細胞分裂

細胞分裂は、すべての生物にとって基本であり、成長と発達に必要です。すべての生物にとって生殖に不可欠な手段として、細胞分裂により、生物は遺伝物質を子孫に移植することができます。単細胞生物の場合、細胞分裂はまったく新しい生物を生成します。多細胞生物の場合、細胞分裂は生物の一般的な発達のための新しい細胞を生成するだけでなく、損傷した細胞を損傷から置き換える健康な細胞を生成します。多細胞生物の繁殖には、生殖細胞を作るための細胞分裂が必要です。

分裂するためには、細胞はまずその遺伝内容を複製し、2つの娘細胞に分割する必要があります。この一連の重複と分裂は細胞周期と呼ばれます。細胞周期の詳細は生物によって異なりますが、細胞分裂の基本的な段階は普遍的です。

細胞周期

細胞の寿命の約78%は間期に費やされ、細胞分裂のために成長し、準備されます。インターフェーズ自体には、3つのサブフェーズが含まれています。細胞分裂の直後に、新しく形成された細胞が間期のギャップ1またはG1部分に入ります。G1の期間中、細胞は活発に増殖し、多くの場合、分化して特定の機能を果たします。この段階では、細胞は内部および外部の信号に敏感になり、分裂するかどうかを決定します。ニューロンなどの一部の細胞は、分化後に細胞分裂に進行せず、死ぬまでG1に留まります。細胞分裂に進むための基準を満たすと、細胞は間期の合成またはS期に入り、その間に細胞は全ゲノムを複製します。次に、細胞はGap 2またはG2期に入り、細胞分裂に必要なすべてのタンパク質を合成します。これに続いて細胞分裂期が続きます。

真核生物における細胞分裂の種類

真核細胞の細胞分裂には、有糸分裂と減数分裂の2種類があります。体細胞または非生殖細胞は、有糸分裂によって娘細胞を産生します。有糸分裂は核分裂であり、前期、前中期、中期、後期、終期の5つの段階で構成されています。核膜は前中期に溶解します。中期では、紡錘体に接続された染色体が細胞の赤道に沿って並んでいます。後期には、姉妹染色分体は細胞の反対側の極に引っ張られます。最後に、終期には、染色体の両方のグループの周りに新しい核膜が形成されます。核分裂が完了した後、各核の周りの細胞質は細胞質分裂を介して互いに分離し、2つの同一の娘細胞が生まれます。

他のタイプの真核生物の細胞分裂は減数分裂と呼ばれ、生殖細胞に特異的です。減数分裂は、それぞれが親細胞の半分の遺伝的内容を持つ4つの娘細胞を生成します。このプロセスでは、細胞は間期の間にそのDNAを複製し、その後、細胞を2つから4つの細胞にそれぞれ分割する2つの連続した細胞分裂を完了します。これらの連続した細胞分裂は減数分裂Iおよび減数分裂IIと呼ばれ、どちらも前期から終期までのすべての段階で構成されています。非姉妹染色分体のセット間の遺伝物質の交換は、クロスオーバーと呼ばれるプロセスで前期I中に起こります。相同染色体ペアは、中期Iの間に細胞の赤道に沿って整列し、後期Iの間に互いに引き離されます。一倍体の娘核は終期Iの間に形成されます。細胞質分裂は一般的に減数分裂IIの前に発生しますが、間期は2つの連続した分裂の間にほとんど起こりません。減数分裂IIは有糸分裂と非常によく似ており、姉妹染色分体を分離します。減数分裂の終わりに、4つの一倍体娘細胞が形成されます。これらの細胞、娘細胞は配偶子と呼ばれ、精子または卵子細胞を形成します。

細胞分裂の制御

細胞分裂は、外部および内部で厳密に制御されています。外部規制は、分割の必要性を保証します。例えば、胃の内壁の細胞は、損傷した細胞を置き換える新しい細胞の継続的なニーズを満たすために頻繁に分裂します。同様に、損傷した組織は、損傷した細胞を置き換えるための細胞分裂の割合が高くなる可能性がありますが、細胞分裂を指示する外部シグナルが存在する限り、一定期間に限られます。細胞分裂の内部制御は、娘細胞の健康を確保します。細胞周期のフェーズ内には、あるフェーズから次のフェーズへの細胞の移行を調節する多くのチェックポイントがあります。例えば、品質管理メカニズムにより、細胞がG1期からS期に進むことができるのは、DNAが無傷で複製に適している場合のみです。同様に、G2のチェックポイントでは、DNAが完全かつ正確に複製された場合にのみ、細胞が有糸分裂(M期)に進むことができます。また、中期チェックポイントは、後期が始まる前に染色体が紡錘体に付着し、正しく整列していることを保証します。チェックポイントで失敗した細胞は、その細胞が間違いを修正できない場合、アポトーシスの標的となる可能性があります。

一部の突然変異は、細胞分裂を指示するシグナルがない場合でも細胞が分裂することを可能にします。例えば、腫瘍抑制遺伝子は細胞の制御不能な分裂を防ぎ、これらの遺伝子の突然変異はこの阻害を緩和します。この異常な細胞分裂を放置すると、腫瘍形成を引き起こし、場合によっては癌につながる可能性があります。米国の主要な死因の1つであるがんは、間違いなく社会に大きな影響を与えています。がんの生涯リスクは、特に乳がん、肺がん、前立腺がん、結腸がんの場合、DNAの突然変異が時間の経過とともに蓄積するため、年齢とともに増加します¹。したがって、細胞分裂に関する継続的な研究は、がんの発見、治療、そして最終的には予防を改善するために不可欠です。実際、現在のがん治療薬では、細胞分裂に関与する標的化メカニズムなど、細胞分裂メカニズムの知見が活用されています。例えば、シスプラチンなどのプラチナ製剤はDNAに結合してDNA複製を停止し、パクリタキセルなどのタキサン系は微小管に結合して紡錘体の分解を阻害し、細胞分裂を停止します²。

