Клеточный цикл, его стадии и способы их изучения.

Один из постулатов клеточной теории гласит, что увеличение числа клеток, их размножение, происходит путем деления исходной клетки. Обычно делению клеток предшествует редупликация их хромосомного аппарата, синтез ДНК. Время существования клетки как таковой – от деления до деления – обычно называют клеточным циклом. Величина его может быть различной для разных типов клеток. Время прохождения клеточного цикла зависит от температуры и условий окружающей среды. Клетки многоклеточных организмов обладают разной способностью к делению. Клетки животных и растений, так же как одноклеточные эукариотические организмы, вступают в процесс деления после ряда подготовительных процессов, важнейшим из которых является синтез ДНК. Весь смысл клеточного деления заключается в равномерном распределении редуплицированного генетического материала по двум новым клеткам. Синтез ДНК происходит в интерфазе, в которой существуют периоды, когда синтеза ДНК не происходит. Таким образом, весь клеточный цикл состоит как бы из четырех отрезков времени: собственно митоз (М), пресинтетический (G₁), синтетический (S) и постсинтетический (G₂) периоды. Подготовка клеток к делению регулируется на генном уровне путем последовательных транскрипций специфических РНК, а также путем регуляции трансляции этих РНК, путем регуляции синтеза специфических белков. Различные периоды клеточного цикла отличаются друг от друга по общему содержанию в клетках белка, ДНК и РНК и по уровню (интенсивности) их синтеза. В G₁-периоде клетки имеют диплоидное содержание ДНК на ядро (2с), в S-периоде содержание ДНК колеблется от 2с до 4с, в G₂-периоде содержание ДНК соответствует тетраплоидному (4с). Количество РНК в клетках на разных этапах цикла также может меняться; в интенсивно делящихся клетках содержание РНК в течение интерфазы увеличивается по крайней мере в 2 раза. После деления, в период G₁ поступают дочерние клетки, по объему и по общему содержанию белков и РНК вдвое меньшие, чем исходная родительская клетка. В это время начинается рост клеток, главным образом за счет накопления клеточных белков, что определяется увеличением количества РНК на клетку. Необходимо вспомнить, что в течение всего митоза (от поздней профазы до средней телофазы) в клетке синтез РНК полностью подавлен, поэтому накопление клеточных белков и РНК связано с возобновлением синтеза РНК в начале нового клеточного цикла. В S-периоде уровень синтеза РНК возрастает соответственно увеличению, количества ДНК, достигает своего максимума в середине G₂-периода. В конце G₂-периода или в профазе синтез РНК резко падает по мере конденсации митотических хромосом и снова полностью прекращается во время митоза. Синтез белка во время митоза падает до 25% от исходного уровня и затем в последующих периодах достигает своего максимума в G₂-периоде, в общем повторяя характер синтеза РНК. Пресинтетический период (G₁) характеризуется ростом клетки и подготовкой к синтезу ДНК.( для прохождения клеточного цикла необходим определенный объем клеточной массы). Некоторые исследователи считают, что рост клетки в фазе G₁ необходим для достижения определенной «критической массы» цитоплазмы, определяющей начало синтеза ДНК в S-периоде. Это привело к представлениям о существовании белка (или белков)- инициатора, необходимого для начала репликации ДНК. Предполагается, что синтез белка-инициатора происходит в течение всего G₁-периода и прекращается, когда его концентрация в клетке становится пороговой. В течение G₁-периода происходят синтезы ферментов, необходимых для образования предшественников ДНК (например, нуклеотидфосфокиназ), ферментов метаболизма РНК и белка. Это совпадает с увеличением синтеза РНК и белка в клетке. Резко при этом повышается активность ферментов, участвующих в энергетическом обмене. Все эти метаболические особенности G₁-периода дают основание считать его подготовительным этапом для синтеза ДНК. Как уже указывалось, длительность G₁-периода может сильно варьировать. В некоторых случаях синтез ДНК может начинаться без предварительного G₁-периода. Интересно, что в этом случае дробление не связано с ростом дочерних клеток, наоборот, до определенной стадии размер клеток уменьшается. Вероятно, что синтез РНК и белков, определяющих вступление клеток в S-период, здесь происходит еще до митоза в предыдущем клеточном цикле. Синтетический