Молекулярная биология клетки Глава 3

ГБОУ ВПО «КАЗАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ МЕДИЦИНСКИЙУНИВЕРСИТЕТ» МИНИСТЕРСТВАЗДРАВООХРАНЕНИЯ РФ

КАФЕДРА МЕДИЦИНСКОЙ БИОЛОГИИ И ГЕНЕТИКИ

МОЛЕКУЛЯРНАЯ БИОЛОГИЯ КЛЕТКИ

Часть 3. Закономерности существования клетки во времени. Пролиферация, дифференцировка, смерть

Учебное пособие

Казань 2015

УДК 611:018(075.8) ББК 28.05+28.06

Печатается по решению Центрального координационно-методического совета

Казанского государственного медицинского университета.

Авторы:

Исламов Р.Р., Волков Е.М., Кошпаева Е.С., Пахалина И.А., Колочкова Е.В., Бойчук Н.В.

Под редакцией д.м.н. профессора Исламова Р.Р.

Рецензенты:

Заведующий кафедрой гистологии, цитологии и эмбриологии КГМУ проф. Челышев Ю.А.

Заведующая кафедрой гистологии, цитологии и эмбриологии РНИМУ им. Н.И. Пирогова проф. Глинкина В.В.

Молекулярная биология клетки. Часть 3. Закономерности существования клетки во времени. Пролиферация, дифференцировка, смерть. Учебное пособие, переработанное и дополненное / Исламов Р.Р., Волков Е.М., Кошпаева Е.С., Пахалина И.А., Колочкова Е.В., Бойчук Н.В. – Казань: КГМУ, 2015. – 55 с.

Учебное пособие составлено в соответствии с Государственным образовательным стандартом высшего профессионального образования (ФГОС-3) и типовой Учебной программой по дисциплине «Биология». В 3 части Учебного пособия «Закономерности существования клетки во времени. Пролиферация, дифференцировка, смерть» изложены цели и задачи изучения данной темы, указаны формируемые компетенции, приведён теоретический обзор, представленный в лаконичной и рубрицированной форме и имеющий медицинскую направленность. Практические навыки включают анализ клеточного цикла, лабораторную работу по гибридизации in situ. Пособие включает типовые тестовые вопросы, вопросы самоконтроля и справочник терминов.

Учебное пособие предназначено для студентов младших курсов медицинских факультетов и медицинских вузов.

© Казанский государственный медицинский университет, 2015

Часть 3. Закономерности существования клетки во времени. Пролиферация, дифференцировка, смерть

Целью публикации н астоящего учебного пособия является систематизация знаний об основных закономерностях существования клетки во времени. В учебное пособие включена новейшая информация о пролиферации, дифференцировке и гибели клетки на молекулярном уровне, которая не представлена в учебниках, используемых студентами.

Задачей учебного пособия является ознакомление студентов с современными представлениями о репликации и репарации ДНК. Особое внимание уделяется усвоению биологической роли митоза и молекулярных механизмах его регуляции. С помощью схематических изображений и рисунков способствовать изучению микропрепаратов и зарисовать фигуры митоза. Научить студентов методугибридизации in situ.

Формируемые компетенции:

•Лечебный факультет, дисциплина «Биология» — ОК1, ПК31

•Педиатрический факультет, дисциплина «Биология» — ОК1, ПК31

•Стоматологический факультет, дисциплина «Биология» — ОК1, ПК26

•Медико-профилактический факультет, дисциплина «Биология, экология» — ОК7, ПК6

•Фармацевтический факультет, дисциплина «Биология» — ОК1, ПК48

•Медико-биологический факультет, дисциплина «Биология» — ОК1, ПК27

Студент должен знать:

1.Фазы клеточного цикла.

2.Молекулярный механизм митоза.

3.Гены-регуляторы пролиферации (протоонкогены, онкосупрессоры).

4.Нетипичные формы митоза (полиплоидия и политения).

