Клеточный цикл

Клеточный цикл — это период существования клетки от момента ее образования путем деления материнской клетки до собственного деления или смерти.Важным компонентом клеточного цикла является митотический (пролиферативный) цикл —комплекс взаимосвязанных и согласованных во времени событий, происходящих в процессе подготовки клетки к делению и на протяжении самого деления. Кроме того, в жизненный цикл включается период выполнения клеткой многоклеточного организма специфических функций, а также периоды покоя. В периоды покоя ближайшая судьба клетки не определена: она может либо начать подготовку к митозу, либо приступить к специализации в определенном функциональном направлении (рис. 2.10). Продолжительность митотического цикла для большинства клеток составляет от 10 до 50 ч. Длительность цикла регулируется путем изменения продолжительности всех его периодов. У млекопитающих время митоза составляет 1—1,5 ч, 02-периода интерфазы —2—5 ч, S-периода интерфазы — 6—10 ч.

Патологические митозы (по И. А. Алову):

пульверизация хромосом;

хроматидные мосты;

отставание хромосом в  метакинезе;

отставание хромосом ори  расхождении к полюсам;

рассеивание гиперсяирализованных хромосом;

многополюсный митоз с  фрагментом хромосомы;

трехгрунповая метафаза;

полая метафаза.

I. Фрагментация хромосом, иногда на очень мелкие глыбки (пульверизация), причем большинство  фрагментов или глыбок лишено  кинетохора и поэтому остаются  неподвижными.

II. Появление мостов при  воссоединении двух фрагментов, сохранивших кинетофор. Формируется  дицентрическая хромосома. Испытывая  воздействия обоих митотических  центров, хромосома растягивается  между ними и образует мост, влияющий на течение заключительных  стадий митоза, задерживая цитотомию. 

III. Отставание хромосом  в метакинезе и при расхождении  к полюсам, возникает при повреждении  кинетохора.

IV. Митоз колхицинового  типа (К-митоз): метафазная пластинка  состоит из склеенных хромосом, образующих «комки». Кроме того, наблюдается отставание хромосом.

V. Беспорядочное рассеивание  гиперспирализованных хромосом  в метафазе (один из видов К-митоза).

VI. Многополюсный митоз. 

VII. Трехгрупповая метафаза.

VIII. Полая метафаза имеет  вид кольца хромосом, которые  собираются в метафазную пластинку,  располагаются по периферии клетки. Нередко встречаются комбинированные  формы патологии митоза (например, многополюсные митозы с отставанием  хромосом или с мостами и  т. д.). На основе патологических  митозов возникают мутации, появляются  хромосомные аберрации, играющие  весьма существенную роль в  неопластической трансформации  клеток. Патологические митозы в  нормальных тканях встречаются  в 2—3% клеток и менее, в то  время как в опухолях в 30—46% клеток. Установлено, что чем более  выражена морфологическая анаплазия  опухолевых клеток и чем выше  митотическая активность клеток, тем чаще встречаются патологические  митозы. Далее были выяснены некоторые  особенности патологии митоза  в различных опухолях. Так, при  раке шейки матки преобладают  (до 20%) трехгрупповые метафазы, а  в других опухолях они почти  не встречаются. В клетках аденокарциномы  желудка чаще наблюдается (до 12,9%) К-митоз с рассеиванием гиперспирализованных  хромосом, а при раке гортани  много (до 5,9%) митозов с рассеиванием  неспирализованных хромосом. Приведенные  данные о патологии митоза  в опухолевых клетках подтверждают  и укрепляют мнение о том,  что, видимо, факторы, вызывающие  опухоль, оказывают свое локальное  воздействие на генетический  аппарат клетки со всеми вытекающими  отсюда последствиями (нерегулируемый  рост, анаплазия и т. д.).

