СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

Интерфаза - период между двумя делениями клетки - подразделяется на фазы G1, S и G2 (рис. 1). По продолжительности интерфаза составляет большую часть митотического цикла клетки. Наиболее вариабельны по времени G1 и G2-периоды [15, c. 174].

Рис. 1. Схема клеточного цикла и его фаз

G1 (от англ. grow - расти, увеличиваться). Продолжительность фазы составляет 4-8 ч. Это фаза начинается сразу после образования клетки. В этой фазе в клетке усиленно синтезируются РНК и белки, повышается активность ферментов, участвующих в синтезе ДНК. Если клетка в дальнейшем не делится, то переходит в фазу G0 - период покоя. С учетом периода покоя клеточный цикл может длиться недели или даже месяцы (клетки печени) [6, c. 104].

S (от англ. synthesis - синтез). Длительность фазы составляет 6-9 ч. Масса клетки продолжает увеличиваться, и происходит удвоение хромосомной ДНК. Две спирали старой молекулы ДНК расходятся, и каждая становится матрицей для синтеза новых цепей ДНК. В результате каждая из двух дочерних молекул обязательно включает одну старую спираль и одну новую. Тем не менее, хромосомы остаются одинарными по структуре, хотя и удвоенными по массе, так как две копии каждой хромосомы (хроматиды) все еще соединены друг с другом по всей длине. Это «сестринские хроматиды», то есть идентичные копии, образовавшиеся в процессе репликации ДНК за время С-фазы. Сестринские хроматиды соединяются друг с другом в особых участках - центромерах [24, c. 85-86].

В ядрах животных клеток имеются особые крошечные структуры, центриоли, которые начинают двигаться в противоположные стороны, образуя полюса деления. Между центриолями образуется структура, называемая веретеном деления; она состоит из многих нитей (скорее даже микротрубочек, образованных белком тубулином), которые распределяют хромосомы по двум ядрам. Некоторые из этих нитей тянутся от центриоли до центромеры хромосом, растаскивая их в разные стороны [11, c. 235].

Пока к центромерам прикрепляются нити веретена, хромосомы свободно движутся по клетке, но через некоторое время они останавливаются на полпути между полюсами (в экваториальной плоскости). Теперь клетка вступает в стадию метафазы, второй фазы митоза. Все сестринские хроматиды одновременно, словно по команде, начинают расходится к полюсам благодаря сокращению одних нитей веретена, в то же время другие нити веретена удлиняются и отодвигают полюса друг от друга. Эти события знаменуют собой анафазу, после которой клетка начинает сужаться в центре. После завершения фазы S митотического цикла клетка не сразу начинает делиться [23, c. 65-66].

В фазе G2 в клетке завершается процесс подготовки к митозу: накапливается АТФ, синтезируются белки ахроматинового веретена, удваиваются центриоли. Масса клетки продолжает увеличиваться до тех пор, пока она приблизительно вдвое не превысит начальную, а затем наступает митоз. Рассмотрим схему клеточного цикла, предложенную в 1953 г. А. Ховардом и С. Пелком. Сразу после митоза каждая дочерняя клетка является диплоидной и имеет нормальный набор хромосом (рис. 1). Эта клетка должна пройти фазу G1, чтобы быть в состоянии удвоить свою ДНК в течение фазы S жизненного цикла. После удвоения ДНК клетка переходит в фазу G2 и находится в тетраплоидном состоянии [5, c. 199].

В процессе митоза клетка снова делится, причем ее тетраплоидный набор хромосом распределяется поровну между двумя дочерними клетками; в результате этого каждая из новых клеток: начинает цикл, имея диплоидный набор хромосом. Дочерняя клетка сохраняет в течение всей фазы G1 «старые», т. е. материнские, цепи ДНК. Дупликация этих цепей происходит в фазе S. В течение фазы G2 в клетке находятся и «старые» цепи ДНК, и «новые» (синтезированные в фазе S) [10, c. 203].

Во время фазы М (митоз, включающий стадии профазы, метафазы, анафазы и телофазы) материнская клетка передает каждой дочерней одну из старых цепей (имевшихся еще в фазе G1) и одну из новых цепей (построенных в фазе S). Фаза G1 у клеток разных типов имеет различную продолжительность (у некоторых клеток около 30 ч, а у некоторых может практически отсутствовать). Фазы S, G2 и М более стабильны по продолжительности. Длительность фазы М зависит от температуры. Для большинства клеток млекопитающих при росте in vitro продолжительность цикла составляет примерно 20 ч, при этом фазы G1, S, G2 и М длятся соответственно 8 и 6, 5 и 1 ч. [4, c. 34].

