Раздел 1
КЛЕТЪЧЕН ЦИКЪЛ. МИТОЗА
В предшестващите раздели разглеждахме жизнените процеси предимно на молекулно
равнище. Отсега нататък ще ги обсъждаме повече на клетъчно и надклетъчно равнище.
Започваме със самовъзпроизвеждането. Вече познаваме молекулната му основа –
репликацията
на ДНК. Сега ще обсъдим самовъзпроизводството на цели живи системи – първо
клетки, а след това и многоклетъчни организми.
Клетката се самовъзпроизвежда, като се дели на две нови клетки. Те, разбира се, са двойно по-малки от изходната, но имат същата сложност. Всяка дъщерна клетка разполага с цялото "писмено наследство" на майчината, т.е. с безупречен комплект ДНК. Цитоплазмените органели при деленето също се разпределят. Обикновено всяка дъщерна клетка получава кръгло половината от тях. По-рядко дяловете са неравни, но и тогава по-малката клетка не остава без никоя незаменима органела.
От тези разсъждения следва, че деленето изисква подготовка. ДНК трябва да се удвои, а цялата клетка – да се уголеми, иначе има опасност някоя от новите клетки да се окаже лишена от нещо важно или прекалено малка. Когато това се осъзнава, подготовката за делене и самото делене се обединяват под името клетъчен цикъл (от англ. cell cycle, което всъщност е съкращение от cell division cycle – цикъл на клетъчното делене).
1. Клетъчен цикъл при прокариотите
Макар че някои микробиолози говорят за "бактериална митоза", според мнозинството автори терминът "митоза" не бива да се използва за прокариотни клетки. В англоезичната литература деленето на прокариотната клетка се нарича binary fission или (по-рядко) transverse fission. Това на български се превежда като "напречно делене", "бинарно делене" или просто "делене" (но не и "просто делене" – термин, който трябва да се избягва, тъй като е бил използван за най-различни процеси, предимно несъществуващи). В някои български текстове, писани без участието на главен мозък, може да се срещне изразът "бинарна фузия" в резултат от объркване на англ. fission – разцепване, делене, и fusion – фузия, сливане.
Прокариотите и еукариотите много по-силно се различават по своето делене, отколкото например по репликацията си. Както може да се очаква, в прокариотната клетка процесите протичат далеч по-просто и ефективно. Така се осигурява късо време на възпроизводство и оттам – много добра размножителна способност. Някои бактерии при най-благоприятни условия успяват да се делят на всеки 20 минути, докато типичната еукариотна клетка се нуждае от същия брой часове. Това, разбира се, поставя нашата имунна система в неизгодно положение спрямо патогенните бактерии.
Нека обаче горният откъс не подвежда никого, че прокариотният клетъчен цикъл може да се разбере без напрягане на ума. Всъщност точно при бактериите можем лесно да се объркаме, защото в благоприятна обстановка растежът и репликацията са непрекъснати, а деленето периодично се наслагва върху техния фон. Ако репликацията протичаше не непрекъснато, а само в определено време като при еукариотите, това би довело до голямо забавяне. Причината е, че бактериалната хромозома въпреки внушителната си дължина има само едно начало на репликация. Дори ако веднага след края на репликацията се инициираше нова, пак би се наложило цялата клетка да изчаква ДНК-полимеразите. За да няма забавяне, единственото начало се използва с максимална ефективност: не само че непрекъснато протича репликация, а и новата се инициира, преди старата да е приключила.
От схемата се вижда, че близките до началото ДНК-последователности са представени
в клетката с повече копия. Тази особеност дори е била използвана за картиране
на началото. Ясно е, че при прокариотите плоидността трябва да се посочва с
уговорки.
След като нужната за даденото делене репликация завърши, на ред идва сегрегацията – разделянето на новополучените хромозоми. Тук следва да посочим, че докато репликацията при бактериите е доста добре изучена с методите на молекулната биология, познанията ни за сегрегацията все още са не само твърде непълни, а и се преразглеждат на всеки няколко години. Причината е, че сегрегацията трябва да се изучава с методите на клетъчната биология, а малката бактериална клетка е труден микроскопски обект. До неотдавна например се предполагаше, че в началото на клетъчния цикъл бактериалната хромозома е закрепена в средата на клетката за специално вгъване на клетъчната мембрана, наречено мезозома. Репликацията се съпровожда с удвояване на мезозомата. После, докато клетката расте, нов мембранен материал се трупа между двете мезозоми и те се раздалечават, придърпвайки ДНК със себе си.
