Please note that some of the translations on this page are AI generated. Click here for the English version.
Podział komórek ma fundamentalne znaczenie dla wszystkich żywych organizmów i jest niezbędny do wzrostu i rozwoju. Jako podstawowy środek rozmnażania wszystkich żywych istot, podział komórek umożliwia organizmom przenoszenie materiału genetycznego na potomstwo. W przypadku organizmu jednokomórkowego podział komórkowy generuje zupełnie nowy organizm. W przypadku organizmów wielokomórkowych podział komórkowy wytwarza nowe komórki do ogólnego rozwoju organizmu, a także wytwarza zdrowe komórki, które zastępują uszkodzone komórki w wyniku urazu. Rozmnażanie organizmów wielokomórkowych wymaga podziału komórek w celu wytworzenia komórek rozrodczych.
Aby się podzielić, komórka musi najpierw zduplikować i podzielić swoją zawartość genetyczną na dwie komórki potomne. Ta seria duplikacji i podziału nazywana jest cyklem komórkowym. Szczegóły cyklu komórkowego różnią się w zależności od organizmu, ale podstawowe etapy podziału komórki są uniwersalne.
Około 78% życia komórki spędza w Interphase, rosnąc i przygotowując się do podziału komórki. Sama interfaza składa się z trzech podfaz. Natychmiast po podziale komórki nowo utworzona komórka wchodzi w część Gap 1 lub G1 Interphase. Podczas G1 komórki aktywnie rosną i, w wielu przypadkach, różnicują się, aby pełnić określone funkcje. Na tym etapie komórka jest wrażliwa na sygnały wewnętrzne i zewnętrzne, aby określić, czy się podzielić, czy nie. Niektóre komórki, takie jak neurony, nie przechodzą do podziału komórkowego po różnicowaniu i pozostają w G1 aż do śmierci. Gdy komórka spełni kryteria przejścia do podziału komórki, wchodzi w etap syntezy lub S interfazy, podczas którego komórka replikuje cały swój genom. Następnie komórka wchodzi w fazę Gap 2 lub G2, aby zsyntetyzować wszystkie białka niezbędne do podziału komórki. Po tym następuje faza podziału komórki.
W komórkach eukariotycznych istnieją dwa rodzaje podziału komórek - mitoza i mejoza. Komórki somatyczne lub nierozrodcze wytwarzają komórki potomne poprzez podział mitotyczny. Mitoza jest podziałem jądrowym i składa się z pięciu etapów: profazy, prometafazy, metafazy, anafazy i telofazy Podczas profazy zduplikowane cząsteczki DNA kondensują się w ciasno upakowane chromosomy, podczas gdy mikrotubule tworzą wrzeciona. Otoczka jądrowa rozpuszcza się w prometafazie. Podczas metafazy chromosomy połączone z wrzecionami ustawiają się wzdłuż równika komórek. Podczas anafazy chromatydy siostrzane są przyciągane do przeciwległych biegunów komórki. Wreszcie, podczas telofazy, wokół obu grup chromosomów tworzą się nowe otoczki jądrowe. Po zakończeniu podziału jądrowego cytoplazma wokół każdego jądra oddziela się od siebie poprzez cytokinezę, w wyniku czego powstają dwie identyczne komórki potomne.
Drugi rodzaj podziału komórek eukariotycznych nazywa się mejozą, która jest specyficzna dla komórek rozrodczych. Mejoza wytwarza cztery komórki potomne, z których każda ma tylko połowę zawartości genetycznej komórki macierzystej. W tym procesie komórka duplikuje swoje DNA podczas interfazy, a następnie kończy dwa kolejne podziały komórkowe, dzieląc komórki odpowiednio z dwóch na cztery komórki. Te kolejne podziały komórkowe nazywane są mejozą I i mejozą II, z których oba składają się ze wszystkich etapów od profazy do telofazy. Wymiana materiału genetycznego między zestawami chromatyd niesiostrzanych zachodzi podczas profazy I w procesie zwanym krzyżowaniem. Homologiczne pary chromosomów są ustawiane wzdłuż równika komórki podczas metafazy I i odciągane od siebie podczas anafazy I. Haploidalne jądra potomne powstają podczas telofazy I. Cytokineza zwykle występuje przed mejozą II, jednak interfaza prawie nigdy nie zachodzi między dwoma kolejnymi podziałami. Mejoza II jest bardzo podobna do mitozy i oddziela chromatydy siostrzane. Pod koniec mejozy powstają cztery haploidalne komórki potomne. Te komórki, komórki potomne, nazywane są gametami i tworzą plemniki lub komórki jajowe.
