen af ​​det kritiske punkt efter afslutning af transkriptionen, begyndelsen af ​​DNA-replikationsprocessen i S-perioden af ​​interfase (start overgangen ) og andre nøgleovergange af cellecyklussen (ikke vist i diagrammet).
I frøoocytter reguleres indtræden i mitose (G2/M-overgang) ved at ændre cyclinkoncentrationen. Cyclin syntetiseres kontinuerligt i interfase, indtil den maksimale koncentration er nået i M-fasen, når hele kaskaden af ​​proteinphosphorylering katalyseret af PS lanceres. Ved slutningen af ​​mitosen ødelægges cyclin hurtigt af proteinaser, også aktiveret af PS. I andre cellulære systemer reguleres PS-aktivitet af forskellige grader af phosphorylering af selve enzymet.

Cellecyklus

Cellecyklussen består af mitose (M-fase) og interfase. I interfase skelnes faserne G 1, S og G 2 successivt.

STADIER I CELLE CYKLUS

Interfase

G 1 følger mitosens telofase. I denne fase syntetiserer cellen RNA og proteiner. Varigheden af ​​fasen varierer fra flere timer til flere dage.

G 2 celler kan forlade cyklussen og er i fase G 0 . I fase G 0 celler begynder at differentiere sig.

S. Under S-fasen fortsætter proteinsyntesen i cellen, DNA-replikation sker, og centrioler adskilles. I de fleste celler varer S-fasen 8-12 timer.

G 2 . I G 2-fasen fortsætter syntesen af ​​RNA og protein (for eksempel syntesen af ​​tubulin til mikrotubuli i den mitotiske spindel). Dattercentrioler når størrelsen af ​​definitive organeller. Denne fase varer 2-4 timer.

MITOSE

Under mitose deler kernen (karyokinese) og cytoplasma (cytokinesis). Faser af mitose: profase, prometafase, metafase, anafase, telofase.

Profase. Hvert kromosom består af to søsterkromatider forbundet med en centromer, nukleolen forsvinder. Centrioler organiserer den mitotiske spindel. Et par centrioler er en del af det mitotiske center, hvorfra mikrotubuli strækker sig radialt. Først er de mitotiske centre placeret nær kernemembranen og divergerer derefter, og der dannes en bipolær mitotisk spindel. Denne proces involverer polmikrotubuli, som interagerer med hinanden, når de forlænges.

Centriole er en del af centrosomet (centrosomet indeholder to centrioler og en pericentriolmatrix) og har form som en cylinder med en diameter på 15 nm og en længde på 500 nm; cylindervæggen består af 9 tripletter af mikrotubuli. I centrosomet er centriolerne placeret vinkelret på hinanden. Under S-fasen af ​​cellecyklussen duplikeres centrioler. Ved mitose divergerer par af centrioler, der hver består af en original og en nydannet, til cellepolerne og deltager i dannelsen af ​​den mitotiske spindel.

Prometafase. Den nukleare kappe opløses i små fragmenter. I centromere-regionen opstår kinetochorer, der fungerer som centre for organisering af kinetochore mikrotubuli. Kinetochorernes afgang fra hvert kromosom i begge retninger og deres interaktion med polmikrotubulierne i den mitotiske spindel er årsagen til kromosomernes bevægelse.

Metafase. Kromosomer er placeret i ækvatorregionen af ​​spindlen. Der dannes en metafaseplade, hvor hvert kromosom holdes af et par kinetochorer og tilhørende kinetochore mikrotubuli rettet mod modsatte poler af den mitotiske spindel.

Anafase– divergens af datterkromosomer til polerne af den mitotiske spindel med en hastighed på 1 µm/min.

Telofase. Kromatiderne nærmer sig polerne, kinetochore mikrotubuli forsvinder, og polerne fortsætter med at forlænges. Kernekappen dannes, og nukleolus vises.

Cytokinese- opdeling af cytoplasmaet i to separate dele. Processen begynder i sen anafase eller telofase. Plasmalemmaet trækkes tilbage mellem de to datterkerner i et plan vinkelret på spindlens lange akse. Spaltningsfuren bliver dybere, og der bliver en bro tilbage mellem dattercellerne - en restkrop. Yderligere ødelæggelse af denne struktur fører til fuldstændig adskillelse af datterceller.

Regulatorer af celledeling

Celleproliferation, som sker gennem mitose, er stramt reguleret af en række molekylære signaler. Den koordinerede aktivitet af disse multiple cellecyklusregulatorer sikrer både overgangen af ​​celler fra fase til fase af cellecyklussen og den præcise udførelse af begivenhederne i hver fase. Hovedårsagen til fremkomsten af ​​proliferativt ukontrollerede celler er mutationer i gener, der koder for strukturen af ​​cellecyklusregulatorer. Regulatorer af cellecyklus og mitose er opdelt i intracellulær og intercellulær. Intracellulære molekylære signaler er talrige, blandt dem skal først og fremmest selve cellecyklusregulatorerne (cycliner, cyclinafhængige proteinkinaser, deres aktivatorer og inhibitorer) og tumorsuppressorer nævnes.

MEIOSIS

Under meiose dannes haploide kønsceller.

Første meiotiske division

Den første opdeling af meiose (profase I, metafase I, anafase I og telofase I) er reduktion.

Profasejeg gennemgår flere stadier successivt (leptoten, zygoten, pachyten, diploten, diakinesis).

Leptoten - kromatin kondenserer, hvert kromosom består af to kromatider forbundet med en centromer.

