Митотический цикл. Регуляция митотического цикла

РУДН. Кафедра биологии и общей генетики
Азова Мадина Мухамедовна

Клеточное деление впервые было описано в 1824 г. французскими учеными Ж.-Л. Прево и Ж.-Б. Дюма, наблюдавшими дробление яиц у животных, но их открытие не было по достоинству оценено современниками. Во второй половине 70-х годов XIX века последовала серия работ        Э. Страсбургера и его учеников, описавших отдельные фазы деления клетки, В. Флемминга, открывшего различные типы деления ядра и других исследователей, в том числе и российского ученого И.Д. Чистякова. Термин «митоз» принадлежит  В. Флеммингу.

Интервал между завершением митоза в исходной клетке и завершением митоза в ее дочерней клетке в настоящее время обозначают как «митотический цикл».

Период между двумя митотическими делениями ранее назывался интерфазой и рассматривался как пассивное состояние клетки. В 1953 г. А. Говард и С. Пелк опровергли представление об инертности клетки в интерфазе и предложили разбить митотический цикл на 4 периода (фазы):

· Собственно деление клетки (митоз)

· Пресинтетический период G1 ( от англ. gap - интервал)

· Синтетический период S

Рекомендуемые материалы

· Премитотический период G2

В пресинтетическом (постмитотическом) периоде завершается формирование ядрышка, осуществляется активный синтез РНК и белков, масса клетки и количество органоидов увеличивается. В этом периоде каждая хромосома соматической клетки состоит из одной хроматиды, т.е. содержит одну молекулу ДНК.

В синтетическом периоде происходит синтез ДНК (репликация) и гистоновых белков, в результате чего каждая хромосома удваивается и состоит из двух сестринских хроматид, соединенных в области центромеры.

Премитотический (постсинтетический) период характеризуется синтезом белков, необходимых для формирования нитей веретена деления, и накоплением АТФ. Хромосомы остаются двухроматидными.

Митоз разделяют на четыре последовательные фазы: профазу, метафазу, анафазу и телофазу.

В профазе хромосомы спирализуются и становятся видимыми в световой микроскоп. Ядрышко и ядерная мембрана разрушаются. Центриоли расходятся к полюсам клетки, и формируются нити веретена деления. Веретено деления представляет собой двухполюсную структуру, состоящую из микротрубочек и связанных с ними белков.

В метафазе двухроматидные хромосомы выстраиваются в экваториальной плоскости клетки, нити веретена деления прикрепляются к центромерам. В результате образуется метафазная пластинка, в которой хромосомы удерживаются натяжением микротрубочек, отходящих от них к противоположным полюсам веретена деления.

В анафазе центромеры разделяются, и, как следствие, каждая сестринская хроматида становится самостоятельной хромосомой и перемещается к соответствующему полюсу клетки со скоростью около 1 мкм/мин. В конце анафазы, которая обычно длится всего лишь несколько минут, на полюсах клетки собираются два равноценных полных набора хромосом.

Телофаза характеризуется формированием ядерной мембраны вокруг каждого набора хромосом. Конденсированный хроматин начинает деспирализоваться, исчезнувшие в профазе ядрышки вновь появляются. Веретено деления разрушается.

Клеточное деление заканчивается цитокинезом и появлением двух дочерних клеток, каждая из которых идентична материнской клетке.

Митоз обеспечивает поддержание постоянства генетического материала в ряду поколений клеток и лежит в основе процессов роста и развития организмов, а также регенерации и бесполого размножения.

Со временем было установлено, что суммарная длительность периодов S, G2 и митоза остается сравнительно постоянной, а вариабельность клеточного цикла зависит, главным образом, от продолжительности периода G1, величина которого может колебаться в разных тканях. В 1963 г. впервые независимо друг от друга Г. Квастлер и Л. Лайта высказали предположение, что по окончании митоза клетка не обязательно сразу же вступает в пресинтетический период, а может выйти в состояние «вне цикла», из которого при необходимости она вновь может вступить в клеточный цикл под влиянием пролиферативного сигнала. Они обозначили это состояние как период G0.  Клетки, находящиеся в состоянии пролиферативного покоя могут (хотя и не обязательно) выполнять специфические функции в составе той или иной ткани. Такие явления, как инцистирование простейших, покой семян у растений, паузы при метаморфозе насекомых, зимняя спячка у млекопитающих и многие другие процессы связаны с состоянием пролиферативного покоя.

Стимулами, обеспечивающими переход клетки из одного периода   клеточного цикла в другой, служат активности последовательно сменяющих друг друга циклинзависимых киназ. Каждая циклинзависимая киназа (cdk) представляет собой каталитическую субъединицу холоферментного комплекса, для активности которой требуется присутствие активаторной субъединицы – циклина. В активной форме комплексы циклин–cdk фосфорилируют регуляторные белки, контролирующие протекание данной фазы:

· Комплексы циклинов D1-D3 с cdk4  или cdk6 (в зависимости от типа клеток) отвечают за начальные этапы фазы G1;

· Комплекс циклин E-cdk2 обеспечивает переход из G1  в S-фазу;

· Циклин A – cdk2 контролирует репликацию ДНК;

· Циклин B – cdk1 отвечает за переход из G2 в митоз.

