1

Наши экспериментальные результаты и опубликованные данные свидетельствуют о том, что регуляция процессов пролиферации, дифференцировки и апоптоза может происходить в клетках нейробластомы под действием сублетальных концентраций широкого спектра веществ, в том числе и изменение ионного состава культуральной среды. Клеточный цикл и дифференцировка клетки контролируются циклинами и циклин-зависимыми киназами. Однако молекулярные механизмы, лежащие в основе дифференцировки, все еще плохо поняты. Предложена простейшая модель регуляции фермента с центрами связывания для органических субстратов и для неорганических ионов. Активность такого фермента зависит не только от наличия субстрата, но и от внутриклеточных активностей неорганических ионов. Ионный состав цитоплазмы может осуществить тонкую регулировку различных ферментных систем клетки.

культура клеток

нейробластома

пролиферация

дифференцировка

неорганические ионы

1. Асланиди К.Б., Булгаков В.В., Замятнин А.А. (мл.), Маевский Е.И., Чайлахян Л.М. Модель метаболической регуляции мембранного электрогенеза животной клетки. // ДАН. – 1998. – Т.360, № 6. – С. 823–828.

2. Асланиди К.Б., Мякишева С.Н., Иваницкий Г.Р. Ионная регуляция пролиферации клеток нейробластомы мыши NIE-115 in vitro // ДАН – 2008. – Т. 423, № 2. – С. 1 – 3.

3. Асланиди К.Б., Мякишева С.Н. Влияние компонентов среды на время дифференцировки и продолжительность жизни клеток нейробластомы мыши NIE-115. //Биологические мембраны – 2011. – Т. 28, № 3. – С. 181–190.

4. Мякишева С.Н., Костенко М.А., Дриняев В.А., Мосин В.А. Пролиферация и морфологическая дифференцировка клеток нейробластомы в культуре под влиянием авермектинов // Морфология. – 2001. – Т.120, № 6. – С.24–26.

5. Мякишева С.Н., Крестинина О.В. Исследование влияния мелатонина на пролиферацию и индукцию дифференцировки клеток нейробластомы мыши N1E-115 // Современные проблемы науки и образования. – 2014. – № 6.

6. Мякишева С.Н., Крестинина О.В., Асланиди К.Б. Мелатонин ингибирует пролиферацию и индуцирует дифференцировку клеток нейробластомы. //Сб.ст.: Труды Международной научной конференции SCVRT2013–14. Москва-Протвино – 2013–2014. – С. 153–156.

7. Тирас Х.П., Петрова О.Н., Мякишева С.Н., Попова С.С., Асланиди К.Б. Влияние слабых магнитных полей в разные фазы регенерации планарии. // Биофизика – 2015. – Т.60, №1. – С. 158 – 163.

8. Aslanidi K.B., Boitzova L.J., Chailakhyan L.M., Kublik L.N., Marachova I.I., Potapova T.V., Vinogradova T.A. Energetic cooperation via ion-permeable junctions in mixed cell cultures. // FEBS Letters – 1991. – Vol.283, №2. – P.295–297.

9. Aslanidi K.B., Panfilov A.V. The Boyle-Conway model including the effect of an electrogenic pump for nonexcitable cells // Mathematical Biosciences – 1986. – Vol.79. – P.45–54.

10. Bell J.L., Malyukova A., Kavallaris M., Marshall G.M., Cheung B.B. TRIM16 inhibits neuroblastoma cell proliferation through cell cycle regulation and dynamic nuclear localization. // Cell Cycle – 2013. – Mar 15;12(6):889–98. doi: 10.4161/cc.23825. Epub 2013 Feb 19.

11. Cheung W.M., Chu P.W., Kwong Y.L. Effects of arsenic trioxide on the cellular proliferation, apoptosis and differentiation of human neuroblastoma cells // Cancer Lett. – 2007. – Feb 8;246(1–2):122–8. Epub 2006 Mar 29.

12. Chu J., Tu Y., Chen J., Tan D., Liu X., Pi R. Effects of melatonin and its analogues on neural stem cells // Mol Cell Endocrinol – 2016. – Jan 15;420:169–79. doi: 10.1016/j.mce.2015.10.012. Epub 2015 Oct 21.

13. Duffy DJ, Krstic A, Schwarzl T, Halasz M, Iljin K, Fey D, Haley B, Whilde J, Haapa-Paananen S, Fey V, Fischer M, Westermann F, Henrich KO, Bannert S, Higgins DG, Kolch W. Wnt signalling is a bi-directional vulnerability of cancer cells // Oncotarget – 2016. –Aug 11. doi: 10.18632/oncotarget.11203. .

14. Dziegiel P., Pula B., Kobierzycki C., Stasiolek M., Podhorska-Okolow M. Metallothioneins in Normal and Cancer Cells // Adv Anat Embryol Cell Biol – 2016; – 218:1–117. doi: 10.1007/978–3–319–27472–0_1.

15. Gohara D.W., Di Cera E. Molecular Mechanisms of Enzyme Activation by Monovalent Cations. // J Biol Chem – 2016. – Sep. 30;291(40):20840–20848. Epub 2016 Jul 26.

16. Hiyoshi H, Abdelhady S, Segerström L, Sveinbjörnsson B, Nuriya M, Lundgren TK, Desfrere L. Quiescence and γH2AX in neuroblastoma are regulated by ouabain/Na,K-ATPase. // Br J Cancer. – 2012. – May 22; 106(11):1807–15. doi: 10.1038/bjc.2012.159. Epub 2012 Apr 24.

