Рост клеток относится к увеличению общей массы клетки , включая объем цитоплазмы , ядра и органелл . [1] Рост клеток происходит, когда общая скорость клеточного биосинтеза (производство биомолекул или анаболизм) превышает общую скорость клеточной деградации (разрушение биомолекул через протеасому , лизосому или аутофагию , или катаболизм). [ 2 ] [3] [4]
Рост клеток не следует путать с делением клеток или клеточным циклом , которые являются отдельными процессами, которые могут происходить наряду с ростом клеток в процессе пролиферации клеток , когда клетка, известная как материнская клетка, растет и делится, производя две дочерние клетки . [1] Важно отметить, что рост клеток и клеточное деление также могут происходить независимо друг от друга. Во время раннего эмбрионального развития ( расщепление зиготы с образованием морулы и бластодермы ) деления клеток происходят неоднократно без роста клеток. И наоборот, некоторые клетки могут расти без деления клеток или без какой-либо прогрессии клеточного цикла , например, рост нейронов во время поиска аксонального пути в развитии нервной системы .
.jpg/1280px-The_Biological_bulletin_(20189537288).jpg)
В многоклеточных организмах рост тканей редко происходит исключительно за счет роста клеток без деления клеток , но чаще всего происходит за счет пролиферации клеток . [1] Это происходит потому, что одна клетка, имеющая только одну копию генома в ядре клетки , может осуществлять биосинтез и, таким образом, расти клетками только с половинной скоростью, чем две клетки. Следовательно, две клетки растут (накапливают массу) в два раза быстрее, чем одна клетка, а четыре клетки растут в 4 раза быстрее, чем одна клетка. Этот принцип приводит к экспоненциальному увеличению скорости роста ткани (накоплению массы) во время пролиферации клеток из-за экспоненциального увеличения числа клеток.
Размер клетки зависит как от роста клеток, так и от их деления , при этом непропорциональное увеличение скорости роста клеток приводит к образованию более крупных клеток, а непропорциональное увеличение скорости деления клеток приводит к образованию множества более мелких клеток. Пролиферация клеток обычно включает сбалансированные скорости роста клеток и деления клеток , которые поддерживают примерно постоянный размер клеток в экспоненциально размножающейся популяции клеток.
Некоторые особые клетки могут расти до очень больших размеров посредством необычного клеточного цикла эндорепликации , в котором геном реплицируется во время S-фазы , но нет последующего митоза ( M-фазы ) или деления клеток ( цитокинеза ). Эти большие эндореплицирующиеся клетки имеют много копий генома , поэтому они высокополиплоидны .
Ооциты могут быть необычно большими клетками у видов, у которых эмбриональное развитие происходит вдали от материнского тела внутри яйца, отложенного снаружи. Большой размер некоторых яиц может быть достигнут либо путем закачивания цитозольных компонентов из соседних клеток через цитоплазматические мостики, называемые кольцевыми каналами ( Drosophila ), либо путем интернализации гранул хранения питательных веществ (желточных гранул) путем эндоцитоза ( лягушки ).
Клетки могут расти за счет увеличения общей скорости клеточного биосинтеза таким образом, что производство биомолекул превышает общую скорость клеточной деградации биомолекул через протеасому , лизосому или аутофагию .
Биосинтез биомолекул инициируется экспрессией генов , кодирующих РНК и/или белки , включая ферменты , катализирующие синтез липидов и углеводов .
Отдельные гены, как правило, экспрессируются посредством транскрипции в матричную РНК (мРНК) и трансляции в белки , а экспрессия каждого гена происходит на разных уровнях в зависимости от типа клеток (в ответ на сети регуляции генов ).
Для стимулирования роста клеток глобальная скорость экспрессии генов может быть увеличена за счет повышения общей скорости транскрипции РНК -полимеразой II (для активных генов) или общей скорости трансляции мРНК в белок за счет увеличения количества рибосом и тРНК , биогенез которых зависит от РНК-полимеразы I и РНК-полимеразы III . Фактор транскрипции Myc является примером регуляторного белка, который может индуцировать общую активность РНК-полимеразы I , РНК-полимеразы II и РНК-полимеразы III для стимулирования глобальной транскрипции и трансляции и, таким образом, роста клеток.
