Рост клеток означает увеличение 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 посредством протеасомы , лизосомы или аутофагии или катаболизма). [2] [3] [4]
Рост клеток не следует путать с делением клеток или клеточным циклом , которые представляют собой отдельные процессы, которые могут происходить параллельно с ростом клеток в процессе пролиферации клеток , когда клетка, известная как материнская клетка, растет и делится с образованием двух дочерних клеток. . [1] Важно отметить, что рост и деление клеток также могут происходить независимо друг от друга. Во время раннего эмбрионального развития ( дробление зиготы с образованием морулы и бластодермы ) клеточные деления происходят неоднократно без роста клеток . И наоборот, некоторые клетки могут расти без клеточного деления или без какого-либо прогресса клеточного цикла , например, рост нейронов во время поиска аксональных путей 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 связано с тем, что одна клетка только с одной копией генома в клеточном ядре может осуществлять биосинтез и, таким образом, подвергаться клеточному росту лишь вдвое медленнее, чем две клетки. Следовательно, две клетки растут (набирают 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 тканей (накоплению массы) во время пролиферации клеток за счет экспоненциального увеличения количества клеток.
Размер клеток зависит как от роста клеток, так и от деления клеток : 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 в себя сбалансированную скорость роста и деления клеток , которая поддерживает примерно постоянный размер клеток в экспоненциально пролиферирующей популяции клеток.
Некоторые специальные клетки могут вырасти до очень больших размеров посредством необычного клеточного цикла эндорепликации , в котором геном реплицируется во время S-фазы , но не происходит последующего митоза ( М-фаза ) или деления клеток ( цитокинез ). Эти крупные эндореплицирующиеся клетки имеют множество копий генома , поэтому являются высокополиплоидными .
Ооциты могут представлять собой необычно крупные клетки у видов, у которых эмбриональное развитие происходит вне тела матери в яйцеклетке, отложенной снаружи. Больших размеров некоторых яиц можно достичь либо закачиванием цитозольных компонентов из соседних клеток через цитоплазматические мостики, называемые кольцевыми каналами ( дрозофила ), либо за счет интернализации гранул хранения питательных веществ (гранул желтка) путем эндоцитоза ( лягушки ).
Клетки могут расти за счет увеличения общей скорости клеточного биосинтеза , так что производство биомолекул превышает общую скорость клеточной деградации биомолекул через протеасому , лизосому или аутофагию .
Биосинтез биомолекул инициируется экспрессией генов , кодирующих РНК и/или белки , в том числе ферментов , катализирующих синтез липидов и углеводов .
Отдельные гены обычно экспрессируются посредством транскрипции в информационную РНК (мРНК) и трансляции в белки , причем экспрессия каждого гена происходит на различных уровнях в зависимости от типа клеток (в ответ на регуляторные сети генов ).
Чтобы стимулировать рост клеток, можно увеличить глобальную скорость экспрессии генов за счет увеличения 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 , чтобы управлять глобальной транскрипцией и трансляцией и, следовательно, ростом клеток.
Кроме того, активность отдельных рибосом можно увеличить, чтобы повысить общую эффективность трансляции мРНК посредством регуляции факторов инициации трансляции, включая комплекс «фактора инициации элонгации трансляции 4E» ( eIF4E ), который связывается и блокирует 5'-конец мРНК. мРНК . Белок TOR , входящий в состав комплекса TORC1 , является важным регулятором инициации трансляции , а также биогенеза рибосом . [5] TOR представляет собой серин/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 протеин S6-киназу ( S6K ), которая способствует биогенезу рибосом .
Чтобы ингибировать рост клеток, можно снизить глобальную скорость экспрессии генов или увеличить глобальную скорость биомолекулярной деградации за счет увеличения скорости аутофагии . TOR обычно напрямую ингибирует функцию киназы Atg1/ULK1 , индуцирующей аутофагию . Таким образом, снижение активности TOR снижает глобальную скорость трансляции и увеличивает степень аутофагии , снижая рост клеток.