17. Ikram F., Ackermann S., Kahlert Y., Volland R., Roels F., Engesser A., Hertwig F., Kocak H., Hero B., Dreidax D., Henrich K.O., Berthold F., Nürnberg P., Westermann F., Fischer M. Transcription factor activating protein 2 beta (TFAP2B) mediates noradrenergic neuronal differentiation in neuroblastoma. // Mol Oncol – 2016. – Feb;10(2):344–59. doi: 10.1016/j.molonc.2015.10.020. Epub 2015 Nov 7.

18. Leung Y.M., Huang C.F., Chao C.C., Lu D.Y., Kuo C.S., Cheng T.H., Chang L.Y., Chou C.H. Voltage-gated K+ channels play a role in cAMP-stimulated neuritogenesis in mouse neuroblastoma N2A cells // J Cell Physiol – 2011. – Apr;226(4):1090–8. doi: 10.1002/jcp.22430.

19. Luksch R., Castellani M.R., Collini P., De Bernardi B., Conte M., Gambini C., Gandola L., Garaventa A, Biasoni D, Podda M, Sementa AR, Gatta G, Tonini GP. Neuroblastoma (Peripheral neuroblastic tumours). // Crit Rev Oncol Hematol – 2016. – Nov. – 107:163–181. doi: 10.1016/j.critrevonc.2016.10.001. Epub 2016 Oct 6.

20. Morgan D.O. Principles of CDK regulation. // Nature – 1995, Vol. 374. – P. 131–134.

21. Narimanov A.A., Kublik L.N., Myakisheva S.N. Influence of cyanosis blue Polemonium Coeruleum L. extract on the growth of transformed cells in vitro. // Experimental Oncology –1996, Vol. 18. – P. 287–289.

22. Naveen C.R., Gaikwad S., Agrawal-Rajput R. Berberine induces neuronal differentiation through inhibition of cancer stemness and epithelial-mesenchymal transition in neuroblastoma cells. // Phytomedicine – 2016, Jun 15. –23(7). – P. 736–44. doi: 10.1016/j.phymed.2016.03.013. Epub 2016 Apr 13.

23. Russo M., Russo G.L., Daglia M., Kasi P.D., Ravi S., Nabavi S.F., Nabavi S.M. Understanding genistein in cancer: The «good» and the «bad» effects: A review. // Food Chem – 2016, Apr 1. – 196:589–600. doi: 10.1016/j.foodchem.2015.09.085. Epub 2015 Sep 26.

24. Santamaria D., Ortega S. Cyclins and CDKS in development and cancer: lessons from genetically modified mice. // Front Biosci – 2006, Jan 1. – 11. – P. 1164–88.

25. Yuan Y., Jiang C.Y., Xu H., Sun Y., Hu F.F., Bian J.C., Liu X.Z., Gu J.H., Liu Z.P. Cadmium-induced apoptosis in primary rat cerebral cortical neurons culture is mediated by a calcium signaling pathway. // PLoS One – 2013, May 31. – 8(5):e64330. doi: 10.1371/journal.pone.0064330. Print 2013.

Нейробластома является наиболее распространенной солидной опухолью детского возраста и на нейробластому приходится до 15 % всех детских смертей от рака . Нейробластома представляет собой опухоль, возникающую из незрелых клеток эмбриональной симпатической нервной системы. Под действием различных факторов клетки нейробластомы могут пролиферировать, дифференцироваться или дедифференцироваться, а также погибать по механизмам некроза или апоптоза . Существуют и периферические виды нейробластомы, возникающие в надпочечниках или в забрюшинных ганглиях, в кости и в костном мозге .

Клетки нейробластомы являются классической экспериментальной моделью для исследования механизмов пролиферации, дифференцировки и апоптоза. По данным PubMed еженедельно выходит не менее 2-х обзоров о нейробластоме, а общее количество публикаций приблизилось к 37.000, увеличиваясь ежегодно почти на 1500 штук.

Корреляция между гистологическими и генетическими признаками у клеток нейробластомы отмечалась многими исследователями и клиницистами. Развитие и патогенез эмбриональной нервной системы связан главным образом с Wnt сигнальным путём. В клетках нейробластомы ингибирование Wnt сигнализации блокирует пролиферацию и способствует дифференцировке, а гиперактивация Wnt сигнализации направляет раковые клетки к апоптозу . Ранее нами было показано, что клетки мышиной нейробластомы N1Е -115 проявляют чувствительность к широкому кругу биологически активных веществ , а также к ионному составу культуральной среды . Однако остаётся вопрос, какие метаболические пути являются общими как для множества биологически активных веществ, так и для неорганических ионов, являющихся компонентами культуральных сред.

Целью работы является поиск мишеней, на которых совмещаются влияния многообразных экзогенных биологически активных веществ и неорганических ионов.

Морфология клеток нейробластомы мыши N1Е -115

Клетки нейробластомы культивировали при 37°С в среде DМЕМ (Sigma, США) с добавлением 10 % эмбриональной сыворотки (Fetal Bovine Serum, Flow Laboratories, Великобритания). Плотность посева в пластиковых флаконах (50 мл) составляла 104 клеток на см2 при объёме среды 5 мл. Через сутки после обычного пересева среду меняли на обычную среду DМЕМ без сыворотки . Исследования клеток проводили методом прижизненного наблюдения c использованием микроскопа.

