Please note that some of the translations on this page are AI generated. Click here for the English version.
Деление клеток имеет основополагающее значение для всех живых организмов и необходимо для роста и развития. Являясь важным средством размножения для всех живых существ, деление клеток позволяет организмам передавать свой генетический материал своему потомству. Для одноклеточного организма клеточное деление порождает совершенно новый организм. У многоклеточных организмов клеточное деление производит новые клетки для общего развития организма, а также производит здоровые клетки для замены поврежденных клеток. Размножение многоклеточных организмов требует деления клеток для создания репродуктивных клеток.
Для того чтобы делиться, клетка сначала должна дублировать и разделить свое генетическое содержимое на две дочерние клетки. Этот ряд дупликации и деления называется клеточным циклом. Детали клеточного цикла варьируются от одного организма к другому, но фундаментальные этапы деления клеток универсальны.
Около 78% жизни клетки проходит в интерфазе, выращивая и подготавливая себя к делению. Сама интерфаза содержит три подфазы. Сразу после деления клетки новообразованная клетка попадает в Gap 1 или G1 часть Interphase. Во время G1 клетки активно растут и, во многих случаях, дифференцируются для выполнения определенных функций. На этом этапе клетка чувствительна к внутренним и внешним сигналам, чтобы определить, делиться или нет. Некоторые клетки, такие как нейроны, не приступают к делению после дифференцировки и остаются в G1 до тех пор, пока не погибнут. Как только клетка удовлетворяет критериям для перехода к делению, она вступает в синтез или S-стадию интерфазы, во время которой клетка реплицирует весь свой геном. Далее клетка переходит в фазу Gap 2 или G2 для синтеза всех необходимых белков для деления клетки. Далее следует фаза деления клеток.
В эукариотических клетках существует два типа клеточного деления — митоз и мейоз. Соматические или нерепродуктивные клетки производят дочерние клетки путем митотического деления. Митоз — это деление ядра, которое состоит из пяти стадий: профаза, прометафаза, метафаза, анафаза и телофаза Во время профазы дублированные молекулы ДНК конденсируются в плотно упакованные хромосомы, в то время как микротрубочки образуют веретена. Ядерная оболочка растворяется в прометафазе. Во время метафазы хромосомы, которые соединены с веретенами, выстраиваются вдоль экватора клеток. Во время анафазы сестринские хроматиды притягиваются к противоположным полюсам клетки. Наконец, во время телофазы вокруг обеих групп хромосом образуются новые ядерные оболочки. После того, как деление ядра завершено, цитоплазма вокруг каждого ядра отделяется друг от друга с помощью цитокинеза, в результате чего образуются две идентичные дочерние клетки.
Другой тип деления эукариотических клеток называется мейозом, который специфичен для репродуктивных клеток. Мейоз производит четыре дочерние клетки, каждая из которых содержит только половину генетического содержимого родительской клетки. В этом процессе клетка дублирует свою ДНК во время интерфазы, а затем завершает два последовательных клеточных деления, разделяя клетки из двух в четыре клетки соответственно. Эти последовательные клеточные деления называются мейозом I и мейозом II, оба из которых состоят из всех стадий от профазы до телофазы. Обмен генетическим материалом между наборами несестринских хроматид происходит во время профазы I в процессе, называемом кроссинговером. Гомологичные пары хромосом выстраиваются вдоль экватора клетки во время метафазы I и отрываются друг от друга во время анафазы I. Гаплоидные дочерние ядра образуются во время телофазы I. Цитокинез обычно происходит до мейоза II, однако интерфаза почти никогда не происходит между двумя последовательными делениями. Мейоз II очень похож на митоз и разделяет сестринские хроматиды. В конце мейоза образуются четыре гаплоидные дочерние клетки. Эти клетки, дочерние клетки, называются гаметами и образуют сперматозоиды или яйцеклетки.
Деление клеток жестко регулируется как внешне, так и внутренне. Внешнее регулирование обеспечивает необходимость разделения. Например, клетки слизистой оболочки желудка часто делятся, чтобы удовлетворить постоянную потребность в новых клетках для замены поврежденных клеток. Аналогичным образом, поврежденные ткани могут испытывать более высокую скорость деления клеток для замены поврежденных клеток, но только в течение определенного периода времени, пока присутствуют внешние сигналы к прямому делению клеток. Внутренняя регуляция деления клеток обеспечивает здоровье дочерних клеток. Существует множество контрольных точек в фазах клеточного цикла, которые регулируют переход клетки от одной фазы к другой. Например, механизмы контроля качества позволяют клетке переходить из G1 в S-фазу только в том случае, если ДНК не повреждена и пригодна для репликации. Аналогичным образом, контрольная точка в G2 позволяет клеткам переходить к митозу (М-фаза) только в том случае, если ДНК была полностью и точно реплицирована. Кроме того, контрольная точка метафазы гарантирует, что хромосомы прикреплены к веретенам и правильно выровнены до начала анафазы. Клетка, которая терпит неудачу в контрольной точке, может стать мишенью для апоптоза, если клетка не в состоянии исправить ошибку.