5.Биологическую роль и молекулярный механизм апоптоза.

6.Стадии дифференцировки клеток.

7.Виды стволовых клеток (тотипотентные, плюрипотентные, полипотентные).

4

Студент должен уметь:

1.По характерным признакам идентифицировать на препарате фазы клеточного цикла.

2.Определять фазымитоза по ихописанию,микрофотографиям и схемам.

3.Обосновать применение метода гибридизации in situ для диагностики опухолевых заболеваний человека.

Студент должен владеть:

1.Медико-функциональным понятийным аппаратом и специальными терминами.

2.Навыками устного и письменного описания этапов клеточного цикла.

3.Навыками зарисовки и описания изучаемых микропрепаратов.

Оснащение занятия:

1.Мультимедийная презентация по теме.

2.Таблицы:

•клеточный цикл

•фигуры митоза

•репликация ДНК

3.Микроскопы:

•прямой световой монокулярный

•прямой световой бинокулярный

4.Микропрепараты:

•опухолевые клетки человека

•корешок лука.

•мазок красного костного мозга.

•печень.

•молочная железа: (1) in situ хромогенная гибридизация протоонкогена erbb2 в эпителиальных клетках молочной железы; (2) in situ хромогенная гибридизация онкогена erbb2 в раковых клетках молочной железы.

Хронологическая карта занятия:

1.Организационная часть.

2.Тестовый контроль базового уровня знаний.

3.Объяснение практического задания.

4.Самостоятельная работа.

5.Проверка выполненных работ в альбомах.

6.Установка задания для подготовки к следующей теме.

5

ТЕОРЕТИЧЕСКИЙОБЗОР

КЛЕТОЧНЫЙ ЦИКЛ

Существование клетки во времени характеризуется закономерными структурными и функциональными изменениям, последовательно происходящими в её жизненном клеточном цикле. Клеточный цикл продолжается от момента образования клетки в результате деления материнской клетки до собственного деления или до стадии терминальной дифференцировки, заканчивающейся апопотозом. Митоз (клеточное деление, М-фаза) — относительно короткая стадия клеточного цикла, её разделяет более длительная — интерфаза. В интерфазе последовательно различают периоды G1, S и G2(рис. 3-1). Часть клеток многоклеточного организма находятся на разных стадиях клеточного цикла (интерфаза → митоз → интерфаза). Другие выходят из клеточного цикла и дифференцируются для выполнения специализированных функций. Жизнь дифференцированной клетки заканчивается апоптозом (запрограммированной смертью). Стволовые клетки также выходят из клеточного цикла, но вступают в длительный период покоя. При этом они сохраняют способность вернуться в клеточный цикл для восстановления утраченной популяции клеток за счёт активной пролиферации (размножения).

Интерфаза

В интерфазе последовательно различают периоды G1, S и G2 (рис. 3-1).

•Пресинтетическая G1 фаза (от англ. gap — щель, интервал) — период высокой метаболической активности и роста клетки между телофазой митоза и репликацией (удвоением) ДНК. В эту фазу клетка синтезирует РНК и белки, завершается формирование ядрышка Продолжительность фазы — от нескольких часов до нескольких дней. У быстро делящихся клеток (эмбриональных и опухолевых) эта фаза сокращена.

•Синтетическая S фаза (от англ. synthetic) — период синтеза и репликации ДНК; в хромосоме формируется вторая хроматида. Митохондриальная ДНК синтезируется незначительно, основная ее часть реплицицируется в постсинтетическом периоде интерфазы. В S фазу в клетке продолжается синтез белка, разделяются центриоли. В большинстве клеток S фаза длится 8–12 часов.

•Постсинтетическая G2 фаза. В этот период завершается удвоение суммарной клеточной массы, дочерние центриоли достигают размеров дефинитивных органелл. В эту же фазу продолжается синтез

6

РНК и белка (например, синтез тубулина для микротрубочек митотического веретена), накапливается АТФ для энергетического обеспечения последующего митоза. Эта фаза длится 2–4 часа.