Кроме того, активность отдельных рибосом может быть увеличена для повышения глобальной эффективности трансляции мРНК посредством регуляции факторов инициации трансляции, включая комплекс «фактор инициации трансляционного удлинения 4E» ( eIF4E ), который связывается с 5'-концом мРНК и закрывает его . Белок TOR , часть комплекса TORC1 , является важным регулятором инициации трансляции , а также биогенеза рибосом . [5] TOR представляет собой сериновую/треониновую киназу , которая может напрямую фосфорилировать и инактивировать общий ингибитор eIF4E , называемый 4E-связывающим белком (4E-BP) , для повышения эффективности трансляции. TOR также напрямую фосфорилирует и активирует рибосомальный белок S6-киназу ( S6K ), который способствует биогенезу рибосом .
Чтобы подавить рост клеток, можно снизить глобальную скорость экспрессии генов или увеличить глобальную скорость биомолекулярной деградации, увеличив скорость аутофагии . Обычно TOR напрямую подавляет функцию киназы Atg1/ULK1, индуцирующей аутофагию . Таким образом, снижение активности TOR снижает как глобальную скорость трансляции , так и увеличивает степень аутофагии, что приводит к снижению роста клеток.
Многие из сигнальных молекул, контролирующих клеточный рост, называются факторами роста , многие из которых индуцируют передачу сигнала через путь PI3K/AKT/mTOR , который включает восходящую липидную киназу PI3K и нисходящую сериновую/треониновую протеинкиназу Akt , которая способна активировать другую протеинкиназу TOR , которая стимулирует трансляцию и ингибирует аутофагию , стимулируя рост клеток.
Доступность питательных веществ влияет на выработку факторов роста семейства инсулина / ИФР-1 , которые циркулируют в виде гормонов у животных, активируя путь PI3K/AKT/mTOR в клетках для повышения активности TOR, так что когда животные хорошо питаются, они растут быстро, а когда они не могут получать достаточно питательных веществ, они снижают скорость своего роста. Недавно также было продемонстрировано, что клеточный метаболизм бикарбоната, который отвечает за рост клеток, может регулироваться сигнализацией mTORC1. [6]
Кроме того, доступность аминокислот для отдельных клеток также напрямую стимулирует активность TOR , хотя этот способ регуляции более важен для одноклеточных организмов, чем для многоклеточных , таких как животные, которые всегда поддерживают обилие аминокислот в циркуляции.
Одна из спорных теорий предполагает, что многие различные клетки млекопитающих претерпевают зависящие от размера переходы во время клеточного цикла. Эти переходы контролируются циклин-зависимой киназой Cdk1. [7] Хотя белки, контролирующие Cdk1, хорошо изучены, их связь с механизмами, контролирующими размер клетки, остается неясной.
Постулируемая модель контроля размера млекопитающих рассматривает массу как движущую силу клеточного цикла. Клетка не может вырасти до ненормально большого размера, потому что при определенном размере клетки или клеточной массе начинается фаза S. Фаза S запускает последовательность событий, ведущих к митозу и цитокинезу. Клетка не может стать слишком маленькой, потому что более поздние события клеточного цикла, такие как S, G2 и M, задерживаются до тех пор, пока масса не увеличится достаточно для начала фазы S. [8]
Популяции клеток проходят через определенный тип экспоненциального роста, называемый удвоением или клеточной пролиферацией . Таким образом, каждое поколение клеток должно быть вдвое многочисленнее предыдущего поколения. Однако число поколений дает только максимальную цифру, поскольку не все клетки выживают в каждом поколении. Клетки могут размножаться на стадии митоза, где они удваиваются и разделяются на две генетически равные клетки.
