Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
Лекция № 5
Клеточный цикл. Репликация ДНК. Митоз.
Жизненный цикл клеток
Способность к размножению – важнейшее свойство живых организмов, обеспечивающее воспроизводство вида. Существует два вида размножения: бесполое и половое. Но основу живых организмов составляют клетки и их существование, и воспроизводство обеспечивается именно способностью клеток к размножению. Срок жизни большинства клеток меньше срока жизни целого организма, поэтому есть необходимость постоянного обновления клеточного состава тканей и органов.
Цепь событий, происходящих во время жизни клетки от деления до деления (или до ее смерти) называется клеточным циклом. У некоторых организмов (протистов, одноклеточных водорослей и грибов) клеточный цикл совпадает по времени со сроком жизни особи.
Клеточный цикл состоит из нескольких периодов, продолжительность которых в сумме составляет 10-50 часов и зависит от множества причин:
- типа клеток
Клеточный цикл разбивается на два основных периода – интерфаза и митоз.
Интерфаза – период жизни клеток между двумя циклами деления.
Интерфаза также включает в себя несколько периодов (G1, S, G2, G0)
G1 – пресинтетический период.
Период клеточного цикла, наступающий после деления (митоза) клеток. Количество хромосом и содержание ДНК – 2n, 2с. Длительность непостоянна (от нескольких часов до нескольких суток). В этот период в клетке идут интенсивные синтетические процессы (активно синтезируются белки, РНК разных видов, растет объем клетки, идет подготовка к репликации ДНК).
S – синтетический период (период синтеза, репликации ДНК).
Важнейший период в жизни клетки. Клетка готовится к синтезу новых молекул ДНК (репликации, удвоению). Длительность 6-8 часов. Продолжается активный синтез белков, различных видов РНК, особенно рибосомальных. В этот же период происходит удвоение центриолей – важных клеточных органоидов, принимающих участие в формировании веретена деления.
К концу периода репликация ДНК заканчивается, и каждая хромосома состоит из двух сестринских хроматид. Тем самым количество хромосом не меняется (2n), а количество ДНК удваивается (4c). Блокада S- периода (например, с помощью химических веществ) полностью блокирует весь клеточный цикл.
Особо следует подчеркнуть, что без прохождения клеткой S периода синтеза ДНК неизвестно ни одного случая вступления клеток в митоз (кроме второго деления мейоза, когда развивающиеся половые клетки не проходят S- период)
G2 – постсинтетический период.
Период активной подготовки клетки к делению. Длительность – 2–6 часов.
Количество хромосом и ДНК – (2n, 4с). В этот период продолжается синтез белков, необходимых для формирования веретена деления в митозе. Активно работают митохондрии, синтезируя большое количество АТФ для энергетического обеспечения митоза. Синтез разных видов РНК ослабевает. Среди белков, синтезирующихся в этот период цикла, особое место занимают белки микротрубочек (тубулины) и регуляторные белки, запускающие митоз.
G0 – период покоя.
В тканях организмов всегда есть клетки, которые перестали размножаться. Такие клетки получили название – покоящиеся клетки. У многоклеточных организмов большая часть клеток находится именно в фазе G0! Однако судьба клеток, находящихся в фазе G0 может быть разной.
1. Клетка длительное время находится в фазе Gо, не изменяет своих морфологических признаков, но сохраняет способность к делению – такие клетки называются камбиальными или стволовыми.
Это чрезвычайно важные клетки нашего организма. Они есть во взрослом состоянии практически во всех органах и тканях. Основными свойствами стволовых клеток являются:
- способность длительное время находиться в покоящемся состоянии;
- способность поддерживать свою численность путем деления без перехода в дифференцировку (эта уникальная способность позволяет обеспечивать постоянный запас небольшого количества стволовых клеток в течение почти всей жизни человека и животных);
- способность дифференцироваться в различных направлениях
Эта способность стволовых клеток позволяет использовать их в медицине для искусственного выращивания любых тканей из любых стволовых клеток человека. Например: в настоящее время успешно выращивают костную ткань из собственных стволовых клеток человека, страдающего от болезни суставов с дальнейшей пересадкой "выращенной" костной ткани в зону повреждения. Проводятся опыты по выращиванию нейронов головного мозга из стволовых клеток эпидермиса кожи для последующего лечения некоторых заболеваний нервной системы.
Стромальная терапия - так называют область применения стволовых клеток - это самое перспективное и новое направление в медицине. Оно позволит решить многие проблемы, связанные с иммунологической несовместимостью тканей при обычных пересадках (ведь при стромальной терапии выращиваются собственные ткани, и никакого отторжения нет!); открывает путь к лечению наследственных, ранее неизлечимых заболеваний человека.
