Клеточный цикл и митоз

Клеточным циклом (митотическим циклом) называют весь период существования клетки от ее появления в результате деления до элиминации вследствие либо деления, либо апоптоза.

Клеточный цикл подразделяется на четыре периода: пресинтетический G1, синтетический S, постсинтетический G2 и митоз M. Периоды G1, S и G2 составляют в совокупности интерфазу, во время которой клетка сохраняет оформленное ядро, тогда как при делении митозом оно временно исчезает. Эта схема также подразумевает, что синтез ДНК происходит в интерфазе в ограниченный период времени, причем между ним и митозом существуют паузы (gaps).

Во время пресинтетического периода клетка активно синтезирует РНК и белки, восстанавливает органоиды, утраченные при делении, накапливает молекулы и энергию, необходимые для репликации, репарирует повреждения ДНК. Преобладание анаболических процессов в G1-периоде вызывает увеличение объема цитоплазмы, благодаря чему наблюдается рост клетки. Продолжительность периода G1 варьирует в широких пределах. Так, например, у лимфоцитов тимуса она составляет около 3 час., в кишечном эпителии — 10 час., в печени — 48 час., в эпидермисе кожи — 64 час. При неблагоприятных условиях продолжительность G1-периода возрастает, а при стимуляции клеток гормонами, факторами роста и митогенами — снижается.

В синтетическом периоде происходит синтез ДНК и белков хроматина, что приводит к удвоению хромосом и увеличению размеров клеточного ядра. Репликация ДНК осуществляется в геноме эукариот параллельно во многих участках — репликонах, которым соответствуют петлевые домены хроматина. Число репликонов зависит, прежде всего, от количества ДНК в ядре и поэтому варьирует в пределах от 1 тыс. у дрожжей до 4060 тыс. у млекопитающих. Репликоны собраны в кластеры, которые содержат от 20 до 80 точек инициации. Все репликоны, принадлежащие данному кластеру, реплицируются одновременно.

В репликации ДНК эукариот принимает участие большое количество ферментов. Наиболее важные из них — ДНК-полимеразы, праймазы, лигазы, топоизомеразы, ДНК-азы и РНК-азы. Репликация ДНК происходит по полуконсервативному механизму, при этом в точке инициации возникают две репликативные вилки, которые двигаются в противоположных направлениях со скоростью 13 тыс. пар нуклеотидов в минуту. Репликация ДНК в клеточном ядре происходит закономерным образом, распространяясь от эухроматина к гетерохроматину. Позже всех реплицируется сателлитная ДНК, которая локализуется в районе первичных перетяжек хромосом — центромер.

Одновременно с репликацией ДНК в ядро поступают гистоны и другие белки хроматина, которые синтезируются рибосомами в цитоплазме. Они взаимодействуют со вновь синтезированной ДНК и воспроизводят многоуровневую структуру хроматина, существовавшую в ядре до начала репликации. К концу S-периода количество ДНК и гистонов в клеточном ядре увеличивается ровно в два раза. При этом однохроматидные хромосомы, которые остались от материнской клетки, превращаются в двухроматидные. Это можно наблюдать непосредственно, вызывая конденсацию хромосом в интерфазе осмотическим шоком.

Продолжительность S-периода составляет для лимфоцитов тимуса 6 час., клеток кишечного эпителия — 8 час., печени — 16 час. В течение S-периода происходит также удвоение центриолей.

В постсинтетическом периоде клетка начинает непосредственную подготовку к делению. При этом в ней синтезируются тубулины, которые необходимы для формирования микротрубочек веретена деления, а также белки, участвующие в конденсации хромосом и других процессах митоза. В G2-периоде может также происходить незначительный репаративный синтез ДНК. Для этого периода клеточного цикла характерен высокий уровень посттрансляционных модификации белков, в особенности фосфорилирования и ацетилирования. Основными субстратами для соответствующих ферментов являются белки цитоскелета и ядерного матрикса. В G2-периоде происходит также активация тканеспецифических генов. Продолжительность этого периода у разных клеток меняется мало, составляя в большинстве случаев 24 часа.

После окончания G2-периода клетка приступает к делению. Митотическое деление клетки состоит из четырех фаз — профазы, метафазы, анафазы и телофазы.

Переход из G2-периода в профазу митоза сопровождается повышением вязкости цитоплазмы и округлением клеток. Одновременно наблюдаются изменения в хроматине, мелкозернистая структура которого меняется на глыбчатую. В ранней профазе в ядре более отчетливыми становятся интенсивно окрашенные теломерные участки хромосом, которые располагаются по периметру ядра у нуклеолеммы. В поздней профазе видно, что от теломерных участков к центру ядра отходят плечи хромосом.

В профазе митоза происходит расхождение двух диплосом клеточного центра в противоположные концы — полюса клетки. Между ними формируется состоящее из микротрубочек веретено деления (митотическое, или ахроматиновое веретено). Число радиально расположенных вокруг диплосом микротрубочек увеличивается, и они образуют астросферу.

В конце профазы наступает диссоциация ядрышка, а содержимое цитоплазмы и ядра сливаются в миксоплазму. Одновременно происходит разрушение пластинчатого комплекса. Продолжительность профазы составляет от 15 до 60 мин.

В начале метафазы (прометафаза, или метакинез) хромосомы перемещаются в плоскость экватора, которая располагается в середине веретена деления перпендикулярно линии, соединяющей полюса клетки. В результате образуется структура, которая называется метафазной пластинкой, или материнской звездой.

