Wprowadzenie do podziału komórek
Podział komórki to proces, w którym komórka rodzicielska dzieli się i daje początek dwóm lub więcej komórkom potomnym. Jest to sposób rozmnażania orga…
Podział komórek to proces, w którym jedna komórka wytwarza dwie lub więcej komórek potomnych. Organizmy jednokomórkowe, takie jak drożdże, rozmnażają się przez podział komórek, podczas gdy organizmy wielokomórkowe, takie jak my, wykorzystują ten sam proces do rozwoju, wzrostu i utrzymania naszych tkanek. Wiedza o tym, co kontroluje prawidłowy podział komórek, ma kluczowe znaczenie dla zrozumienia, w jaki sposób zakłócenie tego zjawiska może zainicjować procesy patologiczne.
Ten film przedstawia krótką historię odkryć w dziedzinie podziału komórek, podkreśla kluczowe pytania zadawane przez biologów komórkowych, dokonuje przeglądu najważniejszych używanych narzędzi i prezentuje niektóre współczesne zastosowania.
Zacznijmy od przeglądu kilku przełomowych badań, które położyły podwaliny pod badania nad podziałem komórek.
Istnienie komórek zostało po raz pierwszy zgłoszone w 1600 roku przez Antona van Leeuwenhoeka i Roberta Hooke'a. Wzmocnieni innowacjami w mikroskopii, uchylili rąbka tajemnicy na temat niewidzialnego mikroskopijnego świata. Pierwsze spostrzeżenie, że komórki mogą się dzielić, zostało dokonane w latach trzydziestych XIX wieku przez dwóch botaników, Barthélemy Dumortier i Hugo von Mohl, którzy odkryli, że jedna komórka roślinna może dać początek dwóm przez podział. Po tym odkryciu, w 1838 roku, botanik – Matthias Jakob Schleiden – i fizjolog – Theodor Schwann – zaobserwowali podobieństwa w komórkach roślinnych i zwierzęcych. To skłoniło Schwanna do postulowania dwóch założeń teorii komórki, po pierwsze: "wszystkie żywe organizmy składają się z jednej lub więcej komórek"; Po drugie: "Komórki są podstawowym budulcem wszelkiego życia". Prawie dwadzieścia lat później lekarz Rudolf Virchow opublikował trzecią zasadę teorii komórki, która głosiła: "wszystkie komórki powstają z wcześniej istniejących komórek".
W 1876 roku Walther Flemming, obserwując podział komórek, zaobserwował separację struktur nitkowatych. Dlatego ukuł termin "mitoza", pochodzący od greckiego słowa mitos oznaczającego nić. Później Edouard Van Beneden i Theodor Heinrich Boveri odkryli, że te nici są w rzeczywistości chromosomami, które są dzielone za pomocą mikrotubul powstających ze struktur znanych obecnie jako centrosomy. Beneden, wraz z Oscarem Hertwigiem i Augustem Weismannem, wyjaśnił również mejozę – inny rodzaj podziału, który wytwarza komórki, takie jak gamety. Wykazali, że mejosa, w przeciwieństwie do mitozy, obejmuje jedną rundę replikacji DNA, ale dwie rundy podziału komórki, co skutkuje zmniejszeniem o połowę liczby chromosomów od komórki rodzicielskiej do potomnej.
W drugiej połowie XX wieku naukowcy zainteresowali się regulacją cyklu komórkowego, procesem, w którym komórka przechodzi przez szereg faz prowadzących do jej podziału. Jedno z najważniejszych odkryć w tej dziedzinie zostało dokonane w 1972 roku przez Lelanda Hartwella i współpracowników. Korzystając ze szczepów drożdży, wykazali, że istnieją geny, które odgrywają ważną rolę w prowadzeniu komórek przez etapy cyklu komórkowego, a dr Hartwell nazwał je genami cyklu podziału komórki lub "cdc".
Kolejne odkrycie miało miejsce w 1983 roku i dokonało tego Tim Hunt, który badał jeżowce. Zidentyfikował białka, które oscylują w swojej obfitości synchronicznie z fazami cyklu komórkowego. Ze względu na ich oscylacyjną naturę nazwał te białka "cyklinami", a teraz wiemy, że cykliny są kluczowymi regulatorami cyklu komórkowego. Cztery lata później Sir Paul Nurse i jego koledzy wykazali, że geny CDC, w szczególności cdc2, są wysoce konserwatywne między drożdżami a ludźmi. Razem odkrycia te znacznie poszerzyły naszą wiedzę na temat podziału komórek, a tym samym zostały zasłużenie nagrodzone Nagrodą Nobla w 2001 roku.