период является узловым в клеточном цикле. Его блокада приводит к остановке цикла. Можно затормозить S-период, давая клеткам избыток предшественника ДНК, тимидина. При этом все клетки в 5-периоде блокируются. Без прохождения синтеза ДНК неизвестно ни одного случая вступления клеток в митотическое деление. Единственным исключением или особым случаем является второе деление созревания половых клеток при мейозе, когда между двумя делениями нет S-периода. Длительность S-периода зависит от скорости репликации ДНК (она может у разных объектов колебаться в пределах 0,5 – 2 мкм/мин), от числа и величины репликонов, от числа включенных репликонов, от общего количества ДНК. Прямая зависимость длительности S-периода (как и других) от содержания ДНК на клетку наблюдается у высших растений. Однако и у растений и у животных в полиплоидных клетках время S-периода не меняется по сравнению с диплоидными. Для прохождения S-периода необходим синтез РНК и белков, начавшийся еще в G₁-периоде. Параллельно синтезу ДНК в клетке идет интенсивный синтез гистонов в цитоплазме и происходит их миграция в ядро, где они связываются с ДНК. В S-периоде происходит синтез рРНК, использующейся уже в G₂-периоде для синтеза белков, необходимых для митоза. Постсинтетическая (G₂) фаза еще называется премитотической, при этом подчеркивается ее большое значение для прохождения следующей стадии – митотического деления. Длительность G₂-периода обычно всегда меньше остальных периодов интерфазы. В некоторых случаях она может вообще выпадать. Иногда клетки могут длительное время пребывать в G₂-периоде. В G₂-периоде продолжается синтез клеточных РНК и белков. В это время происходит синтез иРНК, необходимой для прохождения митоза, несколько ранее этого синтезируется рРНК рибосом, участвующих в синтезе белков, определяющих деление клетки. Среди синтезирующихся в это время белков особое внимание привлекают тубулины, белки митотического веретена. Оказалось, что в некоторых случаях новосинтезированные тубулины могут использоваться даже в следующем клеточном цикле. В этом периоде происходит синтез РНК для осуществления следующего G₁-периода и даже некоторой части белков, необходимых для инициации очередного S-периода. Таким образом, видно, что в течение интерфазы синтез макромолекул, необходимых для прохождения ее отдельных фаз, происходит с некоторым предварительным опережением: в G₂-периоде происходит синтез макромолекул для митоза и следующего G₁-периода, в G₁-периоде – синтезы для S-периода, в S-периоде – синтезы для G₂- и G₁-периодов и т.д. Такое регулярное повторение последовательности клеточных циклов легко можно наблюдать во время прогрессивного роста клеток культуры ткани. В естественных условиях в растущих тканях растений и животных всегда есть клетки, которые находятся вне цикла», не проходят регулярно из G₁- в S-, затем в G₂- и потом в М-фазу; такие клетки принято называть клетками G₀-периода. Именно эти клетки представляют собой так называемые покоящиеся, переставшие размножаться клетки. В некоторых тканях такие клетки G₀-фазы могут находиться длительное время, не изменяя особенно своих морфологических свойств: они сохраняют в принципе способность к делению. Изучение способности клеток к размножению подтвердило старые выводы цитологов о том, что чем выше специализация клетки, тем ниже ее способность делиться, как будто у клетки есть выбор: или размножаться, или дифференцироваться. Итак, в естественных условиях смена фаз клеточного цикла строго детерминирована, так же как детерминирован переход в G₀-фазу. Если взять ядро из нервной, клетки головного мозга взрослой лягушки, которая находится в G₀-фазе (и находилась бы в ней до конца жизни лягушки) и пересадить его в зрелый лягушачий ооцит, то такое ядро начинает под воздействием каких-то факторов цитоплазмы ооцита синтезировать ДНК. Другим приемом для изучения детерминированности клеточного цикла может служить метод получения гетерокарионон. Суть его заключается в том, что после контакта клеток с некоторыми инактивированными вирусами соседние клетки начинают слипаться, их цитоплазмы сливаются и образуются двуядерные клетки – дикарионы (так объединиться могут три или четыре клетки, в этом случае образуются три- и тетракарионы). Если в гетерокарионе из двух клеток оба ядра войдут в митоз, то может произойти объединение митотических фигур в одну – возникает истинный клеточный гибрид.