период жизни клетки с момента образования до начала ее собственного деления

Тест ЕГЭ Биология 11 класс Бесплатно Жизненный цикл клетки: интерфаза и митоз. Мейоз. Фазы митоза и мейоза

Введение

Когда вы только родились, ваш вес составлял в среднем от 3 до 4кг, а рост всего около 50-60 см, но с каждым днем вы становились больше и выше..

А какой рост и вес у вас сегодня и почему произошло увеличение этих показателей по сравнению с прошлыми годами?

Всё это благодаря способности клеток к размножению, в основе которого лежит процесс деления.

Рост и развитие всех многоклеточных организмов всегда связаны с делением клеток.

У человека и животных во взрослом состоянии в некоторых тканях клетки постоянно отмирают и заменяются новыми, которые образуются как раз путем деления.

Следовательно, деление клеток является тем процессом, благодаря которому поддерживается жизнь всего организма и обеспечивается непрерывность жизни клетки.

Наряду с непрерывностью жизни клетки происходит и преемственность наследственных свойств от родительской клетки к дочерней.

То есть в процессе деления каждая вновь образующаяся клетка должна получить точную копию генетического материала, чтобы обладать общей наследственной программой, специализироваться и выполнять функции, какие и выполняла материнская клетка.

Клеточный цикл

Для начала рассмотрим жизнь одной клетки нашего организма.

Весь период существования клетки от момента её образования до собственного деления или гибели называется клеточным циклом или жизненным циклом клетки.

Длительность жизненного цикла у разных клеток разная, но у большинства активно делящихся клеток, она составляет примерно от 10 до 24 часов.

У меня есть дополнительная информация к этой части урока!

Примеры длительности жизни клеток:

· у амебы жизненный цикл клетки равен 36 часам

· бактериальные клетки могут делиться каждые 20 минут

· у клеток кишечного эпителия грызунов цикл между делениями в среднем 15 часов

· нервные клетки перестают делиться ещё во время внутриутробного развития, их жизнь зависит от времени жизни ткани или органа, в состав которых они входят

Ученые выделяют следующие периоды в этом жизненном цикле клетки у эукариот:

· интерфаза— период клеточного роста, во время которого идет синтез ДНК и белков и осуществляется подготовка к делению клетки.

Интерфаза подразделяется на период G1-фазы, период S-фазы, период G2-фазы, период G0-фазы

· период клеточного деления, обозначается как М- фаза

Посмотрите на схему жизненного цикла клетки:

Периоды интерфазы:

Название периода

Процессы, происходящие в клетке

Пресинтетический период- G1—фаза или фаза начального роста

2n- набор хромосом (двойной),

синтез всех РНК, ферментов, белков, образование рибосом, синтез АТФ, образование одномембранных органелл клетки, рост клетки, создание запаса питательных веществ

Синтетический период- S-фаза

2n4c- количество хромосом осталось прежним, а количество ДНК увеличилось вдвое

происходит репликация ДНК клеточного ядра, построение второй хроматиды и формирование двухроматидных хромосом

Постсинтетический период- G2-фаза

происходит подготовка к митозу, интенсивный синтез белков, РНК, деление митохондрий и пропластид (предшественники всех типов пластид) у растений, синтез АТФ, удвоение массы цитоплазмы, увеличение массы ядра

Период функционирования клеток- фаза покоя G0

период клеточного цикла, в течение которого клетки находятся в состоянии покоя и не делятся, клетка как бы находится вне клеточного цикла.

Примеры: нервные клетки или клетки сердечной мышцы. Они вступают в состояние покоя при достижении зрелости (то есть когда закончена их дифференцировка).

Некоторые клетки могут выйти из этого состояния и начать вновь деление.

У меня есть дополнительная информация к этой части урока!

Прохождение клеткой фаз клеточного цикла регулируется специальными белками- циклинами.

Циклины получили своё название от того, что их концентрация в клетке периодически изменяется по мере прохождения клеток через клеточный цикл, достигая максимума на его определенных стадиях

Период деления клетки.

Деление клетки- процесс образования из родительской клетки двух и более дочерних клеток.

