Клеточный цикл

Содержание Введ ение 1. Клеточный цикл: периоды 2. Клеточный ц икл: фазы 3. Циклины и циклин-за висимые киназы 4. Циклины: об щие сведения 5. Деление эук ариотической клетки: начало 6. Фаза S клеточного ци кла: синтез ДНК 7. Митоз 8. Фаза G0 клеточного ци кла 9. Клеточный цикл: инг ибиторы 10. Клеточный цикл: рег уляция перехода от G1- к S-фазе и регуляция перехода от G2 к фазе M Заключение Библиографический список Введ ение Природа клеточного цикла прояснилась в результате изучения мутантных клеток, растущих и делящихся при низких температурах (34 градуса С для клеток млекопитающих , 23 градуса С для клеток дрожжей). У таких температурочувствительных мутан тов обычно имеется один измененный белок, который функционирует только при низкой температуре. И у большинства таких мутантов рост нарушается в скоре после повышения температуры. Однако некоторые мутанты перестают расти лишь тогда, когда клетка достигает определенной стадии цикла, напр имер, начала синтеза ДНК, деления ядра или цитокинеза. Мутанты по клеточн ому циклу лучше всего изучены у пекарских дрожжей (Saccharomyces cerevisiae: у них выделены мутанты по более чем 35 различным генам цикла клеточного деления (cell division cycle, cdc). На этих мутантах исследовали взаимосвязь между функциями определенных белков и клеточным циклом. Согласно определения свободной энциклопедии 2008 года, клеточный цикл – э то согласованная однонаправленная последовательность событий, в ходе которой клетка последовательно проходит его разные периоды без их проп уска или возврата к предыдущим стадиям. Клеточный цикл заканчивается де лением исходной клетки на две дочерние клетки. Целью данного реферативного исследования является раскрытие принципо в клеточного цикла, особенностей и его значение. 1. Клеточный ци кл, периоды Клеточный цикл включает строго детер минированный ряд последовательных процессов, согласно позиции Hartwellа, 1995. Кл етка должна между двумя последовательными делениями удвоить все свои к омпоненты и свою массу. Таким образом клеточный цикл составляют два пери ода: 1) период клеточного роста , называемый " интерфаза ", и 2) период клеточного деления , называемый " фаза М " (от слова mitosis). В свою очередь , в каждом периоде выделяют несколько фаз (рис.3 ) . Обычно интерфаза занимает не меньше 90% времени всего клеточного цикла. На пример, у быстро делящихся клеток высших эукариот последовательные дел ения происходят один раз в 16-24 часа, и каждая фаза М длится 1-2 часа. Большая часть компонентов клетки синтезируется на протяжении все й интерфазы, это затрудняет выделение в ней отдельных стадий по мнению Pardee, 1989. В интерфазе выделяют фазу G1, фазу S и фазу G2. Период интер фазы, когда происходит репликация ДНК клеточного ядра , бы л назван " фаза S " (от слова synthesis). Период между фазой М и началом фазы S обозначе н как фаза G1 (от слова gap - промежуток), а период между концом фазы S и последующ ей фазой М - как фаза G2. Период клеточного деления ( фаза М ) включает д ве стадии: митоз (деление клеточного ядра) и цитокинез (деление цитоплазм ы). В свою очередь, митоз делится на пять стадий ( рис. 3), In vivo эти шесть стадий образуют динамическую последовательность. Описание клеточного деления базируется на данных свето вой микроскопии в сочетании с микрокиносъемкой и на результатах светов ой и электронной микроскопии фиксированных и окрашенных клеток. Повторяющаяся совокупность событий, о беспечивающих деление эукариотических клеток, получила название клето чного цикла. Продолжительность клеточного цикла зависит от типа делящи хся клеток. Некоторые клетки, например, нейроны человека, после достижен ия стадии терминальной дифференцировки прекращают свое деление вообще . Клетки легких, почек или печени во взрослом организме начинают делитьс я лишь в ответ на повреждение соответствующих органов. Клетки эпителия к ишечника делятся на протяжении всей жизни человека. Даже у быстро пролиф ерирующих клеток подготовка к делению занимает около 24 ч. Клеточ ный цикл разделяют на стадии : Митоз - М-фаза, деление клеточного ядра . G1 -фаза период перед синтезом ДНК. S-фаза - период синтеза (репликации ДНК). G2-ф аза - период между синтезом ДНК и митозом. Интерфаза - период, включающий в себя G1 -, S- и G2-фазы. Цитокинез - деление цитоплазмы. Точка рестрикции, R-point - время в клеточном цикле, когда продвижение клетки к делению становится необра тимым. G0 фаза - состояние клеток, достигших монослоя или лишенных фактора роста в ранней G1 фазе. Делению клетки (митозу или мейозу) предшествует удвоение хромосом, котор ое происходит в периоде S клеточного цикла (рис.1 ) . Пе риод обозначают первой буквой слова synthesis - синтез ДНК. С момента окончания п ериода S до завершения метафазы ядро содержит в четыре ра за больше ДНК, чем ядро сперматозоида или яйцеклетки, а каждая хромосома состоит из двух идентичных сестринских хроматид. Во время митоза хромос омы конденсируются и в конце профазы или начале метафазы становятся раз личимыми при оптической микроскопии. Для цитогенетического анализа об ычно используют препараты именно метафазных хромосом. В начале анафазы центромеры гомологи чных хромосом разъединяются, и хроматиды расходятся к противоположным полюсам митотического веретена. После того как к полюсам отойдут полные наборы хроматид (с этого момента их называют хромосомами), вокруг каждог о из них образуется ядерная оболочка, формируя ядра двух дочерних клеток (разрушение ядерной оболочки материнской клетки произошло в конце проф азы ) . Дочерние клетки вступают в период G1 , и только при подготовке к следующему д елению они переходят в период S и в них происходит репликация ДНК. Клетки со специализированными фу нкциями, длительное время не вступающие в митоз или вообще утратившие сп особность к делению, находятся в состоянии, называемом периодом G0. Больши нство клеток в организме диплоидные - то есть имеют два гаплоидных набор а хромосом (гаплоидный набор - это число хромосом в гаметах, у человека он составляет 23 хромосомы, а диплоидный набор хромосом - 46). В гонадах предшест венники половых клеток сначала претерпевают ряд митотических делений, а затем вступают в мейоз - процесс образования гамет, состоящий из двух по следовательных делений. В мейозе гомологичные хромосомы спариваются (о тцовская 1-я хромосома с материнской 1-й хромосомой и т. д.), после чего в ходе так называемого кроссинговера происходит рекомбинация, то есть обмен у частками между отцовской и материнской хромосомами. В результате качес твенно изменяется генетический состав каждой из хромосом. В первом делении мейоза расходятся гомологичные хромосомы (а не сестрин ские хроматиды, как в митозе ) , вследствие чего образуются клетки с г аплоидным набором хромосом, каждая из которых содержит по 22 удвоенные ау тосомы и одной удвоенной половой хромосоме. Между первым и вторым делени ями мейоза нет периода S (рис.2 , справа), а в дочерние клетки во втором д елении расходятся сестринские хроматиды. В итоге образуются клетки с га плоидным набором хромосом, в которых вдвое меньше ДНК, чем в диплоидных с оматических клетках в периоде G1, и в 4 раза меньше - чем в соматических клетк ах по окончании периода S. При оплодотворении число хромосом и содержание ДНК у зиготы становится таким же, как в соматической клетке в периоде G1. Период S в зиготе открывает путь к регулярному делению, характерному для соматических клеток. 2. Клеточный ци кл: фазы Клеточный цикл эукариот разделяют на четыре фазы. В стадии непосредственного деления клеток (митоза) конденси рованные метафазные хромосомы поровну распределяются между дочерними клетками (M-фаза клеточного цикла - mitosis ) . Митоз был первой идентифицированной фазой клеточного цикла, а все остальные события, происходящие в клетке м ежду двумя митозами, были названы интерфазой . Развитие иссл едований на молекулярном уровне позволило выделить в интерфазе стадию синтеза ДНК, получившую название S-фазы (synthesis) . Эти две ключе вые стадии клеточного цикла не переходят непосредственно одна в другую. После окончания митоза до начала синтеза ДНК имеет место G1-фаза клеточно го цикла (gap) , кажущаяся пауза в активности