65629490 Курс генетики
Документи
Передача спадкової інформації
У соматичних клітинах генетичний матеріал, подвоєний на межі розділу, розподіляється рівномірно і повністю між дочірніми клітинами в процесі мітотичного поділу. Результатом є дві нові клітини (дочки), генетично ідентичні як одна одній, так і клітці (матері), з якої вони походять. Процеси, за допомогою яких клітина копіює генетичний матеріал, розподіляє його порівну і передає дочірнім клітинам у поступовому, точно регульованому порядку, що формує клітинний цикл. Контроль клітинного циклу в кінцевому рахунку вирішує, чи буде клітина продовжувати прогресувати цикл (рости і ділитися), страждатиме від диференціації чи перейде в стан проліферативного спокою. Втрата контролю циклу спричинить аномальний ріст клітин (пухлинні клітини, дефекти розвитку) або призведе до запрограмованої загибелі клітин (апоптозу). Помилки можуть також траплятися в сегрегації хромосом в мітозі, що призведе до хромосомних аномалій. З цих причин знання процесів, що складають клітинний цикл, має особливе значення для розуміння деяких патогенних механізмів, що породжують захворювання.
Клітинний цикл представляє послідовність біохімічних і морфологічних подій, що відбуваються в житті клітини, з моменту формування і до кінця її поділу. Клітинний цикл має два основних періоди: інтерфейс та поділ (рисунок 5.6).
Інтерфейс представляє період між двома послідовними відділами, в якому відбуваються всі дії, характерні для клітини. Найважливішою подією інтерфейсу є синтез ДНК (реплікація), який подвоює кількість генетичного матеріалу (4С). Це відбувається в обмежений період інтерфейсу, який називається фазою S. Завдяки цьому процесу інтерфейс можна розділити на три послідовні стадії: фазу G1 (пресинтетична), фазу S (синтез) і фазу G2 (постсинтетичну або премітотичну).
Клітинний поділ або М ("мітотична") фаза складається з ряду послідовних процесів, за допомогою яких генетичний матеріал (ДНК), розмножений у межі розділу, розподіляється рівномірно і повністю (сегрегація хроматид), утворюючи два окремі ядра, а клітина ділиться на дві дочірні клітини (цитокіни); вони будуть ідентичні осередку, з якого вони походили (див. розділ 1, малюнок 1.1.B). Завдяки реплікації ДНК і поділу забезпечується вірна передача генетичної інформації в послідовності клітинних поколінь.
Тривалість клітинного циклу може сильно варіюватися в різних тканинах через мінливість фази G1, інші фази мають відносно постійну тривалість. Для середньої тривалості 24 годин приблизна тривалість фаз становить: G1 = 10 годин, S = 9 годин, G2 = 4 години, M = 1 година. ЕТАП I ПЕРІОД
ТРИВАЛІСТЬ (години) ПОДІЇ КІЛЬКІСТЬ
ПРИЧИНЕННЯ ДО ЕЛЕКТРОННОГО МІКРОСКОПУ
Інтенсивний синтез РНК iProtein
2C 2n монохроматидні хромосоми
Синтез ДНК та гістону 4С
Синтез білків веретена поділу Синтез фактора, що ініціює мітоз
4C 2n спіралізовані біхроматидні хромосоми
Конденсовані біхроматидні хромосоми (видно під оптичним мікроскопом)
Телофаза 2C 2C Монохроматидні хромосоми
1.1. ФАЗИ ЦІКЛУ МІТОТИЧНИХ КЛІТИН
а. Фаза G1 Фаза G1 (англійською мовою інтервал зазору, зазор, порожній, оскільки її значення не було відомим) представляє стартову фазу клітинного циклу,
для поділу стимульованих клітин (за факторами росту) (табл. 5.1). Кожна хромосома (сильно спіралізована) є монохроматидною, складається з єдиної молекули ДНК. Кількість генетичного матеріалу становить 2С молекули ДНК у вигляді 2n (46) спіралізованих хромосом. У першій частині фази G1 (G1A) відбувається інтенсивний синтез речовин (РНК, білків), необхідних для росту та функціонування клітин. РНК і білки накопичуються до порогової концентрації, яка називається точкою рестрикції "R", після чого клітини переходять у субфазу G1B, кондиціонуючись для входу в S-фазу та поділу (рис. 5.6) .1
За певних умов (відсутність факторів росту, наявність інгібіторів синтезу білка тощо) клітини в підфазі G1A можуть переходити у фазу зниженої метаболічної активності, яка називається фазою G0 або G1Q (від «спокою» - спокій, спокій ), при якому вони залишаються життєздатними і можуть вижити довгий час. Якщо ці обмежувальні умови зникнуть, клітини G0 можуть повернутися до G1, а потім перейти до фази S, оскільки вони зберігають свою здатність ділитися. Фази G1 і G0 - це дві різні фізіологічні смуги клітини.
Деякі клітини в підфазі G1A (під впливом індукторів диференціювання) назавжди залишають клітинний цикл і переходять у фазу G1D, що відповідає диференційованим клітинам; вони більше не діляться і вмирають через певний час.
b. S-фаза S-фаза (англійською мовою "синтез") характеризується синтезом ДНК (досягається напівконсервативною реплікацією) і
синтез гістону (див. розділ 5.A). На цій фазі загальна кількість ДНК (2C) повинна бути повністю відтворена, але лише один раз; спостерігається подвоєння кількості генетичного матеріалу (4С), що є обов’язковою умовою розвитку поділу клітин. Кількість хромосом залишається 46, але кожна хромосома буде двохроматидною, складається з двох однакових хроматид ("сестер"), отже, вона буде містити дві молекули ДНК.