Рис. 1. Типичная морфология пролиферирующих (А), дифференцированных (Б) и погибших (В) клеток нейробластомы

Адгезированные к поверхности клетки округлой или овальной формы, с наличием коротких отростков или без отростков определяли как пролиферирующие (рис. 1А). Критерием дифференцировки клетки было увеличение размеров и появление длинных аксоноподобных отростков (рис. 1Б). Погибшие клетки определяли как клетки округлой формы или деформированные с фрагментированной структурой ядра и цитоплазмы, как правило не адгезированные к поверхности (рис. 1В).

Влияние фармакологических препаратов на клетки нейробластомы

Ранее были иисследованы процессы пролиферации и морфологической дифференцировки клеток нейробластомы под действием аверсектина С, диметилсульфоксида (ДМСО) и форсколина . Доля дифференцированных клеток, обусловленная применением этих веществ в сублетальных концентрациях, через пять суток культивирования достигала 50 %. Эффект мелатонина на клетки нейробластомы зависел от концентрации в диапазоне 10-8М до 10-3М и приводил к торможению пролиферации и индукции дифференцировки . Некоторые растительные препараты также ингибируют пролиферацию и индуцируют дифференцировку . Аналогичное действие на клетки нейробластомы оказывал препарат растительного происхождения, полученный из синюхи голубой Polemonium coeruleum L. .

Приведённые экспериментальные данные свидетельствуют о том, что описанные морфологические изменения наблюдались при использовании сублетальных концентраций самых различных веществ, которые активируют или ингибируют различные сигнальные пути, в частности, Wnt сигнализацию или МАРК/ERK сигнальный путь . Отметим, что морфология пролиферирующих, дифференцированных или погибших клеток практически не зависит от природы действующего фактора. Более того, ниже будет показано, что процесс дифференцировки сопровождается закономерным изменением ионного состава внутриклеточной среды.

Влияние неорганических ионов на клетки нейробластомы

В наших экспериментах дифференцировка клеток нейробластомы NIE-115 происходила только на бессывороточных средах. Были выявлены зависимости скорости дифференцировки клеток от осмотичности среды, концентрации ионов Na+, значения рН, содержания аминокислот и углеводов в культуральной среде. Показано, что быстрая дифференцировка приводит к быстрой гибели клеток, а максимальную длительность жизни дифференцированных клеток обеспечивали среды, время дифференцировки в которых было сопоставимо с длительностью клеточного цикла . В рамках нашей теоретической модели дифференцировка клеток нейробластомы происходила при вполне определённых значениях внутриклеточных активностей неорганических ионов Na+, K+, Ca2+и рН . При этом неудивительно, что некоторые фармакологические препараты, непосредственно влияющие на распределение неорганических ионов между клеткой и средой, в частности, эндогенный сердечный гликозид оуабаин, действуя на Na+/К+ - АТФазу, вызывает у злокачественной нейробластомы человека обратимую остановку клеточного цикла в S-G2 фазе и увеличение содержание Na+ в цитоплазме , что активирует открытие Ca2+-каналов и вхождение Ca2+ в клетку . Отметим, что уже в течение первого часа инкубации культивируемых клеток с оуабаином ингибирование Na+/К+ - АТФазы приводило практически к полной деполяризации плазматической мембраны клетки . В клетках нейробластомы N2A имеются два типа потенциалзависимых К+ -каналов, которые ингибируются 4-аминопиридином и тетраэтиламмонием. Ингибирование калиевых потоков в этих каналах блокирует дифференцировку, в частности, нейритогенез, вызываемый внутриклеточным цАМФ .

Ионы кадмия Cd2+ нарушают гомеостаз свободного внутриклеточного кальция Са2+, что приводит к апоптозу в различных клетках, в том числе в первичной культуре нейронов мыши. Cd2+ ингибирует активность Na+/К+ - АТФазы, Са2+ - АТФазы и Mg2+ - АТФазы, нарушает транспорт Са2+ в эндоплазматическом ретикулуме, вызывая рост внутриклеточного Са2+, и активацию апоптотического сигнального пути в митохондриях . Триоксид мышьяка As2O3 при концентрации порядка 0,5×10-6М также вызывает доз-зависимое ингибирование пролиферации, а при концентрациях выше 1,5×10-6М приводит к апоптозу клеток нейробластомы . Известно, что мышьяк As3+ участвует в окислительно-восстановительных реакциях: окислительном распаде сложных углеводов, брожении, гликолизе и т. п. Возможно, что As3+ конкурирует с ионами Са2+ за соответствующие центры связывания на ферментах.

Все изменения основных параметров ионно-осмотического гомеостаза в процессе дифференцировки, которые были описаны в приведённых выше независимых экспериментах, могут быть описаны в рамках простейшей модели, учитывающей активный транспорт ионов Na+ и K+ .

Комплексообразование ферментов с ионами

Регуляция функциональной активности посредством комплексообразования с ионами металлов играет ключевую роль во многих ферментативных реакциях. До 40 % всех, исследованных на сегодняшний день белков, являются металлопротеинами . Металлы играют важную роль в формировании структуры белков. Многие ферменты содержат несколько металлов в своих активных центрах, расположенных в разных местах белковой цепи. В некоторых случаях замена одного металла на другой может ингибировать ферментативную активность и стать причиной отравления и гибели организма . Большинство белков ассоциируется с двухвалентными металлами: Fe2+ участвует в окислительно-восстановительных циклах, Zn2+- в каталитических реакциях, Ca2+ определяет стабильность структуры ферментов и играет ключевую роль в системе внутриклеточной сигнализации . Существует семейство низкомолекулярных металлопротеинов, связывающих Zn2+, и принимающих участие в важнейших физиологических процессах у всех живых существ, в частности, в процессах канцерогенеза . для функционирования биологических макромолекул необходимы и одновалентные ионы группы IА: Na+ и К+ .

