Глава 3. Закономерности существования клетки во времени

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).

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).