Многие из сигнальных молекул, которые контролируют клеточный рост, называются факторами роста , многие из которых индуцируют передачу сигнала по пути PI3K/AKT/mTOR , который включает вышестоящую липидкиназу PI3K и нижестоящую серин/треониновую протеинкиназу Akt , которая способна активировать другую протеинкиназу TOR , которая способствует трансляции и подавляет аутофагию , стимулирующую рост клеток.
Доступность питательных веществ влияет на выработку факторов роста семейства инсулина / ИФР-1 , которые циркулируют в организме животных в виде гормонов, активируя путь PI3K/AKT/mTOR в клетках и стимулируя активность TOR , так что, когда животные сыты, они будут быстро расти, а когда они не смогут получать достаточное количество питательных веществ и замедлят скорость своего роста. Недавно также было продемонстрировано, что клеточный метаболизм бикарбоната, который отвечает за рост клеток, может регулироваться передачей сигналов mTORC1. [6]
Кроме того, доступность аминокислот для отдельных клеток также напрямую способствует активности TOR , хотя этот способ регуляции более важен для одноклеточных организмов, чем для многоклеточных , таких как животные, которые всегда поддерживают избыток аминокислот в кровообращении.
Одна из спорных теорий предполагает, что многие различные клетки млекопитающих претерпевают изменения в зависимости от размера в течение клеточного цикла. Эти переходы контролируются циклинзависимой киназой Cdk1. [7] Хотя белки, которые контролируют Cdk1, хорошо изучены, их связь с механизмами контроля размера клеток остается неясной.
Постулируемая модель контроля размера млекопитающих рассматривает массу как движущую силу клеточного цикла. Клетка не может вырасти до аномально большого размера, потому что при определенном размере клетки или клеточной массе инициируется S-фаза. Фаза S запускает последовательность событий, приводящих 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, чтобы начать S-фазу. [8]
Популяции клеток проходят особый тип экспоненциального роста , называемый удвоением или пролиферацией клеток . Таким образом, каждое поколение клеток должно быть вдвое больше, чем предыдущее поколение. Однако количество поколений дает только максимальную цифру, поскольку не все клетки выживают в каждом поколении. Клетки могут размножаться на стадии митоза, когда они удваиваются и делятся на две генетически равные клетки.
Размер клеток у разных организмов сильно различается: некоторые водоросли, такие как Caulerpa Taxifolia, представляют собой одну клетку длиной несколько метров. [9] Растительные клетки намного крупнее клеток животных, а длина протистов, таких как Paramecium , может достигать 330 мкм, тогда как типичная человеческая клетка может иметь длину 10 мкм. Как эти клетки «решают», насколько большими они должны быть перед делением, остается открытым вопросом. Известно, что отчасти ответственными за это являются химические градиенты, и предполагается, что в этом участвует обнаружение механического стресса структурами цитоскелета . Для работы над этой темой обычно требуется организм, клеточный цикл которого хорошо охарактеризован.
Взаимосвязь между размером клеток и их делением широко изучалась на дрожжах . Для некоторых клеток существует механизм, по которому деление клеток не начинается до тех пор, пока клетка не достигнет определенного размера. Если поступление питательных веществ ограничено (после времени t = 2 на диаграмме ниже) и скорость увеличения размера клеток замедляется, период времени между делениями клеток увеличивается. [10] Были выделены мутанты по размеру дрожжевых клеток, которые начинают деление клеток до достижения нормального/регулярного размера ( крошечные мутанты). [11]
Белок Wee1 представляет собой тирозинкиназу , которая в норме фосфорилирует белок, регулирующий клеточный цикл Cdc2 (гомолог CDK1 у человека), циклин-зависимую киназу, по остатку тирозина. Cdc2 обеспечивает вступление в митоз путем фосфорилирования широкого спектра мишеней. Эта ковалентная модификация молекулярной структуры Cdc2 ингибирует ферментативную активность Cdc2 и предотвращает деление клеток. Wee1 сохраняет Cdc2 неактивным во время раннего G2 , когда клетки еще малы. Когда клетки достигают достаточного размера во время G2, фосфатаза Cdc25 удаляет ингибирующее фосфорилирование и, таким образом, активирует Cdc2, обеспечивая вход в митоз. Баланс активности Wee1 и Cdc25 с изменениями размера клеток координируется системой контроля входа в митоз. На мутантах Wee1, клетках с ослабленной активностью Wee1, было показано, что Cdc2 становится активным, когда клетка становится меньше. Таким образом, митоз происходит до того, как дрожжи достигнут нормального размера. Это предполагает, что деление клеток может частично регулироваться за счет разбавления белка Wee1 в клетках по мере их роста.
