Регуляция клеточного цикла и митоза

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.

Апоптоз

Термин “апоптоз” обозначает генетически контролируемый процесс разрушения генома с последующей гибелью клетки.

Гибель клеток путем апоптоза в различных клеточных популяциях имеет сходные морфологические проявления, которые разворачиваются по единому сценарию. В начале процесса клетка утрачивает микроворсинки и контакты с соседними клетками, округляется и отделяется от клеточного пласта. Одновременно в ядре наблюдается маргинация хроматина:он смещается к периферии, тогда как центральные области ядра просветляются. Затем в ядре появляются выпячивания нуклеолеммы (протуберанцы), которые заполняются гетерохроматином. В результате гетерохроматин формирует по периметру ядра скопления с четко очерченными границами. Маргинация хроматина и образование кольца из его глыбок по периферии ядра носит название кариорексис.

Параллельно изменениям ядра при апоптозе наблюдается конденсация цитоплазмы. При этом длительное время сохраняется целостность большинства цитоплазматических органоидов, в том числе лизосом и митохондрий. На более поздних этапах апоптоза плазмолемма начинает формировать глубокие инвагинации, которые приводят к распаду клетки на гроздь апоптозных телец. В некоторых из них содержатся остатки клеточного ядра, состоящие из окруженных нуклеолеммой плотных скоплений хроматина. В дальнейшем апоптозные тельца фагоцитируются макрофагами и другими клетками. Иногда апоптозные тельца не фагоцитируются, а слущиваются в полости, кровеносное русло или почечные канальцы. Длительность апоптоза варьирует в пределах от 1 до 12 час.

В некоторых тканях отдельные морфологические проявления апоптоза могут быть выражены слабо или вообще отсутствовать. Например, у лимфоцитов маргинация хроматина приводит к формированию одного скопления в форме полумесяца. Ядра клеток при апоптозе могут сжиматься, что обозначается термином пикноз. Апоптоз в сердечных мышечных клетках происходит вообще без маргинации и конденсации хроматина. Распад клетки на апоптозные тельца также наблюдается не всегда. Несмотря на это, по комплексу морфофизиологических свойств апоптоз значительно отличается от случайной гибели клеток – некроза, для которого характерна гипертрофия ядра и цитоплазмы вследствие самопереваривания клетки лизосомальными ферментами.

Апоптоз инициируется молекулярными сигналами, которые распознаются специальными рецепторными белками на плазмолемме. Наиболее изученным примером лиганд-рецепторного комплекса, который обеспечивает запуск апоптоза у многих клеток, является пара молекул лиганд Fas – рецептор Fas (CD95). Лиганд Fas экспрессируется, главным образом, на активированных Т-лимфоцитах. Он имеет молекулярную массу 46 кД и находится в мембране в виде димера или тримера. В отличие от лиганда, рецептор Fas экспрессируется не только на T-лимфоцитах, но и на многих других клетках. Его молекулярная масса составляет 36 кД. На цитоплазматической стороне рецептора имеется участок из 70 аминокислот, который участвует в передаче сигнала внутрь клетки - “домен смерти”. Другими примерами запускающих апоптоз молекул могут служить фактор некроза опухолей (ФНО), фактор роста нервов (ФРН) и другие. Все они распознаются специфическими рецепторами, которые на цитоплазматической стороне содержат “домен смерти”.

Основным процессом, происходящим в клетке при апоптозе, является деградация хроматина в клеточном ядре. Она осуществляется путем сочетанного воздействия на хроматин специфических для апоптоза ферментов. Белки хроматина при этом расщепляются цистеиновыми протеазами – каспазами, тогда как ДНК разрезается на фрагменты под действием эндогенных ДНК-аз.

К настоящему времени обнаружено более 10 каспаз. Субстратами для них являются сами каспазы, ламины, топоизомеразы, гистоны и другие белки хроматина.

При запуске апоптоза через рецепторные комплексы Fas и ФНО важная роль принадлежит каспазе-1, которая является продуктом гена ice. Первоначально она была идентифицирована как цистеиновая протеаза, расщепляющая предшественник одного из факторов роста - интерлейкина-1-бета. Каспаза-1 синтезируется в виде неактивного предшественника с молекулярной массой 45 кД, который затем превращается в субъединицы р10 и р20. Активный фермент представляет собой тетрамер, содержащий по две копии каждой субъединицы и атакующий пептидную связь после аспарагиновой кислоты. Активируемая каспазой-1 каспаза-3 подавляет функцию фермента, который участвует в репарации однонитевых разрывов ДНК. Одновременно каспаза-3 активирует ДНК-азуCAD (DFF40), которая разрезает ДНК между нуклеосомами. Субстратом для каспазы-6 является ламин A, который входит в состав ядерного матрикса.