У эукариот есть два различных типа деления клетки:

1) непрямое деление:

· митоз- вегетативное деление, при котором каждая дочерняя клетка генетически идентична родительской клетке

· мейоз— репродуктивное клеточное деление, при котором количество хромосом в дочерней клетке снижается вдвое для производства половых клеток

2) прямое деление- амитоз, встречается относительно редко и проявляется в отмирающих тканях, а также в клетках опухолей

Для того чтобы понять, как происходят процессы деления клеток, необходимо знать строение хромосом, ведь именно они играют важнейшую роль в передаче наследственной информации от клетки к клетке.

Тест Клеточный цикл

Пройти тест и получить оценку можно после входа или регистрации

Строение хромосом в различные периоды клеточного цикла

Хромосомы- это структуры, в которых сосредоточена большая часть наследственной информации.

Они располагаются в ядре эукариотической клетки, состоят из молекулы ДНК, которая связана с белками-гистонами.

Хромосомы состоят из 2 сестринских хроматид (удвоенных молекул ДНК), соединенных друг с другом в области первичной перетяжки- центромеров.

Центромера- специализированный участок ДНК, в районе которого в стадии профазы и метафазы деления клетки соединяются две сестринские хроматиды в митозе, а в мейозе гомологичные хромосомы в профазе и метафазе первого деления.

• центромера играет важную роль при расположении хромосом в виде метафазной пластинки в процессе расхождения дочерних хромосом к полюсам клетки, так как при помощи центромеры каждая хроматида соединяется с нитями веретена деления

• каждая центромера разделяет хромосому на два плеча

Строение хромосомы:

В жизненном цикле клетки, а конкретно в синтетический период происходит репликация ДНК (удвоение), именно с этого момента каждая хромосома состоит уже не из одной хроматиды, а из двух хроматид.

Типы хромосом (морфологические типы):

• акроцентрические (центромера расположена близко к концу хромосомы, и одно плечо значительно короче другого)

• субметацентрические (центромера смещена от середины хромосом, и одно плечо короче другого)

• метацентрические (центромера расположена в середине хромосомы, и плечи ее равны)

· телоцентрическая хромосома— хромосома, состоящая только из одного плеча и имеющая центромеру на самом краю; считается, что истинных телоцентрических хромосом не существует, т.к. даже маленькое второе плечо (визуально на хромосомных препаратах не выявляемое), по-видимому, всегда присутствует; часто такой вид хромосом используется в качестве синонима термина «акроцентрическая хромосома»

Гомологичные хромосомы (от греч. «гомос»- одинаковый).

Гомологичные хромосомы— парные хромосомы, одинаковые по форме, размерам и набору генов.

Их гены в соответствующих (идентичных) участках представляют собой аллельные гены.

Аллельные гены— различные формы одного и того же гена, расположенные в одинаковых участках (локусах) гомологичных хромосом.

Но следует отметить, что гомологичные хромосомы не идентичны друг другу по следующим причинам:

• хотя гомологичные хромосомы имеют один и тот же набор генов, но этот набор может быть представлен различными формами одного и того же гена.

К примеру, у вас в гомологичных хромосомах есть участок с аллельными генами, которые определяют цвет ваших глаз. От матери в вашу гомологичную хромосому попал ген, отвечающий за карий цвет глаз- доминантный (сильный) признак, а от отца в хромосому попал ген, отвечающий за серый цвет глаз- это рецессивный (слабый) признак. Таким образом, аллельные гены отвечают за один признак- цвет глаз, но этот ген представлен в данном случае различными формами (доминантный и рецессивный, серый и карий).

То есть ген один, а проявление его разное, поэтому мы говорим о гомологии, а не о идентичности.

• также в результате некоторых мутаций (удвоение хромосом, утраты ее частей и других причин) могут возникать гомологичные хромосомы, различающиеся наборами или расположением генов

Для каждого эукариотического организма характерен свой набор хромосом.

Количество, формы размеры хромосом у каждого организма различны.

К примеру, у человека всего 46 хромосом с 20-25 тыс. активных генов, а у коровы 60 хромосом с 22 тыс. активных генов.

А для проведения анализа и исследования всех хромосом клетки, ученые выделили такое понятие как кариотип.

