Жизненный цикл клетки

Этапы клеточного цикла и его особенности

Изучение клеточного цикла базировалось на представлениях цитокинетики, которые к 60-м гг. XX в., несмотря на их новизну, уже вполне сформировались. Клетки многоклеточного организма чрезвычайно разнообразны по выполняемым функциям. В соответствии со специализацией клетки имеют разную продолжительность жизни. Так нервные клетки после завершения эмбриогенеза перестают делиться и функционируют на протяжении всей жизни организма [16, c. 88].

Клетки же других тканей (костного мозга, эпидермиса, эпителия тонкого кишечника) в процессе выполнения своей функции быстро погибают и замещаются новыми в результате клеточного деления. Деление клеток лежит в основе развития, роста и размножения организмов. Деление клеток также обеспечивает самообновление тканей на протяжении жизни организма и восстановление их целостности после повреждения [26, c. 167].

Существует два способа деления соматических клеток: амитоз и митоз. Преимущественно распространено непрямое деление клеток (митоз). Размножение с помощью митоза называют бесполым размножением, вегетативным размножением или клонированием. Жизненный цикл клетки (клеточный цикл) — это период существования клетки от деления до следующего деления или смерти. Продолжительность клеточного цикла в размножающихся клетках составляет 10−50 ч и зависит от типа клеток, их возраста, гормонального баланса организма, температуры и других факторов. Детали клеточного цикла варьируют среди разных организмов [18, c. 54].

У одноклеточных организмов жизненный цикл совпадает с жизнью особи. В непрерывно размножающихся тканевых клетках клеточный цикл совпадает с митотическим циклом. Под митотический циклом понимают совокупность последовательных и взаимосвязанных процессов в период подготовки клетки к делению и период деления (табл. 1). В соответствие с приведенным выше определением митотический цикл подразделяют на интерфазу и митоз (греч. «митоз» — нить) [1, c. 25].

Таблица 1 Митотический цикл и митоз.

Интерфаза — период между двумя делениями клетки — подразделяется на фазы G1, S и G2 (рис. 1). По продолжительности интерфаза составляет большую часть митотического цикла клетки. Наиболее вариабельны по времени G1 и G2-периоды [15, c. 174].

G1 (от англ. grow — расти, увеличиваться). Продолжительность фазы составляет 4−8 ч. Это фаза начинается сразу после образования клетки. В этой фазе в клетке усиленно синтезируются РНК и белки, повышается активность ферментов, участвующих в синтезе ДНК. Если клетка в дальнейшем не делится, то переходит в фазу G0 — период покоя. С учетом периода покоя клеточный цикл может длиться недели или даже месяцы (клетки печени) [6, c. 104].

S (от англ. synthesis — синтез). Длительность фазы составляет 6−9 ч. Масса клетки продолжает увеличиваться, и происходит удвоение хромосомной ДНК. Две спирали старой молекулы ДНК расходятся, и каждая становится матрицей для синтеза новых цепей ДНК. В результате каждая из двух дочерних молекул обязательно включает одну старую спираль и одну новую. Тем не менее, хромосомы остаются одинарными по структуре, хотя и удвоенными по массе, так как две копии каждой хромосомы (хроматиды) все еще соединены друг с другом по всей длине. Это «сестринские хроматиды», то есть идентичные копии, образовавшиеся в процессе репликации ДНК за время С-фазы. Сестринские хроматиды соединяются друг с другом в особых участках — центромерах [24, c. 85−86].

В ядрах животных клеток имеются особые крошечные структуры, центриоли, которые начинают двигаться в противоположные стороны, образуя полюса деления. Между центриолями образуется структура, называемая веретеном деления; она состоит из многих нитей (скорее даже микротрубочек, образованных белком тубулином), которые распределяют хромосомы по двум ядрам. Некоторые из этих нитей тянутся от центриоли до центромеры хромосом, растаскивая их в разные стороны [11, c. 235].

