Координация событий клеточного цикла

Обновлено: 16.05.2024

Клеточный цикл регулируется как внутриклеточными, так и внеклеточными факторами.

Генетический контроль цикла обеспечивается семейством генов, которые обозначаются как гены клеточного деления – cdc (cell division control). Продукты этих генов представляют собой киназы - ферменты, фосфорилирующие белки по определенным аминокислотам. Поэтому гены клеточного цикла могут обозначаться также cdk (cell division kinase). Основной принцип регуляции клеточного цикла состоит в фосфорилировании и дефосфорилировании участвующих в пролиферации структурных и регуляторных белков.

Последовательность активации киназ клеточного деления определяется циклинами – регуляторными белками, концентрация которых закономерно изменяется в клеточном цикле. Например, концентрация циклина А нарастает к концу G₁-периода и снижается по завершению S-периода, причем подавление репликации ДНК оксимочевиной не влияет на этот процесс. К настоящему времени обнаружено 12 циклинов, которые демонстрируют различную динамику концентрации в клеточном цикле. Наряду с комплексами Cyc/Cdk (циклин/циклинзависимая киназа) в регуляции цикла участвуют фосфатазы PP1 и PP2a, которые дефосфорилируют белки, фосфорилированные ранее киназами, циклин-активирующие киназы CAK и ингибиторы киназ CDI.

Важная роль в регуляции клеточного цикла принадлежит белку p53. Он способен узнавать специфические последовательности в ДНК и регулировать активность контролирующих пролиферацию генов. Концентрация p53 в ядре увеличивается к концу G₁-периода, но резко снижается при переходе клетки в S-период. Если в клетке возникли повреждения ДНК, концентрация p53 остается на высоком уровне, клетка задерживается в конце G₁-периода и не приступает к репликации ДНК до тех пор, пока повреждения не будут исправлены. Если повреждения ДНК репарировать не удалось, p53 выключает гены, блокировавшие апоптоз. Переход G₁/S является первой контрольной точкой клеточного цикла (точкой рестрикции R1), в которой клетка принимает решение о репликации ДНК.

Кроме R1 в клеточном цикле есть и вторая контрольная точка - R2. Она соответствует переходу G₂/M, когда клетка принимает решение о начале митоза. Главными молекулами, регулирующими начало митоза, являются фосфатаза Cdc25, а также киназы CycB/Cdk1 и weel. Фосфатаза Cdc25 способна активировать киназу CycB/Cdk1, тогда как киназа weel, наоборот, ингибирует ее. Поэтому начало митоза определяется балансом активности ферментов Cdc25 и weel.

События митоза также регулируются циклинами. В частности, циклин B (CycB) контролирует образование митотического веретена, циклин A (CycA) влияет на расхождение хроматид, а циклин B3 (CycB3) контролирует конденсацию хромосом. Для завершения митоза необходима не только определенная последовательность активации циклинзависимых киназ и фосфатаз, но также их своевременная деградация. Она контролируется APC (anaphase promoting complex) - комплексом протеаз с участием убиквитина.

Клеточный цикл регулируется также внешними по отношению к клетке молекулярными сигналами. К ним относятся гормоны, медиаторы, факторы роста, лимфокины, митогены, а также их ингибиторы.

Пролиферирующие клетки отвечают на молекулярные сигналы двух типов. Первый из них усиливает пролиферацию, вызывая переход клеток из состояния G₀ в G₁ и их прогрессию в клеточном цикле (так действуют многие факторы роста, например, фактор роста фибробластов ФРФ). Второй тип регуляторных белков позволяет клеткам подавлять рост их соседей (как это происходит, например, при секреции макрофагами фактора некроза опухолей ФНО).

Таким образом, в управление клеточным циклом и митозом вовлечено большое число генов. Если функция каких-либо из них утрачивается из-за мутации или нарушения экспрессии, клетки становятся нечувствительными к подавляющим их рост молекулярным сигналам, переходят в режим автономной пролиферации и могут сформировать в итоге опухоли.

Координация событий клеточного цикла

• Наступление процессов клеточного цикла носит скоординированный характер

• Координация событий клеточного цикла достигается за счет специфических биохимических процессов, которые происходят в точках проверки. Точки контроля задерживают дальнейшее продвижение клетки по циклу, если не завершилось предыдущее событие

• Точки контроля необходимы, только когда клетки находятся в условиях стресса или повреждены. Однако они также могут функционировать в нормальном цикле для обеспечения координации событий

При каждом цикле митотического деления клетка удваивает и сегрегирует свою ДНК, а затем делится. Каким образом поддерживается такой порядок процессов клеточного цикла? Происходят ли нарушения этого порядка и каковы их последствия?