Zygoten- homologe parrede kromosomer kommer tættere på og kommer i fysisk kontakt ( synapsis) i form af et synaptonemalt kompleks, der sikrer konjugationen af ​​kromosomer. På dette stadium danner to tilstødende par kromosomer en bivalent.

Pachytena– kromosomer fortykkes på grund af spiralisering. Separate sektioner af konjugerede kromosomer skærer hinanden og danner chiasmata. Det sker her krydser over- udveksling af snit mellem paternelle og maternelle homologe kromosomer.

Diplotena– adskillelse af konjugerede kromosomer i hvert par som følge af langsgående opsplitning af synaptonemalkomplekset. Kromosomerne er delt langs hele kompleksets længde, med undtagelse af chiasmataen. I den bivalente er 4 kromatider tydeligt skelnelige. Sådan en bivalent kaldes en tetrad. Afviklingssteder vises i kromatiderne, hvor RNA syntetiseres.

Diakinese. Processerne med kromosomforkortelse og spaltning af kromosompar fortsætter. Chiasmata bevæger sig til enderne af kromosomerne (terminalisering). Kernemembranen ødelægges, og nukleolus forsvinder. Den mitotiske spindel vises.

Metafasejeg. I metafase I danner tetraderne metafasepladen. Generelt er paternelle og maternelle kromosomer tilfældigt fordelt på den ene eller den anden side af ækvator af den mitotiske spindel. Dette mønster af kromosomfordeling ligger til grund for Mendels anden lov, som (sammen med krydsning) sikrer genetiske forskelle mellem individer.

Anafasejeg adskiller sig fra anafase af mitose ved, at søsterkromatider under mitose bevæger sig mod polerne. Under denne fase af meiosen bevæger intakte kromosomer sig til polerne.

Telofasejeg ikke anderledes end mitosens telofase. Der dannes kerner med 23 konjugerede (doblede) kromosomer, cytokinese opstår, og datterceller dannes.

Anden deling af meiose.

Den anden opdeling af meiose - ligning - forløber på samme måde som mitose (profase II, metafase II, anafase II og telofase), men meget hurtigere. Datterceller modtager et haploid sæt kromosomer (22 autosomer og et kønskromosom).

Cellecyklus er perioden i en celles liv fra en deling til en anden. Består af interfase- og divisionsperioder. Varigheden af ​​cellecyklussen varierer i forskellige organismer (for bakterier - 20-30 minutter, for eukaryote celler - 10-80 timer).

Interfase

Interfase (fra lat. inter- mellem, faser– fremkomst) er perioden mellem celledelinger eller fra deling til dens død. Perioden fra celledeling til dens død er karakteristisk for celler i en flercellet organisme, der efter deling har mistet deres evne til at gøre det (erythrocytter, nerveceller osv.). Interfase fylder cirka 90 % af cellecyklussen.

Interfase inkluderer:

1) præsyntetisk periode (G 1) – intensive biosynteseprocesser begynder, cellen vokser og øges i størrelse. Det er i denne periode, at celler fra flercellede organismer, der har mistet evnen til at dele, forbliver indtil døden;

2) syntetisk (S) – DNA og kromosomer fordobles (cellen bliver tetraploid), centrioler, hvis nogen, fordobles;

3) postsyntetisk (G 2) – grundlæggende stopper synteseprocesserne i cellen, cellen forbereder sig på deling.

Celledeling sker direkte(amitose) og indirekte(mitose, meiose).

Amitose

Amitose – direkte celledeling, hvor der ikke dannes et deleapparat. Kernen deler sig på grund af den ringformede indsnævring. Der er ingen ensartet fordeling af genetisk information. I naturen er makrokerner (store kerner) af ciliater og placentaceller hos pattedyr opdelt ved amitose. Kræftceller kan dele sig ved amitose.

Indirekte deling er forbundet med dannelsen af ​​et fissionsapparat. Delingsapparatet omfatter komponenter, der sikrer ensartet fordeling af kromosomer mellem celler (delingsspindel, centromerer og, hvis de er til stede, centrioler). Celledeling kan opdeles i kernedeling ( mitose) og cytoplasmatisk deling ( cytokinese). Sidstnævnte begynder mod slutningen af ​​nuklear fission. De mest almindelige i naturen er mitose og meiose. Ind imellem forekommer endomitose- indirekte fission, der opstår i kernen uden ødelæggelse af dens skal.

Mitose

Mitose er en indirekte celledeling, hvor to datterceller med et identisk sæt genetisk information dannes fra modercellen.

Mitose faser:

1) profase – der opstår kromatinkomprimering (kondensering), kromatider spiraler og forkortes (bliver synlige i et lysmikroskop), nukleoler og kernemembranen forsvinder, en spindel dannes, dens tråde er knyttet til kromosomernes centromerer, centrioler deler sig og divergerer til polerne af cellen;

2) metafase - kromosomer er maksimalt spiraliseret og placeret langs ækvator (i ækvatorpladen), homologe kromosomer ligger i nærheden;

3) anafase – spindeltråde trækker sig sammen og strækker kromosomerne til polerne (kromosomerne bliver monokromatide), den korteste fase af mitosen;

4) telofase – kromosomer despiral, nukleoler og en kernemembran dannes, deling af cytoplasmaet begynder.

Mitose er primært karakteristisk for somatiske celler. Mitose opretholder et konstant antal kromosomer. Hjælper med at øge antallet af celler, derfor observeres det under vækst, regenerering og vegetativ formering.

Meiose

Meiose (fra græsk meiose- reduktion) er en indirekte reduktionscelledeling, hvor fire datterceller dannes fra modercellen med ikke-identisk genetisk information.

