Клеточный цикл: регуляция перехода от G1- к S-фазе. На тему: «митотический цикл

Что такое интерфаза? Термин произошел от латинского слова "интер", переводится как "между", и греческого "фазис" - период. Это важнейший период, во время которого клетка растет и копит питательные вещества, готовясь к следующему делению. Интерфаза занимает большую часть от всего клеточного цикла, до 90% всей жизни клетки приходится именно на нее.

Что такое интерфаза

Как правило, основная часть компонентов клеток наращивается на протяженности всей фазы, поэтому выделить в ней какие-то отдельные стадии довольно сложно. Тем не менее биологи разделили интерфазу на три части, ориентируясь на время репликации в ядре клетки.

Периоды интерфазы: фаза G(1), фаза S, фаза G(2). Пресинтетический период (G1), название которого произошло от английского gap, переводящегося как "интервал", начинается сразу после деления. Это весьма продолжительный период, длящийся от десяти часов до нескольких дней. Именно во время него происходит накопление веществ и подготовка к удвоению генетического материала: начинается синтез РНК, образуются необходимые белки.

Что такое интерфаза в своем последнем периоде? В пресинтетической фазе растет число рибосом, увеличивается площадь поверхности шероховатой эндоплазматической сети, а также появляются новые митохондрии. Клетка, потребляя много энергии, быстро растет.

Дифференцировавшиеся клетки, более не имеющие возможности делиться, пребывают в фазе покоя, которая называется G0.

Главный период интерфазы

Независимо от того, какие процессы происходят в клетке в интерфазе, каждая из подфаз важна для общей подготовки к митозу. Однако синтетический период можно назвать переломной точкой, ведь именно во время него удваиваются хромосомы и начинается непосредственная подготовка к делению. РНК продолжает синтезироваться, но сразу же соединяется с белками хромосом, начиная репликацию ДНК.

Интерфаза клетки в этой части длится от шести до десяти часов. В результате каждая из хромосом удваивается и уже состоит из пары сестринских хроматид, которые потом разойдутся по полюсам веретена деления. В синтетической фазе удваиваются центриоли, если они, конечно, имеются в клетке. В этот период хромосомы можно разглядеть в микроскоп.

Третий период

Генетически хроматиды абсолютно одинаковы, так как одна из них - материнская, а вторая - реплицированная с помощью матричной РНК.

Как только произошло полное удвоение всего генетического материала, начинается постсинтетический период, предшествующий делению. Далее следует образование микротрубочек, из которых впоследствии будет формироваться веретено деления, а хроматиды будут расходиться по полюсам. Также запасается энергия, ведь в период митоза синтез питательных веществ снижается. Продолжительность постсинтетического периода невысока, обычно длится всего несколько часов.

Контрольные точки

Во время клетка должна пройти через своеобразные контрольные точки - важные "отметки", после которых она переходит в другую стадию. Если по какой-то причине клетка не смогла миновать контрольную точку, то весь клеточный цикл замирает, и следующая фаза не начнется до тех пор, пока не будут устранены неполадки, мешавшие пройти через контрольный пункт.

Есть четыре основных точки, большинство из которых находятся как раз в интерфазе. Первый контрольный пункт клетка проходит в пресинтетической фазе, когда идет проверка интактности ДНК. Если все верно, то начинается синтетический период. В нем точка сверки - это проверка точности в репликации ДНК. Контрольная точка в постсинтетической фазе - это проверка повреждений или упущений на двух предыдущих точках. В этой фазе также проверяется, насколько полно произошла репликация и клетки. Не прошедшие эту проверку не допускаются к митозу.

Проблемы в интерфазе

Нарушение нормального клеточного цикла может привести не только к сбоям в митозе, но и к образованию твердых опухолей. Более того, это одна из основных причин их появления. Нормальное течение каждой фазы, как бы коротка та ни была, предопределяет успешное завершение последующих этапов и отсутствие неполадок. Опухолевые клетки имеют изменения в сверочных точках клеточного цикла.