клетки, во время ко торой внутриклеточные синтетические процессы подготавливают реплика цию генетического материала. Второй перерыв в видимой активности (фаза G2 ) наблюдается п осле окончания синтеза ДНК перед началом митоза. В фазе G2 клетка осуществ ляет контроль за точностью произошедшей редупликации ДНК и исправляет обнаруженные сбои. В ряде случаев выделяют пятую фазу клеточного цикла (G0 ) , ког да после завершения деления клетка не вступает в следующий клеточный ци кл и длительное время остается в состоянии покоя. Из этого состояния она может быть выведена внешними стимулирующими (митогенными) воздействия ми. Фазы клеточного цикла не имеют четких временных и функциональных гра ниц, однако при переходе от одной фазы к другой происходит упорядоченное переключение синтетических процессов, позволяющее на молекулярном ур овне дифференцировать эти внутриклеточные события. 3. Циклины и цик лин-зависимые киназы Клетки вступают в клеточный цикл и осу ществляют синтез ДНК в ответ на внешние митогенные стимулы. Лимфокины (н апример, интерлейкины ) , цитокины (в частности интерфероны ) и полипептидн ые факторы роста, взаимодействуя со своими рецепторами на поверхности к леток, индуцируют каскад реакций фосфорилирования внутриклеточных бел ков, сопровождающихся передачей сигнала от поверхности клеток к ядру и и ндукцией транскрипции соответствующих генов. Одними из первых активир уются гены, кодирующие белки циклины , получившие свое название от того, что и х внутриклеточная концентрация периодически изменяется по мере прохож дения клеток через клеточный цикл, достигая максимума на его определенн ых стадиях. Циклины являются специфическими активаторами семейства ци клин-зависимых протеинкиназ (CDK) (CDK - cyclin-dependent kinases) - ключевых участников индукции т ранскрипции генов, контролирующих клеточный цикл. Активация индивидуа льной CDK происходит после ее взаимодействия со специфическим циклином, и образование этого комплекса становится возможным после достижения цик лином критической концентрации. В ответ на уменьшение внутриклеточной концентрации конкретного циклина происходит обратимая инактивация со ответствующей CDK. Некоторые CDK активируются более чем одним циклином. В это м случае группа циклинов, как бы передавая протеинкиназы друг другу, под держивает их в активированном состоянии длительное время. Такие волны а ктивации CDK возникают на протяжении G1- и S - фаз клеточного цикла. 4. Циклины: общие сведения Каждый тип циклинов, обозначенных от A до H, имеет гомологичный участок (150 аминокислотных остатков, называемый " ц иклиновый бокс " ( Hunt T., 1991 ) . Этот участок отвечает за связывание с CDK ( Kobayashi H. et al., 1992 ; Lees E.M., Harlow E., 1993 ) .В семействе циклинов (циклин A - циклин J) известны 14 белков. Некоторые члены семейства составляют подсемейства. Например, по дсемейство циклинов D-типа состоит из трех членов: D1, D2 и D3.Циклины делят на д ва подсемейства: G1-циклины (C , D и E) и митотические циклины (A и B). Циклины относ ятся к быстро обменивающимся белкам с коротким временем полужизни, кото рое составляет у циклинов D-типа 15-20 мин. Это обеспечивает динамизм их компл ексов с циклинзависимыми киназами . За внутриклеточную деградацию циклин ов отвечает N-концевая последовательность аминокислотных остатков, наз ванная боксом деструкции (destruction box) . При прохождении клеток через клеточный цикл вслед за активацией отдельных CDK по мере необходимости происходит их ина ктивация. В последнем случае имеет место протеолитическая деградация ц иклина, находящегося в комплексе с CDK, которая начинающается с бокса дестр укции. Сами по себе циклины не могут полностью активировать соответствующие CDK. Для завершения процесса активации должно произойти специфическое фосф орилирование и дефосфорилирование определенных остатков аминокислот в полипептидных цепях этих протеинкиназ. Большую часть таких реакций ос уществляет киназа, активирующая CDK (CAK - CDK activating kinase) , которая предс тавляет собой комплекс CDK7 с циклином H. Таким образом, CDK становятся способными выполнять свои функции в клеточн ом цикле лишь после их взаимодействия с соответствующими циклинами и ос уществления посттрансляционных модификаций под действием CAK и других ан алогичных белков-регуляторов клеточного цикла. 