Связывание одновалентного катиона с его аллостерическим центром влечет за собой активацию фермента и преобразование этого события в изменении каталитической активности. Ионы натрия и калия необходимы для функционирования многих ферментов, включая киназы, шапероны, фосфатазы, альдолазы, рекомбиназы, дегидрогеназы и рибокиназы, диалкилкарглициндекарбоксилазы, триптофансинтаза, тромбин и Na/K-АТФазы . Эффекты ионов Na+ или К+ для всех исследованных ферментов разнонаправлены.

Связь ферментативной активности и локальной концентрации ионов внутри клетки

Более 20 лет назад было показано, что электрофизиологические сдвиги коррелируют с изменениями синтетических процессов . Как клеточный цикл, так и процесс дифференцировки контролируются циклинами и циклин-зависимыми киназами Cdks. Нарушение активности циклинов и циклин-зависимых киназ приводит к развитию опухолей . В зависимости от дозы некоторых препаратов в клетках задействуются различные молекулярные механизмы, в результате чего может усилиться пролиферация или произойти дифференцировка клеток, приводящая к апоптозу .

Связь ферментативной активности с ионно-осмотическим гомеостазом клетки наглядно проявляется в теоретической модели, учитывающей потоки субстратов и продуктов обмена через плазматическую мембрану при различных функциональных нагрузках, таких как синтез нуклеиновых кислот, синтез белков, синтез липидов или двигательная активность, требующая большого расхода АТФ. Результаты, полученные на этой модели, могут объяснить наблюдаемые в экспериментах изменения ионных проницаемостей клеточной мембраны, мембранного потенциала и внутриклеточных активностей неорганических ионов в ходе клеточного цикла и в процессе дифференцировки . Отметим, что наличие доз-зависимых эффектов , зарегистрированных при действии многих веществ на процессы пролиферации, дифференцировки и клеточной гибели, свидетельствует о вероятностном механизме взаимодействия как биологически активных веществ, так и неорганических ионов с ферментом, являющимся первичной мишенью. Такими мишенями, на которых совмещаются влияния неорганических катионов и органических субстратов, могут быть, в частности, циклинзависимые киназы или циклины .

Уравнение Михаэлиса - Ментен для фермента, обладающего центрами связывания как для органического субстрата, так и для неорганических ионов, имеет вид:

где P - скорость ферментативной реакции; - внутриклеточная активность органического субстрата или конкретного неорганического иона; - внутриклеточная активность органического субстрата или конкретного неорганического иона, ингибирующего этот центр, kmi и kii - кажущиеся константы ассоциации органического субстрата или конкретного неорганического иона и их ингибиторов. Подобное выражение для скорости ферментативной реакции использовалось ранее для описания функционирования Na+/К+ - АТФазы плазматической мембраны при изменении ионного состава внешней среды и показало хорошее соответствие с результатами ряда независимых электрофизиологических экспериментов . Приведённое уравнение означает, что скорость ферментативной реакции P определяется произведением вероятностей заполнения всех n центров связывания фермента. При этом активность фермента зависит от внутриклеточных концентраций многих ионов, а роль ионно-осмотического гомеостаза заключается в поддержании внутриклеточных концентраций ионов на уровне, позволяющем производить тонкую регуляцию переключения различных ферментативных систем. При этом, лимитирующим фактором для активности фермента может оказаться внутриклеточная концентрация любого иона, если внутриклеточные концентрации других ионов оптимальны, т.е. вероятности заполнения соответствующих центров связывания близки к единице.

Заключение

В совокупности, представленные данные свидетельствуют о том, что морфогенез нейробластомы in vitro можно контролировать различными воздействиями, как биологически активными веществами, так и ионным составом культуральной среды. Все рассмотренные выше и полученные в независимых экспериментах биологические эффекты легко интерпретировать в рамках модели регуляции ферментативной активности, предполагающей совершение единичного акта при одновременном заполнении всех центров связывания для субстратов и неорганических ионов.

Действительно, в условиях культивирования могут реализоваться две стратегии развития клеток нейробластомы. Одна стратегия заключается в ее дифференцировке и старении, и, в конечном счете, индивидуальной гибели (апоптотической или некротической). Другая может заключаться в усилении пролиферации и даже в дедифференцировке. Первый сценарий развивается на бессывороточных средах и усиливается при воздействии экзогенных или эндогенных повреждающих факторов, в частности, при воздействии сублетальных концентраций самых разнообразных веществ или определённых изменений ионного состава культуральной среды . На уровне организма при достижении определённого предела компенсаторных возможностей клеток нарушается тканевой и функциональный гомеостаз в жизненно важных органах, что ведёт к старению и последующей гибели всего организма. В условиях культивирования присутствие сыворотки, в частности, наличие биологически активных вещества, способствует процессу пролиферации . На уровне организма усиление пролиферации стволовых клеток приводит к развитию клона неопластических клеток, к росту опухоли и последующей гибели организма. Обе рассмотренные стратегии представляют собой многостадийные процессы, некоторые этапы которых хорошо охарактеризованы, тогда как другие нуждаются в дополнительном исследовании. В частности, наличие ключевого фермента, обладающего центрами связывания для органического субстрата и неорганических ионов можно выявить с использованием слабых магнитных полей, настроенных в резонанс с определёнными неорганическими ионами, такими как Na+, K+, Ca2+ .

