Фазы клеточного цикла и клеточная репликация

Клеточная пролиферация — строго регулируемый процесс, в котором участвует большое количество молекул и взаимосвязанных путей. Чтобы понять, как клетки делятся при регенерации и репарации, будет полезно рассмотреть основные этапы клеточного цикла в норме и его регуляцию.

Клеточный цикл и его нарушения подробно описаны в отдельных статьях на сайте в контексте злокачественных опухолей. В данной статье приведены важнейшие особенности процесса клеточного деления.

Репликация клеток стимулируется факторами роста или сигналами компонентов ВКМ через интегрины. Для репликации ДНК и деления клетка проходит через строго контролируемую последовательность событий, называемую клеточным циклом. Он состоит из четырех фаз: пресинтетической фазы (G1), синтеза ДНК (S), премитотической фазы (G2) и митоза (М).

Покоящиеся клетки, вышедшие из клеточного цикла, находятся в фазе G0. Каждая фаза клеточного цикла зависит от правильной активации и завершения предыдущей, и цикл останавливается, когда функция важного гена недостаточна.

Поскольку клеточный цикл играет центральную роль в поддержании тканевого гомеостаза и регуляции физиологических процессов роста, таких как регенерация и репарация, он имеет многочисленные механизмы регуляции и обладает избыточностью, особенно при переходе из фазы G, в фазу S. К этим механизмам относятся активаторы и ингибиторы, а также сенсоры, обеспечивающие проверку повреждения ДНК.

Клетки могут вступить в фазу G1 клеточного цикла из фазы G0 (покоящиеся клетки) или после завершения митоза (непрерывно делящиеся клетки). Первым шагом входа в клеточный цикл для покоящихся клеток является переход из фазы G0 в фазу G1.

Этот переход связан с активацией транскрипции большого набора генов, в т.ч. различных протоонкогенов и генов, необходимых для синтеза рибосом и трансляции белков. Клетки при переходе из фазы G1 в фазу S клеточного цикла достигают точки ограничения, которая лимитирует репликацию. В норме клетки после прохождения точки ограничения необратимо приступают к репликации ДНК. Последовательность событий клеточного цикла, в частности переход из фазы G1 в фазу S, строго контролируется белками циклинами и связанными с ними ферментами — циклин-зависимыми киназами (CDK). CDK приобретают каталитическую активность, связываясь и образуя комплексы с циклинами. Активированные CDК в этих комплексах стимулируют клеточный цикл путем фосфорилирования белков, важных для смены фаз клеточного цикла. Один из таких белков — белок гена предрасположенности к ретинобластоме (RB), который обычно препятствует репликации клеток, образуя прочный неактивный комплекс с фактором транскрипции E2F. Фосфорилирование белка RB вызывает его высвобождение, приводя к активации E2F и позволяя ему стимулировать транскрипцию генов, продукты которых обеспечивают продолжение клеточного цикла.

Активность комплекса циклин-CDK строго регулируется ингибиторами циклин-зависимых киназ (CDKI). Некоторые факторы роста подавляют продукцию этих ингибиторов. Эти механизмы, вовлеченные в клеточный цикл, необходимы для поиска повреждений ДНК и хромосом. Подобные проверки качества называют точками контроля, они предотвращают репликацию клеток с поврежденными ДНК или хромосомами. В точках контроля перехода G1/S отслеживается целостность ДНК перед репликацией, тогда как в точках контроля перехода G2/M проверяются ДНК после репликации и способность клетки к митозу. Когда обнаруживается повреждение ДНК, активация точек контроля приостанавливает клеточный цикл и включает механизмы репарации ДНК. Если повреждение ДНК необратимо, клетки элиминируются путем апоптоза или переходят в неделящееся состояние, называемое репликативным старением, прежде всего с участием р53-зависимых механизмов. Дефекты в точках контроля позволяют клеткам с разрывами ДНК и хромосомными аномалиями делиться далее, что вызывает в дочерних клетках мутации, способные привести к неоплазии.

Фазы клеточного цикла
Фазы клеточного цикла (G0, G1, G2, S и М) с точкой ограничения в фазе G, и точками контроля переходов G1/S и G2/M.
Лабильные клетки тканей, например эпидермиса и ЖКТ, непрерывно делятся.
Стабильные клетки, например гепатоциты, являются покоящимися, но могут войти в клеточный цикл.
Перманентные клетки, например нейроны и кардиомиоциты, утратили способность к пролиферации.
ДНК — дезоксирибонуклеиновая кислота [Pollard TD, Earnshaw WC: Cell Biology. Philadelphia, Saunders].

- Рекомендуем ознакомиться со следующей статьей "Факторы роста клеток и тканей"

Оглавление темы "Патофизиология клетки и тканей":
  1. Функции стволовых клеток в тканях и органах
  2. Фазы клеточного цикла и клеточная репликация
  3. Факторы роста клеток и тканей
  4. Механизмы передачи сигнала роста между клетками
  5. Рецепторы и сигнальные пути клеток
  6. Факторы транскрипции клетки - функции, значение
  7. Механизмы восстановления (регенерации) органов и тканей
  8. Механизмы восстановления (регенерации) печени
  9. Взаимодействие межклеточного вещества (внеклеточного матрикса, ВКМ) с клеткой
  10. Типы коллагена межклеточного вещества (внеклеточного матрикса)

Ждем ваших вопросов и рекомендаций: