Лекция № 5 Клеточный цикл. Репликация днк. Митоз. Жизненный цикл клеток
Способность к размножению – важнейшее свойство живых организмов, обеспечивающее воспроизводство вида. Существует два вида размножения: бесполое и половое. Но основу живых организмов составляют клетки и их существование, и воспроизводство обеспечивается именно способностью клеток к размножению. Срок жизни большинства клеток меньше срока жизни целого организма, поэтому есть необходимость постоянного обновления клеточного состава тканей и органов.
Цепь событий, происходящих во время жизни клетки от деления до деления (или до ее смерти) называется клеточным циклом. У некоторых организмов (протистов, одноклеточных водорослей и грибов) клеточный цикл совпадает по времени со сроком жизни особи.
Клеточный цикл состоит из нескольких периодов, продолжительность которых в сумме составляет 10-50 часов и зависит от множества причин:
- типа клеток
возраста организма
времени суток и т.д.
внешних и внутренних факторов
Клеточный цикл разбивается на два основных периода – интерфаза и митоз.
Интерфаза – период жизни клеток между двумя циклами деления.
Интерфаза также включает в себя несколько периодов (G1, S, G2, G0)
G1 – пресинтетический период.
Период клеточного цикла, наступающий после деления (митоза) клеток. Количество хромосом и содержание ДНК – 2n, 2с. Длительность непостоянна (от нескольких часов до нескольких суток). В этот период в клетке идут интенсивные синтетические процессы (активно синтезируются белки, РНК разных видов, растет объем клетки, идет подготовка к репликации ДНК).
S – синтетический период (период синтеза, репликации ДНК).
Важнейший период в жизни клетки. Клетка готовится к синтезу новых молекул ДНК (репликации, удвоению). Длительность 6-8 часов. Продолжается активный синтез белков, различных видов РНК, особенно рибосомальных. В этот же период происходит удвоение центриолей – важных клеточных органоидов, принимающих участие в формировании веретена деления.
К концу периода репликация ДНК заканчивается, и каждая хромосома состоит из двух сестринских хроматид. Тем самым количество хромосом не меняется (2n), а количество ДНК удваивается (4c). Блокада S- периода (например, с помощью химических веществ) полностью блокирует весь клеточный цикл.
Особо следует подчеркнуть, что без прохождения клеткой S периода синтеза ДНК неизвестно ни одного случая вступления клеток в митоз (кроме второго деления мейоза, когда развивающиеся половые клетки не проходят S- период)
G2 – постсинтетический период.
Период активной подготовки клетки к делению. Длительность – 2–6 часов.
Количество хромосом и ДНК – (2n, 4с). В этот период продолжается синтез белков, необходимых для формирования веретена деления в митозе. Активно работают митохондрии, синтезируя большое количество АТФ для энергетического обеспечения митоза. Синтез разных видов РНК ослабевает. Среди белков, синтезирующихся в этот период цикла, особое место занимают белки микротрубочек (тубулины) и регуляторные белки, запускающие митоз.
G0 – период покоя.
В тканях организмов всегда есть клетки, которые перестали размножаться. Такие клетки получили название – покоящиеся клетки. У многоклеточных организмов большая часть клеток находится именно в фазе G0! Однако судьба клеток, находящихся в фазе G0 может быть разной.
1. Клетка длительное время находится в фазе Gо, не изменяет своих морфологических признаков, но сохраняет способность к делению – такие клетки называются камбиальными или стволовыми.
Это чрезвычайно важные клетки нашего организма. Они есть во взрослом состоянии практически во всех органах и тканях. Основными свойствами стволовых клеток являются:
- способность длительное время находиться в покоящемся состоянии;
- способность поддерживать свою численность путем деления без перехода в дифференцировку (эта уникальная способность позволяет обеспечивать постоянный запас небольшого количества стволовых клеток в течение почти всей жизни человека и животных);
- способность дифференцироваться в различных направлениях
Эта способность стволовых клеток позволяет использовать их в медицине для искусственного выращивания любых тканей из любых стволовых клеток человека. Например: в настоящее время успешно выращивают костную ткань из собственных стволовых клеток человека, страдающего от болезни суставов с дальнейшей пересадкой "выращенной" костной ткани в зону повреждения. Проводятся опыты по выращиванию нейронов головного мозга из стволовых клеток эпидермиса кожи для последующего лечения некоторых заболеваний нервной системы.
Стромальная терапия - так называют область применения стволовых клеток - это самое перспективное и новое направление в медицине. Оно позволит решить многие проблемы, связанные с иммунологической несовместимостью тканей при обычных пересадках (ведь при стромальной терапии выращиваются собственные ткани, и никакого отторжения нет!); открывает путь к лечению наследственных, ранее неизлечимых заболеваний человека.
Стволовые стромальные клетки взрослого организма – это его собственный клеточный и тканевой резерв.
