КЛЕТОЧНЫЙ ЦИКЛ и СУДЬБА КЛЕТОК МИТОТИЧЕСКИЙ (КЛЕТОЧНЫЙ) ЦИКЛ И ЕГО РЕГУЛЯЦИЯ • • Митотический цикл – цикл воспроизведения клеток, включающий подготовку к делению – интерфазу и само деление – митоз. В ходе митотических циклов каждый раз образуются 2 новые клетки с одинаковым набором хромосом и генов – 2n2c. • Продолжительность митотического цикла в эмбриогенезе = 0,5 - 2 ч, в камбиях взрослых организмов = 12-24 ч. Основное время занимает интерфаза, тогда как митоз длится не более 1 ч. Т=12-24 ч; tм= 0,5-1 ч. • • • Главное событие в подготовке митоза – синтез (репликация) ДНК – происходит примерно в середине интерфазы и занимает около 5 – 8 ч. Соответственно этому выделяют 3 периода интерфазы. G1-период –пресинтетический период/постмитотичский (Gap – от англ. промежуток) – клетка 2n2с: общий рост клетки после деления, синтезы всех основных веществ клетки – РНК, белков, липидов, углеводов, подготовка ферментов и нуклеотидов для последующего синтеза ДНК. В середине G1-периода возможен выход в период покоя (G0) или в дифференцировку. Если же запущен новый цикл, начинается синтетический период цикла – S-период (Synthesis – синтез). В это время идет синтез ДНК, синтез гистонов и матриксинов. Число хромосом остаётся 2n, а масса ДНК в них удваивается – от 2с до 4с (до 2 мол. вместо 1). • G2-период – клетка 2n4с, постсинтетический/премитотический период: основные синтезы закончены, идет накопление АТФ, укладка хроматиновых петель, сборка микротрубочек митотического веретена. • • • • • Далее следует митоз (греч. mitos – нить) – процесс компактизации удвоенных нитей хроматина в более толстые хромосомы (парные хроматиды) и их симметричного разделения по дочерним клеткам. Выделяют 4 фазы: Профаза – формирование хромосом (3в4), митотического веретена (микротрубочки) и, разрушение ядерной оболочки, остановка транскрипции, исчезновение ядрышка, распад ЭПС и ап Гольджи. Прометафаза – хромосомы становятся парой конденсированных телец – метафазные хромососмы, цепляются своими кинетохорома к м/тр и идут к экватору. Метафаза – полная конденсация хромосом, готовность веретена; хромосомы расположены в экваторе клетки – метафазная пластинка. Анафаза – работа веретена, разрыв и расхождение хроматид к полюсам клетки, разборка части веретена, а другая часть удлиняется/отталкивается=удлинение клетки. • Телофаза – завершение кариокинеза (деконденсирование хр, возобновление транскрипции, восстановление новых ядерных структур) и прохождение цитокинеза – деления клеточного тела (с актином и миозином - борозда деления + вакуоли). Т.О., происходит воспроизведение клеток с диплоидным геномом: 2n2c → 2n4c → 2n2c x 2. • После митоза, через 3-5 ч восстановительного роста, наступает ключевая точка цикла – check point (контрольный пункт), когда клетка вновь «выбирает» свой путь (под воздействием внешних регуляторов – гормонов и др. БАВ) : - в новый митотический цикл для деления; - в период покоя G0 (анабиоз) с возможностью возврата в цикл; - в дифференцировку, как правило необратимую; работа, смерть; - в апоптоз – самоликвидация клеток при нарушениях репликации ДНК, при метаморфозах, при избыточным производстве ненужных клеточных клонов. • При вхождении в новый цикл включается каскад генов, т.е. синтез каскада белков, контролирующих прохождение всех фаз цикла – синтеза ДНК и митоза. • Главные гены (белки), регулирующие цикл: - SPF (synthesis promoting factor) – стимулируют процессы S-периода; - MPF (mitosis promoting factor) – стимулируют прохождение митоза. • И цикл повторяется заново, до новой точки check point. Детерминация - процесс определения судьбы клетки. Потенция клетки – то, что она может дать при любых условиях: проспективные потенции – могут осуществиться в будущем при определённых условиях; проспективные значения – то, что данная часть даёт при нормальных условиях развития: • тотипотентность – начало всем клеточным типам взрослого организма • мультипотентность – начало многим, но не всем клеточным типам • унипотентность – лишь одно направление развития (детерминированность) Способы детерминации: зависимая устанавливается с помощью межклеточных взаимодействий автономная обусловлена материнскими цитоплазматическими факторами, вырабатывающимися в период оогенеза под контролем генов материнского организма (неравномерное распределение в ооците транскрипционных факторов) Клеточные сообщества: 1.