Клеточный цикл
Деление - самое важное событие в жизни клетки. Как будущие родители готовятся к рождению первенца, так и клетка готовится к моменту деления и делает все возможное, чтобы деление прошло гладко. В сложных клетках - от дрожжей до синего кита - благополучное деление обеспечивает клеточный цикл.
Размер клетки ограничен, так что в крупном организме содержится больше клеток. В теле самого крупного животного в истории — синего кита — содержится почти 100 квадриллионов клеток (1017), а развивается он из единственной оплодотворенной яйцеклетки. У взрослого человека 37 триллионов клеток (3,7 х 1013), и несколько миллиардов из них ежедневно заменяются новыми. При делении могут возникать ошибки, некоторые из которых способны приводить к развитию рака. Чтобы избежать ошибок, клетки эукариот проверяют и перепроверяют свое состояние несколько раз на разных стадиях клеточного цикла, прежде чем начинать деление.
Фазы
Клетки эукариот «рождаются» и «умирают» в результате деления. Клеточный цикл состоит из четырех фаз: Gl, S, G2 и М. Клетка растет на протяжении первой фазы (G1), во время синтеза (S) происходит репликация ДНК, на этапе G2 проверяется точность копирования генетического материала, а митоз (М) обеспечивает распределение хромосом между ядрами дочерних клеток. Затем материнская клетка разделяется на две дочерние. Цикл может длиться несколько минут или несколько дней, в зависимости от клетки; у человека он длится в среднем сутки, большую часть этого времени занимают первые три фазы, в совокупности именуемые «интерфазой». Некоторые клетки, например нейроны и мышечные клетки сердца, никогда не завершают цикл, переходя вместо этого в состояние покоя, G0.
В 1970 году Поту Рао и Роберт Джонсон, занимавшиеся исследованиями рака, доказали, что клетка не может обратить цикл вспять. Изолировав клетки, находящиеся в разных фазах клеточного цикла, они искусственно создали их гибриды. При комбинировании клеток G1 и S ядра G1 начали синтезировать ДНК. Но при комбинировании клеток G2 и S новая ДНК появлялась только в ядре S. То есть клетка G2 не может перейти к фазе S, не пройдя сначала митоза.
Контрольные точки
Раковые клетки ведут себя необычно. В 1965 году микробиолог Доналд Уильямсон, используя радиоактивные метки, чтобы проследить за процессом синтеза ДНК в клетках дрожжей, доказал, что они проходят через те же фазы, что и остальные клетки многоклеточного организма. А значит, их можно использовать для изучения клеточного цикла эукариот в целом. В начале 1970-х эксперименты с дрожжевыми клетками продолжил Леланд Хартвелл. Мутации, блокирующие деление, теоретически должны прекращать жизнь клетки, но мутанты Хартвелла были чувствительны к температуре — росли нормально при 25 °С (75 °F), но совсем не росли при 36 °С (96,8 °F). Таким образом, их деление можно было контролировать. Разные штаммы останавливались на разных стадиях цикла, так что каждой мутации, каждому изучаемому гену можно было приписать свою фазу. В 1970-м Хартвелл описал множество таких генов, но самым интересным оказался ген «цикл деления 28», CDC28, — он получил прозвище «старт», потому что определял начало фазы G1. Это привело исследователей к идее контрольных точек.
Прочитав работы Хартвелла, британский генетик Пол Нерс заинтересовался дрожжами и отправился в Эдинбургский университет учиться у зоолога Мердока Митчисона, который исследовал деление дрожжей Schizosaccharomyces pombe. Нерс также обнаружил чувствительные к температуре штаммы, в том числе и такие, у которых клеточный цикл был значительно ускорен. Эти дрожжи делились раньше положенного срока, не достигая при этом нормального размера, и потому были названы Wee («маленький» на одном из шотландских диалектов). В 1975 году Нерс доказал, что ген CDC2 (wee2) отвечает за переход клетки от фазы G2 к М, служит своего рода контрольным пунктом.