Полиплоидия (от греч. polýploos — многопутный, здесь — многократный и éidos — вид), кратное увеличение числа хромосом в клетках растений или животных. П. широко распространена в мире растений. Среди раздельнополых животных встречается редко, главным образом у аскарид и некоторых земноводных.Соматические клетки растений и животных, как правило, содержат двойное (диплоидное) число хромосом (2 n); одна из каждой пары гомологичных хромосом происходит от материнского, а другая — от отцовского организмов. В отличие от соматических, половые клетки имеют уменьшенное исходное (гаплоидное) число хромосом (n). В гаплоидных клетках каждая хромосома единична, не имеет парной себе гомологичной. Гаплоидное число хромосом в клетках организмов одного вида называется основным, или базовым, а совокупность генов, заключённую в таком гаплоидном наборе, — геномом. Гаплоидное число хромосом в половых клетках возникает вследствие редукции (уменьшения) вдвое числа хромосом в мейозе, а диплоидное число восстанавливается при оплодотворении. (Довольно часто у растений в диплоидной клетке бывают т. н. В-хромосомы, добавочные к какой-либо из хромосом. Роль их мало изучена, хотя у кукурузы, например, всегда имеются такие хромосомы.) Число хромосом у различных видов растений весьма разнообразно. Так, один из видов папоротника (Ophioglosum reticulata) имеет в диплоидном наборе 1260 хромосом, а у самого филогенетически развитого семейства сложноцветных вид Haplopappus gracilis имеет всего 2 хромосомы в гаплоидном наборе.При П. наблюдаются отклонения от диплоидного числа хромосом в соматических клетках и от гаплоидного — в половых. При П. могут возникать клетки, в которых каждая хромосома представлена трижды (3 n) — триплоидные, четырежды (4 n) — тетраплоидные, пять раз (5 n)— пентаплоидные и т.д. Организмы с соответственным кратным увеличением наборов хромосом — плоидности — в клетках называются триплоидами, тетраплоидами, пентаплоидами и т.д. или в целом — полиплоидами.Кратное увеличение числа хромосом в клетках может возникать под действием высокой или низкой температуры, ионизирующих излучений, химических веществ, а также в результате изменения физиологического состояния клетки. Механизм действия этих факторов сводится к нарушению расхождения хромосом в митозе или мейозе и образованию клеток с кратно увеличенным числом хромосом по сравнению с исходной клеткой. Из химических агентов, вызывающих нарушение правильного расхождения хромосом, наиболее эффективен алкалоид колхицин, препятствующий образованию нитей веретена деления клетки. (Воздействуя разбавленным раствором колхицина на семена и почки, легко получают экспериментальные полиплоиды у растений.) П. может возникать и вследствие эндомитоза — удвоения хромосом без деления ядра клетки. В случае нерасхождения хромосом в митозе (митотическая П.) образуются полиплоидные соматические клетки, при нерасхождении хромосом в мейозе (мейотическая П.) — половые клетки с измененным, чаще диплоидным, числом хромосом (т. н. нередуцированные гаметы). Слияние таких гамет даёт полиплоидную зиготу: тетраплоидную (4 n) — при слиянии двух диплоидных гамет, триплоидную (3 n) — при слиянии нередуцированной гаметы с нормальной гаплоидной и т.д.