Der er to opdelinger: meiose I og meiose II. Interfase I ligner interfasen før mitose. I den postsyntetiske periode af interfase stopper processerne med proteinsyntese ikke og fortsætter i profasen af ​​den første division.

Meiose I:

– profet I – kromosomerne går i spiral, nukleolus og kernekappe forsvinder, en spindel dannes, homologe kromosomer kommer tættere på og klæber sammen langs søsterkromatider (som lyn i et slot) – forekommer konjugation, således dannes tetrads, eller bivalente, dannes en krydsning af kromosomer og en udveksling af sektioner - krydser over, så frastøder homologe kromosomer hinanden, men forbliver forbundet i de områder, hvor krydsningen fandt sted; synteseprocesser er afsluttet;

– metafase I - kromosomer er placeret langs ækvator, homologe - bichromatid kromosomer er placeret over for hinanden på begge sider af ækvator;

– anafase I – spindlens filamenter trækker sig samtidigt sammen og strækker sig langs et homologt bichromatidkromosom mod polerne;

– telofase I (hvis nogen) - kromosomer despiral, en nukleolus og kernemembran dannes, cytoplasmaet er fordelt (de celler, der dannes, er haploide).

Interfase II(hvis til stede): DNA-duplikation forekommer ikke.

Meiose II:

– profeti II – kromosomer bliver tættere, nukleolus og kernemembran forsvinder, en fissionsspindel dannes;

– metafase II - kromosomer er placeret langs ækvator;

– anafase II - kromosomer, med samtidig sammentrækning af spindeltrådene, divergerer til polerne;

– telofase II – kromosomerne despiraler, der dannes en nukleolus og en kernemembran, og cytoplasmaet deler sig.

Meiose opstår før dannelsen af ​​kønsceller. Tillader fusion af kønsceller for at opretholde et konstant antal kromosomer af arten (karyotype). Giver kombinativ variabilitet.

GOUVPO

"VORONEZH STATE TECHNICAL UNIVERSITY"

AFDELING FOR SYSTEMANALYSE OG LEDELSE I MEDICINSKE SYSTEMER

ABSTRAKT

DISCIPLINE: "Menneske- og dyrebiologi"

OM EMNET: “Mitotisk cyklus. Cellecyklus, fase M, G1, S, G2, auto- og heterosyntetiske cellefunktioner"

Udført af: 1. års studerende af gruppe BM-101 Tonkikh M.A.

Tjekket af: professor, læge i medicin. Videnskab L. B. Dmitrenko

VORONEZH 2010

Cellecyklus: oversigt

Det gentagne sæt af begivenheder, der sikrer delingen af ​​eukaryote celler, kaldes cellecyklussen. Længden af ​​cellecyklussen afhænger af typen af ​​delende celler. Nogle celler, såsom menneskelige neuroner, holder helt op med at dele sig efter at have nået den terminale differentieringsstadie. Celler i lungerne, nyrerne eller leveren i en voksen krop begynder kun at dele sig som reaktion på skader på de tilsvarende organer. Intestinale epitelceller deler sig gennem en persons liv. Selv i hurtigt prolifererende celler tager forberedelse til deling omkring 24 timer. Cellecyklussen er opdelt i stadier: Mitose - M-fase, deling af cellekernen. G1-fasen er perioden før DNA-syntese. S-fase er synteseperioden (DNA-replikation). G2-fasen er perioden mellem DNA-syntese og mitose. Interfase er en periode, der inkluderer G1, S og G2 faser. Cytokinesis er opdelingen af ​​cytoplasmaet. Restriktionspunkt, R-punkt - det tidspunkt i cellecyklussen, hvor cellens fremskridt mod deling bliver irreversibel. G0-fase er tilstanden af ​​celler, der har nået et monolag eller er frataget vækstfaktorer i den tidlige G1-fase.

mitozumeiose) er forudgået af kromosomfordobling, som forekommer i S-perioden af ​​cellecyklussen. Perioden er betegnet med det første bogstav i ordet syntese - DNA-syntese. Fra slutningen af ​​S-perioden til slutningen af ​​metafasen indeholder kernen fire gange mere DNA end kernen af ​​en sæd eller æg, og hvert kromosom består af to identiske søsterkromatider.

Under mitose kondenserer kromosomerne og ved slutningen af ​​profase eller begyndelsen af ​​metafasen bliver de synlige under optisk mikroskopi. Til cytogenetisk analyse anvendes sædvanligvis præparater af metafase-kromosomer.

Først anafase centromer af homologe kromosomer er afbrudt, og kromatider divergere til modsatte poler af den mitotiske spindel. Efter at komplette sæt kromatider er flyttet til polerne (fra nu af kaldes de kromosomer), dannes der en kernemembran omkring hver af dem, der danner kernerne af to datterceller (ødelæggelsen af ​​modercellens kernemembran skete ved ende profase). Datterceller kommer ind periode G1, og kun som forberedelse til næste deling går de ind i S-perioden og DNA-replikation sker i dem.

Celler med specialiserede funktioner, der ikke indgår i mitose i lang tid eller generelt har mistet evnen til at dele sig, er i en tilstand kaldet periode G0 .

De fleste celler i kroppen er diploide – det vil sige, at de har to haploide sæt af kromosomer(det haploide sæt er antallet af kromosomer i kønsceller; hos mennesker er det 23 kromosomer, og diploide kromosomsæt - 46).