Такой анализ имеет большое значение в медицинской практике, позволяя диагностировать ряд хромосомных заболеваний, вызванных как грубыми нарушениями кариотипов (нарушение числа хромосом), так и нарушением хромосомной структуры.

Кариотип— совокупность признаков полного набора хромосом, присущая клеткам данного биологического вида данного организма (индивидуальный кариотип).

В комплекс характеристик кариотипа входят:

• число хромосом, характерное для данного вида

• положение центромеры каждой хромосомы

• рисунок дифференциального окрашивания хромосом (специальный метод окрашивания, который позволяет по рисунку чередующихся поперечных темных и светлых полос на хромосоме идентифицировать конкретную хромосому или ее участок)

Рассмотрим кариотип человека:

По рисунку мы видим кариотип здорового человека, который включает 22 пары неполовых хромосом (аутосом) и пару половых хромосом (ХХ (женский пол) или ХY (мужской пол).

Хромосомы в кариотипе различаются размерами, формой, положением центромеры, рисунком окрашивания.

Хромосомы также нумеруют: самая большая хромосома- первая, и далее, чем меньше хромосома, тем больший номер она получает.

На рисунке вы видите, что каждая хромосома состоит из двух сестринских хроматид (не забывайте, что каждая хроматида содержит 1 молекулу ДНК).

Поэтому получается, что хромосома одна, но она содержит 2 молекулы ДНК.

Помимо этого у диплоидного организма имеется двойной набор хромосом.

То есть у каждой хромосомы есть гомологичная ей хромосома, это тоже вы можете разглядеть на рисунке.

У человека имеются 22 пары гомологичных хромосом (плюс пара половых хромосом, которые негомологичны друг другу).

Один набор хромосом человек получает от матери, другой от отца.

Объединение этих наборов происходит при оплодотворении.

Половые клетки, образовавшиеся в результате мейоза, содержат только одну из двух гомологичных хромосом. Такой набор хромосом называется гаплоидный или одинарный (от греч. haploos- одиночный, простой и eidos- вид).

У человека путем мейоза образуются половые клетки (гаметы), каждая из них несет 23 хромосомы, а не 46, как в обычной соматической клетке.

В биологии обычно количество хромосом в клетке обозначается буквой n:

1n или просто одной буквой n- гаплоидный (одинарный) набор хромосом

2 n- диплоидный (двойной) набор хромосом

с— количество ДНК в хромосоме.

Количество хромосом в жизненном цикле разных организмов может быть разным.

У животных хромосомный набор диплоидный, а гаплоидны только гаметы.

Например, у хламидомонады, наоборот, гаплоидный набор хромосом на протяжении всего жизненного цикла, а диплоидна лишь зигота, которая сразу вступает в мейоз.

У некоторых растений наблюдаются сразу две фазы:

• у папоротников взрослого растения спорофита, наоборот, основная жизненная стадия представлена диплоидным набором хромосом

На спорофите путем митоза образуются клетки спорангия- органы, производящие споры, клетки которого имеют также диплоидный набор хромосом.

Сами споры имеют гаплоидный набор хромосом, благодаря мейозу.

У семенных растений самостоятельной гаплоидной стадии не существует.

Хромосомный набор у различных типов клеток растений на разных стадиях жизненного цикла

Жизненный цикл покрытосеменных растений (кратко)

Покрытосеменные растения являются спорофитами (2n).

Органом их полового размножения является цветок.

Процесс формирования половых клеток у растений подразделяется на два этапа:

Процесс созревания мужских клеток- микроспорогенез

Процесс созревания женских клеток (макроспорогенез)

У покрытосеменных растений женский гаметофит— это зародышевый мешок, который закладывается и развивается внутри семяпочки.

Этапы:

После опыления из генеративной клетки (n) образуются 2 спермия (n), а из вегетативной (n)– пыльцевая трубка (n), врастающая внутрь семязачатка и доставляющая спермии (n) к яйцеклетке (n) и центральной клетке (2n).

Один спермий (n) сливается с яйцеклеткой (n) и образуется зигота (2n), из которой митозом формируется зародыш растения (2n).

Второй спермий (n) сливается центральной клеткой (2n) с образованием триплоидного эндосперма (3n).