G0 фаза — период пролиферативного покоя. В конце фазы G1 существует точка рестрикции (Сheckpoint 1) — безопасная точка клеточного цикла, в которой клетка может остановиться и выйти из цикла в фазу

Рис. 3-1. Стадии клеточного цикла. В клеточном цикле различают сравнительно короткую М-фазу (митоз) и более длительный период — интерфазу. М-Фаза состоит из профазы, прометафазы, метафазы, анафазы и телофазы. Интерфаза складывается из фаз G1, S и G2. В безопасной точке рестрикции клетка может выйти из клеточного цикла и вступить

вфазу G0. Под действием митогенов клетки из фазы G0 могут вернуться

вцикл. Checkpoint 1 (точка рестрикции) и Сheckpoint 2 — сверочные точки. Циклины А, B, E, D — регуляторные субъединицы циклин-зави- симых протеинкиназ (Cdk).

7

G0. В фазе G0 клетки начинают дифференцироваться, достигая терминальной (окончательной) дифференцировки (например, нейроны), или остаются в состоянии покоя (стволовые клетки). Стимулом для прохождения через точкурестрикции или возвращения клетки из фазы G0 в клеточный цикл является действие митогенов (например, факторов роста)

— молекул, взаимодействующих со специфическими рецепторами в мембране клетки-мишени и инициирующих её пролиферацию.

Митоз

Способность к размножению является характерным свойством живых систем. Размножение эукариотических клеток происходит путём митоза. Благодаря самоудвоению генетического материала и формированию хромосом происходит равномерное распределение наследственного материала между дочерними клетками, которые являются генетическими копиями материнской клетки. Таким образом обеспечивается преемственность передачи наследственного материала в ряду клеточных поколений и образование клеток, равноценных по объему и содержанию наследственной информации. Митотический (пролиферативный) цикл, или митоз, обеспечивает не только обновление данной клеточной популяции, но и существование её во времени. Дочерние клетки после митоза могут тут же вступить в следующий митотический цикл или выйти из клеточного цикла для дифференцировки и выполнения специфических функций.

Репликация ДНК

Клетки перед каждым делением воспроизводят (реплицируют) ДНК: дочерние молекулы ДНК воспроизводятся при помощи ДНК-полиме- разы одновременно в нескольких точках начала репликации (репликон), обеспечивающих быстрое удвоение каждой нити ДНК (рис. 3-2). Каждая хромосома эукариотической клетки — полирепликон.

•Точка инициации репликации (ori) — определённая последовательность ДНК из 300 нуклеотидов, содержащая множественные короткие повторы. Ориджин-связывающие белки взаимодействуют с этими повторами и обеспечивают сборку ферментов репликации ДНК. Многочисленные А-Т участки в точке инициации облегчают расплетание молекулы ДНК.

•ДНК-топоизомераза и ДНК-геликаза распознают точку начала репликации и разъединяют спираль ДНК, образуя репликационные V- образные вилки.

•ДНК-полимераза катализирует полимеризацию нуклеотидов в на-

8

Рис. 3-2. Репликация ДНК. Пояснение к рисунку в тексте.

правлении 5’→3’, т.е. присоединяет дезоксирибонуклеотидтрифосфат к 3’-ОН-концу цепи ДНК. Родительские цепи ДНК антипараллельны, поэтому одна из дочерних цепей (лидирующая) растёт в направлении 5’→3’, опережая рост второй дочерней цепи (отстающей)

в обратном направлении.

•ДНК-полимераза δ катализирует репликацию ДНК лидирующей цепи.

•Репликация отстающей цепи начинается с синтеза РНК-затравки (праймера) с помощью праймазы (СЕ ДНК-полимеразы α). Далее ДНК-полимераза α, используя 3’-ОН-конец РНК-затравки, синтезирует на матрице отстающей цепи короткий фрагмент ДНК (фрагмент Оказаки). Участки фрагментов Оказаки, занятые РНК-затравками, удаляются, а на их месте достраивается ДНК с помощью ДНКполимераз β и ε. ДНК-лигаза завершает сшивку отдельных фрагментов Оказаки.

