иии / мроекулярная биология клетки / Глава3

31

10.Сверочные точки находятся:

(1)G1→S

(2)S→G2

(3)G2→М

(4)М→G1

ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОКОНТРОЛЯ

1.Что такое клеточный цикл? Назовите стадии.

2.Что такое митотический цикл? Назовите стадии.

3.Какие процессы происходят в клетке во время пресинтетического периода интерфазы?

4.Какие процессы происходят в клетке во время синтетического периода интерфазы?

5.Какие процессы происходят в клетке во время постсинтетического периода интерфазы?

6.Что такое фаза пролиферативного покоя? Какие процессы происходят в клетке во время фазы полиферативного покоя?

7.В какую стадию митотического цикла клетки происходит репликация ДНК?

8.Как называется точка начала репликации?

9.Как происходит образование репликативной вилки?

10.Как называется фермент, который синтезирует лидирующую цепь ДНК во время репликации? В каком направлении происходит синтез отстающей цепи ДНК?

11.Что такое центромера?

12.Что такое кинетохор? Какова его функция?

13.Каковы функции теломерных участков хромосомы?

14.Какова роль теломеразы в старении клеток?

15.Какие процессы происходят в клетке во время профазы митоза?

16.Какие процессы происходят в клетке во время прометафазы митоза?

17.Какие процессы происходят в клетке во время метафазы митоза?

18.Какие процессы происходят в клетке во время анафазы митоза?

19.Какие процессы происходят в клетке во время телофазы митоза?

20.К чему приводят мутации ras G-белок?

21.Что такое геликаза?

22.Назовите нетипичные формы митоза.

23.Как называется вид деления клеток, который сопровождается удвоением числа хромосом внутри ядерной оболочки без разрушения ядрышка и образования веретена деления?

24.Назовите клетки, в которых в норме происходит нетипичный митоз?

32

25.Что такое клеточный тип?

26.Что такое терминальная дифференцировка клетки?

27.Что такое пластичность клеточного типа и клеточный фенотип?

28.В каких процессах участвуют циклины?

29.Что такое индуцированные плюрипотентные клетки?

30.Как получают индуцированные плюрипотентные клетки?

31.При каком типе деления происходит кратное увеличение содержания ДНК в хромосомах при сохранении их диплоидного числа?

32.Какие хромосомы называются политенными? Как они образуются?

33.Что такое рецепторы смерти?

34.Какие внеклеточные молекулярные сигналы, стимулирующие клеточный цикл, Вы знаете?

35.Какой набор хромосом имеют дочерние клетки, образующиеся в результате митоза?

36.Что такое проапоптозные белки? Приведите примеры.

37.Что происходит в фазу G0?

38.Приведите пример прямой генной терапии, разрешённой в практической медицине.

39.К чему приводит мутация гена, кодирующего белок р53?

40.О чём свидетельствует снижение экспрессии гена, кодирующего белок р27?

41.Что происходит в точках рестрикции клеточного цикла?

42.Какова функция циклин-зависимых протеинкиназ?

43.Что такое апоптоз? Назовите несколько сигналов апоптоза.

44.Перечислите основные отличия некроза от апоптоза?

45.Какое биологическое значение имеет апоптоз?

46.Приведите примеры протоонкогенов. Какова их роль в злокачественной трансформации клеток?

47.Приведите примеры генов онкосупрессоров. Каков механизм их действия?

48.Чем обусловлена дифференцировка клеток?

49.Назовите типы стволовых клеток. Чем они отличаются?

50.Что такое ДНК-зонд?

33

СПРАВОЧНИК ТЕРМИНОВ

Аденин (6-амино пурин) — пуриновое основание; входит в состав РНК, ДНК нуклеотидов и играет важную роль в метаболизме

Азотистые основания — гетероциклические органические соединения, производные пиримидина и пурина, входящие в состав нуклеиновых кислот.

Амплификация — умножение количества копий участков хромосомной ДНК.