Как отмечалось выше, для обеспечения определенного порядка протекания процессов цикла, в клетке действует специальная система наблюдения или точек контроля. Она функционирует при изменении активности основных регуляторных факторов клеточного цикла, таких как СЕЖ и АРС.

Простые и изящные эксперименты Рао и Джонсона по слиянию клеток позволили выявить не только основные регуляторы прохождения клетки по циклу, описанные ранее, но также показали существование точек проверки. Было обнаружено, что при слиянии С2-клеток с S-фазными клетками ядра 02-клеток «ждут» S-фазных ядер для того, чтобы закончить репликацию ДНК до начала разрушения ядерной оболочки и вступления в митоз. Это позволило всыказать предположение о существовании механизма, предотвращающего наступление митоза до момента полного завершения репликации ДНК.

Представление о существовании точек контроля, регулирующих порядок наступления событий клеточного цикла и задерживающих прохождение клетки по циклу при возникновении ошибок, полностью сформировалось при характеристике мутантов почкующихся дрожжей, rad9. При отборе чувствительных к облучению клеток дрожжей было выделено несколько мутантов, которые получили название rad мутантов. Ионизирующая радиация повреждает ДНК. Ожидалось, что скрининг радиочувствительных клеток поможет обнаружить мутанты, дефектные по системе репарации ДНК.

Однако были также идентифицированы мутанты, дефектные по другим генам. При тщательном микроскопическом исследовании rad мутантов среди клеток остановившихся в цикле, были выявлены различия фентипа. После повреждения ДНК большинство rad мутантов никогда не делились. Наоборот, мутанты rad9 до момента гибели делились несколько раз, образуя микроколонии.

Такое поведение большинства rad мутантов позволило предположить, что повреждение ДНК вызывает задержку прохождения клетки по циклу, что дает время, необходимое для репарации повреждений. Однако, поскольку большинство rad мутантов обладает дефектной системой репарации, повреждения ДНК не репарируют ся, и поэтому такие мутанты необратимо останавливаются в цикле. Продолжение пролиферации мутантов rad9 в этих условиях позволяет предполагать, что у них повреждение не узнается машиной клеточного цикла. Таким образом, было высказано предположение о существовании Rad9-зависимой точки контроля, которая следит за целостностью ДНК; эта точка контроля узнает дефекты в ДНК и сигнализирует о них остановкой клеточного цикла. Для клеток дикого типа точка контроля не требуется, и она необходима, только когда нарушается целостность структуры ДНК.

Многие cdc мутанты по сигналу Rad19-зависимой точки контроля также останавливаются в цикле. Например, cdc9 мутанты, дефектные по ДНК-лигазе, необходимой для завершения репликации ДНК, останавливаются в цикле, образуя крупные почкующиеся клетки. Однако двойные мутанты cdc9rad9 не задерживаются в цикле, продолжают делиться и погибают. Таким образом, rad9 также участвует в остановке клеток в цикле, если не завершилась репликация ДНК. Сигнальный процесс, который вызывает остановку клетки в цикле при незавершении репликации, носит название точки контроля за репликацией. Рисунок ниже иллюстририрует роль rad9 в функционировании точки контроля.

Все точки контроля клеточного цикла содержат три компонента:
1) сенсор, детектирующий дефект;
2) сигнальный модуль, передающий сигнал после обнаружения дефекта, и
3) мишень, представляющую собой часть машины клеточного цикла, контролирующей процессы его остановки.

Основной принцип функционирования точки контроля, узнающей дефекты в ДНК или незавершенность ее репликации, схематически представлен на рисунке ниже.