От тези ранни представи впоследствие се потвърждава само свързването на бактериалната хромозома с клетъчната мембрана. То обаче не съответства на никакво специално образувание на клетъчната мембрана. Наблюдаваното на много електронно-микроскопски препарати вгъване, наречено мезозома, се оказва артефакт на фиксацията. Също така се разкрива, че поне при повечето бактерии хромозомата в началото на клетъчния цикъл е закрепена не в средата на клетката, а в единия й полюс. С напредването на репликацията едната от дъщерните хромозоми активно се премества към другия полюс и остава закачена там.
Основна роля за правилната сегрегация на бактериалните хромозоми имат два белтъка – ParA и ParB. Означението Par е съкращение от англ. partitioning – разделяне. ParB разпознава и свързва определена ДНК-последователност близо до началото на репликация, точно както еукариотните кинетохорни белтъци разпознават центромерната ДНК. ParA е белтък с АТФ-азна активност, който се свързва с ParB, от една страна, и с клетъчната мембрана – от друга. Той изгражда под мембраната дълги "релси", по които тегли ParB и закачената за него хромозома. Тази картина донякъде напомня еукариотното делително вретено.
Когато бактерията се удължи достатъчно, дъщерните хромозоми се раздалечават толкова, че между тях остава празно място. То е сигнал за образуване на напречна преградна стена.
Делене на бактерия. ParB е означен с червени кръгчета, партньорът му ParA не е показан.
2. Общи особености на еукариотния клетъчен
цикъл
Еукариотният клетъчен цикъл, наричан още митотичен цикъл, е много по-продължителен от прокариотния. Това е част от цената, която еукариотите плащат за своето усложняване. Самите размери на еукариотната клетка означават голямо съотношение обем – повърхност, а оттам и по-муден растеж. Освен това ДНК поради голямото си количество се контролира по-трудно, отколкото при бактериите. В крайна сметка еукариотната клетка е разработила клетъчен цикъл, подчинен на израза "всяко нещо с времето си". Репликацията и делението напълно са се разделили, дори са се появили сравнително дълги изчаквания между тях – вероятно за да има повече време за репарация.
Веднъж въведен, този ред е позволил на клетката да се справи с още повече ДНК. Днес типичната еукариотна хромозома е толкова по-дълга от бактериалната, че след удвояването дъщерните хромозоми не биха могли да се разделят само чрез дърпане. Можем да си представим човек, опитващ се да раздели два 25-метрови канапа, като хваща по един във всяка ръка и разперва ръце. Ясно е, че канапите трябва първо да се намотаят. Така и хромозомите предварително се скъсяват чрез плътно опаковане на ДНК, наречено кондензация. Еукариотната клетка може да си позволи това, защото не изисква от своята ДНК да служи като матрица насред деленето. За кондензацията отговарят специални хроматинови белтъци, наречени кондензини.
Още ранните наблюдатели забелязват уплътнените хромозоми в делящите се клетки. Съответно всички промени с хромозомите при деленето на еукариотната клетка се обединяват под името митоза (от гр. митос – нишка). По-рядко се използва синонимът кариокинеза (гр. движение на ядрото). Разделянето на самата клетка се нарича цитокинеза (гр. движение на клетката). По правило то става в края на митозата. Тъй като двата процеса са строго съгласувани, често под митоза се подразбира цялото еукариотно клетъчно делене, включително цитокинезата. Периодът, когато протича митозата, се означава като М-период или М-фаза.
Времето, през което клетката не се дели, се нарича интерфаза. При сегашното обсъждане ще приравним интерфазата към подготовката за делене. Това е и буквалното значение на термина (от лат. inter – между, т.е. период между две деления). В действителност много клетки, най-вече в многоклетъчните организми, не започват да се стягат за следващо делене веднага след като излязат от делене. Засега обаче ще забравим този факт.
