Деление клеток — это процесс, при котором родительская клетка делится на две дочерние клетки. [1] Деление клетки обычно происходит как часть более крупного клеточного цикла , в котором клетка растет и реплицирует свою хромосому(ы) перед делением. У эукариот существует два различных типа деления клеток: вегетативное деление ( митоз ), при котором образуются дочерние клетки, генетически идентичные родительской клетке, и деление клеток, при котором образуются гаплоидные гаметы для полового размножения ( мейоз ), уменьшающие количество хромосом от по два каждого типа в диплоидной родительской клетке и по одному каждого типа в дочерних клетках. [2] Митоз — это часть клеточного цикла , в ходе которой реплицированные хромосомы разделяются на два новых ядра . Деление клеток приводит к образованию генетически идентичных клеток, в которых сохраняется общее число хромосом. Как правило, митозу (делению ядра) предшествует S-стадия интерфазы ( во время которой происходит репликация ДНК ), за которой следуют телофаза и цитокинез ; который делит цитоплазму , органеллы и клеточную мембрану одной клетки на две новые клетки , содержащие примерно равные доли этих клеточных компонентов. Различные стадии митоза в совокупности определяют фазу М клеточного цикла животных — деление материнской клетки на две генетически идентичные дочерние клетки. [3] Чтобы обеспечить правильное продвижение по клеточному циклу, повреждения ДНК выявляются и восстанавливаются на различных контрольных точках на протяжении всего цикла. Эти контрольные точки могут остановить развитие клеточного цикла, ингибируя определенные комплексы циклин-CDK . Мейоз претерпевает два деления, в результате чего образуются четыре гаплоидные дочерние клетки. Гомологичные хромосомы разделяются при первом делении мейоза, так что каждая дочерняя клетка имеет по одной копии каждой хромосомы. Эти хромосомы уже реплицированы и имеют две сестринские хроматиды, которые затем разделяются во время второго деления мейоза. [4] Оба этих цикла деления клеток используются в процессе полового размножения в определенный момент их жизненного цикла. Считается, что оба они присутствуют у последнего общего предка эукариот.
Прокариоты ( бактерии и археи ) обычно подвергаются вегетативному делению клеток, известному как бинарное деление , при котором их генетический материал разделяется поровну на две дочерние клетки, но наблюдаются и альтернативные способы деления, такие как почкование . Всем делениям клеток, независимо от организма, предшествует один раунд репликации ДНК.
Для простых одноклеточных микроорганизмов, таких как амеба , одно деление клетки эквивалентно размножению — создается совершенно новый организм . В более широком масштабе митотическое деление клеток может создавать потомство от многоклеточных организмов , таких как растения , вырастающие из черенков. Митотическое деление клеток позволяет организмам , размножающимся половым путем, развиваться из одноклеточной зиготы , которая сама образуется путем слияния двух гамет , каждая из которых образуется в результате мейотического деления клеток. [5] [6] После роста из зиготы во взрослую особь деление клеток путем митоза позволяет непрерывно строить и восстанавливать организм. [7] В организме человека за жизнь происходит около 10 квадриллионов делений клеток . [8]
Основной задачей клеточного деления является поддержание исходного генома клетки . Прежде чем произойдет деление, геномная информация, хранящаяся в хромосомах, должна быть реплицирована, а дублированный геном должен быть четко разделен между клетками-потомками. [9] В обеспечении согласованности геномной информации между поколениями задействована значительная часть клеточной инфраструктуры . [10] [11] [12]
Деление бактериальных клеток происходит путем бинарного деления , а иногда и путем почкования . Дивисома представляет собой белковый комплекс у бактерий, который отвечает за деление клеток, сужение внутренних и внешних мембран во время деления и ремоделирование пептидогликановой клеточной стенки в месте деления. Тубулиноподобный белок FtsZ играет решающую роль в формировании сократительного кольца для деления клеток. [14]
Деление клеток у эукариот происходит сложнее, чем у прокариот. Если число хромосом уменьшено, деление эукариотических клеток классифицируется как мейоз (редукционное деление). Если число хромосом не уменьшается, деление эукариотической клетки классифицируется как митоз (эквационное деление). Существует также примитивная форма деления клеток, называемая амитозом . Амитотические или митотические деления клеток более атипичны и разнообразны у различных групп организмов, например у простейших (а именно диатомей , динофлагеллят и др.) и грибов .