細胞周期や細胞分裂のメカニズムを理解することは、非分裂細胞に影響を与える疾患の治療法を理解し、開発するためにも重要です。現在、神経系や心臓の損傷は、損傷したニューロンや筋肉細胞を置き換えることができないため、衰弱させる影響を与える可能性があります。しかし、神経組織の損傷は、ニューロンおよび支持グリア細胞における細胞周期経路の活性化と関連している。興味深いことに、これらの細胞周期経路を阻害すると、損傷後のグリア瘢痕形成と二次損傷が減少します。したがって、細胞周期と細胞分裂の制御を理解することは、すべての臓器系の健康状態と病気の状態を理解するために不可欠です³。

参照

1. ケネディ、BJ。老化と癌。腫瘍学。 2000年、第14巻、12(1731-40)。
2. マホトラ、Vとペリー、MC。古典的な化学療法:メカニズム、毒性、およびセラピュートウィンドウ。がん生物学と治療。 2003年、第2巻、1(1-3)。
3. バーンズ、KR、他。細胞周期の活性化は、有糸分裂後の細胞死と脊髄損傷後の二次損傷に寄与します。脳。。 2007年、130(パート11):2977-92。

細胞周期とは、典型的な細胞の生涯を通じて、成長、DNA複製、細胞分裂の準備など、一連の事象を指します。有性生殖生物にとって、生命は受精卵である受精卵として始まります。時間が経つにつれて、その元の単一細胞は制御された方法で成長および分裂し、多細胞の複雑な個体を生み出します。細胞はこのプロセスを継続し、特に老化中に組織を維持および修復します。

それでは、詳しく見ていきましょう。真核生物では、二本鎖DNAは、細胞の限られたスペースに対応するために、膜結合した核内に特別に組織化されています。圧縮の最初のレベルでは、DNAはヒストンと呼ばれる特定のタンパク質にしっかりと巻き付けられます。このDNAタンパク質粒子の組み合わせは、その後、繰り返されてヌクレオソームと呼ばれる配列に詰め込まれ、ヌクレオソームはリンカーDNAとともにコイル状のクロマチン繊維を形成します。最後に、追加の繊維状タンパク質がクロマチンをさらに圧縮し、長いDNAを密集したユニットに詰め込みます。細胞分裂の段階に応じて染色体として認識されます。

分裂に備えるために、細胞は間期を経る必要がありますが、これは3つの段階に分けられます。G1、S、および G2。最初のギャップフェーズであるG1では、新しく生成された娘細胞のサイズが大きくなり、次のフェーズでのDNA重複に備えます。合成段階であるSでは、細胞は核DNAを複製し、その核DNAはクロマチンとしてパッケージ化されたままです。細胞はまた、有糸分裂紡錘体装置を形成する微小管組織化構造である中心体を複製します。最後に、第2のギャップ期であるG2では、細胞は増殖を続け、有糸分裂に必要な細胞小器官やタンパク質を増殖させ、エネルギー貯蔵を補充します。これで、細胞は有糸分裂の第一段階に入る準備が整いました。

5つのユニークなステージで構成される有糸分裂は、細胞の遺伝物質が2つの娘細胞間で分割される分裂の一形態です。まず、ヒトの前期には、核クロマチンが凝縮してX字型の染色体になり、セントロメア接合部に付着した姉妹染色分体ペアで構成されます。同時に核の外側では、中心体は細胞の反対側に移動します。そうすると、微小管桿体はそれぞれから成長し始めます。細胞の内部または外部に向かって、ウェブ状の紡錘体装置を形成します。次に、核膜は前中期に溶解し、染色体を細胞の他の内容物にさらします。タンパク質構造は、セントロメアの両側にも、染色分体ごとに1つずつ現れます。これらの動原体が形成されると、伸びる内部の微小管がそれらに固定され、各姉妹染色分体は異なる極につながれます。

その後、有糸分裂は中期に進行し、紡錘体装置が染色体を再配置して、染色体が細胞の赤道に沿って固定された列に同様に配向するようにします。後期には、動原体に付着した微小管が短くなります。そして、姉妹染色分体は、現在個別に染色体と呼ばれていますが、引き離されます。これらおよび他の微小管のダイナミクスも細胞を伸長させます。最後に、染色体は終期に反対側の細胞側に着地します。そして、スピンドル装置が解散します。遺伝物質が緩み、各染色体セットの周りに1つずつ、2つの核膜が形成されます。終期では、厳密には有糸分裂の段階ではない、細胞質分裂と呼ばれる明確なプロセスも細胞を分裂させます。したがって、有糸分裂の最終結果は、それらの前駆体と遺伝的に同一の細胞ペアです。

残念ながら、突然変異は細胞周期の調節を制御する遺伝子に損傷を与える可能性があり、細胞分裂が抑制されずに進行することにつながります。この場合、細胞分裂が連続するたびに、さらに損傷の大きい娘細胞が生成され、成長制御の失敗が最終的に腫瘍と呼ばれる細胞塊の形成につながります。

このラボでは、タマネギの根の先端細胞を使用して、有糸分裂のさまざまな段階を調べます。そして、細胞周期の制御が失われたときに何が起こるかを調べます。