1

Наші експериментальні результати та опубліковані дані свідчать про те, що регуляція процесів проліферації, диференціювання та апоптозу може відбуватися у клітинах нейробластоми під дією сублетальних концентрацій широкого спектру речовин, у тому числі зміна іонного складу культурального середовища. Клітинний цикл та диференціювання клітини контролюються циклінами та циклін-залежними кіназами. Проте молекулярні механізми, що у основі диференціювання, досі погано зрозумілі. Запропоновано найпростішу модель регуляції ферменту з центрами зв'язування для органічних субстратів та для неорганічних іонів. Активність такого ферменту залежить тільки від наявності субстрату, а й від внутрішньоклітинних активностей неорганічних іонів. Іонний склад цитоплазми може здійснити тонке регулювання різних ферментних систем клітини.

культура клітин

нейробластома

проліферація

диференціювання

неорганічні іони

1. Асланіді К.Б., Булгаков В.В., Замятнін А.А. (Мл.), Маєвський Є.І., Чайлахян Л.М. Модель метаболічного регулювання мембранного електрогенезу тваринної клітини. // ДАН. - 1998. - Т.360, № 6. - С. 823-828.

2. Асланіді К.Б., Мякішева С.М., Іваницький Г.Р. Іонна регуляція проліферації клітин нейробластоми миші NIE-115 in vitro // ДАН - 2008. - Т. 423, № 2. - С. 1 - 3.

3. Асланіді К.Б., Мякішева С.М. Вплив компонентів середовища на час диференціювання та тривалість життя клітин нейробластоми миші NIE-115. //Біологічні мембрани - 2011. - Т. 28, № 3. - С. 181-190.

4. Мякішева С.М., Костенко М.А., Дріняєв В.А., Мосін В.А. Проліферація та морфологічна диференціювання клітин нейробластоми у культурі під впливом авермектинів // Морфологія. - 2001. - Т.120, № 6. - С.24-26.

5. Мякішева С.Н., Крестініна О.В. Дослідження впливу мелатоніну на проліферацію та індукцію диференціювання клітин нейробластоми миші N1E-115 // Сучасні проблеми науки та освіти. - 2014. - № 6.

6. Мякішева С.Н., Крестініна О.В., Асланіді К.Б. Мелатонін пригнічує проліферацію та індукує диференціювання клітин нейробластоми. //Сб.ст.: Праці Міжнародної наукової конференції SCVRT2013-14. Москва-Протвіно - 2013-2014. - С. 153-156.

7. Тирас Х.П., Петрова О.М., Мякішева С.М., Попова С.С., Асланіді К.Б. Вплив слабких магнітних полів на різні фази регенерації планарії. // Біофізика - 2015. - Т.60, №1. - С. 158 - 163.

8. Aslanidi K.B., Boitzova LJ, Chailakhyan LM, Kublik LN, Marachova I.I., Potapova TV, Vinogradova T.A. Energetic cooperation via ion-permeable junctions в mixed cell cultures. / / FEBS Letters - 1991. - Vol.283, №2. - P.295-297.

9. Aslanidi K.B., Panfilov A.V. The Boyle-Conway модель включає ефект електродвигуна для невизначених клітин // Mathematical Biosciences – 1986. – Vol.79. – P.45–54.

10. Bell J.L., Malukova A., Kavallaris M., Marshall G.M., Cheung B.B. TRIM16 inhibits neuroblastoma cell proliferation через cycle cell 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 WM, Chu PW, Kwong Y.L. Ефекти arsenic trioxide на cellular proliferation, apoptosis and differentiation of human neuroblastoma cells // Cancer Lett. – 2007. – Feb 8;246(1–2):122–8. Epub 2006 Бер 29.

12. Chu J., Tu Y., Chen J., Tan D., Liu X., Pi R. Ефекти Melatonin та його аналоги на neural stem cells // Mol Cell Endocrinol – 2016. – Jan 15;420:169 -79. doi: 10.1016/j.mce.2015.10.012. Epub 2015 Жовтень 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 є 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 в 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 і γH2AX в neuroblastoma є регулюваним 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. Перенесення factor activative 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 в cAMP-стимуляції neuritogenesis в mouse neuroblastoma N2A cells // J Cell Physiol – 2011. – Apr;226(4):1090–8. doi: 10.1002/jcp.22430.

