Введение в деление клеток

Деление клетки — это процесс, при котором одна клетка производит две или более дочерних клеток. Одноклеточные организмы, такие как дрожжи, размножаются путем деления клеток, в то время как многоклеточные организмы, такие как мы, используют тот же процесс для развития, роста и поддержания наших тканей. Знание того, что контролирует нормальное деление клеток, имеет решающее значение для понимания того, как нарушение этого явления может инициировать патологические процессы.

В этом видео представлена краткая история открытий в области клеточного деления, освещены ключевые вопросы, заданные клеточными биологами, рассмотрены основные используемые инструменты и продемонстрированы некоторые современные приложения.

Давайте начнем с обзора некоторых знаковых исследований, которые заложили основу исследований клеточного деления.

О существовании клеток впервые сообщили в 1600-х годах Антон ван Левенгук и Роберт Гук. Воодушевленные инновациями в микроскопии, они приоткрыли завесу тайны над невидимым микроскопическим миром. Первое наблюдение о том, что клетки могут делиться, было сделано в 1830-х годах двумя ботаниками, Бартелеми Дюмортье и Гуго фон Молем, которые обнаружили, что одна растительная клетка может дать начало двум путем деления. Вслед за этим открытием, в 1838 году, ботаник Маттиас Якоб Шлейден и физиолог Теодор Шванн обнаружили сходство в растительных и животных клетках. Это привело Шванн к постулированию двух принципов клеточной теории: во-первых, «все живые организмы состоят из одной или нескольких клеток»; Почти двадцать лет спустя врач по имени Рудольф Вирхов опубликовал третий принцип клеточной теории, который гласил: «Все клетки возникают из ранее существовавших клеток».

В 1876 году Вальтер Флемминг, наблюдая за делением клеток, наблюдал разделение нитевидных структур. Поэтому он придумал термин «митоз», происходящий от греческого слова mitos, означающего «нить». Позже Эдуард ван Бенден и Теодор Генрих Бовери обнаружили, что эти нити на самом деле являются хромосомами, которые делятся с помощью микротрубочек, возникающих из структур, известных сейчас как центросомы. Бенеден, наряду с Оскаром Хертвигом и Августом Вейсманом, также объяснил мейоз — другой тип деления, при котором образуются клетки, подобные гаметам. Они показали, что мейоз, в отличие от митоза, включает в себя один раунд репликации ДНК и два раунда деления клеток, что приводит к уменьшению вдвое числа хромосом от родительских к дочерним клеткам.

Во второй половине двадцатого века ученые заинтересовались регуляцией клеточного цикла, процессом, при котором клетка проходит через ряд фаз, ведущих к ее делению. Одно из самых важных открытий в этой области было сделано в 1972 году Лиландом Хартвеллом и его коллегами. Используя штаммы дрожжей, они продемонстрировали, что существуют гены, которые играют важную роль в руководстве клетками через стадии клеточного цикла, и доктор Хартвелл назвал их генами цикла деления клеток или «CDC».

Еще одно открытие было сделано в 1983 году Тимом Хантом, который изучал морских ежей. Он идентифицировал белки, которые колеблются в своем изобилии синхронно с фазами клеточного цикла. Из-за их колебательной природы он назвал эти белки «циклинами», и теперь мы знаем, что циклины являются ключевыми регуляторами клеточного цикла. Четыре года спустя сэр Пол Нерс и его коллеги показали, что гены CDC, в частности cdc2, высоко консервативны между дрожжами и человеком. В совокупности эти открытия значительно расширили наше понимание клеточного деления и были заслуженно удостоены Нобелевской премии в 2001 году.

Теперь, когда мы рассмотрели некоторые исторические события, давайте рассмотрим несколько фундаментальных вопросов, стоящих сегодня перед областью деления клеток.

Мы начнем, пожалуй, с самого широкого вопроса о делении клеток: какие гены и внутриклеточные сигнальные пути регулируют клеточный цикл? Известно, что дупликация и деление контролируются рядом биохимических переключателей, которые активируют или деактивируют процессы клеточного цикла. Исследователи работают над тем, чтобы пролить больше света на молекулы, которые влияют на прогрессирование или ингибирование клеточного цикла.