Интерфазата заема по-голямата част от клетъчния цикъл – обикновено поне 90% от общото време. Когато се описват устройството и функциите на клетката, всъщност се има предвид интерфазната клетка, ако изрично не е подчертано друго. Морфологично интерфазата изглежда безинтересен период на бавен растеж, оттук и пренебрежителното име. Още ранните изследвания на клетъчния цикъл обаче са разкрили, че в средата на интерфазата протича поне един достоен за внимание процес – репликацията. Времето, когато се синтезира ДНК, е било наречено S-фаза или S-период (от англ. synthesis). Незабележителните на пръв поглед интерфазни периоди преди и след S са били означени съответно с G1 и G2 (от англ. gap – пролука, т.е. "първа празнина" и "втора празнина"). Следователно клетъчният цикъл включва 4 фази – G1, S, G2 и М. На схемата е показан цикъл на типична диплоидна клетка, като с n е означен хаплоидният брой хромозоми, а със c – съответното на него неудвоено количество ДНК.
От схемата се вижда, че фазите се скъсяват в последователността G1 – S – G2
– M. Периодът G1, освен че е най-дълъг, е и с най-променлива продължителност.
Типичният цикъл трае около 24 часа, но за различните животински клетки той варира
от 8 часа до много месеци, а известно статистическо "разхвърляне"
по продължителност винаги има и при еднотипни клетки. Разликите се дължат най-вече
на G1. Самата митоза обикновено трае 1- 2 часа.
3. Периоди на интерфазата
Измежду периодите на клетъчния цикъл на пръв поглед най-незабележителен е първият. Клетките в G1 изглеждат заети само с растеж. В действителност тогава протичат много важни процеси: взема се решение за предстоящото делене и се подготвя удвояването на ДНК и на централния микротубулен организатор. По-подробно ще обсъдим тези въпроси в следващия раздел.
Втората фаза – S, е посветена на репликацията. Строго погледнато, ДНК се синтезира не само тогава – репаративна ДНК-синтеза може да се извърши по всяко време на интерфазата. Само през S-фазата обаче може да се инициира репликация. Също така само тогава синтезата на ДНК е широкомащабна и може да се установи, без да се прибягва до най-чувствителните методи и прибори. Цитометрично изследване на коя да е популация делящи се клетки би показало, че повечето интерфазни клетки си приличат по количество ДНК, някои съдържат точно двойно по-голямо количество, а трети дават междинни стойности. Първата група клетки явно са в G1, втората – в G2 и М, а третата – в S. Тази картина може да се види на адрес http://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/bv.fcgi?call=bv.View..ShowSection&rid=cell.figgrp.4591.
Дори да не разполагаме с цитометър, достатъчно е да добавим в средата на култивиране белязан предшественик на ДНК, за да разкрием кои клетки са в S-фаза – те ще включат белега в ядрата си (вж. фигурата на адрес http://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/bv.fcgi?call=bv.View..ShowSection&rid=cell.figgrp.4590).
Докато при прокариотите дори най-големите молекули ДНК имат само по едно начало на репликация, при еукариотите всяка хромозома носи много начала. Така през S-фазата върху всяка хромозома се образуват много репликационни вилки, които напредват, докато се пресрещнат една друга.
Началата на репликация се активират не всички едновременно, а на групи от по няколко десетки. В активацията има определен ред. Първи заработват репликоните, съдържащи активни гени. После репликацията обхваща остатъка от еухроматина, където гените в момента не се презаписват. Последен в късната S-фаза се реплицира хетерохроматинът.
Разбира се, много е важно всеки репликон през S-фазата да се удвои точно веднъж. Нужен е механизъм, който да гарантира само един акт на репликация за всеки участък ДНК. Смята се, че този механизъм се основава на натоварването на репликативната хеликаза върху хроматина. Както знаем, хеликазата не може сама да се свърже с ДНК – нуждае се от помощта на друг белтък, наречен натоварващ фактор (вж. раздел Механизъм на репликацията). Този фактор се синтезира само през G1 и е с къс живот. Затова хеликазата се свързва с началата само през G1 и така се подготвя репликацията. През S-фазата вече свързаните хеликази се движат по ДНК заедно с репликационните вилки. Използваните начала се освобождават, но няма опасност да се активират повторно, понеже натоварващият фактор е разграден и няма кой да сложи нова хеликаза. Затова през фазите G2 и М хеликазата само плува около ДНК, без да се интересува от нея.
Местоположение на репликативната хеликаза през клетъчния цикъл. По Newlon (1997),
опростено и с малки изменения.
Получените при репликацията от всяка изходна молекула ДНК две сестрински хроматиди
остават сближени, долепени една до друга по цялата си дължина. Това се осигурява
от структурни белтъци, наречени кохезини.