Стволовые стромальные клетки взрослого организма – это его собственный клеточный и тканевой резерв.
В конце прошлого года в Московской медицинской академии имени Сеченова прошел "круглый стол" "Стволовые клетки – насколько это законно?". Его участники, среди которых было немало известных российских ученых, обратили внимании на то, что сегодня в России большинство организаций, предлагающих услуги по терапии стволовыми клетками, не имеют лицензий. В Москве, например, существует несколько банков стволовых клеток, но официальную лицензию Минздрава имеет только один – криоцентр в НИИ акушерства и гинекологии. Как заявил академик РАМН, директор Института экспериментальной кардиологии Владимир Смирнов, "лицензии, которые выдает Комитет здравоохранения Москвы, незаконны. Никаких лицензий, никаких разрешений на применение стволовых клеток Минздрав не выдавал. Вся деятельность в косметологии, в других областях медицины нелегальна, незаконна и наказуема". И так обстоит дело не только в столице. По словам Смирнова, сегодня в медицинской практике наблюдается широкое применение клеток сомнительного происхождения: "Это приняло размеры эпидемии; по стране ездят группы людей, которые лечат неизвестно какими стволовыми клетками все заболевания".
Очень резко по поводу ажиотажа вокруг лечения стволовыми клетками высказался член-корреспондент РАМН, профессор биологических и медицинских наук, руководитель отдела химиотерапии лейкозов и трансплантации костного мозга Гематологического научного Центра Валерий Савченко. "История со стволовыми клетками – это мифология, которая существует зазеркально, параллельно научной медицине. Из-за достаточно высокого уровня невежества эта мифология понятна, как любая сказка. Проблема "вечной жизни" волновала людей всегда. А когда у людей появились лишние деньги, то появилось желание приобрести то, что они потеряли, когда они эти деньги зарабатывали. И, естественно, появляются люди, которые хотят эту услугу им предоставить. Есть спрос – появляется предложение. По сути дела, если люди хотят быть искалеченными – это их право... Помните иголку в яйце – жизнь и смерть Кощея Бессмертного? Стволовые клетки – из этой области, это клиническая мифология. Это не научная медицина! Это парамедицина, она не отягощена никакими научными доказательствами."
Никто из ученых не говорит о том, что опыты со стволовыми клетками не должны продолжаться. Однако большинство из них убеждены, что использовать эту технологию в коммерческих целях недопустимо, ведь она еще не до конца изучена и находится на зачаточном этапе экспериментального и клинического обоснования. И уж тем более недопустимо обещать пациентам вылечить с помощью стволовых клеток самые серьезные заболевания. Как сказал директор Института физико-химической медицины, председатель комитета по биоэтике РАМН академик РАМН Юрий Лопухин: "Корысть толкает некоторых исследователей на необоснованные операции, создание дорогих клеточных препаратов с грубым нарушением общепринятых этических норм". Конечно, толкает, ибо лечение стволовыми клетками стоит очень дорого. На сайте одной из клиник я прочитал, что такое лечение у них стоит 263,5 тыс. руб. – около 8 тыс.евро. В других клиниках еще дороже: от 15 тыс. евро и выше. Причем, чем старше пациент, тем большее количество клеток ему понадобится и тем дороже будет клеточная терапия. В общем, как выразился директор Республиканского центра репродукции человека и планирования семьи МЗ РФ, доктор медицинских наук Андрей Акопян: "Люди убеждены, что за деньги можно купить здоровье, внешность и жизнь... Сегодня нет четких границ между медициной и бизнесом. Люди впитывают сенсации, хотят платить за стволовые клетки, и им это предлагают".
Особенно важным было открытие в конце XX века стволовых клеток в ЦНС взрослых млекопитающих, человека и других позвоночных животных. У млекопитающих эти «стволовые» клетки располагаются под поверхностью мозговых желудочков больших полушарий головного мозга. Клетки размножаются, и молодые нейроны мигрируют в разные отделы головного мозга, где замещают погибшие нервные клетки!.
Так что знаменитая фраза «нервные клетки не восстанавливаются» нуждается в уточнении. Нервные клетки во взрослом организме не делятся, но обновляются за счет деления стволовых клеток.
2. Клетка находится в фазе Go, но в течение этого времени приобретает ряд специфических черт строения, связанных с ее функционированием - клетка дифференцируется. При необходимости (например: при повреждении органа) она может вступить в новый клеточный цикл. В отличие от стволовых клеток - они дифференцируются только в определенном направлении. Такие клетки получили наименование – полустволовые клетки.
