Как клетка понимает что нужно делиться
Как клетка узнаёт, что пора делиться
Сигналом к делению служит увеличившийся размер клетки – чем она больше, тем меньше в ней становится концентрация белка, запрещающего клетке делиться.
В жизни каждой клетки наступает пора делиться, но как она узнаёт, что – пора? До сих пор биологи слабо представляли себе природу сигнала к делению. По аналогии с животными можно предположить, что тут всё решает клеточный рост. Действительно, процесс удвоения ДНК, необходимый для деления, начинается тогда, когда клетка достаточно выросла. Но тут возникает другой вопрос – какие молекулярные механизмы могут следить за её размером?
Принцип работы такого механизма вообразить нетрудно: должна быть какая-то молекула (скорее всего, белок), чья концентрация строго привязана к росту клетки. Когда такой молекулы становится слишком много или слишком мало, она запускает деление. «Главным подозреваемым» на эту роль у исследователей из Стэнфорда, экспериментировавших с дрожжами, был белок Cln3, с которого начинается сигнальная цепочка, включающая репликацию ДНК. Но оказалось, что его концентрация в течение жизненного цикла не меняется.
Тогда Курт Шмоллер (Kurt Schmoller) и его коллеги обратились к другим белкам из той же сигнальной цепочки, и, в конце концов, вышли на Whi5. Его, как пишут авторы работы в Nature, бывает очень много в новорождённой клетке, потом же уровень Whi5 начинает падать. Если Whi5 искусственным образом разбавляли, замедляя его синтез, то дрожжи начинали делиться раньше обычного, когда их клетки были ещё небольшими, не достигшими нормального размера деления. Если же, наоборот, уровень его был искусственно завышен, то клетки росли и росли, не переходя к делению. То есть Whi5 служит ингибитором деления, чей эффект зависит от его концентрации.
Главным сюрпризом здесь стало то, что молекулярный переключатель занимает срединное положение в сигнальной цепочке – обычно всё начинается со стартовой молекулы, которая воспринимает некий стимул, после чего передаёт сигнал своим «подчинённым», расположенным далее по цепи. (О том, что эта белковая цепь регулирует клеточный цикл, было известно давно, просто до сих пор было непонятно, как сигнальная цепь чувствует изменения размера клетки.) Подробности работы Whi5 предстоит ещё выяснить, но на молекулярном уровне всё выглядит, скорее всего, так: сам Whi5 связывается с регуляторными последовательностям генов клеточного деления, тем самым выключая их, а когда Whi5 становится мало, то он начинает хуже держаться на ДНК, и подконтрольные ему гены освобождаются от его влияния.
Можно ли полученные результаты распространить на человеческие клетки? Скорее всего, да – на уровне базовых молекулярно-клеточных процессов все эукариоты (а мы с дрожжами относимся к домену эукариот) похожи друг на друга. Отличия же, к примеру, могут быть в том, что за ростом клетки у человека будет следить не совсем такой же, но похожий сигнальный белок. Однако стоит напомнить, что есть случаи, когда клетка делится без предварительного роста: так, про оплодотворённую яйцеклетку говорят, что она дробится – её потомки не растут, и эмбрион на самых первых этапах развития представляет собой комплекс всё уменьшающихся и уменьшающихся клеток. На клеточный рост тут ориентироваться нельзя, так что сигнал к делению, очевидно, имеет иную природу.
Сигналом к делению животной клетки служит скорость её роста
Деление клеток млекопитающих начинается не после достижения ими определённого размера, а на определённом значении скорости роста. Деление клетки — процесс настолько привычный, настолько сам собой разумеющийся, что мало кому приходит в голову задуматься, как же оно происходит. Кажется, учёные знают про клеточное деление всё. Это действительно один из самых исследуемых феноменов в биологии, но при всём повышенном к нему внимании есть много важных вопросов, которые по сей день остаются без ответа. Вот один из них: как клетка узнаёт, когда ей пора делиться? У простых одноклеточных организмов вроде дрожжей с этим более или менее просто: они делятся, когда клетка достигает определённого размера. Но оказывается, что с животными клетками, которые живут в составе сложных многоклеточных организмов, дела обстоят сложнее.
Деление клеток меланомы человека; хромосомы окрашены синим, митохондрии — красным, эндоплазматическая сеть — зелёным. (Фото wellcome images.)
Чтобы знать, что заставляет делиться клетки млекопитающих, нужно проследить за ростом индивидуальной клетки. Долгое время это оставалось нерешаемой задачей: просто не было методов, которые позволяли бы следить за динамикой роста отдельных клеток. В 2007 году учёным из Массачусетского технологического института (США) удалось измерить массу отдельной клетки. Спустя несколько лет они модифицировали изобретённый метод так, что теперь можно было не только один раз взвесить клетку, но и наблюдать в реальном времени, как прирастает её масса.