Возникновение клеток с числом хромосом 3-, 4-, 5-кратным (и более) гаплоидному набору, называется геномными мутациями, а получаемые формы — эуплоидными. Наряду с эуплоидией часто встречается анеуплоидия, когда появляются клетки с изменением числа отдельных хромосом в геноме (например, у сахарного тростника, пшенично-ржаных гибридов и др.). Различают автополиплоидию — кратное увеличение числа хромосом одного и того же вида, и аллополиплоидию — кратное увеличение числа хромосом у гибридов при скрещивании разных видов (межвидовая и межродовая гибридизация).У полиплоидных форм растений нередко наблюдается гигантизм — увеличение размеров клеток и органов (листьев, цветков, плодов), а также повышение содержания ряда химических веществ, изменение сроков цветения и плодоношения. Эти особенности чаще наблюдаются у перекрёстноопыляющихся форм, чем у самоопылителей. Хозяйственно-полезные качества полиплоидов издавна привлекали внимание селекционеров, что привело к развёртыванию работ по искусственному получению полиплоидов, которые представляют важный источник изменчивости и могут быть использованы как исходный материал для селекции (например,. триплоидная сахарная свёкла, тетраплоидный клевер, редис и др.). Обычный недостаток автополиплоидов — низкая плодовитость. Однако после длительного отбора можно получить линии с достаточно высокой плодовитостью. Неплохие результаты даёт создание искусственных синтетических популяций, составленных из наиболее плодовитых линий автополиплоидов некоторых перекрёстноопыляющихся растений, например ржи.Не меньшее значение в селекции имеют и аллополиплоиды. Хромосомные наборы, входящие в состав аллополиплоидов, не одинаковы; они различаются набором содержащихся в них генов, а иногда формой и числом хромосом. При скрещивании растений разных родов, например ржи и пшеницы, возникает гибрид с гаплоидным набором ржи и гаплоидным набором пшеницы. Такой гибрид стерилен и лишь удвоение числа хромосом каждого растения, т. е. получение амфидиплоидов, может нормализовать мейоз и восстановить плодовитость. Аллополиплоидия может быть методом синтеза новых форм на основе гибридизации. Классический пример такого синтеза — получение Г. Д. Карпеченко рафанобрассики — гибрида редьки и капусты с 36 хромосомами (18 от редьки и 18 от капусты). Селекционерами (в СССР — В. Е. Писаревым, Н. В. Цициным, А. И. Державиным, А. Р. Жебраком и др.) аллополиплоиды получены у значительного числа видов растений. Большинство культурных растений, возделываемых человеком, — полиплоиды.П. имела огромное значение в эволюции дикорастущих и культурных растений (полагают, что около трети всех видов растений возникли за счёт П., хотя в некоторых группах, например у хвойных, грибов, это явление наблюдается редко), а также некоторых (преимущественно партеногенетических) групп животных. Доказательством роли П. в эволюции служат т. н. полиплоидные ряды, когда виды одного рода или семейства образуют эуплоидный ряд с увеличением числа хромосом, кратным основному гаплоидному (например, пшеница Triticum monococcum имеет 2n = 14 хромосом, Tr. turgidum и др. — 4n = 28, Tr. aestivum и др. —6n = 42). Полиплоидный ряд видов рода паслён (Solanum) представлен рядом форм с 12, 24, 36, 48, 60, 72 хромосомами. Среди партеногенетически размножающихся животных полиплоидные виды не менее часты, чем среди апомиктических растений (см. Апомиксис, Партеногенез). Советскому учёному Б. Л. Астаурову впервые удалось искусственно получить плодовитую полиплоидную форму (тетраплоид) из гибридов двух видов шелкопряда: Bombyx mori и В. mandarina. На основании этих работ им предложена гипотеза непрямого (через партеногенез и гибридизацию) происхождения раздельнополых полиплоидных видов животных в природе.