3. Клетка находится в фазе Go, при этом дифференцируется и необратимо теряет способность к делению. Так ведут себя нервные клетки, которые после дифференцировки утрачивают способность к делению и срок их Go стадии фактически сопоставим со сроком жизни организма. Мышечные клетки сердца также не способны к делению во взрослом состоянии.(хотя и они способны обновляться за счет стволовых клеток). Происходит старение дифференцированных клеток и их гибель.
Общей закономерностью является то, что если клетка вышла на этап дифференцировки, то количество делений, которое она может пройти, ограничено. Так, например, для фибробласта лимит делений составляет 50 делений, для стволовой клетки крови — 100.
4. По мере старения организма резко увеличивается вероятность перехода клеток в стадию Go – большинство клеток (в том числе и стволовые) утрачивают способность к делению – происходит старение организма. Это, как оказалось, связано с тем, что число делений клетки генетически запрограммировано. После "выработки" своего ресурса клетка переходит в глубокую фазу Go и, пробыв некоторое время в состоянии покоя, стареют и погибают. Например: камбиальные, стволовые клетки кожного эпителия "запрограммированы" примерно на 50 циклов размножения (подробнее о старении клеток смотри § 27 данной главы).
Таким образом – интерфаза, как важная часть жизненного цикла клеток, представляет собой сложнейший процесс, регулируемый множеством как внешних, так и внутренних факторов.
Репликация ДНК в эу- и прокариотических клетках
После того, как мы познакомились с основными периодами интерфазы в жизненном цикле клеток необходимо более подробно разобрать процесс репликации ДНК в клетках, проходящий в синтетическом (S) периоде интерфазы.
Репликация – процесс самовоспроизведения молекул нуклеиновых кислот (ДНК или РНК) с целью обеспечения точного копирования генетического, наследственного материала клеток организма и передачу его последующим поколениям.
Этапы репликации
Основные сведения о молекулярных основах репликации получены при изучении репликации ДНК бактерии кишечной палочки E. coli. Оказалось, что, несмотря на имеющиеся различия в организации генома про- и эукариот, базовые процессы репликации сходны.
Репликация включает в себя несколько этапов, каждый из которых контролируется и направляется целым комплексом специальных белков-ферментов.
I. Молекула ДНК в интерфазном ядре находится в спирализованном состоянии и для начала репликации необходимо деспирализовать хроматин и «расплести» двойную спираль ДНК. Деспирализацию хроматина проводят специальные гистонные белки (см. Упаковка ДНК). Потом двойную цепь ДНК «расплетают» специальные белки-ферменты топоизомеразы и хеликазы. Топоизомераза раскручивает спираль ДНК и образуется участок - «пузырь», где две соседние цепи ДНК разъединены. На каждом конце такого «пузыря» образуется точка начала репликации – репликативная вилка. Участок ДНК, где начинается и идет репликация называется – репликон.
II. Теперь на расплетенных нитях «родительской» ДНК начинают синтезироваться «дочерние» нити, подчиняясь закону комплементарности пар нуклеотидов. В настоящее время доказана схема «полуконсервативного» синтеза ДНК. По этой схеме на каждой из расплетенных цепей ДНК достраивается новая цепь.
Начало процесса синтеза новых цепей ДНК осуществляется сложным комплексом белков и ферментов. Этот комплекс получил название – реплисома. Она состоит из: короткой молекулы РНК-праймера (затравки), запускающей синтез новой цепи; фермента – праймазы, синтезирующей РНК-праймеры; фермента ДНК-полимеразы, соединяющего нуклеотиды в цепь.
Скорость синтеза ДНК составляет: у эукариот – 100-400 пар нуклеотидов/сек; у прокариот значительно выше – около 3000 пар нуклеотидов/сек.
III. Следующим этапом синтеза ДНК является «проверка» правильности синтеза новой цепи ДНК. Это делают также ферменты ДНК-полимеразы I и III. Это чрезвычайно важно, ведь каждая «ошибка» - это мутация, последствия которой предсказать невозможно. Механизм исправления ошибок заключается в вырезании поврежденного участка синтезируемой нити ДНК ферментами - нуклеазами с последующим восстановлением пробела с помощью ДНК-полимераз. Точность репликации очень высокая, ошибки составляют менее чем 1 пару замен нуклеотидов на 1млн. пар.
IV. Синтез новых цепей ДНК идет одновременно с двух «материнских» цепей антипараллельно, в направлении 5’ ---- 3’ конец. По одной нити ДНК, называемой «главной», синтез идет непрерывно. По другой – антипараллельной, называемой «запаздывающей», синтез новой цепи ДНК идет отдельными фрагментами, каждый из которых запускается своим РНК-праймером. Эти фрагменты получили наименование по имени японского биолога – «фрагменты Оказаки». По мере синтеза фрагментов они сшиваются специальным ферментом – ДНК-лигазой в непрерывную цепь ДНК. Однонитевые участки ДНК в процессе репликации покрываются специальными стабилизирующими белками (SSB).