I kønskirtlerne gennemgår forstadierne til kønsceller først en række mitotiske delinger og går derefter ind i meiose, en proces med kønscelledannelse bestående af to på hinanden følgende delinger. Ved meiose parres homologe kromosomer (faderlig 1. kromosom med maternal 1. kromosom m.m.), hvorefter der i den så. krydser over rekombination forekommer, det vil sige udveksling af sektioner mellem de faderlige og maternelle kromosomer. Som et resultat ændres den genetiske sammensætning af hvert kromosom kvalitativt.

I første division meiose Homologe kromosomer (og ikke søsterkromatider, som i mitose), hvilket resulterer i dannelsen af ​​celler med et haploid sæt kromosomer, som hver indeholder 22 fordoblede autosomer og et fordoblet kønskromosom.

Der er ingen periode S mellem første og anden deling af meiose ( ris. 66,2, til højre), og søsterkromatider adskilles i datterceller i anden division. Som følge heraf dannes der celler med et haploid sæt kromosomer, hvori der er halvt så meget DNA som i diploide somatiske celler i G1-perioden og 4 gange mindre end i somatiske celler i slutningen af ​​S-perioden.

Ved befrugtning bliver antallet af kromosomer og DNA-indhold i zygoten det samme som i en somatisk celle i G1-perioden.

S-perioden i zygoten åbner vejen for regelmæssig deling, karakteristisk for somatiske celler.

Cellecyklus: faser

Den eukaryote cellecyklus er opdelt i fire faser. På stadiet af direkte celledeling (mitose) er kondenserede metafasekromosomer ligeligt fordelt mellem datterceller ( M fase af cellecyklussen - mitose). Mitose var den første fase af cellecyklussen identificeret, og alle andre hændelser, der fandt sted i cellen mellem to mitoser, blev kaldt interfase. Udviklingen af ​​forskning på molekylært niveau har gjort det muligt at identificere et stadium af DNA-syntese i interfase, kaldet S-fase (syntese). Disse to nøglestadier i cellecyklussen går ikke direkte over i hinanden. Efter mitosens afslutning, før DNA-syntesen begynder, G1 fase af cellecyklussen (gab), en tilsyneladende pause i celleaktivitet, hvorunder intracellulære syntetiske processer forbereder replikationen af ​​genetisk materiale.

Anden pause i synlig aktivitet ( fase G2) observeres efter afslutningen af ​​DNA-syntese før mitosens begyndelse. I G2-fasen overvåger cellen nøjagtigheden af ​​den DNA-replikation, der er opstået, og korrigerer opdagede fejl. I nogle tilfælde skelnes den femte fase af cellecyklussen ( G0), når cellen efter afslutning af deling ikke går ind i den næste cellecyklus og forbliver i dvale i lang tid. Det kan fjernes fra denne tilstand ved ydre stimulerende (mitogene) påvirkninger.

Faserne af cellecyklussen har ikke klare tidsmæssige og funktionelle grænser, men under overgangen fra en fase til en anden sker der en ordnet omskiftning af syntetiske processer, hvilket gør det muligt at differentiere disse intracellulære begivenheder på molekylært niveau.

Cycliner og cyclinafhængige kinaser

Celler går ind i cellecyklussen og syntetiserer DNA som reaktion på eksterne mitogene stimuli. Lymfokiner(For eksempel, interleukiner), cytokiner(i særdeleshed interferoner) og polypeptidvækstfaktorer, der interagerer med deres receptorer på celleoverfladen, inducerer en kaskade af phosphoryleringsreaktioner af intracellulære proteiner, ledsaget af signaltransmission fra celleoverfladen til kernen og induktion af transkription af de tilsvarende gener. Blandt de første, der aktiveres, er gener, der koder cyclin proteiner, som får deres navn fra det faktum, at deres intracellulære koncentration ændres periodisk, efterhånden som celler passerer gennem cellecyklussen og når et maksimum på visse stadier. Cycliner er specifikke aktivatorer af familien cyclin-afhængige proteinkinaser (CDK'er) (CDK - cyclin-afhængige kinaser) er nøgledeltagere i induktionen af ​​transskription af gener, der styrer cellecyklussen. Aktivering af et individuelt CDK sker efter dets interaktion med et specifikt cyclin, og dannelsen af ​​dette kompleks bliver mulig, efter at cyclinen når en kritisk koncentration. Som reaktion på et fald i den intracellulære koncentration af et bestemt cyclin inaktiveres den tilsvarende CDK reversibelt. Nogle CDK'er aktiveres af mere end én cyclin. I dette tilfælde holder en gruppe cycliner, som om de overfører proteinkinaser til hinanden, dem i en aktiveret tilstand i lang tid. Sådanne bølger af CDK-aktivering forekommer under G1- og S-faserne af cellecyklussen.

Cycliner: generel information

Hver type cyclin, betegnet A til H, har en homolog region (150 aminosyrerester kaldet " cyklin boks". Denne region er ansvarlig for at binde sig til CDK. Der er 14 kendte proteiner i cyclin-familien (cyclin A - cyclin J). Nogle medlemmer af familien danner underfamilier. For eksempel består D-type cyclin underfamilien af ​​tre medlemmer: D1, D2 og D3 Cycliner er opdelt i to underfamilier: G1-cykliner (C , D Og E) Og mitotiske cykliner (EN Og B).

Cycliner udveksler hurtigt proteiner med en kort halveringstid, som er 15-20 minutter for D-type cycliner. Dette sikrer dynamikken i deres komplekser med cyclin-afhængige kinaser. Den N-terminale sekvens af aminosyrerester kaldet destruktionskasse. Når celler passerer gennem cellecyklussen, efter aktiveringen af ​​individet CDK de inaktiveres efter behov. I sidstnævnte tilfælde sker proteolytisk nedbrydning af cyclin, som er i kompleks med CDK, som begynder med en destruktionsboks.