Библиографическая ссылка

Мякишева С.Н., Крестинина О.В., Асланиди К.Б. ВОЗМОЖНЫЕ МЕХАНИЗМЫ РЕГУЛЯЦИИ ПРОЦЕССОВ ПРОЛИФЕРАЦИИ, ДИФФЕРЕНЦИРОВКИ И АПОПТОЗА У КЛЕТОК НЕЙРОБЛАСТОМЫ // Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований. – 2016. – № 12-8. – С. 1451-1455;
URL: https://applied-research.ru/ru/article/view?id=11060 (дата обращения: 25.12.2019). Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»

Клеточная пролиферация - увеличение числа клеток путем митоза,

приводящее к росту ткани, в отличие от другого способа увеличения ее

массы (например, отек). У нервных клеток пролиферация отсутствует.

Во взрослом организме продолжаются процессы развития, связанные

с делением и специализацией клеток. Эти процессы могут быть как нор-

мальными физиологическими, так и направленными на восстановление ор-

ганизма вследствие нарушения его целостности.

Значение пролиферации в медицине определяется способностью кле-

ток разных тканей к делению. С делением клеток связан процесс заживле-

ния ран и восстановление тканей после хирургических операций.

Пролиферация клеток лежит в основе регенерации (восстановления)

утраченных частей. Проблема регенерации представляет интерес для ме-

дицины, для восстановительной хирургии. Различают физиологическую,

репаративную и патологическую регенерацию.

Физиологическая - естественное восстановление клеток и тканей в

онтогенезе. Например, смена эритроцитов, клеток кожного эпителия.

Репаративная - восстановление после повреждения или гибели кле-

ток и тканей.

Патологическая - разрастание тканей не идентичных здоровым тка-

ням. Например, разрастание рубцовой ткани на месте ожога, хряща – на

месте перелома, размножение клеток соединительной ткани на месте мы-

шечной ткани сердца, раковая опухоль.

В последнее время принято разделять клетки тканей животных по спо-

собности к делению на 3 группы: лабильные, стабильные и статические.

К лабильным относятся клетки, которые быстро и легко обновляются

в процессе жизнедеятельности организма (клетки крови, эпителия, слизи-

стой ЖКТ, эпидермиса и др.).

К стабильным относятся клетки таких органов как печень, поджелу-

дочная железа, слюнные железы и др., которые обнаруживают ограничен-

ную способность к делению.

К статическим относятся клетки миокарда и нервной ткани, кото-

рые, как считает большинство исследователей, не делятся.

Изучение физиологии клетки имеет важное значение для понимания он-

тогенетического уровня организации живого и механизмов саморегуляции

клетки, обеспечивающих целостное функционирование всего организма.

Глава 6

ГЕНЕТИКА КАК НАУКА. ЗАКОНОМЕРНОСТИ

НАСЛЕДОВАНИЯ ПРИЗНАКОВ

6.1 Предмет, задачи и методы генетики

Наследственность и изменчивость являются фундаментальными свой-

ствами живого, т. к. характерны для живых существ любого уровня орга-

низации. Наука, изучающая закономерности наследственности и изменчи-

вости, называется генетикой.

Генетика как наука изучает наследственность и наследственную из-

менчивость, а именно, она имеет дело со следующими проблемами :

1) хранение генетической информации;

2) передача генетической информации;

3) реализация генетической информации (использование ее в конкрет-

ных признаках развивающегося организма под влиянием внешней среды);

4) изменение генетической информации (типы и причины изменений,

механизмы).

Первый этап развития генетики - 1900–1912 гг. С 1900 г. - переот-

крытие законов Г. Менделя учеными Х. Де Фризом, К. Корренсом, Э. Чер-

маком. Признание законов Г. Менделя.

Второй этап 1912–1925 гг. - создание хромосомной теории Т. Мор-

гана. Третий этап 1925–1940 гг. - открытие искусственного мутагенеза и

генетических процессов эволюции.

Четвертый этап 1940–1953 гг. - исследования по генному контролю

физиологических и биохимических процессов.

Пятый этап с 1953 г. и по настоящее время - развитие молекулярной

биологии.

Отдельные сведения по наследованию признаков были известны

очень давно, однако научные основы передачи признаков впервые были

изложены Г. Менделем в 1865 г. в работе: «Опыты над растительными

гибридами». Это были передовые мысли, но современники не придали

значение его открытию. Понятия «ген» в то время еще не было и Г. Мен-

дель говорил о «наследственных задатках», содержащихся в половых клет-

ках, но их природа была неизвестна.

В 1900 г. независимо друг от друга Х. Де Фриз, Э. Чермак и К. Кор-

ренс заново открыли законы Г. Менделя. Этот год и считается годом рож-

дения генетики как науки. В 1902 г. Т. Бовери, Э. Вильсон и Д. Сеттон сде-

лали предположение о связи наследственных факторов с хромосомами.

В 1906 г. У. Бетсон ввел термин «генетика», а в 1909 г. В. Иогансен -

«ген». В 1911 г. Т. Морган и сотрудники сформулировали основные поло-

жения хромосомной теории наследственности. Они доказали, что гены

расположены в определенных локусах хромосом в линейном порядке, по-

ние определенного признака.