Например, в клетке с поврежденной ДНК не наступает синтетический период интерфазы. Возникают мутации, в результате которых происходит потеря или изменения в генах белка р53. В клетках не происходит блокада клеточного цикла, и митоз начинается досрочно. Итогом подобных неполадок становится большое количество клеток-мутантов, большинство из которых нежизнеспособны. Однако те, что могут функционировать, дают начало злокачественным клеткам, которые могут делиться очень быстро за счет сокращения или отсутствия фазы отдыха. Характеристика интерфазы способствует тому, что злокачественные опухоли, состоящие из мутантных клеток, имеют возможность делиться так стремительно.

Продолжительность интерфазы

Приведем несколько примеров того, насколько больше в жизни клетки занимает период интерфазы, по сравнению с митозом. В эпителии тонкого кишечника обыкновенных мышей "фаза отдыха" занимает минимум двенадцать часов, а сам митоз длится от 30 минут до часа. Клетки, составляющие корешок конских бобов, делятся раз в 25 часов, причем фаза М (митоз) длится около получаса.

Что такое интерфаза для жизнедеятельности клетки? Это важнейший период, без которого невозможен был бы не только митоз, но и клеточная жизнедеятельность в целом.

Фазы G1, S и G2 клеточного цикла вместе называются интерфазой. Делящаяся клетка проводит большую часть своего времени именно в интерфазе, поскольку при подготовке к делению она растет. Фаза митоза связана с разделением ядерных с последующим цитокинезом (разделение цитоплазмы на две отдельные клетки). В конце митотического цикла образуются две разные . Каждая клетка содержит идентичный генетический материал.

Время, необходимое для завершения деления клетки зависит от ее типа. К примеру, клетки в костном мозге, клетки кожи, клетки желудка и кишечника, делятся быстро и постоянно. Другие клетки делятся при необходимости, заменяя поврежденные или мертвые клетки. К таким типам клеток относятся клетки почек, печени и легких. Другие , в том числе нервные клетки, прекращают деление после созревания.

Периоды и фазы клеточного цикла

Схема основных фаз клеточного цикла

Два основные периода клеточного цикла эукариот включат интерфазу и митоз:

Интерфаза

Во время этого периода, клетка удваивает свою и синтезирует ДНК. По оценкам, делящаяся клетка тратит около 90-95% своего времени на интерфазу, которая состоит из следующих 3-х фаз:

• Фаза G1: промежуток времени до синтеза ДНК. В этой фазе клетка увеличивает свои размеры и количество , подготавливаясь к делению. в этой фазе диплоидны, что означает наличие двух наборов хромосом.
• S-фаза: этап цикла, в течение которого синтезируется ДНК. В большинстве клеток имеется узкое временное окно, в течение которого происходит синтез ДНК. Содержание хромосом в этой фазе удваивается.
• Фаза G2: период после синтеза ДНК, но до начала митоза. Клетка синтезирует дополнительные белки и продолжает увеличиваться в размерах.

Фазы митоза

Во время митоза и цитокинеза содержимое материнское клетки равномерно распределяется между двумя дочерними клетками. Митоз имеет пять фаз: профаза, прометафаза, метафаза, анафаза и телофаза.

• Профаза: на этой стадии изменения происходят как в цитоплазме, так и в делящейся клетки. конденсируется в дискретные хромосомы. Хромосомы начинают мигрировать к центру клетки. Ядерная оболочка ломается и волокна шпинделя образуются на противоположных полюсах клетки.
• Прометафаза: фаза митоза в эукариотических соматических клетках после профазы и предшествующая метафазе. В прометафазе ядерная мембрана распадается на многочисленные «мембранные везикулы», а хромосомы внутри образуют белковые структуры, называемые кинетохорами.
• Метафаза: на этом этапе ядерная полностью исчезает, формируется веретено деление, а хромосомы располагаются на метафазной пластине (плоскость, которая одинаково удалена от двух полюсов клетки).
• Анафаза: на этой стадии парные хромосомы () разделяются и начинают двигаться к противоположным концам (полюсам) клетки. Веретено деления, не связанное с , вытягивается и удлиняет клетку.
• Телофаза: на этом этапе хромосомы достигают новых ядер, а генетическое содержание клетки делится поровну на две части. Цитокинез (деление эукариотической клетки) начинается до конца митоза и заканчивается вскоре после телофазы.