В митотической метафазе (см. ниже) обычно хромосомы (каждая из которых содержит 2 сестринские хроматиды, которые развились во время репликации в S-фазе интерфазы) выравниваются на метафазной пластинке. Затем сестринские хроматиды расщепляются и распределяются между двумя дочерними клетками.
В мейозе I гомологичные хромосомы спариваются, а затем разделяются и распределяются между двумя дочерними клетками. С другой стороны, мейоз II похож на митоз. Хроматиды разделяются и распределяются одинаково . У человека, других высших животных и многих других организмов процесс мейоза называется гаметическим мейозом , во время которого мейоз производит четыре гаметы. Тогда как у ряда других групп организмов, особенно у растений (наблюдаемых во время мейоза у низших растений, но на рудиментарной стадии у высших растений), мейоз дает начало спорам , которые прорастают в гаплоидную вегетативную фазу (гаметофит). Такой вид мейоза называется споровым мейозом.
Интерфаза — это процесс, который клетка должна пройти перед митозом, мейозом и цитокинезом . [15] Интерфаза состоит из трех основных фаз: G 1 , S и G 2 . G 1 — это время роста клетки, когда происходят специализированные клеточные функции, необходимые для подготовки клетки к репликации ДНК. [16] Во время интерфазы существуют контрольные точки, которые позволяют клетке либо продвигаться вперед, либо останавливать дальнейшее развитие. Одна из контрольных точек находится между G 1 и S. Целью этой контрольной точки является проверка соответствующего размера клеток и любого повреждения ДНК . Вторая контрольная точка находится в фазе G 2. Эта контрольная точка также проверяет размер клеток, а также репликацию ДНК. Последняя контрольная точка расположена в месте метафазы, где она проверяет правильность соединения хромосом с митотическим веретеном. [17] В S-фазе хромосомы реплицируются для сохранения генетического содержания. [18] Во время G 2 клетка проходит заключительные стадии роста, прежде чем она войдет в фазу М, где синтезируются веретена . Фаза М может быть либо митозом, либо мейозом в зависимости от типа клетки. Зародышевые клетки , или гаметы, подвергаются мейозу, а соматические клетки - митозу. После того, как клетка успешно проходит фазу М, она может подвергнуться клеточному делению посредством цитокинеза. Контроль каждой контрольной точки контролируется циклином и циклин-зависимыми киназами . Прогрессирование интерфазы является результатом увеличения количества циклина. По мере увеличения количества циклина все больше и больше циклин-зависимых киназ прикрепляются к циклину, сигнализируя клетке о дальнейшем переходе в интерфазу. На пике циклина, присоединенного к циклин-зависимым киназам, эта система выталкивает клетку из интерфазы в фазу М, где происходят митоз, мейоз и цитокинез. [19] Есть три контрольных точки перехода, через которые ячейка должна пройти, прежде чем войти в фазу М. Наиболее важным из них является контрольная точка перехода G 1 -S. Если ячейка не проходит эту контрольную точку, это приводит к выходу ячейки из клеточного цикла. [20]
Профаза – первая стадия деления. На этой стадии ядерная оболочка начинает разрушаться, длинные нити хроматина конденсируются, образуя более короткие и видимые нити, называемые хромосомами, ядрышко исчезает, и митотическое веретено начинает собираться из двух центросом. [21] Микротрубочки, связанные с выравниванием и разделением хромосом, называются веретеном и волокнами веретена. Хромосомы также будут видны под микроскопом и будут соединены в центромере. Во время этого периода конденсации и выравнивания в мейозе гомологичные хромосомы подвергаются разрыву своей двухцепочечной ДНК в тех же местах, за которым следует рекомбинация теперь фрагментированных цепей родительской ДНК в неродительские комбинации, известные как кроссинговер. [22] Доказано, что этот процесс в значительной степени вызван высококонсервативным белком Spo11 через механизм, аналогичный тому, который наблюдается с топоизомеразой при репликации и транскрипции ДНК. [23]
Прометафаза – вторая стадия деления клеток. Эта стадия начинается с полного разрушения ядерной оболочки, в результате чего в цитоплазму открываются различные структуры. Этот разрыв затем позволяет аппарату веретена , растущему из центросомы , прикрепиться к кинетохорам на сестринских хроматидах. Устойчивое прикрепление веретенообразного аппарата к кинетохорам сестринских хроматид обеспечит безошибочную сегрегацию хромосом во время анафазы. [24] Прометафаза следует за профазой и предшествует метафазе.