«Некоторые удивляются, возможно и небезосновательно, что же делает в центре изучения рака обыкновенный исследователь дрожжей» Пол Нерс
Ген CDC2 крайне важен для клеточного цикла. В 1982-м Нерс начал использовать в своих исследованиях метод «межвидовой комплементации», чтобы определить, какие гены отвечают за прохождение этого контрольного пункта. При этом разные гены CDC встраивали в модифицированную ДНК термочувствительных мутантов, чтобы проверить, будут ли они расти. В результате кропотливых исследований с разными видами Нерс выяснил, что ген CDC2 у делящихся дрожжей выполнял примерно ту же функцию, что CDC28 у дрожжей почкующихся, — функцию «пускового механизма». Это удивительно: хотя и те и другие являются одноклеточными организмами, их общий предок жил более миллиарда лет назад. В 1987-м Нерс, работавший тогда в Лондонском институте исследований рака, использовал ту же методику, чтобы продемонстрировать, как встроенная человеческая ДНК может ликвидировать дефекты мутантных дрожжей, то есть использоваться в качестве «спускового механизма», а следовательно, ген CDC2 — этот компонент механизма, управляющего клеточным циклом, — является общим для дрожжей, млекопитающих и, вероятно, всех других эукариот.
Циклы
Гены CDC контролируют производство белков, отвечающих за прохождение «контрольной точки» в клеточном цикле. Если бы эти белки были активны постоянно, никаких «проверок» не происходило бы, клетка проходила бы весь цикл без пауз. Но что контролирует «контрольные точки»? В 1982 году при изучении яйцеклеток морского ежа Arbacia punctulata британский биохимик Тим Хант показал, что на протяжении клеточного цикла производятся и разрушаются определенные белки. Их концентрация периодически возрастает и падает — он назвал их «циклинами» и предположил, что они могут быть связаны с «фактором ускорения созревания», или MPF (maturation-promoting factor) — молекулой, которую исследователи пытались обнаружить на протяжении двух десятилетий.
В 1988-м несколько исследователей, в том числе Пол Нерс, выяснили, что загадочный фактор ускорения созревания — комбинация двух белков: циклина В и CDC2. Сегодня белок CDC называется «циклин-зависимой киназой» (CDC2 — это CDK1 у человека). Киназы — ферменты, активирующие другие белки путем присоединения к ним фосфата, что объясняет, как сочетание циклина и циклин-зависимой киназы контролирует метаболизм: CDK воздействует на другие белки, а благодаря изменениям концентрации ее «партнера» она не всегда одинаково активна. Например, концентрация циклина Е возрастает в фазе G1, стимулируя синтез ДНК, а в фазе S — снижается.
Белки pRb и р53, предотвращающие развитие опухоли, активны постоянно, но «выключаются» некоторыми парами циклин-киназа, когда клетка готова к делению. У дрожжей всего один ци- клин и одна циклин-зависимая киназа, а у человека их больше десятка. Но даже такое сходство между организмами, разделенными миллиардами лет эволюции, показывает, что механизм контролирования деления появился в самом начале эволюции эукариот. И у почкующихся дрожжей, и у гигантского голубого кита деление клеток обеспечивает единый клеточный цикл.
Фазы цикла
Клеточный цикл состоит из четырех стадий: G1 - стадия роста, S - синтез ДНК, G2 - проверка скопированного генетического материала, М (митоз) - распределение хромосом между двумя клетками. После фазы М клетка разделяется на две дочерние клетки. Некоторые клетки выходят из цикла и переходят в состояние покоя, G0.
Борьба с раком
В аномальных клетках система контроля, предотвращающая неконтролируемое деление, нарушена, поэтому существуют белки «супрессоры опухолей», определяющие, должна ли клетка переходить на следующую стадию. Один из ключевых супрессоров - р53, проверяющий наличие повреждений в ДНК, его называют «страж генома». При наличии повреждений р53 изменяет форму и активирует гены, отвечающие за исправление ошибок в генетическом материале. Среди прочих включается и р21, подавляющий активность некоторых циклин-зависимых киназ, так что клеточный цикл останавливается при переходе от G1 к S. Еще один ключевой супрессор - белок Rb. Его ген был впервые обнаружен у детей, больных редким видом рака глаз - ретинобластомой, но со временем выяснилось, что он широко распространен. Активный Rb соединяется с белком E2F, предотвращая связывание E2F с ДНК и активацию генов, которые - как и р53 - позволяют клетке преодолеть барьер G1/S. Но если под воздействием циклин-зависимой киназы Rb не может присоединиться к E2F, клеточный цикл продолжается. Супрессоры действуют как своего рода тормоза, не позволяющие развиваться раку. Мутации р53, Rb или генов циклинов и циклин-зависимой киназы могут привести к развитию рака.