Некоторые мутации позволяют клеткам делиться, даже когда нет сигнала, направляющего деление клеток. Например, гены-супрессоры опухолей предотвращают неконтролируемое деление клеток, а мутация в этих генах снимает это торможение. Это аберрантное деление клеток, если его не контролировать, может вызвать образование опухоли и в некоторых случаях привести к раку. Являясь одной из основных причин смертности в Соединенных Штатах, рак, без сомнения, оказывает серьезное влияние на общество. Риск развития рака в течение жизни увеличивается с возрастом, так как мутации в ДНК накапливаются с течением времени, особенно при раке молочной железы, легких, предстательной железы и толстой кишки1. Таким образом, продолжающиеся исследования в области деления клеток имеют важное значение для улучшения выявления, лечения и, в конечном итоге, профилактики рака. На самом деле, современные методы лечения рака используют преимущества знаний о механизмах деления клеток, таких как механизмы нацеливания, участвующие в делении клеток. Например, препараты платины, такие как цисплатин, связываются с ДНК и останавливают репликацию ДНК, в то время как таксаны, такие как паклитаксел, связываются с микротрубочками и препятствуют разборке веретена, тем самым останавливая деление клеток.
Понимание клеточного цикла и механизмов деления клеток также важно для понимания и разработки методов лечения состояний, которые влияют на неделящиеся клетки. В настоящее время травмы нервной системы или сердца могут иметь изнурительные последствия, поскольку поврежденные нейроны и мышечные клетки не могут быть заменены. Тем не менее, повреждение нервной ткани связано с активацией клеточных циклов в нейронах и поддерживающих глиальных клетках. Интересно, что ингибирование этих путей клеточного цикла уменьшает образование глиальных рубцов и вторичное повреждение после травмы. Таким образом, понимание регуляции клеточного цикла и деления клеток крайне важно для понимания здоровых и больных состояний всех систем органов.
Клеточный цикл относится к последовательности событий на протяжении всей жизни типичной клетки, включая рост, репликацию ДНК и подготовку к делению клетки. Для организмов, размножающихся половым путем, жизнь начинается с зиготы, оплодотворенной яйцеклетки. Со временем эта исходная одиночная клетка растет и делится контролируемым образом, образуя многоклеточного, сложного индивидуума. Клетки продолжают этот процесс, особенно для поддержания и восстановления тканей во время старения.
Теперь давайте рассмотрим подробнее. У эукариот двухцепочечная ДНК специально организована внутри мембранного ядра, чтобы приспособиться к ограниченному пространству клетки. На первом уровне уплотнения ДНК плотно оборачивается вокруг определенных белков, называемых гистонами. Эта комбинация частиц белка ДНК затем повторяется и упаковывается в массивы, известные как нуклеосомы, которые вместе с линкерной ДНК образуют спиральные хроматиновые волокна. Наконец, дополнительные волокнистые белки еще больше уплотняют хроматин, упаковывая длинные участки ДНК в плотно сконденсированные единицы. Распознаются как хромосомы, в зависимости от фазы деления клетки.
Чтобы подготовиться к делению, клетки должны пройти интерфазу, которая делится на три стадии. G1, S и G2. В G1, первой фазе разрыва, вновь созданная дочерняя клетка увеличивается в размерах и готовится к дупликации ДНК в следующей фазе. Теперь в фазе S, фазе синтеза, клетки дублируют свою ядерную ДНК, которая остается упакованной в хроматин. Клетки также дублируют центросомы, структуры, организующие микротрубочки, которые образуют митотический веретенообразный аппарат. Наконец, в G2, во второй фазе разрыва, клетки продолжают расти, размножать органеллы и белки, необходимые для митоза, и пополнять свои запасы энергии. Теперь клетка готова вступить в первую стадию митоза.
Состоящий из пяти уникальных стадий, митоз представляет собой форму деления, при которой генетический материал клетки разделяется между двумя дочерними клетками. Сначала во время профазы у человека нуклеиновый хроматин конденсируется в Х-образные хромосомы, состоящие из сестринских пар хроматид, прикрепленных в центромерных соединениях. Одновременно за пределами ядра центросомы мигрируют на противоположные стороны клетки. По мере того, как они это делают, из каждого начинают расти палочки микротрубочек. Либо внутрь клетки, либо наружу, образуя паутинчатый веретенообразный аппарат. Затем ядерная оболочка растворяется во время прометафазы, обнажая хромосомы для другого содержимого клетки. Белковые структуры также появляются по обе стороны центромер, по одной на каждую хроматиду. Как только эти кинетохоры формируются, к ним прикрепляются расширяющиеся внутренние микротрубочки, причем каждая сестринская хроматида привязывается к другому полюсу.
Затем митоз прогрессирует до метафазы, когда веретенообразный аппарат перестраивает хромосомы таким образом, что они одинаково ориентированы в фиксированном ряду вдоль экватора клетки. Во время анафазы прикрепленные кинетохором микротрубочки укорачиваются. А сестринские хроматиды, которые теперь по отдельности называются хромосомами, разъединяются. Эти и другие динамики микротрубочек также удлиняют клетку. Наконец, хромосомы приземляются на противоположных сторонах клеток во время телофазы. И шпиндельный аппарат расформировывается. Генетический материал разрыхляется, и возникают две ядерные оболочки, по одной вокруг каждого хромосомного набора. Во время телофазы отдельный процесс, технически не являющийся стадией митоза, называемый цитокинезом, также делит клетку. Таким образом, конечным результатом митоза является пара клеток, генетически идентичная их предшественнику.
К сожалению, мутации могут привести к повреждению генов, контролирующих регуляцию клеточного цикла, что приводит к бесконтрольному делению клеток. В этом случае при каждом последующем делении клеток образуются дочерние клетки с еще большим количеством повреждений, а неправильная регуляция роста в конечном итоге приводит к образованию клеточных масс, называемых опухолями.
В этой лаборатории вы изучите различные стадии митоза с использованием клеток кончика корня лука. А затем рассмотрим, что происходит, когда контроль над клеточным циклом теряется.