5. Деление эука риотической клетки: начало В ответ на митогенный стимул клетка, на ходящаяся в фазе G0 или ранней G1 , начинает свое прохождение через клеточный ц икл. В результате индукции экспрессии генов циклинов D и E , которые обычн о объединяют в группу циклинов G1 , происходит увеличение их внутриклеточно й концентрации. Циклины D1, D2 и D3 образуют комплекс с киназами CDK4 и CDK6 . В отличие от ц иклина D1 два последних циклина, кроме того, объединяются с CDK2 . Функциональн ые различия между этими тремя циклинами неизвестны, однако имеющиеся да нные указывают на достижение ими критических концентраций при разных с тадиях развития фазы G1. Эти различия специфичны в отношении типа пролифе рирующих клеток. Активация CDK2/4/6 приводит к фосфорилированию белка RB (продукта гена ретиноб ластомы pRb ) и ассоциированных с ним белков p107 и p130 . В начале фазы G1 белок pRb фосфорилирован слабо, что позволяет ему находиться в комплексе с фактором транскрипции E2F , играющим ключевую роль в индукции синтеза ДНК, и блокировать его активность. Полностью фосфорилированная форма pRb освобо ждает E2F из комплекса, что приводит к активации транскрипции генов, контро лирующих репликацию ДНК. Концентрация D-циклинов возрастает на протяжении фазы G1 клеточного цикл а и достигает максимума значений непосредственно перед началом S-фазы, п осле чего начинает уменьшаться. Однако в это время pRb еще фосфорилирован н е полностью, и фактор E2F остается в комплексе в неактивном состоянии. Фосф орилирование pRb завершается под действием CDK2, активированной циклином E. Вн утриклеточная концентрация последнего становится максимальной в моме нт перехода клеточного цикла от фазы G1 к S-фазе. Таким образом, комплекс цик лин E-CDK2 как бы принимает эстафету от комплексов циклина D с CDK4 и CDK6 и завершает фосфорилирование pRb, сопровождающееся освобождением активного фактора транскрипции E2F. В результате начинается синтез ДНК, то есть клетка вступа ет в S -фазу клеточного цикла. 6. S фаза клеточного цикла: синтез ДНК Период интерфазы , когда происхо дит репликация ДНК клеточного ядра, был назван "фаза S ". Делению клетки (мит озу или мейозу) предшествует удвоение хромосом, которое происходит в пер иоде S клеточного цикла (рис.4 ) . Период обозначают первой буквой слова synthesis - синте з ДНК. После вступления клетки в S-фазу происходит быстрая деградация цик лина E и активация CDK2 циклином A . Циклин E начинает синтезироваться в конце фаз ы G1 и его взаимодействие с CDK2 является необходимым условием для вступлени я клетки в S-фазу и продолжения синтеза ДНК. Этот комплекс активирует синт ез ДНК через фосфорилирование белков в областях начала репликации. Сигн алом к завершению S-фазы и переходу клетки к фазе G2 является активация цик лином A другой киназы CDK1 с одновременным прекращением активации CDK2. Задерж ка между окончанием синтеза ДНК и началом митоза (фаза G2) используется кле ткой для контроля полноты и точности произошедшей репликации хромосом. Последовательность событий в этот период точно не известна. При стимуля ции факторами роста клеток млекопитающих, находящихся в состоянии прол иферативного покоя , циклины D -типа появляются раньше, чем циклин E. мРН К и белок циклина D1 впервые появляются через 6-8 часов, после чего уровень D1 о стается повышенным до конца клеточного цикла ( Matsushime H. et al., 1991 ; Won K.A. et al., 1992 ) . Когда из среды убирают ростовые факторы, уровень циклинов D-типа стремит ельно падает, так как D-циклины и их РНК нестабильны. Циклин D1 ассоциируетс я с CDK4 непосредственно перед началом синтеза ДНК. Уровень содержания комп лекса достигает пика в ранней S-фазе, прежде чем снизиться в поздней S и в G2-ф азе ( Matsushime H. et al., 1992 ) . По-видимому, циклины D2 и D3 действуют в G1-периоде нес колько позже, чем циклин D1. Гиперэкспрессия циклинов D-типа (пятикратная п о отношению к нормальной) при снижении потребности клеток в факторах рос та и укорочении G1-фазы ( Quelle D.E. et al., 1993 ) приводит к уменьшению размеров клетки. Цикли н E необходим клеткам для вступления в S-фазу . Он связываетс я преимущественно с CDK2 , хотя может образовывать комплекс и с CDK1 (Koff A. et al, 1991 ; Dulic V., et al., 1992). Уровень мРНК и белка циклина E, а также активность комплекса циклин-E-CDK2 дос тигают максимума при переходе G1-S и резко снижаются, когда клетки проходят среднюю и позднюю S-фазы ( Dulic V. et al., 1992 ) . При микроинъекции антител к циклину E в клетк и млекопитающих в них происходит подавление синтеза ДНК. При гиперэкспр ессии циклина E клетки быстрее проходят G1-фазу и вступают в S, и таким клетка м требуется меньшее количество факторов роста ( Ohtsubo M., Roberts J.M., 1993 ) . 7. Митоз: инициация Сигнал к началу деления клетки (митоза ) исходит от фактора MPF (M phase promoting factor) , стимулирующего M-фазу клеточного цикла. MPF пред ставляет собой комплекс киназы CDK1 с активирующими ее циклинами A или B. Види мо, комплекс CDK1-циклин A играет более важную роль в завершении S- фазы и подго товке клетки к делению, тогда как комплекс CDK1- циклин B преимущественно осу ществляет контроль последовательности. Циклины B1 и B2 присутствуют в очен ь малых концентрациях в фазе G1 . Их концентрация начинает увеличиваться в ко нце S- и на протяжении G2-фаз , достигая своего максимума во время митоза, что п риводит к замещению ими циклина A в комплексе с CDK1 . Однако этого оказывается недостаточным для полной активации протеинкиназы. Функцио нальная компетентность CDK1 достигается после серии ее фосфорилирований и дефосфорилирований по специфическим остаткам аминокислот. Такой кон троль необходим для предотвращения вступления клеток в митоз до полног о завершения синтеза ДНК. Деление клетки начинается только после того, как CDK1, находящаяся в компле ксе с циклином B, фосфорилируется по остаткам Thr-14 и Tyr-16 протеинкиназой WEE1 , а также по остатку Thr-161 протеинкиназой CAK и затем дефосфорилируется по остаткам Thr-14 и Tyr-15 фосфатазой CDC25. Активированная таким образом CDK1 фосфорилирует в ядре стр уктурные белки, в том числе нуклеолин , ядерные ламины и виментин . После этого я дро начинает проходить через цитологически хорошо различимые стадии м итоза. Первая стадия митоза - профаза - начинается после того, как CDK1 полностью фос форилируется, за ней следуют метафаза , анафаза и телофаза , завершающиес я делением клетки - цитокинезом . Следствием этих процессов является прави льное распределение реплицированных хромосом, ядерных и цитоплазматич еских белков, а также других высокомолекулярных и низкомолекулярных со единений в дочерние клетки. После завершения цитокинеза происходит раз рушение циклина B , сопровождаемое инактивацией CDK1, что приводит к вс туплению клетки в фазу G1 или G 0 клеточног о цикла. 8. Фаза G0 клеточного цикла Клетки некоторых типов на определенн ых стадиях дифференцировки могут прекращать свое деление, полностью со храняя свою жизнеспособность. Такое состояние клеток получило названи е фазы G0. Клетки, достигшие состояния терминальной дифференцировки, уже н е могут выйти из этой фазы. В то же время клетки, для которых характерна чр езвычайно низкая способность к делению, например, гепатоциты, могут снов а вступать в клеточный цикл после удаления части печени. Переход клеток в состояние покоя становится возможным благодаря функц ионированию высокоспецифических ингибиторов клеточного цикла . При участи и этих белков клетки могут прекращать пролиферацию в неблагоприятных у словиях окружающей среды, при повреждении ДНК или появлении грубых ошиб ок ее репликации. Такие паузы используются клетками для репарации возни кших повреждений. При некоторых внешних условиях клеточный цикл может п риостановится в точках рестрикции (Hartwell L., 1995). В этих точках клетки становятс я коммитированными к вступлению в S-фазу и/или в митоз. Клетки позвоночных в стандартной культуральной среде, лишенной сыворотки , в большинстве случаев не вступают в S-фазу , хотя среда содержит все необходимые питательны е вещества. При достижении сомкнутого монослоя клетки, способные к контактному тор можению , выходят из клеточного цикла даже в присутствии с ыворотки крови . Клетки, которые вышли из митотического цикла на неопределенное время, сохраняя жизнеспособность и пролиферативный пот енциал, называют покоящимися клетками (Епифанова О.