19. Люксч Р., 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. Наріманов А.А., Кублік L.N., Myakisheva S.N. Influence cyanosis blue Polemonium Coeruleum L. extract on row 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 через 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 13 квітня.

23. Russo M., Russo G.L., Daglia M., Kasi P.D., Ravi S., Nabavi S.F., Nabavi S.M. Підзаголовок genistein in cancer: "добрий" і "поганий" ефекти: 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 і CDKS в розробці і cancer: природи від 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 в 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 року.

Нейробластома є найпоширенішою солідною пухлиною дитячого віку і нейробластому припадає до 15% всіх дитячих смертей від раку. Нейробластома є пухлиною, що виникає з незрілих клітин ембріональної симпатичної нервової системи. Під дією різних факторів клітини нейробластоми можуть проліферувати, диференціюватися або дедиференціюватися, а також гинути за механізмами некрозу або апоптозу. Існують і периферичні види нейробластоми, що виникають у надниркових залозах або в заочеревинних гангліях, в кістці і в кістковому мозку.

Клітини нейробластоми є класичною експериментальною моделлю для дослідження механізмів проліферації, диференціювання та апоптозу. За даними PubMed щотижня виходить не менше 2-х оглядів про нейробластом, а загальна кількість публікацій наблизилась до 37.000, збільшуючись щорічно майже на 1500 штук.

Кореляція між гістологічними та генетичними ознаками у клітин нейробластоми відзначалася багатьма дослідниками та клініцистами. Розвиток та патогенез ембріональної нервової системи пов'язаний головним чином з Wnt сигнальним шляхом. У клітинах нейробластоми інгібування Wnt сигналізації блокує проліферацію та сприяє диференціюванню, а гіперактивація Wnt сигналізації спрямовує ракові клітини до апоптозу. Раніше нами було показано, що клітини мишачої нейробластоми N1Е-115 виявляють чутливість до широкого кола біологічно активних речовин, а також до іонного складу культурального середовища. Однак залишається питання, які метаболічні шляхи є спільними як для багатьох біологічно активних речовин, так і для неорганічних іонів, які є компонентами культуральних середовищ.

Метою роботиє пошук мішеней, на яких поєднуються впливи різноманітних екзогенних біологічно активних речовин та неорганічних іонів.

Морфологія клітин нейробластоми миші N1Е-115

Клітини нейробластоми культивували при 37°С серед DMEМ (Sigma, США) з додаванням 10% ембріональної сироватки (Fetal Bovine Serum, Flow Laboratories, Великобританія). Щільність посіву пластикових флаконах (50 мл) становила 104 клітин на см2 при обсязі середовища 5 мл. Через добу після звичайного пересіву середовище змінювали на звичайне середовище DМЕМ без сироватки. Дослідження клітин проводили методом прижиттєвого спостереження з використанням мікроскопа.

Мал. 1. Типова морфологія проліферуючих (А), диференційованих (Б) та загиблих (В) клітин нейробластоми

Адгезовані до поверхні клітини округлої або овальної форми з наявністю коротких відростків або без відростків визначали як проліферуючі (рис. 1А). Критерієм диференціювання клітини було збільшення розмірів та поява довгих аксоноподібних відростків (рис. 1Б). Загиблі клітини визначали як клітини округлої форми або деформовані із фрагментованою структурою ядра та цитоплазми, як правило, не адгезовані до поверхні (рис. 1В).

Вплив фармакологічних препаратів на клітини нейробластоми

Раніше були досліджені процеси проліферації та морфологічного диференціювання клітин нейробластоми під дією аверсектину С, диметилсульфоксиду (ДМСО) та форсколіну. Частка диференційованих клітин, обумовлена ​​застосуванням цих речовин у сублетальних концентраціях, через п'ять діб культивування досягала 50%. Ефект мелатоніну на клітини нейробластоми залежав від концентрації в діапазоні 10-8М до 10-3М і призводив до гальмування проліферації та індукції диференціювання. Деякі рослинні препарати також інгібують проліферацію та індукують диференціювання. Аналогічну дію на клітини нейробластоми чинив препарат рослинного походження, отриманий із синюхи блакитної Polemonium coeruleum L. .

