Клеточный цикл

13
КЛЕТОЧНЫЙ ЦИКЛ
Живые организмы состоят из клеток, рост и деление
которых нуждается в запрограммированных последовательных событиях и процессах, составляющих клеточный
цикл. Некоторые из этих процессов происходят непрерывно, как, например, синтез белков и липидов. Другие, как,
например, синтез ДНК, носят прерывистый характер и связаны с процессом клеточного деления. В каждом клеточном
цикле объединяются два динамических и качественно различных периода: интерфаза и митоз (рис. 13.1). Необходимо подчеркнуть, что процесс клеточного размножения
основан на репликации ДНК, синтез которой происходит в
периоде S интерфазы клеточного цикла.
Рис. 13.1. Этапы клеточного цикла
206
Интерфаза
Интерфаза является наиболее длительным периодом
клеточного цикла (90%), этот период представляет собой
этап, когда клетка имеет интенсивную биосинтетическую
активность (синтез ДНК, РНК, белков), обеспечивая необходимые условия для осуществления клеточного деления.
Интерфаза подразделяется на три периода, известные как:
 Период G1 – пресинтетический или постмитотический
период, во время которого:
- возобновляется процесс транскрипции и белкового синтеза, блокированные во время митоза;
- происходит деконденсация хроматина – важный
процесс для активации транскрипции генов;
- происходит реорганизация ядрышек;
- клетка содержит диплоидный набор монохроматидных хромосом (2n = 2с).
 период S – синтетический период, характеризуется:
- полуконсервативной асинхронной репликацией
молекул ДНК;
- удвоением количества ДНК;
- двухроматидными хромосомами (2n = 4с);
- параллельным синтезом гистоновых и негистоновых белков, участвующих в синтезе и упаковке
ДНК;
- удвоением центриолей (рис.13.2).
 Период G2 – постсинтетический или премитотический,
в котором процессы транскрипции и белкового синтеза
происходят с той же интенсивностью, что и в периоде
G1, это обеспечивает необходимые условия для митоза.
Митоз и цитокинез
Клеточное деление начинается делением ядра (митоз) и завершается делением цитоплазмы (цитокинез).
207
Митоз и цитокинез занимают короткий период клеточного цикла (10%) и носят название митотического периода (М). Митоз, однажды начавшись, представляет собой
непрерывный процесс. Однако для изучения и описания его
условно подразделяют на четыре этапа: профазу, метафазу,
анафазу, телофазу.
Рис. 13.2. Центриолярный цикл
Профаза характеризуется наличием в ядре двухроматидных хромосом. Эти хроматиды, соединенные на
уровне центромеры, представляют собой цитологическую
картину процесса репликации ДНК. Хромосомы сильно
конденсируются, утолщаются и становятся видимыми; по
обе стороны центромеры образуются по одному кинетохору. В конце профазы исчезает ядрышко и диссоциирует
ядерная оболочка. Одновременно организуется аппарат деления: центриоли перемещаются к противоположным полюсам клетки, формируется веретено деления путем сборки
микротрубочек.
Метафаза. Нити веретена деления связывают центриоль и хромосому с помощью кинетохоров. Хромосомы,
соединенные с веретеном деления, располагаются в эквато208
риальной плоскости, образуют метафазную пластинку. На
этой стадии хромосомы максимально спирализованы и
представляют собой оптимальную форму для цитологического изучения.
Анафаза начинается с продольного разделения центромеры каждой хромосомы, расхождения сестринских
хроматид и завершается одновременной их миграцией к
противоположным полюсам клетки (рис. 13.3). На этом этапе хромосомы становятся монохроматидными, и клетка содержит тетраплоидный набор хромосом (4n = 4с).
Рис. 13.3. Механизм движения филаментов веретена деления
Телофаза. В телофазе заканчивается миграция хромосом к полюсам клетки, у каждого полюса содержится 2n
монохроматидных хромосом (диплоидный набор). Начинается прогрессирующая деспирализация хромосом и возврат
наследственного материала в состояние интерфазного хроматина. Нити веретена деления диссоциируют, вновь появ209
ляются ядерные мембраны вокруг каждой группы хромосом, вновь организуются ядрышки.