V – Процесс репликации ДНК надо остановить вовремя! Ферменты ДНК – полимеразы только добавляют в растущую цепь нуклеотиды и проверяют их правильное расположение. Кто же останавливает репликацию?
Прокариоты решают эту проблему «просто» - их ДНК кольцевая, т.е. не имеет конца, и синтез завершается, когда две репликативные вилки встречаются друг с другом.
У эукариот эта проблема решается более сложным путем. На конце эукариотических хромосом имеется специальный участок из 100 – 1000 многократно повторяющихся кусочков цепи из шести нуклеотидов (например: у человека: ТТАGGG). Он не несет в себе функции генов и служит сигналом к окончанию репликации и получил наименование - теломер. С каждым циклом репликации и деления теломерный участок уменьшается. С помощью специального фермента – теломеразы утраченный участок теломера может синтезироваться и длина хромосомы восстанавливается.
Теломеразы есть в половых клетках и клетках новорожденных. Во взрослом организме в соматических клетках теломераза (а точнее ген, который ее кодирует) неактивна, что является своеобразным ограничителем интенсивности деления клеток и жизни всего организма. К сожалению, при раковом перерождении клеток теломераза активизируется, что сопровождается бесконтрольным размножением клеток - «бессмертие раковых клеток». Вместе с процессом репликации ДНК в синтетическом периоде идет интенсивный синтез ядерных белков – гистонов, которые соединяются с вновь синтезируемыми нитями ДНК и формируют нормальную нуклеосомную структуру ДНК.
Нобелевская премия по физиологии и медицине — 2009Нобелевская премия по физиологии и медицине 2009 года присуждена Элизабет Блэкберн, Кэрол Грейдер и Джеку Шостаку «за открытие того, как теломеры и фермент теломераза защищают хромосомы». Механизм защиты хромосом от укорачивания при каждом делении был впервые предсказан в 1971 году Алексеем Матвеевичем Оловниковым; впоследствии его теоретические построения были подтверждены на практике экспериментаторами, которые и удостоились этой Нобелевской премии. Теломеры играют определенную роль в возрастных изменениях клеток и всего организма и в развитии злокачественных заболеваний. Дальнейшие исследования их динамики и принципов работы удлиняющего их фермента теломеразы могут помочь найти новые пути борьбы со старением и раком. Премию по физиологии и медицине в этом году вновь, уже третий раз подряд, разделят трое ученых. Она присуждена «за открытие того, как теломеры и фермент теломераза защищают хромосомы» («for the discovery of how chromosomes are protected by telomeres and the enzyme telomerase»). Первооткрыватели теломеразы и обеспечиваемого этим ферментам механизма защиты хромосом от укорачивания живут и работают в США. Это Элизабет Блэкберн (Elizabeth H. Blackburn) из Калифорнийского университета в Сан-Франциско (University of California, San-Francisco), Кэрол Грейдер (Carol W. Greider) из Школы медицины Университета Джонса Хопкинса (Johns Hopkins University) и Джек Шостак (Jack W. Szostak) из Гарвардской школы медицины (Harvard Medical School). Элизабет Блэкберн родилась в 1948 году в Австралии — в Хобарте, столице Тасмании, — в семье врачей. Когда она была школьницей, ее семья переехала в Мельбурн, где Блэкберн училась в Мельбурнском университете в колледже и в магистратуре. Затем она поступила в аспирантуру в Кембридж и получила там степень доктора философии. Впоследствии Блэкберн два года работала в Йельском университете, после чего (в 1978 году) перешла в Калифорнийский университет в Беркли, где и были сделаны ее важнейшие открытия, связанные с теломеразой. В 1990-м она перешла в другой филиал того же огромного университета — Калифорнийский университет в Сан-Франциско, где работает и по сей день. Кроме того, она является сотрудницей Института Солка (Salk Institute) в Сан-Диего, а с 2002-го по 2004 год работала в составе Президентского совета по биоэтике. Ее исключение из этого совета связывают с ее позицией по вопросу исследований эмбриональных стволовых клеток, которая была неугодна администрации Джорджа Буша-младшего, наложившего вето на федеральное финансирование этих важнейших исследований. В апреле нынешнего года Блэкберн была избрана президентом Американской ассоциации онкологических исследований (American Association for Cancer Research) и в следующем году должна возглавить эту ассоциацию. Кэрол Грейдер родилась в 1961 году в Сан-Диего (штат Калифорния). В 1983 году она получила степень бакалавра в Калифорнийском университете в Санта-Барбаре, после чего перешла в Калифорнийский университет в Беркли, где ее научным руководителем стала Элизабет Блэкберн. Уже в 1985 году в