Такое оплодотворение у покрытосеменных растений называется двойным.

В результате из семязачатка формируется семя, покрытое кожурой и содержащее внутри зародыш (2n) и эндосперм (3n).

Жизненный цикл голосеменных растений (сосна)

Листостебельное растение голосеменных растений– спорофит (2n), на котором развиваются женские и мужские шишки (2n).

На чешуйках женских шишек расположены семязачатки– мегаспорангии (2n), в которых путём мейоза образуются 4 мегаспоры (n), 3 из них погибают, а из оставшейся– развивается женский гаметофит– эндосперм (n) с двумя архегониями (n).

В архегониях образуются 2 яйцеклетки (n), одна погибает.

На чешуйках мужских шишек располагаются пыльцевые мешки– микроспорангии (2n), в которых путём мейоза образуются микроспоры (n), из них развиваются мужские гаметофиты– пыльцевые зёрна (n), состоящие из двух гаплоидных клеток (вегетативной и генеративной) и двух воздушных камер.

Пыльцевые зёрна (n) (пыльца) ветром переносятся на женские шишки, где митозом из генеративной клетки (n) образуются 2 спермия (n), а из вегетативной (n)– пыльцевая трубка (n), врастающая внутрь семязачатка и доставляющая спермии (n) к яйцеклетке (n). Один спермий погибает, а второй участвует в оплодотворении, образуется зигота (2n), из которой митозом формируется зародыш растения (2n).

В результате из семязачатка формируется семя, покрытое кожурой и содержащее внутри зародыш (2n) и эндосперм (n).

Хромосомный набор у различных типов клеток

Примеры различных типов клеток

Хромосомный набор

Как образуется

Цветковые растения

Эндосперм семени любого цветкового растения

триплоидный набор- 3n

образуется при слиянии двух ядер центральной клетки семязачатка (2n) и одного спермия (n)

Клетки листьев любого цветкового растения (эпидермис листа, мезофилл листа и др.)

диплоидный набор хромосом- 2n

клетки листа образуются путем митоза

Восьмиядерный зародышевый мешок семязачатка цветкового растения

все клетки зародышевого мешка гаплоидны

образуются в результате митоза

Макроспоры цветковых растений

формируются из клеток спорофита (2n) мейозом.

формируются путем мейоза

Яйцеклетки цветковых растений

формируются из клеток гаметофита (1n) митозом

Спермии пыльцевого зерна цветкового растения

образуются из генеративной клетки путём митоза

Вегетативные, генеративные клетки цветкового растения

образуются путём митоза при прорастании гаплоидной споры

Голосеменные растения

В женской споре (мегаспоре сосны)

гаплоидный набор хромосом (n)

образуются из клеток семязачатка (мегаспорангия) с диплоидным набором хромосом (2n) путём мейоза

В мужской споре (микроспоре)

гаплоидный набор хромосом- n

мужская спора образуется из клеток спорангия в шишках в результате мейоза

Клетки эндосперма сосны

гаплоидный набор хромосом (n

эндосперм сосны формируется из гаплоидных мегаспор (n) путём митоза

Клетки женских шишек и в клетках мужских шишек

диплоидный набор хромосом- 2n;

развиваются из диплоидных клеток спорофита (взрослого растения) в результате митоза

Споровые растения

Споры мха, споры кукушкина льна, споры папоротника

гаплоидный набор- n

образуются на диплоидном спорофите в спорангиях путём мейоза из диплоидных клеток

Сперматозоиды и яйцеклетки мха, папоротника

гаплоидный набор- n

образуются на гаметофитах из гаплоидной клетки путём митоза

Листостебельные растения мхов

гаплоидный набор- n

В клетках заростка папоротника

гаплоидный набор хромосом- n

заросток развивается путём митоза из гаплоидной споры

В клетках листьев папоротника

взрослое растение папоротника является спорофитом и развивается из диплоидной зиготы

Архегонии мхов и папоротников

гаплоидный набор хромосом- n

Антеридии мхов и папоротника

гаплоидный набор хромосом- n

Споры у растений образуются путем мейоза, а гаметы- митозом.

У животных гаметы образуются путем мейоза.

Нарушение структуры хромосом.