Цитокинез завершает процесс деления. Происходит
разделение цитоплазматической массы на две половины и
разделение клеточных органелл. Каждая дочерняя клетка
наследует в результате цитокинеза набор клеточных компонентов. Увеличение количества всех компонентов клетки не
требует точного контроля. Если в клетке имеется много молекул или органелл определенного типа, то достаточно того,
чтобы число их приблизительно удвоилось за цикл, и они
затем примерно поровну разделились между двумя дочерними клетками. Рост органелл происходит задолго до начала цитокинеза. Увеличение количества клеточных органелл
реализуется различными путями. Митохондрии растут и делятся полуавтономно, аппарат Гольджи и ЭПС фрагментируются на пузырьки, которые служат для образования новых клеточных органелл, в то время как рибосомы размножаются путем образования комплекса рРНК и рибосомальных белков. В отношении ДНК такое удвоение и распределение должно быть совершенно точно, и для этого нужен
специальный механизм: репликация ядерной ДНК. Этот механизм обеспечивает образование генетически идентичных
клеток, как между собой, так и с материнской клеткой.
Митотическое деление является основой размножения соматических клеток, обеспечивает змбриогенез, рост
многоклеточного организма, определяет биомассу организма и регенерацию тканей.
Регуляция клеточного цикла
Продолжительность клеточного цикла варьирует в
зависимости от видовой принадлежности, типа клеток и даже в разных клетках одной и той же ткани. Существуют
быстро делящиеся клетки, в которых клеточный цикл повторяется каждые 8 часов, в то время как в медленно деля210
щихся клетках этот период может составить 100 дней и более. Почти все различия в частоте деления клеток обусловлены разницей в длине промежутка между митозом и S периодом (G1 период); медленно делящиеся клетки останавливаются после митоза на недели и даже годы. Наоборот,
время, за которое клетка проходит ряд стадий от начала Sфазы до окончания митоза, очень коротко (у млекопитающих обычно от 10 до 25 ч), и удивительно постоянно, каким
бы ни был интервал между последовательными делениями.
Как только клетка прошла через G1, она уже неизбежно и
без задержки проходит фазы S, G2 и М, независимо от условий среды. Эту точку перехода в конце периода G1 называют точкой рестрикции - R, потому, что именно в этой
точке клеточный цикл еще может приостановиться, если
внешние условия препятствуют его продолжению. Другая
точка рестрикции находится в конце периода G2. Считают,
что растворимая протеин-киназа (фермент, катализирующий фосфорилирование белков) активируется к концу периода G2 и воздействует на белки ядерной ламины и гистона Н1. Фосфорилирование белков ядерной ламины индуцирует распад ядерной оболочки, в то время как фосфорилирование гистонов Н1 вызывает конденсацию хромосом.
Регуляция последовательности событий клеточного
цикла
Процессы точной репликации и распределения ДНК
зависят от строгой последовательности событий клеточного
цикла. Начало следующего события осуществляется только
тогда, когда заканчивается предыдущее событие. Существуют механизмы и регулирующие факторы, которые координируют основные события клеточного цикла:
- инициация синтеза ДНК контролируется комплексом-активатором S-фазы;
211
- ДНК-зависимый М-задерживающий фактор (Мphase-delaying factor) присутствует в цитоплазме в S-фазе и
задерживает митоз до репликации всей ДНК;
- М-стимулирующий фактор
(MPF – М-phase
pomating factor) содержится в цитоплазме только в М-фазе и
вызывает конденсацию хромосом.
Факторы роста
Были описаны специфические митогены (Таб. 13.1)
(факторы, стимулирующие митоз), такие как: эритропоэтин,
факторы роста некоторых клеток (нервов, фибробластов),
гормоны (в особенности эстрогены), полиамины (путресцин). Существуют локальные химические факторы, которые
тормозят клеточную пролиферацию (пептиды или гликопротеиды).