И. и др., 1983). Это называет ся переходом в состояние пролиферативного покоя или в G0-фазу. В 90-х гг. не прекращались дискуссии, можно ли состояние пролиферативного п окоя определить как фазу, принципиально отличную от G1. По-видимому это дей ствительно так. В ядрах клеток, находящихся в пролиферативном покое, так же как и в клетках, находящихся в G1-фазе , как правило содержится неудвоенное ко личество ДНК. Однако между клетками в этих двух состояниях имеются сущес твенные различия. Известно, что продолжительность G1-фазы у делящихся кле ток значительно короче, чем время перехода G0-S. В многочисленных работах п о слиянию покоящихся и пролиферирующих клеток и по микроинъекции мРНК п оказано, что клетки в G0-фазе содержат ингибиторы пролиферации , препятствующ ие вступлению в S-фазу. Эти факты предполагают, что клетка должна осуществлять специальную про грамму для выхода из G0. Необходимо отметить также, что в покоящихся клетка х не экспрессируются CDK2 и CDK4 , а также циклины D - и E-типов . Их синтез инд уцируется только факторами роста (Lodish H. et al., 1995 ) . В постоянно ц иклирующих клетках уровень D- и E-циклинов остается высоким на протяжении всего цикла, и продолжительность G1-периода по сравнению с пререпликатив ным периодом уменьшается. Таким образом, в клетках, находящихся в G0-фазе, отсутствуют белки, разреша ющие проход через точки рестрикции и позволяющие вступать в S-фазу. Для пе рехода покоящихся клеток в S-фазу факторы роста должны индуцировать в ни х синтез этих белков (Lodish H. et al., 1995). Ген E7 HPV "высокого риска": влияние на клеточный ц икл. 9. Клеточный цикл: ингибиторы В клеточном цикле имеются две основны е стадии (точки перехода, контрольные точки R - restriction points ) , на которых мо гут быть реализованы негативные регуляторные воздействия , останавливаю щие продвижение клеток через клеточный цикл. Одна из этих стадий контрол ирует переход клетки к синтезу ДНК, а другая - начало митоза. Имеются и дру гие регулируемые этапы клеточного цикла. Переход клеток от одной фазы кл еточного цикла к другой контролируется на уровне активации CDK их циклина ми с участием ингибиторов циклинзависимых киназ CKI . По мере необх одимости эти ингибиторы могут активироваться и блокировать взаимодейс твие CDK со своими циклинами, а следовательно, и клеточный цикл как таковой. После изменения внешних или внутренних условий клетка может продолжит ь пролиферацию или вступить на путь апоптоза . Имеется две группы CKI: белки семейств p21 и INK4 (inhibitor of CDK4) , члены которых внутри семейств обладают похожими структурными свойствами. Семейство ингибиторов p21 включает в себя три белка: p21 , p27 и p57 . Поскольку эти белки были описаны независимо несколькими группами, до сих пор использу ются их альтернативные названия. Так , белок p21 известен также под име нами WAF1 (wild-type p53 activated fragment 1) , CIP1 (CDK2 interacting protein 1) , SDI1 (senescent derived inhibitor 1) и mda-6 (melanoma differentiation associated gene) . Син онимами p27 и p57 являются соответственно KIP1 (kinase inhibiting proteins 1) и KIP2 (kinase inhibiting proteins 2) . Все эти белки обладают широкой специфичностью д ействия и могут ингибировать различные CDK. В отличие от этого группа ингиб иторов INK4 более специфична. В нее входят четыре белка: p15INK4B, p16INK4A , p18INK4C и p19INK4D . Ингибитор ы семейства INK4 функционируют во время фазы G1 клеточного цикла, подавляя ак тивность киназы CDK4 , однако второй белковый продукт гена INK4A - p19ARF , взаимодей ствует с регуляторным фактором MDM2 белка p53 и инактивирует фактор. Это сопро вождается увеличением стабильности белка p53 и остановкой клеточного цикла. 