Митотические хромосомы в составе метафазной пластинки отличаются характерной морфологией. Обычно они имеют форму вытянутого цилиндра диаметром 12 мкм и длиной 150 мкм. В центре хромосомы находится первичная перетяжка, или центромера, которая делит ее на два плеча. В районе центромеры располагается прицентромерный гетерохроматин. Хромосомы с равными по длине плечами называются метацентрическими, с неравными плечами — субметацентрическими, а с очень коротким вторым плечом — акроцентрическими.

Некоторые хромосомы, кроме первичной перетяжки, имеют вторичную перетяжку. Она расположена ближе к концу хромосомы, отделяя от нее небольшой участок — спутник. В районе вторичной перетяжки локализован ядрышковый организатор, который содержит кластер генов рРНК и служит в интерфазном хроматине местом формирования ядрышка. Вторичная перетяжка окружена гетерохроматином.

Концы хромосом содержат особые участки — теломеры, которые состоят из гетерохроматина. Теломеры обеспечивают в интерфазном ядре прикрепление хромосом к нуклеолемме.

Между центромерой и теломерой с помощью методов дифференциального окрашивания в хромосомах выявляются различной ширины вставки из гетерохроматина полоски, или бенды. Они структурируют хромосому на отдельные блоки, расположение которых видоспецифично.

Каждая митотическая хромосома состоит из двух идентичных сестринских хроматид, связанных между собой центромерой. У большинства клеток в организме хромосомы представлены двойным диплоидным набором в отличие от одинарного гаплоидного набора у гамет.

Метафазная пластинка представляет собой сложный пространственный комплекс, который состоит из центриолей, отходящих от них микротрубочек веретена деления и хромосом. Микротрубочки веретена присоединены к центромерам с помощью особых белковых структур — кинетохоров. В кинетохоре имеются три слоя — прилежащий к хромосоме плотный внутренний слой, рыхлый средний слой и плотный внешний слой. От внешнего слоя отходят многочисленные микротрубочки, образующие корону кинетохора. Белки плотного внешнего слоя CENP способны специфически связываться с сателлитной ДНК. Белки внутреннего слоя кинетохора обеспечивают соединение сестринских хроматид. В состав кинетохора входят также механохимические белки динеины, которые участвуют в перемещении хромосом по микротрубочкам. Продолжительность метафазы составляет 530 мин.

Переход клетки из метафазы в анафазу происходит очень быстро. При этом сестринские хроматиды в хромосомах метафазной пластинки утрачивают связь между собой и начинают синхронное движение по направлению к противоположным полюсам клетки. Скорость движения хроматид, которые теперь превратились в самостоятельные хромосомы, может достигать 2 мкм/мин. В процессе движения ориентация хромосом меняется, и, поскольку центромеры опережают теломеры, они приобретают V-образную форму.

У животных анафаза слагается из двух процессов — движения хромосом к полюсам (анафаза А) и расхождения полюсов (анафаза В). У растений расхождения полюсов не наблюдается.

Движение хромосом в анафазе связано со скольжением микротрубочек веретена и моторными функциями динеина. Оно зависит от АТФ, кальция и температуры и может блокироваться колхицином и другими веществами, которые подавляют полимеризацию микротрубочек. Анафаза — самая короткая стадия митоза, продолжительность ее варьирует от 5 до 20 мин.

Телофаза митоза в общих чертах напоминает профазу, но события в ней происходят в обратном порядке. Она начинается с остановки хромосом, которые, не меняя ориентации, начинают деконденсироваться. Одновременно происходит восстановление нуклеолеммы из мембранных пузырьков, контактирующих с боковыми поверхностями хромосом. После полной реконструкции нуклеолеммы в ядре формируются новые ядрышки. Параллельно с восстановлением клеточного ядра происходит разборка веретена деления. Она начинается у полюсов клетки и заканчивается у экватора. Сохраняющиеся некоторое время в телофазе микротрубочки веретена могут формировать остаточные тельца.

Митоз завершается цитотомией, или цитокинезом распределением цитоплазмы между двумя дочерними клетками. У животных цитотомия обеспечивается инвагинацией плазмолеммы между двумя ядрами и формированием перетяжки. У растений цитотомия происходит путем построения дополнительной внутриклеточной перегородки. Общая продолжительность митоза составляет обычно от 1 до 4 час.

После завершения митоза две дочерние клетки могут опять вступить в G1-период клеточного цикла. Однако такое поведение клеток характерно только для быстрорастущих тканей и культур клеток в экспоненциальной фазе роста. В остальных случаях часть клеток после митоза переходят из клеточного цикла в состояние пролиферативного покоя G0. Остающиеся в цикле клетки составляют пролиферативный пул.

Величина пролиферативного пула определяется как отношение пролиферирующих клеток к общему числу клеток в популяции. Пролиферирующие клетки идентифицируются по включению радиоактивно меченых предшественников ДНК или с помощью моноклональных антител к ядерному антигену пролиферирующих клеток — PNCA. Величина пролиферативного пула отражает характер роста тканей и клеточных культур. В стабильных, не растущих и не обновляющихся клеточных популяциях, например, в мышечной и нервной тканях, величина пролиферативного пула составляет менее 1%. В растущих или обновляющихся тканях величина пролиферативного пула варьирует в пределах от 10 до 30%. Наиболее высокие значения пролиферативного пула характерны для быстро растущих опухолей более 90%.