Суть метода состоит в том, что клетка с потоком жидкости движется через узкую трубку и при этом контактирует с крохотным кремниевым кронштейном-кантилевером. Кронштейн совершает колебательные движения, частота которых меняется при контакте с клеткой. Размер клетки можно посчитать из того, насколько сильно она меняет частоту колебаний кронштейна.
Но для самой клетки эта процедура небезопасна, и несколько путешествий через трубку подряд заканчивались её смертью. А чтобы понять динамику роста и соотнести её с клеточным делением, клетку нужно едва ли не постоянно держать на этих «микровесах». В итоге учёные ещё раз модифицировали конструкцию прибора, с тем чтобы героиня исследования могла задерживаться в трубке и получать питательные вещества для роста. Клетки, с которыми велись эксперименты, на определённых этапах клеточного цикла синтезировали флюоресцентный белок, так что можно было сказать, набирает ли клетка всё ещё вес или уже приступила к делению.
Интенсивный клеточный рост происходит в фазе клеточного цикла G1. Следом за ней наступает фаза S, в которой удваивается ДНК. После этого начинается фаза подготовки к клеточному делению. Исследователи пришли к выводу, что у клеток млекопитающих сигналом к делению служит на размер клетки, а темп роста. В течение «первоначально-накопительной» G1-фазы темп роста у клетки увеличивается, и изменения эти происходят по-разному у разных клеток: у одних скорость нарастает быстрее, у других — медленнее. Но к S-фазе изменения темпа роста у разных клеток уравниваются. То есть удвоение генетического материала, предваряющее деление клетки, начинается в момент, когда достигнута какая-то общая величина скорости роста. Легко понять, что масса клеток при этом не обязательно будет одинаковой. После удвоения ДНК темпы роста клеток снова расходятся.
Статья с результатами исследования опубликована в журнале Nature Methods.
Представленный метод позволяет менять условия среды и наблюдать реакцию клетки в течение разных временных промежутков. Таким образом можно, например, проверять действие веществ, замедляющих или ускоряющих размножение клеток (в том числе раковых), и заниматься поиском генов, контролирующих те или иные этапы клеточного цикла.
Как клетка узнаёт, что пора делиться
Сигналом к делению служит увеличившийся размер клетки – чем она больше, тем меньше в ней становится концентрация белка, запрещающего клетке делиться.
В жизни каждой клетки наступает пора делиться, но как она узнаёт, что – пора- До сих пор биологи слабо представляли себе природу сигнала к делению. По аналогии с животными можно предположить, что тут всё решает клеточный рост. Действительно, процесс удвоения ДНК, необходимый для деления, начинается тогда, когда клетка достаточно выросла. Но тут возникает другой вопрос – какие молекулярные механизмы могут следить за её размером-
Принцип работы такого механизма вообразить нетрудно: должна быть какая-то молекула (скорее всего, белок), чья концентрация строго привязана к росту клетки. Когда такой молекулы становится слишком много или слишком мало, она запускает деление. «Главным подозреваемым» на эту роль у исследователей из Стэнфорда, экспериментировавших с дрожжами, был белок Cln3, с которого начинается сигнальная цепочка, включающая репликацию ДНК. Но оказалось, что его концентрация в течение жизненного цикла не меняется.
Тогда Курт Шмоллер (Kurt Schmoller) и его коллеги обратились к другим белкам из той же сигнальной цепочки, и, в конце концов, вышли на Whi5. Его, как пишут авторы работы в Nature, бывает очень много в новорождённой клетке, потом же уровень Whi5 начинает падать. Если Whi5 искусственным образом разбавляли, замедляя его синтез, то дрожжи начинали делиться раньше обычного, когда их клетки были ещё небольшими, не достигшими нормального размера деления. Если же, наоборот, уровень его был искусственно завышен, то клетки росли и росли, не переходя к делению. То есть Whi5 служит ингибитором деления, чей эффект зависит от его концентрации.
Главным сюрпризом здесь стало то, что молекулярный переключатель занимает срединное положение в сигнальной цепочке – обычно всё начинается со стартовой молекулы, которая воспринимает некий стимул, после чего передаёт сигнал своим «подчинённым», расположенным далее по цепи. (О том, что эта белковая цепь регулирует клеточный цикл, было известно давно, просто до сих пор было непонятно, как сигнальная цепь чувствует изменения размера клетки.) Подробности работы Whi5 предстоит ещё выяснить, но на молекулярном уровне всё выглядит, скорее всего, так: сам Whi5 связывается с регуляторными последовательностям генов клеточного деления, тем самым выключая их, а когда Whi5 становится мало, то он начинает хуже держаться на ДНК, и подконтрольные ему гены освобождаются от его влияния.