Таблица 13.1. Факторы роста и их действие на клетки-мишени
Факторы роста
Фактор роста эпидермиса ЕGF
Инсулиноподобный фактор
роста I и II (IG F-I и IGF-II)
Фактор роста фибробластов - FGF
Фактор роста нервов NGF
Интерлейкин-2 IL - 2
Интерлейкин-3 IL-3
Эритропоэтин
Факторы стимуляции гранулоцитов-G-CSF
Факторы стимуляции макрофагов М-GSF
Воздействие на клетки-мишени
Стимулирует деление клеток многих типов
Стимулирует деление жировых и соединительнотканных клеток
Стимулирует пролиферацию фибробластов,
клеток эндотелия, миобластов.
Способствует росту аксонов и выживанию
симпатических и сензорных нейронов
Стимулирует пролиферацию Т- лимфоцитов
Стимулирует пролиферацию стволовых клеток и большинства клеток-предшественниц
многих дифференцированных клеток
Стимулирует пролиферацию клеток – предшественниц эритроцитов
Стимулируют пролиферацию клетокпредшественниц макрофагов, гранулоцитов и
нейтрофилов
Стимулируют пролиферацию клетокпредшественниц макрофагов и гранулоцитов
212
Конкуренция клеток за факторы роста поддерживает
постоянную плотность клеточных популяций. В момент когда плотность популяции превышает пороговое значение,
концентрация факторов роста уменьшается, и, как следствие этого, клеточное деление блокируется.
Циклины
Открытие циклинов и циклинзависимых протеинкиназ позволило правильно интерпретировать механизмы,
регулирующие клеточный цикл. Циклины представляют собой группы белков, синтез которых осуществляется в зависимости от периода клеточного цикла. Они активируют
циклинзависимые киназы (cdk), образуя с ними комплекс,
имеющий киназную активность. Во время образования
комплексов, циклины вызывают пространственную модификацию cdk, в результате чего протеинкиназы становятся
специфичными для различных субстратов. Специфичность
каталитического действия комплекса циклины/cdk лежит в
основе прохождения клеткой фаз клеточного цикла.
Весь комплекс событий перехода от интерфазы к митозу запускается МРF с помощью каскада реакций прямого
и непрямого фосфорилирования. Путем фосфорилирования
ядерной ламины МРF запускает распад ядерной оболочки.
Фосфорилирование гистона Н1 способствует конденсации
хромосом и является результатом каталитического воздействия протеин-киназы, которая в свою очередь фосфорилируется МРF. Считается, что существует идентичный непрямой механизм фосфорилирования, который лежит в основе сборки нитей веретена деления. Циклины и cdk составляют компоненты регулирующие клеточный цикл (рис.
13.4).
Циклины классифицируются на три группы (рис.
13.5):
1. Циклины периода G1 – циклины D и Е;
2. Циклины периода S- циклин А;
213
3. Циклины периода G2 – циклин В.
Рис. 13.4. Регуляция клеточного цикла
Рис. 13.5. Работа циклинов в клеточном цикле
214
Гены, участвующие в контроле клеточного цикла
В многоклеточных организмах существуют сложные
системы "общения" между клетками. Посредством этих систем обеспечивается контроль развития и организации тканей, контроль роста и размножения, координация активности клеток, тканей и органов. Описаны два класса генов, кодирующих белки, непосредственно участвующие в регуляции клеточного цикла: протоонкогены и гены супрессоры
опухолей (антионкогены).
Протоонкогены представляют собой класс гетерогенных последовательностей ДНК, присутствующих в нормальных клетках, функции которых связаны с процессами
роста, деления и дифференциации клеток. Они кодируют
факторы роста, рецепторы для факторов роста, циклины и
другие митогены. Протоонкогены активны в эмбриональных клетках, а у взрослых – только в пролиферативных тканях (эпителиальные клетки, клетки гематопоэза). Путем мутаций, которые могут происходить случайно, протоонкогены превращаются в онкогены (например, c-bcl, c-myc, c-ras,
c-jun и т.д.). Онкогены являются таким образом, анормальной гиперактивной формой протоонкогенов, которые способны вызывать избыточную пролиферацию, характерную
для опухолевых клеток.