Сигнальные системы MEN (почкующиеся дрожжи) и SIN (делящиеся дрожжи) представляют собой цепочки аналогичных процессов,
которые регулируются ГТФазой, переходящей из активной (связанной с ГТФ) в неактивную (связанную с ГДФ) форму.
Активная форма ГТФазы стимулирует каскад протеинкиназ (три киназы в MEN и четыре в SIN).
Сигнальные системы MEN и SIN обеспечивают активацию семейства фосфатаз Cdc14 и прохождение цитокинеза.
Неизвестно, участвуют ли фосфатазы в цитокинезе у обоих типов дрожжей. Инактивация Cdc9p ДНК-лигазы при переносе мутантов Cdc9ts в условия непермиссивной температуры приводит к незавершению репликации ДНК.
Все мутанты останавливаются в цикле и приобретают вид крупных почкующихся клеток.
При выпадении в клетках функции гена Rad9p и перенесении их в условия той же температуры, видимых изменений фенотипа не наблюдается.
Однако мутанты с выключенной функцией генов Cdc9 и rad9 обнаруживают особый летальный фенотип.
Клетки не останавливаются в цикле и продолжают образовывать микроколонии нежизнеспособных клеток.
Таким образом, эти результаты показывают, что остановка роста мутантов cdc9ts связана с существованием в цикле контрольной точки, которая функционирует с участием Rad9. После обнаружения ошибки (например, повреждения в ДНК) в клетке активируется контрольная точка.
Эта точка представляет собой последовательность событий, реализующих сигнал блокировки прохождения клетки по циклу.
Данный пример иллюстрирует события, в результате которых за счет ингибирования активации Cdk1 предотвращается вхождение клетки в митоз.

Редактор: Искандер Милевски. Дата обновления публикации: 18.3.2021

Перспективы изучения регуляции клеточного цикла

После завершения проектов секвенирования генома были предприняты попытки приблизиться к пониманию характера изменений в генах и в функционировании их продуктов на протяжении клеточного цикла. Метод микроаррей-анализа позволил исследователям идентифицировать все изменения транскрипции, происходящие в клеточном геноме на протяжении цикла или после обработки клеток веществами, которые блокируют их продвижение по циклу.

Наиболее исчерпывающий анализ изменений профиля экспрессии генов выполнен на дрожжах S. cerevisiae и S. pombe. При этом были идентифицированы гены, транскрипция которых на протяжении клеточного цикла меняется. Аналогичным образом использовали микроаррей-анализ для идентификации генов, транскрипция которых при активации точки контроля увеличивается или снижается. Эту же стратегию также применяли к другим организмам для поиска общих принципов регуляции клеточного цикла и активации точек контроля, а также для оценки различий между здоровыми и трансформированными клетками животных.

Стратегия микроаррей-анализа сейчас используется для получения геномного профиля злокачественных клеток и выработки терапевтических подходов к лечению больных.

Еще один метод, который используется для идентификации регуляторных белков клеточного цикла, представляет собой глобальный анализ локализации белка. Например, была установлена локализация почти каждого белка, закодированного в геноме клеток S. cerevisiae и S. pombe. При этом использовался метод слияния каждой открытой рамки считывания с последовательностью, кодирующей зеленый флуоресцентный белок Также в перспективе намечается проведение крупномасштабных анализов с использованием методов протеомики, которые позволят определить белковые компоненты всех мультимерных комплексов, обеспечивающих жизнедеятельность клетки. Такой анализ мог бы способствовать нашему пониманию функционирования различных белков и их комплексов.

Принимая во внимание всю важность точек контроля в координации событий клеточного цикла, особенно необходимым представляется понимание молекулярных механизмов их функционирования. Точки контроля за повреждениями в ДНК, за ее репликацией в S-фазе, а также контролирующие сборку веретена, требуют участия ряда протеинкиназ. Однако пока идентифицировано лишь ограниченное число субстратов этих киназ, и представляется весьма важным продолжать поиск с тем, чтобы возможно более полно выяснить роль различных реакций фосфорилирования в процессах контроля. Выяснение всех перечисленных вопросов явилось бы крупным шагом вперед в понимании роли точек контроля в обеспечении точности передачи хромосом дочерним клеткам.

Аналогичным образом, несмотря на большое количество доступной информации относительно регуляции киназ митоза, предстоит еще многое выяснить о мишенях этих киназ. Совместное использование генетических методов на дрожжевых объектах и методов биохимического анализа при работе с экстрактами яйцеклеток лягушки и морского ежа обеспечило получение важных данных о функциях Cdk1 киназы митоза. Однако картина еще далека от завершения.

Как Cdk1 регулирует несколько таких митотических процессов, как конденсация хромосом, сборка веретена и разделение сестринских хроматид? Дальнейшая идентификация субстратов Cdk1 помогла бы полнее понять их молекулярные основы. Не менее важным представлется выяснить, каким образом выход клетки из митоза связан со снижением активности Cdk1. Как снижение активности фермента сопряжено с распадом веретена и цитокинезом? Вызваны ли эти процессы дефосфорилированием белков? Если да, то каким образом они регулируются путем дефосфорилирования белков?