Установлено, что в нормальных тканях организма некоторые клетки, будучи дифференцированными, постоянно делятся. Таковы, например, клетки кишечного эпителия, костного мозга, эпидермиса, эпителия семенных канальцев («лабильные» клетки по терминологии Г. Биццоцеро). Другие же клетки по окончании дифференцировки больше не пролиферируют («вечные» клетки по Г. Биццоцеро). Лучшим примером клетки, не способной к делению, может служить нейрон, дифференцировка которого заканчивается сразу после рождения и который сохраняется на протяжении всей жизни индивидуума (условие, необходимое для сохранения следов памяти) [28, c. 234].

В клетке ДНК имеется не только в хромосомах, но и в митохондриях. Для полного представления обо всем синтезе ДНК необходимо также учесть и процесс репликации митохондриальной ДНК на протяжении клеточного цикла и сравнить его с синтезом, происходящим в ядре. В то время как синтез хромосомной ДНК в ядре происходит в фазе S митохондриальная ДНК синтезируется на двух различных этапах клеточного цикла: в первый раз в той же фазе S одновременно с ядерной ДНК, а второй раз - в фазе G2, когда синтез ядерной ДНК уже закончен и идет только репаративный синтез. Когда это выяснилось, прежде всего, возникла мысль, что в клетке могут существовать два класса генетически различных митохондрий, каждый со своей особой ДНК и своим временем репликации [19, c. 264].

При изучении физико-химических свойств митохондриальной ДНК, выделенной в фазах S и G2, было установлено, что действительно существуют различия между этими двумя препаратами. Таким образом, гипотезу о том, что в эукариотической клетке существуют разные типы митохондриальной ДНК и, следовательно, генетически различные митохондрии, можно считать правдоподобной [25, c. 209].

1.2 Митоз. Стадии митоза. Амитоз

Митоз условно разделяют на четыре фазы: профазу, метафазу, анафазу и телофазу (рис. 2).

Рис. 2. Митоз клетки: А - интерфаза; Б, В, Г, Д - профаза; Е, Ж - метафаза; 3, И - анафаза; К, Л, М - телофаза

На стадии профазы в животных клетках две центриоли начинают расходиться к противоположным полюсам ядра. В клетках растений при этом образуются два полярных центра организации микротрубочек, лишенных центриолей. Ядерная мембрана разрушается; одновременно специальные белки объединяются, формируя микротрубочки в виде нитей. Центры организации микротрубочек, расположенные теперь на противоположных полюсах клетки, оказывают организующее воздействие на микротрубочки, которые в результате выстраиваются радиально, образуя структуру, напоминающую по внешнему виду цветок астры («звезда»). [3, c. 94].

Другие нити из микротрубочек протягиваются от одной центриоли к другой, образуя веретено деления. В это время хромосомы спирализуются и вследствие этого утолщаются. Они хорошо видны в световом микроскопе, особенно после окрашивания. Считывание генетической информации с молекул ДНК становится невозможным: синтез РНК прекращается, ядрышко исчезает. В профазе хромосомы расщепляются, но хроматиды все еще остаются скрепленными попарно в зоне центромеры. Центромеры тоже оказывают организующее воздействие на нити веретена, которые теперь тянутся от центриоли к центромере и от нее к другой центриоли [20, c. 44].

В метафазе спирализация хромосом достигает максимума, и укороченные хромосомы устремляются к экватору клетки, располагаясь на равном расстоянии от полюсов. Образуется экваториальная, или метафазная, пластинка. На этой стадии митоза отчетливо видна структура хромосом, их легко сосчитать и изучить их индивидуальные особенности. В каждой хромосоме имеется область первичной перетяжки - центромера, к которой во время митоза присоединяются нить веретена деления и плечи. На стадии метафазы хромосома состоит из двух хроматид, соединенных между собой только в области центромеры [24, c. 84].

В анафазе вязкость цитоплазмы уменьшается, центромеры разъединяются, и с этого момента хроматиды становятся самостоятельными хромосомами. Нити веретена деления, прикрепленные к центромерам, тянут хромосомы к полюсам клетки, а плечи хромосом при этом пассивно следуют за центромерой. Таким образом, в анафазе хроматиды удвоенных еще в интерфазе хромосом точно расходятся к полюсам клетки. В этот момент в клетке находятся два диплоидных набора хромосом (4n4с) [26, c. 203].

В телофазе хромосомы раскручиваются, деспирализуются. Из мембранных структур цитоплазмы образуется ядерная оболочка. В это время восстанавливается ядрышко. На этом завершается деление ядра (кариокинез), затем происходит деление тела клетки (или цитокинез) [2, c. 74].

При делении животных клеток на их поверхности в плоскости экватора появляется борозда, постепенно углубляющаяся и разделяющая клетку на две половины - дочерние клетки, в каждой их которых имеется по ядру. У растений деление происходит путем образования так называемой клеточной пластинки, разделяющей цитоплазму: она возникает в экваториальной области веретена, а затем растет во все стороны, достигая клеточной стенки (т.е. растет изнутри кнаружи) [18, c. 70].

