Учебные материалы занятия

Клеточный цикл. В процессе жизненного цикла клетка удваивает свое содержимое и делится на две дочерние. В организме млекопитающего для поддержания жизни производятся ежесекундно миллионы новых клеток. Нарушение регуляции новообразования и размножения клеток проявляется как онкологическое заболевание. Этим вызван большой интерес к изучению и моделированию механизмов регуляции клеточного деления.

Схема клеточного цикла изображена на рисунок 1. Клеточный цикл состоит из двух периодов: митоз (М-фаза) включает разделение предварительно удвоенного ядерного материала, деление ядра, деление самой клетки, цитокинез и занимает около часа. Значительно более длительный период между двумя митозами занимает интерфаза, включающая стадию роста G1, фазу репликации ДНК (S), фазу подготовки к делению G2. Клеточный цикл (рис.2) регулируется генами и белками-ферментами двух основных классов.

Рис. 1. Схема стадий клеточного цикла

Ферменты циклин-зависимые протеинкиназы (Cdk) индуцируют последовательность процессов путем фосфорилирования отдельных белков – циклинов. Циклины – семейство белков-активаторов циклин-зависимых протеинкиназ (Cdk) – ключевых ферментов, участвующих в регуляции клеточного цикла эукариот.

Циклины, синтезируются и деградируют при каждом новом цикле деления, связываются с молекулами Cdk и контролируют их способность к фосфорилированию, без циклина Cdk не активны.

Циклины	Циклин-зависимые протеинкиназы	Фаза клеточного цикла
Циклин Е	Cdk 2	Вход в S-фазу
Циклин А	Cdk 2	Вход в G2-фазу
Циклин В	Cdk 1	Вход в М-фазу

Рис. 2. Схема регуляции клеточного цикла

Количество этих молекул регуляторов в клетках организмов различно. Например, в делении дрожжевой клетки принимают участие один Cdk и девять циклинов, образующие девять разных циклин-Cdk комплексов. У более сложно организованных млекопитающих изучено шесть Cdk и полтора десятка циклинов. Контроль выхода клетки из G₁-фазы и G₂-фазы осуществляют промотор-фактор S-фазы (S-PF) и промотор-фактор M-фазы (M-PF). Они представляют собой гетеродимеры. Cуществует особая контрольная точка клеточного цикла (Start), с которой заканчивается рост (G₁-фаза) и начинается процесс синтеза ДНК.

Регуляция клеточного цикла. Регуляция клеточного цикла осуществляется в процессе обратимого фосфорилирования/дефосфорилирования регуляторных белков. Ключевым белком, регулирующим вступление клетки в митоз (G₂/M-переход), является специфическая серин/треонин-протеинкиназа, которая носит название фактор созревания – ФС (начало митоза – M-PF). В активной форме фермент катализирует фосфорилирование многих белков, принимающих участие в митозе, например, факторы транскрипции, белки митотического веретена и ряд ферментов. Фосфорилирование этих белков запускает процесс митоза. Фосфорилирование белков является важным регулятором их ферментативной активности. Фосфорилирование существенно меняет химические свойства белков. В результате белок становится способным распознать, связать, активировать, деактивировать, фосфорилировать или дефосфорилировать свои субстраты. Таким образом, фосфорилирование может включать и выключать ферменты.

После завершения митоза регуляторная субъединица ФС, циклин, маркируется белком убиквитином и подвергается протеолизу, т.е. процессу гидролиза пептидных связей. Теперь наступает очередь протеинфосфатаз, которые дефосфорилируют белки, принимавшие участие в митозе, после чего клетка возвращается в состояние интерфазы.

ФС – фермент, включающий регуляторную субъединицу, циклин и каталитическую субъединицу, циклинзависимую киназу. Активной формой фермента является лишь димер ЦЗК + циклин. Кроме того, активность протеинкиназы регулируется путем обратимого фосфорилирования самого фермента.

В клетках позвоночных присутствует ряд различных циклинов и циклинзависимых киназ. Разнообразные сочетания двух субъединиц фермента регулируют запуск митоза, начало процесса транскрипции в G₁-фазе, начало процесса репликации ДНК в S-периоде интерфазы (стартовый переход) и другие ключевые переходы клеточного цикла.

В ооцитах лягушки вступление в митоз (G₂/M-переход) регулируется путем изменения концентрации циклина. Циклин непрерывно синтезируется в интерфазе до достижения максимальной концентрации в фазе М, когда запускается весь каскад фосфорилирования белков, катализируемый ФС. К окончанию митоза циклин быстро разрушается протеиназами, также активируемыми ФС. В других клеточных системах активность ФС регулируется за счет различной степени фосфорилирования самого фермента.

Примечания:

Хроматида – это одна нить ДНК или молекула ДНК;

хромосома – структура, состоящая из 2-х сестринских хроматид.