Нарушение структуры хромосом происходит в результате спонтанных или спровоцированных изменений:

• генные мутации (изменения на молекулярном уровне)

• делеции- хромосомная перестройка, при которой происходит потеря участка хромосомы

• дупликации или удвоение- структурная хромосомная мутация, заключающаяся в удвоении участка хромосомы

• транслокации- тип хромосомных мутаций, при которых происходит перенос участка хромосомы на негомологичную хромосому, приводят к развитию лимфом, сарком, лейкемии, шизофрении

• инверсии- это поворот определенного участка хромосомы на 180°, является следствием двух одновременных разрывов в одной хромосоме

Тест Строение хромосом и хромосомный набор у различных типов клеток растений на разных стадиях жизненного цикла

Пройти тест и получить оценку можно после входа или регистрации

Источник

Клеточный цикл

Оглавление

1. Фазы клеточного цикла

Кле́точный цикл — это период существования клетки от момента её образования путём деления материнской клетки до собственного деления или гибели

Клеточный цикл эукариот состоит из двух периодов:

Интерфаза состоит из нескольких периодов:

Период клеточного деления (фаза М) включает две стадии:

В свою очередь, митоз делится на пять стадий.

Описание клеточного деления базируется на данных световой микроскопии в сочетании с микрокиносъемкой и на результатах световой и электронной микроскопии фиксированных и окрашенных клеток.

1.1. Интерфаза G0

G0-фа́за, или фа́за поко́я, — период клеточного цикла, в течение которого клетки находятся в состоянии покоя и не делятся. G0-фаза рассматривается или как растянутая G1-фаза, когда клетка ни делится, ни готовится к делению, или как отдельная стадия покоя вне клеточного цикла[1]. Некоторые типы клеток, как, например, нервные клетки или клетки сердечной мышцы, вступают в состояние покоя при достижении зрелости (то есть когда закончена их дифференцировка), но выполняют свои главные функции на протяжении всей жизни организма. Многоядерные мышечные клетки, не подвергающиеся цитокинезу, также рассматриваются как пребывающие в G0-фазе. Иногда делается различие между клетками в G0-фазе и «покоящимися» клетками (в том числе нейронами и кардиомиоцитами), которые никогда не вступят G1-фазу, в то время как другие клетки в G0-фазе могут потом начать делиться.

Клетки вступают в G0-фазу с контрольной точки в G1-фазе, например, точки рестрикции у животных и стартовой точки у дрожжей. Это обычно происходит в ответ на нехватку факторов роста или питательных веществ. В течение G0-фазы аппарат клеточного цикла разобран, исчезают циклины и циклин-зависимые киназы. Клетка пребывает в G0-фазе до тех пор, пока не появится повод начать деление. Клетки некоторых типов в зрелом организме, как, например, паренхимные клетки печени и почек, вступают в G0-фазу почти навсегда, и побудить их вновь начать делиться могут лишь особые обстоятельства. Другие типы клеток, как, например, эпителиальные клетки, продолжают делиться в течение всей жизни организма и редко входят в G0-фазу.

Хотя многие клетки в G0-фазе могут умереть вместе со всем организмом, не все клетки, вступающие в G0-фазу, обречены в скором времени умереть. Это часто является результатом отсутствия стимула для клетки вновь вступить в клеточный цикл.

Старение клеток отличается от состояния покоя тем, что старение клеток — это состояние, вызванное повреждением ДНК или деградацией, делающей размножение клетки невозможным. Кроме того, старение, в отличие от покоя, часто служит биохимической альтернативой саморазрушению — апоптозу для сильно повреждённых клеток. Наконец, покой — обратимое состояние, а старение — нет

1.2. Митоз

На основании морфологических особенностей митоз условно подразделяется на стадии: профазу, прометафазу, метафазу, анафазу, телофазу. Первые описания фаз митоза и установление их последовательности были предприняты в 70—80-х годах XIX века. В конце 1870-х — начале 1880-х годов немецкий гистолог Вальтер Флемминг для обозначения процесса непрямого деления клетки ввёл термин «митоз»[3].