Teraz, gdy dokonaliśmy przeglądu kilku najważniejszych wydarzeń historycznych, przyjrzyjmy się kilku fundamentalnym pytaniom, przed którymi stoi dziś dziedzina podziału komórek.
Zaczniemy od być może najszerszego pytania dotyczącego podziału komórek: jakie geny i wewnątrzkomórkowe szlaki sygnałowe regulują cykl komórkowy? Wiadomo, że duplikacja i podział są kontrolowane przez szereg przełączników biochemicznych, które aktywują lub dezaktywują procesy cyklu komórkowego. Naukowcy pracują nad rzuceniem więcej światła na cząsteczki, które wpływają na postęp lub hamowanie cyklu komórkowego.
Biolodzy są również zainteresowani identyfikacją czynników zewnątrzkomórkowych, które stymulują lub hamują podział komórek. Komórki mogą zwiększać podziały komórkowe w odpowiedzi na zewnętrzne sygnały chemiczne zwane mitogenami. Naukowcy starają się zrozumieć, jakie zewnętrzne sygnały stymulują lub hamują podziały komórek.
Nieprawidłowy podział komórek może prowadzić do zwiększonej lub zmniejszonej proliferacji komórek. Zwiększona proliferacja komórek powoduje choroby takie jak rak. Naukowcy odkryli, że mutacje w niektórych genach znanych jako onkogeny są zaangażowane w inicjację raka. Ponadto naukowcy odkryli również kilka białek, które odgrywają kluczową rolę w progresji guza. Jednak kilka czynników powodujących nowotwór nadal pozostaje nieznanych, a biolodzy usilnie starają się je ujawnić.
Teraz, gdy masz już wyczucie niektórych pytań, na które nie ma odpowiedzi, przyjrzyjmy się kilku narzędziom badawczym, których biolodzy używają, aby znaleźć odpowiedzi.
W mieszaninie aktywnie dzielących się komórek proporcję komórek, które istnieją w każdej fazie cyklu komórkowego, można określić za pomocą analizy cyklu komórkowego. Odbywa się to za pomocą specjalnych barwników, takich jak bromodeoksyurydyna lub BrdU. Jest to analog tymidyny i włącza się do nowo zsyntetyzowanej nici DNA podczas replikacji DNA. W związku z tym oznacza tylko komórki fazy S. Z drugiej strony, związki fluorescencyjne, takie jak idodek propidyny (PI), barwią całe DNA, ale ilość związanego PI może pomóc w rozróżnieniu komórek w różnych fazach. Ostatnim krokiem jest analiza barwionych komórek za pomocą cytometrii przepływowej, a uzyskane dane ujawniają rozmieszczenie komórek na różnych etapach cyklu komórkowego.
Postępy w technikach obrazowania ułatwiają obecnie bezpośrednią obserwację podziału komórek. Naukowcy mogą teraz barwić komórki za pomocą barwników fluoresceinowych lub przeprowadzać manipulacje genetyczne w celu wywołania ekspresji białek fluorescencyjnych. Następnie mogą bezpośrednio obserwować podział żywych komórek za pomocą mikroskopii poklatkowej.
Naukowcy opracowali również sposób ilościowego określania liczby podziałów, jakie przechodzą określone komórki w mieszanej populacji komórek. Odbywa się to za pomocą "ilościowych barwników śledzących". Te barwniki są przydatne, ponieważ generowany przez nie sygnał staje się ciemniejszy, gdy jest rozcieńczany przez podział komórki. Zmniejszająca się intensywność fluorescencji może być wykorzystana do identyfikacji komórek w różnych pokoleniach. Ponadto różnica między najwyższą a najniższą intensywnością fluorescencji może zapewnić wgląd w to, ile razy komórki uległy podziałowi.
Teraz, gdy znasz już niektóre typowe podejścia do badania podziału komórek, przyjrzyjmy się, jak te metody są stosowane.
Jak wspomniano wcześniej, geny odgrywają ważną rolę w kontroli cyklu komórkowego. Naukowcy badali wpływ mutacji genetycznej na podział komórek u larw Drosophila. Przeprowadzili krzyżówki genetyczne w celu wytworzenia much z określonymi mutacjami, a następnie za pomocą analizy cyklu komórkowego obserwowali skutki mutacji w rozwijającej się tkance skrzydła.
Korzystając z mikroskopii fluorescencyjnej, naukowcy mogą również bezpośrednio obserwować, jak leki wpływają na podział komórek w nowotworach. W tym eksperymencie naukowcy byli zainteresowani ustaleniem, w jaki sposób potencjalny lek, JP-34, wpływa na podział komórek rakowych. Wyniki wykazały, że komórki nowotworowe leczone JP-34 uległy niewydolności mitotycznej i śmierci komórki.