Протеинкиназа Cdr2 (которая негативно регулирует Wee1) и родственная Cdr2 киназа Cdr1 (которая непосредственно фосфорилирует и ингибирует Wee1 in vitro ) [12] локализованы в полосе корковых узлов в середине интерфазных клеток. После вступления в митоз факторы цитокинеза, такие как миозин II, рекрутируются в аналогичные узлы; эти узлы в конечном итоге конденсируются, образуя цитокинетическое кольцо. [13] Было обнаружено , что ранее неохарактеризованный белок Blt1 колокализуется с Cdr2 в медиальных интерфазных узлах. Клетки, нокаутные по Blt1, имели увеличенную длину при делении, что согласуется с задержкой вступления в митоз. Это открытие связывает физическое местоположение, группу корковых узлов, с факторами, которые, как было показано, напрямую регулируют вход в митозы, а именно Cdr1, Cdr2 и Blt1.
Дальнейшие эксперименты с белками, меченными GFP , и мутантными белками показывают, что медиальные кортикальные узлы формируются посредством упорядоченной, Cdr2-зависимой сборки множества взаимодействующих белков во время интерфазы. Cdr2 находится на вершине этой иерархии и работает выше Cdr1 и Blt1. [14] Митозу способствует негативная регуляция Wee1 с помощью Cdr2. Также было показано, что Cdr2 рекрутирует Wee1 в медиальный кортикальный узел. Механизм этой вербовки еще предстоит выяснить. Мутант киназы Cdr2, который способен правильно локализоваться, несмотря на потерю функции фосфорилирования, нарушает рекрутирование Wee1 в медиальную кору и задерживает вступление в митоз. Т.о., Wee1 локализуется с помощью своей ингибирующей сети, что демонстрирует, что митоз контролируется посредством Cdr2-зависимой негативной регуляции Wee1 в медиальных кортикальных узлах. [14]
Факторы полярности клеток, расположенные на кончиках клеток, обеспечивают пространственные сигналы, ограничивающие распространение Cdr2 в середину клетки. У делящихся дрожжей Schizosaccharomyces pombe ( S. Pombe ) клетки делятся на определенный, воспроизводимый размер во время митоза из-за регулируемой активности Cdk1. [15] Протеинкиназа клеточной полярности Pom1 , член семейства киназ, регулируемых тирозин-фосфорилированием двойной специфичности (DYRK), локализуется на концах клеток. В клетках с нокаутом Pom1 Cdr2 больше не ограничивался серединой клетки, а был виден диффузно через половину клетки. Из этих данных становится очевидным, что Pom1 обеспечивает ингибирующие сигналы, которые удерживают Cdr2 в середине клетки. Далее было показано, что Pom1-зависимые сигналы приводят к фосфорилированию Cdr2. Также было показано, что клетки, нокаутные Pom1, делятся с меньшим размером, чем клетки дикого типа, что указывает на преждевременное вступление в митоз. [14]
Pom1 формирует полярные градиенты, достигающие максимума на концах клеток, что указывает на прямую связь между факторами контроля размера и конкретным физическим местоположением в клетке. [16] По мере увеличения размера клетки градиент Pom1 увеличивается. Когда клетки маленькие, Pom1 диффузно распространяется по телу клетки. По мере увеличения размера клетки 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 вступить в митоз. Только когда клетки перерастают в позднюю G2, когда Pom1 ограничивается концами клеток, Cdr2 в медиальных кортикальных узлах активируется и становится способным начать ингибирование Wee1. Это открытие показывает, как размер клеток играет прямую роль в регуляции начала митоза. В этой модели Pom1 действует как молекулярное звено между ростом клеток и входом в митоз через путь Cdr2-Cdr1-Wee1-Cdk1. [14] Полярный градиент Pom1 успешно передает информацию о размере и геометрии клеток в регуляторную систему Cdk1. Благодаря этому градиенту клетка гарантирует, что она достигла определенного размера, достаточного для вступления в митоз.