Наведені експериментальні дані свідчать про те, що описані морфологічні зміни спостерігалися при використанні сублетальних концентрацій різних речовин, які активують або інгібують різні сигнальні шляхи, зокрема, Wnt сигналізацію або МАРК/ERK сигнальний шлях . Зазначимо, що морфологія проліферуючих, диференційованих або загиблих клітин практично не залежить від природи фактора, що діє. Більше того, нижче буде показано, що процес диференціювання супроводжується закономірною зміною іонного складу внутрішньоклітинного середовища.

Вплив неорганічних іонів на клітини нейробластоми

У наших експериментах диференціювання клітин нейробластоми NIE-115 відбувалося лише на безсироваткових середовищах. Були виявлені залежності швидкості диференціювання клітин від осмотичності середовища, концентрації іонів Na+, значення рН, вмісту амінокислот та вуглеводів у культуральному середовищі. Показано, що швидке диференціювання призводить до швидкої загибелі клітин, а максимальну тривалість життя диференційованих клітин забезпечували середовища, час диференціювання в яких можна порівняти з тривалістю клітинного циклу. В рамках нашої теоретичної моделі диференціювання клітин нейробластоми відбувалося при цілком певних значеннях внутрішньоклітинних активностей неорганічних іонів Na+, K+, Ca2+ та рН. При цьому не дивно, що деякі фармакологічні препарати, що безпосередньо впливають на розподіл неорганічних іонів між клітиною та середовищем, зокрема, ендогенний серцевий глікозид оуабаїн, діючи на Na+/К+ - АТФазу, викликає у злоякісної нейробластоми людини оборотну зупинку клітинного фазі і збільшення вмісту Na+ в цитоплазмі, що активує відкриття Ca2+-каналів і входження Ca2+ в клітину. Зазначимо, що вже протягом першої години інкубації клітин, що культивуються, з оуабаїном інгібування Na+/К+ - АТФази призводило практично до повної деполяризації плазматичної мембрани клітини . У клітинах нейробластоми N2A є два типи потенціалзалежних К+-каналів, які інгібуються 4-амінопіридином та тетраетиламонієм. Інгібування калієвих потоків у цих каналах блокує диференціювання, зокрема, нейритогенез, що викликається внутрішньоклітинним цАМФ.

Іони кадмію Cd2+ порушують гомеостаз вільного внутрішньоклітинного кальцію Са2+, що призводить до апоптозу у різних клітинах, у тому числі в первинній культурі нейронів миші. Cd2+ інгібує активність Na+/К+ - АТФази, Са2+ - АТФази та Mg2+ - АТФази, порушує транспорт Са2+ в ендоплазматичному ретикулумі, викликаючи зростання внутрішньоклітинного Са2+, та активацію апоптотичного сигнального шляху в мітохондріях. Триоксид миш'яку As2O3 при концентрації порядку 0,5×10-6М також викликає доз-залежне інгібування проліферації, а при концентраціях вище 1,5×10-6М призводить до апоптозу клітин нейробластоми. Відомо, що миш'як As3+ бере участь в окислювально-відновних реакціях: окислювальному розпаді складних вуглеводів, бродінні, гліколізі тощо. Можливо, що As3+ конкурує з іонами Са2+ за відповідні центри зв'язування на ферментах.

Усі зміни основних параметрів іонно-осмотичного гомеостазу в процесі диференціювання, які були описані в наведених вище незалежних експериментах, можуть бути описані в рамках найпростішої моделі, яка враховує активний транспорт іонів Na+ та K+.