Размер клеток сильно варьируется среди организмов, некоторые водоросли, такие как Caulerpa taxifolia, представляют собой одну клетку длиной в несколько метров. [9] Растительные клетки намного крупнее животных, а простейшие, такие как Paramecium, могут иметь длину 330 мкм, в то время как типичная человеческая клетка может быть 10 мкм. Как эти клетки «решают», насколько большими они должны быть перед делением, остается открытым вопросом. Известно, что химические градиенты частично ответственны, и предполагается, что задействовано обнаружение механического напряжения структурами цитоскелета . Работа по этой теме обычно требует организма, клеточный цикл которого хорошо охарактеризован.
Связь между размером клетки и делением клетки была тщательно изучена на примере дрожжей . Для некоторых клеток существует механизм, при котором деление клетки не начинается до тех пор, пока клетка не достигнет определенного размера. Если подача питательных веществ ограничена (после времени t = 2 на диаграмме ниже), а скорость увеличения размера клетки замедлена, период времени между делениями клеток увеличивается. [10] Были выделены мутанты размера клетки дрожжей, которые начинают деление клеток до достижения нормального/обычного размера ( мутанты wee ). [11]
Белок Wee1 — это тирозинкиназа , которая обычно фосфорилирует белок-регулятор клеточного цикла Cdc2 (гомолог CDK1 у людей), циклин-зависимую киназу, по остатку тирозина. Cdc2 управляет входом в митоз, фосфорилируя широкий спектр мишеней. Эта ковалентная модификация молекулярной структуры Cdc2 ингибирует ферментативную активность Cdc2 и предотвращает деление клеток. Wee1 действует, чтобы поддерживать Cdc2 неактивным в течение раннего G2 , когда клетки еще малы. Когда клетки достигают достаточного размера в течение G2, фосфатаза Cdc25 удаляет ингибирующее фосфорилирование и, таким образом, активирует Cdc2, позволяя митотический вход. Баланс активности Wee1 и Cdc25 с изменениями в размере клеток координируется системой контроля митотического входа. Было показано, что у мутантов Wee1, клеток с ослабленной активностью Wee1, Cdc2 становится активным, когда клетка меньше. Таким образом, митоз происходит до того, как дрожжи достигают своего нормального размера. Это говорит о том, что деление клеток может частично регулироваться разбавлением белка Wee1 в клетках по мере их роста.
Протеинкиназа Cdr2 (которая негативно регулирует Wee1) и связанная с Cdr2 киназа Cdr1 (которая напрямую фосфорилирует и ингибирует Wee1 in vitro ) [12] локализуются в полосе кортикальных узлов в середине интерфазных клеток. После вступления в митоз факторы цитокинеза, такие как миозин II , привлекаются в аналогичные узлы; эти узлы в конечном итоге конденсируются, образуя цитокинетическое кольцо. [13] Было обнаружено , что ранее не охарактеризованный белок Blt1 колокализуется с Cdr2 в медиальных интерфазных узлах. Клетки с нокаутом Blt1 имели увеличенную длину при делении, что согласуется с задержкой митотического входа. Это открытие связывает физическое местоположение, полосу кортикальных узлов, с факторами, которые, как было показано, напрямую регулируют митотический вход, а именно Cdr1, Cdr2 и Blt1.