Цитокинез

Цитокинез - процесс разделение цитоплазмы в эукариотических клетках, которые продуцируют различные дочерние клетки. Цитокинез возникает в конце клеточного цикла после митоза или .

При делении клеток животных цитокинез возникает, когда сократительное кольцо образует расщепленную борозду, которая зажимает клеточную мембрану пополам. В строится клеточная пластинка, которая делит клетку на две части.

Как только клетка завершит все фазы клеточного цикла, она возвращается в фазу G1 и весь цикл повторяется снова. Клетки организма также способны находится в состояние покоя, которое называется фазой Gap 0 (G0) в любой момент своего жизненного цикла. Они могут оставаться на этой стадии в течение очень длительного периода времени, пока не поступят сигналы к прохождению через клеточный цикл.

Клетки, которые содержат генетические мутации, постоянно помещаются в фазу G0, чтобы препятствовать их реплицированию. Когда клеточный цикл идет не так, как надо, нарушается нормальный рост клеток. Могут развиться , которые получают контроль над своими собственными сигналами роста и продолжают размножаться беспрепятственно.

Клеточный цикл и мейоз

Не все клетки делятся через процесс митоза. Организмы, которые размножаются половым путем, также подвергаются типу клеточного деления, называемого мейозом. Мейоз возникает в и аналогичен процессу митоза. Однако после полного клеточного цикла в мейозе образуются четыре дочерние клетки. Каждая клетка содержит половину числа хромосом исходной (родительской) клетки. Это означает, что половые клетки являются . Когда гаплоидные мужские и женские половые клетки объединяются в процессе, называемом , они образуют одну , называемую зиготой.

Находясь в высокой концентрации, предотвращает активацию протеинкиназ CDK4 или CDK6 циклинами D1 , или . В таких условиях клетка остается в фазе G0 или ранней фазе G1 до получения митогенного стимула. После адекватной стимуляции происходит уменьшение концентрации ингибитора p27 на фоне возрастания внутриклеточного содержания циклинов D. Это сопровождается активацией CDK и, в конечном счете, фосфорилированием белка pRb , освобождением связанного с ним фактора транскрипции E2F и активацией транскрипции соответствующих генов.

На этих ранних стадиях фазы G1 клеточного цикла концентрация белка p27 все еще остается довольно высокой. Поэтому после прекращения митогенной стимуляции клеток содержание этого белка быстро восстанавливается до критического уровня и дальнейшее прохождение клеток через клеточный цикл блокируется на соответствующем этапе G1. Эта обратимость возможна до тех пор, пока фаза G1 в своем развитии не достигает определенной стадии, называемой точкой перехода , после прохождения которой клетка становится коммитированной к делению, и удаление факторов роста из окружающей среды не сопровождается ингибированием клеточного цикла. Хотя с этого момента клетки становятся независимыми от внешних сигналов к делению, они сохраняют способность к самоконтролю клеточного цикла.