Гены супрессоры опухолей (ГСО) играют чрезвычайно важную роль в физиологии клеток. Их белковые продукты образуют сети межклеточной сигнализации с функциями противоположными тем функциям, которые вызываются белками, кодируемыми протоонкогенами. ГСО в
норме ингибируют клеточную пролиферацию и дифференциацию. Некоторые ГСО кодируют белки, контролирующие
репликацию и репарацию ДНК, задерживают клетку в периоде S до полного завершения этих процессов. Потеря или
инактивация ГСО (например, при гиперметилировании регуляторных последовательностей ДНК определенных тран215
скрипционных единиц) придает клеткам свойство автономной пролиферации (например, р53, Rb).
Клеточная адгезия
Для большинства клеток позвоночных образование
межклеточных контактов и контактов клетка-матрикс является важным условием в преодолении точки рестрикции.
После вступления в синтетический период и до завершения
митоза, клетки частично теряют контакты, характерные для
ткани, и округляются (рис. 13.6). При культивировании
нормальных клеток в суспензии, когда они не прикреплены
к твердой поверхности и имеют округлую форму, они почти
никогда не делятся (зависимость деления от прикрепления).
Рис. 13.6. Конфигурация клеток на разных этапах клеточного цикла
Эволюция клеток после деления
В зависимости от периода онтогенеза и типа тканей,
клетки после деления могут иметь различные программы
развития, контролируемые определенными генами. Клетки
пролиферативных тканей усиленно делятся, образуя новые
популяции клеток. Есть клетки которые выходят из клеточного цикла для окончательной дифференцировки (специализации) переходя в особое состояние метаболической активности – G0. Клетки, которые закончили свой жизненный
цикл удаляются из ткани путем апоптоза. Помимо процессов пролиферации и дифференциации клетки которые ис216
черпали свои функции в организме, удаляются и замещаются молодыми клетками. Процесс удаления клеток является
физиологическим процессом и называется апоптозом или
запрограммированной клеточной смертью.
Клеточная дифференциация
Все клетки многоклеточного организма образуются
от одной клетки – зиготы – с набором генов, способным
обеспечить рост и развитие сложного организма, состоящего из разных тканей. Репликация ДНК и митоз обеспечивают передачу одинаковой генетической информации всем
клеткам, возникающим в результате деления зиготы. На
различных этапах онтогенеза клетки подвергаются различным структурно-функциональным изменениям. Разные
клетки отличаются друг от друга по содержанию белков,
необходимых для их жизнедеятельности, и специализированных наборов белков, необходимых для выполнения специфических функций данной ткани. Например, клетки эпителия синтезируют кератин, эритроциты – гемоглобин, в
клетках сетчатки - опсин, клетки кишечника – пищеварительные ферменты и др.
Дифференцированное содержание белков в различных клетках определяется различной экспрессией генов во
времени и пространстве. Другими словами, действие генов
– это регулируемый процесс, гены могут быть "включены"
и "выключены".
Апоптоз
Для поддержания нормального тканевого гомеостаза
необходимо равновесие между пролиферацией и гибелью
клеток. Самоубийство клеток запускается для селективного
удаления "нежелательных" клеток. Ими могут быть поврежденные и устаревшие клетки (сегментоядерные лейкоциты, которые накапливаются в очаге воспаления), чужерод217
ные клетки или клетки-предшественницы опухолей
(апоптоз которых инициируется цитотоксическими клетками), клетки, утратившие контакты с внеклеточной средой
(например, эпителиальные клетки, мигрирующие в результате повреждения подкожной жировой ткани), избыточная
популяция клеток, которая конкурирует с другими клетками
за субстрат.
Было доказано, что апоптоз происходит :
- в периоде нормального развития эмбриона;
- в инволюции органов у некоторых видов в период метаморфозов;
- при рассасывании клеток в межпальцевых перепонок руки у человеческого эмбриона;
- при удалении из тканей состарившихся или поврежденных клеток;
- при удалении раковых клеток;
- в иммунной системе путем апоптоза происходит
удаление некоторых лимфоцитарных клеток и селекция новых.