Разрушение ядерной ДНК рассматривается как ключевое событие апоптоза, после которого процесс клеточной гибели становится необратимым. При этом сначала происходит образование крупных фрагментов ДНК, входящих в состав петлевых доменов хроматина. Позднее величина образующихся фрагментов снижается до 200 пар нуклеотидов, что соответствует длине ДНК, приходящейся на одну нуклеосому. Фрагментация ДНК при апоптозе представляет собой активный процесс, требующий затрат энергии, синтеза РНК и белка. В разрушении ядерной ДНК участвуют CAD, ДНК-азы I и II, а также апоптоз-активирующий фактор АИФ.

Таким образом, апоптоз представляет собой генетически запрограммированную реакцию клетки на специфический молекулярный сигнал, результатом которой является уничтожение ее генома. Апоптоз обеспечивает удаление клеток из нормально развивающихся и функционирующих тканей, не вызывая при этом повреждения соседних клеток и не запуская воспалительный процесс.

Мейоз

Процесс оплодотворения, который лежит в основе полового размножения организмов, заключается в слиянии мужской и женской половых клеток - гамет и формировании оплодотворенной яйцеклетки – зиготы, дающей начало новому организму. Клеточную природу яйца предполагал еще Т. Шванн, но только в 1870 г. бельгийский цитолог Э. ван Бенеден в “Исследовании о составе и значении яйца” доказал, что клеткой является все яйцо в целом, а его зародышевый пузырек представляет собой клеточное ядро. В 1875 г. О. Гертвиг, бывший в то время ассистентом в Иене, опубликовал работу “Материалы к познанию образования, оплодотворения и деления животного яйца”. Прозрачные яйца иглокожих позволили ему увидеть проникновение мужского ядра из головки сперматозоида в яйцеклетку и показать, что оплодотворение состоит в слиянии женского и мужскогопронуклеусов в единое ядро зиготы.

Слияние мужского и женского пронуклеусов при оплодотворении вызывает удвоение числа хромосом. Поэтому полиплоидизирующий эффект оплодотворения должен в каждом поколении компенсироваться процессом, приводящим к уменьшению числа хромосом в два раза. Таким процессом и является мейотическое деление клеток, или мейоз. У организмов с половым размножением при созревании гамет и оплодотворении происходит смена состояний клеток, которые различаются по числу хромосом. Развивающийся из зиготы организм, клетки которого содержат диплоидный набор хромосом, называется диплофазой, или диплонтом.Если организм состоит из клеток с гаплоидным набором хромосом, он называется гаплофазой, или гаплонтом.

Известно три типа мейоза, которые отличаются местом в жизненном цикле организмов, обеспечивая редукцию числа хромосом и переход либо к диплофазе, либо к гаплофазе:

Зиготный (начальный) мейозпроисходит сразу же после оплодотворения, с первыми делениями зиготы. Он обнаружен у многих водорослей и простейших. В жизненном цикле этих организмов преобладает гаплофаза, а диплофаза занимает небольшой период времени, пока существует зигота.

Гаметный (конечный) мейоз наблюдается у животных, а также у некоторых простейших и водорослей. В этом случае мейоз происходит во время гаметогенеза, а гаплофазе соответствуют гаметы - яйцеклетки и сперматозоиды.

Споровый (промежуточный) мейоз характерен для растений. В их жизненном цикле происходит чередование поколений спорофита, который размножается спорами, и гаметофита, который размножается половым путем с помощью гамет. Мейоз происходит в клетках диплоидного спорофита в процессе спорогенеза, в результате которого образуются споры с гаплоидным числом хромосом. Они развиваются без оплодотворения в гаметофит, продуцирующий гаметы, слияние которых в зиготу опять дает начало диплоидному спорофиту. Таким образом, у растений спорофит соответствует диплофазе (диплонту), а гаметофит – гаплофазе (гаплонту).

Несмотря на различное место мейоза в жизненном цикле растений, животных, простейших и других организмов его морфологические проявления однотипны у всех эукариот. Мейоз состоит из двух последовательных клеточных делений, которые напоминают митоз. Первое деление мейоза (мейоз I) обеспечивает редукцию числа хромосом в два раза и называется редукционным. Второе деление (мейоз II) превращает сестринские хроматиды в самостоятельные хромосомы аналогично митозу и называется эквационным (выравнивающим).