В конце прошлого года в Московской медицинской академии имени Сеченова прошел "круглый стол" "Стволовые клетки – насколько это законно?". Его участники, среди которых было немало известных российских ученых, обратили внимании на то, что сегодня в России большинство организаций, предлагающих услуги по терапии стволовыми клетками, не имеют лицензий. В Москве, например, существует несколько банков стволовых клеток, но официальную лицензию Минздрава имеет только один – криоцентр в НИИ акушерства и гинекологии. Как заявил академик РАМН, директор Института экспериментальной кардиологии Владимир Смирнов, "лицензии, которые выдает Комитет здравоохранения Москвы, незаконны. Никаких лицензий, никаких разрешений на применение стволовых клеток Минздрав не выдавал. Вся деятельность в косметологии, в других областях медицины нелегальна, незаконна и наказуема". И так обстоит дело не только в столице. По словам Смирнова, сегодня в медицинской практике наблюдается широкое применение клеток сомнительного происхождения: "Это приняло размеры эпидемии; по стране ездят группы людей, которые лечат неизвестно какими стволовыми клетками все заболевания".
Очень резко по поводу ажиотажа вокруг лечения стволовыми клетками высказался член-корреспондент РАМН, профессор биологических и медицинских наук, руководитель отдела химиотерапии лейкозов и трансплантации костного мозга Гематологического научного Центра Валерий Савченко. "История со стволовыми клетками – это мифология, которая существует зазеркально, параллельно научной медицине. Из-за достаточно высокого уровня невежества эта мифология понятна, как любая сказка. Проблема "вечной жизни" волновала людей всегда. А когда у людей появились лишние деньги, то появилось желание приобрести то, что они потеряли, когда они эти деньги зарабатывали. И, естественно, появляются люди, которые хотят эту услугу им предоставить. Есть спрос – появляется предложение. По сути дела, если люди хотят быть искалеченными – это их право... Помните иголку в яйце – жизнь и смерть Кощея Бессмертного? Стволовые клетки – из этой области, это клиническая мифология. Это не научная медицина! Это парамедицина, она не отягощена никакими научными доказательствами."
Никто из ученых не говорит о том, что опыты со стволовыми клетками не должны продолжаться. Однако большинство из них убеждены, что использовать эту технологию в коммерческих целях недопустимо, ведь она еще не до конца изучена и находится на зачаточном этапе экспериментального и клинического обоснования. И уж тем более недопустимо обещать пациентам вылечить с помощью стволовых клеток самые серьезные заболевания. Как сказал директор Института физико-химической медицины, председатель комитета по биоэтике РАМН академик РАМН Юрий Лопухин: "Корысть толкает некоторых исследователей на необоснованные операции, создание дорогих клеточных препаратов с грубым нарушением общепринятых этических норм". Конечно, толкает, ибо лечение стволовыми клетками стоит очень дорого. На сайте одной из клиник я прочитал, что такое лечение у них стоит 263,5 тыс. руб. – около 8 тыс.евро. В других клиниках еще дороже: от 15 тыс. евро и выше. Причем, чем старше пациент, тем большее количество клеток ему понадобится и тем дороже будет клеточная терапия. В общем, как выразился директор Республиканского центра репродукции человека и планирования семьи МЗ РФ, доктор медицинских наук Андрей Акопян: "Люди убеждены, что за деньги можно купить здоровье, внешность и жизнь... Сегодня нет четких границ между медициной и бизнесом. Люди впитывают сенсации, хотят платить за стволовые клетки, и им это предлагают".
Особенно важным было открытие в конце XX века стволовых клеток в ЦНС взрослых млекопитающих, человека и других позвоночных животных. У млекопитающих эти «стволовые» клетки располагаются под поверхностью мозговых желудочков больших полушарий головного мозга. Клетки размножаются, и молодые нейроны мигрируют в разные отделы головного мозга, где замещают погибшие нервные клетки!.
Так что знаменитая фраза «нервные клетки не восстанавливаются» нуждается в уточнении. Нервные клетки во взрослом организме не делятся, но обновляются за счет деления стволовых клеток.
2. Клетка находится в фазе Go, но в течение этого времени приобретает ряд специфических черт строения, связанных с ее функционированием - клетка дифференцируется. При необходимости (например: при повреждении органа) она может вступить в новый клеточный цикл. В отличие от стволовых клеток - они дифференцируются только в определенном направлении. Такие клетки получили наименование – полустволовые клетки.
3. Клетка находится в фазе Go, при этом дифференцируется и необратимо теряет способность к делению. Так ведут себя нервные клетки, которые после дифференцировки утрачивают способность к делению и срок их Go стадии фактически сопоставим со сроком жизни организма. Мышечные клетки сердца также не способны к делению во взрослом состоянии.(хотя и они способны обновляться за счет стволовых клеток). Происходит старение дифференцированных клеток и их гибель.
Общей закономерностью является то, что если клетка вышла на этап дифференцировки, то количество делений, которое она может пройти, ограничено. Так, например, для фибробласта лимит делений составляет 50 делений, для стволовой клетки крови — 100.
4. По мере старения организма резко увеличивается вероятность перехода клеток в стадию Go – большинство клеток (в том числе и стволовые) утрачивают способность к делению – происходит старение организма. Это, как оказалось, связано с тем, что число делений клетки генетически запрограммировано. После "выработки" своего ресурса клетка переходит в глубокую фазу Go и, пробыв некоторое время в состоянии покоя, стареют и погибают. Например: камбиальные, стволовые клетки кожного эпителия "запрограммированы" примерно на 50 циклов размножения (подробнее о старении клеток смотри § 27 данной главы).
Таким образом – интерфаза, как важная часть жизненного цикла клеток, представляет собой сложнейший процесс, регулируемый множеством как внешних, так и внутренних факторов.
