Клеточный и жизненный цикл клетки
Клеточный цикл — это период жизни клетки от одного деления до другого. Его не следует путать с жизненным циклом, который охватывает время от рождения клетки до её гибели. На само деление (митоз) приходится лишь около 10% клеточного цикла, тогда как остальные 90% занимает интерфаза — подготовка к делению.
В организме разные клетки находятся в клеточном цикле неодинаковое время:
- Постоянно делящиеся клетки — например, стволовые клетки крови, не выходящие из цикла.
- Покоящиеся клетки — например, гепатоциты, которые при отсутствии повреждений печени уходят в покой, а при патологии (цирроз, регенерация) возвращаются в цикл.
- Терминально дифференцированные клетки — например, нейроны, утратившие способность к делению.
Структура интерфазы
Интерфаза включает три последовательных периода:
- Пресинтетический (G1) — самый длительный, до нескольких суток.
- Синтетический (S) — около 5 часов.
- Постсинтетический (G2) — до 8 часов.
Цель интерфазы — корректная подготовка к делению и точная передача генетического материала дочерним клеткам.
Пресинтетический период (G1)
Начинается сразу после митоза. Клетка активно растёт, восстанавливает органоиды и объём цитоплазмы, идёт интенсивный обмен веществ, синтез белков, липидов и углеводов. Завершается период подготовкой к репликации ДНК.
Ключевую регуляторную роль играют циклинзависимые протеинкиназы (CDK). Это ферменты, осуществляющие фосфорилирование белков и активные только в комплексе с регуляторными белками — циклинами (групп D, E, A, B). Циклины синтезируются на протяжении цикла и разрушаются в начале анафазы.
Эффекты комплекса циклин–CDK:
- фосфорилирование белков ядерной оболочки и подготовка к её разборке;
- перестройка цитоскелета;
- включение генов репликации ДНК.
Пример действия CDK — регуляция транскрипционного фактора E2F. В неактивном состоянии он связан с ретинобластомным белком (Rb). CDK с участием АТФ фосфорилирует Rb, освобождая E2F, который активирует транскрипцию ферментов репликации.
Рестрикционная точка и роль белка p53
В каждом периоде интерфазы существует рестрикционная (контрольная) точка, в которой проверяется целостность ДНК. При повреждении ДНК активируется ген P53 и синтезируется одноимённый белок, который:
- подавляет репликацию и стимулирует репарацию ДНК с участием ДНК-полимераз;
- активирует гены P21 и P27, белки которых ингибируют CDK и останавливают клеточный цикл;
- при невозможности репарации направляет клетку по пути апоптоза.
После прохождения рестрикционной точки клетка переходит в S-период независимо от внешних сигналов. Мутации P53 приводят к делению клеток с нарушениями ДНК и формированию опухолей. Доминантные мутации гена ретинобластомного белка вызывают развитие ретинобластомы, поскольку E2F остаётся постоянно свободным и клетка непрерывно вступает в цикл.
Синтетический период (S)
В S-периоде происходят:
- репликация ДНК;
- синтез гистонов, необходимых для конденсации хроматина;
- удвоение клеточного центра;
- вторая контрольная точка — проверка правильности репликации и повторная репарация.
Нарушения репликации ассоциированы с такими патологиями, как синдром Луи-Бар (атаксия-телеангиэктазия), сопровождающийся капиллярными расширениями и нарушением координации, а также пигментная ксеродерма.
Постсинтетический период (G2) и MPF
В G2-периоде осуществляются:
- синтез тубулинов для построения микротрубочек веретена деления;
- разборка центриолярных сателлитов и формирование гало в клеточном центре;
- пострепликативная репарация ДНК;
- подготовка к разборке комплекса Гольджи и эндоплазматической сети;
- синтез митостимулирующего фактора (MPF, Mitosis Promoting Factor).
MPF проявляет эффекты лишь в профазе митоза:
- фосфорилирование белков ламины и разборка ядерной мембраны;
- фосфорилирование гистона H1 и конденсация хромосом;
- фосфорилирование белков опорно-сократительного аппарата и разрушение интерфазных микротрубочек для построения нитей веретена деления.
Соотношение ядра и цитоплазмы по периодам
Динамика роста клетки отражается в ядерно-цитоплазматическом соотношении:
- в G1 оно меньше единицы — преимущественно растёт цитоплазма, восстанавливая объём после деления;
- в S оно больше единицы — активно увеличивается ядро за счёт репликации ДНК;
- в G2 соотношение выравнивается и приближается к единице.
Ключевые моменты
- Клеточный цикл — от деления до деления; интерфаза занимает около 90% его длительности.
- Интерфаза состоит из периодов G1 (пресинтетический), S (синтетический) и G2 (постсинтетический).
- Регуляторами цикла служат комплексы циклин–CDK, фосфорилирующие ключевые белки.
- Транскрипционный фактор E2F освобождается из комплекса с белком Rb после его фосфорилирования и запускает репликацию.
- В рестрикционных точках белок p53 контролирует целостность ДНК, активируя репарацию или апоптоз через p21 и p27.
- Мутации p53 ведут к опухолевому росту; мутации гена Rb — к ретинобластоме.
- В G2 синтезируется MPF, реализующий свои эффекты в профазе митоза: разборку ядерной оболочки и конденсацию хромосом.
- Ядерно-цитоплазматическое соотношение закономерно меняется: <1 в G1, >1 в S, ≈1 в G2.