Перед началом мейоза клетка проходит все периоды клеточного цикла – G₁, S и G₂. Предмейотическая интерфаза имеет, однако, особенности, которые связаны с подготовкой клетки к мейозу. В частности, в предмейотической интерфазе обнаружены изменения состава гистонов и других белков хроматина, не характерные для митотической интерфазы.

Каждое из двух делений мейоза состоит из четырех последовательных фаз - профазы, метафазы, анафазы и телофазы. Между двумя делениями мейоза клетка некоторое время находится в состоянии, внешне сходном с интерфазой, но оно не сопровождается удвоением ДНК. Пауза между мейозом I и II обозначается как интеркинез.

Наиболее длительной фазой мейоза является профаза I. Именно в ней происходят процессы, обеспечивающие редукцию числа хромосом. Профазу I подразделяют на пять стадий:

лептотену, или стадию тонких нитей;

зиготену, или стадию слияния нитей;

пахитену, или стадию толстых нитей;

диплотену, или стадию двойных нитей;

диакинез, или стадию расхождения нитей.

Лептотена внешне напоминает раннюю профазу митоза. Однако в отличие от профазы митоза хромосомы на стадии лептотены значительно тоньше и длиннее, что не позволяет различить в них сестринские хроматиды. По всей длине мейотических хромосом располагаются небольшие утолщения – хромомеры. Число, размеры и расположение хромомеров специфично для каждой хромосомы. Количество хромомеров видоспецифично: у тритона их около 2500, у сверчка – около 200, у риса – 645.

Мейотические хромосомы располагаются в объеме ядра закономерным образом, контактируя теломерами с нуклеолеммой. У отдельных животных они могут формировать структуру, напоминающую букет. Такая структура состоит из сближенных между собой дугообразно изогнутых хромосом, связанных теломерными концами с ограниченным участком нуклеолеммы. У некоторых растений хромосомы в конце лептотены собираются в клубок, что обозначается термином “синезис”. В лептотене начинается процесс конъюгации гомологичных хромосом – синапсис. Он заключается в сближении гомологичных хромосом диплоидного набора в пространстве ядра. При этом хромомеры одной гомологичной хромосомы оказываются напротив соответствующих хромомеров другой гомологичной хромосомы.

Зиготена отличается от лептотены формированием комплексов конъюгирующих хромосом – бивалентов. Каждый бивалент состоит из четырех хроматид – двух сестринских и двух несестринских. Сестринские хроматиды связаны в биваленте центромерами, а несестринские хроматиды соединяются особой белковой структурой – синаптонемальным комплексом.

Синаптонемальный комплекс имеет ширину 160-240 нм и состоит из трех слоев: два одинаковых латеральных слоя толщиной по 30-60 нм располагаются на расстоянии 60-120 нм друг от друга, а между ними находится центральный элемент толщиной 10-40 нм. Латеральные слои контактируют с несестринскими хроматидами.

Формирование бивалента начинается на теломерных концах хромосом, связанных с нуклеолеммой, а также в центромерных районах. Затем объединяются и остальные участки двух гомологичных хромосом. Образование синаптонемального комплекса происходит при сближении хромосом на расстояние около 100 нм, причем структурные компоненты его взаимодействуют между собой наподобие застежки “молния”.

В зиготене синтезируется небольшое количество ДНК (z-ДНК), которая состоит из распределенных по всей длине хромосом уникальных последовательностей длиной 5-10 тыс. пар нуклеотидов. У соматических клеток z-ДНК, составляющая около 0,3 % всей ДНК клетки, реплицируется совместно с остальной ДНК в S-периоде клеточного цикла. Подавление синтеза ДНК в зиготене приводит к отмене конъюгации гомологичных хромосом. Предполагается, что z-ДНК участвует во взаимном распознавании гомологичных хромосом при формировании бивалента.

Пахитенаотличается максимальной конденсацией хромосом в составе бивалента. При этом они становятся настолько короткими и толстыми, что бивалент можно принять за одну хромосому. Число пахитенных хромосом-бивалентов равно гаплоидному числу хромосом данного вида. Иногда пахитенные хромосомы могут закручиваться относительно друг друга (соотносительное закручивание).