Podział komórek jest ściśle regulowany zewnętrznie i wewnętrznie. Zewnętrzna regulacja zapewnia konieczność podziału. Na przykład komórki błony śluzowej żołądka często się dzielą, aby zaspokoić ciągłe zapotrzebowanie na nowe komórki w celu zastąpienia uszkodzonych komórek. Podobnie, uszkodzone tkanki mogą doświadczać wyższych wskaźników podziału komórek w celu zastąpienia uszkodzonych komórek, ale tylko przez pewien czas, o ile obecne są zewnętrzne sygnały do bezpośredniego podziału komórek. Wewnętrzna regulacja podziału komórkowego zapewnia zdrowie komórek potomnych. W fazach cyklu komórkowego istnieje wiele punktów kontrolnych, które regulują przejście komórki z jednej fazy do drugiej. Na przykład mechanizmy kontroli jakości pozwalają komórce przejść z fazy G1 do S tylko wtedy, gdy DNA jest nienaruszone i nadaje się do replikacji. Podobnie, punkt kontrolny w G2 pozwala komórkom przejść do mitozy (faza M) tylko wtedy, gdy DNA zostało całkowicie i dokładnie zreplikowane. Ponadto punkt kontrolny metafazy zapewnia, że chromosomy są przyłączone do wrzecion i prawidłowo wyrównane, zanim anafaza będzie mogła się rozpocząć. Komórka, która zakończy się niepowodzeniem w punkcie kontrolnym, może być celem apoptozy, jeśli komórka nie jest w stanie poprawić błędu.
Niektóre mutacje pozwalają komórkom dzielić się nawet wtedy, gdy nie ma sygnału kierującego podziałem komórki. Na przykład geny supresorowe nowotworów zapobiegają niekontrolowanemu podziałowi komórek, a mutacja w tych genach łagodzi to hamowanie. Ten nieprawidłowy podział komórek, jeśli nie jest kontrolowany, może powodować powstawanie guza, aw niektórych przypadkach prowadzić do raka. Jako jedna z głównych przyczyn zgonów w Stanach Zjednoczonych, rak bez wątpienia ma duży wpływ na społeczeństwo. Ryzyko zachorowania na raka w ciągu całego życia wzrasta wraz z wiekiem, ponieważ mutacje w DNA kumulują się w czasie, zwłaszcza w przypadku raka piersi, płuc, prostaty i jelita grubego1. W związku z tym trwające badania nad podziałem komórek są niezbędne do poprawy wykrywania i leczenia raka, a ostatecznie do profilaktyki. W rzeczywistości obecne terapie stosowane w leczeniu raka wykorzystują wiedzę na temat mechanizmów podziału komórek, takich jak mechanizmy celowania w podział komórek. Na przykład leki zawierające platynę, takie jak cisplatyna, wiążą się z DNA i zatrzymują replikację DNA, podczas gdy taksany, takie jak paklitaksel, wiążą się z mikrotubulami i hamują demontaż wrzeciona, zatrzymując w ten sposób podział komórki2.
Zrozumienie cyklu komórkowego i mechanizmów podziału komórek jest również ważne dla zrozumienia i opracowania metod leczenia schorzeń, które wpływają na niedzielące się komórki. Obecnie urazy układu nerwowego lub serca mogą mieć wyniszczające skutki, ponieważ uszkodzonych komórek neuronów i mięśni nie można zastąpić. Jednak uszkodzenie tkanki nerwowej wiąże się z aktywacją szlaków cyklu komórkowego w neuronach i wspieraniem komórek glejowych. Co ciekawe, hamowanie tych szlaków cyklu komórkowego zmniejsza powstawanie blizn glejowych i wtórne uszkodzenia po urazie. Dlatego zrozumienie regulacji cyklu komórkowego i podziału komórkowego jest niezbędne, aby zrozumieć zdrowe i chore warunki wszystkich układów narządów3.
Cykl komórkowy odnosi się do sekwencji wydarzeń w ciągu życia typowej komórki - obejmującej wzrost, replikację DNA i przygotowanie do podziału komórki. Dla organizmów rozmnażających się płciowo życie zaczyna się jako zygota, zapłodnione jajo. Z biegiem czasu ta pierwotna pojedyncza komórka rośnie i dzieli się w kontrolowany sposób, tworząc wielokomórkowego, złożonego osobnika. Komórki kontynuują ten proces, zwłaszcza w celu utrzymania i naprawy tkanek podczas starzenia.