Прохождение клетки через точку START (у дрожжей) или точку рестрикции (у высших эукариот) служит сигналом о готовности клетки войти в цикл и регулируется внешними факторами,
такими как наличие необходимых для роста питательных ингредиентов или отсутствие гормонов спаривания (у дрожжей).
Процесс также регулируется внутренними факторами, например степенью интактности ДНК.

Постоянное усовершенствование масс-спектрометрических методов уже обеспечило простоту исследования таких модификаций белков, как фосфорилирование. Методы биохимической генетики оказались мощным инструментом в идентификации субстратов протеинкиназ. В этих методах используются ингибиторы модифицированных киназ для установления роли последних в специфических реакциях фосфорилирования. Такие аналог-чувствитель-ные аллели (аллели, содержащие мутантную форму киназы, которая не зависит от АТФ, но является аналогом дикой формы) оказались ценным инструментом для избирательного ингибирования этой специфической киназы и идентификации ее субстратов in vivo. Очевидно, что подобные методические подходы помогут исследователям ответить на следующие вопросы: Какие белки фосфорилируются на определенных стадиях клеточного цикла?

Насколько меняется степень фосфорилирования определенного белка после снижения активность определенной киназы? Ответы на все эти вопросы помогут составить полную картину того, как протеинкиназы регулируют критические процессы клеточного цикла.

В то время как протеинкиназы служат регуляторами критических событий клеточного цикла, направленный протеолиз обеспечивает необратимое продвижение клетки по циклу. SCF и АРС представляют собой две убиквитин-лигазы, специфические для клеточного цикла и необходимые для нормального протекания его процессов. Дефекты убиквитин-зависимого протеолиза также связаны с развитием опухолей. Поэтому идентификация белков, которые подвергаются убиквитин-зависимому протеолизу на протяжении цикла деления, играет критическую роль для понимания процессов клеточного цикла и развития опухолей.

Уже предприняты попытки обнаружить такие белки. Например, используя систему in vitro, в экстрактах яйцеклеток лягушки был идентифицирован набор белков, которые подвергаются специфическому протеолизу в митозе. Продолжение поиска таких белков и тщательный поиск субстатов SCF и АРС должны способствовать выяснению роли убиквитин-зависимого протеолиза в процессах цикла. Более того, выяснение деталей протеолиза может способствовать выявлению дополнительных мишеней для действия лекарственных средств.

Основную сложность в разработке средств химиотерапии рака представлял собой поиск агентов, селективно действующих на раковые клетки. Исследования всех тонкостей регуляции клеточного цикла должны дать в руки исследователям инструмент воздействия на регуляторные процессы, способные предотвратить наступление нежелательных циклов деления. Идентификация белков, участвующих в различных аспектах прохождения клетки по циклу, позволит составить список возможных мишеней для разработки противораковых средств. Аналогичным образом, поиск генов, участвующих в регуляции цикла, и использование метода генетических «отпечатков пальцев» помогут идентификации предрасположенности к определенному типу опухолей и оценке возможностей для фармакологического вмешательства.

Клеточный цикл представлет собой упорядоченную цепь событий, которые приводят к дупликации клеточного содержимого и к делению клетки на две. События клеточного цикла регулируются во времени и в пространстве. Определенный порядок и точность протекания процессов клеточного цикла обеспечиваются специальными механизмами мониторинга, известными под названием точек контроля. В случае возникновения дефектов процесса дупликации точки контроля задерживают прохождение клетки по циклу, обеспечивая возможность исправления ошибок.

Репликация генетической информации происходит в S-фазе, а сегрегация информации — в фазе митоза. Обе фазы разделены фазами-промежутками, G1 и G2. Такой порядок событий устанавливается точками контроля и реализуется с помощью основных регуляторных киназ клеточного цикла, CDKs. Некоторые процессы цикла наступают, только когда понижается активность Cdk1 (например, сборка пререпликативного комплекса), а другие — только при повышении ее активности (вступление в митоз). Походящие для репликации внешние условия устанавливаются, только когда активность Cdkl низкая, а митотический процесс начинается, когда активность киназы высока. Вхождение в фазу митоза завершается после полной активации Cdk1, а также некоторых других протеинкиназ. Эти киназы регулируют функцию машины сегрегации хромосом, а именно веретена.

После биполярного прикрепления сестринских хроматид к митотическому веретену при наступлении анафазы они расходятся и в дальнейшем мигрируют к противоположным полюсам веретена за счет его элонгации. Разделение сестринских хроматид в анафазе требует участия убиквитин-лигазы, АРС. Активность Cdk1 в анафазе начинает снижаться, что позволяет клетке входить в S-фазу следующего цикла.

