Регуляция размеров клетки зависит от факторов контроля клеточного цикла, действующих в точке старта

Цикла

13-11

13.2.2. Дрожжевые мутанты cdc могут быть использованы для анализа сопряжения между событиями клеточного

Если повысить температуру до рестриктивного уровня, у большинства мутантов cdc клеточный цикл останавливается на той стадии, на которой действует продукт гена cdc. Как правило, клетка теряет способность переходить к следующей стадии цикла, и это означает, что начало каждого процесса находится в зависимости от завершения предыдущего процесса. Таким образом, у дрожжей, как и у млекопитающих, большинство этапов клеточного цикла, по-видимому, связаны между собой как звенья единой цепи. Эта связь была более тщательно проанализирована в экспериментах с клетками, содержащими разные комбинации различных мутаций cdc. Как показали результаты, события хромосомного цикла образуют ряд зависимых друг от друга этапов, который не связан жестко с событиями цитоплазматического цикла (рис. 13-

19). Например, хотя цитокинеза не произойдет, если предотвратить деление ядра, тем не менее мутанты cdc, не способные пройти цитокинез из-за дефектов в механизме формирования почки, все же осуществляют повторные циклы синтеза ДНК и деления ядра. По-видимому, общим правилом не только для дрожжей, но и для клеток млекопитающих, насекомых и многих других организмов является то, что хромосомный цикл может продолжаться, даже если цитокинез предотвращен. В самом

Албертс Б., Брей Д., Льюис Дж., Рэфф М., Робертс К. Уотсон Дж. Д. Молекулярная биология клетки: В 3-х т. 2-е изд. перераб. и доп. Т. 2.: Пер. с англ. – М.: Мир, 1993. – 539 с.

Рис. 13-19. Причинные связи между некоторыми событиями клеточного цикла и их отношение к генам cdc у почкующихся дрожжей.

Полюсное тельце веретена (ПТВ) у дрожжей является эквивалентом центросомы. «Старт» означает точку бесповоротного вступления клетки в цикл деления и потерю возможности половой конъюгации (конъюгация может осуществляться только в фазе G1). A.. Общая схема цикла; стрелка, идущая от события а (или от событий а к б) к событию в, означает, что событие е не может произойти раньше события а (или а и б вместе).

Цифрами обозначены специфические мутации cdc, которые при рестриктивной температуре приводят к остановке клеток в данной точке цикла.

Например, клетки с мутацией cdc8 останавливаются во время синтеза ДНК. Обратите внимание на то, что хромосомный цикл (цикл ДНК), цитоплазматический цикл (цикл формирования почки) и центросомный цикл (цикл ПТВ) частично независимы. Б. Блокированные состояния четырех мутантов cdc, указанных на схеме А, при высокой температуре. [По данным L. Н. Hartwell, J. Cell Biol. 77: 627-637, 1978; J. R. Prmgle, L.H.

Hartwell. In: The Molecular Biology of the Yeast Saccharomyces (J. N. Stern et al., eds.), pp. 97-142. Cold Spring Harbor Laboratory, 1981.]

деле, и в ходе нормального развития таким способом часто возникают многоядерные клетки (разд. 16.5.2).

Скорость роста простых свободноживущих организмов, таких как дрожжи, зависит главным образом от поступления питательных веществ. В условиях нехватки пищи дочерние клетки при быстрых циклах клеточного деления становились бы чрезвычайно мелкими; поэтому клеткам необходим механизм, регулирующий скорость прохождения клеточного цикла и, в частности, хромосомного цикла в соответствии со скоростью роста клетки (рис. 13-20). Как осуществляется такая регуляция?

И синтез ДНК, и митоз - это сложные динамические процессы, которые трудно замедлить или прервать в условиях нехватки питательных веществ. У дрожжей, как и у большинства других эукариотических организмов, продолжительность этих фаз цикла остается более или менее постоянной, несмотря на большую изменчивость внешних условий. Вместо этого во время голодания обычно удлиняется фаза G:, хотя у делящихся дрожжей имеется также важный регулирующий механизм, называемый митотическим контролем, который действует в фазе G2.

Если продолжительность фазы G1 может меняться под влиянием внешних факторов, а S-фаза не изменяется, то в G1 должна существовать критическая точка, где начинается последовательность событий S-фазы, и внешние факторы уже не действуют на дальнейший ход клеточного цикла. Такую критическую точку называют точкой старта (Start). Для большинства эукариотических клеток точка старта (или эквивалентная ей точка рестрикции у клеток млекопитающих) отмечает момент перехода к безостановочному завершению цикла клеточного деления.