В S-периоде клеточного цикла происходит синтез ДНК, то есть для каждой имеющейся молекулы ДНК синтезируется одна копия (сестринская ДНК). Обе молекулы, старая и вновь синтезированная, частично соединены между собой, и в профазу митоза или мейоза из таких двух молекул ДНК (хроматид) образуется одна хромосома.

Всегда следует помнить, что перед тем как клетка вступает в митоз или мейоз она проходит G1-, S-, G2- периоды клеточного цикла. В S-периоде происходит синтез или редупликация ДНК. В результате этого количество молекул ДНК удваивается.

Митоз

Продолжительность митоза зависит от размеров клеток, их плоидности, числа ядер, а также от условий окружающей среды, в частности от температуры. В животных клетках митоз длится 30-60 мин, в растительных  2-3 часа. Более длительны стадии митоза, связанные с процессами синтеза; самодвижение хромосом осуществляется быстро.

Регуляция митоза. В организме митоз контролируются системой нейрогуморальной регуляции, которая осуществляется нервной системой, гормонами надпочечников, гипофиза, щитовидной и половых желёз, а также местными факторами (продукты тканевого распада, функциональная активность клеток). Взаимодействие различных регуляторных механизмов обеспечивает как общие, так и местные изменения митотической активности. Митоз опухолевых клеток выходят из-под контроля нейрогуморальной регуляции.

Выражением регуляции митоза в связи с взаимодействием организма и среды служит суточный ритм деления клеток. В большинстве органов ночных животных максимум митоза отмечается утром, а минимум – в ночное время. У дневных животных и человека отмечается обратная динамика суточного ритма. Суточный ритм митоза – следствие цепной реакции, в которую вовлекаются ритмические изменения внешней среды (освещённость, температура, режим питания и др.) и биологические ритмы (ритм функциональной активности клеток и изменения процессов обмена веществ).

Нарушения митоза. При различных патологических процессах нормальное течение митоза нарушается. Выделяют 3 основных вида патологии митоза:

1) повреждения хромосом (набухание, склеивание, фрагментация, образование мостов, повреждения центромеров, отставание отдельных хромосом при движении, нарушение их спирализации и деспирализации, раннее разъединение хроматид, образование микроядер;

2) повреждения митотического аппарата (задержка митоза в метафазе, многополюсный, моноцентрический и асимметричный митоз, трёхгрупповая и полая метафазы). Особое значение в этой группе патологии митоза имеет колхициновый митоз, или К-митоз, который вызывается алкалоидом колхицином и другими так называемые статмокинетическими ядами, используемыми в качестве мутагенов. К-митозы возникают и самопроизвольно в культуре ткани и опухолях. При К-митозе нарушаются расхождение центриолей и поляризация ими веретена деления, подвергается дезорганизации митотический аппарат, не происходит разъединения хроматид (К-пары).

3) Нарушения цитотомии, т.е. разделение тела растительной или животной клетки. Патологические митозы возникают после воздействия митотических ядов, токсинов, экстремальных факторов (ионизирующее излучение, аноксия, т.е. отсутствие кислорода в организме или в отдельных органах, тканях, гипотермия), при вирусной инфекции и в опухоли. Резкое увеличение числа патологических митозов типично для злокачественных опухолей.

Мейоз

Особенности мейоза:

1) происходит только в половых клетках;

2) состоит из двух последовательных делений с короткой интерфазой между ними;

3) профаза первого деления очень сложная и отстоит из 5 стадий;

4) в зиготену, вторую стадию профазы редукционного деления, происходит соединение гомологичных хромосом (биваленты или тетрады), которые остаются связанными между собой до анафазы 1-го деления;

5) в анафазу 1-го деления происходит разделение и расхождение к полюсам целых хромосом, состоящих из двух хроматид, а не разделение хромосом на отдельные хроматиды, как в митозе;

6) в интерфазу между 1-м и 2-м делениями мейоза отсутствует S-период и перед 2-м делением не происходит редупликации ДНК;

7) в процессе мейоза образующиеся дочерние клетки полностью не разделяются между собой, а остаются связанными тонкими цитоплазматическими мостиками.

Продолжительность мейоза. Продолжительность мейоза напрямую зависит от количества ДНК в ядре. Также продолжительность мейоза зависит от структуры хромосомной организации и особенностей данного вида.

Вид	2n	Время, ч	ДНК на клетку (пг)
Львиный зев Antirrhinum majus	16	24.0	5.5
Гаплопаппус изящный Haploppapus gracilis	4	36.0	5.5
Рожь посевная Secale cereale	14	51.2	28.7
Лук репчатый Allium cepa	16	96.0	54.0
Традесканция палудоза Tradescantia paludosa	12	126.0	59.0
Тульбагия фиолетовая Tulbaghia violacea	12	130.0	58.5
Лилия Генри Lilium henryi	24	170.0	100.0
Лилия длинноцветковая Lilium longiflorum	24	192.0	106.0
Триллиум прямостоящий Trillium erectum	10	274.0	120.0