Механизм регуляции митотической активности

Центральные явления в процессах воспроизведения живого – это ауторепродукция наследственных и других структур (хромосом, эписом, плазмид) и последующее деление клетки. Эти явления направлены на то, чтобы дочерние клетки получили всю полноту генетической информации.

Согласно модели Уотсона и Крика, предложенной ими в 1953 году, разрыв по водородным связям между комплементарными основаниями ведет к освобождению одноцепочечных полинуклеотидов ДНК. Каждый из них становится матрицей для синтеза новой комплементарной цепи ДНК. Процесс расплетания длинной перевитой молекулы ДНК обеспечить довольно трудно. Для осуществления ауторепродукции необходимы синтетические процессы в цитоплазме, ведущие к образованию четырех типов нуклеотидов, необходимы ферменты для полимеризации полинуклеотидной цепи, необходимы источники энергии и наличие других внутриклеточных условий. Таким образом, ауторепродукция молекул ДНК заключается в широком взаимодействии с белками в зависимости от жизни клетки как целостной системы, и от наличия определенных условий внешней среды.

Молекулы, несущие генетическую информацию, строятся заново в каждом клеточном поколении. В принципах самовоспроизведения молекул ДНК заложена основа устойчивого сохранения всей специфики генетической информации данного вида и данной особи. Это обусловлено комплементарностью при достройке дочерних молекул ДНК, которые имеют идентичные последовательности четырех оснований и, следовательно, то же информационное содержание, что и родительская ДНК.

Годы, последующие за открытием двойной спирали ДНК, ушли на поиски методов, с помощью которых можно было бы доказать существование полуконсервативного способа репликации ДНК, постулированного Уотсоном и Криком. В 1958 году Мезельсон и Сталь проводили опыты на ряде поколений клеток бактерий кишечной палочки. Сначала они выращивали кишечную на среде, содержащей тяжелый изотоп азота (N15) и вся их ДНК метилась этим изотопом.

Затем клетки переносили на среду, где содержался нормальный изотоп азота (N14). По прошествии времени соответствующей одной генерации кишечной палочки (примерно 50минут), брали пробы клеток выделяли из них ДНК и центрифугировали. Сначала в ДНК прослеживался и тяжелый азот и нормальный, примерно в равный концентрациях. Через несколько генераций в ДНК обнаруживался только нормальный изотоп азота. Прослеживая такие помеченные полинуклеотидные ДНК, Мезельсон и Сталь показали полную правильность гипотезы Уотсона и Крика.

Ауторепродукция генетического материала у вирусов и бактерий идет на уровне молекул ДНК. У эукариотов материальная основа генетической информации - ДНК, соединяется с белками и образует хроматин. Ауторепродукция хромосом у высших организмов была доказана в опытах Тейлора, Вудса и Хигиса с использованием ауторадиографии хромосом. Опыты этих ученых доказали, что ауторепродукция хромосом высших форм также подчиняется законам ауторепродукции молекул ДНК. Она идет по типу полуконсервативной ауторепродукции. Когда количество ДНК в клетке удваивается, каждая хромосома представлена двумя хроматидами каждая из которых содержит двойную нить ДНК. Ауторепродукция молекулы ДНК составляет основу самоудвоения генетической информации записанной в хромосомах.

Процесс репликацию ДНК происходит с участием множества ферментов. Слайд № 1. Для осуществления редупликации, цепи материнской молекулы ДНК отдаляются друг от друга. Водородные связи между ними разрушаются геликазой. Область расхождения полинуклиотидных цепей в зонах репликации называют репликационными вилками. В каждой такой области при участии фермента ДНК- полимеразы к освободившимся водородным связям нуклеотидных последовательностей присоединяются свободные нуклеотиды из нуклеоплазмы. Из двух реплицируемых дочерних цепей одна реплицируется непрерывно и синтез ее идет быстрее. Эту цепь назвали лидирующей. Синтез другой цепи идет медленнее, т.к. она собирается из отдельных фрагментов. Такую цепь называют запаздывающей. Ферменты рестриктазы сначала разрезают ее на отдельные фрагменты(фрагменты Оказаки), затем каждый фрагмент реплицируется отдельно и только потом происходит объединение реплицированных фрагментов в единое целое с помощью лигазы.

Фрагмент ДНК от одной точки начала репликации до другой точки образует единицу репликации – репликон. Эукариотические хромосомы содержат большое число репликонов. В связи с этим редупликация хромосом эукариот начинается в нескольких точках. В разных репликонах репликация может идти в разное время или одновременно.

Репликация ядерной ДНК происходит в определенный период жизненного цикла клетки – синтетический период интерфазы. Ауторепродукция хромосом и последующее за нее деление клетки направлены но то, чтобы дочерние клетки получили всю полноту генетической информации, имевшуюся в исходной родительской клетке. Чередование двух этих важных процессов составляют основу клеточного цикла. Клеточный цикл означает многократное повторение последовательных событий, занимающих определенный отрезок времени. Обычно циклические процессы изображаются в виде окружности (СЛАЙД № 2).

Клеточный цикл состоит из трех главных стадий: интерфазы, митоза и цитокинеза.