Анафаза — третья стадия, или фаза, митотического деления (митоза) растительной и животной клетки. Во время анафазы составляющие каждую хромосому хроматиды (или сестринские хромосомы) разъединяются и расходятся к противоположным полюсам клетки.

Антипараллельность цепей ДНК — противоположная направленность двух нитей двойной спирали ДНК; одна нить имеет направление от 5' к 3', другая — от 3' к 5'.

Апоптоз (от гр. apoptosis — опадание листьев) — программированная (регулируемая) гибель клеток путём деградации её компонентов (включая конденсацию хроматина и фрагментацию ДНК) с последующим фагоцитозом макрофагами; а. наблюдается при морфогенезе органов, удалении аутореактивных клонов иммунокомпетентных клеток, регуляции численности пролиферирующих клеточных популяций, повреждении генома клеток. Контроль а. в клетках млекопитающих реализуется по двум путям. “Внешний” (рецепторный) путь запускает агонист рецептора смерти (например, Fas-лиганд, TNFa). Опосредованнаялигандомолигомеризация рецептора приводит к активации каспазы 8. “Внутренний” (митохондриальный) путь: большинство других проапоптозных стимулов инициирует активацию каспазы 9, что опосредуетApaf 1. Эти стимулы действуют на митохондрии, из которых выделяется цитохром c. Вместе с Apaf 1 и каспазой 9 цитохром с формирует комплекс активации (апоптосому). Каспаза 8 и каспаза 9 активируют эффекторныекаспазы (например, каспазу 3), которые участвуют в протеолизе и вызывают а. Аномально повышенная устойчивость (резистентность) клеток к а. значима в патогенезе пороков развития, аутоиммунных нарушений и злокачественных новообразований вследствие подавления процесса гибели дефектных и мутантных клеток (например, при аутоиммунном лимфопролиферативном синдроме угнетён а. лимфоцитов вследствие мутации гена, кодирующего гликопротеин Fas). Аномально повышенная гибель клеток путём а. сопровождает острые заболевания (инфекции, ишемические повреждения), а также ряд хронических патологий (нейродегенеративные заболевания, СПИД).

34

Апоптосома — молекулярный комплекс активации апоптоза, включает молекулу Apaf 1, цитохром c, выделяющийся из митохондрий в ответ на действие проапоптозного сигнала, и каспазу 9.

Белки гистоновые (гистоны) — небольшие, сильно основные белки, связывающиеся непосредственно с ДНК. Гистоны принимают участие в структурной организации хроматина, нейтрализуя за счет положительных зарядов аминокислотных остатков отрицательно заряженные фосфатные группы ДНК, что делает возможной плотную упаковку ДНК в ядре.

Белки негистоновые — группа высоко гетерогенных белков, включает структурные ядерные белки, множество ферментов и факторов транскрипции, связанных с определенными участками ДНК и осуществляющих регуляцию репликации, транскрипции, процессинга и других процессов.

Белок p27 связывается с циклином и Cdk и блокирует вхождение клетки в S фазу цикла. Определение р27 используют в диагностике рака молочной железы. Снижение уровня р27 является плохим прогностическим признаком.

Белок p53 — онкосупрессор, фактор транскрипции. Известен также как главный супрессор опухолей; активирует транскрипцию (связывается с последовательностью ТАТА ДНК); избыточная экспрессия дикого типа p53 подавляет реализуемую разными промоторами транскрипцию, что приводит к блоку пролиферации клеток в фазе клеточного цикла G1 (в опухолях часто обнаруживаются аллели p53 в мутантной форме [пролиферацию не блокируют!]); при повреждении ДНК индуцируют гибель клеток (апоптоз); существует множество ассоциированных с p53 белков, посредством которых p53 участвует во многих клеточных процессах: подавляет клеточный цикл в фазе G1, репликацию ДНК, спирализующую активность и пролиферацию опухолевых клеток. Опухоли (практически в 50%) сопровождаются мутациями гена p53. При этом, несмотря на возможные нарушения генома (включая изменения в количестве хромосом), клетки не входят в апоптоз и вступают в беспрерывный клеточный цикл. Репертуар мутаций гена p53 довольно широк. Они приводят к бесконтрольномуразмножению клеток при раке толстой кишки, печени, лёгкого, пищевода, молочной железы, глиальных опухолях мозга, опухолях лимфоидной системы. При синдроме LiFraumeni врождённый дефект p53 является причиной высокой частоты поражения раком.