Внешние сигналы определяют, должна ли здоровая клетка вступить в цикл деления или перейти в неделящееся, покоящееся состояние. Такие сигналы зависят от наличия питательных веществ, межклеточных взаимодействий, а также от присутствия ростовых факторов. Биохимические процессы, которые генерируются в ответ на поступление внешних сигналов, могут обладать стимулирующими или ингибиторными свойствами. В большинстве случаев, они влияют на точку перехода из G1- в S-период, которая для большинства клеток представляет собой основную точку контроля в цикле. Коммитирование клетки к вступлению в S-фазу, переход от G2 к митозу и наступление анафазы находятся под контролем соответствующих точек, которые задерживают прохождение клетки по циклу в случае, если не выполнены все требования, обеспечивающие точность прохождения событий цикла.

Дефекты механизма функционирования точек контроля приводят к сохранению ошибок дупликации в следующем поколении клеток и могут привести к нерегулируемой пролиферации и к развитию рака. Образованию опухолей способствуют два типа мутаций: инактивирующие мутации в генах-супрессорах опухоли и активирующие мутации в протоонкогенах. Одна мутация редко служит причиной возникновения опухоли, и риск развития рака возрастает, когда в клетке присутствуют несколько мутаций, нарушающих ее генетическую стабильность.

Видео стадии и фазы клеточного цикла клетки

• Клетки могут находиться в неделящемся состоянии, которое называется состоянием покоя или G0

• Покоящиеся клетки могут возвращаться в клеточный цикл под влиянием сигнала извне

• Клетки повторно входят в цикл в основном на стадии G1

• При дифференцировке в специализированные клетки, они также могут навсегда выйти из цикла

• Некоторые клетки запрограммированы на самоуничтожение путем апоптоза

Мы ввели понятие основной биологической машины клеточного цикла, которая осуществляет все события, необходимые для прохождения этого процесса. Однако эта машина «включена» не всегда, поскольку переход к делению, при отсутствии соответствующих внешних условий, представляет опасность для клетки. В данном разделе мы рассмотрим, как информация, извне поступающая в клетку, преобразуется в решение, включать или нет «машину» клеточного цикла и начинать деление.

Если сигналы, указывающие клетке, что она должна разделиться, имеют ограниченный характер, клетки Метазоа переходят в неделящееся состояние, которое обозначается как покоящееся, или состояние G0. Из этого состояния многие клетки опять могут войти в цикл при наличии питательных веществ и сигналов, необходимых для наступления деления. Эти сигналы включают соответствующие ростовые факторы и гормоны.

Однако, по мере дифференцировки in vivo или в культуре, клетки часто утрачивают способность пролиферировать и могут перейти в состояние постоянного покоя, которое называется старением. Например, полностью дифференцированные нейроны не делятся, даже в присутствии химических стимуляторов роста.

Некоторые внешние факторы могут стимулировать наступление еще одного состояния клетки, которое называется апоптоз. Хотя апоптоз является нормальным процессом, свойственным развивающимся многоклеточным организмам, его можно индуцировать в культуре клеток с помощью специфических внешних сигналов, например с помощью фактора некроза опухоли-а (TNF-а), который связывается со специфическими рецепорами и запускает цепь биохимических процессов, приводящих клетку к гибели.

Апоптоз также наступает, когда клетка получает конфликтный внешний сигнал, например сигнал к пролиферации при отсутствии достаточного количества питательных веществ.

У дрожжей, в условиях голодания или в присутствии факторов спаривания, пролиферация подавляется. В ответ на недостаточное питание (недостаток источников азота и углерода) у них снижается активность аденилатциклазы, фермента, превращающего АТФ в цАМФ. Последний представляет собой один из внутриклеточных вторичных мессенджеров, активирующих цАМФ-зависимую про-теинкиназу, которая, в свою очередь, активирует синтез белка и переводит клетку в состояние, коммитированное к делению. Когда в клетках дрожжей уровень цАМФ снижается, они останавливаются в G1-периоде цикла.

Каким образом факторы спаривания ингибируют прохождение клеток по циклу? У гаплоидных почкующихся дрожжей существуют два типа спаривания, МАТа и МАТа, и они секретируют феромоны, на которые реагируют клетки противоположного пола. Например, а фактор вызывает остановку МАТа клеток в G1-периоде Связывание а фактора со своим рецептором на поверхности МАТа клеток активирует протеинкиназный каскад и вызывает протекание двух процессов: экспрессию генов, ответственных за процесс спаривания, и остановку клеточного цикла. Остановка цикла происходит за счет связывания CKI, Far1p с G1 CDK-циклиновыми комплексами.

