Действие комплексов s- и g2-периодов.
Комплексами S-периода являются ЦА-Cdk2 и ЦВ-Cdk2, комплекс G2-периода – ЦВ-Cdk1.
Основная задача этих комплексов – обеспечить прохождение репликации т.о., чтобы каждый участок ДНК был реплицирован только один раз.
На хромосомах эукариот имеется много точек начала репликации (ТНР). С каждой ТНР комплекс ферментов репликации должен связаться только один раз.
В состав репликативного комплекса (РК) входит 15-20 белков. Часть этих белков образуется под влиянием комплексов G1- периода (РК2), другая часть синтезируется независимо от Cdk (РК1), но могут регулироваться путем фосфорилирования и дефосфорилирования.
В самом конце G1-периода путем освобождения от ингибиторов активируются комплексы S-фазы, в т.ч. ЦА-Cdk2. Этот комплекс фосфорилирует белки репликации. Изменение конфигурации этих белков активирует их и репликативный комплекс начинает работать. При этом в фосфорилированном состоянии репликативный комплекс не может повторно связаться с ТНР.
Кроме репликации во время S- и G2-периодов должно произойти еще:
Образование MPF (митоз стимулирующий фактор – mitosis-promoting factor). MPF представляет собой комплекс циклин В-Cdk1 (ЦВ и Сdk1 образуются в G1 периоде)
Торможение активности этого комплекса, во избежание преждевременного начала митоза. Это осуществляется, вероятно, путем ингибиторного фосфорилирования специальной протеинкиназой.
В S-фазе в цитоплазме происходит удвоение центриолей.
В G2-периоде – синтез тубулина для образования веретена деления.
Профаза и метафаза митоза: действие mpf.
В про- и метафазе митоза ключевую роль играет высокая концентрация MPF. Напротив – в анафазе и телофазе решающее значение имеет низкое содержание в клетке MPF.
В профазе и метафазе решающее значение имеют следующие процессы:
Конденсация хромосом. MPF фосфорилирует гистон Н1 и другие белки, поддерживающие структуру конденсированных хромосом. Данные белки изменяют свою конфигурацию таким образом, что становятся способными связываться с ДНК с образованием метафазных хромосом (конденсация). Данный процесс идет с затратой энергии.
Распад ядерной оболочки. Целостность ядерной оболочки поддерживается ядерной ламиной (тонкая сетевидная пластинка, образованная промежуточными филаментами, и прилегающая к внутренней стороне внутренней ядерной мембраны. MPF катализирует фосфорилирование остатков серина промежуточных филаментов, в результате чего конструкция «рассыпается». В результате мембрана распадается на микропузырьки.
Распад других мембранных структур. Мембранные структуры клетки мешают расхождению хромосом и разделению цитоплазмы, поэтому подвергаются разрушению. Вероятно это происходит путем фосфорилирования MPF структурообразующих белков, связанных с мембраной. Результатом изменения конфигурации последних является их разрушение.
Формирование веретена деления. Фосфорилирование MPF тубулина приводит к полимеризации его с образованием микротрубочек.
Предупреждение преждевременной цитотомии. В районе экватора клетки располагаются нити актина и миозина. В результате их взаимодействия и сокращения происходит разделение клетки. MPF в ранней профазе фосфорилирует легкие цепи миозина, в результате он не может реагировать с актином и разделения цитоплазмы не происходит.
Анафаза и телофаза митоза.
Для прохождения анафазы необходимо разрушение MPF. Это осуществляется фактором, обеспечивающим анафазу (АРС – синтезируется в G1 периоде). В метафазу митоза MPF фосфорилирует помимо других белков и APC, который активируется и начинает разрушать молекулы циклина В, входящего в состав MPF, и MPF разрушается.
Для расхождения хроматид необходимо разрушение связывающих их белков (сложные мультибелковые комплексы). АРС «метит» эти белки, и они быстро разрушаются, в результате чего происходит расхождение хроматид.