Успоредно с репликацията се синтезират и хистони, които се свързват с удвоената ДНК. Освен това през S-фазата протича и друго важно събитие – удвоява се централният микротубулен организатор (т.е. центрозомата при животните и полярното телце на вретеното при гъбите).
Когато репликацията приключи, започва фазата G2. Тя е сравнително спокоен период на подготовка за същинското делене. Удвояването на центрозомата завършва. Ядрото разполага с време за пострепликативна репарация. Цитоплазмата увеличава обема си, натрупва органели, запасява се с енергия и белтъци за бъдещия делителен апарат. Синтезират се и липиди и мембранни белтъци, защото при цитокинезата изведнъж ще потрябва допълнителна мембранна повърхност. Засега тези мембранни компоненти се съхраняват в издувания на клетъчната мембрана. Всичко това трябва да се подготви предварително, защото през М-фазата презаписването е невъзможно, а и другите синтези спират или силно се забавят.
4. Делително вретено
Освен ДНК важни промени през клетъчния цикъл търпи и микротубулният цитоскелет. Както вече се спомена, през интерфазата освен хромозомите се удвоява и централният микротубулен организатор. Удвояването започва (или поне се инициира) в края на G1 и продължава през S-фазата.
По-късно при навлизането в митоза тубулиновият цитоскелет се променя до неузнаваемост. Двата микротубулни организатора започват да се придвижват в срещуположни посоки. Старите микротубули се разпадат. В замяна на това от организаторите като лъчи израстват нови микротубули. Повечето от тях се протягат в пространството между двата организатора, образувайки вретеновидно струпване. Този комплекс от микротубули, характерен за митотичната клетка, се нарича делително вретено и отговаря за сегрегацията на хромозомите.
Двата микротубулни организатора се наричат полюси на вретеното. Оттук е получил името си централният микротубулен организатор при гъбите – аналогът на центрозомата. Дори и през интерфазата той се нарича полярно телце на вретеното.
Макар че е забелязано отдавна, делителното вретено се наблюдава много по-трудно от хромозомите. С обикновен светлинен микроскоп се вижда само някаква лъчистост. Ако се използват специалните възможности на светлинната микроскопия, а още по-добре белязани антитела срещу тубулин, картината става много по-ясна. На места могат да се разграничат отделни нишки. Те представляват снопчета от плътно сближени микротубули. Делителното вретено се разпада в края на митозата.
5. Затворена и отворена митоза
Отделните групи еукариоти се различават по механизма на митозата си. При растенията и животните в "разгара" на митозата ядрената обвивка се разпада и ядрото престава да съществува като самостоятелна органела. Митоза от този тип се нарича отворена. При едноклетъчните еукариоти и гъбите, обратно, ядрената обвивка се запазва през цялата митоза, като след сегрегацията на хромозомите самото ядро се разделя чрез прищъпване. Такава митоза се нарича затворена и явно е по-примитивна.
Затворената митоза има различни варианти. При динофлагелатите (група водораслоподобни камшичести) хромозомите през цялото време остават закачени за ядрената обвивка и движенията им се направляват от нея. Тук по ролята си ядрената обвивка напомня бактериалната клетъчна мембрана. Снопчета микротубули притискат отстрани ядрото и потъват в него чрез жлебове и канали, но без да се свързват с хромозомите. Функцията им е само да посочат накъде да "отплуват" бъдещите дъщерни ядра или, казано по-официално, да установят полярността на деленето. При друга група първаци, наречени хипермастиготи, ядрената обвивка пак разделя хромозомите от делителното вретено, но кинетохорите се свързват с микротубулите през обвивката (явно чрез ядрените порови комплекси). При дрождите и диатомовите водорасли въпросът е решен другояче – делителното вретено се образува вътре в ядрото. Тези примери са илюстрирани на следната схема: http://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/bv.fcgi?call=bv.View..ShowSection&rid=cell.figgrp.4953
Дрождите изобщо имат доста свободно отношение към митозата. Нишките на вретеното им по правило са не снопчета микротубули, а единични микротубули. Освен това някои дрожди като Saccharomyces най-вероятно не кондензират своята ДНК, защото не се разграничават отделни видими хромозоми. Не е ясно обаче дали този белег е примитивен, доколкото в други дрожди като Schizosacharomyces през митозата се виждат уплътнени хромозоми.