Wreszcie, naukowcy używają barwników śledzących, aby zidentyfikować różnice w tempie proliferacji komórek. W tym przypadku zastosowali ilościowy barwnik śledzący, który oznacza błony komórkowe, aby zbadać różnice w podziale komórkowym różnych komórek odpornościowych. Analiza danych cytometrii przepływowej wykazała, że tempo proliferacji różni się między różnymi typami komórek odpornościowych.
Właśnie obejrzałeś wprowadzenie JoVE do podziału komórek. W tym filmie dokonaliśmy przeglądu niektórych z głównych odkryć w zakresie podziału komórek, kluczowych pytań zadawanych obecnie przez biologów komórkowych, wybitnych narzędzi stosowanych w laboratoriach podziału komórek i ich obecnych zastosowań. Jak zawsze, dziękujemy za oglądanie!
Zaloguj się lub , aby uzyskać dostęp do pełnej treści. Dowiedz się więcej o dostępie Twojej instytucji do treści JoVE tutaj
Podział komórek to proces, w którym jedna komórka wytwarza dwie lub więcej komórek potomnych. Organizmy jednokomórkowe, takie jak drożdże, rozmnażają się przez podział komórek, podczas gdy organizmy wielokomórkowe, takie jak my, wykorzystują ten sam proces do rozwoju, wzrostu i utrzymania naszych tkanek. Wiedza o tym, co kontroluje prawidłowy podział komórek, ma kluczowe znaczenie dla zrozumienia, w jaki sposób zakłócenie tego zjawiska może zainicjować procesy patologiczne.
Ten film przedstawia krótką historię odkryć w dziedzinie podziału komórek, podkreśla kluczowe pytania zadawane przez biologów komórkowych, dokonuje przeglądu najważniejszych używanych narzędzi i prezentuje niektóre współczesne zastosowania.
Zacznijmy od przeglądu kilku przełomowych badań, które położyły podwaliny pod badania nad podziałem komórek.
Istnienie komórek zostało po raz pierwszy zgłoszone w 1600 roku przez Antona van Leeuwenhoeka i Roberta Hooke'a. Wzmocnieni innowacjami w mikroskopii, uchylili rąbka tajemnicy na temat niewidzialnego mikroskopijnego świata. Pierwsze spostrzeżenie, że komórki mogą się dzielić, zostało dokonane w latach trzydziestych XIX wieku przez dwóch botaników, Barthélemy Dumortier i Hugo von Mohl, którzy odkryli, że jedna komórka roślinna może dać początek dwóm przez podział. Po tym odkryciu, w 1838 roku, botanik – Matthias Jakob Schleiden – i fizjolog – Theodor Schwann – zaobserwowali podobieństwa w komórkach roślinnych i zwierzęcych. To skłoniło Schwanna do postulowania dwóch założeń teorii komórki, po pierwsze: "wszystkie żywe organizmy składają się z jednej lub więcej komórek"; Po drugie: "Komórki są podstawowym budulcem wszelkiego życia". Prawie dwadzieścia lat później lekarz Rudolf Virchow opublikował trzecią zasadę teorii komórki, która głosiła: "wszystkie komórki powstają z wcześniej istniejących komórek".
W 1876 roku Walther Flemming, obserwując podział komórek, zaobserwował separację struktur nitkowatych. Dlatego ukuł termin "mitoza", pochodzący od greckiego słowa mitos oznaczającego nić. Później Edouard Van Beneden i Theodor Heinrich Boveri odkryli, że te nici są w rzeczywistości chromosomami, które są dzielone za pomocą mikrotubul powstających ze struktur znanych obecnie jako centrosomy. Beneden, wraz z Oscarem Hertwigiem i Augustem Weismannem, wyjaśnił również mejozę – inny rodzaj podziału, który wytwarza komórki, takie jak gamety. Wykazali, że mejosa, w przeciwieństwie do mitozy, obejmuje jedną rundę replikacji DNA, ale dwie rundy podziału komórki, co skutkuje zmniejszeniem o połowę liczby chromosomów od komórki rodzicielskiej do potomnej.
W drugiej połowie XX wieku naukowcy zainteresowali się regulacją cyklu komórkowego, procesem, w którym komórka przechodzi przez szereg faz prowadzących do jej podziału. Jedno z najważniejszych odkryć w tej dziedzinie zostało dokonane w 1972 roku przez Lelanda Hartwella i współpracowników. Korzystając ze szczepów drożdży, wykazali, że istnieją geny, które odgrywają ważną rolę w prowadzeniu komórek przez etapy cyklu komórkowego, a dr Hartwell nazwał je genami cyklu podziału komórki lub "cdc".