10. Клеточный цикл: регуляция перехода от G1- к S-фазе До начала клеточного цикла белок p27 , находя сь в высокой концентрации, предотвращает активацию протеинкиназ CDK4 или CDK6 циклинами D1, D2 или D3 . В таких условиях клетка остается в фазе G0 или ранн ей фазе G1 до получения митогенного стимула. После адекватной стимуляции происходит уменьшение концентрации ингибитора p27 на фоне возрастания вн утриклеточного содержания циклинов D. Это сопровождается активацией CDK и, в конечном счете, фосфорилированием белка pRb , освобождение м связанного с ним фактора транскрипции E2F и активацией транскрипции соо тветствующих генов. На этих ранних стадиях фазы G1 клеточного цикла концентрация белка p27 все е ще остается довольно высокой. Поэтому после прекращения митогенной сти муляции клеток содержание этого белка быстро восстанавливается до кри тического 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, называ емой точкой перехода , после прохождения которой клетка становится ко ммитированной к делению, и удаление факторов роста из окружающей среды н е сопровождается ингибированием клеточного цикла. Хотя с этого момента клетки становятся независимыми от внешних сигналов к делению, они сохра няют способность к самоконтролю клеточного цикла. Ингибиторы CDK семейства INK4 ( p15 , p16 , p18 и p19 ) специфически взаимодействуют с киназами CDK4 и CDK6 . Бел ки p15 и p16 идентифицированы как супрессоры опухолевого роста, и их синтез ре гулируется белком pRb . Все четыре белка блокируют активацию CDK4 и CDK6, либо о слабляя их взаимодействие с циклинами, либо вытесняя их из комплекса. Хо тя оба белка p16 и p27 обладают способностью ингибировать активность CDK4 и CDK6, пе рвый имеет большее сродство к этим протеинкиназам. Если концентрация p16 п овышается до уровня, при котором он полностью подавляет активность кина з CDK4/6, белок p27 становится основным ингибитором киназы CDK2 . 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, бел ок p53 индуцирует транскрипцию гена белка p21 . Повышение его внутриклеточной концентрации блокирует активацию CDK2 циклинами E или A . Это останавливает клетки в поздней фазе G1 или ранней S-фазе клеточного цикла. В это время клетка сама определяет свою дальнейшую судьбу - если поврежд ения не могут быть устранены, она вступает в апоптоз. Существуют две разнонаправленные системы регуляции G1/S - перехода: положи тельная и отрицательная ( O`Connor D.J., Lam E., ea., 1995 ) . Система положительно регулирующая вход в S-фазу, включает гетеродимер E2F-1/DP-1 и активирующие его циклин-киназные комп лексы. Другая система тормозит вход в S-фазу. Она представлена опухолевым и супрессорами р53 и pRB, которые подавляют активность гетеродимеров E2F-1/DP-1. Нор мальная пролиферация клеток зависит от точного баланса между этими сис темами . Соотношение между этими системами может изменя ться, приводя к изменению скор ости про лиферации клеток. Ответ клетки на повреждения ДНК может наступить перед началом митоза. То гда белок p53 индуцирует синтез ингибитора p21 , который предо твращает активацию киназы CDK1 циклином B и задерживает дальнейшее развити е клеточного цикла. Прохождение клетки через митоз жестко контролирует ся - последующие стадии не начинаются без полного завершения предыдущих . Некоторые из ингибиторов были идентифицированы у дрожжей, но их гомоло ги у животных пока остаются неизвестными. Например, описаны белки дрожже й BUB1 (budding uninhibited by benomyl) и MAD2 (mitotic arrest deficient) , которые контролируют присоединение конденсиро ванных хромосом к митотическому веретену в метафазе митоза . До завершения правильной сборки этих комплексов белок MAD2 образует комплекс с протеинк иназой CDC20 и инактивирует ее. CDC20 после активации фосфорилирует белки и в рез ультате блокирует те их функции, которые препятствуют расхождению кажд ой из двух гомологичных хроматид во время цитокинеза . Сверочная (контрольная) точка рестри кции в G2-фазе Повреждения ДНК и другие нарушения вызыва ют остановку клеток не только в G1- и S-, но и в G2-фазе клеточного цикла. При этом