Още се обсъжда защо многоклетъчните животни и растения са разработили сложната
отворена митоза и каква изгода дава "разопаковането" на ядрото и потапянето
на хромозомите в цитоплазмата. Вероятно отворената митоза по-лесно се контролира
според нуждите на многоклетъчния организъм. Във всеки случай затворената митоза
осигурява правилно разпределение на хромозомите и няма съществени недостатъци,
иначе едноклетъчните и гъбите щяха досега да са преминали към отворена митоза
или да са измрели. Така че напразно в старите учебници деленето със запазване
на ядрената обвивка се приема за непълноценно и дори не се удостоява с името
митоза. Тук е мястото да вметнем, че явлението, описвано в старите учебници
като "пряко делене", "просто делене" или "амитоза",
не съществува. Деленето на еукариотната клетка винаги е митоза, освен когато
е мейоза.
6. Микроскопска картина на животинската митоза
След като разгледахме някои молекулни аспекти на клетъчния цикъл, разкрити с "тежката артилерия" на биологичните методи, да се върнем на това, което може да се види с обикновен светлинен микроскоп.
Митозата при животинските клетки се наблюдава най-удобно, когато те се отглеждат в култура извън организма. При подходящо избран тип клетки и условия на култивиране циклите се редуват с максимална скорост. Разбира се, поради голямата дължина на интерфазата дори и в този случай интерфазните клетки преобладават по брой. Те имат неправилна форма, която се променя с времето. Долната им повърхност толкова добре прилепва към дъното на съда, че самите те са плоски, ”разплескани” върху опората. Структурата на хроматина е фина, не се виждат нишки.
На какъв точно етап от интерфазата са отделните клетки, можем само да гадаем. От клетките в началото на G1 се очаква да бъдат дребни и с няколко ядърца, защото след митозата всеки комплект гени за рРНК (нуклеоларен организатор) образува собствено малко ядърце. После нуклеоларните организатори се намират един друг и обикновено се събират накуп към средата на интерфазата. Клетките в края на G2 са едри, с голямо ядро и най-често с едно ядърце.
Навлизането в митоза се разпознава първо по поведението на клетката. Тя се закръгля и спира да се движи – знак, че започва драматично преобразуване на цитоскелета. Много скоро в цитоплазмата започва да се изгражда делителното вретено. От центрозомите излизат като лъчи многобройни микротубули, но стабилността им е понижена в сравнение с интерфазата. Те нарастват, разпадат се и отново започват да растат. Само тези, които се свържат с насрещни микротубули (от другия полюс), се стабилизират. В резултат интерфазната плетеница от микротубули се замества от звезда около центрозомите, която с разделянето им прераства в делително вретено. Същевременно хроматиновата структура загрубява. Уплътняващите се хромозоми се очертават в ядрото като нишки – отначало тънки, после все по-дебели. Ядърцето изчезва, защото неговата ДНК също се опакова. Този начален период на митозата се нарича профаза (от лат. pro – пред).
Докато хромозомите се кондензират, ядрото се оказва между полюсите на вретеното. Ядрената обвивка се разпада на малки мехурчета. Нишките на делителното вретено получават достъп до хромозомите и се закачат за кинетохорите им, защото свързването с кинетохора (също като това с насрещна нишка) ги стабилизира. Всяка хромозома има две добре очертани хроматиди, получени чрез репликация от една изходна молекула през S-фазата. Макар че връзката между сестринските хроматиди е най-силна в центромерната област, те имат отделни кинетохори. С всяка кинетохора се свързва по една нишка от вретеното, като двете хроматиди на една хромозома се закачат за нишки, излизащи от срещуположните полюси. Всяка нишка дърпа уловената кинетохора към своя полюс. В резултат хромозомите се придвижват към плоскостта по средата между полюсите, наречена екваториална равнина. Този заключителен етап на профазата често се разглежда като отделен стадий – прометафаза.
Периодът, когато хромозомите се настаняват в екваториалната равнина, се нарича метафаза (от гр. мета – след). Съответното разположение на хромозомите носи името метафазна пластинка. Хромозомите са къси и дебели, достигнали максимума на своето уплътняване. Гледани откъм екватора, те са подредени една до друга и една зад друга. Гледани откъм полюса, те са разстлани в розетка, близо една до друга, но всяка се вижда отделно. Този изглед на метафазната пластинка е най-подходящ за изучаване на кариотипа.
