Механизмы дробления Инициация дробления

Клеточный цикл соматических клеток по функциональному признаку делится на четыре стадии (или фазы). За митозом (М) следует пресинтетический период (G₁), после которого происходит синтез ДНК (S). Затем наступает премитотический цикл (G₂), за которым следует митоз (рис. 3.39.А). Наступление этих фаз регулируется факторами роста, которые будут подробно рассмотрены в гл. 20. Клеточный цикл бластомеров на ранних стадиях дробления может быть, однако, гораздо более простым. Бластомеры у морского ежа на этих стадиях не имеют фазы G₁; репликация ДНК осуществляется в телофазе предыдущего митоза (Hinegardner et al., 1964). На тех же стадиях у Xenopus laevis и дрозофилы отсутствуют две фазы, G₁ и G₂. (У Xenopus laevis эти фазы появляются в клеточном цикле при переходе к средней бластуле после 12-го деления, а у дрозофилы — после 14-го. В обоих случаях это изменение цикла сочетается с увеличением клеточной подвижности и транскрипции РНК.) В течение первых 12 делений клетки Xenopus делятся синхронно и клеточный цикл бывает двухфазным: S-фаза сменяется М-фазой и M фаза —S-фазой (рис. 3.39, Б. Laskey et al., 1977; Newport, Kirschner, 1982a).

Факторы, регулирующие этот двухфазный цикл, локализованы в цитоплазме. В норме преобразования растущих ооцитов Xenopus laevis останавливаются на стадии профазы первого деления мейоза. Такие ооциты неспособны к делению. Когда в них пересаживают ядра делящихся клеток, эти ядра перестают делиться. Нормальные ооциты, подвергнутые стимулирующему воздействию прогестерона, возоб-

Рис. 3.39. Клеточные циклы соматических клеток и бластомеров на ранних стадиях дробления. А. Клеточный цикл типичной соматической клетки. За митозом (М) следует «интерфазное» состояние. Период между митозами подразделяется на фазы G1, S (синтез) и G2. Б. Более простой двухфазный цикл бластомеров амфибий на ранних стадиях дробления, имеющий только две фазы S и M.

Гилберт с.Биология развития: в 3-х т. Т. I: Пер. С англ. — м.: Мир, 1993. — 228 с.

102 Глава 3

новляют мейотические преобразования, которые идут до стадии метафазы второго деления мейоза и на этой стадии останавливаются. Если в цитоплазму обработанных прогестероном ооцитов помещают ядра неделящихся клеток (например, нейронов), то такие ядра тоже инициируют деление (Gurdon. 1968). В цитоплазме происходят периодические сокращения кортикального слоя (характерные для деления) даже при отсутствии ядер или центриолей. Если в энуклеированные зародыши инъецируют клонированные фрагменты ДНК, то их репликация происходит под контролем этих циклов (Нага et al.. 1980; Harland. Laskey. 1980: Karsenti et al.. 1984). Таким образом, способность клетки к делению регулируется цитоплазмой.

Недавно были выявлены факторы, осуществляющие эту регуляцию. Фактор, индуцируемый прогестероном, который позволяет ооциту возобновить мейоз, представляет собой белок с молекулярной массой 100 000 дальтон: его называют фактором, стимулирующим созревание (maturation promoting factor, MPF). После первого деления мейоза повышается концентрация другого белка цитостатического фактора (cytostatic factor, CSF). что приводит к остановке преобразований ооцита на метафазе второго деления мейоза. Ионы кальция, высвобождающиеся при оплодотворении из эндоплазматического ретикулума. по-видимому, инактивируют CSF, что делает возможным завершение мейоза и слияние пронуклеусов (Meyerhof, Masui. 1977).

Те же самые факторы— MPF, CSF и ионы кальция — важны и после оплодотворения, поскольку они регулируют двухфазный клеточный цикл на ранних стадиях дробления Xenopus. Показано (Gerhart et al.. 1984), что в делящихся клетках уровень активности MPF претерпевает циклические изменения. Активность MPF в бластомерах лягушки на ранних стадиях дробления наивысшая в М-фазе и не выявляется в S-фазе. Такая же цикличность обнаруживается и в энуклеированных бластомерах. Установлено (Newport. Kirschner, 1984), что даже при отсутствии белкового синтеза наступление репликации ДНК (Sфаза) и вступление в митоз (М-фаза) определяются исключительно увеличением и утратой активности MPF. Дробящиеся клетки могут быть блокированы в S-фазе путем инкубации их с ингибитором белкового синтеза. Когда в такие клетки инъецируют MPF, они вступают в М-фазу. Ядерная оболочка этих клеток разрушается, и происходит конденсация хроматина с образованием видимых хромосом. Через 1 ч активность MPF снижается и хромосомы возвращаются к состоянию, характерному для S-фазы. MPF действует, вероятно, путем изменения структуры ядерной оболочки. Через 15 мин после его введения наблюдается гиперфосфорилирование трех ос

Рис. 3.40. Модель регуляции клеточного цикла бластомеров на ранних стадиях дробления у амфибий В присутствии MPF S-фаза клеточного цикла переходит в М-фазу. Когда активность ΜPF прекращается (в результате его разрушения или функциональной инактивации), совершается переход от М-фазы к S-фазе. CSF стабилизирует MPF, задерживая клетку в М-фазе. Ионы кальция противодействуют эффекту CSF, т.е. они возвращают клетку в фазу S. (По Newport, Kirschner, 1984.)

новных белков ядерной оболочки. В течение следующих 15 мин оболочка деполимеризуется и разрушается (Miake-Lye, Kirschner, 1985).

Модель регуляции двухфазного клеточного цикла представлена на рис. 3.40. В цитоплазме продолжается образование MPF (либо путем трансляции мРНК для MPF, уже запасенной в клетке, либо путем активации предшественника MPF). MPF побуждает клетку к переходу от S-фазы к M-фазе. Когда MPF инактивируется, клетка возвращается в S-фазу. Таким образом. MPF управляет клеточным циклом. CSF и ионы кальция регулируют работу регулятора, контролируя содержание MPF в клетке. CSF, по-видимому, стабилизирует MPF, удерживая клетку в состоянии митоза. Ионы кальция, инактивируя CSF, тем самым создают возможность инактивации MPF. При добавлении CSF прекращаются также циклические сокращения кортикального слоя цитоплазмы, а последующая инъекция ионов кальция снова их стимулирует. Таким образом, на ранних стадиях развития цитоплазма определяет скорость клеточных делений и продолжительность S- и М-фаз цикла.