Интерфаза включает G₁-период, S-период, G₂-период. Промежуток между S-периодом и митозом назвали пресинтетическим (G₁- длительностью примерно 4 часа) Далее идет синтетический (S). Он начинается примерно спустя 8 часов после митоза и завершается через 7-8 часов. После синтетического, перед собственно митозом – постсинтетический (G₂) происходящим примерно в течение часа.

Митотическое деление включает 4 фазы: профаза, метафаза, анофаза и телофаза (СЛАЙД № 3).

Самая продолжительная фаза клеточного деления- профаза. На этой стадии интерфазные, деконденсированные и уже редуплицированные хромосомы переходят в компактную форму митотических хромосом- хромосомы (d)

Начинается образование аппарата веретена деления, с участием центриолей и микротрубочек. Веретено деления обеспечивает выстраивание d-хромосом в одной плоскости, в середине клетки и передвижение S-хромосом к полюсам. Ядерная оболочка в конце профазы распадается и цитоплазма и кариоплазма сливаются.

Метафаза. Хромосомы, состоят из из 2-х примыкающих друг к другу S-хромосом (хроматид). Они выстраиваются на экваторе клетке, формируя метафазную пластинку.

Анафаза. Начинается анафаза с расщепления центромерной области каждой из хромосом, в результате чего две S-хромосомы полностью отделяются одна от другой. Благодаря этому каждая дочерняя клетка получает по идентичному набору из 46-ти S-хромосом. После разделения центромер одна из S-хромосом начинает двигаться к одному полюсу, другая к другому.

Телофаза. У каждого полюса происходит диспирализация хромосом в обратном порядке от хромосомного до нуклеосомного уровня. Наконец, наследственное вещество принимает вид глыбок хроматина, либо плотно упакованных, либо деконденсированных.

Вновь формируется ядрышко, ядерная оболочка, окружающая хроматин и кариоплазма.

Цитокинез. В след за делением ядра происходит деление цитоплазмы. В животных клетках происходит образование в кортикальном слое «сократимого кольца» из микрофиламентов. Эти структуры состоят из белков актина и миозина, способных к сокращению. Сокращаясь они обеспечивают разделение цитоплазмы путем инвагинации плазмалеммы.

Таким образом, в результате митотического деления клеток, вновь образованные дочерние клетки идентичные между собой и являются копией материнской клетки, что важно для последующего роста, развития и дифференцировки клеток, тканей.

Механизм регуляции митотической активности

Поддержание числа клеток на определенном, постоянном уровне обеспечивает в целом гомеостаз.

В организме человека клетки различных тканей и органов обладают разной способностью к пролиферации. Например, клетки красного костного мозга постоянно делятся; клетки большинства внутренних органов во взрослом состоянии не делятся, но способности к делению митозом не утрачивают; нервные клетки у взрослых людей не делятся, а функцию свою повышают за счет увеличения отростков и увеличения соединений между ними) Во многих случаях клеткам подается сигнал о том, что они должны повысить свою функциональную активность, а для этого может понадобиться увеличение числа, клеток. Например, при недостатке в рационе животного Са, клетки паращитовидной железы начинают усиленно делиться, с тем, чтобы увеличение их числа привело к повышению синтеза гормона. Таким образом, понижение той или иной функции может привести к увеличению численности популяции клеток, обеспечивающих эти функции.

Пролиферация клеток регулируется особыми веществами - кейлонами. Кейлоны - это глипопротеиды с мол. массой 30 000 - 50 000. Они обладают специфичностью в отношении клеток разных типов, тканей органов. Считается, что понижение количества кейлонов стимулирует пролиферацию клеток, например, при регенерации.

Амитоз. Прямое деление или амитоз, описано раньше митотического деления, но встречается гораздо реже. Амитоз – это деление клетки, у которой ядро находится в интерфазном состоянии. При этом не происходит конденсации хромосом и образования веретена деления. Формально амитоз должен приводит к появлению двух клеток, однако чаще всего он приводит к разделению ядра и появлению двух- или многоядерных клеток.

Начинается амитотическое деление с фрагментацией ядрышек, вслед за или одновременно делится перетяжкой ядро (или инвагинацией). Может быть множественное деление ядра, как правило, неравной величины (при патологических процессах). Многочисленные наблюдения показывают, что амитоз встречается почти всегда в клетках отживающих, дегенерирующих или не способных дать в дальнейшем полноценные элементы. Так в норме амитотическое деление встречается в зародышевых оболочках животных, в фолликулярных клетках яичника, в гигантских клетках трофобластов. Положительное значение амитоз имеет в процессах регенерации тканей или органов (регенеративный амитоз). Амитоз в стареющих клетках сопровождается нарушениями биосинтетических процессов, включая репликацию, репарацию ДНК, а также транскрипцию и трансляцию. Изменяются физико-химические свойства хроматина ядер клеток, состав цитоплазмы, структура и функции органоидов, что влечет за собой функциональные нарушения на всех последующих уровнях – клеточном, тканевом, органном и организменном. По мере нарастания деструкции и угасания восстановления наступает естественная смерть клетки. Нередко амитоз встречается при воспалительных процессах и злокачественных новообразованиях (индуцированный амитоз.