журнале Cell была опубликована статья Грейдер и Блэкберн, сообщавшая об открытии теломеразы. Получив докторскую степень в 1987 году, Грейдер стала сотрудницей Лаборатории в Колд-Спринг-Харбор (Cold Spring Harbor Laboratory), а в 1997 году перешла в Университет Джонса Хопкинса, где и по сей день работает профессором. Лаборатория, возглавляемая Кэрол Грейдер, продолжает исследования теломер и теломеразы. Джек Шостак родился в Лондоне в 1952 году. Вскоре его родители переехали в Монреаль, где он учился в колледже Университета Макгилла и в 1972 году стал бакалавром. Докторскую степень он получил в 1977 году в Корнелле, где оставался еще два года, после чего перешел в Гарвардскую школу медицины, где работает и сегодня, профессором отделения генетики. Помимо Гарварда, Шостак является сотрудником еще двух учреждений — Массачусетской неспециализированной больницы (Massachussets General Hospital) и Медицинского института Говарда Хьюза (Howard Hughes Medical Institute). Кроме открытия теломеразы, Шостак первым синтезировал искусственные хромосомы дрожжей. Создание таких искусственных хромосом нашло широкое применение в картировании генов животных, в том числе человека, и в развитии технологий генной инженерии. В настоящее время гарвардская лаборатория Шостака занимается прежде всего вопросами, связанными с происхождением жизни, и работает над искусственным синтезом живых клеток. Теломеры — концевые участки хромосом, состоящие из повторяющихся последовательностей нуклеотидов, — были открыты в пятидесятые годы XX века. Теломеры можно увидеть даже в световой микроскоп: готовящиеся к делению или делящиеся клетки можно окрасить таким образом, чтобы теломеры отличались по цвету от центральных частей каждой хромосомы. Теломеры имеются только у эукариот (организмов, в клетках которых есть ядро), а у бактерий и архей хромосомы замкнуты в кольцо и теломер не имеют. Эти концевые участки хромосом не содержат генов: записанная на теломерах информация не считывается на матричные РНК и ничего не кодирует. Собственно, информации в теломерах содержится довольно мало, ведь они состоят из повторяющихся одинаковых последовательностей нескольких нуклеотидов. Эти последовательности довольно однообразны. В частности, у всех позвоночных, а также у многих грибов и протистов это всегда ЦЦЦТАА, а у высших растений — по-видимому, всегда ЦЦЦ ТААА Алексей Матвеевич Оловников, сотрудник Института биохимической физики РАН, в 1971 году сформулировавший теоретическую концепцию, предполагавшую существование фермента, открытого в начале восьмидесятых годов Кэрол Грейдер и Элизабет Блэкберн и названного ими теломеразой. Исследования этого фермента, проведенные в лабораториях Блэкберн и Шостака, подтвердили справедливость ряда теоретических выводов Оловникова. Поначалу функции теломер были неизвестны, как не была известна и последовательность входящих в их состав нуклеотидов. В конце пятидесятых годов был открыт фермент ДНК-полимераза, обеспечивающий удвоение молекул ДНК. Чтобы начать работать, этот фермент должен присоединиться к синтезируемому другим ферментом праймеру — короткому сидящему на цепочке ДНК фрагменту РНК, который впоследствии удаляется. При этом ДНК-полимераза может двигаться по цепочке ДНК только в одном направлении — от 5'-конца к 3'-концу. В результате ДНК-полимераза не может полностью скопировать всю молекулу ДНК: на одном из концов, к которому она прикрепляется, должен оставаться нескопированный фрагмент. На это впервые обратили внимание, независимо друг от друга, Алексей Матвеевич Оловников (Оловников А.М. 1971. Принцип маргинотомии в матричном синтезе полинуклеотидов // Доклады АН СССР. Т. 201. С. 1496–1499; Olovnikov A.M. 1973. A theory of marginotomy. The incomplete copying of template margin in enzymic synthesis of polynucleotides and biological significance of the phenomenon // Journal of Theoretical Biology. V. 41. P. 181–190) и Джеймс Уотсон (Watson J.D. 1972. Origin of concatemeric T7 DNA // Nature New Biology. V. 239. P. 197–201). Получалось, что хромосомы должны укорачиваться при каждом делении клетки за счет некопируемых концевых участков. Уотсон предположил, как эта проблема должна решаться у бактериофагов, ДНК которых тоже не замкнута в кольцо, а Оловников описал, как она может решаться у эукариот, и выдвинул гипотезу о существовании фермента, способного добавлять к концу хромосомы повторяющиеся последовательности. Он также предположил, что регуляция работы этого фермента может играть ключевую роль в старении организма (за счет постепенного укорачивания концевых участков хромосом у клеток, которые должны разделиться лишь ограниченное