13.2.4. Клетки проходят через точку старта только после достижения критических размеров [14]

Для клетки почкующихся дрожжей в среде, бедной питательными веществами, фаза G1 является периодом медленного роста, когда хромосомный цикл, видимо, приостановлен; выход из G 1 т. е. прохож-

Албертс Б., Брей Д., Льюис Дж., Рэфф М., Робертс К. Уотсон Дж. Д. Молекулярная биология клетки: В 3-х т. 2-е изд. перераб. и доп. Т. 2.: Пер. с англ. – М.: Мир, 1993. – 539 с.

Рис. 13-20. Зависимость между скоростью роста, размерами клетки и циклом деления у свободноживущего организма, такого как дрожжи. А. Если при недостатке пищи клетки продолжают делиться с прежней скоростью, то дочерние клетки после каждого деления будут становиться все мельче до тех пор, пока масса каждой из дочерних клеток не сравняется с тем малым количеством вещества, которое синтезируется за время одного цикла. Б. Обычно при нехватке питательных веществ дрожжевые клетки замедляют темп деления: поскольку клетка не может пройти определенную точку цикла, не достигнув некоторых «стандартных» размеров, деление замедляется и величина клеток остается более или менее постоянной. (За единицу времени выбрана наблюдаемая длительность цикла при избытке питательных веществ.)

дение через точку старта, происходит лишь после того, как клетка достигнет некоторых стандартных размеров (рис. 13-20, Б). В более богатой среде G1 короче, но величина клетки при прохождении точки старта практически такая же; и если подобрать условия роста, при которых дочерние клетки после деления будут ненормально крупными или ненормально мелкими, то они соответственно сократят или продлят время своего пребывания в фазе G1 так, чтобы пройти через точку старта, имея стандартные размеры.

О том, как клетки «чувствуют» свою величину, мало что известно, хотя многие данные указывают на то, что какой-то механизм для этого существует. Например, если у растущей гигантской амебы Amoeba proteus многократно отрезать часть цитоплазмы, не позволяя таким клеткам достичь нормальных размеров, то она не будет делиться даже на протяжении нескольких недель, несмотря на энергичный рост, тогда как контрольная клетка делится примерно раз в сутки. Возможный намек на то, как клетка «ощущает» свои размеры, содержится в том факте, что величина эукариотической клетки обычно пропорциональна ее плоидности: диплоидная клетка в два раза больше гаплоидной, а тетраплоидная в два раза больше диплоидной (см. рис. 13-40 и 13-41). Можно предположить, что решающую роль играет отношение клеточного объема к числу копий какого-то гена (или набора генов) или к общему количеству ДНК (а не отношение, скажем, объема клетки к ее поверхности). Например, некая растворимая молекула М (допустим, какая-то РНК) могла бы непрерывно синтезироваться ДНК-зависимым способом; если М нестабильна с постоянным периодом полужизни, то общее количество М в каждой клетке будет постоянным и будет находиться в определенном соотношении с количеством ДНК. По мере увеличения объема клетки концентрация М будет снижаться; падение концентрации ниже некоторого критического уровня могло бы быть сигналом к прохождению точки старта.

Каков бы ни был этот механизм, прохождение через точку старта должно соответствовать скачку в состоянии какого-то молекулярного переключателя. Четыре гена cdc у почкующихся дрожжей и два гена у делящихся дрожжей действуют в точке старта или около нее, и они, возможно, кодируют компоненты такого регуляторного механизма. Клетки с термочувствительными мутациями этих генов не смогут вступить в хромосомный цикл и вырастут ненормально крупными, если повысить температуру до рестриктивного уровня, пока они еще не достигли критических размеров, чтобы пройти точку старта. Ниже мы расскажем подробнее об одном из старт-контролирующих генов (cdc28) у почкующихся дрожжей и соответствующем ему гене (cdc2) у делящихся дрожжей. Эти два гена примечательны одной своей дополнительной функцией, особенно выраженной у делящихся дрожжей: их продукты необходимы не только для прохождения точки старта, но и для второй контрольной точки цикла-начала митоза.

Албертс Б., Брей Д., Льюис Дж., Рэфф М., Робертс К. Уотсон Дж. Д. Молекулярная биология клетки: В 3-х т. 2-е изд. перераб. и доп. Т. 2.: Пер. с англ. – М.: Мир, 1993. – 539 с.

Далее мы увидим, что у клеток высших эукариот в фазе G1 имеется контрольная точка, аналогичная точке старта, хотя правила прохождения через эту точку сложнее, чем у дрожжей. При нарушении этих правил возникают раковые опухоли. По одной только этой причине гены, участвующие в механизме точки старта, представляют особый интерес.

Дата добавления: 2015-08-31