Если стимулировать покоящиеся клетки к делению, они начинают повторный вход в цикл со стадии G1. До достижения определенной точки в G1-периоде, удаление стимулирующего сигнала предотвращает дальнейшее прохождение клеток по циклу и возвращает их в состояние покоя. Позже, в G1-периоде, клетка проходит определенную точку, после чего удаление сигнала более уже не влияет на ее дальнейшее прохождение по циклу. Таким образом, клетка становится необратимо комми-тированной к циклу деления, независимо от наличия внешних сигналов.

Эта точка в G1-периоде, после которой клетка коммитируется к началу (и завершению) цикла деления, у дрожжей носит название START, а у многоклеточных эукариот точка рестрикции. Схема, иллюстрирующая расположение точек комитирования в клеточном цикле, представлена на рисунке ниже.

Каким образом происходит реактивация машины, контролирующей клеточный цикл, когда клетка выходит из фазы покоя? Один механизм учитывает снятие ингибирования G1 CDK-циклиновых комплексов. Это достигается, главным образом, за счет деградации ингибиторов CKI, накопленных при остановке клеточного цикла. Деградация осуществляется с участием убиквитина. Убиквитин-лигаза, Е3, необходимая для протеолиза CKI, присутствует во всех клетках и называется SCF. Она отличается от Е3 убиквитин-лигазы, которая участвует в убиквитинилировании митотического циклина.

SCF состоит из четырех коровых субъединиц: Skp1, Cdc53, белка F-домена и белка Rbx 1, содержащего домен пальцев RING. Множественные белки F-домена находятся во всех типах клеток и связываются с различными субстратами, обеспечивая тем самым субстратную специфичность для комплексов SNF. Белок, содержащий домен RING, взаимодействует с ферментом Е2.

Необходимым условием для узнавания субстрата белком F-домена и SCF служит его предварительное фосфорилирование. В случае CKI, фосфорилирование его по нескольким сайтам CDK-циклиновым комплексом позволяет SCF узнать его и деградировать путем протеолиза. Когда CKI деградирует, G1 CDK становится активной. Таким образом, происходит амплификация незначительных количеств активного комплекса CDK-циклина, пока, наконец, активность CDK достигает того уровня, который необходим для индукции перехода через стадию клеточного цикла.

Поэтому некоторые SCF комплексы действуют как негативные регуляторы CKI и проявляют себя как положительные регуляторы, возвращающие клетку в цикл. На рисунке ниже схематически представлен общий состав комплекса SCF и его активность в отношении CKI. Суммируя вышесказаное, отметим, что решение клетки вступать в деление зависит от внешних условий. Если они неблагоприятны для деления, то клетки переходят в состояние покоя. При создании соответствующих условий клетки повторно вступают в G1-фазу цикла. Повторное вступление в цикл и прохождение по фазе G1 требует активации G1 CDK, что и происходит при образовании циклинов в G1-фазе и при инактивации CKI, ингибирующих комплексы CDK-циклин.

Комплекс SCF состоит из четырех основных субъединиц:
Rbx1 (белок, содержащий домен RING), Cullin (например, Cdc53), Skpl и F-домен.
Субъединицы F-домена узнают специфические фосфорилированные субстраты и связывают их с комплексом SCF, также связывая Skp1 через домен F. Связывание лиганда с рецептором на наружной мембране клетки приводит к димеризации и к активации рецептора.
В представленном примере рецептор Tyr-киназы, рецептор PDGF, подвергается внутримолекулярному фосфорилированию,
что активирует адаптерные белки Shc, Grb2 и SOS. Эти белки активируют ГТФазу, называемую Ras.
В результате происходит активация сигнального каскада киназ, включающего киназы RAF, MEK и ERK,
которые, в конце концов, активируют транскрипцию.
При этом индуцируется экспрессия генов, регулирующих пролиферацию и прохождение клеток через точку рестрикции, что обеспечивает вступление клетки в цикл деления.

Митоз и мейоз

С момента появления клетки и до ее смерти в результате апоптоза (программируемой клеточной гибели) непрерывно продолжается жизненный цикл клетки.

Здесь и в дальнейшем мы будем пользоваться генетической формулой клетки, где "n" - число хромосом, а "c" - число ДНК (хроматид). Напомню, что в состав каждой хромосомы может входить как одна молекула ДНК (одна хроматида) (nc), либо две (n2c).

