Регуляция митотического цикла - Клеточный цикл - ВОСПРОИЗВЕДЕНИЕ КЛЕТОК

Деление клеток — биологический процесс, лежащий в основе размножения и индивидуального развития всех живых организмов. В разные периоды индивидуального развития действуют разнообразные механизмы, обеспечивающие рост и поддержание клеточного состава тканей и органов организма. Вступление клеток в митотический цикл, прохождение его фаз, выход из митотического цикла, дифференцировка, функционирование в составе тканей, гибель находятся под контролем организма и могут зависеть от различных воздействий. В разные периоды индивидуального развития организма действуют различные механизмы, обеспечивающие рост и поддержание клеточного состава тканей. Поддержание клеточного состава организма достигается балансом между репродукцией клеток каждой ткани и генетически запрограммированной гибелью клеток — апоптозом.

Ученые, занимающиеся изучением пролиферации клеток, придают большое значение регуляции митотического цикла. Установлено, что закономерная последовательность смены периодов митотического цикла обусловлена активностью генов и осуществляется при взаимодействии специализированных белков — циклинов и циклинзависимых киназ. Циклинзависимые киназы фосфорилируют (переносят остаток фосфорной кислоты с АТФ) на определенные белки, вовлеченные в соответствующую фазу цикла, и таким образом активируют или ингибируют их, определяя смену фаз клеточного цикла. Молекула циклинзависимой киназы сама по себе неактивна. Для ее активации требуется связывание с ней циклина.

Существует несколько разных циклинов и циклинзависимых киназ, их концентрация в клетке в течение митотического цикла изменяется циклическим образом. При этом могут быть разные сочетания циклинов и циклин-зависимых киназ; и каждое такое сочетание характерно для строго определенной фазы цикла. В таких комплексах киназа выполняет каталитическую роль, а циклин — регуляторную, они контролируют вступление и переход клетки из одного периода митотического цикла в другой.

В ходе митотического цикла в клетках не только происходят соответствующие процессы, но и осуществляется контроль за их результатом. Наиболее существенным является состояние генетического материала. Для этого в цикле существует несколько контрольных точек. В контрольной точке G1-периода могут обнаруживаться двухцепочечные разрывы молекул ДНК, неправильное распределение хромосом или разрушение системы микротрубочек. В контрольной точке S-периода имеет значение наличие нуклеотидов, правильность репликации ДНК. В контрольной точке G₂-периода выявляются незавершенность репликации каких-либо участков хромосом либо крупные повреждения ДНК. В контрольной точке метафазы осуществляется контроль правильной сборки веретена деления. В зависимости от состояния генетического аппарата клетки могут:

• перейти к следующей фазе цикла;

• задержаться в текущей стадии митотического цикла для исправления обнаруженных нарушений (если такое возможно);

• включить механизмы апоптоза (программируемой клеточной гибели), если нарушения неисправимы.

В большинстве случаев хромосомных повреждений центральную роль в остановке клеточного цикла играет белок р53. Он синтезируется в клетке постоянно, но очень быстро разрушается. Двухцепочечные разрывы ДНК узнает фермент ДНК-зависимая протеинкиназа. Она фосфорилирует белок р53, он становится активным. Активный р53 является транскрипционным фактором для гена белка р21, который является ингибитором всех комплексов циклин-циклинкиназа. По этой причине происходит остановка клеточного цикла. При значительном повреждении хромосом длительная активность р53 начинает стимулировать как транскрипционный фактор группу генов, запускающих апоптоз.

Защитные механизмы клеток (ферменты репарации ДНК, контроль за процессами митоза, апоптоз и др.) 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 веретена деления); могут образовываться полиплоидные клетки (в результате неразделения цитоплазмы); кроме того, в клетке могут присутствовать различные мутации.

В процессе апоптоза в клетке включаются специальные энергозависимые механизмы самоуничтожения, которые осуществляют генетически контролируемое разрушение компонентов клетки. Поврежденные клетки распадаются на фрагменты и фагоцитируются соседними клетками. С помощью апоптоза осуществляется регуляция количества клеток в той или иной ткани. Посредством апоптоза организм избавляется от лишних и “отработавших” клеток, например, во время эмбрионального развития, при формировании нервной системы и при иммунном ответе. Путем апоптоза разрушаются измененные клетки при опухолевой трансформации, вирусной инфекции или необратимом повреждении ДНК в случае облучения. 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.

Опорные точки

• Клетки многоклеточного организма отличаются по особенностям и продолжительности жизненного цикла.

• Часть клеток фракции роста ткани являются стволовыми и сохраняют потенции к специализации в различных направлениях.

• Главным событием интерфазы является редупликация ДНК.

• В процессе митоза происходит точное и равномерное распределение хромосомного материала между дочерними клетками.

• Митотическое деление растительных клеток протекает без участия клеточного центра.

• В результате митотического деления образуются генетически идентичные дочерние клетки.

• Поддержание структурного гомеостаза обеспечивается балансом между репродукцией клеток и их гибелью.

• Регуляция интенсивности размножения клеток и запрограммированной клеточной гибели осуществляется нервной, эндокринной, тканевыми и внутриклеточными регуляторными системами.

Вопросы и задания для повторения

1. Что такое жизненный цикл клетки?

2. Дайте определение митотического цикла клетки.

3. Расскажите, как осуществляется синтез ДНК.

4. Опишите процесс митоза.

5. Дайте определение митоза и сформулируйте его биологическое значение.

6. В чем заключается биологический смысл митоза?

7. Охарактеризуйте биологический смысл запрограммированной клеточной гибели — апоптоза.

8. Как осуществляется движение хромосом в анафазе и что общего во всех двигательных реакциях живого организма?

9. В чем заключается биологический смысл различий в течение митотического цикла клеток разных тканей многоклеточного организма?

10. Раскройте сущность и биологическое значение размножения клеток путем митоза.

11. Каков биологический смысл генетической однородности клеток многоклеточного организма?

12. Как соотносятся образование новых клеток в результате митоза и запрограммированная гибель клеток в разные периоды индивидуального развития?