Пока к центромерам прикрепляются нити веретена, хромосомы свободно движутся по клетке, но через некоторое время они останавливаются на полпути между полюсами (в экваториальной плоскости). Теперь клетка вступает в стадию метафазы, второй фазы митоза. Все сестринские хроматиды одновременно, словно по команде, начинают расходится к полюсам благодаря сокращению одних нитей веретена, в то же время другие нити веретена удлиняются и отодвигают полюса друг от друга. Эти события знаменуют собой анафазу, после которой клетка начинает сужаться в центре. После завершения фазы S митотического цикла клетка не сразу начинает делиться [23, c. 65−66].

В фазе G2 в клетке завершается процесс подготовки к митозу: накапливается АТФ, синтезируются белки ахроматинового веретена, удваиваются центриоли. Масса клетки продолжает увеличиваться до тех пор, пока она приблизительно вдвое не превысит начальную, а затем наступает митоз. Рассмотрим схему клеточного цикла, предложенную в 1953 г. А. Ховардом и С. Пелком. Сразу после митоза каждая дочерняя клетка является диплоидной и имеет нормальный набор хромосом (рис. 1). Эта клетка должна пройти фазу G1, чтобы быть в состоянии удвоить свою ДНК в течение фазы S жизненного цикла. После удвоения ДНК клетка переходит в фазу G2 и находится в тетраплоидном состоянии [5, c. 199].

В процессе митоза клетка снова делится, причем ее тетраплоидный набор хромосом распределяется поровну между двумя дочерними клетками; в результате этого каждая из новых клеток: начинает цикл, имея диплоидный набор хромосом. Дочерняя клетка сохраняет в течение всей фазы G1 «старые», т. е. материнские, цепи ДНК. Дупликация этих цепей происходит в фазе S. В течение фазы G2 в клетке находятся и «старые» цепи ДНК, и «новые» (синтезированные в фазе S) [10, c. 203].

Во время фазы М (митоз, включающий стадии профазы, метафазы, анафазы и телофазы) материнская клетка передает каждой дочерней одну из старых цепей (имевшихся еще в фазе G1) и одну из новых цепей (построенных в фазе S). Фаза G1 у клеток разных типов имеет различную продолжительность (у некоторых клеток около 30 ч, а у некоторых может практически отсутствовать). Фазы S, G2 и М более стабильны по продолжительности. Длительность фазы М зависит от температуры. Для большинства клеток млекопитающих при росте in vitro продолжительность цикла составляет примерно 20 ч, при этом фазы G1, S, G2 и М длятся соответственно 8 и 6, 5 и 1 ч. [4, c. 34].

Установлено, что в нормальных тканях организма некоторые клетки, будучи дифференцированными, постоянно делятся. Таковы, например, клетки кишечного эпителия, костного мозга, эпидермиса, эпителия семенных канальцев («лабильные» клетки по терминологии Г. Биццоцеро). Другие же клетки по окончании дифференцировки больше не пролиферируют («вечные» клетки по Г. Биццоцеро). Лучшим примером клетки, не способной к делению, может служить нейрон, дифференцировка которого заканчивается сразу после рождения и который сохраняется на протяжении всей жизни индивидуума (условие, необходимое для сохранения следов памяти) [28, c. 234].

В клетке ДНК имеется не только в хромосомах, но и в митохондриях. Для полного представления обо всем синтезе ДНК необходимо также учесть и процесс репликации митохондриальной ДНК на протяжении клеточного цикла и сравнить его с синтезом, происходящим в ядре. В то время как синтез хромосомной ДНК в ядре происходит в фазе S митохондриальная ДНК синтезируется на двух различных этапах клеточного цикла: в первый раз в той же фазе S одновременно с ядерной ДНК, а второй раз — в фазе G2, когда синтез ядерной ДНК уже закончен и идет только репаративный синтез. Когда это выяснилось, прежде всего, возникла мысль, что в клетке могут существовать два класса генетически различных митохондрий, каждый со своей особой ДНК и своим временем репликации [19, c. 264].

При изучении физико-химических свойств митохондриальной ДНК, выделенной в фазах S и G2, было установлено, что действительно существуют различия между этими двумя препаратами. Таким образом, гипотезу о том, что в эукариотической клетке существуют разные типы митохондриальной ДНК и, следовательно, генетически различные митохондрии, можно считать правдоподобной [25, c. 209].