Основные методы генетики: гибридологический, цитологический и

математический. Генетика активно использует и методы других смежных

наук: химии, биохимии, иммунологии, физики, микробиологии и др.

Клетка является элементарной единицей всего живого. Вне клетки жизни нет. Размножение клеток происходит только путем деления исходной клетки, которому предшествует воспроизведение ее генетического материала. Активация деления клетки происходит вследствие воздействия на нее внешних или внутренних факторов. Процесс деления клетки с момента ее активации называется пролиферацией. Иными словами, пролиферация – это размножение клеток, т.е. увеличение числа клеток (в культуре или ткани), происходящее путем митотических делений. Время существования клетки как таковой, от деления до деления, обычно называют клеточным циклом.

ВВЕДЕНИЕ 3
ГЛАВА I. Пролиферация 4
Клеточный цикл 5
Регуляция клеточного цикла 6
Экзогенные регуляторы пролиферации 7
Эндогенные регуляторы пролиферации 7
Пути регуляции CDK 8
Регуляция G1 фазы 10
Регуляция S фазы 11
Регуляция G2 фазы 12
Регуляция митоза 12
Повреждение ДНК 13
1.10.1 Пути восстановления двуцепочечных разрывов ДНК 13
1.10.2 Клеточный ответ на повреждение ДНК и его регуляция 14
1.11. Регенерация тканей 15
1.11.1Формы регенерации 16
1.11.2. Регуляция регенерации тканей 17
ГЛАВА II. АПОПТОЗ 18
2.1. Характерные признаки апоптоза 19
2.2. Механизм апоптоза 19
2.3. Роль апоптоза в защите от онкологических заболеваний 20
2.4. Регуляция апоптоза 21
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 24

Работа содержит 1 файл

Российский государственный педагогический университет имени А. И. Герцена

Факультет биология

КУРСОВАЯ РАБОТА

Пролиферация клетки

СПб 2010
ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ 3

ГЛАВА I. Пролиферация 4

1. Клеточный цикл 5
2. Регуляция клеточного цикла 6
3. Экзогенные регуляторы пролиферации 7
4. Эндогенные регуляторы пролиферации 7
5. Пути регуляции CDK 8
6. Регуляция G1 фазы 10
7. Регуляция S фазы 11
8. Регуляция G2 фазы 12
9. Регуляция митоза 12
10. Повреждение ДНК 13

1.10.1 Пути восстановления двуцепочечных разрывов ДНК 13

1.10.2 Клеточный ответ на повреждение ДНК и его регуляция 14

1.11. Регенерация тканей 15

1.11.1Формы регенерации 16

1.11.2. Регуляция регенерации тканей 17

ГЛАВА II. АПОПТОЗ 18

2.1. Характерные признаки апоптоза 19

2.2. Механизм апоптоза 19

2.3. Роль апоптоза в защите от онкологических заболеваний 20

2.4. Регуляция апоптоза 21

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 24

Введение

Клетка является элементарной единицей всего живого. Вне клетки жизни нет. Размножение клеток происходит только путем деления исходной клетки, которому предшествует воспроизведение ее генетического материала. Активация деления клетки происходит вследствие воздействия на нее внешних или внутренних факторов. Процесс деления клетки с момента ее активации называется пролиферацией . Иными словами, пролиферация – это размножение клеток, т.е. увеличение числа клеток (в культуре или ткани), происходящее путем митотических делений. Время существования клетки как таковой, от деления до деления, обычно называют клеточным циклом .

Во взрослом организме человека клетки различных тканей и органов имеют неодинаковую способность к делению. Кроме того при старении интенсивность пролиферации клеток снижается (т.е. увеличивается интервал между митозами ). Встречаются популяции клеток, полностью потерявшие свойство делиться. Это, как правило, клетки, находящиеся на терминальной стадии дифференцировки , например, зрелые нейроны , зернистые лейкоциты крови , кардиомиоциты . В этом отношении исключение составляют иммунные В- и Т-клетки памяти , которые, находясь в конечной стадии дифференцировки, при появлении в организме определенного стимула в виде ранее встречавшегося антигена , способны начать пролиферировать. В организме есть постоянно обновляющиеся ткани – различные типы эпителия, кроветворные ткани. В таких тканях существует пул клеток, которые постоянно делятся, заменяя отработавшие или погибающие типы клеток (например, клетки крипт кишечника , клетки базального слоя покровного эпителия, кроветворные клетки костного мозга ). Также в организме существуют клетки, которые не размножаются в обычных условиях, но вновь приобретают это свойство при определенных условиях, в частности при необходимости регенерации тканей и органов.

Процесс пролиферации клеток жестко регулируется как самой клеткой (регуляция клеточного цикла, прекращение или замедление синтеза аутокринных ростовых факторов и их рецепторов), так и ее микроокружением (отсутствие стимулирующих контактов с соседними клетками и матриксом, прекращение секреции и/или синтеза паракринных ростовых факторов). Нарушение регуляции пролиферации приводит к неограниченному делению клетки, что в свою очередь инициирует развитие онкологического процесса в организме.

Пролиферация

Основную функцию, связанную с инициацией пролиферации, берет на себя плазматическая мембрана клетки. Именно на ее поверхности происходят события, которые связаны с переходом покоящихся клеток в активированное состояние, предшествующее делению. Плазматическая мембрана клеток за счет располагающихся в ней молекул-рецепторов воспринимает различные внеклеточные митогенные сигналы и обеспечивает транспорт в клетку необходимых веществ, принимающих участие в инициации пролиферативного ответа. Митогенными сигналами могут служить контакты между клетками, между клеткой и матриксом, а также взаимодействие клеток с различными соединениями, стимулирующими их вступление в клеточный цикл , которые получили название факторов роста. Клетка, получившая митогенный сигнал на пролиферацию, запускает процесс деления.