В пахитене начинается процесс взаимного обмена участками между гомологичными хромосомами – кроссинговер. Поскольку одна из гомологичных хромосом в биваленте происходит от матери, а вторая – от отца, в ходе кроссинговера происходит формирование генетически новых вариантов хромосом, сочетающих в себе аллели обоих родителей. В результате кроссинговера мейоз будет порождать кроссоверные гаметы, которые увеличивают наследственную изменчивость потомства. В пахитене наблюдается незначительный репаративный синтез ДНК.

Пахитенные хромосомы часто имеют опушенность, которая связана с деконденсацией некоторых хромомеров. Деконденсация хромомеров на стадии пахитены является морфологическим проявлением активации генов, контролирующих дифференцировку гамет.

Диплотена называется так потому, что на этой стадии начинается отталкивание гомологичных хромосом друг от друга, и они становятся различимы в составе бивалента. Отталкивание хромосом начинается в центромерных районах и распространяется вдоль бивалента. При этом становятся заметными места взаимного перекреста гомологичных хромосом – хиазмы.

В диплотене хромосомы еще больше конденсируются, в результате чего в биваленте происходит обособление хроматид. В микросокопе видно, что в образование хиазм вовлекаются только две хроматиды из четырех. При отталкивании хромосом происходит деструкция синаптонемального комплекса, его участки сохраняются только в хиазмах.

На стадии диплотены в ооцитах амфибий и насекомых хромосомы приобретают вид “ламповых щеток”. Поверхность хромосом этого типа покрыта петлями из хроматиновых нитей, которые выходят из хромомеров. На петлях хроматина транскрибируется большое количество долгоживущей иРНК, которая используется для синтеза белков, необходимых на ранних этапах эмбриогенеза.

Диакинез принципиально не отличается от диплотены. В нем происходит дальнейшее уменьшение числа хиазм, укорочение бивалентов и растворение ядрышек. Биваленты удаляются друг от друга, располагаясь по периферии ядра. В конце диакинеза гомологичные хромосомы остаются скрепленными в биваленте только терминальными хиазмами. При этом биваленты образуют характерные фигуры в форме крестов, колец, восьмерок или коротких скрученных веревок в зависимости от длины хромиосомы и числа хиазм. Диакинез завершается образованием веретена деления и распадом нуклеолеммы.

Метафаза I начинается с перемещения бивалентов в экваториальную плоскость веретена деления. При этом они ориентируются таким образом, что центромеры гомологичных хромосом обращены к противоположным полюсам клетки. Метафаза I мейоза принципиально отличается от метафазы митоза тем, что в плоскости экватора расположены спаренные хромосомы, повернутые на 90⁰ относительно своей оси.

В анафазе I хромосомы перемещаются к полюсам клетки. Однако в отличие от митоза к полюсам расходятся не сестринские хроматиды, а гомологичные хромосомы. Сестринские хроматиды при этом по-прежнему скреплены центромерами. Расхождение гомологичных хромосом в анафазе I происходит случайно, и хромосомы бивалента с равной вероятностью могут отойти к тому или иному полюсу. Это обеспечивает все возможные сочетания материнских и отцовских хромосом в гаметах.

В телофазе I хромосомы достигают полюсов клетки, причем у каждого полюса оказывается гаплоидное число хромосом. В дальнейшем в телофазе I мейоза происходят процессы, аналогичные телофазе митоза – деконденсация хромосом, восстановление нуклеолеммы, образование ядрышек и цитокинез. На этом редукционное деление мейоза (мейоз I) заканчивается.

Интеркинез, разделяющий первое и второе деления мейоза, отличается от обычной интерфазы отсутствием репликации ДНК. Иногда в интеркинезе хромосомы остаются в конденсированном состоянии, сохраняя свои морфологические особенности.

Эквационное деление мейоза (мейоз II) протекает сходно с митозом, но на гаплоидном уровне. После непродолжительной профазы и растворения нуклеолеммы двухроматидные хромосомы формируют митотическую фигуру. На стадии анафазы сестринские хроматиды становятся свободными хромосомами и отходят к полюсам клетки. События в телофазе протекают как в митозе, завершаясь цитокинезом. Таким образом, мейотическое деление одной клетки с диплоидным набором хромосом обеспечивает образование четырех клеток с гаплоидным набором хромосом. Их дальнейшая судьба зависит от типа мейоза, который характерен для данного вида. При наиболее распространенном гаметном типе порождаемые мейозом клетки дифференцируются в гаметы.

Редукция числа хромосом представляет собой основной, но не единственный результат мейоза. Большое значение для биологии вида имеет также создаваемая мейозом комбинаторная наследственная изменчивость, которая возникает благодаря случайному распределению родительских хромосом по гаметам и кроссинговеру.