Cycliner kan ikke i sig selv fuldt ud aktivere de tilsvarende CDK'er. For at fuldende aktiveringsprocessen skal der forekomme specifik phosphorylering og dephosphorylering af visse aminosyrerester i polypeptidkæderne af disse proteinkinaser. De fleste af disse reaktioner udføres CDK-aktiverende kinase (CAK), som er et kompleks CDK7 Med cyklin H. CDK'er bliver således kun i stand til at udføre deres funktioner i cellecyklussen efter deres interaktion med de tilsvarende cycliner og post-translationelle modifikationer under påvirkning af CAK og andre lignende cellecyklusregulerende proteiner.

Eukaryot celledeling: begyndelse

Som reaktion på en mitogen stimulus, en celle i fase G0 eller tidligt G1, begynder sin passage gennem cellecyklussen. Som et resultat af induktion af udtryk cyclin D gener Og E, som normalt er grupperet cykliner G1 deres intracellulære koncentration stiger. Cycliner D1 , D2 Og D3 danner et kompleks med kinaser CDK4 Og CDK6. I modsætning til cyclin D1 kombineres de to sidstnævnte cycliner også med CDK2. De funktionelle forskelle mellem disse tre cycliner er ukendte, men tilgængelige data indikerer, at de når kritiske koncentrationer på forskellige stadier af G1-faseudvikling. Disse forskelle er specifikke for typen af ​​prolifererende celler.

Aktivering af CDK2/4/6 fører til phosphorylering egern RB(produkt retinoblastom gen pRb) og associerede proteiner s107 Og s130. I begyndelsen af ​​G1-fasen pRb-protein svagt phosphoryleret, hvilket gør det muligt at være i kompleks med transkriptionsfaktor E2F, som spiller en nøglerolle i induktionen af ​​DNA-syntese, og blokerer dens aktivitet. Den fuldt phosphorylerede form af pRb frigiver E2F fra komplekset, hvilket fører til transkriptionel aktivering af gener, der styrer DNA-replikation.

Koncentrationen af ​​D-cykliner stiger under G1-fasen af ​​cellecyklussen og når sine maksimale værdier umiddelbart før starten af S-fase, hvorefter det begynder at falde. Men på dette tidspunkt er pRb endnu ikke fuldstændigt phosphoryleret, og E2F-faktoren forbliver i komplekset i en inaktiv tilstand. Fosforylering af pRb fuldføres af CDK2 aktiveret cyclin E. Den intracellulære koncentration af sidstnævnte bliver maksimal på tidspunktet for overgangen af ​​cellecyklussen fra G1-fasen til S-fasen. Således overtager cyclin E-CDK2-komplekset fra cyclin D-komplekserne med CDK4 og CDK6 og fuldender phosphorylering af pRb, ledsaget af frigivelsen af ​​den aktive transkriptionsfaktor E2F. Som et resultat begynder DNA-syntese, det vil sige, at cellen går ind i S-fasen af ​​cellecyklussen.

S-fase af cellecyklussen: DNA-syntese

Periode interfase når DNA-replikation af cellekernen forekommer, er blevet kaldt "S-fase"

Celledeling (mitose eller meiose) er forudgået af kromosomduplikation, som forekommer i S-perioden af ​​cellecyklussen ( ris. 66,2). Perioden er betegnet med det første bogstav i ordet syntese - DNA-syntese.

Efter at cellen går ind i S-fasen, sker der hurtig nedbrydning cyclin E og aktivering CDK2 cyclin A. Cyclin E begynder at blive syntetiseret i slutningen fase G1 og dets interaktion med CDK2 er en nødvendig betingelse for, at cellen kan gå ind i S-fasen og fortsætte DNA-syntesen. Dette kompleks aktiverer DNA-syntese gennem phosphorylering af proteiner ved replikationsstart. Et signal for slutningen af ​​S-fasen og cellens overgang til fase G2 er aktivering af en anden kinase af cyclin A CDK1 med samtidig ophør af CDK2-aktivering. Forsinkelse mellem afslutningen af ​​DNA-syntese og starten mitose(G2-fase) bruges af cellen til at kontrollere fuldstændigheden og nøjagtigheden af ​​kromosomreplikation, der har fundet sted. Begivenhedsforløbet i denne periode kendes ikke præcist.

Når stimuleret vækstfaktorer pattedyrsceller fundet i tilstand af proliferativ dvale , cykliner D-type vises tidligere end cyclin E. mRNA og protein cyclin D1 vises først efter 6-8 timer, hvorefter D1-niveauet forbliver forhøjet indtil slutningen af ​​cellecyklussen ( Matsushime H. et al., 1991 ; Vandt K.A. et al., 1992).

Når vækstfaktorer fjernes fra mediet, falder niveauet af D-type cycliner hurtigt, da D-cycliner og deres RNA er ustabile.

Cyclin D1 forbundet med CDK4 umiddelbart før DNA-syntese begynder. Niveauet af komplekset topper i den tidlige S-fase før det falder i den sene S og G2 fase (Matsushime H. et al., 1992).

Tilsyneladende cykliner D2 Og D3 handle i G1-perioden noget senere end cyclin D1.

Overekspression af D-type cycliner (femfold i forhold til normal) med et fald i celleefterspørgsel efter vækstfaktorer og en afkortning af G1-fasen fører til et fald i cellestørrelse. Cyclin E nødvendigt for celler at komme ind i S-fase. Det forbinder primært med CDK2, selvom det kan danne et kompleks med CDK1 .