Клеточный цикл

Весь клеточный цикл состоит из 4 этапов: пресинтетического (G1),
синтетического (S), постсинтетического (G2) и собственно митоза (М).
Кроме того, существует так называемый G0-период, характеризующий
состояние покоя клетки. В G1-периоде клетки имеют диплоидное
содержание ДНК на одно ядро. В этот период начинается рост клеток,
главным образом, за счет накопления клеточных белков, что обусловлено
увеличением количества РНК на клетку. Кроме того, начинается подготовка к синтезу ДНК. В следующем S-периоде происходит удвоение количества ДНК и соответственно удваивается число хромосом. Постсинтетическая G2 фаза называется также премитотической. В этой фазе происходит активный синтез мРНК (матричная РНК). Вслед за этой стадией следует собственно деление клетки надвое или митоз.

Деление всех эукариотических клеток связано с конденсацией удвоенных (реплицированных ) хромосом. В результате деления эти хромосомы переносятся в дочерние клетки. Такой тип деления эукариотических клеток – митоз (от греч. mitos – нити) – является единственным полноценным способом увеличения числа клеток. Процесс митотического деления подразделяют на несколько этапов: профаза, прометафаза, метафаза, анафаза, телофаза .

Регуляция клеточного цикла

Назначение регуляторных механизмов клеточного цикла состоит не в регуляции прохождения клеточного цикла как такового, а в том, чтобы обеспечить, в конечном счете, безошибочность распределения наследственного материала в процессе репродукции клеток. В основе регуляции размножения клеток лежит смена состояний активной пролиферации и пролиферативного покоя . Регуляторные факторы, контролирующие размножение клеток можно условно разделить на две группы: внеклеточные (или экзогенные) или внутриклеточные (или эндогенные). Экзогенные факторы находятся в микроокружении клетки и взаимодействуют с поверхностью клетки. Факторы, которые синтезируются самой клеткой и действуют внутри нее, относятся к
эндогенным факторам . Такое подразделение весьма условно, поскольку некоторые факторы, будучи эндогенными по отношению к продуцирующей их клетке, могут выходить из нее и действовать как экзогенные регуляторы на другие клетки. Если регуляторные факторы взаимодействуют с теми же клетками, которые их продуцируют, то такой тип контроля называется аутокринным. При паракринном контроле синтез регуляторов осуществляется другими клетками.

Экзогенные регуляторы пролиферации

У многоклеточных организмов регуляция пролиферации различных типов клеток происходит вследствие действия не одного какого-либо ростового фактора, а их совокупности. Кроме того, некоторые ростовые факторы , будучи стимуляторами для одних типов клеток, ведут себя как ингибиторы по отношению к другим. Классические ростовые факторы представляют собой полипептиды с молекулярной массой 7-70 кДа. К настоящему моменту известно более сотни таких ростовых факторов

PDGF тромбоциты. Освобождаясь при разрушении сосудистой стенки, PDGF участвует в процессах тромбообразования и заживления ран. PDGF является мощным ростовым фактором для покоящихся фибробластов . Наряду с PDGF, не менее обстоятельно изучен эпидермальный фактор роста ( EGF ), который также способен стимулировать пролиферацию фибробластов. Но, кроме этого также стимулирующе влияет и на другие типы клеток, в частности на хондроциты .

Большую группу ростовых факторов составляют цитокины (интерлейкины , факторы некроза опухоли , колоние-стимулирующие факторы и т.д.). Все цитокины полифункциональны. Они могут, как усиливать, так и угнетать пролиферативные ответы. Так, например, разные субпопуляции CD4+ Т-лимфоцитов, Th1 и Th2 , продуцирующие разный спектр цитокинов, по отношению друг к другу являются антагонистами. То есть, Th1 цитокины стимулируют пролиферацию клеток, которые их продуцируют, но в то же время подавляют деление Th2 клеток, и наоборот. Таким образом, в норме в организме сохраняется постоянный баланс этих двух типов Т-лимфоцитов. Взаимодействие факторов роста с их рецепторами на поверхности клетки приводит к запуску целого каскада событий внутри клетки. В результате чего происходит активация факторов транскрипции и экспрессия генов пролиферативного ответа, что в конечном итоге инициирует репликацию ДНК и вступление клетки в митоз.

Эндогенные регуляторы клеточного цикла

В нормальных эукариотических клетках прохождение клеточного цикла жестко регулируется. Причиной онкологических заболеваний является трансформация клеток, как правило, связанная с нарушениями регуляторных механизмов клеточного цикла. Одним из основных результатов дефективности клеточного цикла является генетическая нестабильность, поскольку клетки с ущербным контролем клеточного цикла теряют способность корректно удваивать и распределять между дочерними клетками свой геном . Генетическая нестабильность приводит к приобретению новых особенностей, которые отвечают за прогрессирование опухоли.

В. Флемминг сформулировал представление о митозе как циклическом процессе, кульминационным моментом которого является расщепление каждой хромосомы на две дочерние хромосомы и их распределение по двум вновь образующимся клеткам. У одноклеточных организмов продолжительность существования клетки совпадает с продолжительностью жизни организма. В организме многоклеточных животных и растений различаются две группы клеток: постоянно делящиеся (пролиферирующие) и покоящиеся (статичные). Совокупность пролиферирующих клеток образует пролиферативный пул.