Клеточный цикл включает в себя несколько этапов: деление (митоз), постмитотический (пресинтетический), синтетический, постсинтетический (премитотический) период. Три последних периода составляют интерфазу - подготовку к делению клетки.

₁

Интенсивно образуются органоиды (рибосомы и другие), синтезируется белки, АТФ и все виды РНК, ферменты, клетка растет.

Длится 6-10 часов. Важнейшее событие этого периода - удвоение ДНК, вследствие которого к концу синтетического периода каждая хромосома состоит из двух хроматид. Происходит удвоение центриолей (репликация центриолей). Активно синтезируются структурные белки ДНК - гистоны.

Короткий, длится 2-6 часов. Это время клетка тратит на подготовку к последующему процессу - делению клетки, синтезируются белки (тубулин для веретена деления) и АТФ, делятся митохондрии и хлоропласты.

Митоз (греч. μίτος - нить)

Митоз является непрямым способом деления клетки, наиболее распространенным среди эукариотических организмов. По продолжительности занимает около 1 часа. К митозу клетка готовится в период интерфазы путем синтеза белков, АТФ и удвоения молекулы ДНК в синтетическом периоде.

Митоз состоит из 4 фаз, которые мы далее детально рассмотрим: профаза, метафаза, анафаза, телофаза. Напомню, что клетка вступает в митоз с уже удвоенным (в синтетическом периоде) количеством ДНК. Мы рассмотрим митоз на примере клетки с набором хромосом и ДНК 2n4c.

Бесформенный хроматин в ядре начинает собираться в четкие оформленные структуры - хромосомы - происходит это за счет спирализации ДНК (вспомните мой пример ассоциации хромосомы с мотком ниток)
Оболочка ядра распадается, хромосомы оказываются в цитоплазме клетки
Центриоли перемещаются к полюсам клетки, образуются центры веретена деления

ДНК максимально спирализована в хромосомы, которые располагаются на экваторе клетки. Каждая хромосома состоит из двух хроматид, соединенных центромерой (кинетохором). Нити веретена деления прикрепляются к центромерам хромосом (если точнее, прикрепляются к кинетохору центромеры).

Самая короткая фаза митоза. Хромосомы, состоящие из двух хроматид, распадаются на отдельные хроматиды. Нити веретена деления тянут хроматиды (синоним - дочерние хромосомы) к полюсам клетки.

Начинается процесс деспирализации ДНК, хромосомы исчезают и становятся хроматином (вспомните ассоциацию про раскрученный моток ниток)
Появляется ядерная оболочка, формируется ядро
Разрушаются нити веретена деления

В телофазе происходит деление цитоплазмы - цитокинез (цитотомия), в результате которого образуются две дочерние клетки с набором 2n2c. В клетках животных цитокинез осуществляется стягиванием цитоплазмы, в клетках растений - формированием плотной клеточной стенки (которая растет изнутри кнаружи).

Образовавшиеся в телофазе дочерние клетки 2n2c вступают в постмитотический период. Затем в синтетический период, где происходит удвоение ДНК, после чего каждая хромосома состоит из двух хроматид - 2n4c. Клетка с набором 2n4c и попадает в профазу митоза. Так замыкается клеточный цикл.

В результате митоза образуются дочерние клетки - генетические копии (клоны) материнской.
Митоз является универсальным способом бесполого размножения, регенерации и протекает одинаково у всех эукариот (ядерных организмов).
Универсальность митоза служит очередным доказательством единства всего органического мира.

Попробуйте самостоятельно вспомнить фазы митоза и описать события, которые в них происходят. Особенное внимание уделите состоянию хромосом, подчеркните сколько в них содержится молекул ДНК (хроматид).

Мейоз

Мейоз (от греч. μείωσις — уменьшение), или редукционное деление клетки - способ деления клетки, при котором наследственный материал в них (число хромосом) уменьшается вдвое. Мейоз происходит в ходе образования половых клеток (гамет) у животных и спор у растений.

В результате мейоза из диплоидных клеток (2n) получаются гаплоидные (n). Мейоз состоит из двух последовательных делений, между которыми практически отсутствует пауза. Удвоение ДНК перед мейозом происходит в синтетическом периоде интерфазы (как и при митозе).

Как уже было сказано, мейоз состоит из двух делений: мейоза I (редукционного) и мейоза II (эквационного). Первое деление называют редукционным (лат. reductio - уменьшение), так как к его окончанию число хромосом уменьшается вдвое. Второе деление - эквационное (лат. aequatio — уравнивание) очень похоже на митоз.