В клетках существуют системы контроля клеточного цикла, предотвращающие дальнейшее размножение клеток, в которых уже произошли или могут произойти нарушения структуры или числа хромосом. При прохождении цикла есть так называемые «сверочные точки» (checkpoints), прохождение которых возможно лишь в случае нормального завершения предыдущих этапов и отсутствия нарушений. Выделяют несколько таких точек: в G1, G2 и «точку проверки сборки веретена деления в митозе».

Сверочная точка в G1 (R1). Остановка в G1 наблюдается после ДНК-повреждающих воздействий, нерасхождении хромосом в предыдущем делении, разрушении микротрубочек и др. Остановка может быть необратимой (например, при g-облучении) или обратимой, прекращающейся с окончанием действия фактора, ее вызвавшего (например, при восстановлении нормального пула нуклеотидов или реставрации системы микротрубочек).

Сверочная точка в G2 (R2). Выявляются повреждения, пропущенные при прохождении предыдущих сверочных точек, либо полученные на последующих стадиях клеточного цикла. Кроме того, детектируется полнота репликации ДНК, и клетки, в которых ДНК недореплицирована,  не входят в митоз.

Сверочная точка сборки веретена деления. Во избежание неправильного распределения хромосом, клетки задерживаются в метафазе до тех пор, пока все кинетохоры (центромеры) не будут прикреплены к микротрубочкам.

Вещества, стимулирующие вступление клеток в митотический цикл и его прохождение, получили название факторов роста. Каждый из них взаимодействует с чувствительными по отношению к нему специфическими рецепторами, расположенными на поверхности клетки, вследствие чего на внутренней поверхности мембраны возникают новые регуляторные сигналы, в передаче которых участвуют вторичные посредники и группа специфических протеинкиназ. В результате происходит активация факторов транскрипции и экспрессия генов пролиферативного ответа, что в конечном итоге инициирует репликацию ДНК и вступление клетки в митоз.

К наиболее изученным факторам роста относятся:

· PDGF  (тромбоцитарный фактор роста) стимулирует деление соединительнотканных клеток;

· EGF (эпидермальный фактор роста) стимулирует деление эпидермальных и многих других клеток;

· FGF (фактор роста фибробластов) вызывает деление клеток многих типов, включая фибробласты и эндотелиальные клетки;

· IL-(1, 2, 3 …) (интерлейкины 1, 2, 3 и др.) стимулируют пролиферацию лейкоцитов;

· CSF (факторы, стимулирующие рост клеточных колоний) являются факторами роста клеток системы кроветворения.

Рецепторы факторов роста представляют собой преимущественно интегральные мембранные гликопротеиды. Их домены, способные связывать лиганды, расположены на внешней стороне мембраны, а эффекторные домены находятся на ее внутренней поверхности. В результате связывания факторов роста с рецепторами их цитоплазматические домены приобретают способность фосфорилировать определенные белки по их тирозиновым остаткам. Передача сигнала от клеточной поверхности к ядру проходит через каскад последовательного фосфорилирования протеинкиназ, включающий в себя 3 или 4 ступени. На последней ступени находятся МАР-киназы (mitogen-activated protein kinases), субстратами которых обычно являются факторы транскрипции. В результате повышается экспрессия гене циклина D. Весь процесс от начала действия митогенного сигнала до начала экспрессии генов пролиферативного ответа занимает 8-10 мин.

Нарушения в регуляции клеточного цикла приводят к неопластической трансформации клеток. Для понимания механизмов этого процесса важным событием оказалось открытие онкогенов, протоонкогенов и опухолевых супрессоров.

Онкогены – это клеточные или вирусные гены, экспрессия которых может привести к развитию новообразования.

Вместе с этой лекцией читают "Лекция 7".

Протоонкогены – это нормальные клеточные гены, усиление или модификация функции которых превращает их в онкогены.

Опухолевые супрессоры – это клеточные гены, инактивация которых резко увеличивает вероятность возникновения новообразований.

К настоящему времени обнаружено около ста онкогенов (клеточных и вирусных) и около двадцати опухолевых супрессоров. Некоторые из них приведены в таблицах 1 и 2.

Оказалось, что большинство известных протоонкогенов и опухолевых супрессоров  являются компонентами нескольких общих сигнальных путей, контролирующих клеточный цикл, апоптоз, целостность генома, дифференцировку клеток.

В заключение можно сказать, что изучение процессов, протекающих в ходе митотического цикла, а также их регуляции позволит решить одну из наиболее актуальных проблем современной медицины – выявление причин и способов лечения опухолевых заболеваний человека.