Продолжительность митоза в среднем составляет 1—2 часа[1][4]. Митоз клеток животных, как правило, длится 30—60 минут, а растений — 2—3 часа.[5] За 70 лет в теле человека суммарно осуществляется порядка 1014 клеточных делений[6].

Аппарат клеточного деления

Деление всех эукариотических клеток сопряжено с формированием специального аппарата клеточного деления. Активная роль в митотическом делении клеток зачастую отведена цитоскелетным структурам. Универсальным как для животных, так и для растительных клеток является двухполюсное митотическое веретено, состоящее из микротрубочек и связанных с ними белков. Веретено деления обеспечивает строго одинаковое распределение хромосом между полюсами деления, в области которых в телофазе образуются ядра дочерних клеток.

Поздняя метафаза митоза в клетке лёгкого тритона (использованы иммунофлуоресцентные красители). Четко просматривается веретено деления, образованное микротрубочками (зелёные), и хромосомы (синие)

По морфологии различают два типа митотического веретена: астральный (или конвергентный) и анастральный (дивергентный) [

Астральный тип митотической фигуры, характерный для животных клеток, отличают благодаря небольшим зонам, на полюсах веретена, в которых сходятся (конвергируют) микротрубочки. Зачастую центросомы, располагающиеся в области полюсов астрального веретена, содержат центриоли. От полюсов деления также расходятся во всех направлениях радиальные микротрубочки, не входящие в состав веретена, а образующие звездчатые зоны — цитастеры.

Анастральный тип митотической фигуры отличается широкими полярными областями веретена, так называемыми полярными шапочками, в их состав не входят центриоли. Микротрубочки при этом расходятся широким фронтом (дивергируют) от всей зоны полярных шапочек. Этот тип митотической фигуры также отличает отсутствие цитастеров. Анастральный тип митотического веретена наиболее характерен для делящихся клеток высших растений, хотя иногда наблюдается и в некоторых клетках животных.

Центромеры и кинетохоры

1.3. Циклины и циклин-зависимые киназы

Циклины — семейство белков-активаторов циклин-зависимых протеинкиназ (CDK) (англ. CDK, cyclin-dependent kinases) — ключевых ферментов, участвующих в регуляции клеточного цикла эукариот. Циклины получили своё название в связи с тем, что их внутриклеточная концентрация периодически изменяется по мере прохождения клеток через клеточный цикл, достигая максимума на его определенных стадиях.

Каталитическая субъединица циклин-зависимой протеинкиназы частично активируется в результате взаимодействия с молекулой циклина, которая образует регуляторную субъединицу фермента. Образование этого гетеродимера становится возможным после достижения циклином критической концентрации. В ответ на уменьшение концентрации циклина происходит инактивация фермента. Для полной активации циклин-зависимой протеинкиназы должно произойти специфическое фосфорилирование и дефосфорилирование определенных аминокислотных остатков в полипептидных цепях этого комплекса. Одним из ферментов, осуществляющих подобные реакции, является киназа CAK (CAK — CDK activating kinase).

Рис. Концентрация циклинов в клеточном цикле

2. Регуляция клеточного цикла

Закономерная последовательность смены периодов клеточного цикла осуществляется при взаимодействии таких белков, как циклин-зависимые киназы и циклины. Клетки, находящиеся в G0 фазе, могут вступать в клеточный цикл при действии на них факторов роста. Разные факторы роста, такие как тромбоцитарный, эпидермальный, фактор роста нервов, связываясь со своими рецепторами, запускают внутриклеточный сигнальный каскад, приводящий в итоге к транскрипции генов циклинов и циклин-зависимых киназ. Циклин-зависимые киназы становятся активными лишь при взаимодействии с соответствующими циклинами. Содержание различных циклинов в клетке меняется на протяжении всего клеточного цикла. Циклин является регуляторной компонентой комплекса циклин-циклин-зависимая киназа. Киназа же является каталитическим компонентом этого комплекса. Киназы не активны без циклинов. На разных стадиях клеточного цикла синтезируются разные циклины. Так, содержание циклина B в ооцитах лягушки достигает максимума к моменту митоза, когда запускается весь каскад реакций фосфорилирования, катализируемых комплексом циклин-В/циклин-зависимая киназа. К окончанию митоза циклин быстро разрушается протеиназами.