На ранних стадиях клеточного цикла здоровые клетки могут распознавать повреждения ДНК и реагировать на них задержкой прохождения клеточного цикла в фазе G1 до репарации повреждений. Например, в ответ на повреждения ДНК, вызванные ультрафиолетовым светом или ионизирующей радиацией, белок p53 индуцирует транскрипцию гена белка p21 . Повышение его внутриклеточной концентрации блокирует активацию CDK2 циклинами E или . Это останавливает клетки в поздней фазе G1 или ранней S-фазе клеточного цикла. В это время клетка сама определяет свою дальнейшую судьбу - если повреждения не могут быть устранены, она вступает в

Интерфаза G1 следует за телофазой митоза. В эту фазу клетка синтезирует РНК и белки. Продолжительность фазы — от нескольких часов до нескольких дней.G0. Клетки могут выйти из цикла и находиться в фазе G0. В фазе G0 клетки начинают дифференцироваться.S. В фазу S в клетке продолжается синтез белка, происходит репликация ДНК, разделяются центриоли. В большинстве клеток фаза S длится 8-12 часов.G2. В фазу G2 продолжается синтез РНК и белка (например, синтез тубулина для микротрубочек митотического веретена). Дочерние центриоли достигают размеров дефинитивных органелл. Эта фаза длится 2-4 часа.Митоз В ходе митоза делятся ядро (кариокинез) и цитоплазма (цитокинез). Фазы митоза: профаза, прометафаза, метафаза, анафаза, телофаза (рис. 2-52).Профаза. Каждая хромосома состоит из двух сестринских хроматид, соединённых центромерой, исчезает ядрышко. Центриоли организуют митотическое веретено. Пара центриолей входит в состав ми-

Клеточный цикл

Клеточный цикл состоит из митоза (М-фаза) и интерфазы. В интерфазе последовательно различают фазы G 1 , S и G 2 .

СТАДИИ КЛЕТОЧНОГО ЦИКЛА

Интерфаза

G 1 следует за телофазой митоза. В эту фазу клетка синтезирует РНК и белки. Продолжительность фазы – от нескольких часов до нескольких дней.

G 2 клетки могут выйти из цикла и находится в фазе G 0 . В фазе G 0 клетки начинают дифференцироваться.

S . В фазу S в клетке продолжается синтез белка, происходит репликация ДНК, разделяются центриоли. В большинстве клеток фаза S длится 8-12 часов.

G 2 . В фазу G 2 продолжается синтез РНК и белка (например, синтез тубулина для микротрубочек митотического веретена). Дочерние центриоли достигают размеров дефинитивных органелл. Эта фаза длится 2-4 часа.

МИТОЗ

В ходе митоза делятся ядро (кариокинез) и цитоплазма (цитокинез). Фазы митоза: профаза, прометафаза, метафаза, анафаза, телофаза.

Профаза . Каждая хромосома состоит из двух сестринских хроматид, соединенных центромерой, исчезает ядрышко. Центриоли организуют митотическое веретено. Пара центриолей входит в состав митотического центра, от которого радиально отходят микротрубочки. Сначала митотические центры располагаются вблизи ядерной мембраны, а затем расходятся, и образуется биполярное митотическое веретено. В этом процессе участвуют полюсные микротрубочки, взаимодействующие между собой по мере удлинения.

Центриоль входит в состав центросомы (центросома содержит две центриоли и перицентриольный матрикс) и имеет форму цилиндра диаметром 15- нм и длиной 500 нм; стенка цилиндра состоит из 9 триплетов микротрубочек. В центросоме центриоли расположены под прямым углом друг к другу. В ходе фазы S клеточного цикла центриоли дуплицируются. В митозе пары центриолей, каждая из которых состоит из первоначальной и вновь образованной, расходятся к полюсам клетки и участвуют в образовании митотического веретена.

Прометафаза . Ядерная оболочка распадается на мелкие фрагменты. В области центромер появляются кинетохоры, функционирующие как центры организации кинетохорных микротрубочек. Отхождение кинетохор от каждой хромосомы в обе стороны и их взаимодействие с полюсными микротрубочками митотического веретена – причина перемещения хромосом.

Метафаза . Хромосомы располагаются в области экватора веретена. Образуется метафазная пластинка, в которой каждая хромосома удерживается парой кинетохоров и связанными с ними кинетохорными микротрубочками, направленными к противоположным полюсам митотического веретена.

Анафаза – расхождение дочерних хромосом к полюсам митотического веретена со скоростью 1 мкм/мин.