Kolejne odkrycie miało miejsce w 1983 roku i dokonało tego Tim Hunt, który badał jeżowce. Zidentyfikował białka, które oscylują w swojej obfitości synchronicznie z fazami cyklu komórkowego. Ze względu na ich oscylacyjną naturę nazwał te białka "cyklinami", a teraz wiemy, że cykliny są kluczowymi regulatorami cyklu komórkowego. Cztery lata później Sir Paul Nurse i jego koledzy wykazali, że geny CDC, w szczególności cdc2, są wysoce konserwatywne między drożdżami a ludźmi. Razem odkrycia te znacznie poszerzyły naszą wiedzę na temat podziału komórek, a tym samym zostały zasłużenie nagrodzone Nagrodą Nobla w 2001 roku.
Teraz, gdy dokonaliśmy przeglądu kilku najważniejszych wydarzeń historycznych, przyjrzyjmy się kilku fundamentalnym pytaniom, przed którymi stoi dziś dziedzina podziału komórek.
Zaczniemy od być może najszerszego pytania dotyczącego podziału komórek: jakie geny i wewnątrzkomórkowe szlaki sygnałowe regulują cykl komórkowy? Wiadomo, że duplikacja i podział są kontrolowane przez szereg przełączników biochemicznych, które aktywują lub dezaktywują procesy cyklu komórkowego. Naukowcy pracują nad rzuceniem więcej światła na cząsteczki, które wpływają na postęp lub hamowanie cyklu komórkowego.
Biolodzy są również zainteresowani identyfikacją czynników zewnątrzkomórkowych, które stymulują lub hamują podział komórek. Komórki mogą zwiększać podziały komórkowe w odpowiedzi na zewnętrzne sygnały chemiczne zwane mitogenami. Naukowcy starają się zrozumieć, jakie zewnętrzne sygnały stymulują lub hamują podziały komórek.
Nieprawidłowy podział komórek może prowadzić do zwiększonej lub zmniejszonej proliferacji komórek. Zwiększona proliferacja komórek powoduje choroby takie jak rak. Naukowcy odkryli, że mutacje w niektórych genach znanych jako onkogeny są zaangażowane w inicjację raka. Ponadto naukowcy odkryli również kilka białek, które odgrywają kluczową rolę w progresji guza. Jednak kilka czynników powodujących nowotwór nadal pozostaje nieznanych, a biolodzy usilnie starają się je ujawnić.
Teraz, gdy masz już wyczucie niektórych pytań, na które nie ma odpowiedzi, przyjrzyjmy się kilku narzędziom badawczym, których biolodzy używają, aby znaleźć odpowiedzi.
W mieszaninie aktywnie dzielących się komórek proporcję komórek, które istnieją w każdej fazie cyklu komórkowego, można określić za pomocą analizy cyklu komórkowego. Odbywa się to za pomocą specjalnych barwników, takich jak bromodeoksyurydyna lub BrdU. Jest to analog tymidyny i włącza się do nowo zsyntetyzowanej nici DNA podczas replikacji DNA. W związku z tym oznacza tylko komórki fazy S. Z drugiej strony, związki fluorescencyjne, takie jak idodek propidyny (PI), barwią całe DNA, ale ilość związanego PI może pomóc w rozróżnieniu komórek w różnych fazach. Ostatnim krokiem jest analiza barwionych komórek za pomocą cytometrii przepływowej, a uzyskane dane ujawniają rozmieszczenie komórek na różnych etapach cyklu komórkowego.
Postępy w technikach obrazowania ułatwiają obecnie bezpośrednią obserwację podziału komórek. Naukowcy mogą teraz barwić komórki za pomocą barwników fluoresceinowych lub przeprowadzać manipulacje genetyczne w celu wywołania ekspresji białek fluorescencyjnych. Następnie mogą bezpośrednio obserwować podział żywych komórek za pomocą mikroskopii poklatkowej.
Naukowcy opracowali również sposób ilościowego określania liczby podziałów, jakie przechodzą określone komórki w mieszanej populacji komórek. Odbywa się to za pomocą "ilościowych barwników śledzących". Te barwniki są przydatne, ponieważ generowany przez nie sygnał staje się ciemniejszy, gdy jest rozcieńczany przez podział komórki. Zmniejszająca się intensywność fluorescencji może być wykorzystana do identyfikacji komórek w różnych pokoleniach. Ponadto różnica między najwyższą a najniższą intensywnością fluorescencji może zapewnić wgląd w to, ile razy komórki uległy podziałowi.