Вегетативное размножение — способ бесполого размножения многоклеточных организмов с образованием новой особи из части тела родительского организма.

35

Веретено деления — структура, которая формируется в животных клетках в митозе. Состоит из микротрубочек и ассоциированных с ними белков.

Ген ras — семейство генов, кодирующих Ras белки (например, v H ras — трансформирующие гг. вирусов саркомы Harvey, BALB, Rasheed

исаркомы Кирстена [v K ras]); формально рассматриваются как онкогены (точнее, к таковым следует отнести мутантные и видоизменённые аллели, экспрессия которых ведёт к злокачественному росту).

Ген — единица наследственности — совокупность сегментов ДНК, которые вместе составляют экспрессируемую единицу, обусловливающую образование специфического функционального продукта – либо молекулы РНК, либо полипептида.

Гуанин (2-амино-6-окси пурин) — азотистое основание, аминопроизводное пурина, является составной частью нуклеиновых кислот. В ДНК, при репликациии транскрипции образует три водородных связи с цитозином.

Дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК) — две полинуклеотидные цепи, закрученные одна вокруг другой в виде двойной спирали; обеспечивает хранение, реализацию и передачу из поколения в поколение генетической информации.

Дифференцировка — проявление различий между клетками (внешнее выражение детерминации) в виде формирования морфологических

ифункциональных признаков специализации клеток. Применительно к клетке (цитодифференцировка) и в более узком смысле — созревание данной клетки и превращение её в высокоспециализированную. В ходе специализации конкретного клеточного типа (дифферон) формируются разные фенотипы клеток. Результат д. — специализированная клетка конкретной морфологии, выполняющая определённую функцию (состояние терминальной д.). По мере д. постепенно ограничиваются потенции клеток развиваться в различных направлениях. Д. необратима и осуществляется только в одном направлении — от менее дифференцированной к более дифференцированной структуре. При д. клетки экспрессируют строго определённую при детерминации часть генома: транскрибируют специфические РНК и синтезируют специфичные белки, что

иопределяет морфологические и функциональные признаки специализации клеток. Следовательно, различия между клетками, обладающими одинаковым набором генов, определяет дифференциальная активность генов. Д обычно наступает после пролиферации клеток. Быстро размножающиеся клетки, как правило, являются малодифференцированными (например, клетки базального слоя эпителия кожи или мезенхимные клетки). Наоборот, высокодифференцированные клетки, как

36

правило, утрачивают способность к пролиферации (например, эритроциты и нейроны).

ДНК-полимераза — фермент, участвующий в репликации ДНК. Ферменты этого класса катализируют полимеризацию дезоксирибонуклеотидов вдоль цепочки нуклеотидов ДНК, которую фермент «читает»

ииспользует в качестве шаблона. Тип нового нуклеотида определяется по принципу комплементарности с шаблоном, с которого ведётся считывание.

Интерфаза — период клеточного роста, во время которого идет синтез ДНК и белков и осуществляется подготовка клетки к делению.

Интерфаза, постсинтетический период (G2-фаза) — период интерфазы происходит активный синтез белков и накопление энергии, для предстоящего деления.

Интерфаза, предсинтетический период (G1-фаза) — стадия интерфазы, во время которой происходит активный синтез РНК и белка.

Интерфаза, синтетический период (S-фаза) — стадия интерфазы, во время которой идет репликация ядерной ДНК, удвоение центриолей.

Кариокинез — деление клеточного ядра, происходящее во время деления клетки перед началом деления цитоплазмы (цитокинез).

Кариотип — совокупность признаков полного набора хромосом клетки.