Комплексоутворення ферментів з іонами

Регуляція функціональної активності у вигляді комплексоутворення з іонами металів грає ключову роль багатьох ферментативних реакціях. До 40% всіх, досліджених на сьогоднішній день білків, є металопротеїни. Метали грають значної ролі у формуванні структури білків. Багато ферментів містять кілька металів у своїх активних центрах, розташованих у різних місцях білкового ланцюга. У деяких випадках заміна одного металу на інший може інгібувати ферментативну активність і стати причиною отруєння та загибелі організму. Більшість білків асоціюється з двовалентними металами: Fe2+ бере участь в окисно-відновних циклах, Zn2+- в каталітичних реакціях, Ca2+ визначає стабільність структури ферментів та відіграє ключову роль у системі внутрішньоклітинної сигналізації. Існує сімейство низькомолекулярних металопротеїнів, що зв'язують Zn2+, та беруть участь у найважливіших фізіологічних процесах у всіх живих істот, зокрема у процесах канцерогенезу. для функціонування біологічних макромолекул необхідні й одновалентні іони групи ІА: Na+ та К+.

Зв'язування одновалентного катіону з його алостеричним центром спричиняє активацію ферменту та перетворення цієї події у зміні каталітичної активності. Іони натрію і калію необхідні для функціонування багатьох ферментів, включаючи кінази, шаперони, фосфатази, альдолази, рекомбінази, дегідрогенази та рибокінази, діалкілкаргліциндекарбоксилази, триптофансинтаза, тромбін і Na/K-АТФази. Ефекти іонів Na+ чи К+ всім досліджених ферментів різноспрямовані.

Зв'язок ферментативної активності та локальної концентрації іонів усередині клітини

Понад 20 років тому було показано, що електрофізіологічні зрушення корелюють із змінами синтетичних процесів. Як клітинний цикл, і процес диференціювання контролюються циклинами і циклин-зависимыми кіназами Cdks. Порушення активності циклінів та циклін-залежних кіназ призводить до розвитку пухлин. Залежно від дози деяких препаратів у клітинах задіяні різні молекулярні механізми, у результаті може посилитися проліферація чи відбутися диференціювання клітин, що веде до апоптозу .

Зв'язок ферментативної активності з іонно-осмотичним гомеостазом клітини наочно проявляється в теоретичній моделі, що враховує потоки субстратів та продуктів обміну через плазматичну мембрану при різних функціональних навантаженнях, таких як синтез нуклеїнових кислот, синтез білків, синтез ліпідів або рухова активність, що вимагає більшої. Результати, отримані на цій моделі, можуть пояснити зміни, що спостерігаються в експериментах, іонних проникностей клітинної мембрани, мембранного потенціалу і внутрішньоклітинних активностей неорганічних іонів в ході клітинного циклу і в процесі диференціювання . Зазначимо, що наявність доз-залежних ефектів, зареєстрованих при дії багатьох речовин на процеси проліферації, диференціювання та клітинної загибелі, свідчить про імовірнісний механізм взаємодії як біологічно активних речовин, так і неорганічних іонів з ферментом, що є первинною мішенню. Такими мішенями, на яких поєднуються впливи неорганічних катіонів та органічних субстратів, можуть бути, зокрема, циклінзалежні кінази або цикліни.

Рівняння Міхаеліса - Ментен для ферменту, що має центри зв'язування як для органічного субстрату, так і для неорганічних іонів, має вигляд:

де P – швидкість ферментативної реакції;

- внутрішньоклітинна активність органічного субстрату чи конкретного неорганічного іона;

- внутрішньоклітинна активність органічного субстрату або конкретного неорганічного іона, що інгібує цей центр; Подібний вираз для швидкості ферментативної реакції використовувався раніше для опису функціонування Na+/К+-АТФази плазматичної мембрани при зміні іонного складу зовнішнього середовища і показав хорошу відповідність до результатів низки незалежних електрофізіологічних експериментів. Наведене рівняння означає, що швидкість ферментативної реакції P визначається добутком ймовірностей заповнення всіх центрів зв'язування n ферменту. При цьому активність ферменту залежить від внутрішньоклітинних концентрацій багатьох іонів, а роль іонно-осмотичного гомеостазу полягає у підтримці внутрішньоклітинних концентрацій іонів на рівні, що дозволяє робити тонку регуляцію перемикання різних ферментативних систем. При цьому лімітуючим фактором для активності ферменту може виявитися внутрішньоклітинна концентрація будь-якого іона, якщо внутрішньоклітинні концентрації інших іонів оптимальні, тобто. ймовірності заповнення відповідних центрів зв'язування близькі до одиниці.