В группах пролиферирующих клеток интервал между завершением митоза в исходной клетке и завершением митоза в ее дочерней клетке называется клеточный цикл. Клеточный цикл контролируется определенными генами. Полный клеточный цикл включает интерфазу и собственно митоз. В свою очередь, собственно митоз включает кариокинез (деление ядра) и цитокинез (деление цитоплазмы).

Клеточный цикл состоит из интерфазы (период вне деления) и самого клеточного деления.

Если клетка собирается когда-нибудь делиться, то интерфаза будет состоять из 3-х периодов. Сразу после выхода из митоза клетка вступает в пресинтетический или G1-период, далее переходит в синтетический или S-период и потом - в постсинтетический или G2-период. G2-периодом заканчивается интерфаза и после нее клетка вступает в следующий митоз.

Если клетка не планирует снова делиться, то она как бы выходит из клеточного цикла и вступает в период покоя, или G0-период. Если клетка, находящаяся в G0-периоде, снова захочет делиться, то она выходит из G0-периода и вступает в G1-период. Таким образом, если клетка находится в G1-периоде, то она обязательно рано или поздно будет делиться, не говоря уже о S- и G2-периодах, когда клетка в ближайшее время обязательно вступит в митоз.

G1-период может продолжаться от 2–4 ч до нескольких недель или даже месяцев. Продолжительность S-периода варьирует от 6 до 8 ч, а G2-периода - от нескольких часов до получаса. Длительность митоза - от 40 до 90 минут. Причем самой короткой фазой митоза можно считать анафазу. Она занимает всего несколько минут.

G1-период характеризуется высокой синтетической активностью, в течение которого клетка должна увеличить свой объем до размера материнской клетки, а значит, и количество органелл, различных веществ. Непонятно почему, но клетка прежде чем вступить в следующий митоз должна иметь размер равный материнской клетке. И пока этого не произойдет, клетка продолжает оставаться в G1-периоде. Видимо, единственным исключением из этого является дробление, при котором бластомеры делятся, не достигая размеров исходных клеток.

В конце G1-периода принято различать специальный момент, называемый R-точкой (точка рестрикции, R-пункт), после которого клетка обязательно в течение нескольких часов (обычно 1–2) вступает в S-период. Период времени между R-точкой и началом S-периода можно рассматривать в качестве подготовительного для перехода в S-период.

Самый главный процесс, который идет в S-периоде - это удвоение или редупликация ДНК. Все остальные реакции, происходящие в это время, направлены на обеспечение синтеза ДНК - синтез гистоновых белков, синтез ферментов, регулирующих и обеспечивающих синтез нуклеотидов и образование новых нитей ДНК.

Сущность G2-периода не совсем понятна в настоящее время, однако в этот период происходит образование веществ, необходимых для самого процесса митоза (белки микротрубочек веретена деления, АТФ).

Прохождение клетки по всем периодам клеточного цикла строго контролируется специальными регуляторными молеулами, которые обеспечивают:

1) прохождение клетки по определенному периоду клеточного цикла
2) переход из одного периода в другой.

Причем прохождение по каждому периоду, а также переход из одного периода в другой контролируется различными веществами. Одними из участников регуляторной системы являются циклин-зависимыми протеинкиназами (cdc). Именно они регулируют активность генов, ответственных за прохождение клетки по тому или иному периоду клеточного цикла. Имеется несколько их разновидностей, и все они присутствуют в клетке постоянно независимо от периода клеточного цикла. Но для работы циклин-зависимых протеинкиназ требуются специальные активаторы. Ими являются циклины. Циклины присутствуют в клетках не постоянно, а то появляются, то исчезают. Это обусловлено их синтезом и быстрым разрушением. Известно много типов циклинов. Синтез каждого циклина происходит в строго определенный период клеточного цикла. В один период образуются одни циклины, а в другой - другие. Таким образом, система "циклины - циклин-зависимые протеинкиназы" управляет движением клетки по клеточному циклу.

Регуляция клеточного цикла

По пролиферативному потенциалу различают три группы клеток:

1. Статичные, или непролиферирующие клетки – не размножаются при нормальных физиологических условиях. Хроматин конденсирован настолько, что исключается транскрипционная активность ядра (сегментоядерные лейкоциты, тучные клетки, эритроциты). К статичным клеткам относят также миоциты и нейроны, в которых хроматин деконденсирован, что связано с выполнением ими специфических функций в отсутствие пролиферации.

2. Растущие, или медленно пролиферирующие клетки с низкой митотической активностью (лимфоциты, хондроциты, гепатоциты).

3. Обновляющиеся клеточные популяции, в которых высокий уровень пролиферации компенсируется гибелью клеток. В этих популяциях основная масса клеток претерпевает терминальную (окончательную) дифференцировку и погибает (кроветворная система). Стволовые клетки на всем протяжении своей жизни сохраняют пролиферативный потенциал.

Особую группу постоянно пролиферирующих клеток составляют раковые клетки. Это вечно молодые, иммортализированные («бессмертные») клетки.

Существует эндогенная (внутренняя) и экзогенная (внешняя) регуляция пролиферации. Факторы, подавляющие пролиферацию, называются ингибиторами пролиферации. Факторы, повышающие вероятность пролиферации, называются стимуляторами пролиферации, или митогенами. Митогенами могут быть определенные пептиды.

← Вернуться