Реплікація ДНК в S-фазі є асинхронною: деякі сегменти ДНК (багаті парами основ GC) реплікуються рано, на початку S-фази, а інші сегменти (багаті парами основ AT) реплікуються пізно, в кінці S-фази. точні о
1 Положення точки зупинки G1 є невизначеним, або близько до фази S, або в середині фази G11
Синтез/реплікацію ДНК можна отримати або за допомогою авторадіографії (з використанням радіоактивного ізотопу, зазвичай тритійованого тимідину Т3Н), або за допомогою бромодезоксиуридину (BrdU), аналога тиміну. Вони будуть включені в нещодавно синтезовану молекулу, позначаючи її радіоактивно в першому випадку або змінюючи її конфігурацію у другому випадку.
Іноді в S-фазі мітотичного клітинного циклу відбувається "рівний обмін генетичним матеріалом між сестринськими хроматидами" (SCE) (Вставка 5.2).
c. Фаза G2 Фаза G2 характеризується синтезом специфічних білків і невеликої кількості ДНК (необхідних у процесі
"виправлення" помилок реплікації). Кожна хромосома є біхроматидіанною (кількість ДНК становить 4С), але деспіралізована. Ближче до кінця фази G2 активується/синтезується "фактор, що ініціює мітоз" (MPF), що викликає конденсацію хроматинових ниток в хромосомах і утворення веретена поділу.
Елегантною демонстрацією існування MPF є явище "передчасної конденсації хромосом", досягнуте шляхом злиття клітини в поділі (метафаза) з клітиною в інтерфейсі (рис. 5.7.); відбувається швидка конденсація міжфазних ниток хроматину, які зазвичай сильно спіралізуються і, отже, невидимі для світлового мікроскопа, а ядерна мембрана розбирається.
За відсутності фактора конденсації клітини зупиняються у фазі G2 і можуть відмовитися від клітинного циклу, утворюючи тетраплоїдні клітини (4n хромосоми); деякі з них стають двоядерними клітинами (наприклад, дорослі кардіоміоцити) (рис. 5.6).
г. Фаза MPhase M відповідає мітотичному поділу і триває близько години. Починається з поділу ядра (мітоз) i
вони закінчуються поділом цитоплазми (цитокінів). Ще раз підкреслимо, що на цьому етапі генетичний матеріал подвоюється в межі розділу (молекули ДНК 4С у 46 біхроматидних хромосомах) сегрегує, тобто він розподіляється рівномірно і повністю між "дочірніми" клітинами (молекули ДНК 2С у 46 монохроматидних хромосомах), які будуть таким чином ідентичний клітці, з якої вони походять. Процес «розподілу» генетичного матеріалу шляхом поділу зазвичай здійснюється з великою точністю, забезпечуючи вірність передачі генетичної інформації в послідовності поколінь клітин. Але він також може страждати від помилок, які породжуватимуть хромосомні аномалії.
1.2. ЕВОЛЮЦІЯ КЛІТИН, ЯКІ ВИходять в результаті ПОДІЛУ Клітини, що утворюються після поділу, можуть еволюціонувати в трьох напрямках: проліферація, диференціація та перехід у спокій.
а) розповсюдження: клітини проходять новий цикл і діляться неодноразово; ці "циклічні клітини" складають проліферативний компартмент
Тіло знаходиться в ембріональних тканинах, гематогенному мозку, базальному шарі епідермісу та ін. б. Диференціація. Клітини назавжди залишають клітинний цикл і перетворюються на спеціалізовані клітини з певними структурами та функціями, які цього не роблять
вони діляться і гинуть через певний час. Наприклад: нейрони, м’язові клітини, гранулоцити, зрілі еритроцити та ін. C Стадія спокою. Деякі клітини (наприклад: стовбурові клітини або су; лімфоцити .a.) Залишають клітинний цикл у фазі G1 і залишаються у фазі G0,
мають нижчу метаболічну активність, але зберігають здатність ділитися. Ці клітини утворюють непроліферативний компартмент. За особливих умов вони реагують на певні подразники зовнішнього середовища (фактори росту, деякі гормони, мітогенні речовини тощо) і можуть знову вступити в цикл ділення. Навчальним прикладом є активація Т-лімфоцитів у периферичній крові під дією фітогемагглютиніну (PHA); вони перетворюються на лімфобласти, молоді клітини, які інтенсивно діляться. Це явище використовується для вивчення хромосом культурами лімфоцитів (див. Розділ 2.D.3).
1.3 КОНТРОЛЬ КЛІТИННОГО ЦИКЛУ. Впорядковане прогресування та нормальний розвиток клітинного циклу здійснюються за допомогою біохімічних реакцій, в яких множинні циклінозалежні кінази (CDK) (1-7) активуються за допомогою фіксації білків, званих циклінами (A-H). Після активації кожен комплекс білка CDK-циклін фосфорилює певні специфічні білки, необхідні для реакцій, що відбуваються на певній стадії циклу. Потім комплекс CDK-циклін може бути інактивований, викликаючи перехід на обличчя