Przyjrzyjmy się teraz bliżej. U eukariontów dwuniciowe DNA jest specjalnie zorganizowane w jądrze związanym z błoną, aby pomieścić ograniczoną przestrzeń komórki. Na pierwszym poziomie zagęszczenia DNA jest ściśle owinięte wokół określonych białek zwanych histonami. Ta kombinacja cząstek białka DNA jest następnie powtarzana i pakowana w macierze znane jako nukleosomy, które wraz z DNA łącznikowym tworzą zwinięte włókna chromatyny. Wreszcie, dodatkowe białka włókniste jeszcze bardziej zagęszczają chromatynę, pakując długie odcinki DNA w ściśle skondensowane jednostki. Rozpoznawane jako chromosomy, w zależności od fazy podziału komórki.
Aby przygotować się do podziału, komórki muszą przejść przez interfazę, która jest podzielona na trzy etapy. G1, S oraz G2. W G1, pierwszej fazie przerwy, nowo wygenerowana komórka potomna rośnie i przygotowuje się do duplikacji DNA w następnej fazie. Teraz w S, fazie syntezy, komórki duplikują swoje jądrowe DNA, które pozostaje upakowane jako chromatyna. Komórki powielają również centrosomy, struktury organizujące mikrotubule, które tworzą aparat wrzeciona mitotycznego. Wreszcie, w G2, drugiej fazie przerwy, komórki nadal rosną, namnażają organelle i białka niezbędne do mitozy i uzupełniają swoje zapasy energii. Komórka jest teraz gotowa do wejścia w pierwszy etap mitozy.
Mitoza, składająca się z pięciu unikalnych etapów, jest formą podziału, w której materiał genetyczny komórki jest podzielony między dwie komórki potomne. Po pierwsze, podczas profazy u ludzi, chromatyna nukleinowa kondensuje się w chromosomy w kształcie litery X, złożone z par chromatyd siostrzanych połączonych na połączeniach centromerowych. Równocześnie poza jądrem centrosomy migrują na przeciwległe strony komórki. Gdy to robią, z każdego z nich zaczynają wyrastać pręciki mikrotubul. Albo w kierunku wnętrza komórki, albo na zewnątrz, tworząc wrzecionowaty aparat przypominający pajęczynę. Następnie otoczka jądrowa rozpuszcza się podczas prometafazy, wystawiając chromosomy na pozostałą zawartość komórki. Struktury białkowe pojawiają się również po obu stronach centromerów, po jednej dla każdej chromatydy. Gdy te kinetochory się uformują, wydłużające się wewnętrzne mikrotubule przyczepiają się do nich, przy czym każda siostrzana chromatyda jest przywiązana do innego bieguna.
Mitoza następnie przechodzi do metafazy, w której aparat wrzeciona przestawia chromosomy tak, aby były podobnie zorientowane w ustalonym rzędzie wzdłuż równika komórki. Podczas anafazy mikrotubule przyczepione do kinetochoru skracają się. A chromatydy siostrzane, obecnie indywidualnie określane jako chromosomy, są rozciągnięte na siebie. Ta i inna dynamika mikrotubul również wydłuża komórkę. Wreszcie, chromosomy lądują po przeciwnych stronach komórki podczas telofazy. I aparat wrzeciona rozpada się. Materiał genetyczny rozluźnia się i powstają dwie otoczki jądrowe, po jednej wokół każdego zestawu chromosomów. Podczas telofazy odrębny proces, technicznie nie będący etapem mitozy, zwany cytokinezą, również dzieli komórkę. Tak więc końcowym wynikiem mitozy jest para komórek genetycznie identyczna z ich prekursorem.
Niestety, mutacje mogą powodować uszkodzenia genów kontrolujących regulację cyklu komórkowego, co prowadzi do niekontrolowanego przebiegu podziału komórek. W tym przypadku każdy kolejny podział komórki wytwarza komórki potomne z jeszcze większymi uszkodzeniami... a wadliwa regulacja wzrostu ostatecznie prowadzi do powstania mas komórkowych zwanych guzami.
W tym laboratorium zbadasz różne etapy mitozy za pomocą komórek wierzchołka korzenia cebuli. A następnie zbadaj, co się dzieje, gdy kontrola nad cyklem komórkowym zostaje utracona.