число раз) и что неполадки в механизме такой регуляции могут быть причиной бесконтрольного деления клеток злокачественных опухолей. Вскоре в теломерах некоторых организмов были действительно открыты повторяющиеся последовательности. Опыты, проведенные в лаборатории Джека Шостака в Гарвардской школе медицины, показали, что чужеродные фрагменты ДНК, внедренные в клетки дрожжей, способны удваиваться, но, в отличие от собственной ДНК дрожжей, существуют в делящихся клетках недолго. Элизабет Блэкберн, будучи аспиранткой в Кембридже, освоила разработанные на тот момент методики секвенирования ДНК (чтения последовательности нуклеотидов) и впоследствии в Йеле установила, какая именно последовательность повторяется на концах хромосом у инфузории Tetrahymena thermophila (ЦЦЦЦАА). Встретившись на конференции в 1980 году, Шостак и Блэкберн задумали совместный эксперимент, результаты которого указывали на то, что именно теломеры защищают собственные хромосомы дрожжей от деградации при неоднократном делении клеток. Исследователи присоединили фрагменты с повторяющейся последовательностью нуклеотидов, обнаруженной у инфузории, к небольшим чужеродным фрагментам ДНК и внедрили полученные молекулы в дрожжевые клетки. Такие молекулы успешно удваивались в дрожжевых клетках, наряду с собственными хромосомами дрожжей, причем на их концах в итоге оказывалась повторяющаяся последовательность нуклеотидов, свойственная собственным теломерам дрожжей. Публикация этих результатов в журнале Cell была первой работой, экспериментально показавшей защитную роль теломер. Концевой участок хромосомы теломера(telomere). Каждаяхромосома(chromosome),содержащаясявядре (nucleus) клетки (cell), перед делением клеткипредставлена двумя одинаковыми половинками — хроматидами, в основе каждой из которых лежит одна очень длинная, но компактно свернутая молекула ДНК, на каждом конце которой расположены участки из повторяющихся последовательностей. Эти концевые участки и есть теломеры. При подготовке к делению, когда хроматиды удваиваются, концы каждой хромосомы всегда укорачивались бы (механизм удвоения ДНК не позволяет их копировать), если бы фермент теломераза не наращивал на концах новые повторяющиеся последовательности. Иллюстрация с сайта журнала Nature (www.nature.com) Шостак и Блэкберн, вслед за Оловниковым, предположили, что наращивание теломер обеспечивается определенным ферментом. Начались поиски этого фермента. В 1984 году его впервые смогла выделить Кэрол Грейдер, бывшая тогда еще студенткой и работавшая под руководством Элизабет Блэкберн. В статье, также опубликованной в Cell, Грейдер и Блэкберн впервые описали свойства открытого ими фермента и назвали его теломеразой. Изучая этот фермент, они обнаружили входящий в его состав фрагмент РНК, на матрице которого и синтезируются повторяющиеся последовательности нуклеотидов, добавляемые теломеразой к концевым участкам хромосом. Это открытие было описано в статье, опубликованной в Nature. Схема работы фермента теломеразы (telomerase). Фермент наращивает концевые участки хромосом, добавляя к ним одинаковые последовательности нуклеотидов. Этот процесс включает две чередующихся стадии: (a) элонгация, то есть удлинение, и (b) транслокация, то есть перемещение. Во время элонгации концевой участок цепочки ДНК связан с РНК-матрицей (RNA template), входящей в состав фермента, и удлиняется за счет присоединяемых к нему нуклеотидов, комплементарных свободному участку матрицы. Во время транслокации молекула ДНК сдвигается на несколько нуклеотидов, вновь освобождая участок РНК-матрицы, и цикл повторяется. При этом наращивается только одна цепочка ДНК, но комплекс других ферментов, основу которого составляет ДНК-полимераза, достраивает большую часть второй цепочки. Одноцепочечным остается только небольшой «хвост» в самом конце. Если бы не теломераза, такие хвосты сокращали бы длину двухцепочечной ДНК при каждом ее удвоении, и любая хромосома укорачивалась бы при каждом делении клетки. Рисунок с сайта barleyworld.org Дальнейшие исследования, проведенные в лабораториях Блэкберн и Шостака, показали, что лишенные теломеразы клетки рано или поздно прекращают делиться и умирают. Многие типы раковых клеток, напротив, обладают повышенной активностью теломеразы, что способствует их бесконтрольному делению и образованию злокачественных опухолей. Как и предполагал Оловников, теломеры оказались важным инструментом регуляции как старения, так и возникновения рака. В настоящее время уже разработаны и проходят испытания лекарственные препараты, которые, возможно, позволят бороться с рядом форм рака за счет подавления активности теломеразы