2.1. Контрольные точки клеточного цикла

Для определения завершения каждой фазы клеточного цикла необходимо наличие в нем контрольных точек. Если клетка «проходит» контрольную точку, то она продолжает «двигаться» по клеточному циклу. Если же какие-либо обстоятельства, например, повреждение ДНК, мешают клетке пройти через контрольную точку, которую можно сравнить со своего рода контрольным пунктом, то клетка останавливается и другой фазы клеточного цикла не наступает, по крайней мере, до тех пор, пока не будут устранены препятствия, не позволявшие клетке пройти через контрольный пункт. Существует как минимум четыре контрольных точки клеточного цикла: точка в G1, где проверяется интактность ДНК, перед вхождением в S-фазу, сверочная точка в S-фазе, в которой проверяется правильность репликации ДНК, сверочная точка в G2, в которой проверяются повреждения, пропущенные при прохождении предыдущих сверочных точек, либо полученные на последующих стадиях клеточного цикла. В G2-фазе детектируется полнота репликации ДНК, и клетки, в которых ДНК недореплицирована, не входят в митоз. В контрольной точке сборки веретена деления проверяется, все ли кинетохоры прикреплены к микротрубочкам.

3. Ингибиторы циклин-зависимой киназы

Ингиби́тор цикли́н-зави́симой кина́зы (англ. Cdk inhibitor protein, CKI, CDI, CDKI) — белок, блокирующий активность циклин-зависимой киназы отдельно или циклин-зависимой киназы в комплексе с циклином. Обычно сдерживающая активность CKI приурочена к фазе G1 клеточного цикла. К тому же, активация CKI может происходить в ответ на провреждения ДНК или может быть вызвана внеклеточными ингибирующими сигналами[2].

Большинство эукариотических организмов обладают ингибиторами циклин-зависимых киназ. В животных клетках выделяют два семейства CKI: Cip/Kip и INK4.

Ингибиторы семейства Cip/Kip блокируют циклин-зависимую киназу в комплексе с циклином, а ингибиторы семейства INK4 блокируют отдельные циклин-зависимые киназы Cdk4 и Cdk6. В животных клетках ингибиторы циклин-зависимых киназ разделяются на два основных семейства: Cip/Kip и INK4. Семейство Cip/Kip включает ингибиторы CDK белки p21, p27, p57. К основным субстратам Cip/Kip-ингибиторов относятся циклин-киназные комплексы G1/S-Cdk и S-Cdk, отвечающие, соответственно, за G1/S-переход и вступление в S-фазу. Ингибиторы семейства INK4 блокируют циклин-зависимые киназы Cdk4 и Cdk6 регулирующие G1-фазу клеточного цикла.

На протяжении фазы G1 в растущей клетке блокируется активность циклин-зависимых киназ (англ. Cdk) до момента вступления клетки в очередной клеточный цикл. Сдерживание активности Cdk обеспечивается тремя контрольными механизмами. Во-первых, снижением экспрессии генов циклинов. Во-вторых, увеличением степени деградации циклинов. Наконец, к третьему типу сдерживания активности Cdk относятся ингибиторы CKI. Помимо обеспечения стабильного роста клетки в фазе G1 ингибиторы циклин-зависимых киназ участвуют в аресте клеточного цикла на стадии G1 в ответ на неблагоприятные внешние условия. К тому же события клеточного цикла могут блокироваться с участием CKI при повреждениях ДНК[2].

Ингибиторы циклин-зависимых киназ: Sic1 у почкующихся дрожжей, Rum1 у делящихся дрожжей и Rux у Drosophila — несмотря на структурные различия обладают как минимум тремя сходными функциональными особенностями. Во-первых, основными мишенями данных CKI являются митотические циклин-киназы (англ. M-Cdk) и циклин-киназы синтетической фазы клеточного цикла (англ. S-Cdk). В то же время указанные ингибиторы CKI не могут блокировать циклин-зависимые киназы, обеспечивающие переход клетки из фазы G1 в S-фазу (англ. G1/S-Cdk). Наконец, третьей характерной особенностью всех перечисленных ингибиторов CKI является способ их деактивации. Все они разрушаются после фосфорилирования со стороны активных циклин-зависимых киназ[2].