Можно ли полученные результаты распространить на человеческие клетки- Скорее всего, да – на уровне базовых молекулярно-клеточных процессов все эукариоты (а мы с дрожжами относимся к домену эукариот) похожи друг на друга. Отличия же, к примеру, могут быть в том, что за ростом клетки у человека будет следить не совсем такой же, но похожий сигнальный белок. Однако стоит напомнить, что есть случаи, когда клетка делится без предварительного роста: так, про оплодотворённую яйцеклетку говорят, что она дробится – её потомки не растут, и эмбрион на самых первых этапах развития представляет собой комплекс всё уменьшающихся и уменьшающихся клеток. На клеточный рост тут ориентироваться нельзя, так что сигнал к делению, очевидно, имеет иную природу.
Теория предельного деления клеток
Клетки: особенности строения и деления
Клеточная теория является одной из основополагающих в современной биологии. Ее разработка стала неопровержимым доказательством единства всего живого на Земле.
Согласно клеточной теории, клетка это — структурно-функциональная элементарная единица строения, функционирования, размножения и развития всех живых организмов. Вне клетки нет жизни.
Все клеточные формы жизни на Земле можно разделить на две большие группы на основании структуры их строения.
Прокариоты (доядерные) — более простые по строению, которые возникли на ранних стадиях процесса эволюции.
Эукариоты (ядерные) — более сложные, которые возникли и развивались на более поздних стадиях процесса эволюции.
Клетки, составляющие тело человека, являются эукариотическими. По последним данным ученых в теле обычного человека насчитывается в среднем 37,2 триллиона клеток.
Справочно: группа ученых из Италии, Греции и Испании поставила себе задачу определить реальное количество клеток в человеческом организме. Они изучили все ранние научные труды в этой области за последние сто лет.
В результате обнаружили большой разброс в оценках данного показателя, который вирировался от 5 миллиардов до 200 триллионов клеток.
Поэтому авторам пришлось проделать скрупулезную работу, сделав отдельный подсчет клеток для каждого органа человеческого тела и для разных типов клеток организма.
Были посчитаны число и плотность клеток в сердце, легких, мозге, центральной нервной системе, кишечнике, желчном пузыре, костях, соединительных тканях, крови и многих других частях человеческого организма.
Просуммировав полученные результаты, ученые пришли к выводу, что в организме человека в среднем насчитывается 37.2 триллионов клеток.
В организме человека присутствует примерно 300 типов клеток, которые подразделяются на две большие группы:
• клетки, которые могут делиться и размножаться, то есть, они митотически компетентны;
• клетки, которые не делятся, их называют постмитотические. Это достигшие крайней стадии дифференцировки нейроны, кардиомиоциты, зернистые лейкоциты и другие.
Несмотря на многообразие форм, организация клеток всех живых организмов подчинена единым структурным принципам.
Большинство клеток человеческого организма постоянно делятся, на смену старым приходят новые. Благодаря этому процессу в течение жизни организм имеет возможность обновляться и восстанавливаться.
По подсчетам ученых, клетки человека за 70 лет жизни суммарно претерпевают порядка 1014 клеточных делений.*
Таким образом, каждая мышца, каждый орган, каждая функциональная система, человека в течение жизни несколько раз «молодеет», как бы рождаясь заново.
Наиболее распространённый способ репродукции эукариотических клеток человека, один из фундаментальных процессов онтогенеза это митоз – непрямое деление клетки.
Процесс размножения клеток называют пролиферацией. Размножение регулируется как самой клеткой (аутокринными ростовыми факторами), так и ее микроокружением (паракринными сигналами).
Активация пролиферации происходит через клеточную мембрану, в которой присутствуют рецепторы, воспринимающие митогенные сигналы. Это в основном ростовые факторы и межклеточные контактные сигналы.
Ростовые факторы обычно имеют белковую, пептидную природу (определенную последовательность соединения аминокислот). В настоящее время ученым известно около 100 таких факторов, в том числе:
• фактор роста тромбоцитов, который участвует в тромбообразовании и заживлении ран;
• эпителиальный фактор роста;
• фактор некроза опухолей;
• колониестимулирующие факторы;
• различные цитокины — интерлейкины и т.д.
Время существования клетки от деления до деления называется клеточным циклом.