В метафазе центромеры хромосом выравниваются на метафазной пластинке (или экваториальной пластинке ), воображаемой линии, которая находится на равных расстояниях от двух полюсов центросомы и удерживается вместе комплексами, известными как когезины . Хромосомы выстраиваются в середине клетки с помощью центров организации микротрубочек (MTOC), которые толкают и тянут центромеры обеих хроматид, тем самым заставляя хромосому двигаться к центру. На данный момент хромосомы все еще конденсируются и в настоящее время находятся в одном шаге от того, чтобы стать максимально свернутыми и конденсированными, а волокна веретена уже соединились с кинетохорами. [25] Во время этой фазы все микротрубочки, за исключением кинетохор, находятся в состоянии нестабильности, что способствует их переходу в анафазу. [26] В этот момент хромосомы готовы разделиться на противоположные полюса клетки по направлению к веретену, к которому они подключены. [27]
Анафаза — это очень короткая стадия клеточного цикла, которая возникает после выравнивания хромосом в митотической пластинке. Кинетохоры излучают сигналы ингибирования анафазы до тех пор, пока они не прикрепятся к митотическому веретену. Как только последняя хромосома правильно выровнена и прикреплена, последний сигнал рассеивается и вызывает резкий переход в анафазу. [26] Этот резкий сдвиг вызван активацией комплекса, способствующего анафазе, и его функцией по маркировке деградации белков, важных для перехода метафаза-анафаза. Одним из этих расщепляемых белков является секурин , который в результате своего распада высвобождает фермент сепаразу , которая расщепляет когезиновые кольца, удерживающие вместе сестринские хроматиды, что приводит к разделению хромосом. [28] После того, как хромосомы выстроятся в центре клетки, волокна веретена разъединят их. Хромосомы расщепляются, а сестринские хроматиды движутся к противоположным сторонам клетки. [29] Когда сестринские хроматиды раздвигаются, клетка и плазма удлиняются за счет некинетохорных микротрубочек. [30] Кроме того, на этой фазе активация комплекса, способствующего анафазе, посредством ассоциации с Cdh-1 начинает деградацию митотических циклинов. [31]
Телофаза — последняя стадия клеточного цикла, на которой борозда расщепления разделяет цитоплазму клетки (цитокинез) и хроматин. Это происходит за счет синтеза новой ядерной оболочки, которая формируется вокруг хроматина, собранного на каждом полюсе. Ядрышко реформируется, когда хроматин возвращается в рыхлое состояние, в котором он находился во время интерфазы. [32] [33] Деление клеточного содержимого не всегда одинаково и может варьироваться в зависимости от типа клеток, как это видно при формировании ооцитов, когда одна из четырех дочерних клеток обладает большей частью утенка. [34]
Последней стадией процесса деления клеток является цитокинез . На этой стадии происходит деление цитоплазмы, которое происходит в конце митоза или мейоза. На этом этапе происходит необратимое разделение, приводящее к образованию двух дочерних клеток. Деление клетки играет важную роль в определении судьбы клетки. Это связано с возможностью асимметричного разделения. В результате это приводит к цитокинезу, в результате которого образуются неравные дочерние клетки, содержащие совершенно разные количества или концентрации молекул, определяющих судьбу. [35]
У животных цитокинез заканчивается образованием сократительного кольца и последующим его расщеплением. Но у растений происходит иначе. Сначала формируется клеточная пластинка, а затем между двумя дочерними клетками развивается клеточная стенка. [ нужна цитата ]
У делящихся дрожжей ( S. pombe ) цитокинез происходит в фазе G1. [36]
Клетки подразделяются на две основные категории: простые безъядерные прокариотические клетки и сложные ядросодержащие эукариотические клетки. Из-за структурных различий эукариотические и прокариотические клетки делятся неодинаково. Кроме того, механизм деления клеток, который превращает эукариотические стволовые клетки в гаметы ( сперматозоиды у мужчин или яйцеклетки у женщин), называемый мейозом, отличается от процесса деления соматических клеток в организме.