Teraz, gdy znasz już niektóre typowe podejścia do badania podziału komórek, przyjrzyjmy się, jak te metody są stosowane.
Jak wspomniano wcześniej, geny odgrywają ważną rolę w kontroli cyklu komórkowego. Naukowcy badali wpływ mutacji genetycznej na podział komórek u larw Drosophila. Przeprowadzili krzyżówki genetyczne w celu wytworzenia much z określonymi mutacjami, a następnie za pomocą analizy cyklu komórkowego obserwowali skutki mutacji w rozwijającej się tkance skrzydła.
Korzystając z mikroskopii fluorescencyjnej, naukowcy mogą również bezpośrednio obserwować, jak leki wpływają na podział komórek w nowotworach. W tym eksperymencie naukowcy byli zainteresowani ustaleniem, w jaki sposób potencjalny lek, JP-34, wpływa na podział komórek rakowych. Wyniki wykazały, że komórki nowotworowe leczone JP-34 uległy niewydolności mitotycznej i śmierci komórki.
Wreszcie, naukowcy używają barwników śledzących, aby zidentyfikować różnice w tempie proliferacji komórek. W tym przypadku zastosowali ilościowy barwnik śledzący, który oznacza błony komórkowe, aby zbadać różnice w podziale komórkowym różnych komórek odpornościowych. Analiza danych cytometrii przepływowej wykazała, że tempo proliferacji różni się między różnymi typami komórek odpornościowych.
Właśnie obejrzałeś wprowadzenie JoVE do podziału komórek. W tym filmie dokonaliśmy przeglądu niektórych z głównych odkryć w zakresie podziału komórek, kluczowych pytań zadawanych obecnie przez biologów komórkowych, wybitnych narzędzi stosowanych w laboratoriach podziału komórek i ich obecnych zastosowań. Jak zawsze, dziękujemy za oglądanie!
View the full transcript and gain access to JoVE Science Education videos
Q1: What is the difference between mitosis and meiosis?
Mitosis produces two identical daughter cells from one parent cell and maintains the chromosome number, supporting growth and tissue maintenance in multicellular organisms. Meiosis involves one DNA replication but two rounds of cell division, halving the chromosome number to produce gametes like sperm and eggs. Both processes are essential for different biological functions.
Q2: How do scientists determine which phase of the cell cycle a cell is in?
Scientists use cell cycle analysis with special dyes like bromodeoxyuridine (BrdU), which incorporates into newly synthesized DNA during S phase, and propidium iodide (PI), which stains all DNA. Flow cytometry then analyzes the stained cells, revealing the distribution of cells across different cell cycle phases based on DNA content and fluorescence intensity.
Q3: What role do cyclins and cdc genes play in controlling the cell cycle?
Cyclins are proteins that oscillate in abundance during cell cycle phases and act as key regulators. CDC genes, particularly cdc2, guide cells through cell cycle stages and are highly conserved between yeast and humans. Together, these molecules form biochemical switches that activate or deactivate cell cycle processes, controlling progression through division.
Q4: How can mutations in oncogenes lead to cancer?
Mutations in oncogenes disrupt normal cell cycle regulation, causing increased cell proliferation. This abnormal division leads to uncontrolled cell growth characteristic of cancer. Scientists continue investigating tumor-causing factors and proteins involved in tumor progression to better understand how these genetic changes initiate and advance malignant disease.
Q5: What are quantifiable tracking dyes and how do they measure cell division?
Quantifiable tracking dyes label cell membranes and generate fluorescent signals that become dimmer as they dilute through successive cell divisions. By measuring the difference between highest and lowest fluorescence intensity, researchers can determine how many times specific cells divided within a mixed population, enabling comparison of proliferation rates between different cell types.
Q6: How do external chemical signals influence cell division?
Cells respond to external chemical cues called mitogens that stimulate or inhibit cell division. Scientists are investigating which extracellular factors trigger increased proliferation and which ones suppress it. Understanding these signaling pathways is critical for comprehending how disruption of normal cell division control can initiate pathological processes like cancer.
Q7: What imaging techniques allow direct observation of living cells during division?
Time-lapse microscopy enables direct observation of live cells dividing. Scientists stain cells using fluorescein dyes or genetically manipulate them to express fluorescent proteins, then capture sequential images over time. This advanced imaging approach reveals the dynamic processes of cell division in real time, complementing traditional cell cycle analysis methods.