После активации пролиферации клетка выходит из фазы покоя G0 и начинается клеточный цикл. Клеточный цикл может активироваться или инактивироваться.
В процессе активации могут участвовать киназы – ферменты катализаторы переноса фосфатной группы от молекулы аденозинтрифосфата (АТФ), обеспечивая включение клюкозы и гликогена в процесс гликолиза в живых клетках.
Инактивированиия регулируется за счет различных ингибиторов – веществ подавляющих или задерживающих течение физиологических и физико-химических, ферментативных процессов.
Молекулярные механизмы, приводящие к необратимой остановке клеточного цикла, контролируются генами-супрессорами.
Цель такой сложной организации процесса регуляции — обеспечить синтез ДНК с минимально возможным числом ошибок, чтобы и дочерние клетки имели абсолютно идентичный наследственный материал.
Проверка правильности копирования ДНК осуществляется в четырех «контрольных точках» клеточного цикла. Если обнаруживаются ошибки, то клеточный цикл останавливается, и включается репарация ДНК.
Если нарушения структуры ДНК удается исправить — клеточный цикл продолжается. Если нет — клетка может «покончить с собой» путем апоптоза, чтобы избежать вероятности превращения в раковую.
Супрессию клеточного цикла в фазе G1 осуществляет белок p53, действующий через ингибитор циклин-зависимой киназы р21.
Следует отметить, что в последние годы, пожалуй, ни один другой белок не изучался так интенсивно, как р53. За четверть века с момента открытия ему было посвящено более 40 тысяч научных работ, и их число неуклонно продолжает расти.
Очевидно, белок р53 не только получает сигналы о превышении некоторых пороговых величин в каждом из клеточных процессов, но и обеспечивает адекватные этим величинам ответы, обеспечивающие координированную коррекцию этих процессов, дальнейшее поведение и судьбу клеток.
Роль р53 в организме можно сравнить с ролью дирижера в оркестре – его функции осуществлять контроль за выполнением выработанных эволюцией программ, схем поведения клеток в разнообразных условиях.
Основная его биологическая роль заключается в обеспечении стабильности генома и генетической однородности клеток в целостном организме.
Контролирующая функция р53 заключается в предотвращении отклонений и связанных с ними патологий,
Транскрипционный фактор р53 активируется при повреждениях ДНК, и в этом случае его функция заключается в удалении из реплицирующихся клеток тех, которые являются потенциально онкогенными.
Не случайно ген р53 часто метафорически называют как «стражом генома», «ангелом-хранителем», «геном совести клетки».; Эти эпитеты наглядно отражают роль белка в предотвращении многих болезней.
Биологические пределы способности клетки к делению,
порог Хейфлика
Одна из современных гипотез старения организма носит название «клеточной смерти» или теории предельного деления клеток.
Эта теория, также как и свободно-радикальная теория рассматривает процесс старения на клеточном уровне.
Еще в 1957 г. знаменитый американский физик Лео Силард (1898-1964), изучавший влияние на клетки радиации, приводящей к прогерии — ускоренному старению, предположил, что в старости организм может быть еще вполне здоров, только количество клеток в каждой мышце, в каждом органе становится все меньше.
Развивая эту гипотезу, американский профессор анатомии медицинской школы Калифорнийского университета Леонард Хейфлик (20 мая 1928 г.) выдвинул гипотезу о том, что процесс старения связан с биологическим пределом способности клетки к делению.
В 1961 г., проводя серию экспериментов, ученый обнаружил определенные закономерности в процессах деления клеток.
Он предположил, что легочная ткань, по-видимому, отмирает после того, как ее клетки поделились определенное количество раз. Затем он экспериментально установил, что соматические (телесные) клетки могут делиться только ограниченное число раз.
Вероятно, в клетках существует своеобразный молекулярный счетчик. Он фиксирует, сколько делений уже сделано, и не дает клетке делиться сверх определенного генетически заданного предела.
Позднее, в 1969–1977 гг., проводя исследования человеческого эмбриона в Институте Уистара в Филадельфии, Хейфлик установил, что основная клеточная форма соединительной ткани организма, так называемые фибробласты клеток кожи делятся примерно 50 раз плюс-минус 10 раз, после чего процесс деления останавливается.
При этом у новорожденных клетки могут делиться 80–90 раз, а у стариков (70 лет и старше) только 20–30 раз.
Кроме того, в культуре ткани, т.е. вне организма, клетки человека могут делиться также не больше 50 раз, после чего погибают.
Усложнив эксперимент, ученый взял клеточные культуры, которые были заморожены после того, как клетки разделились 25 раз.