в раковых клетках. С работой теломеразы связано также развитие врожденного дискератоза (dyskeratosis congenita) — редкого наследственного заболевания, которое вызывает преждевременное старение кожи. Симптомы этой болезни связаны с нарушениями в регуляции длины теломер. Врожденный дискератоз пока не умеют лечить, но дальнейшие исследования могут позволить найти способы останавливать его развитие. Хотя общий принцип работы теломеразы уже ясен, еще предстоит выяснить многие важные подробности, в частности механизмы регуляции, не позволяющие теломерам неограниченно разрастаться и определяющие их сокращение у стареющих клеток. Что касается роли теломер в старении, здесь тоже по-прежнему многое остается неясным, хотя сокращение их длины действительно характерно для стареющих эукариотических клеток. Согласно завещанию Альфреда Нобеля, каждую премию могут разделить не более троих ученых. Жаль, что в число получивших эту премию не вошел Оловников, предсказавший отмеченное ею открытие. Вместе с тем, Блэкберн, Грейдер и Шостак, посвятившие многие годы успешным экспериментальным исследованиям теломер и теломеразы, несомненно, достойны этой награды. В этом году одну Нобелевскую премию впервые в истории разделили две женщины. Среди тех, кто исследует теломеры сегодня, женщин необычайно много. Возможно, что это неслучайно: пример Элизабет Блэкберн и Кэрол Грейдер, открывших теломеразу и выяснивших структуру этого фермента, вдохновляет других женщин продолжать исследования в этой области. |
Митоз
Митоз – стадия жизненного цикла клеток, в период которого происходит деление «материнской клетки» с образованием двух генетически идентичных «дочерних» клеток.
Биологическое значение митоза:
1) во время митоза происходит строго одинаковое распределение хромосом между дочерними клетками. Это обеспечивает образование генетически идентичных клеток;
2) митоз обеспечивает рост многоклеточного организма;
3) за счет деления клеток происходит регенерация поврежденных органов и тканей (репаративная регенерация) или сохранение структурной целостности клеточных популяций и всего организма (физиологическая регенерация);
4) на митозе основаны все формы бесполого размножения (почкование, спорообразование, вегетативное размножение, деление бактерий и протист).
Митоз состоит из нескольких стадий, последовательно сменяющих друг друга: профазы, метафазы, анафазы и телофазы.
1) профаза
Переход от интерфазы к митозу. Хроматин в ядре, который был в интерфазе деконденсированный, начинает конденсироваться в хорошо видимые хромосомы. Каждая хромосома редуплицирована и состоит из двух сестринских хроматид. В каждой из хроматид есть специальный участок – центромер, к которому будут крепиться в дальнейшем микротрубочки веретена. Оболочка ядра начинает фрагментироваться.
Поздняя анафаза митоза
В конце профазы – прометафазе – ядерная оболочка распадается на мелкие пузырьки. Центриоли расходятся к противоположным полюсам клетки и начинает формироваться веретено деления, состоящее из системы специальных микротрубочек. На центромерах хромосом образуются особые белковые комплексы – кинетохоры, к ним крепяться микротрубочки веретена – кинетохорные микротрубочки, другие – полюсные микротрубочки остаются свободными, третьи – астральные – концентрируются вокруг центриолей.
Хромосомы, прикрепленные к кинетохорным микротрубочкам беспорядочно двигаются по клетке, постепенно концентрируясь в средней части клетки. Количество хромосом и количество ДНК в этой фазе митоза - 2n4c.
2) метафаза
Хромосомы концентрируются в средней части клетки, формируя экваториальную (метафазную) пластинку. Количество хромосом и ДНК остается пока прежним 2n 4c. Полностью сформировано веретено деления.
На этой стадии митоз можно остановить, искусственно подействовав на клетки веществами, которые разрушают микротрубочки веретена. Их называют цитостатики и широко применяют в химиотерапии опухолей, пытаясь остановить безудержное деление раковых клеток. Применять их нужно очень осторожно и в крайних случаях, поскольку они могут нарушить процесс деления и в других, нормальных клетках организма. Из двух зол приходиться выбирать меньшее – возможность повреждения нормальных клеток.
3) анафаза
Начинается с внезапного разделения хромосом на сестринские хроматиды, которые начинают медленно двигаться к соответствующим полюсам клетки с помощью сократительных сил кинетохорных микротрубочек веретена. Скорость расхождения хромосом – 1 мкм/мин, сила – несколько атмосфер!
Остановить митоз практически невозможно! Анафаза длиться всего несколько минут. В результате в клетке количество хромосом увеличивается вдвое - 4n 4c!!.