Cyclin E mRNA og proteinniveauer samt aktiviteten af ​​cyclin E-CDK2 komplekset topper under overgangen G1-S og falder kraftigt, efterhånden som celler udvikler sig gennem midten og sene S-faser.

Når antistoffer mod cyclin E mikroinjiceres i pattedyrsceller, undertrykkes DNA-syntese.

Når cyclin E er overudtrykt, går celler hurtigere gennem G1-fasen og går ind i S-fasen, og sådanne celler kræver færre vækstfaktorer.

Mitose: initiering

Signalet til at begynde celledeling (mitose) kommer fra MPF-faktor (M-fase-fremmende faktor) stimulerer M-fasen af ​​cellecyklussen. MPF er et kinasekompleks CDK1 med at aktivere den cykliner A eller B. Tilsyneladende spiller CDK1-cyclin A-komplekset en vigtigere rolle i at fuldføre S-fasen og forberede cellen til deling, mens CDK1-cyclin B-komplekset primært udøver sekvenskontrol.

Cycliner B1 Og B2 findes i meget lave koncentrationer i fase G1. Deres koncentration begynder at stige mod slutningen S- og hele vejen igennem G2 faser, når deres maksimum under mitose, hvilket fører til deres udskiftning cyclin A i kombination med CDK1. Dette er dog ikke nok til fuldt ud at aktivere proteinkinasen. CDK1's funktionelle kompetence opnås efter en række phosphoryleringer og dephosphoryleringer ved specifikke aminosyrerester. En sådan kontrol er nødvendig for at forhindre celler i at gå ind i mitose, indtil DNA-syntese er fuldstændig.

Celledeling begynder først efter CDK1, som er i kompleks med cyclin B, er phosphoryleret ved resterne Thr-14 og Tyr-16 proteinkinase WEE1 såvel som ved rest Thr-161 proteinkinase CAK og derefter dephosphoryleret ved resterne Thr-14 og Tyr-15 fosfatase CDC25. Aktiveret på denne måde fosforylerer CDK1 strukturelle proteiner i kernen, bl.a. nukleolin , nukleare laminer Og vimentin. Herefter begynder kernen at passere gennem de cytologisk klart skelnelige stadier af mitose.

Den første fase af mitose er profase- begynder efter CDK1 er fuldstændig phosphoryleret, efterfulgt af metafase , anafase Og telofase slutter med celledeling - cytokinese. Konsekvensen af ​​disse processer er den korrekte fordeling af replikerede kromosomer, nukleare og cytoplasmatiske proteiner, såvel som andre høj- og lavmolekylære forbindelser i datterceller. Efter at cytokinese er afsluttet, sker destruktion cyclin B, ledsaget af inaktivering af CDK1, hvilket fører til, at cellen går ind i fase G1 eller G0 cellecyklus.

G0 fase af cellecyklussen

Nogle typer celler på bestemte stadier af differentiering kan holde op med at dele sig og fuldt ud opretholde deres levedygtighed. Denne tilstand af celler kaldes G0-fasen. Celler, der har nået en tilstand af terminal differentiering, kan ikke længere forlade denne fase. Samtidig kan celler, der har en ekstrem lav evne til at dele sig, såsom hepatocytter, genindtræde i cellecyklussen, efter at en del af leveren er fjernet.

Overgangen af ​​celler til en hviletilstand bliver mulig på grund af funktionen af ​​meget specifikke cellecyklushæmmere. Med deltagelse af disse proteiner kan celler stoppe proliferation under ugunstige miljøforhold, når DNA er beskadiget, eller der opstår grove fejl i dets replikation. Sådanne pauser bruges af celler til at reparere skader, der er opstået.

Under visse ydre forhold kan cellecyklussen pause ind begrænsningspunkter. På disse punkter bliver celler forpligtet til at gå ind i S-fase og/eller mitose.

Hvirveldyrceller i et standarddyrkningsmedium uden serum, I de fleste tilfælde gå ikke ind i S-fase, selvom mediet indeholder alle de nødvendige næringsstoffer.

Ved at nå et lukket monolag, celler i stand til kontaktbremse, forlade cellecyklussen selv i nærvær blodserum. Celler, der har forladt den mitotiske cyklus i en ubestemt periode og opretholder levedygtighed og proliferativt potentiale, kaldes hvilende celler. Dette kaldes overgangen til en tilstand af proliferativ hvile eller G0-fase.

I 90'erne Diskussioner fortsatte, om tilstanden af ​​proliferativ dvale kunne defineres som en fase, der er fundamentalt forskellig fra G1. Tilsyneladende er dette faktisk tilfældet.

I cellekernerne, der er i proliferativ hvile, såvel som i celler, der er i G1 fase, indeholder som regel en utoblet mængde DNA. Der er dog betydelige forskelle mellem celler i disse to tilstande. Det er kendt, at varigheden af ​​G1-fasen i delende celler er betydeligt kortere end tiden for G0-S-overgangen. Talrige undersøgelser af fusionen af ​​hvilende og prolifererende celler og af mikroinjektion af mRNA har vist, at celler i G0-fasen indeholder spredningshæmmere, der forhindrer indtrængen i S-fasen.

Disse fakta tyder på, at cellen skal udføre et særligt program for at afslutte G0. Det skal også bemærkes, at de ikke udtrykkes i hvilende celler. CDK2 Og CDK4, og cykliner D- Og E-typer. Deres syntese induceres kun af vækstfaktorer ( Lodish H. et al., 1995). I konstant cyklende celler niveauet af D- og E-cykliner forbliver højt gennem hele cyklussen, og varigheden af ​​G1-perioden falder i forhold til den præreplikative periode.