През профазата и метафазата по-голямата част от кохезините напускат хромозомите. Само в центромерната област кохезините се запазват, затова тя е последният участък, който все още свързва сестринските хроматиди през късната метафаза. Освободените хромозомни рамена се "разкрачват" и хромозомите придобиват класическата си форма на буква Х.
След като всички хромозоми се подредят в екваториалната равнина, метафазата внезапно свършва с надлъжно разцепване на всички хромозоми в центромерната област. Това се постига чрез протеазно разграждане на последните останали кохезини. Сестринските хроматиди се разделят и вече заслужават да ги наричаме хромозоми. Делителното вретено, което през цялото време ги е теглело, сега безпрепятствено ги издърпва към полюсите. Така дъщерните хромозоми се разделят (сегрегират). Нишките от вретеното, които ги теглят, се скъсяват, защото свързаният с кинетохората край се "разтапя" чрез деполимеризация на тубулина. При това обаче микротубулите не се откъсват от кинетохорите. Раздалечават се и самите полюси на вретеното, клетката се удължава. Двата набора раздалечаващи се хромозоми наподобяват два отворени чадъра. Плътната им опаковка започва да се разхлабва. Този стадий се нарича анафаза (от гр. ана – обратно движение).
Когато хромозомите достигнат съответния полюс, те се събират заедно в тъмни безформени струпвания. Хроматиновите нишки все повече се декондензират. Около тях чрез сливане на мехурчета се образува наново ядрената обвивка. Делителното вретено изчезва и се замества с фината съвкупност от микротубули, свойствена на интерфазната клетка. Този последен етап на митозата се нарича телофаза.
Митоза при култивирани човешки клетки, наблюдавани със светлинен микроскоп.
Делителното вретено не се вижда. 1– интерфаза, 2 – профаза, 3 – метафаза (изглед
откъм полюса), 4 – метафаза (изглед откъм екватора), 5 – ранна анафаза, 6 –
късна анафаза, 7 – ранна телофаза, 8 – късна телофаза.
Докато описаните събития напредват около полюсите, при екватора може да се
наблюдава цитокинезата. Още в късната анафаза започва да се образува прищъпване
– делителна бразда. През телофазата то се усилва, все едно клетката се пристяга
по средата с конец. Всъщност наистина е така: "конецът" е съкратителен
пръстен от микрофиламенти. С времето мостчето цитоплазма между дъщерните клетки
изтънява, докато се прекъсне съвсем.
В действителност актиновият цитоскелет започва да се преобразува много по-рано – още през профазата. В резултат клетката престава да прилепва към субстрата. Адхезията не само не е най-важният въпрос в момента, а и би затруднила цитокинезата. По същото време тубулиновият цитоскелет е изоставил интерфазния си вид и функции, за да сглоби делителното вретено. Лишена от опорите си, клетката вече не поддържа обичайната си форма. Затова в култура митотичните клетки са топчести (логично) и едва-едва прикрепени към дъното. Ако съдът се стръска, те ще се отронят в течната хранителна среда. Достатъчно е да се прехвърли средата в чист съд, за да се получи култура, в която всички клетки са в еднаква фаза (първоначално – М). Така се създават синхронизирани култури, много удобни за изучаване на клетъчния цикъл.
Събирането на тубулина в делителното вретено има и още една последица. През интерфазата ендоплазмената мрежа и апаратът на Голджи използват микротубулите като опорни колони. През митозата тази опора се губи и мембранните органели се разпадат на малки мехурчета. Така се отваря повече място за движението на хромозомите, а и мехурчетата по-лесно се разпределят между двете дъщерни клетки. През телофазата и в началото на следващата интерфаза мембранните органели се възстановяват заедно с микротубулната мрежа. Изобщо цитоплазмените преобразувания през клетъчния цикъл заслужават повече внимание, отколкото можем да им отпуснем.
7. Особености на растителната митоза
Клетките на напредналите растения се делят по приблизително същия сценарий. Има обаче две основни разлики. Първо, липсва центрозома или друг единен микротубулен организатор. Микротубулите започват от многобройни малки организатори, които през профазата се събират накуп и сглобяват двата полюса. Това става чрез белтъци, които се свързват с началата (по-точно минус-краищата) на микротубулите и ги слепват в сноп, играейки ролята на телта при връзване на метла.