Каспазы — протеолитические ферменты из семейства цистеиновых протеаз, осуществляют деградацию множества клеточных белков, функционируют во внутриклеточных сигнальных путях на промежуточных

изавершающих стадиях реализации апотоза. В апоптозе участвуют два класса к. — инициаторы и эффекторы. Проапотозным сигналом активируются инициаторные к. (к. 2, -8 и -9). Инициаторные к. процессируют эффекторные к. (к. 3, -6 и -7), действие которых и приводит к гибели клетки вследствие расщепления специфических субстратов.

Кинетохор — белковая структура на хромосоме, к которой крепятся волокна веретена деления во время деления клетки. Кинетохоры играют важнейшую роль при сегрегации хромосом для последующего разделения родительской клетки на две дочерние. Кинетохоры формируются на центромерах хромосом у животных клеток. Кинетохоры подразделяют на две области — внутреннюю, крепко связанную с центромерной ДНК, и внешнюю, взаимодействующую с микротрубочками - веретена деления.

Клетка стволовая кроветворная к. Существование с.к.к. было показано в

работах Tillи McCulloch (1961), которые инъецировали к. костного мозга летально облучённым мышам той же генетической линии, что и доноры;

37

некоторые из этих к., пролиферируя, формировали в селезёнке хозяина колонии, состоящие из предшественников эритроцитов, гранулоцитов, тромбоцитов; С.к.к. способна к самообновлению и даёт начало всем линиям к. крови. С.к.к. мигрирует из мезонефроса в желточный мешок, где формируются кровяные островки и начинается эмбриональный гемопоэз. К. кровяных островков мезодермы желточного мешка экспрессируют Flk-1 — рецептор фактора роста эндотелия VEGF, играющий ключевую роль в регуляции эмбрионального развития сосудов и крови. Инактивация Flk-1 ведёт к дефектам развития эндотелия сосудов и к. крови. Полагают, что существует общий для ангиогенеза и гемопоэза предшественник, экспрессирующий Flk-1, — гемангиобласт, идентичный к. CFU-blast. При действии VEGF CFU-blast’ы формируют колонии к., экспрессирую- щихFlk-1 и дающих начало эндотелиальным игемопоэтическим к. VEGF индуцирует фенестрирование и подвижность эндотелиальных к.; цитокины могут стимулировать примитивные миелоидные к. к выработке VEGF. С.к.к. экспрессируют лиганд P-селектина PSGL-1; с.к.к. и коммитированные к.-предшественницы экспрессируютSca-1, thy-1, CD34, CD38, HLA-DR, c-kit. Ранние события роста, детерминирования и коммитирования с.к.к. контролирует ряд генов факторов транскрипции — SCL, GATA, Hox, AML-1, c-myb, Rbtn-2, PU.1, Ikaros и др. Вторая основная группа генов кодирует поверхностноклеточные рецепторы c-kit, Flk-2, c- mpl, dlk и др. Обе группы генов определяют механизмы контроля различных аспектов поведения с.к.к. Заселению костного мозга с.к.к. способствуют P-селектин, E-селектин, VCAM-1 эндотелия сосудов. К. стромы костного мозга экспрессируют широкий спектр молекул адгезии (например, ICAM-1, VCAM-1, VLA-4, CD34, CD31, CD44, CD50), опосредующих связывание стволовых кроветворных к. и других предшественников с элементами внеклеточного матрикса (коллагенами типов I–VI, фибронектином, тенасцином), а также трансэндотелиальную миграцию с.к.к. CD34+-к. экспрессируют рецептор CXCR4 для связывания с фактором-1 стромы SDF-1, что стимулирует миграцию с.к.к. через эндотелий. SDF-1 участвует в хоминге лимфоцитов, функциональной активации зрелых к. крови, ингибировании роста с.к.к. Селектины L, P, E способствуют адгезии лейкоцитов и эндотелия. L-селектин экспрессируется лейкоцитами, E-селектин — эндотелиальными к., P-селектин содержится в гранулах тромбоцитов и эндотелиальных к. (тельца Вайбеля-Паладе). Одна из основных функций цитокинов в костном мозге — угнетение апоптоза.

