Клеточный цикл

Схематическое изображение клеточного цикла. G1, G0, S, G2 – фазы, I – интерфаза, M – митоза или мейоза Фазы митоза: профаза, Прометафаза, метафаза, анафаза, телофаза. Завершается процесс цитокинез – делением цитоплазмы. Интерфаза значительно длиннее митоз. Клеточный цикл, или Цикл клеточного деления – это серия событий в эукариотической клетке между одним делением клетки и следующим. Таким образом, это процесс, благодаря которому одна клетка (такое как оплодотворенная яйцеклетка) развивается в сложившийся организм, и процесс, благодаря которому восстанавливаются волосы, кожа, клетки крови, а также некоторые внутренние органы. Специализированные формы клеточного деления соответствующие по клеточную дифференциация течение эмбриогенеза и морфогенеза, а также за поддержку стволовых клеток в течение жизни взрослого организма.
Клеточный цикл состоит из четырех фаз: фазы G 1, S-фазы, G 2-фазы (эти три фазы также известны под названием интерфаза) и М-фазы. М-фаза сама по себе состоит из двух тесно связанных процессов: митоза, когда хромосомы клетки распределяются между двумя дочерними клетками, и цитокинез, когда цитоплазма клетки физически разделяется. Клетки, временно прекратили делиться, входят в фазу покоя, так называемую G 0 фазу. В то же время клетки, навсегда прекратили деление за возраста или из-за накопления повреждений в ДНК называются старыми. Некоторые клетки во взрослом организме, такие как паренхимальни клетки печени или почек, входящих в G 0-фазу почти навсегда. Они могут начать деление вновь только по очень специфических обстоятельств, другие типы клеток, такие как клетки эпителия, продолжают делиться на протяжении всей жизни организма.
Молекулярные процессы, происходящие на протяжении клеточного цикла, последовательны. Невозможно «возвращение» клеточного цикла в противоположную сторону. Существует два ключевых классы регуляторных молекул, которые направляют клеточный цикл: это циклины и циклин-зависимые киназы. Л. Хартуелл (Leland H. Hartwell), Р. Хунт (R. Timothy Hunt) и П. Нерз (Paul M. Nurse) получили Нобелевскую Премию в области медицины и физиологии 2001 года за открытие этих центральных молекул в регуляции клеточного цикла.
Хотя различные стадии интерфазы не всегда можно различить по морфологии клетки, каждая фаза отличается от других набором биохимических реакций, которые готовят клетку к делению. Термин «пост-митотический» порой употребляют как для клеток в стадии покоя, так и для старых клеток. Клетки многоклеточных эукариот, когда не делятся, обычно находятся в покое, в фазе G 0, в которую попали из фазы G 1, и могут оставаться в покое достаточно долгое время, даже неопределенно долгое (как в основном это происходит с нейронами). Это довольно обычная картина для клеток, окончательно дифференцийовани. Клеточное же старение – это ответ на повреждение ДНК или деградацию, что делает потомков клетки нежизнеспособными. Это просто биохимическая альтернатива саморазрушению поврежденной клетки – апоптоза.
Циклины и циклин-зависимые киназы, Cyclins and cyclin-dependent kinases (CDKs), это два класса молекул, необходимых для регуляции клеточного цикла. Циклины формируют регуляторную субчастину, а киназы – каталитическую субчастину активированного гетеродимеру. Циклины не имеют ферментативной активности сами по себе, тогда как циклин-зависимые киназы не могут быть активными без взаимодействия с циклины. В состоянии гетеродимеру с циклины циклин-зависимые киназы катализируют обычную биохимическую реакцию – фосфорилирования. Обычно остаток фосфорной кислоты отщепляется от молекулы АТФ (гамма-фосфат в данном случае) и переносится на белок-мишень, что приводит к активации или дезактивации этой мишени. Благодаря этому направляется прехид клетки к следующей фазе клеточного цикла.
Большинство из тех генов, кодирующих циклины и циклин-зависимые киназы, являются консервативными во всех эукариот. Однако, как правило, в более сложного организма и система регуляции клеточного цикла является сложной. Большинство генов, связанных с клеточным циклом, была изучена на дрожжах, особенно на Saccharomyces cerevisiae. Номенклатура генов в этих организмов складывалась таким образом: к cdc (т.е. цикл клеточного деления, «cell division cycle"), добавляли некоторое идентификационный номер. Например, cdc25. Таким образом, одна и та же молекула может быть представлена в виде гомологов в достаточно разных организмах. При этом, некоторые организмы могут употреблять одну и ту же молекулу для разных целей, могут комбинировать различные функции в одной молекуле.
После получения про-митотического сигнала извне (екстраклитинний сигнал) G 1 комплекс циклин – циклин-зависимая киназа активируется и готовит клетку к S-фазы, обеспечивая экспрессию транскрипционных факторов, которые, в свою очередь, обеспечивают экспрессию циклинов S-фазы и белков, необходимых для репликации ДНК. G 1 комплекс циклин – циклин-зависимая киназа также обеспечивает деградацию белков – ингибиторов перехода к S-фазы путем убиквитинизации. Белки, после присоединения к ним молекул убиквитина, становятся мишенью для протеасома – комплекса белков, обеспечивающий протеолитическую деградацию, или протеолиз. Активированный комплекс циклин – циклин-зависимая киназа также нефосфорилирующие белки, из которых состоит пре-репликационный комплекс G 1-фазы на ориджинах репликации ДНК, т.е. на тех местах ДНК, с которых, собственно, и начинается процесс репликации. Фосфорилирования здесь имеет две цели: первое – это превратить неактивный пре-репликационный комплекс на активный, и второе – это предотвратить формирование новых пре-репликационный комплексов. Благодаря этому каждая часть генома клетки будет реплицировать (дубликована тем большую) один и только один раз. Последнее очень важно для будущих поколений клеток. Конечно, дочерние клетки, в которых не будет части генома, скорее всего, умрут. Но и мутации, вызванные более чем одним разделением какой части генома, скорее, будут вредными.
Митотическую комплексы циклин – циклин-зависимая киназа, которые были синтезированы в течение S-фазы и G 2-фазы, но находились в неактивированной состоянии до собственно стадии митоза, обеспечивают инициацию митоза, стимулируя белки, отвечающие за конденсации хромосом и формирование митотического веретена. Важным белковым комплексом, который активируется в настоящее время, является убиквитин-лигаза, известная как комплекс, обеспечивающий анафазу (анафаза – одна из стадий митоза). Эта убиквитин-лигаза обеспечивает, в свою очередь, деградацию структурных белков, связанных с хромосомным кинетохором. Этот убиквитин-лигазную комплекс также обеспечивает деградацию митотических циклинов, и, таким образом, переход к телофазы митоза и цитокинез.