9

Структура хромосом

Хромосомы видны при митозе или мейозе, когда полностью конденсированный хроматин образует Х-образные структуры. Каждая хромосома состоит из двух сестринских хроматид, содержащих по одной двуцепочечной молекуле ДНК. Совокупность хромосом называют хромосомным набором. ВG1 фазунабор хромосомв соматических клетках— 2n (диплоидный), количество ДНК — 2c (в каждой хромосоме по одной молекуле ДНК) = 2n2c. В метафазных хромосомах соматических клеток количество хромосом — 2n (диплоидный набор), содержание ДНК удвоено, в каждой хромосоме по две молекулы ДНК (4с) = 2n4c.

•Центромера — специализированная последовательность нуклеотидов в области первичной перетяжки хромосомы. Кинетохор (белковый комплекс, включающий ассоциированные с микротрубочками белки) прикрепляется к центромеру, обеспечивая связь микротрубочек кинетохора (от 20 до 40) с хромосомами в митозе.

•Теломера — локализованная на концах хромосом теломерная ДНК, представленная многочисленными короткими повторами (GGGTTA) длиной от 2 до 20 тыс. пар оснований. Повторяющиеся последовательности теломерной ДНК формируют петли на концах хромосом, таким образом предохраняя концы хромосом от разрушения. Теломерная ДНК, несмотря на то, что в ней отсутствуют гены, играет важную роль в пролиферации клеток. Теломера предотвращает деградацию и слияние хромосом в митозе. В линейных ДНК для полной репликации концов их молекул используется РНК-содержащий фермент теломераза, отвечающая за репликацию концевой ДНК, поскольку ДНК-полимеразы неспособны обеспечить полную репликацию ДНК.

•Теломераза — РНК-зависимая ДНК-полимераза (обратная транскриптаза). В состав этого фермента входит РНК, используемая в качестве матрицы для синтеза теломерной ДНК.

•Бессмертие клеток и старение. Высокая теломеразная активность выявлена в стволовых и в т.ч. половых клетках. Хромосомы этих клеток имеют теломеры, состоящие из наибольшего числа ДНК-по- второв и содержащие все необходимые белки для нормальной пролиферации. Напротив, в клетках, вступивших в дифференцировку, активность теломеразы падает, а теломерная ДНК укорачивается. В таких клетках с каждым новым клеточным делением снижается экспрессия гена, кодирующего каталитическую СЕ теломеразы. Укорочение хромосом заканчивается гибелью клетки, что может быть одной из причин старения организма.

10

Митотическое веретено

Центросома (центр организации микротрубочек) играет важную роль в клеточном делении и в частности в образовании митотического веретена (рис. 3-3). В центросоме центриоли расположены под прямым углом друг к другу. В ходе фазы S клеточного цикла центриоли дуплицируются. При этом образовавшиеся дочерние центриоли располагаются перпендикулярно по отношению к материнским. В митозе пары центриолей, каждая из которых состоит из первоначальной и вновь образованной, расходятся к полюсам клетки и участвуют в образовании митотического веретена.

Рис. 3-3. Структуры митотического веретена. А — микротрубочка. Б — центросома состоит из пары центриолей и примыкающей цитоплазмы, содержащей γ-тубулин. 10–13 молекул γ-тубулина формируются γ-тубулиновые кольца, которые служат затравками, инициирующими начало полимеризации тубулиновых гетеродимеров. Растущие микротрубочки (–)-концами ассоциированы с центросомой, а их (+)- концы в виде лучей радиально направлены в цитоплазму (астральные микротрубочки). В — митотическое веретено [В — из Ю.И. Афансьев и Н.А. Юрина, 1989].