Оттаяв, эти клетки продолжили делиться, пока не достигли предела в 50 делений, а затем все же погибли.
Особо следует подчеркнуть, что когда клетки приближались к своему пределу деления, они начинали напоминать старую ткань с возрастными пигментами, которые обнаруживаются в постаревших клетках сердца и головного мозга.
Гибель клеток или ослабление функции в тех клетках, которые не подвержены делению, по окончании развития приводит к ослаблению организма.
В результате постепенно тело утрачивает способность к обновлению, а весь организм теряет возможность к восстановлению, что приводит к старению органов и систем.
Выявленные американским профессором закономерности предельного деления клеток в научной среде получили название «порог Хейфлика».
Новое в блогах
Зачем клетка делится?
Деление клетки (митоз) – это бесполый метод размножения. При этом из одной клетки получаются две (не три или 4, а именно ДВЕ). Нельзя сказать, что одна из них материнская, а другая – дочерняя, как нам говорили в школе. Это по сути одна клетка, разделившаяся сама в себе.
Но зачем клетка делится? Почему она не может продолжать одиночное существование? Это похоже на то, как частички внутри клетки разделились по какому-то принципиальному вопросу на 2 партии и не смогли прийти к единому мнению. В результате решили разойтись каждый своим путем.
Пока клетка находится в состоянии обычного функционирования, она имеет почти однородную структуру, что-то вроде комочка слизи или мяса. Когда клетка готовится к митозу, она увеличивается в размерах и в ней уплотняются и становятся видимыми некие структуры, которые называют хромосомами. Потом эти структуры удваиваются как бы в зеркальном отображении, и отделяются друг от друга, увлекая за собой внутриклеточное вещество. Потом происходит окончательный разрыв, и вместо одной клетки мы видим две самостоятельные. А внутриклеточная среда вновь становится однородной, хромосомы как бы рассасываются.
Таким образом, хромосомы – это не постоянные органы клетки, а нечто временно образующееся перед процессом деления.
(Более подробно о стадиях деления клетки можно почитать здесь: http://www.rlsnet.ru/books_book_id_2_page_18.htm)
Идентичны ли друг другу эти вновь образованные клетки? Я думаю, нет. Иначе какой был бы смысл в делении? Между ними есть какая-то принципиальная разница, которая не позволила им оставаться одним целым. Да, они внешне похожи, как отражения друг друга, но все же имеют какое-то структурное различие, которое определяет их дальнейшую судьбу и дифференцировку.
Человеческий организм развивается в утробе из одной-единственной клетки. Только клетки после деления не разбегаются в разные стороны, а продолжают взаимодействовать между собой, образуя сложные структуры – органы. Этот процесс внутриутробного развития называется онтогенез. Он как бы повторяет в ускоренном темпе филогенез, т.е. всю эволюцию жизни, предшествующую оплодотворению. Весь накопленный за историю эволюции опыт воплощается в конкретный организм, в единую, уникальную личность, обладающую самосознанием. И особенность полового размножения состоит в том, что эта личность либо мужчина, либо женщина. Т.е. это разные жизненные позиции, разные мировоззрения, которые и заставляли клетку делиться и образовывать органы.
Видимо, это и есть та самая первая клетка, разделившаяся в себе неравным образом. Или, как сказано в Библии: «И навел Господь Бог на человека крепкий сон; и, когда он уснул, взял одно из ребер его, и закрыл то место плотию. И создал Господь Бог из ребра, взятого у человека, жену, и привел ее к человеку».
«И сказал человек: вот, это кость от костей моих и плоть от плоти моей; она будет называться женою, ибо взята от мужа своего. Потому оставит человек отца своего и мать свою и прилепится к жене своей; и будут два одна плоть. И были оба наги, Адам и жена его, и не стыдились». Очень похоже на период внутриутробного развития.
В Коране об этом сказано следующее:
« Он — Тот, Кто сотворил вас из одной души. Для вас есть место пребывания (на земле или в утробах матерей) и место хранения (в могилах или чреслах отцов). Мы уже разъяснили знамения для людей понимающих».
« 0 люди! Если вы сомневаетесь в воскрешении, то ведь Мы сотворили вас из земли, потом — из капли, потом — из сгустка крови, потом — из разжеванного кусочка, сформировавшегося или не сформировавшегося. Так Мы разъясняем вам истину. Мы помещаем в утробах то, что желаем, до назначенного срока. Потом Мы выводим вас младенцами, чтобы вы могли достигнуть зрелого возраста».
Таким образом, судьба каждого человека в биологическом смысле – это цепь перевоплощений в различных вариациях в поисках оптимального варианта воплощения, достойного быть увековеченным на Земле.