выявляются повреждения, пропущенные при прохождении предыдущих свероч ных точек либо полученные на последующих стадиях клеточного цикла. Кром е того, в G2-фазе детектируется полнота репликации ДНК и клетки, в которых Д НК недореплицирована, не входят в митоз [ Taylor, ea 1999 ]. Закл ючение Данное реферативное исследование пос вящалось рассмотрению особенностей клеточного цикла. Цель работы дост игнута. Работа выполнена полностью. В заключение подведем итоги: 1. Клеточный цикл – согласованная однонаправленн ая последовательность событий, в ходе которой клетка последовательно п роходит его разные периоды без их пропуска или возврата к предыдущим ста диям. Клеточный цикл заканчивается делением исходной клетки на две доче рние клетки. 2. Длительность клето чного цикла у разных клеток варьирует. У быстро размножающихся клеток вз рослых организмов таких как кроветворные или базальные клетки эпидерм иса и тонкой кишки могут входить в клеточный цикл каждые 12-36 ч. Короткие кле точные циклы около 30 мин наблюдаются при быстром дроблении яиц иглокожи х и земноводных. В экспериментальных условиях короткий клеточный цикл 20 ч имеют многие линии клеточных культур. У большинства клеток длительнос ть периода между митозами составляет примерно 10-24 ч. 3. Клеточный цикл эука риот состоит из интерфазы, во время которой идет синтез ДНК и белков и осу ществляется подготовка к делению клетки и собственно само деление клет ки, митоз. Интерфаза состоит из нескольких периодов: G1-фазы начального рос та, во время которой идет синтез мРНК, белков, других клеточных компонент ов, S-фазы (синтетической фазы), во время которой идет удвоение молекул ДНК и G2-фазы во время которой идет подготовка к митозу. У дифференцировавшихс я клеток, которые более не делятся в жизненном цикле может отсутствовать G1 фаза. Такие клетки находятся в фазе покоя G0. 4. Закономерная после довательность смены периодов клеточного цикла осуществляется при взаи модействии таких белков, как циклин-зависимые киназы и циклины. Клетки, н аходящиеся в G0 фазе могут вступать в клеточный цикл при действии на них го рмонов роста. Разные факторы роста, такие как тромбоцитарный, эпидермаль ный, фактор роста нервов связываясь со своими рецепторами запускают вну триклеточный сигнальный каскад, приводящий в итоге к транскрипции гено в циклинов и циклин-зависимых киназ. 5. Для определения зав ершения каждой фазы клеточного цикла необходимо наличие в нем контроль ных точек. Если клетка «проходит» контрольную точку то она продолжается «двигаться» по клеточному циклу. Если же какие-либо обстоятельства, напр имер повреждение ДНК, мешают клетке пройти через контрольную точку, кото рую можно сравнить со своего рода контрольным пунктом, то клетка останав ливается и другой фазы клеточного цикла не наступает по крайней мере до тех пор, пока не будут устранены препятствия, не позволявшие клетке прой ти через контрольный пункт. Существует как минимум четыре контрольных т очки клеточного цикла: точка в G1 где проверяется интактность ДНК, перед вх ождением в S-фазу, сверочная точка в S-фазе, в которой проверяется правильн ость репликации ДНК, сверочная точка в G2, в которой проверяются поврежден ия, пропущенные при прохождении предыдущих сверочных точек, либо получе нные на последующих стадиях клеточного цикла. В G2 фазе детектируется пол нота репликации ДНК и клетки, в которых ДНК недореплицирована не входят в митоз. В контрольной точке сборки веретена деления проверяется, все ли кинетохоры прикреплены к микротрубочкам. Библ иографический список 1. Информация на сайте www.humbio.ru предназначена исключит ельно для образовательных и научных целей. М., 2008. 2. Статья Кель О., Кель А .: Межгенные взаимоотношения в регуляции клеточного цикла. Молекулярная биология 31, 1997, стр 650- 668. 3. Кольман Я., Рем К., Вир т Ю., (2000). ‘ Наглядная биохимия’ , М., 2000. 4. Ченцов Ю.С., (2004). ‘ Введ ение в клеточную биологию’ . М.: ИКЦ «Академкнига». 5. Копнин Б.П., ‘ Механи змы действия онкогенов и опухолевых супрессоров’ . М. 2004. 6. Википедия. Словарь свободной энциклопедии. М. 2008.