В 2022 году ученые обнаружили новый тип клеточного деления, названный асинтетическим делением, обнаруженный в плоских эпителиальных клетках эпидермиса молодых рыбок данио. Когда молодь рыбок данио растет, клетки кожи должны быстро покрыть быстро увеличивающуюся площадь поверхности рыбки данио. Эти клетки кожи делятся без дублирования своей ДНК (S-фаза митоза), в результате чего до 50% клеток имеют уменьшенный размер генома. Эти клетки позже заменяются клетками со стандартным количеством ДНК. Ученые ожидают обнаружить этот тип деления и у других позвоночных. [38]
Повреждения ДНК обнаруживаются и устраняются на различных этапах клеточного цикла. Контрольные точки G1/S, контрольные точки G2/M и контрольные точки между метафазой и анафазой контролируют повреждение ДНК и останавливают деление клеток путем ингибирования различных комплексов циклин-CDK. Белок -супрессор опухолей p53 играет решающую роль в контрольных точках G1/S и контрольных точках G2/M. Активированные белки р53 приводят к экспрессии многих белков, которые важны для остановки, восстановления и апоптоза клеточного цикла. В контрольной точке G1/S р53 гарантирует, что клетка готова к репликации ДНК, тогда как в контрольной точке G2/M р53 гарантирует, что клетки правильно продублировали свое содержимое перед вступлением в митоз. [39]
В частности, при наличии повреждения ДНК активируются киназы ATM и ATR , активируя различные киназы контрольных точек. [40] Эти киназы контрольных точек фосфорилируют р53, что стимулирует выработку различных ферментов, связанных с репарацией ДНК. [41] Активированный р53 также активирует р21 , который ингибирует различные комплексы циклин-cdk. Эти комплексы циклин-cdk фосфорилируют белок ретинобластомы (Rb) , супрессор опухоли, связанный с семейством транскрипционных факторов E2F. Связывание этого белка Rb гарантирует, что клетки не перейдут в S-фазу преждевременно; однако, если он не сможет фосфорилироваться этими комплексами циклин-cdk, белок останется, и клетка остановится в фазе G1 клеточного цикла. [42]
Если ДНК повреждена, клетка также может изменить путь Akt, при котором BAD фосфорилируется и диссоциируется от Bcl2, тем самым ингибируя апоптоз. Если этот путь изменен мутацией потери функции в Akt или Bcl2, то клетка с поврежденной ДНК будет вынуждена подвергнуться апоптозу. [43] Если повреждение ДНК не может быть восстановлено, активированный р53 может вызвать гибель клеток путем апоптоза . Это можно сделать путем активации модулятора апоптоза с повышенной регуляцией р53 (PUMA) . PUMA представляет собой проапоптотический белок, который быстро индуцирует апоптоз путем ингибирования антиапоптотических членов семейства Bcl-2 . [44]
Многоклеточные организмы заменяют изношенные клетки путем клеточного деления. Однако у некоторых животных деление клеток со временем прекращается. У людей это происходит в среднем после 52 делений, известных как предел Хейфлика . Клетка тогда называется стареющей . С каждым делением теломеры клеток , защитные последовательности ДНК на конце хромосомы , которые предотвращают деградацию хромосомной ДНК, укорачиваются . Это сокращение коррелирует с такими негативными последствиями, как возрастные заболевания и сокращение продолжительности жизни людей. [45] [46] С другой стороны, считается, что раковые клетки не деградируют таким образом, если вообще деградируют. Ферментный комплекс под названием теломераза , присутствующий в больших количествах в раковых клетках, восстанавливает теломеры посредством синтеза теломерных повторов ДНК, позволяя делению продолжаться бесконечно. [47]
Деление клеток под микроскопом было впервые обнаружено немецким ботаником Гуго фон Молем в 1835 году, когда он работал над зеленой водорослью Cladophora glomerata . [48]
В 1943 году деление клеток впервые было снято на видео [49] Куртом Мишелем с помощью фазово-контрастного микроскопа . [50]