Семейство Cip / Kip (p21, p27, p57) регулирует динамику актина посредством ингибирования пути Rho-ROCK-LIMK [2]

3.1. CDKN1A или P21

CDKN1A (англ. cyclin-dependent kinase inhibitor 1A, p21, Cip1) — внутриклеточный белок-ингибитор циклин-зависимой киназы 1A, играет критическую роль в клеточном ответе на повреждение ДНК. Уровень белка повышен в клетках, находящихся в стадии покоя, таких как дифференцированные клетки организма. Один из 9 известных белковых ингибиторов циклин-зависимой киназы.

p21 обеспечивает устойчивость гематопоэтических клеток к инфицированию ВИЧ за счёт связывания с вирусной интегразой, предотвращая таким образом встраивание провируса в хромосомный аппарат клетки.

Ген CDKN1A как правило не инактивируется полностью в злокачественных опухолях. Точная роль p21 в канцерогенезе до конца пока не установлена. Исследования показывают, что при некоторых типах опухолей потеря p21 является признаком плохих шансов на выживание. Однако известны ситуации, когда повышенная концентрация этого белка в клетках положительно коррелирует с агрессивностью опухоли и её способностью к метастазированию. Это особенно относится к тем случаям, когда p21 накапливается в цитоплазме, а не в ядре клетки

Ген р21 и регенерация.

Исследовательская группа профессора Эллен Хэбер-Катц (Ellen Heber-Katz) выяснила, что выключение гена р21 активирует у мышей способность к восстановлению тканей.

В природе регенеративные способности (восстановление тканей, органов и конечностей) наиболее выражены у амфибий, полипов, иглокожих, губок, гидр, дождевых червей, саламандр и нек. др., в то время как у млекопитающих они существенно ограничены.

В лаборатории молекулярного биолога Хэбер-Катц регенерацией у млекопитающих заинтересовались в 1996 году, когда во время изучения одного из аутоиммунных заболеваний зафиксировали у лабораторных мышей линииMurphy Roths Large (MRL) восстановление хрящевой ткани ушей после пожизненной маркировки (перфорации). У животных других линий такой регенерации не происходило. Ученые исследовали восстановленные участки и зафиксировали в них синтез ДНК, пролиферацию клеток и появление новых волосяных фолликулов.

Последующие эксперименты на мышах MRL показали, что после нанесенных им повреждений в области сердечной мышцы и спинного мозга, эти ткани так же успешно регенеририруют без образования рубцов.

Чтобы с наибольшей вероятностью вычислить гены, ответственные за процессы регенерации у мышей MRL, было решено картировать их геном. Так же под прицел ученых попал феномен влияния изменений в ДНК на цикл деления клеток.

Исследования показали, что у животных MRL линии неактивен ген р21, играющий важную роль в регуляции клеточного деления и в торможении процесса деления клеток при повреждении ДНК.

Профессор Хебер-Катц о захватывающих перспективах исследования (газета Guardian): «Как тритон, потерявший конечность, эти мыши могут заменить отсутствующие или поврежденные ткани здоровыми, без единого следа шрамов. Мы только начинаем осознавать последствия этих открытий, но возможно, когда-нибудь мы сможем ускорять выздоровление человека, временно отключая ген p21».
«Мы полагаем, что отключение гена p21 приводит к быстрой регенерации у млекопитающих. Подобная структура ДНК присутствует у всех видов животных, способных восстанавливать части тела. Так что если нам удастся проверить нашу теорию на людях и разработать способ временного «отключения» этого гена, вполне вероятно, что медики смогут «выращивать» утраченные конечности пациентов».

Эллен Хэбер-Катц – профессор молекулярной и клеточной онкологии Университета Вистара (США)
heberkatz@wistar.org.
Страница: www.wistar.org/research_facilities/heber katz/research.htm

Ссылки: статья Lack of p21 expression links cell cycle control and appendage regeneration in mice/ Proceedings of the National Academy of Sciences.

В научной публикации, опубликованной в Трудах Национальной академии наук, коллектив Эллен Хэбер-Катц предоставляет веские доказательства, что тканевая регенерация связана с контролем клеточного деления.

Источник