Клеточная пластинка формируется из материала, поставляемого эндоплазматической сетью. Затем каждая из дочерних клеток образует на своей стороне клеточную мембрану и, наконец, на обеих сторонах пластинки образуются целлюлозные клеточные стенки. Особенности протекания митоза у животных и растений приведены в таблице 2 [21, c. 54-55].

Таблица 2 Особенности митоза у растений и у животных

Cdk (cyclin dependent protein kinase) - циклин-зависимые протеинкиназы. Комплекс циклинов с циклин-зависимыми протеинкиназами играет центральную роль в клеточном цикле. Последовательная активация циклин-зависимых протеинкиназ и последующее фосфорилирование ими критических субстратов контролируют клеточный цикл, переключая его с одной фазы на другую (с G1 на S или G2 на M). Белки, связывающиеся с этим комплексом и ингибирующие его каталитическую активность, блокируют клеточный цикл в ответ на антипролиферативные сигналы (TGFb, факторы дифференцировки миогенных, миелоидных и нервных клеток). Интеграция вируса гепатита В в ген циклина А обнаружена при гепатоклеточной карциноме [8, c. 244].

Существуют специальные вещества, подавляющие развитие опухолей - онкосупрессоры, которые в нормальной клетке постоянно контролируют множество процессов, в том числе и пролиферацию клеток (точнее, онкосупрессоры блокируют клеточный цикл). Известно множество онкосупрессоров (например, Rb, p27, p53, PTEN), среди которых p53 известен как главный супрессор развития опухоли. Мутации генов онкосупрессоров неизбежно приводят к появлению бесконтрольно пролиферирующего клеточного клона [19, c. 145].

Белок p27 связывается с циклинами 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 р53 - один из важнейших регуляторов клеточного цикла, специфически связывается с ДНК и подавляет рост клеток в фазе G1. р53 регистрирует различные сигналы при внешних воздействиях на клетку (вирусная инфекция, гипоксия) и состояние её генома (активация онкогенов, повреждения ДНК). [29, c. 254] При неблагоприятной информации о состоянии клетки р53 блокирует клеточный цикл до тех пор, пока нарушения не будут устранены. В повреждённых клетках содержание р53 возрастает. Это даёт клеткам шансы восстановить ДНК путём блокирования клеточного цикла. При серьёзных повреждениях р53 инициирует самоубийство клетки - апоптоз. Опухоли (практически в 50%) сопровождаются мутациями гена р53. 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 р53 довольно широк. Они приводят к бесконтрольному размножению клеток при раке толстой кишки, печени, легкого, пищевода, молочной железы, глиальных опухолях мозга, опухолях лимфоидной системы. При синдроме Li Fraumeni врождённый дефект р53 является причиной высокой частоты поражения раком [11, c. 74-75]. На множество важных клеточных функций (экспрессия конкретных генов и специфическая дифференцировка, поддержание дифференцированного состояния и т.д.) влияют различные информационные сигналы, поступающие к клетке извне. Регуляция клеточного цикла и пролиферация (или блок пролиферации) клеток также регулируются внеклеточными сигналами в виде гормонов (например, гормон роста, эстрогены, фолликулостимулирующий гормон), цитокинов (например, интерлейкины и интерфероны), факторов роста (например, фактор роста эпидермиса - EGF). Некоторые из таких молекулярных сигналов расцениваются как стимулирующие митогенную активность факторы (митогены). Существенное влияние на пролиферативную активность клеток имеют и контакты с элементами межклеточного матрикса (например, с ламинином и фибронектином) [25, c. 56].

После взаимодействия с соответствующими рецепторами такие митогенные сигналы (в значительном числе случаев при помощи связанных с G-белками протеинкиназ) передаются на соответствующие участки генома, активируя транскрипцию контролирующих фазы клеточного цикла генов (например, циклин-зависимых протеинкиназ). Информационные РНК выходят из ядра в законченном виде для выполнения своих функций в цитоплазме. После транскрипции, модификации и процессинга информационная РНК переходит из ядра в цитоплазму и нанизывает на себя определенное число рибосом, образуя полисому - своего рода конвейер, который начинает синтезировать белки [5, c. 104].

Соотношение «полисомы: мономеры цитоплазматических (SOS) рибосом: 40S- и 60S-субчастицы» в фазе G2 возрастает - почти все рибосомальные субчастицы объединяются в моносомы, а из моносом в то же время образуются полисомы. Высокая концентрация полисом в фазе G2 по сравнению с фазой G1 позволяет предполагать, что соответственно в исходной родительской клетке должен иметь место более интенсивный белковый синтез, чем в молодых дочерних клетках. В фазе G1 синтез полипептидов на полисомах идет гораздо активнее, чем в фазе G2. Таким образом, меньшему количеству полисом на одну клетку в фазе G1 соответствует более высокая скорость белкового синтеза, а большему количеству полисом в фазе G2 - меньшая скорость синтеза [29, c. 144].