Биологи также заинтересованы в выявлении внеклеточных факторов, которые стимулируют или подавляют деление клеток. Клетки могут увеличивать деление клеток в ответ на внешние химические сигналы, называемые митогенами. Ученые работают над тем, чтобы понять, какие внешние сигналы стимулируют или подавляют деление клеток.

Аномальное деление клеток может привести к увеличению или уменьшению пролиферации клеток. Повышенная пролиферация клеток вызывает такие заболевания, как рак. Исследователи обнаружили, что мутации в определенных генах, известных как онкогены, участвуют в инициации рака. Кроме того, ученые также обнаружили несколько белков, которые играют решающую роль в прогрессировании опухоли. Тем не менее, несколько опухолеобразующих факторов до сих пор остаются неизвестными, и биологи изо всех сил стараются их выявить.

Теперь, когда у вас есть представление о некоторых вопросах, на которые нет ответов, давайте рассмотрим несколько исследовательских инструментов, которые биологи используют для поиска ответов.

В смеси активно делящихся клеток доля клеток, которые существуют в каждой фазе клеточного цикла, может быть определена с помощью анализа клеточного цикла. Делается это с помощью специальных красителей, таких как бромодоксиуридин или BrdU. Он является аналогом тимидина и встраивается во вновь синтезированную цепь ДНК во время репликации ДНК. Следовательно, он помечает только ячейки S-фазы. С другой стороны, флуоресцентные соединения, такие как идодид пропидия (PI), окрашивают всю ДНК, но количество связанного PI может помочь различить клетки в разных фазах. Заключительным этапом является анализ окрашенных клеток с помощью проточной цитометрии, и полученные данные показывают распределение клеток между различными стадиями клеточного цикла.

Достижения в области методов визуализации в настоящее время облегчают прямое наблюдение за делением клеток. Теперь ученые могут окрашивать клетки с помощью флуоресцеиновых красителей или выполнять генетические манипуляции, чтобы вызвать экспрессию флуоресцентных белков. После этого они могут непосредственно наблюдать за делением живых клеток с помощью покадровой микроскопии.

Наконец, ученые также разработали способ количественной оценки количества делений, которые претерпевают конкретные клетки в смешанной клеточной популяции. Эти красители полезны, потому что сигнал, который они генерируют, становится тусклее по мере того, как он разбавляется в процессе деления клеток. Убывающая интенсивность флуоресценции может быть использована для идентификации клеток в разных поколениях. Кроме того, разница между самой высокой и самой низкой интенсивностью флуоресценции может дать представление о том, сколько раз клетки подвергались делению.

Теперь, когда вы знакомы с некоторыми распространенными подходами к изучению деления клеток, давайте рассмотрим, как эти методы применяются.

Как обсуждалось ранее, гены играют важную роль в управлении клеточным циклом. Здесь ученые изучали влияние генетической мутации на деление клеток у личинок дрозофилы. Они проводили генетические скрещивания для получения мух со специфическими мутациями, а затем с помощью анализа клеточного цикла наблюдали эффекты мутации в развивающейся ткани крыла.

С помощью флуоресцентной микроскопии ученые также могут непосредственно наблюдать, как лекарства влияют на деление клеток при раке. В этом эксперименте исследователи были заинтересованы в том, чтобы определить, как потенциальный препарат JP-34 влияет на деление раковых клеток. Результаты показали, что раковые клетки, обработанные JP-34, претерпевали митотическую недостаточность и гибель клеток.

Наконец, ученые используют отслеживающие красители для выявления различий в скорости пролиферации клеток. Здесь они использовали количественно измеримый краситель, который помечает клеточные мембраны, чтобы изучить различия в делении различных иммунных клеток. Анализ данных проточной цитометрии показал, что скорость пролиферации различается между разными типами иммунных клеток.

Вы только что посмотрели введение JoVE в деление клеток. В этом видео мы рассмотрели некоторые из основных открытий в области клеточного деления, ключевые вопросы, которые сегодня задают клеточные биологи, известные инструменты, используемые в лабораториях клеточного деления, и их текущее применение. Как всегда, спасибо за просмотр!