Одним из распространенных способов получения очень крупных клеток является слияние клеток с образованием синцития . Например, очень длинные (несколько дюймов) клетки скелетных мышц образуются путем слияния тысяч миоцитов . Генетические исследования плодовой мухи Drosophila выявили несколько генов, которые необходимы для образования многоядерных мышечных клеток путем слияния миобластов . [17] Некоторые из ключевых белков важны для клеточной адгезии между миоцитами, а некоторые участвуют в зависимой от адгезии передаче сигнала от клетки к клетке , что обеспечивает каскад событий слияния клеток.
Увеличение размеров растительных клеток осложняется тем фактом, что почти все растительные клетки находятся внутри твердой клеточной стенки . Под влиянием определенных растительных гормонов клеточная стенка может реконструироваться, что позволяет увеличить размер клеток, что важно для роста некоторых тканей растения.
Большинство одноклеточных организмов имеют микроскопические размеры, но есть некоторые гигантские бактерии и простейшие , видимые невооруженным глазом. (См. Таблицу размеров клеток — Плотные популяции гигантской серной бактерии в отложениях шельфа Намибии [18] — Крупные протисты рода Chaos, близкородственные роду Amoeba.)
У палочковидных бактерий E. coli , Caulobacter crescentus и B. subtilis размер клеток контролируется простыми механизмами, при которых деление клеток происходит после добавления постоянного объема с момента предыдущего деления. [19] [20] Поскольку клетки всегда растут на одну и ту же величину, клетки, рожденные размером меньше или больше среднего, естественным образом сходятся к среднему размеру, эквивалентному количеству, добавленному в течение каждого поколения.
Размножение клеток бесполое . Для большинства компонентов клетки рост представляет собой устойчивый, непрерывный процесс, прерывающийся лишь ненадолго в фазе М , когда ядро, а затем клетка делятся на две части.
Процесс деления клеток, называемый клеточным циклом , состоит из четырех основных частей, называемых фазами. Первая часть, называемая фазой G1, отмечена синтезом различных ферментов , необходимых для репликации ДНК. Вторая часть клеточного цикла — это фаза S, когда репликация ДНК производит два идентичных набора хромосом . Третья часть — это фаза G2 , в которой происходит значительный синтез белка , в основном связанный с выработкой микротрубочек , которые необходимы в процессе деления, называемом митозом . Четвертая фаза, М-фаза, состоит из деления ядра ( кариокинез ) и деления цитоплазмы ( цитокинез ), сопровождающихся образованием новой клеточной мембраны . Это физическое деление материнских и дочерних клеток. Фаза М разделена на несколько отдельных фаз, последовательно известных как профаза , прометафаза , метафаза , анафаза и телофаза, приводящие к цитокинезу.
Деление клеток у эукариот более сложное, чем у других организмов. Прокариотические клетки, такие как бактериальные клетки, размножаются путем бинарного деления — процесса, 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 деления ядра . Бинарное деление похоже на размножение эукариотических клеток, которое включает митоз. Оба приводят к образованию двух дочерних клеток с тем же количеством хромосом, что и родительская клетка. Мейоз используется для особого процесса размножения клеток диплоидных организмов. Он производит четыре специальные дочерние клетки ( гаметы ), которые содержат половину нормального клеточного количества ДНК. Затем мужская и женская гамета могут объединиться, чтобы образовать зиготу — клетку, которая снова имеет нормальное количество хромосом.
Оставшаяся часть статьи представляет собой сравнение основных особенностей трех типов размножения клеток, которые включают бинарное деление, митоз или мейоз. На диаграмме ниже показаны сходства и различия этих трех типов размножения клеток.
Содержимое ДНК клетки дублируется в начале процесса воспроизводства клеток. До репликации ДНК содержание ДНК в клетке можно представить как количество Z (клетка имеет Z-хромосомы). После процесса репликации ДНК количество ДНК в клетке составляет 2Z (умножение: 2 x Z = 2Z). Во время бинарного деления и митоза дублированное содержимое ДНК воспроизводящейся родительской клетки разделяется на две равные половины, которым суждено оказаться в двух дочерних клетках. Заключительной частью процесса воспроизводства клеток является деление клеток , когда дочерние клетки физически отделяются от родительской клетки. Во время мейоза происходят два этапа деления клеток, которые вместе производят четыре дочерние клетки.