Дальнейшие эксперименты с белками, помеченными GFP , и мутантными белками показывают, что медиальные кортикальные узлы формируются путем упорядоченной, зависимой от Cdr2 сборки множественных взаимодействующих белков во время интерфазы. Cdr2 находится на вершине этой иерархии и работает выше Cdr1 и Blt1. [14] Митоз стимулируется отрицательной регуляцией Wee1 со стороны Cdr2. Также было показано, что Cdr2 рекрутирует Wee1 в медиальный кортикальный узел. Механизм этого рекрутирования еще предстоит открыть. Мутант киназы Cdr2, который способен локализоваться должным образом, несмотря на потерю функции фосфорилирования, нарушает рекрутирование Wee1 в медиальную кору и задерживает вступление в митоз. Таким образом, Wee1 локализуется с помощью своей ингибирующей сети, что демонстрирует, что митоз контролируется посредством отрицательной регуляции Wee1, зависимой от Cdr2, в медиальных кортикальных узлах. [14]
Факторы клеточной полярности, расположенные на кончиках клеток, обеспечивают пространственные сигналы для ограничения распределения Cdr2 в середине клетки. У делящихся дрожжей Schizosaccharomyces pombe ( S. Pombe ) клетки делятся в определенном, воспроизводимом размере во время митоза из-за регулируемой активности Cdk1. [15] Протеинкиназа клеточной полярности Pom1 , член семейства киназ с двойной специфичностью тирозин-фосфорилирования, регулируемых киназ (DYRK), локализуется на концах клетки. В клетках с нокаутом Pom1 Cdr2 больше не был ограничен серединой клетки, а был виден диффузно через половину клетки. Из этих данных становится очевидным, что Pom1 обеспечивает ингибирующие сигналы, которые ограничивают Cdr2 серединой клетки. Было также показано, что сигналы, зависимые от Pom1, приводят к фосфорилированию Cdr2. Было также показано, что клетки с нокаутом Pom1 делятся в меньшем размере, чем клетки дикого типа, что указывает на преждевременное вступление в митоз. [14]
Pom1 образует полярные градиенты, пик которых приходится на концы клеток, что показывает прямую связь между факторами контроля размера и определенным физическим местоположением в клетке. [16] По мере того, как клетка увеличивается в размере, градиент Pom1 растет. Когда клетки маленькие, Pom1 распространяется диффузно по всему телу клетки. По мере того, как клетка увеличивается в размере, концентрация Pom1 уменьшается в середине и концентрируется на концах клетки. Маленькие клетки в раннем G2, которые содержат достаточные уровни Pom1 во всей клетке, имеют неактивный Cdr2 и не могут войти в митоз. Только когда клетки перерастают в позднюю G2, когда Pom1 ограничивается концами клетки, Cdr2 в медиальных кортикальных узлах активируется и может начать ингибирование Wee1. Это открытие показывает, как размер клетки играет прямую роль в регуляции начала митоза. В этой модели Pom1 действует как молекулярная связь между ростом клетки и митотическим входом через путь Cdr2-Cdr1-Wee1-Cdk1. [14] Полярный градиент Pom1 успешно передает информацию о размере и геометрии клетки в регуляторную систему Cdk1. Благодаря этому градиенту клетка обеспечивает достижение определенного, достаточного размера для входа в митоз.
Одним из распространенных способов получения очень больших клеток является слияние клеток для образования синцития . Например, очень длинные (несколько дюймов) клетки скелетных мышц образуются путем слияния тысяч миоцитов . Генетические исследования плодовой мушки Drosophila выявили несколько генов, которые необходимы для образования многоядерных мышечных клеток путем слияния миобластов . [17] Некоторые из ключевых белков важны для адгезии клеток между миоцитами, а некоторые участвуют в зависимой от адгезии передаче сигнала от клетки к клетке , что обеспечивает каскад событий слияния клеток.
Увеличение размера растительных клеток осложняется тем, что почти все растительные клетки находятся внутри твердой клеточной стенки . Под влиянием определенных растительных гормонов клеточная стенка может перестраиваться, что позволяет увеличивать размер клеток, что важно для роста некоторых растительных тканей.
Большинство одноклеточных организмов имеют микроскопические размеры, но есть некоторые гигантские бактерии и простейшие , которые видны невооруженным глазом. (См. Таблицу размеров клеток — Плотные популяции гигантской серной бактерии в шельфовых отложениях Намибии [18] — Крупные простейшие рода Chaos, тесно связанные с родом Amoeba.)
У палочковидных бактерий E. coli , Caulobacter crescentus и B. subtilis размер клеток контролируется простым механизмом, при котором деление клеток происходит после добавления постоянного объема с момента предыдущего деления. [19] [20] Постоянно увеличиваясь на одну и ту же величину, клетки, рожденные меньше или больше среднего, естественным образом сходятся к среднему размеру, эквивалентному объему, добавленному в течение каждого поколения.
Размножение клеток происходит бесполым путем . Для большинства компонентов клетки рост — это постоянный, непрерывный процесс, прерывающийся лишь на короткое время в фазе М, когда ядро, а затем и клетка делятся на две части.
