цитология сессия билеты 2. 1. Условие необходимые при деление нормальной клетки
 Скачать 93.24 Kb.
|
|
1.Условие необходимые при деление нормальной клетки Сигналом к делению служит увеличившийся размер клетки – чем она больше, тем меньше в ней становится концентрация белка, запрещающего клетке делиться. Делению клетки предшествует деление ядра. Каждое ядро дочерней клетки получает ровно такое же число хромосом и такое же количество ДНК, как и материнская. Во время митоза движение цитоплазмы прекращается, митохондрии и пластиды распределяются примерно поровну между дочерними клетками. Деление клеток происходит поэтапно. На каждом этапе происходят определенные процессы между ядром и цитоплазмой. Эти процессы представляют собой упорядоченную последовательность событий, каждое из которых зависит от предшествующих событий и, в свою очередь, необходимо для последующих. Такая последовательность событий определяется специфическими условиями, создающимися во внутренней среде клетки. Для нормального течения процесса деления клетки необходимо, чтобы в определенные сроки синтезировались определенные ферменты, причем как выработка, так и использование этих ферментов должны строго регулироваться во времени. 2. Основные регуляторы митоза (циклины, киназы), механизмы их действия. При митозе воспроизводится хромосомная организация клетки. Жизнь каждой дочерней клетки начинается с образования двух копий каждой хромосомы. Эти копии называют гомологами. Общее количество хромосом называют диплоидным набором, число хромосом в котором равно 2n. Во время интерфазы хромосомный материал в растущей клетке удваивается. В начале митоза каждая хромосома оказывается расщепленной по своей длине с образованием двух копий, называемых сестринскими хроматидами. В этот момент число хромосом в клетке составляет 4n, они организованы в виде 2n пар сестринских хроматид. Процесс митоза состоит из 4 фаз: профазы, метафазы, анафазы и телофазы, заканчивающейся цитокинезом, когда делится сама клетка; при этом каждая дочерняя клетка получает тот же полный набор хромосом, который был в родительских клетках, а каждая хромосома в паре происходит от одной из родительских хромосом. Каждая фаза включает определенные движения центромеры — центральной сократительной области хромосомы. Эти движения важны для разделения хромосомных пар между дочерними клетками и завершения процесса клеточного деления. Непосредственно перед митозом происходит серия проверок в так называемых регуляторных точках (checkpoints) с целью репарации разрывов хромосомной двойной спирали или других повреждений ДНК. В нормальных условиях поврежденная ДНК восстанавливается, и процесс митоза завершается. Те клетки, где репарации ДИК не произошло, подвергаются апоптозу, или программируемой гибели. Такой механизм обеспечивает бесконечность деления клеток, если хромосомная ДНК интактна. Результатом того, что клетке при делении удалось избежать контроля в одной из регуляторных точек, а клетки с разрывами двойной спирали или другими повреждениями ДНК делятся неконтролируемым образом, является карциногенез. Важнейшими белками, участвующими в регуляции клеточного цикла, являются циклины и циклинзависимые киназы — CDK (суclin-dependent kinases). CDK — холоферментные комплексы, которые содержат регуляторные субъединицы И CDK-каталитичсскис субъединицы. Комплексы циклин-CDK регулируют 4 различные фазы клеточного цикла: Gap 1 (G1-фазу), фазу репликации ДНК (S-фазу), Gap 2 (G2-фазу) и собственно митоз (М-фазу). Контроль в точке рестрикции во время G1-фазы осуществляется при участии двух типов CDK: циклина D и циклина Е. Циклины D-типа (D1, D2 и D3) во время ранней G1-фазы комбинаторно взаимодействуют С 2 каталитическими партнерами CDK4 и CDK6 с образованием по меньшей мере 6 холоферментов, экспрессия которых тканеспецифична. Циклин E образует комплекс со своим каталитическим партнером CDK2 и совместно с циклином D во время поздней G1-фазы завершает фосфорилирование белка-супрессора ретинобластомы (Kb). В результате клетка, минуя контроль регуляторной точки на участке G1-S, переходит в S-фазу. Эндогенные ингибиторы комплексов циклин-CDK, называемые ингибиторами циклинзависимых киназ (CKI), экспрессируются во время G1-фазы и тормозят процессы фосфорилирования и активацию комплексов циклин-CDK, приводя к остановке G1 -фазы. Функция CKI состоит