числа. При этом количество хроматид может достигать 1000 и более, хромосомы приобретают гигантские размеры. При политении утрачиваются все фазы митотического цикла, кроме репродукции первичных нитей ДНК. Политения встречается в печёночных клетках (гепатоцитах). Политенные хромосомы в клетках слюнных желёз дрозофил применяются для построения цитологических карт генов в хромосомах.
Лимит Хейфлика
Клеточное или репликативное старение подразумевает ограниченную способность клеток к делению in vitro (лимит Хейфлика). В опытах Хейфлика (1965 г) установлено, что фибробласты кожи человека активно делятся в культуре, однако интенсивность пролиферации клеток постепенно снижается. Через 50-60 делений фибробласты необратимо теряют способность к делению, но сохраняют жизнеспособность ещё несколько недель. Предполагается, что подобное ограничение в количестве делений клеток может лежать в основе процессов старения организма и связано с прогрессивным укорочением длины теломер в результате неполной репликации концевых участков хромосом в каждом из митотических циклов.
Регуляторы клеточного деления
Клеточный цикл жёстко регулируется множеством внутриклеточных и межклеточных молекулярных сигналов. К внутриклеточным молекулярным сигналам относятся собственно регуляторы клеточного цикла (циклины, циклин-зависимые протеинкиназы, их активаторы и ингибиторы), продукты протоонкогенов и антионкогенов. Регуляторы клеточного цикла также отвечают за правильность выполнения событий клеточного цикла. Проверка клеточного цикла происходит в так называемых сверочных точках (checkpoint). Эти точки расположены в
концах фазы G1 (Сheckpoint 1: G1→S) и фазы G 2 (Сheckpoint 2: G2→М) (рис. 3-1). В первой точке осуществляется проверка наличия повреждений ДНК, во второй точке проверяется завершённость репликации ДНК. Если выявляются повреждения ДНК, то клеточный цикл приостанавливается и даётся время для устранения повреждений ДНК. В случае невозможности репарации ДНК в клетке запускается механизм самоубийства — апоптоз.
Циклины А, B, E, D — регуляторные субъединицы циклин-зависимых протеинкиназ. Название этих белков — циклины — отражает цикличность
16
внутриклеточной концентрации белков в процессе каждого клеточного цикла, достигающей максимума на его определённых стадиях (рис. 3-1).
Циклин-зависимые протеинкиназы (Cdk — cyclin dependent protein kinase). Активация индивидуальной Cdk происходит после её взаимодействия со специфическим циклином. Образование комплекса циклинов с Cdk становится возможным после достижения циклином критической концентрации. Последовательная активация Cdk и последующее фосфорилирование ими критических субстратов контролируют клеточный цикл, переключая его с одной фазы на другую (с G1 на S или G2 на M). В результате снижения концентрации определённого циклина происходит обратимая инактивация соответствующей Cdk. Белки, связывающиеся с комплексом циклинов с Cdk и ингибирующие его каталитическую активность, блокируют клеточный цикл в ответ на антипролиферативные сигналы.
Протоонкогены кодируют белки, стимулирующие клеточный цикл (например, ras, erbb2). Мутированные протоонкогены называют онкогенами.
•Ras — суперсемейство генов, кодирующих ras G-белки (малые ГТФазы — гуанозин трифосфатазы). Ras локализуются на внутренней стороне клеточной мембраны и участвуют в передаче внешнего сигнала от рецептора к ядру, стимулирующего размножение клеток. В результате мутации ras G-белок остаётся активированным, что приводит к неуправляемому размножению клеток (рис. 3-5). Онкоген обнаруживается в 15% всех новообразований человека, включая 25%
— рак лёгкого, 50% — рак толстой кишки, 90% — рак поджелудочной железы.
•Erbb2 — (erythroblastic leukemia viral oncogene homolog 2; 17q21.1)
кодирует белок семейства рецепторов эпидермального фактора роста. Рецептор не связывается с факторами роста, но тесно взаимодействует с другими рецепторами эпидермального фактора роста, стабилизируя их связь с лигандами и, таким образом, поддерживая клеточную пролиферацию. Амплификация или сверхэкспрессия гена errb2 встречается при разных онкологических заболеваниях, например, при раке молочной железы и раке яичника.
17
Рис. 3-5. Роль ras протоонкогена в злокачественной трансформации клеток. Ras G белок кодируется ras протоонкогеном. Мутированный ген кодирует онкопротеин, неспособный гидролизовать ГТФ, в результате чего клеточный цикл не прерывается.
Антионкогены (онкосупрессоры) кодируют белки, блокирующие клеточный цикл. Мутации генов онкосупрессоров неизбежно приводят к появлению бесконтрольно пролиферирующего клеточного клона.