Втората разлика е, че цитокинезата не се осъществява чрез прищъпване поради твърдата стена. Затова дъщерните клетки се разделят, като в екваториалната равнина се изгражда нова стена (средна пластинка). Материалът за нея се съдържа в мехурчета, отделяни от апарата на Голджи. Те се пренасят до екватора по т. нар. фрагмопласт – цилиндър от микротубули, останали от делителното вретено и събрани между двете ядра. Противно на логичните очаквания (и на положението при бактериите и гъбите) средната пластинка започва да се изгражда от центъра и расте към периферията, докато се слее със старите стени.
8. Атипични форми на клетъчния цикъл
Гореописаният ход на събитията, при който клетката преминава последователно всички етапи на митотичния цикъл и завършва с телофаза и цитокинеза, е най-обичаен, но не единствен. Има редица клетки, в които цикълът спира на определен етап. Някои от тях са нормални и обикновено са доста по-едри от средностатистическите клетки, т.е. незавършеното делене служи за постигане на клетъчен растеж. В други случаи клетката "иска" да се раздели докрай, но не може поради някаква патологична причина.
Клетъчният цикъл може да спре на различни етапи, което води до следните явления:
Политения – протича репликация, и то многократна, но не се стига до митоза. В резултат се получават огромни клетки с гигантски политенни хромозоми. Те се срещат нормално в ларвите на двукрилите насекоми (вж. раздел Организация на наследствения материал при еукариотите).
Полиплоидия – клетката навлиза в митоза и хромозомите се разделят, но не се отправят към полюсите (анафазата е блокирана), така че в крайна сметка остават в едно ядро. Полиплоидията беше обсъдена по-подробно в раздел Хромозомни мутации. В някои диференцирани тъкани обаче тя е нормално явление. Например черният дроб на възрастен човек нормално съдържа 20-30% полиплоидни хепатоцити. При възрастен плъх относителният дял на полиплоидните хепатоцити е 90%.
Многоядреност – хромозомите се сегрегират успешно и се образуват две отделни ядра, но клетката не се разделя (цитокинезата е блокирана). Някои тъкани нормално съдържат двуядрени и многоядрени клетки, получени по този начин. Например част от хепатоцитите са не само полиплоидни, а и двуядрени, без да са резултат от сливане на предшестващи едноядрени клетки. Ранните зародиши на насекомите са синцитии – ядрото на зиготата многократно се дели чрез митоза, без да настъпва цитокинеза. Едва на сравнително късен етап се обособяват отделни клетки.
В други случаи обаче многоядреността е резултат от разстроена регулация на клетъчния цикъл. В туморите често могат да се открият уродливи, гигантски многоядрени клетки. Такива клетки могат да се получат и от нормална култура чрез обработка с отрова, която потиска цитокинезата.
Основни източници
За бактериите:
Draper J.C., J.W. Gober (2002). Bacterial chromosome segregation. Annu. Rev. Microbiol. 56: 567-597.
Fogel M.A., M.K. Waldor (2006). A dynamic, mitotic-like mechanism for bacterial chromosome segregation. Genes Dev. 20: 3269-3282.
Niki H., S. Hirata (1998). Polar localization of the replication origin and terminus in Escherichia coli nucleoids during chromosome partitioning. Genes Dev. 12: 1036-1045.
За еукариотите:
Марков Г. (1984). Тайните на клетката. 3. осн. прер. изд. Народна просвета, София.
Alberts B., D. Bray, J. Lewis, M. Raff, K. Roberts, J.D. Watson. Molecular Biology of the Cell. 3rd Edition. Garland Publishing Inc., New York, London, 1994. [Online] http://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/bv.fcgi?call=bv.View..ShowSection&rid=cell
Watson J.D., M. Gilman, J. Witkowski, M. Zoller, G. Witkowski. Recombinant DNA. 2nd edition. W.H. Freeman & Co., 1992.
За локализацията на хеликазата през клетъчния цикъл:
Newlon C.S. (1997). Putting it all together: building a prereplicative complex. Cell 91: 717-720.
За полиплоидните и двуядрени чернодробни клетки:
Guidotti J.-E., O. Bregerie, A. Robert, P. Debey, C. Brechot, C. Desdouets (2003). Liver Cell Polyploidization: A Pivotal Role for Binuclear Hepatocytes. J. Biol. Chem. 278: 19095-19101. [Online] http://www.jbc.org/cgi/content/full/278/21/19095
URL http://www.mayamarkov.com/biology/C01Cellcycle1/C01Cellcycle1.htm
Публикувано 2009
Copyright © Майя Маркова
Основна страница
Следващ раздел