в том, чтобы не позволить клетке миновать регуляторную точку G1-фазы и ингибировать митоз, остановив тем самым рост клеток. На основании структуры самих ингибиторов и соответствующих CDK-мишеней CKI подразделяют на два семейства. Белки семейства CIP/KIP (ингибиторы CDK) являются ингибиторами широкого спектра действия, они изменяют активность циклин D-, циклин В- и циклин А-завиеимых киназ. К этому семейству относятся белки р2l(Cip1), p27(Kipl) и p57(Kip2). Ike они в аминоконцевой области содержат характерную последовательность («мотив»), с которой связываются циклин н субстраты CDK. Белок р21 (Cipl) служит нижележащим эффектором фактора транскрипции и гена-супрессора опухоли p53 и обеспечивает репарацию повреждений ДНК и/или стимулирует апоптоз. Белок p27(Kip1) является мощным ингибитором клеточной пролиферации в нормальных и патологически измененных тканях и выступает в роли важнейшего посредника при поражении тканей, воспалении и заживлении ран. Семейство белков INK4 (ингибитор CDK4) включает INK4A (p16), INK4B (р15), INK4C (р18) и INK4D (р19). Эти ингибиторы СОК содержат в своей молекуле анкириновые повторы, связываются только с CDK4 и CDK6, по не с другими CDK и специфически угнетают каталитические субъединицы CDK4 и СОКб, Белки семейства INK являются важнейшими регуляторами роста опухолей и играют большую роль в эволюционной биологии, однако их значение в патогенезе ССЗ не столь существенно. 3. Действие комплексов в периодах G1, S, G2 и митозе. Различают четыре основные фазы клеточного цикла: G1 (пресинтетическая), S (синтетическая), G2 (постсинтетическая) и М (митотическая). Затем следует разделение цитоплазмы и плазматической мембраны, в результате чего возникают две одинаковые дочерние клетки. Фазы Gl, S и G2 входят в состав интерфазы. Репликация хромосом происходит во время синтетической фазы, или S-фазы. Большинство клеток не подвержено активному делению, их митотическая активность подавляется во время фазы GO, входящей в состав фазы G1. Продолжительность М-фазы составляет 30—60 мин, в то время как весь клеточный цикл проходит примерно за 20 ч. В зависимости от возраста нормальные (не опухолевые) клетки человека претерпевают до 80 митотических циклов. Процессы клеточного цикла контролируются последовательно повторяющимися активацией и инактивацией ключевых ферментов, называемых цик дин зависимыми протеинкиназами (ЦЗК), а также их кофакторов — циклинов. При этом под воздействием фосфокиназ и фосфатаз происходят фосфорилирование и дефосфорилирование особых циклин-ЦЗК-комплексов, ответственных за начало тех или иных фаз цикла. Кроме того, на соответствующих стадиях подобные ЦЗК-белки вызывают уплотнение хромосом, разрыв ядерной оболочки и реорганизацию микротрубочек цитоскелета в целях формирования веретена деления (митотического веретена). G1-фаза клеточного цикла G1-фаза — промежуточная стадия между М- и S-фазами, во время которой происходит увеличение количества цитоплазмы. Кроме того, в конце фазы G1 расположена первая контрольная точка, на которой происходят репарация ДНК и проверка условий окружающей среды (достаточно ли они благоприятны для перехода к S-фазе). В случае если ядерная ДНК повреждена, усиливается активность белка р53, который стимулирует транскрипцию р21. Последний связывается со специфическим циклин-ЦЗК-комплексом, ответственным за перевод клетки в S-фазу, и тормозит её деление на стадии Gl-фазы. Это позволяет репарационным ферментам исправить повреждённые фрагменты ДНК. При возникновении патологий белка р53 репликация дефективной ДНК продолжается, что позволяет делящимся клеткам накапливать мутации и способствует развитию опухолевых процессов. Именно поэтому белок р53 часто называют «стражем генома». G0-фаза клеточного цикла Пролиферация клеток у млекопитающих возможна только при участии секретируемых другими клетками внеклеточных факторов роста, которые оказывают своё воздействие через каскадную сигнальную трансдукцию протоонкогенов. Если во время фазы G1 клетка не получает соответствующих сигналов, то она выходит из клеточного цикла и переходит в состояние G0, в котором может находиться несколько лет. Блок G0 происходит при помощи белков — супрессоров митоза, один из которых — ретинобластомный белок (Rb-белок), кодируемый нормальными аллелями гена ретинобластомы. Данный белок прикрепляется кособым регуляторным протеинам, блокируя стимуляцию транскрипции генов, необходимых для пролиферации клеток. Внеклеточные факторы роста разрушают блок путём активации Gl-специфических циклин-ЦЗК-комплексов, которые фосфорилируют Rb-белок и изменяют его конформацию, в результате чего разрывается связь с регуляторными белками. При этом последние активируют транскрипцию кодируемых ими генов, которые запускают процесс пролиферации. S фаза клеточного цикла Стандартное количество двойных спиралей ДНК в каждой клетке, соответствующее диплоидному набору одноцепочечных хромосом, принято обозначать как 2С. Набор 2С сохраняется на протяжении фазы G1 и удваивается (4С) во время S-фазы, когда синтезируется новая хромосомная ДНК. Начиная с конца S-фазы и до М-фазы (включая фазу G2) каждая видимая хромосома содержит две плотно связанные друг с другом молекулы ДНК, называемые сестринскими хроматидами. Таким образом, в клетках человека начиная с конца S-фазы и до середины М-фазы присутствуют 23 пары хромосом (46 видимых единиц), но 4С (92) двойные спирали ядерной ДНК. В процессе митоза происходит распределение одинаковых наборов хромосом по двум дочерним клеткам таким образом, чтобы в каждой из них содержалось по 23 пары 2С-молекул ДНК. Следует отметить, что фазы G1 и G0 — единственные фазы клеточного цикла, во время которых в клетках 46 хромосомам соответствует 2С-набор молекул ДНК. G2-фаза клеточного цикла Вторая контрольная точка, на которой проверяется размер клетки, находится в конце фазы G2, расположенной между S-фазой и митозом. Кроме того, на данной стадии, прежде чем перейти к митозу, происходит проверка полноты репликации и целостности ДНК. Митоз (М-фаза) 1. Профаза. Хромосомы, каждая из которых состоит из двух одинаковых хроматид, начинают уплотняться и становятся видимыми внутри ядра. На противоположных полюсах клетки вокруг двух центросом из волокон тубулина начинает образовываться веретеноподобный аппарат. 2. Прометафаза. Происходит разделение мембраны ядра. Вокруг центромер хромосом формируются кинетохоры. Волокна тубулина проникают внутрь ядра и концентрируются вблизи кинетохор, соединяя их с волокнами, исходящими из центросом. 3. Метафаза. Натяжение волокон заставляет хромосомы выстраиваться посередине в линию между полюсами веретена, формируя тем самым метафазную пластинку. 4. Анафаза. ДНК центромер, разделённая между сестринскими хроматидами, дуплицируется, хроматиды разделяются и расходятся ближе к полюсам. 5. Телофаза. Разделённые сестринские хроматиды (которые с этого момента считают хромосомами) достигают полюсов. Вокруг каждой из групп возникает ядерная мембрана. Уплотнённый хроматин рассеивается и происходит формирование ядрышек. 6. Цитокинез. Клеточная мембрана сокращается и посередине между полюсами образуется борозда дробления, которая со временем разделяет две дочерние клетки. Цикл центросомы Во время фазы G1 происходит разделение пары центриолей, сцепленных с каждой центросомой. На протяжении S- и G2-фаз справа от старых центриолей формируется новая дочерняя центриоль. В начале М-фазы центросома 4. Условие остановки деление нормальной клетки. В норме клетки перестают делиться, когда устанавливают прочные контакты со своими соседями. контакты клеток друг с другом останавливают деление. Здоровые клетки прочно соединены между собой, у них большая сила сцепления. У раковых клеток эта способность нарушена, сила сцепления значительно снижена, а потому они множатся без предела. Чем слабее связаны клетки, тем опаснее опухоль. Были обнаружены специальные вещества - контактины, усиливающие сцепление клеток. Введение контактинов, особенно на ранних стадиях рака, может полностью вернуть ткань в нормальное, здоровое состояние. Контактины предотвращают образование метастазов, препятствуют возникновению опухолей в предрасположенных тканях, нейтрализуют действие канцерогенов. 