Процесс деления клетки, называемый клеточным циклом , состоит из четырех основных частей, называемых фазами. Первая часть, называемая фазой G 1, отмечена синтезом различных ферментов , которые необходимы для репликации ДНК. Вторая часть клеточного цикла — это фаза S, где репликация ДНК производит два идентичных набора хромосом . Третья часть — фаза G 2 , в которой происходит значительный синтез белка , в основном включающий производство микротрубочек , которые необходимы во время процесса деления, называемого митозом . Четвертая фаза, фаза M, состоит из ядерного деления ( кариокинез ) и цитоплазматического деления ( цитокинез ), сопровождающихся образованием новой клеточной мембраны . Это физическое деление материнской и дочерней клеток. Фаза M была разбита на несколько отдельных фаз, последовательно известных как профаза , прометафаза , метафаза , анафаза и телофаза, приводящие к цитокинезу.
Деление клеток у эукариот сложнее, чем у других организмов. Прокариотические клетки, такие как бактериальные клетки, размножаются бинарным делением — процессом, который включает репликацию ДНК, сегрегацию хромосом и цитокинез. Деление эукариотических клеток включает либо митоз , либо более сложный процесс, называемый мейозом . Митоз и мейоз иногда называют двумя процессами ядерного деления. Бинарное деление похоже на размножение эукариотических клеток, которое включает митоз. Оба приводят к образованию двух дочерних клеток с тем же числом хромосом, что и у родительской клетки. Мейоз используется для особого процесса размножения клеток диплоидных организмов. Он производит четыре особые дочерние клетки ( гаметы ), которые имеют половину нормального количества ДНК в клетке. Затем мужская и женская гамета могут объединиться, чтобы произвести зиготу — клетку, которая снова имеет нормальное количество хромосом.
Остальная часть этой статьи представляет собой сравнение основных особенностей трех типов клеточного размножения, которые включают бинарное деление, митоз или мейоз. На диаграмме ниже показаны сходства и различия этих трех типов клеточного размножения.
Содержание ДНК клетки дублируется в начале процесса размножения клетки. До репликации ДНК содержание ДНК клетки можно представить как количество Z (клетка имеет Z хромосом). После процесса репликации ДНК количество ДНК в клетке составляет 2Z (умножение: 2 x Z = 2Z). Во время бинарного деления и митоза дублированное содержание ДНК воспроизводящейся родительской клетки разделяется на две равные половины, которые должны оказаться в двух дочерних клетках. Заключительной частью процесса размножения клетки является деление клетки , когда дочерние клетки физически разделяются от родительской клетки. Во время мейоза есть два этапа деления клетки, которые вместе производят четыре дочерние клетки.
После завершения бинарного деления или размножения клеток с участием митоза каждая дочерняя клетка имеет то же количество ДНК (Z), что и родительская клетка до репликации своей ДНК. Эти два типа размножения клеток производят две дочерние клетки, которые имеют то же количество хромосом, что и родительская клетка. Хромосомы дублируются до деления клетки при формировании новых клеток кожи для размножения. После размножения мейотических клеток четыре дочерние клетки имеют половину количества хромосом, которое изначально было у родительской клетки. Это гаплоидное количество ДНК, часто обозначаемое как N. Мейоз используется диплоидными организмами для производства гаплоидных гамет. В диплоидном организме, таком как организм человека, большинство клеток тела имеют диплоидное количество ДНК, 2N. Используя эту нотацию для подсчета хромосом, мы говорим, что соматические клетки человека имеют 46 хромосом (2N = 46), в то время как сперма и яйцеклетки человека имеют 23 хромосомы (N = 23). У людей есть 23 различных типа хромосом, 22 аутосомы и особая категория половых хромосом . Существуют две различные половые хромосомы, X-хромосома и Y-хромосома. Диплоидная человеческая клетка имеет 23 хромосомы от отца этого человека и 23 от матери. То есть, ваше тело имеет две копии человеческой хромосомы номер 2, по одной от каждого из ваших родителей.
