مقدمة في انقسام الخلايا

انقسام الخلية هو عملية تنتج من خلالها خلية واحدة خليتين ابنتيتين أو أكثر. تتكاثر الكائنات أحادية الخلية ، مثل الخميرة ، عن طريق انقسام الخلايا ، في حين أن الكائنات متعددة الخلايا ، مثلنا ، تستخدم نفس العملية لتطوير أنسجتنا ونموها والحفاظ عليها. تعد معرفة ما يتحكم في الانقسام الطبيعي للخلايا أمرا بالغ الأهمية لفهم كيف يمكن لتعطيل هذه الظاهرة أن يبدأ العمليات المرضية.

يقدم هذا الفيديو تاريخا موجزا للاكتشافات في مجال انقسام الخلايا ، ويسلط الضوء على الأسئلة الرئيسية التي يطرحها علماء الأحياء الخلوية ، ويستعرض الأدوات البارزة المستخدمة ، ويعرض بعض التطبيقات الحالية.

لنبدأ بمراجعة بعض الدراسات التاريخية التي أرست الأساس لأبحاث انقسام الخلايا.

تم الإبلاغ عن وجود الخلايا لأول مرة في عام 1600 من قبل أنطون فان ليوينهوك وروبرت هوك. بدعم من الابتكارات في الفحص المجهري ، سحبوا الحجاب عن العالم المجهري غير المرئي. تم إجراء أول ملاحظة مفادها أن الخلايا يمكن أن تنقسم في ثلاثينيات القرن التاسع عشر من قبل اثنين من علماء النبات ، بارتيليمي دومورتييه وهوغو فون موهل ، اللذين اكتشفا أن خلية نباتية واحدة يمكن أن تؤدي إلى خليتين عن طريق الانقسام. بعد هذا الاكتشاف ، في عام 1838 ، لاحظ عالم النبات - ماتياس جاكوب شلايدن - وعالم وظائف الأعضاء - ثيودور شوان - أوجه تشابه في الخلايا النباتية والحيوانية. دفع هذا شوان إلى افتراض مبدأي نظرية الخلية ، أولا: "تتكون جميع الكائنات الحية من خلية واحدة أو أكثر". ثانيا: "الخلايا هي اللبنات الأساسية لكل الحياة". بعد ما يقرب من عشرين عاما ، نشر طبيب يدعى رودولف فيرشو المبدأ الثالث لنظرية الخلية ، والذي نص: "جميع الخلايا تنشأ من خلايا موجودة مسبقا".

في عام 1876 ، لاحظ والتر فليمينغ ، أثناء مشاهدة انقسام الخلايا ، فصل الهياكل الشبيهة بالخيوط. لذلك ، صاغ مصطلح "الانقسام" ، المشتق من الكلمة اليونانية ميتوس التي تعني الخيط. في وقت لاحق ، اكتشف إدوارد فان بينيدن وثيودور هاينريش بوفيري أن هذه الخيوط هي في الواقع كروموسومات ، يتم تقسيمها بمساعدة الأنابيب الدقيقة الناشئة عن الهياكل المعروفة الآن باسم الجسيمات الوسطى. كما أوضح بينيدن ، جنبا إلى جنب مع أوسكار هيرتويج وأوغست وايزمان ، الانقسام الاختزالي - وهو نوع مختلف من الانقسام ينتج خلايا مثل الأمشاج. أظهروا أن الانقسام الاختزالي ، على عكس الانقسام الفتيلي ، ينطوي على جولة واحدة من تكرار الحمض النووي ولكن جولتين من انقسام الخلايا ، مما يؤدي إلى خفض عدد الكروموسوم إلى النصف من الوالد إلى الخلايا الوليدة.

في النصف الأخير من القرن العشرين ، أصبح العلماء مهتمين بتنظيم دورة الخلية ، وهي عملية تمر فيها الخلية بسلسلة من المراحل تؤدي إلى انقسامها. جاء أحد أهم الاكتشافات في هذا المجال في عام 1972 من ليلاند هارتويل وزملاؤه. باستخدام سلالات الخميرة ، أظهروا أن هناك جينات تلعب دورا مهما في توجيه الخلايا خلال مراحل دورة الخلية ، وأطلق عليها الدكتور هارتويل اسم جينات دورة انقسام الخلية أو "CDC".

جاء

اكتشاف آخر في عام 1983 من قبل تيم هانت ، الذي كان يدرس قنافذ البحر. حدد البروتينات التي تتأرجح في وفرتها بالتزامن مع مراحل دورة الخلية. نظرا لطبيعتها التذبذبية ، أطلق على هذه البروتينات اسم "الأعاصير" ، والآن نحن نعلم أن الأعاصير هي المنظمين الرئيسيين لدورة الخلية. بعد أربع سنوات ، أظهر السير بول نيرس وزملاؤه أن جينات CDC ، ولا سيما cdc2 ، كانت محفوظة بشكل كبير بين الخمائر والبشر. معا ، زادت هذه الاكتشافات بشكل كبير من فهمنا لانقسام الخلايا ، وبالتالي تمت مكافأتها بجدارة بجائزة نوبل في عام 2001.

الآن بعد أن راجعنا بعض النقاط البارزة التاريخية ، دعنا نفحص بعض الأسئلة الأساسية التي تواجه مجال انقسام الخلايا اليوم.

سنبدأ ربما بأوسع سؤال في انقسام الخلايا: ما هي الجينات ومسارات الإشارات داخل الخلايا التي تنظم دورة الخلية؟ من المعروف أن الازدواجية والانقسام يتم التحكم فيهما بواسطة سلسلة من المفاتيح الكيميائية الحيوية التي تنشط أو تعطيل عمليات دورة الخلية. يعمل الباحثون على إلقاء المزيد من الضوء على الجزيئات التي تؤثر على تقدم أو تثبيط دورة الخلية.