Помимо типичных для профазы процессов (спирализация ДНК в хромосомы, разрушение ядерной оболочки, движение центриолей к полюсам клетки) в профазе мейоза I происходят два важнейших процесса: конъюгация и кроссинговер.

Конъюгация (лат. conjugatio — соединение) - сближение гомологичных хромосом друг с другом. Гомологичными хромосомами называются такие, которые соответствуют друг другу по размерам, форме и строению. В результате конъюгации образуются комплексы, состоящие из двух хромосом - биваленты (лат. bi - двойной и valens - сильный).

После конъюгации становится возможен следующий процесс - кроссинговер (от англ. crossing over — пересечение), в ходе которого происходит обмен участками между гомологичными хромосомами.

Кроссинговер является важнейшим процессом, в ходе которого возникают рекомбинации генов, что создает уникальный материал для эволюции, последующего естественного отбора. Кроссинговер приводит к генетическому разнообразию потомства.

Биваленты (комплексы из двух хромосом) выстраиваются по экватору клетки. Формируется веретено деления, нити которого крепятся к центромере (кинетохору) каждой хромосомы, составляющей бивалент.

Нити веретена деления сокращаются, вследствие чего биваленты распадаются на отдельные хромосомы, которые и притягиваются к полюсам клетки. В результате у каждого полюса формируется гаплоидный набор будущей клетки - n2c, за счет чего мейоз I и называется редукционным делением.

Происходит цитокинез - деление цитоплазмы. Формируются две клетки с гаплоидным набором хромосом. Очень короткая интерфаза после мейоза I сменяется новым делением - мейозом II.

Мейоз II весьма напоминает митоз по всем фазам, поэтому если вы что-то подзабыли: поищите в теме про митоз. Главное отличие мейоза II от мейоза I в том, что в анафазе мейоза II к полюсам клетки расходятся не хромосомы, а хроматиды (дочерние хромосомы).

В результате мейоза I и мейоза II мы получили из диплоидной клетки 2n4c гаплоидную клетку - nc. В этом и состоит сущность мейоза - образование гаплоидных (половых) клеток. Вспомнить набор хромосом и ДНК в различных фазах мейоза нам еще предстоит, когда будем изучать гаметогенез, в результате которого образуются сперматозоиды и яйцеклетки - половые клетки (гаметы).

Сейчас мы возьмем клетку, в которой 4 хромосомы. Попытайтесь самостоятельно описать фазы и этапы, через которые она пройдет в ходе мейоза. Проговорите и осмыслите набор хромосом в каждой фазе.

Помните, что до мейоза происходит удвоение ДНК в синтетическом периоде. Из-за этого уже в начале мейоза вы видите их увеличенное число - 2n4c (4 хромосомы, 8 молекул ДНК). Я понимаю, что хочется написать 4n8c, однако это неправильная запись!) Ведь наша исходная клетка диплоидна (2n), а не тетраплоидна (4n) ;)

Поддерживает постоянное число хромосом во всех поколениях, предотвращает удвоение числа хромосом
Благодаря кроссинговеру возникают новые комбинации генов, обеспечивается генетическое разнообразие состава гамет
Потомство с новыми признаками - материал для эволюции, который проходит естественный отбор

Бинарное деление надвое

Митоз и мейоз возможен только у эукариот, а как же быть прокариотам - бактериям? Они изобрели несколько другой способ и делятся бинарным делением надвое. Оно встречается не только у бактерий, но и у ряда ядерных организмов: амебы, инфузории, эвглены зеленой.

При благоприятных условиях бактерии делятся каждые 20 минут. В случае, если условия не столь благоприятны, то больше времени уходит на рост и развитие, накопление питательных веществ. Интервалы между делениями становятся длиннее.

Амитоз (от греч. ἀ - частица отрицания и μίτος - нить)

Способ прямого деления клетки, при котором не происходит образования веретена деления и равномерного распределения хромосом. Клетки делятся напрямую путем перетяжки, наследственный материал распределяется "как кому повезет" - случайным образом.

Амитоз встречается в раковых (опухолевых) клетках, воспалительно измененных, в старых клетках.

Данная статья написана Беллевичем Юрием Сергеевичем и является его интеллектуальной собственностью. Копирование, распространение (в том числе путем копирования на другие сайты и ресурсы в Интернете) или любое иное использование информации и объектов без предварительного согласия правообладателя преследуется по закону. Для получения материалов статьи и разрешения их использования, обратитесь, пожалуйста, к Беллевичу Юрию.

Читайте также: