45. Клітинний цикл та його регуляція

Клітинний цикл. Весь клітинний цикл складається з 4 періодів: власне мітозу (М), пресинтетичного (G1), синтетичного (S) і постсинтетичного (G2) періодів інтерфази. У G1-періоді, що настає відразу після поділу, клітини відновлюють вміст цитоплазматичних білків, збільшують розмір дочірніх клітин до материнських. Клітини мають диплоїдну кількість ДНК на одне ядро (2 с). У цей період починається підготовка клітини до синтезу ДНК (S-період).

Виявлено, що пригнічення синтезу білка чи іРНК у G1-періоді запобігає настанню S-періоду, тому що протягом G1-періоду відбуваються синтези ферментів, необхідних для утворення попередників ДНК (наприклад, нуклеотидфосфокіназ), ферментів метаболізму РНК і білка. Це збігається зі збільшенням синтезу РНК і білку. При цьому різко підвищується активність ферментів, що беруть участь в енергетичному обміні.

На початку G1 – періоду утворюються цитоплазматичні мікротрубочки, які заповнюють всю цитоплазму. У їх формуванні приймає участь материнська центріоль, на поверхні якої виникають сателіти, що мають ніжку і голівку, від якої починають рости в довжину мікротрубочки.

У наступному, S-періоді відбувається подвоєння ДНК (крім центромерних ділянок) і хромосомних білків. Інтенсивний синтез всіх фракцій гістонів необхідний для того, щоб забезпечити нуклеосомну упаковку синтезованої ДНК. В цитоплазмі подвоюються центріолі. В цей час біля кожної центріолі, материнської і дочірньої, які розійшлись ще в телофазі, закладаються нові центріолярні циліндри – процентріолі. Важливо відмітити, що розмноження центріолей не пов’язано з їх діленням, брунькуванням, чи фрагментацією, а відбувається шляхом утворення зачатка (процентріолі) поблизу і перпендикулярно до материнської центріолі. Деякі вчені припускають, що центріолі належать до компонентів цитоплазми, які здатні до саморедуплікації, як і мітохондрії і пластиди, хоча прямих доказів про наявність ДНК в складі центріолей немає. В S-періоді під час дуплікації центріолей материнська продовжує бути центром утворення цитоплазматичних мікротрубочок. В результаті процесу дуплікації біля кожної центріолі виростає нова дочірня центріоль, тому після завершення цього періоду в клітині знаходиться вже дві диплосоми.

До кінця періоду клітина стає тетраплоїдною по ДНК. У різних клітинах, що знаходяться в S-періоді, можна знайти різні кількості ДНК - від 2 до 4 с. Це пов'язано з тим, що дослідженню підлягають клітини на різних етапах синтезу ДНК (тільки приступили до синтезу або вже завершили його). S-період є вузловим у клітинному циклі. Без проходження синтезу ДНК невідомо жодного випадку вступу клітин у мітотичний поділ. Єдиним виключенням є другий поділ дозрівання статевих клітин у мейозі, коли між двома поділами немає синтезу ДНК.

У S-періоді рівень синтезу РНК зростає відповідно збільшенню кількості ДНК, досягаючи свого максимуму в G2-періоді.

Постсинтетична (G2) фаза називається також премітотичною. В клітині починається підготовка до чергового ділення. В цей час зникають сателіти на материнській диплосомі (так називають стару материнську центріоль з новою дочірньою), а обидві материнські центріолі в обох диплосомах вкриваються фібрилярним гало, від якого в профазі починають відростати мітотичні трубочки. Паралельно цьому в цитоплазмі відбувається зникнення мікротрубочок і клітина прагне прийняти кулеподібну форму. У даній фазі відбувається синтез іРНК, необхідний для проходження мітозу. Трохи раніше цього синтезується рРНК. Серед білків, що синтезуються в цей час, особливе місце займають білки мітотичного веретена.

Наприкінці G2-періоду чи в мітозі з конденсацією мітотичних хромосом синтез РНК різко падає і цілком припиняється під час мітозу. Синтез білку під час мітозу знижується до 25% від вихідного рівня і потім у наступних періодах досягає свого максимуму в G2-періоді, у цілому, повторюючи характер синтезу РНК.

У зростаючих тканинах рослин і тварин завжди є клітини, що знаходяться як би поза циклом. Такі клітини прийнято називати клітинами G0-періоду. Це клітини, що після мітозу не вступають у пресинтетичний період (G1). Саме вони являють собою так звані спочиваючі клітини, які тимчасово чи остаточно перестали розмножуватися. У деяких тканинах такі клітини можуть існувати тривалий час, не змінюючи особливо своїх морфологічних властивостей: вони зберігають, у принципі, здатність до поділу. Це камбіальні клітини (наприклад, стовбурові в кровотворній тканині). Частіше втрата (хоча б і тимчасова) здатності поділятися супроводжується спеціалізацією й диференціацією. Клітини, що диференціюються, виходять із циклу, але в особливих умовах можуть знову входити в цикл. Повертаючись під дією зовнішніх сигналів в мітотичний цикл, клітини вступають в його S-період. Наприклад, більшість клітин печінки знаходиться в G0-періоді: вони не синтезують ДНК і не поділяються. Однак при видаленні частини печінки в експериментальних тварин багато клітин починають підготовку до мітозу (G1-період), переходять до синтезу ДНК і можуть мітотично поділятися. В інших випадках, наприклад, в епідермісі шкіри, після виходу з циклу розмноження й диференціації клітини якийсь час функціонують, а потім гинуть (зроговілі клітини покривного епітелію). Багато клітин цілком втрачають здатність повертатися в мітотичний цикл. Так, наприклад, нейрони головного мозку і кардіоміоцити постійно знаходяться в G0-періоді (до смерті організму).

Клітинний цикл регулюється численними поза- і внутрішньоклітинними механізмами. До позаклітинних відносять впливи на клітину цитокінів, факторів росту, гормональних і нейрогенних стимулів. Роль внутрішньоклітинних регуляторів відіграють специфічні білки цитоплазми.

Протягом кожного клітинного циклу існують кілька критичних періодів, що відповідають переходу клітини з однієї фази циклу в іншу. При порушенні внутрішньої системи контролю клітина під впливом власних факторів регуляції елімінується апоптозом, або на якийсь час затримується в одній з фаз циклу. Ключове значення в проходженні кожної фази циклу й підготовці клітини до вступу в наступну фазу має спільний вплив внутрішньоклітинних циклінів, циклін-залежних кіназ, анафазу-стимулюючого білкового комплексу й інших протеолітичних ензимів.

Група циклінів включає G1-цикліни, цикліни S-фази, цикліни М-фази.

Відповідно цим формам циклінів у клітині існують циклін-залежні кінази G1-, S- і М-фаз клітинного циклу. У ході циклу вміст циклінів істотно змінюється, у той час як рівні циклін-залежних кіназ залишаються відносно стабільними. Збільшення рівня тих чи інших циклинів є сигналом, що спонукає клітину до проходження чергової фази циклу. Наприклад, збільшення рівня G1-циклинів є сигналом для підготовки хромосом до реплікації, а входження клітини в S-фазу здійснюється при збільшенні рівня S-фази стимулюючого фактора, що приводить до реплікації ДНК і центріолей.

По завершенні реплікації ДНК рівень зазначених циклинів знижується й зростає рівень мітотичних циклинів (у G2-фазу циклу). Так, мітоз виникає при активації М-фаза-стимулюючого фактора, що є комплексом мітотичних циклинів і циклін-залежної кінази М-фази.

Даний пептидний комплекс ініціює формування мітотичного веретена, руйнування ядерної оболонки, конденсацію хромосом і входження клітини в метафазу мітозу. З цього моменту активується інший пептидний комплекс - стимулюючий анафазу, завдяки якому сестринські хроматиди починають розходитися до полюсів клітини, при цьому цикліни М-фази руйнуються й у клітині ініціюється синтез G1-циклінів для наступного циклу.

Таким чином, усі критичні періоди проходження клітинного циклу знаходяться під контролем комплексу внутрішньоклітинних протеїнів. Мутації генів, що кодують деякі з них, називаються онкогенними. Наприклад, у нормі білок р53 сприймає порушення структури ДНК і зупиняє клітину при проходженні нею G1- чи G2-фаз клітинного циклу. У випадку виникнення порушень у реплікації ДНК білок р53 бере участь в ініціації апоптоза. Ген, що кодує даний білок, є пухлино-супресивним. Існують і деякі інші білки, що беруть участь у визначенні ушкоджень синтезу ДНК, завдяки яким переривається клітинний цикл і стає неможливим мітотичний поділ (за рахунок блокування розходження сестриних хроматид в анафазі мітозу).

Регуляція клітинного циклу здійснюється за допомогою оборотного фосфорилювання/дефосфорилювання регуляторних білків. Ключовим білком, що регулює вступ клітини в мітоз (G2/М-перехід), є специфічна серин/треонін-протеїнкіназа, що зветься фактор дозрівання [ФД (MPF, від англ. maturation promoting factor)]. В активній формі фермент каталізує фосфорилювання багатьох білків, що беруть участь у мітозі, таких, наприклад, як гістон Н1, що входить до складу хроматину, ламін (компонент цитоскелета, виявлений у ядерній мембрані), фактори транскрипції, білки мітотичного веретена й ряд ферментів. Фосфорилювання цих білків запускає процес мітозу. Після завершення мітозу регуляторна субодиниця ФД, циклін, маркірується убіквітином і піддається протеолізу. Тепер настає черга протеїнів-фосфатаз, що дефосфорилюють білки, які брали участь у мітозі, після чого клітина повертається в стан інтерфази.

ФД - гетеродимерний фермент, що включає регуляторну субодиницю, циклін, і каталітичну субодиницю, циклінзалежну кіназу [ЦЗК (СDК від англ. cyclin dependent kinase) чи p34cdc2; 34 кДа]. Активною формою ферменту є лише димер ЦЗК+циклін. Крім того, активність протеїнкінази регулюється шляхом оборотного фосфорилювання самого ферменту.

У клітинах хребетних тварин є присутнім ряд різних циклінів і циклінзалежних кіназ. Різноманітні сполучення двох субодиниць ферменту регулюють запуск мітозу, початок процесу транскрипції у G1-фазі, перехід критичної точки після завершення транскрипції, початок процесу реплікації ДНК у S-періоді інтерфази (стартовий перехід) і інші ключові переходи клітинного циклу.

В овоцитах жаби вступ у мітоз (G2/М-перехід) регулюється шляхом зміни концентрації цикліну. Циклін безупинно синтезується в інтерфазі до досягнення максимальної концентрації у фазі М, коли запускається весь каскад фосфорилювання білків, каталізований ФД. До закінчення мітозу циклін швидко руйнується протеїназами, які також активуються ФД. В інших клітинних системах активність ФД регулюється за рахунок різного ступеня фосфорилювання самого ферменту.

БІЛЕТ 15