يهتم علماء الأحياء أيضا بتحديد العوامل خارج الخلية التي تحفز أو تمنع انقسام الخلايا. قد تزيد الخلايا من انقسام الخلايا استجابة لإشارات كيميائية خارجية تسمى الميتوجينات. يعمل العلماء على فهم الإشارات الخارجية التي تحفز أو تمنع انقسام الخلايا.

يمكن أن يؤدي انقسام الخلايا غير الطبيعي إلى زيادة أو تقليل تكاثر الخلايا. زيادة تكاثر الخلايا يسبب أمراضا مثل السرطان. اكتشف الباحثون أن الطفرات في جينات معينة تعرف باسم الجينات المسرطنة تشارك في بدء السرطان. بالإضافة إلى ذلك ، اكتشف العلماء أيضا العديد من البروتينات التي تلعب دورا مهما في تطور الورم. ومع ذلك ، لا تزال العديد من العوامل المسببة للورم غير معروفة ، ويسعى علماء الأحياء جاهدين للكشف عنها.

الآن بعد أن شعرت ببعض الأسئلة التي لم تتم الإجابة عليها ، دعنا نلقي نظرة على بعض أدوات البحث التي يستخدمها علماء الأحياء للعثور على إجابات.

في مزيج من الخلايا المنقسمة بنشاط ، يمكن تحديد نسبة الخلايا الموجودة في كل مرحلة من مراحل دورة الخلية عن طريق تحليل دورة الخلية. يتم ذلك بمساعدة أصباغ خاصة ، مثل برومودوكسيوريدين أو BrdU. إنه نظير ثايميدين ويدمج نفسه في خيط الحمض النووي المركب حديثا أثناء تكرار الحمض النووي. ومن ثم ، فإنه يصنف خلايا الطور S فقط. من ناحية أخرى ، فإن مركبات الفلورسنت مثل بروبيديوم إيدوديد (PI) تلطخ كل الحمض النووي ، ولكن كمية PI المرتبطة يمكن أن تساعد في التمييز بين الخلايا في مراحل مختلفة. تتمثل الخطوة الأخيرة في تحليل الخلايا الملطخة باستخدام قياس التدفق الخلوي ، وتكشف البيانات التي تم الحصول عليها عن توزيع الخلايا بين مراحل دورة الخلية المختلفة.

تسهل التطورات في تقنيات التصوير الآن المراقبة المباشرة لانقسام الخلايا. يمكن للعلماء الآن تلطيخ الخلايا باستخدام أصباغ الفلورسين ، أو إجراء التلاعب الجيني للحث على التعبير عن بروتينات الفلورسنت. بعد ذلك ، يمكنهم مراقبة الخلايا الحية التي تنقسم مباشرة باستخدام الفحص المجهري بفاصل زمني.

أخيرا ، ابتكر العلماء أيضا طريقة لتحديد عدد الانقسامات التي تمر بها خلايا معينة داخل مجموعة من الخلايا المختلطة. يتم ذلك باستخدام "أصباغ تتبع قابلة للقياس الكمي". هذه الأصباغ مفيدة لأن الإشارة التي تولدها تصبح باهتة حيث يتم تخفيفها من خلال انقسام الخلايا. يمكن استخدام شدة التألق المتناقصة لتحديد الخلايا في أجيال مختلفة. بالإضافة إلى ذلك ، يمكن أن يوفر الفرق بين أعلى وأدنى شدة مضان نظرة ثاقبة لعدد المرات التي خضعت فيها الخلايا للانقسام.

الآن بعد أن أصبحت على دراية ببعض الأساليب الشائعة لدراسة انقسام الخلايا ، دعنا نلقي نظرة على كيفية تطبيق هذه الأساليب.

كما تمت مناقشته سابقا ، تلعب الجينات دورا رئيسيا في التحكم في دورة الخلية. هنا ، درس العلماء تأثير الطفرة الجينية على انقسام الخلايا في ذبابة الفاكهة يرقات. قاموا بإجراء تقاطعات جينية لإنتاج ذباب مع طفرات محددة ، ثم باستخدام تحليل دورة الخلية لاحظوا آثار الطفرة داخل أنسجة الجناح النامية.

باستخدام الفحص المجهري الفلوري ، يمكن للعلماء أيضا ملاحظة كيفية تأثير الأدوية على انقسام الخلايا في السرطان بشكل مباشر. في هذه التجربة ، كان الباحثون مهتمين بتحديد كيفية تأثير دواء محتمل ، JP-34 ، على انقسام الخلايا السرطانية. أظهرت النتائج أن الخلايا السرطانية المعالجة ب JP-34 خضعت للفشل الانقسامي وموت الخلايا.

أخيرا ، يستخدم العلماء أصباغ التتبع لتحديد الاختلافات في معدلات تكاثر الخلايا. هنا ، استخدموا صبغة تتبع قابلة للقياس الكمي تصنف أغشية الخلايا لدراسة الاختلافات في انقسام الخلايا للخلايا المناعية المختلفة. كشف تحليل بيانات قياس التدفق الخلوي أن معدل التكاثر يختلف بين أنواع مختلفة من الخلايا المناعية.

لقد شاهدت للتو مقدمة JoVE لانقسام الخلايا. في هذا الفيديو ، استعرضنا بعض الاكتشافات الرئيسية في انقسام الخلايا ، والأسئلة الرئيسية التي يطرحها علماء الأحياء الخلوية اليوم ، والأدوات البارزة المستخدمة في مختبرات انقسام الخلايا ، وتطبيقاتها الحالية. كما هو الحال دائما ، شكرا على المشاهدة!