I celler i G0-fasen er der således ingen proteiner, der tillader passage gennem restriktionspunkter og tillader indgang i S-fasen. Til overgang af hvilende celler til S-fase vækstfaktorer bør inducere syntesen af ​​disse proteiner i dem.

Cellecyklus: hæmmere

Der er to hovedstadier i cellecyklussen (overgangspunkter, kontrolpunkter R - begrænsningspunkter), hvorpå de kan implementeres negative reguleringsmæssige konsekvenser, der forhindrer celler i at bevæge sig gennem cellecyklussen. Et af disse stadier styrer cellens overgang til DNA-syntese, og det andet styrer begyndelsen af ​​mitose. Der er andre regulerede stadier af cellecyklussen.

Overgangen af ​​celler fra en fase af cellecyklussen til en anden styres på aktiveringsniveauet CDK deres cykliner med inhibitorer af cyclin-afhængige kinaser CKI. Efter behov kan disse inhibitorer aktiveres og blokere interaktionen mellem CDK'er og deres cycliner og derfor selve cellecyklussen. Efter en ændring i ydre eller indre forhold, kan cellen fortsætte med at proliferere eller komme ind på stien apoptose .

Der er to CKI-grupper: p21 familie proteiner Og INK4 (inhibitor af CDK4), hvoraf medlemmer inden for familier har lignende strukturelle egenskaber. P21-familien af ​​inhibitorer inkluderer tre proteiner: s21 , s27 Og s. 57. Fordi disse proteiner blev beskrevet uafhængigt af flere grupper, bruges deres alternative navne stadig. Således er p21-proteinet også kendt under navnene WAF1 (vildtype p53 aktiveret fragment 1), CIP1 (CDK2 interagerende protein 1), SDI1 (senescent afledt inhibitor 1) og mda-6 (melanom differentieringsassocieret gen). Synonymer for p27 og p57 er henholdsvis KIP1 (kinasehæmmende proteiner 1) og KIP2 (kinasehæmmende proteiner 2). Alle disse proteiner har bred virkningsspecificitet og kan hæmme forskellige CDK .

I modsætning hertil er INK4-hæmmergruppen mere specifik. Den indeholder fire proteiner: p15INK4B , p16INK4A , p18INK4C Og p19INK4D. INK4-familiehæmmere fungerer i fasen G1 cellecyklus, hæmmer aktiviteten CDK4 kinase dog den anden proteinprodukt af INK4A-genet - p19ARF, interagerer med regulatorisk faktor MDM2 protein p53 og inaktiverer faktoren. Dette er ledsaget af øget stabilitet p53 protein og stop

Cellecyklus: regulering af overgangen fra G1- til S-fase

Før starten af ​​cellecyklussen p27 protein, der er i høj koncentration, forhindrer aktivering proteinkinase CDK4 eller CDK6 cykliner D1 , D2 eller D3. Under sådanne forhold forbliver cellen inde fase G0 eller tidlig G1 fase før modtagelse af den mitogene stimulus. Efter tilstrækkelig stimulering falder koncentrationen af ​​p27-hæmmeren på baggrund af en stigning i det intracellulære indhold af cycliner D. Dette er ledsaget af aktivering af CDK og i sidste ende phosphorylering pRb-protein, frigivelsen af ​​den tilknyttede transkriptionsfaktor E2F og aktivering af transkription af de tilsvarende gener.

I disse tidlige stadier af G1-fasen af ​​cellecyklussen er koncentrationen af ​​p27-protein stadig ret høj. Derfor, efter ophør af mitogen stimulering af celler, genoprettes indholdet af dette protein hurtigt til et kritisk niveau, og yderligere passage af celler gennem cellecyklussen blokeres på det tilsvarende G1-stadium. Denne reversibilitet er mulig indtil G1-fasen i dens udvikling når et bestemt stadie kaldet overgangspunkt, hvorefter cellen bliver forpligtet til deling, og fjernelse af vækstfaktorer fra miljøet er ikke ledsaget af hæmning af cellecyklussen. Selvom cellerne fra dette tidspunkt bliver uafhængige af eksterne signaler til at dele sig, bevarer de evnen til selv at kontrollere cellecyklussen.

INK4 familie CDK-hæmmere (s15 , s16 , s18 Og s19) specifikt interagere med CDK4 kinaser Og CDK6. Proteinerne p15 og p16 er blevet identificeret som tumorundertrykkere, og deres syntese er reguleret pRb-protein. Alle fire proteiner blokerer aktiveringen af ​​CDK4 og CDK6, enten ved at svække deres interaktion med cycliner eller ved at fortrænge dem fra komplekset. Selvom både p16- og p27-proteiner har evnen til at hæmme aktiviteten af ​​CDK4 og CDK6, har førstnævnte en større affinitet for disse proteinkinaser. Hvis koncentrationen af ​​p16 stiger til et niveau, hvor det fuldstændigt hæmmer aktiviteten af ​​CDK4/6-kinaser, bliver p27-protein hovedhæmmeren CDK2 kinase .

Tidligt i cellecyklussen kan raske celler genkende og reagere på DNA-skader ved at standse cellecyklusprogression i G1-fasen, indtil skaden er repareret. For eksempel, som reaktion på DNA-skader forårsaget af ultraviolet lys eller ioniserende stråling, p53 protein inducerer transkription p21 proteingen. Forøgelse af dens intracellulære koncentration blokerer CDK2-aktivering cykliner E eller EN. Dette standser celler i sen G1-fase eller tidlig S-fase af cellecyklussen. På dette tidspunkt bestemmer cellen selv sin fremtidige skæbne - hvis skaden ikke kan elimineres, træder den ind apoptose .