4) телофаза
Сестринские хроматиды (хромосомы дочерних клеток) подходят к полюсам и отсоединяются от микротрубочек веретена. Вокруг каждой группы хромосом начинает формироваться новая оболочка ядра. Конденсированный хроматин начинает разрыхляться, формируется ядрышко. Веретено деления разрушается.
В конце анафазы и в течение телофазы начинается процесс деления цитоплазмы материнской клетки на две части – цитокенез. Общая длительность митоза от 0,5 до 3 часов.
В животных клетках цитокенез идет путем образования мембранной перетяжки в средней части клетки. Образуется борозда деления, которая углубляется до образования узкого мостика между клетками (остаточное тельце) и, в конце концов, происходит полное разделение дочерних клеток, в каждой из которых одинаковое количество хромосом и ДНК - 2n2с.
Таким образом, МИТОЗ – важнейший этап в жизненном цикле клеток, обеспечивающий генетическую стабильность клеточных популяций и всего организма.
Иммунофлюоресценция клеток в разные фазы митоза
Красный цвет – актиновый цитоскелет клетки, зеленый – микротрубочки веретена деления и центриоли, синий - хромосомы
Типы митоза и репродукции клеток
В природе встречается несколько вариантов деления клеток. В каждом случае решаются разные задачи при создании и функционировании клеток, тканей и органов.
Симметричный митоз
Наиболее распространенная в природе форма митоза, в результате которого получаются две одинаковые клетки.
Асимметричный митоз
Тип митоза, при котором в генетически одинаковых клетках, деление цитоплазмы проходит неравномерно – одна клетка полностью повторяет материнскую по своим свойствам, другая – имеет признаки (свойства) отличные от материнской – клетка выходит в дифференцировку.
Это происходит из-за неравномерного распределения специальных белков в цитоплазме клетки, определяющих ее дальнейшую судьбу после деления (их называют - факторы диффренцировки) или из-за неравномерного распределения цитоплазмы между дочерними клетками. Например: такой тип митоза характерен для камбиальных (стволовых) клеток, при образовании яйцеклетки в мейозе.
Амитоз (Прямое деление клетки)
Происходит редко. Амитоз – деление клетки, при котором ядро находится в интерфазном состоянии (деконденсированный хроматин, сохраненная оболочка, отсутствие веретена деления). Происходит простая перетяжка ядра и его разделение на две части. При этом возможны различные нарушения в распределении наследственного материала. Чаще всего, амитоз встречается при патологии, при старении, дегенерации тканей.
Эндорепродукция (Полиплоидия)
Процесс многократного увеличения числа хромосом в результате:
Полиплоидия вполне нормальное явление в природе. Полиплоидные клетки появляются в результате отсутствия или незавершенности некоторых фаз митоза. Полиплоидные и многоядерные клетки встречаются у всех животных, особенно у беспозвоночных, и растений. Степень полиплоидизации может достигать гигантских величин - 100000с ДНК! (железистые клетки аскариды). Крупные полиплоидные нейроны (до 2 млн.с!) характерны для нервной системы многих моллюсков. Большинство культурных растений полиплоидные. У них крупнее плоды, урожайность и более ярко выражены все другие признаки.
Искусственно действуя на клетку химическими веществами, нарушающими структуру веретена деления (например, колхицином), можно получить полиплоидные клетки. После удаления колхицина клетка опять может проходить митоз, имея уже полиплоидный набор хромосом.
Другим вариантом увеличения плоидности клеток является процесс многократной репликации ДНК без конденсации хромосом и без расхождения сестринских хроматид. В таком виде они не вступают в митоз, опять реплицируются и опять не расходятся. Образуется гигантская интерфазная хромосома, содержащая огромное количество копий ДНК. Они видны даже в световом микроскопе и получили название – политенные хромосомы.. Наиболее часто они встречаются у насекомых (у дрозофилы в клетках слюнной железы плоидность достигает 1024 с) и послужили удобным объектом для изучения структуры и функции генов и хромосом.
Биологическое значение полиплоидизации – увеличение синтетической активности клетки и ее генетического аппарата за счет увеличения числа копий генов. Многие ученые полагают, что в процессе эволюции путем полиплоидизации возникали многие новые виды животных и растений. Среди последних особо надо выделить полиплоидные виды культурных растений (полиплоидная рожь, пшеница, вишня, яблони и многие другие).
Закрытый митоз
У ряда одноклеточных животных, водорослей, дрожжей митоз проходит без разрушения ядерной оболочки. В этом случае микротрубочки веретена прикрепляются либо к ядерной мембране снаружи, а кинетохорные участки хромосом изнутри; либо веретено располагается внутри специального канала, который образуется в ядре. Молекулярные механизмы закрытого митоза пока не изучены.
Типы митоза (слева направо): открытый, две формы закрытого митоза
PAGE 26