Одним из основных свойств  живой клетки является ее способность  к делению. В настоящее время  остается неясным, что ограничивает этот процесс и почему во многих органах, когда они достигают  в процессе развития определенного  объема, процесс деления прекращается. Неясно также, за счет чего деление  клеток возобновляется, например, в  фазе регенерации после резекции части печени. Многие гормоны вместе с тем являются стимуляторами  митотического цикла клетки. В  течение митотического цикла  клетка проходит ряд фаз, в которых  чувствительность к различным воздействиям значительно меняется. Клеточный  цикл в соответствии с современной  моделью делится на следующих  четыре периода: период митоза или фаза «М»; период «S» (период синтеза), в котором  происходит синтез ДНК, РНК и белка; период G1 (от «gap»-интервал) между М  и S, или период покоя клетки, и  период G2 между S и М (премитотический  период).  Продолжительность фазы S обычно составляет около 6-8 часов. Те воздействия, которые обладают способностью вмешиваться в синтез ДНК, оказывают  повреждающее действие в этот период. В конечном итоге митоз может  не наступить или могут возникнуть генетические дефекты, нарушающие жизнеспособность клетки.  Продолжительность фазы G2 в среднем 0,5-1,5 часа. Синтез РНК  и белка продолжается в этой фазе, что, как видно, необходимо для обеспечения  клетки энергией во время митоза. Длительность митоза (фаза М) определяется для тканей млекопитающих в пределах 0,5-2,5 часа. В течение фазы М синтез белка  находится на низком уровне, а синтез РНК ограничен ранней профазой и  поздней гелофазой. Фаза G1 является главной переменной в длительности клеточного цикла.  В дальнейшем был выделен дополнительно период, характеризующий выход из митотического цикла — G0. Так, «дремлющие» опухолевые клетки, не претерпевающие митозов, нередко в течение многих лет находятся в фазе G0, будучи рефрактерными ко многим воздействиям. Но затем они могут вновь включиться в митотический цикл. Поэтому отношение числа пролиферирующих клеток к общему числу клеток популяции получило наименование пролиферативного пула.  Механизм, который переключает клетки на путь синтеза ДНК и митоза, во многих отношениях остается неясным. Однако многие гормоны играют в этом механизме существенную роль. Хотя механизм, поддерживающий постоянный размер популяции нормальных клеток, невыяснен, имеется ряд доказательств, что этот эффект в значительной степени достигается за счет действия так называемых келонов. Если концентрация келонов уменьшается, то митотическая активность возрастает, и, наоборот, показано, что активность келонов некоторых тканей усиливается гормонами, например адреналином.  В этом отношении представляет интерес, что концентрация адреналина уменьшается во время сна, тогда как количество митозов в этот период возрастает.  Секреция гормона роста, напротив, увеличивается в ночные часы, причем существует «ночной пик» его концентрации в крови. Возможно, увеличение концентрации гормона роста в ночные часы имеет отношение к механизму стимуляции митозов.  Суточный ритм секреции глюкокортикоидов также, вероятно, имеет отношение к митотической активности, что несомненно, по крайней мере, для лимфоидной ткани. Наконец, большая группа гормонов — ФСГ, АКТГ, меланотропин, пролактин, тиреотропин, эстрогены, андрогены, эритропоэтин — обладает способностью стимулировать митозы в специализированных тканях-мишенях. Очень важно отметить, что в доброкачественных опухолях, по крайней мере, в некоторых из них, сохраняется циркадный (суточный) митотический ритм. Поэтому было высказано предположение, что уменьшение концентрации келонов или снижение чувствительности клеток к их ингибирующему действию происходит при прогрессии опухоли.  Вместе с тем и некоторые злокачественные опухоли сохраняют чувствительность как к митотическому, так и антимитотическому действию тропных гормонов, что имеет много примеров, относящихся, в частности, к раку молочной железы, эндометрия и щитовидной железы.  Существуют также данные и о других факторах, определяющих митотическую активность, причем гормоны, как видно, участвуют в механизмах регуляции и этих систем поддержания размеров нормальной клеточной популяции. Одной из кардинальных систем ограничения клеточной популяции является контактное торможение клеток, происходящее на уровне клеточных мембран.  Существенное значение в осуществлении контактного торможения имеет концентрация в клеточных (плазматических) мембранах кислых мукополисахаридов, сиаловой кислоты, холестерина, определяющих физико-химический ионный эффект на поверхности клеток, а также уровень цАМФ, цГМФ и кальция.  Так как действие большинства гормонов также осуществляется на уровне клеточных мембран, то нельзя исключить, что некоторые гормоны могут существенно изменять их ионный потенциал, в частности путем регуляции утилизации глюкозы.  Активность лизосомального аппарата также принимает участие в регуляции размеров клеточной популяции, энзиматически разрушая клетки собственной популяции. Роль глюкокортикоидов, которые ингибируют активирующее действие некоторых веществ на лизосомы, например витамина А, хорошо известна. Предполагается, что стимуляция пролиферации в специфических тканях под влиянием эстрогенов и андрогенов также регулируется путем освобождения гидролаз из лизосом.  В опухолевой ткани различные факторы, влияющие на скорость гибели клеток, играют очень существенную роль, в конечном итоге определяя реальную скорость роста опухоли. Так, в частности, показано, что клетки лимфомы Бэркита имеют потенциальное время удвоения (т. е. время удвоения при отсутствии потери клеток), равное 24-48 часам, тогда как удвоение объема опухоли происходит за несколько недель.  Среди ряда факторов, вызывающих гибель клеток, определенное значение имеют и взаимоотношения между опухолью и организмом-хозяином, в значительных пределах регулируемые гормонами. Так, например, при избытке в организме глюкокортикоидов создаются условия для пролиферации опухолевых клеток. Этот эффект обеспечивается различными влияниями, в частности, за счет иммунодепрессивного действия глюкокортикоидов с усилением лизиса лимфоцитов, что приводит к увеличеню пула глюкогенных аминокислот и тем самым возникновению относительной гипергликемии.