5. Контроль клетки за прохождением митотического цикла (сверочные точки). Для проверки, насколько безошибочно до вступления клетки в митоз завершилась репликации ДНК, и для поддержания скоординированности фаз S и М в клетке функционируют контрольные точки Для успешного завершения клеточного цикла должны произойти в правильном порядке несколько ключевых событий, а параллельно происходящие процессы должны быть между собой связаны. Деятельность центральной системы контроля в течение всего процесса клеточного цикла регулируется по механизму обратной связи. Пока процесс еще не завершился, в центральную контрольную систему поступает соответствующий сигнал, который не дает клетке возможность переходить к очередному этапу. Лишь после успешного завершения процесса поступление запретительного сигнала прекращается, и центральная контрольная система разрешает клетке переход к следующей фазе. Существует несколько контрольных точек. Одна из них активируется при неполностью реплицированной ДНК или при ее повреждении и предотвращает вступление клетки в митоз, пока ошибка не будет исправлена. Другая точка действует в митозе и проверяет прикрепление хромосом к митотическому веретену, не допуская расхождения пары сестринских хроматид до того момента, пока каждая хромосома не окажется правильно прикрепленной к обоим полюсам веретена. Еще одни точки проверяют, например, положение митотического веретена, тем самым обеспечивая расхождение по отдельным клеткам, при цитокинезе двух обособленных групп хромосом, которые образовались в митозе. В любом случае, если обнаруживаются ошибки, наступает остановка цикла, дающая время для их исправления до момента перехода клетки в следующую стадию. Все контрольные точки клеточного цикла представлены на рисунке ниже. Предполагается, что каждая дочерняя клетка получила полную и интактную копии генома. 6. Причины и механизмы нарушения митотического цикла, медицинское значение Нарушения той или иной фазы митоза приводят к патологическим изменениям клеток. Отклонение от нормального течения процесса спирализации может привести к набуханию и слипанию хромосом. Иногда наблюдается отрыв участка хромосомы, который, если он лишен центромеры, не участвует в анафазном перемещении к полюсам и теряется. Отставать при движении могут отдельные хроматиды, что приводит к образованию дочерних ядер с несбалансированными хромосомными наборами. Повреждения со стороны веретена деления приводят к задержке митоза в метафазе, рассеиванию хромосом. При изменении количества центриолей возникают многополюсные или асимметричные митозы. Нарушение цитотомии приводит к появлению дву- и многоядерных клеток. На основе митотического цикла возник ряд механизмов, с помощью которых в том или ином органе количество генетического материала и, следовательно, интенсивность обмена могут быть увеличены при сохранении постоянства числа клеток. Эндомитоз. При воздействии на клетки веществами разрушающими микротрубочки веретена, деление прекращается, а хромосомы будут продолжать цикл своих превращений: реплицироваться, что приведет к поэтапному образованию полиплоидных клеток – 4n, 8n и т.д. Такой процесс преобразований иначе называется эндорепродукцией. Способность клеток к эндомитозу используют в селекции растений для получения клеток с кратным набором хромосом. Для этого применяют колхицин, винбластин, разрушающие нити ахроматинового веретена. Полиплоидные клетки (а затем и взрослые растения) отличаются большими размерами, вегетативные органы из таких клеток крупные, с большим запасом питательных веществ. У человека эндорепродукция имеет место в некоторых гепатоцитах и кардиомиоцитах. Удвоение ДНК клетки не всегда сопровождается ее разделением на две. Поскольку механизм такого удвоения совпадает с предмитотической редупликацией ДНК и оно сопровождается кратным увеличением количества хромосом, это явление получило название эндомитоза.С генетической точки зрения, эндомитоз — геномная соматическая мутация. Политения. При политении в S-периоде в результате репликации и нерасхождения хромосомных нитей образуется многонитчатая, политенная структура. От митотических хромосом они отличаются большими размерами (длиннее в – 200 раз). Встречаются такие клетки в слюнных железах двукрылых насекомых, в макронуклеусах инфузорий. На политенных хромосомах видны вздутия, пуфы (места транскрипции) – выражение генной активности. Эти хромосомы – важнейший объект генетических исследований. Эндомитоз и политения приводят к образованию полиплоидных клеток, отличающихся кратным увеличением объема наследственного материала. В таких клетках в отличие от диплоидных гены повторены более чем два раза. Пропорционально увеличению числа генов растет масса клетки, что повышает ее функциональные возможности. В организме млекопитающих полиплоидизация с возрастом свойственна печеночным клеткам. |