Сразу после репликации ДНК человеческая клетка будет иметь 46 «двойных хромосом». В каждой двойной хромосоме есть две копии молекулы ДНК этой хромосомы. Во время митоза двойные хромосомы разделяются, образуя 92 «одинарные хромосомы», половина из которых попадает в каждую дочернюю клетку. Во время мейоза происходит два этапа разделения хромосом, которые гарантируют, что каждая из четырех дочерних клеток получает одну копию каждого из 23 типов хромосом.
Хотя клеточное размножение, использующее митоз, может воспроизводить эукариотические клетки, эукариоты беспокоятся о более сложном процессе мейоза, поскольку половое размножение , такое как мейоз, дает селективное преимущество . Обратите внимание, что когда начинается мейоз, две копии сестринских хроматид номер 2 находятся рядом друг с другом. В это время могут происходить события генетической рекомбинации . Информация из ДНК хромосомы 2, полученная от одного родителя (красная), будет передана молекуле ДНК хромосомы 2, полученной от другого родителя (зеленая). Обратите внимание, что в митозе две копии хромосомы номер 2 не взаимодействуют. Рекомбинация генетической информации между гомологичными хромосомами во время мейоза является процессом восстановления повреждений ДНК . Этот процесс также может производить новые комбинации генов, некоторые из которых могут быть адаптивно полезными и влиять на ход эволюции. Однако у организмов с более чем одним набором хромосом на основной стадии жизненного цикла пол также может обеспечивать преимущество, поскольку при случайном спаривании он производит гомозиготы и гетерозиготы в соответствии с соотношением Харди–Вайнберга.
На клеточном уровне может возникнуть ряд нарушений роста, и они, следовательно, лежат в основе большей части последующего течения рака , при котором группа клеток демонстрирует неконтролируемый рост и деление за пределами нормы, инвазию (вторжение и разрушение соседних тканей), а иногда и метастазы (распространение в другие места в организме через лимфу или кровь). Несколько ключевых детерминант роста клеток, таких как плоидность и регуляция клеточного метаболизма , обычно нарушаются в опухолях . [21] Таким образом, гетерогенный рост клеток и плеоморфизм являются одними из самых ранних признаков прогрессирования рака . [22] [23] Несмотря на распространенность плеоморфизма в патологии человека, его роль в прогрессировании заболевания неясна. В эпителиальных тканях неправильная регуляция размера клеток может вызывать дефекты упаковки и рассеивать аберрантные клетки. [24] Но последствия атипичного роста клеток в других тканях животных неизвестны.
Рост клеток можно обнаружить различными методами. Рост размера клеток можно визуализировать с помощью микроскопии , используя подходящие красители. Но увеличение числа клеток обычно более значительно. Его можно измерить путем ручного подсчета клеток под микроскопическим наблюдением, используя метод исключения красителя (например, трипанового синего ) для подсчета только жизнеспособных клеток. Менее требовательные, масштабируемые методы включают использование цитометров , в то время как проточная цитометрия позволяет объединять подсчеты клеток («события») с другими конкретными параметрами: флуоресцентные зонды для мембран, цитоплазмы или ядер позволяют различать мертвые/жизнеспособные клетки, типы клеток, дифференциацию клеток, экспрессию биомаркера, такого как Ki67 . Общая масса клетки, которая включает массу всех ее компонентов, включая ее содержание воды, является динамической величиной, и ее можно измерять в режиме реального времени и отслеживать в течение часов или даже дней с помощью инерционных пиковесов. [25] [26] Плавучая масса клетки, которая соответствует общей массе клетки за вычетом массы вытесняемой ею жидкости, может быть измерена с помощью подвесных микроканальных резонаторов. [27]
Помимо увеличения числа клеток, можно оценить рост метаболической активности, то есть CFDA и кальцеин -AM измеряют (флуориметрически) не только функциональность мембраны (удержание красителя), но и функциональность цитоплазматических ферментов (эстераз). Анализы МТТ (колориметрические) и анализ резазурина (флуориметрические) дозируют митохондриальный окислительно-восстановительный потенциал.
Все эти анализы могут хорошо коррелировать или нет, в зависимости от условий роста клеток и желаемых аспектов (активность, пролиферация). Задача еще более усложняется с популяциями различных клеток, а также при объединении помех росту клеток или токсичности .