После завершения бинарного деления или размножения клеток с участием митоза каждая дочерняя клетка имеет такое же количество ДНК (Z), как и родительская клетка до того, как она реплицировала свою ДНК. Эти два типа размножения клеток дали две дочерние клетки, имеющие такое же количество хромосом, что и родительская клетка. Хромосомы дублируются перед делением клеток при формировании новых клеток кожи для размножения. После мейотического размножения клеток четыре дочерние клетки имеют вдвое меньше хромосом, чем исходная родительская клетка. Это гаплоидное количество ДНК, часто обозначаемое как N. Мейоз используется диплоидными организмами для производства гаплоидных гамет. В диплоидном организме, таком как человеческий организм, большинство клеток тела имеют диплоидное количество ДНК, 2N. Используя эти обозначения для подсчета хромосом, мы говорим, что соматические клетки человека имеют 46 хромосом (2N = 46), а сперматозоиды и яйцеклетки человека имеют 23 хромосомы (N = 23). У человека есть 23 различных типа хромосом, 22 аутосомы и особая категория половых хромосом . Есть две разные половые хромосомы: Х-хромосома и Y-хромосома. Диплоидная человеческая клетка имеет 23 хромосомы от отца и 23 от матери. То есть в вашем организме есть 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 расщепляются, образуя 92 «одиночные хромосомы», половина из которых переходит в каждую дочернюю клетку. Во время мейоза происходят два этапа разделения хромосом, которые гарантируют, что каждая из четырех дочерних клеток получает по одной копии каждого из 23 типов хромосом.
Хотя размножение клеток с использованием митоза 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 примыкают друг к другу. В это время могут произойти события генетической рекомбинации . Информация из ДНК хромосомы 2, полученная от одного родителя (красный), будет передана молекуле ДНК хромосомы 2, полученной от другого родителя (зеленый). Обратите внимание, что при митозе две копии хромосомы номер 2 не взаимодействуют. Рекомбинация генетической информации между гомологичными хромосомами во время мейоза — это процесс восстановления повреждений ДНК . Этот процесс также может создавать 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 давать преимущество, поскольку при случайном спаривании он дает гомозиготы и гетерозиготы в соответствии с соотношением Харди-Вайнберга.
На клеточном уровне может возникнуть ряд нарушений роста, которые, следовательно, лежат в основе большей части последующего течения рака , при котором группа клеток демонстрирует неконтролируемый рост и деление, выходящее за нормальные пределы, инвазию (вторжение и разрушение соседних тканей), а иногда и метастазы (распространяются в другие части тела через лимфу или кровь). Некоторые ключевые детерминанты роста клеток, такие 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 с использованием подходящих красителей. Но увеличение количества клеток обычно более существенное. Его можно измерить путем ручного подсчета клеток под микроскопом, используя метод исключения красителя (т.е. трипановый синий ) для подсчета только жизнеспособных клеток. Менее привередливые и масштабируемые методы включают использование цитометров , в то время как проточная цитометрия позволяет комбинировать подсчет клеток («события») с другими конкретными параметрами: флуоресцентные зонды для мембран, цитоплазмы или ядер позволяют различать мертвые/жизнеспособные клетки, типы клеток, дифференцировку клеток, экспрессия биомаркера , такого как Ki67 .
Помимо увеличения количества клеток, можно оценить рост метаболической активности, то есть CFDA и кальцеин -АМ измеряют (флуориметрически) не только функциональность мембраны (удержание красителя), но и функциональность цитоплазматических ферментов (эстераз). . Анализы МТТ (колориметрические) и анализы резазурина (флуориметрические) измеряют окислительно-восстановительный потенциал митохондрий.
Все эти анализы могут хорошо или плохо коррелировать, в зависимости от условий роста клеток и желаемых аспектов (активность, пролиферация). Задача еще более усложняется с популяциями разных клеток, а также при сочетании помех клеточному росту или токсичности .