В делящихся клетках всегда синтезируется протеинфосфатаза. После снижения концентрации MPF концентрация протеинфосфатазы увеличивается, в результате фосфорилированные в про- и метафазе белки дефосфорилируются. Это приводит:
К восстановлению ядерной оболочки. Дефосфорилированные белки ламины склонны к полимеризации с образованием промежуточных филаментов. Центром объединения служат пузырьки, связанные с кинетохорами хромосом. Сначала образуются микроядра (кариомеры) – пузырьки с одной хромосомой внутри.Далее такие кариомеры сливаются с образованием ядра.
Деконднсации хромосом. Дефосфорилирование гистонов и др. белков способствует деконденсации хромосом.
Цитокинезу. Дефосфорилирование легких цепей миозина приводит к их взаимодействию с актином и разделению дочерних клеток.
Контрольные точки.
В ходе цикла клетка осуществляет самоконтроль собственного состояния. Для этого в цикле существует несколько контрольных точек. Главное, что подвергается контролю – это состояние генетического материала. В зависимости от результатов «проверки» выбирается один из вариантов дальнейших действий:
Безостановочный переход к следующей фазе цикла;
Более или менее длительная задержка на текущей стадии – для исправления обнаруженных дефектов, если такое возможно.
Запуск механизма апоптоза (программируемой клеточной смерти), если нарушения неисправимы.
Контрольная точка G1-периода. Остановка цикла осуществляется в случае обнаружения двухцепочечных разрывов в ДНК, неправильной сегрегации хромосом или разрушение системы микротрубочек.
контрольная точка S-периода. Остановка цикла осуществляется в случае недостатка нуклеотидов в клетке.
Контрольная точка G2-периода. Остановка цикла в случае незавершенности репликации каких-либо участков хромосом, либо крупных повреждений ДНК, оставшихся с прошлого периода.
Контрольная точка метафазы митоза. Остановка цикла осуществляется в случае неправильной сборки веретена деления.
Предполагается, что двухцепочечные разрывы узнаются специальной протеинкиназой. В большинстве случаев хромосомных повреждений центральную роль в остановке цикла играет белок р53. Он синтезируется в клетке постоянно, но очень быстро разрушатся. При наличии в клетке хромосомных повреждений ДНК-протеинкиназа фосфорилирует р53, он становится активным. Активный р53 является транскрипционным фактором для гена белка р21, который является ингибитором всех комплексов циклин-Cdk. По этой причине происходит остановка цикла, в каком бы его периоде не находилась клетка.
Если повреждения хромосом достаточно велики и их исправление затягивается, то длительно сохраняющий активность р53 начинает стимулировать как транскрипционный фактор группу генов, запускающих апоптоз. В результате в клетке начинает выполняться сложная программа самоуничтожения. Дефектная клетка распадается на фрагменты и фагоцитируется соседними клетками.
Несмотря на большое количество защитных механизмов (ферменты репарации, контроль за процессами митоза, апоптоз и др.), они не являются стопроцентными. При определенных условиях возможно образование клеток с дефектным генотипом. В клетке может оказаться несбалансированный набор хромосом (в случае нерасхождения хромосом за счет нарушения веретина деления); могут образовываться полиплоидные клетки (в результате неразделения цитоплазмы); кроме того, в клетке могут присутствовать различные мутации. В случае модифицирования генов, ответственных за процессы клеточного деления, клетка может потерять контроль над делением и превратиться в опухолевую. К онкогенезу могут иметь отношение 120-150 генов человека и некоторое количество вирусных генов.
Мейоз.
При оплодотворении происходит процесс слияния гамет, что обеспечивает увеличение вдвое количества ДНК и хромосом в зиготе и всех клетках развивающегося организма. Поэтому, при образовании половых клеток должен существовать механизм уменьшения числа хромосом, компенсирующий их удвоение при оплодотворении. Это осуществляется в процессе мейоза.
Мейоз – (от греч. Meiosis-уменьшение) деление созревания,особый способ деления клеток в результате которого происходит редукция (уменьшение) числа хромосом и переход клеток из диплоидного состояния в гаплоидное, основное звено гаметогенеза.
Этот процесс состоит из двух следующих друг за другом делений, сопровождающихся лишь одним удвоением ДНК. Для мейоза характерна рекомбинация генетического материала, обмен участками между гомологичными хромосомами (кроссинговер), и активация транскрипции в профазе первого деления мейоза.