Дифферон – совокупность клеток разных стадий и направлений развития, происходящих из 1 тканевой стволовой клетки. 2.Клеточный клон – группа однородных клеток определенной специализации, развивающихся из 1 полустволовой/стволовой унипотентной клетки. (клончасть/=дифферону) 3.Клеточная субпопуляция – группа однотипных клеток, происходящих из множества дифферонов (морфофункциональный клеточный тип, сумма одинаковых клонов) 4.Клеточная популяция – сумма всех клеток однотипных дифферонов, т.е. происходящих из определенного типа тканевых стволовых клеток. (могут быть гомогенные (эпидермис) и гетерогенные (кишечный эпителий, кровь) клеточные популяции. 5.Ткань – совокупность клеток и межклеточного вещества, происходящих из одного или нескольких типов стволовых клеток и объединенных на выполнение общей функции. 1-4 – гистогенетические, 5 - морфофункциональная Популяции клеток по продолжительности жизни и отношению к делению : Стабильная популяция - клетки имеют наибольшую продолжительность жизни, высокодифференцированы и не способны делиться (нейроны). Растущая популяция - клетки высокодифференцированные, имеют большую продолжительность жизни, но не утратили способности к делению, они могут перестраивать свой метаболизм, снижать уровень дифференцировки и делиться (печень, поджелудочная железа, и т. д.). - дедифференцировка Обновляющаяся популяция: есть два типа: высокодифференцированные и недифференцированные (стволовые или камбиальные клетки). Высокодифференцированные клетки живут недолго (часы, сутки, месяцы), неспособны к делению, постоянно отмирают (клетки поверхностного слоя эпидермиса, клетки крови, клетки слизистой оболочки кишечника). Недифференцированные (стволовые) клетки этой популяции постоянно делятся, дифференцируются и замещают погибшие. Дифференцировка клеток — процесс реализации генетически обусловленной программы формирования специализированного фенотипа клеток, отражающего их способность к тем или иным профильным функциям. Обусловлено разной экспрессией генов! Выяснение механизмов дифференцировки клеток - одна из главных задач современной биологии! Дж. Гёрдон (1962) Старение: •вероятностное (стохастическое) •детерминированное (программное) В соответствии с этим современные представления о причинах и механизмах старения можно разделить на две группы. Первая группа гипотез рассматривает старение как результат накопления последствий воздействия внешних повреждающих факторов (т.е. вероятностных событий) и нарастающей со временем дисрегуляторной патологии -Клеточные - Системные теории полностью не отрицают клеточные теории, но концентрируют внимание на изменениях, происходящих в тканях целостного организма. Вторая группа гипотез трактует старение как генетически запрограммированный процесс, представляющий собой один из этапов онтогенеза. В 1961 г. Леонард Хайфлик с коллегами обнаружили, что человеческие фибробласты, выделенные из эмбриональных тканей, в культуре могут делиться только ограниченное количество раз, обычно около 50 удвоений: остановка клеточного развития+изменения в морфологии: становятся более крупными, плоскими и гранулированными Теломерная теория старения (репликативное старение). Теломеры млекопитающих состоят из простой последовательности 5 -TTAGGG-3 , повторяющейся сотни и тысячи раз на каждом конце хромосомы. Предел или лимит Хейфлика Гибель клетки Некроз – это прижизненное омертвление клеток и тканей организма под действием различных патогенных факторов. Апоптоз – это естественная и запрограммированная гибель клетки в целом или ее части. Регуляция клеточного цикла Экспрессия генов — это процесс, в