Der er to forskelligt rettede reguleringssystemer G1/S- overgang: positiv og negativ.

System, der positivt regulerer indgang i S-fase, inkluderer heterodimer E2F-1/DP-1 og aktivere den cyclinkinasekomplekser .

Et andet system forhindrer adgang til S-fasen. Det er repræsenteret af tumorundertrykkere s. 53 Og pRB, som undertrykker aktiviteten af ​​E2F-1/DP-1-heterodimerer.

Normal celleproliferation afhænger af en præcis balance mellem disse systemer. Forholdet mellem disse systemer kan ændre sig, hvilket fører til ændringer i celleproliferationshastigheden.

Cellecyklus: regulering af overgangen fra G2 til M fase

Cellens reaktion på DNA-skade kan forekomme før mitose. Derefter p53 protein inducerer inhibitorsyntese s21, som forhindrer aktivering

CDK1 kinase cyclin B og forsinker videre udvikling af cellecyklussen. Passagen af ​​en celle gennem mitose er stramt kontrolleret - efterfølgende stadier begynder ikke uden fuldstændig afslutning af de foregående. Nogle af inhibitorerne er blevet identificeret i gær, men deres dyrehomologer forbliver ukendte. Fx beskrevet gærproteiner BUB1 (spirende uhæmmet af benomyl) Og MAD2 (mangel på mitotisk arrestation), som styrer vedhæftningen af ​​kondenserede kromosomer til den mitotiske spindel i metafase af mitose. Inden den korrekte samling af disse komplekser er afsluttet, danner MAD2-proteinet et kompleks med proteinkinase CDC20 og inaktiverer den. CDC20 phosphorylerer efter aktivering proteiner og blokerer som et resultat dem af deres funktioner, der forhindrer divergensen af ​​hver af to homologe kromatider under cytokinese .

Konklusion

Eksperimenter med temperaturafhængige mutanter af gær- og pattedyrcellelinjer har vist, at forekomsten af ​​mitose bestemmes af aktiveringen af ​​visse gener og syntesen af ​​specifikt RNA og protein. Nogle gange betragtes mitose kun nuklear division (karyokinesis), som ikke altid er ledsaget af cytotomi - dannelsen af ​​to dele. celler.
Som et resultat af mitose bliver en celle således til to, som hver har antallet og formen af ​​kromosomer, der er karakteristiske for en given type organisme, og som følge heraf en konstant mængde DNA.
Den biologiske betydning af mitose er, at den sikrer konstanten af ​​antallet af kromosomer i alle kroppens celler. Under mitoseprocessen er DNA'et fra modercellens kromosomer fordelt strengt ligeligt mellem de to datterceller, der stammer fra den. Som et resultat af mitose modtager alle kroppens celler, undtagen kønscellerne, den samme genetiske information. Sådanne celler kaldes somatiske (fra det græske "soma" - krop). cyklus). Cellulær cyklus- dette er perioden... Mitotisk cyklus omfatter mitose, såvel som en hvileperiode (G0), postmitotisk ( G1), syntetisk (S) og præmitotisk ( G2... . postmitotisk periode ( G1). Fase G1- det er det vigtigste...

Ved at være i høj koncentration forhindrer det aktiveringen af ​​proteinkinaser CDK4 eller CDK6 af cycliner D1, eller. Under disse betingelser forbliver cellen i G0-fasen eller tidlig G1-fase, indtil den modtager en mitogen stimulus. Efter tilstrækkelig stimulering falder koncentrationen af ​​p27-hæmmeren på baggrund af en stigning i det intracellulære indhold af cycliner D. Dette er ledsaget af aktivering af CDK og i sidste ende phosphorylering af pRb-proteinet, frigivelse af den associerede transkriptionsfaktor E2F og aktivering af transkription af de tilsvarende gener.

I disse tidlige stadier af G1-fasen af ​​cellecyklussen er koncentrationen af ​​p27-protein stadig ret høj. Derfor, efter ophør af mitogen stimulering af celler, genoprettes indholdet af dette protein hurtigt til et kritisk niveau, og yderligere passage af celler gennem cellecyklussen blokeres på det tilsvarende G1-stadium. Denne reversibilitet er mulig, indtil G1-fasen i sin udvikling når et bestemt stadie, kaldet overgangspunktet, hvorefter cellen bliver forpligtet til deling, og fjernelse af vækstfaktorer fra miljøet er ikke ledsaget af hæmning af cellecyklussen. Selvom cellerne fra dette tidspunkt bliver uafhængige af eksterne signaler til at dele sig, bevarer de evnen til selv at kontrollere cellecyklussen.

Tidligt i cellecyklussen kan raske celler genkende og reagere på DNA-skader ved at standse cellecyklusprogression i G1-fasen, indtil skaden er repareret. For eksempel, som reaktion på DNA-skade forårsaget af ultraviolet lys eller ioniserende stråling, inducerer p53-proteinet transkription af p21-proteingenet. Forøgelse af dens intracellulære koncentration blokerer aktiveringen af ​​CDK2 af cycliner E eller . Dette standser celler i sen G1-fase eller tidlig S-fase af cellecyklussen. På dette tidspunkt bestemmer cellen selv sin fremtidige skæbne - hvis skaden ikke kan elimineres, træder den ind