стволовая нейральная к. присутствует не только в развивающейся нервной системе, но и в нервной системе взрослого организма. Маркёр с.н.к. — белок промежуточных филаментов нестин. Именно такие к. присутствуют в эпендимном слое, они экспрессируют нестин и харак-

38

теризуются крайне редкими митозами. В эмбриогенезе такие эпендимные с.н.к. делятся асимметрично с образованием одной дочерней клетки, которая остаётся в качестве с.н.к. в эпендимном слое, вторая дочерняя клетка мигрирует в субвентрикулярный слой, где очень быстро даёт начало пулу делящихся предшественников, из которого дифференцируются нервные и глиальные клетки, уходящие в места окончательной локализации (рис. 18–5, см. также рис. 4–1). При повреждении спинного мозга резко возрастает уровень пролиферации с.н.к. с последующим образованием в области повреждения мигрирующих астроцитов. Факторы роста EGF и FGF 2 служат митогенами для с.н.к. In vitro такая с.н.к.. может давать начало клеткам всех зародышевых листков. Это свидетельствует о том, что во взрослом организме с.н.к. имеет широкие потенции к дифференцировке в различных направлениях и может быть использована как источник различных клеточных типов, необходимых для трансплантации при конкретной патологии.

стволовая эмбриональная клетка — тотипотентная к., способная дифференцироваться в множество клеточных типов. Согласно существующей догме, только с.э.к., изолированная до наступления ключевых этапов развития, может давать начало любой ткани организма. Однако, ряд данных по с.э.к. заставляет усомниться в универсальности этой догмы; оказалось, что: некоторые к. (например, стволовые нейральные к., см. рис. 18–5) взрослого организма in vitro способны проявлять свойства с.э.к., если они получают определённые инструктирующие сигналы из микроокружения. Исследователи стремятся изучить возможности использования с.э.к. для замещения тканевых дефектов, например, при травме спинного мозга, болезни Паркинсона, дефектах миелинизации, диабете. Если определённые молекулярные сигналы действительно могут индуцировать с.э.к. (в т.ч. полученные из конкретного организма) развитие разных клеточных типов, почему бы эти к. не использовать для решения массы задач (в первую очередь, в области трансплантологии) современной медицины?

Клеточный цикл — это период существования клетки от момента её образования путем деления материнской клетки до собственного деления.

Клон — группа идентичных клеток, происходящая от одной родоначальной клетки-предшественницы.

Лиганд. Подэтим термином понимают химическоесоединение, связывающееся с другим химическим соединением, как правило, с большей молекулярной массой. В эндокринологическом контексте термин лиганд применяют по отношению к молекулам гормонов, связывающихся со специфичными для них рецепторами клеток–мишеней.

39 Липкие концы — комплементарные однонитевые участки ДНК,

расположенные на концах молекул ДНК.

Мегакариоцит — предшественник тромбоцитов. М. экспрессируют маркёры, значительно более выраженные в тромбоцитах, — например, GP IIb (CD41), GP IX, PF4, and GP Ib[a] и др. CD41 — маркёрный рецептор мегакариоцитов и тромбоцитов; служит для связывания с фибриногеном, фибронектином, коллагеном, фактором фон Виллебранда. Экспрессия CD41 снижена или отсутствует при тромбастении Глянцманна

Метаплазия (гр. metaplasis, трансформация) — стойкое превращение одного типа ткани в другой, отличающийся от исходного морфологически и функционально; (приобретённая патология); происходит нередко за счёт пролиферации камбиальных клеток.

Метафаза — стадия клеточного деления, следующая за профазой; в метафазе завершается формирование веретена деления, а пары хромосом выстраиваются в экваториальной плоскости клетки

Метафазная пластинка — скопление хромосом в плоскости, перпендикулярной оси деления (экваториальная плоскость) на стадии метафазы перед началом анафазного расхождения.

