Теоретический обзор
Клеточный цикл
Существование клетки во времени характеризуется закономерными структурными и функциональными изменениями, последовательно происходящими в её жизненном клеточном цикле. Клеточный цикл продолжается от момента образования клетки в результате деления материнской клетки до собственного деления или до стадии терминальной (окончательной) дифференцировки, заканчивающейся апоптозом. Митоз (клеточное деление, М-фаза) — относительно короткая стадия клеточного цикла, её разделяет более длительная — интерфаза. В интерфазе последовательно различают периоды G1, S и G2 (рис. 3.1). Часть клеток многоклеточного организма находится на разных стадиях клеточного цикла (интерфаза → митоз → интерфаза). Другие выходят из клеточного цикла и дифференцируются для выполнения специализированных функций.
Жизнь дифференцированной клетки заканчивается апоптозом (запрограммированной гибелью). Стволовые клетки также выходят из клеточного цикла, но вступают в длительный период покоя. При этом они сохраняют способность вернуться в клеточный цикл для восстановления утраченной популяции клеток за счёт активной пролиферации (размножения).
&hide_Cookie=yes)
Рис. 3.1. Стадии клеточного цикла. В клеточном цикле различают сравнительно короткую М-фазу (митоз) и более длительный период — интерфазу. М-фаза состоит из профазы, прометафазы, метафазы, анафазы и телофазы. Интерфаза складывается из фаз G1, S и G2. В безопасной точке рестрикции (сверочная точка G1) клетка может выйти из клеточного цикла и вступить в фазу G0. Под действием митогенов клетки из фазы G0 могут вернуться в цикл. В сверочной точке G2 детектируется качество репликации ДНК. При дефектах синтеза дочерней ДНК клетка не входит в митоз. Циклины А, B, D, E — регуляторные субъединицы циклин-зависимых киназ (Cdk)
Интерфаза
В интерфазе последовательно различают периоды G1, S и G2 (см. рис. 3.1).
- Пресинтетическая G1-фаза (от англ. Gap — «щель», «интервал») — период высокой метаболической активности и роста клетки между телофазой митоза и репликацией (удвоением) ДНК. В эту фазу клетка синтезирует РНК и белки, завершается формирование ядрышка. Продолжительность фазы — от нескольких часов до нескольких дней. У быстро делящихся клеток (эмбриональных и опухолевых) эта фаза сокращена.
- Синтетическая S-фаза (от англ. Synthetic — «синтетический») — период синтеза и репликации ДНК; в хромосоме формируется вторая хроматида. Митохондриальная ДНК синтезируется незначительно, основная её часть реплицируется в постсинтетическом периоде интерфазы. В S-фазу в клетке продолжается синтез белка, удваиваются центриоли. В большинстве клеток S-фаза длится 8–12 ч.
- Постсинтетическая G2-фаза. В этот период завершается удвоение суммарной клеточной массы, дочерние центриоли достигают размеров дефинитивных органелл. В эту же фазу продолжается синтез РНК и белка (например, синтез тубулина для микротрубочек митотического веретена), накапливается АТФ для энергетического обеспечения последующего митоза. Эта фаза длится 2–4 ч. В конце фазы G2 в сверочной точке (G2-сheckpoint) осуществляется проверка качества репликации ДНК. При дефектах репликации ДНК клетка не входит в митотический цикл.
G0-фаза — период пролиферативного покоя. В конце фазы G1 существует точка рестрикции (G1-сheckpoint) — безопасная точка клеточного цикла, в которой клетка может остановиться и выйти из цикла в фазу G0.
В фазе G0 клетки начинают дифференцироваться, достигая терминальной (окончательной) дифференцировки (например, нейроны), или остаются в состоянии покоя (стволовые клетки). Стимулом для прохождения через точку рестрикции или возвращения клетки из фазы G0 в клеточный цикл служит действие митогенов (например, факторов роста) — молекул, взаимодействующих со специфическими рецепторами в мембране клетки-мишени и инициирующих её пролиферацию.
Митоз
Способность к размножению является характерным свойством живых систем. Размножение эукариотических клеток происходит путём митоза. Благодаря самоудвоению генетического материала и формированию хромосом осуществляется равномерное распределение наследственного материала между дочерними клетками, которые представляются генетическими копиями материнской клетки. Таким образом, обеспечиваются преемственность передачи наследственного материала в ряду клеточных поколений и образование клеток, равноценных по объёму и содержанию наследственной информации. Митотический (пролиферативный) цикл, или митоз, обеспечивает не только обновление данной клеточной популяции, но и существование её во времени. Дочерние клетки после митоза могут тут же вступить в следующий митотический цикл или выйти из клеточного цикла для дифференцировки и выполнения специфических функций.
Репликация ДНК
Клетки перед каждым делением воспроизводят (реплицируют) ДНК: дочерние молекулы ДНК воспроизводятся при помощи ДНК-полимеразы одновременно в нескольких точках начала репликации (ori-сайтах), обеспечивающих быстрое удвоение каждой нити ДНК (рис. 3.2). Участок ДНК от одного ori-сайта до другого представляет собой репликон. Каждая хромосома эукариотической клетки — полирепликон. Процесс синтеза ДНК включает в себя стадии инициации, элонгации и терминации.
- Точка инициации репликации — определённая последовательность ДНК из 300 нуклеотидов, содержащая множественные короткие повторы. Специфические белки взаимодействуют с этими повторами и обеспечивают сборку ферментов репликации ДНК. Многочисленные А-Т участки в точке инициации облегчают расплетание двухцепочечной молекулы ДНК.
- На стадии инициации ДНК-топоизомераза и ДНК-хеликаза в точке начала репликации разъединяют спираль ДНК, образуя V-образные структуры — репликационные «вилки».
- В стадию элонгации ДНК-полимераза катализирует полимеризацию нуклеотидов в направлении 5’ → 3’, то есть присоединяет дезоксинуклеозидтрифосфат к 3’-ОН-концу цепи ДНК. Родительские цепи ДНК антипараллельны, поэтому одна из дочерних цепей (лидирующая) растёт в направлении 5’ → 3’, опережая рост второй дочерней цепи (отстающей) в обратном направлении (см. Молекулярная цитология, глава 1).