ходе которого наследственная информация от гена (последовательности нуклеотидов ДНК) преобразуется в функциональный продукт — РНК или белок (ЦДМ). Некоторые этапы экспрессии генов могут регулироваться: транскрипция, трансляция, сплайсинг РНК и стадия посттрансляционных модификаций белков. Регуляция экспрессии генов позволяет клеткам контролировать собственную структуру и функцию и является основой дифференцировки клеток, морфог енеза и адаптации. Основными способами определения экспрессии генов в данное время являются секвенирование РНК, содержащих поли-А (мРНК), а также применение экспрессионных ДНК-микрочипов. Оперон: промотор, оператор, структурные гены, терминатор регулятор У прокариот пока молекула РНК синтезируется на участке ДНК, она тут же может транслироваться (начиная с уже синтезированного конца). Поэтому у них регуляция экспрессии (активности) генов осуществляется почти исключительно на уровне ДНК, так как в РНК часто невозможно внести какие-нибудь изменения до ее трансляции. У эукариот, также как и у прокариот, существуют регуляторные белки (фосфорилирования/дефосфорилиро вания) с похожим механизмом действия В крайнем выражении эта закономерность известна как принцип домино: очередной ген включается продуктами предыдущего гена. Главные гены (белки), регулирующие цикл: •- SPF (synthesis promoting factor) – стимулируют процессы S-периода; •- MPF (mitosis/maturation promoting factor) – стимулируют прохождение митоза (это специфическая серин/треонин-протеинкиназа. В активной форме фермент катализирует фосфорилирование многих белков, принимающих участие в митозе, таких, например, как входящий в состав хроматина гистон H1, ламин (компонент цитоскелета, обнаруженный в ядерной мембране), факторы транскрипции, белки митотического веретена и ряд ферментов. Фосфорилирование этих белков запускает процесс митоза. После завершения митоза регуляторная субъединица маркируется убиквитином и подвергается протеолизу. Теперь наступает очередь протеинфосфатаз, которые дефосфорилирируют белки, принимавшие участие в митозе, после чего клетка возвращается в состояние интерфазы. Кроме белков существуют и другие способы регуляции экспрессии генов: • Конденсация и деконденсация хроматина. Хроматин в нужном месте деконденсируется. • Альтернативные промоторы. У гена может быть несколько промоторов, каждый из которых начинает транскрипцию с разных экзонов в зависимости от типа клетки. В конечном итоге будут синтезированы разные белки. • Метилирование и деметилирование ДНК. Метилирование ДНК происходит в регуляторных областях гена. Метилируется цитозин в последовательности ЦГ, после чего ген инактивируется. • Гормональная регуляция. • Геномный импринтинг. Это малоизученный способ регуляции экспрессии генов у эукариот и он возможен только у диплоидных организмов и выражается в том, что активность генов зависит, от какого из родителей они были получены. • Альтернативный сплайсинг. При альтернативном сплайсинге порядок сшивки экзонов может быть различным. Отсюда следует, что на основе одной и той же нуклеотидной последовательности ДНК могут быть синтезированы разные белки, хотя их отличие друг от друга будет в основном заключаться лишь в разных сочетаниях одних и тех же аминокислот. • Тканеспецифическое редактирование РНК также протекает на уровне процессинга замена отдельных нуклеотидов в РНК в определенных тканях организма. Кроме того, у эукариот иРНК часто не подвергается процессингу вообще или подвергается с задержкой. • Регуляция стабильности иРНК. У эукариот существует регуляция и на уровне трансляции, когда готовые иРНК не «допускаются» к рибосомам или разрушаются. Другие же иРНК могут дополнительно стабилизироваться для многократного использования. • Посттрансляционная модификация белка. • Риборегуляторы. Были обнаружены РНК, выполняющие регуляторные функции путем ослабления работы отдельных генов. • Для высокоорганизованных животных отмечается существование надклеточного уровня регуляции экспрессии генов.