Каждая клетка получает множество сигналов (гормоны, цитокинины) посредством специфических рецепторов. Эти сигналы могут вызвать начало клеточного цикла
или апоптоз клетки. Например, гликокортикоид или ионофор Са2+ индуцируют апоптоз в тимоцитах. Этот процесс
тормозится путем активации протеинкиназы С, интерлейкином С или форболэфиром. Повреждения специфического
рецептора могут привести к возникновению злокачественного клона за счет нарушения равновесия между стимулирующими и тормозящими сигналами апоптоза и пролиферации.
Основной характеристикой апоптоза является разрыв
двойной цепи ДНК на уровне межнуклеосомных линкеров
(рис.13.7). Изменение в ядре, которое отражается, главным
образом, на молекулах ДНК, происходит вследствие акти218
вации или индукции зависимой от ионов Мg2+ и Са2+ эндонуклеазы. Этот фермент присутствует постоянно в некоторых типах клеток, но может индуцироваться и в других типах клеток. Эта эндонуклеаза разрезает межнуклеосомную
ДНК, образуя серию фрагментов из 180-200 п.о.
Рис. 13.7. Схема чередования событий в апоптозе
После разрезания ДНК следует фрагментация ядра, и
в дальнейшем фрагментация клетки с образованием
апоптозных тел. Апоптозные тела подвергаются фагоцитозу соседними клетками или лейкоцитами. Фагоцитоз
апоптозных тел реализуется вследствие узнавания клетками
– фагоцитами новых молекул, выступающих с поверхности
мембраны апоптозных тел (например, гликанов, обогащенных остатками N-ацетил-глюкозамина). В механизме запуска этого процесса было доказано участие онкогенов (myc,
219
ras, blc-2) и некоторых генов-супрессоров опухолей (р53),
которые могут участвовать в инициации или блокировании
апоптоза.
Некоторые онкогены (с-blc-2) специфически блокируют физиологическую гибель клетки (апоптоз). Сверхэкспрессия мутантных онкогенов с-ras может вызвать идентичный блокирующий эффект даже в тех случаях, когда клетки
подвергаются влиянию различных факторов роста, которые
в нормальных условиях после старения привели бы к их
гибели путем апоптоза. Наоборот, ген р53 имеет противоположный эффект, индуцируя апоптоз поврежденных клеток.
Рис. 13.7. Регуляция апоптоза
Старение и апоптоз
В период старения в большинстве органов отмечено
снижение числа клеток в результате замедления ритма деления клеток и их удаления путем апоптоза. Это может
быть результатом дефицита факторов роста, нарушения передачи межклеточных и внутриклеточных сигналов и изменений клеточного цикла. Апоптоз включается с целью уда220
ления состарившихся и поврежденных клеток. Нарушение
апоптоза может привести к удалению нормальных клеток и
сохранению аномальных.
Таким образом, в процессе старения апоптоз удаляет
функционально несостоятельные клетки – нормальный
апоптоз. В других случаях активация механизмов апоптоза
приводит к исчезновению нормальных клеток – избыточный апоптоз. Например, прогрессирующее снижение синтеза некоторых факторов роста и/или факторов выживания с
возрастом позволяет бы сохранить незначительную прогрессивно уменьшающуюся популяцию клеток. В других
случаях механизмы контроля апоптоза могли быть сами
нарушены процессами старения, и их активация привела бы
к апоптозу нормальных клеток – аномальный апоптоз. Патологическая активация или нарушение механизмов апоптоза могут привести к избыточной гибели клеток, которая характерна для старения.
Контроль знаний:
1. Дайте определение: клеточный цикл, интерфаза, митоз,
циклины, аппарат деления, кинетохор, точка рестрикции, фактор роста, апоптоз.
2. Какие фазы клеточного цикла существуют?
3. Какие процессы происходят в интерфазе?
4. Какова продолжительность клеточного цикла?
5. Какие факторы контролируют события интерфазы?
6. Какие факторы индуцируют митоз?
7. Какова биологическая роль митоза?
8. Какова судьба клеток, после деления?
9. В чем заключается биологическая роль апоптоза?
221