Микротрубочки — белковые внутриклеточные структуры, входящие в состав цитоскелета. Микротрубочки представляют собой полые внутри цилиндры диаметром 25 нм. Длина их может быть от нескольких микрометров до, вероятно, нескольких миллиметров в аксонах нервных клеток. Их стенка образована димерами тубулина. Микротрубочки, подобно актиновым микрофиламентам, полярны: на одном конце происходит самосборка микротрубочки, на другом — разборка. В клетках микротрубочки играют роль структурных компонентов и участвуют во многих клеточных процессах, включая митоз, цитокинез и везикулярный транспорт.

Митоз — способ репродукции у эукариот, обеспечивает образование из материнской клетки двух генетически идентичных дочерних клеток.

Некроз – гибель клеток в результате необратимого повреждения. Нуклеазы — ферменты, расщепляющие фосфодиэфирные связи в

цепях нуклеиновых кислот.

Нуклеозид — соединение сахара (обычно рибозы или дезоксирибозы) с пуриновым или пиримидиновым основанием с помощью N гликозидной связи.

Нуклеосома — структурная единица хроматина. В н. неконденсированного хроматина содержится по две копии гистонов H2A, H2B, H3 и H4. Двойная спираль ДНК лежит на поверхности октамера гистонов

40

и накручена на него. В конденсированном хроматине дополнительно присутствует гистон H1, соединяющий нуклеосомы.

Нуклеотид — 1. Соединение пуринового или пиримидинового основания, сахара(обычно рибозы или дезоксирибозы) и фосфатной группы. 2. В широком смысле любое соединение, содержащее гетероцикл, связанный с фосфорилированной молекулой сахара с помощью N гликозидной связи. Нуклеотиды — фосфатные эфиры нуклеозидов. є мононуклеотид є нуклеозидфосфат.

Нуклеотидил трансферазы — ферменты, переносящие остатки нуклеотидов (нуклеотидилы) с нуклеозидди- и трифосфатов на димеры или полимеры нуклеотидов. Некоторые нуклеотидил трансферазы имеют специальные обозначения (например, аденилил трансферазы), тривиальные названия (пирофосфорилазы, фосфорилазы), или обозначаются по продукту синтеза (РНКили ДНК полимераза).

Онкоген 1. Один из генов, в обычных условиях кодирующих белок, обеспечивающий пролиферацию и дифференцировку клеточных популяций (протеинкиназы, ГТФазы, ядерные белки, факторы роста); так, ген c erbB кодирует рецептор фактора роста эпидермиса, а ген erbA — рецептор стероидных гормонов. У опухолевых ДНК вирусов оо. кодируют нормальныевирусные белки; оо., однако, могут спровоцировать — в случае их мутаций или активации ретровирусами — злокачественный рост. Идентифицировано множество оо., например, ras (опухоли мочевого пузыря); p53, мутантный ген хромосомы 17 (нормально принимает участие в репарации вызванных ультрафиолетовым облучением генных дефектов); Мутации p53 ответственны за развитие рака молочной железы, шейки матки, яичника, лёгкого; RET — вероятно, важен для морфогенетических процессов в эмбриогенезе, экспрессируется в озлокачествлённых С клетках (продуцирующих кальцитонин) щитовидной железы, клетках феохромоцитомы. Малигнизирующие эффекты оо. могут быть усилены ретровирусами, т.н. прыгающими генами, мутациями. 2. Найдены в некоторых ДНКовых опухолевых вирусах, необходимы для репликации вируса є трансформирующий ген. 3. Ген вируса или ретровируса, вызывающий злокачественное перерождение клетки-хо- зяина, но необязательный для репликации вируса.

Онкостатин М (OSM) — гликопротеин (Мr 28 000), ингибирует пролиферацию и рост клеток опухолей и нормальных тканей, а также влияет на их морфологию. OSM экспрессируют CD45+ клетки эмбриональной печени, тогда какгепатоциты экспрессируют рецепторы OSM. Предполагают, что OSM выступает в роли паракринного медиатора, играющего центральную роль в развитии печени. OSM, с одной стороны, служит сигналом, прекращающим гемопоэз в печени и стимулирующим