•Белок р53 — один из важнейших регуляторов клеточного цикла, специфически связывается с ДНК и активирует экспрессию генов,
блокирующих цикл в контрольной точке G1→М. При неблагоприятной информации о состоянии генома (активация онкогенов, повреждения ДНК) р53 блокирует клеточный цикл до тех пор, пока нарушения не будут устранены. В повреждённых клетках содержание р53 возрастает. Это даёт клеткам шансы восстановить ДНК путём блокирования клеточного цикла. При серьёзных нарушениях ДНК р53 инициирует самоубийство клетки — апоптоз. В случае мутации р53 и как следствие отсутствия сдерживающего фактора клетки с повреждённым геномом продолжают активно размножаться, что приводит к опухолевому росту (рис. 3-6). При врождённых дефектах р53 хотя бы на одной хромосоме риск онкологии в юношеском возрасте достигает 95%.
18
•Семейство белков р21 — ингибиторов Cdk — включает три белка, p21, р27 и р57. Эти белки связывают и ингибируют комплексы: циклин D/Cdk4, циклин Е/Cdk2, и циклин А/Cdk2. Выявление содержания р27 используют в диагностике рака молочной железы. Снижение уровня р27 является плохим прогностическим признаком.
•Белок р16 — ингибитор Cdk — препятствует взаимодействию Cdk4/6 с циклином D, блокируя клеточный цикл в точке рестрикции 1
(Сheckpoint 1).
Рис. 3-6. Белок р53 в регуляции клеточного цикла. Нормальный белок р53 связывается с ДНК и инициирует экспрессию генов, продукты которых блокируют активность Cdk2 в
сверочной точке G1→М, что приводит к остановке клеточного цикла. Аберрантный белок р53 не способен связываться с ДНК и блокировать клеточный цикл.
Дифференцировка клеток. Клеточный тип и его фенотипы
В ходе специализации (дифференцировки) клеток, начиная от оплодотворённой яйцеклетки, формируются разные клеточные типы с разными фенотипами. При дифференцировке клетки экспрессируют строго определённую часть генома: транскрибируют специфические РНК и синтезируют специфические белки, что и определяет морфологические и функциональные признаки дифференцированных клеток. Следовательно, различия между клетками, обладающими одинаковым набором генов, определяет дифференциальная активность генов. Дифференцировка обусловлена репрессией и активацией определённых групп генов. Разные клеточные типы экспрессируют разные гены.
19
Известно более 200 клеточных типов — однородных групп (популяций) клеток с идентичным набором разрешённых к экспрессии генов, определяющих морфологические и функциональные различия между клеточными типами. Нервные, мышечные, хрящевые железистые — клетки разных клеточных типов, формирующие разные ткани организма (нервную, мышечную, соединительную, эпителиальную). Клеточный тип включает понятия границы нормы клеточного типа, пластичность и клеточные фенотипы.
•Границы нормы клеточного типа определяются набором генов, контролирующих дифференцировку и функциональную активность клетки.
•Пластичность клеточного типа выражается фенотипическими различиями клеток одного клеточного типа.
•Фенотип — совокупность всех реализованных признаков клетки, как морфологических, так и физиологических.
Вкачестве примера дифференцировки клеточного типа с разными фенотипами на уровне разрешённых к экспрессии генов рассмотрим развитие (миогенез) поперечнополосатого мышечного волокна. Репрессор миогенеза MyoR (myogenic repressor) блокирует дифференцировку клеток мезодермы в мышечном направлении во время их миграции из миотома сомитов в места закладки скелетных мышц. Миогенез инициируется геном pax3, контролирующим активность мышечно-специфических транскрипционных факторов [MyoD (myogenic differentiation), Myf5 (myogenic factor 5), миогенин, MRF4 (myogenic regulatory factors)],
имеющих мотив (определённую последовательность аминокислот) "спираль-поворот-спираль" для связывания с ДНК. MyoD и Myf5 контролируют образование миобластов из клеток миотомов, а миогенин и MRF4 отвечают за терминальную дифференцировку мышечных волокон, активируя экспрессию мышечно-специфических белков (скелетномышечные актин, миозины, тропомиозины), участвующих в образовании сократительных органелл мышечного волокна — миофибрилл. Каждая скелетная мышца уникальна по спектру входящих в её состав мышечных волокон. Фенотипические различия скелетных мышечных волокон генетически детерминированы, а экспрессия того или иного признака зависит от активности специфических генов, регулируемых нервной и гуморальной системами. При различных функциональных и патологических состояниях организма структурно-функциональные характеристики (фенотипические признаки) мышцы изменяются в широких пределах, что является проявлением мышечной пластичности. К таким фенотипическим признакам относят скорость сокращения и способ
20