Телофаза . Хроматиды подходят к полюсам, кинетохорные микротрубочки исчезают, а полюсные продолжают удлиняться. Образуется ядерная оболочка, появляется ядрышко.

Цитокинез – разделение цитоплазмы на две обособляющиеся части. Процесс начинается в поздней анафазе или в телофазе. Плазмолемма втягивается между двумя дочерними ядрами в плоскости, перпендикулярной длинной оси веретена. Борозда деления углубляется, и между дочерними клетками остается мостик – остаточное тельце. Дальнейшее разрушение этой структуры приводит к полному разделению дочерних клеток.

Регуляторы клеточного деления

Пролиферация клеток, происходящая путем митоза, жестко регулируется множеством молекулярных сигналов. Скоординированная деятельность этих многочисленных регуляторов клеточного цикла обеспечивает как переход клеток от фазы к фазе клеточного цикла, так и точное выполнение событий каждой фазы. Главная причина появления пролиферативно неконтролируемых клеток – мутации генов, кодирующих структуру регуляторов клеточного цикла. Регуляторы клеточного цикла и митоза подразделяют на внутриклеточные и межклеточные. Внутриклеточные молекулярные сигналы многочисленны, среди них в первую очередь следует назвать собственно регуляторы клеточного цикла (циклины, циклин-зависимые протеинкиназы, их активаторы и ингибиторы) и онкосупрессоры.

МЕЙОЗ

В ходе мейоза образуются гаплоидные гаметы.

Первое деление мейоза

Первое деление мейоза (профаза I, метафаза I, анафаза I и телофаза I) – редукционное.

Профаза I последовательно проходит несколько стадий (лептотена, зиготена, пахитена, диплотена, диакинез).

Лептотена – хроматин конденсируется, каждая хромосома состоит из двух хроматид, соединенных центромерой.

Зиготена – гомологичные парные хромосомы сближаются и вступают в физический контакт (синапсис ) в виде синаптонемального комплекса, обеспечивающего конъюгацию хромосом. На этой стадии две лежащие рядом пары хромосом образуют бивалент.

Пахитена – хромосомы утолщаются вследствие спирализации. Отдельные участки конъюгировавших хромосом перекрещиваются друг с другом и образуют хиазмы. Здесь происходит кроссинговер - обмен участками между отцовскими и материнскими гомологичными хромосомами.

Диплотена – разделение конъюгировавших хромосом в каждой паре в результате продольного расщепления синаптонемального комплекса. Хромосомы расщепляются по всей длине комплекса, за исключением хиазм. В составе бивалента четко различимы 4 хроматиды. Такой бивалент называют тетрадой. В хроматидах появляются участки раскручивания, где синтезируется РНК.

Диакинез. Продолжаются процессы укорочения хромосом и расщепления хромосомных пар. Хиазмы перемещаются к концам хромосом (терминализация). Разрушается ядерная мембрана, исчезает ядрышко. Появляется митотическое веретено.

Метафаза I . В метафазе I тетрады образуют метафазную пластинку. В целом отцовские и материнские хромосомы распределяются случайным образом по ту или другую сторону экватора митотического веретена. Подобный характер распределения хромосом лежит в основе второго закона Менделя, что (наряду с кроссинговером) обеспечивает генетические различия между индивидуумами.

Анафаза I отличается от анафазы митоза тем, что при митозе к полюсам расходятся сестринские хроматиды. В эту фазу мейоза к полюсам отходят целостные хромосомы.

Телофаза I не отличается от телофазы митоза. Формируются ядра, имеющие 23 конъюгированные (удвоенные) хромосомы, происходит цитокинез, образуются дочерние клетки.

Второе деление мейоза.

Второе деление мейоза – эквационное – протекает так же, как митоз (профаза II, метафаза II, анафаза II и телофаза), но значительно быстрее. Дочерние клетки получают гаплоидный набор хромосом (22 аутосомы и одну половую хромосому).