Справді, за умов культивування можуть реалізуватися дві стратегії розвитку клітин нейробластоми. Одна стратегія полягає у її диференціюванні та старінні, і, зрештою, індивідуальній загибелі (апоптотичній або некротичній). Інша може полягати у посиленні проліферації і навіть дедиференціювання. Перший сценарій розвивається на безсироваткових середовищах і посилюється при впливі екзогенних або ендогенних факторів, що ушкоджують, зокрема, при впливі сублетальних концентрацій найрізноманітніших речовин або певних змін іонного складу культурального середовища. На рівні організму при досягненні певної межі компенсаторних можливостей клітин порушується тканинний та функціональний гомеостаз у життєво важливих органах, що веде до старіння та подальшої загибелі всього організму. В умовах культивування присутність сироватки, зокрема наявність біологічно активних речовин, сприяє процесу проліферації. На рівні організму посилення проліферації стовбурових клітин призводить до розвитку клону неопластичних клітин, зростання пухлини і подальшої загибелі організму. Обидві розглянуті стратегії є багатостадійними процесами, деякі етапи яких добре охарактеризовані, тоді як інші потребують додаткового дослідження. Зокрема, наявність ключового ферменту, що має центри зв'язування для органічного субстрату і неорганічних іонів, можна виявити з використанням слабких магнітних полів, налаштованих в резонанс з певними неорганічними іонами, такими як Na+, K+, Ca2+ .

Бібліографічне посилання

Мякішева С.М., Крестініна О.В., Асланіді К.Б. МОЖЛИВІ МЕХАНІЗМИ РЕГУЛЯЦІЇ ПРОЦЕСІВ ПРОЛІФЕРАЦІЇ, ДИФЕРЕНЦІЮВАННЯ ТА АПОПТОЗУ КЛІТИН НЕЙРОБЛАСТОМИ // Міжнародний журнал прикладних та фундаментальних досліджень. - 2016. - № 12-8. - С. 1451-1455;
URL: https://applied-research.ru/ru/article/view?id=11060 (дата звернення: 25.12.2019). Пропонуємо до вашої уваги журнали, що видаються у видавництві «Академія Природознавства»

Клітинна проліферація- збільшення числа клітин шляхом мітозу,

що призводить до зростання тканини, на відміну від іншого способу збільшення її

маси (наприклад, набряк). У нервових клітин проліферація відсутня.

У дорослому організмі продовжуються процеси розвитку, пов'язані

з розподілом та спеціалізацією клітин. Ці процеси можуть бути як нор-

мальними фізіологічними, так і спрямованими на відновлення ор-

ганізму внаслідок порушення його цілісності.

Значення проліферації в медицині визначається здатністю кле-

струм різних тканин до поділу. З поділом клітин пов'язаний процес загоє-

ня ран та відновлення тканин після хірургічних операцій.

Проліферація клітин є основою регенерації (відновлення)

втрачених частин. Проблема регенерації представляє інтерес для ме-

діцини для відновної хірургії. Розрізняють фізіологічну,

репаративну та патологічну регенерацію.

Фізіологічна- природне відновлення клітин та тканин у

онтогенез. Наприклад, зміна еритроцитів, клітин шкірного епітелію.

Репаративна- відновлення після пошкодження або загибелі кле-

струм та тканин.

Патологічна- розростання тканин не ідентичних здоровим тканинам.

ням.

Наприклад, розростання рубцевої тканини на місці опіку, хряща – на

місці перелому, розмноження клітин сполучної тканини на місці ми-

шечна тканина серця, ракова пухлина.

Останнім часом прийнято розділяти клітини тканин тварин за спо-

собності до поділу на 3 групи: лабільні, стабільні та статичні. Долабільним

відносяться клітини, які швидко та легко оновлюються

в процесі життєдіяльності організму (клітини крові, епітелію, слизу-

собності до поділу на 3 групи: лабільні, стабільні та статичні. стій ШКТ, епідермісу та ін.).стабільним

відносяться клітини таких органів як печінка, поджелу-

дачна залоза, слинні залози та ін., які виявляють обмеження

ну здатність до поділу. Достатичним

відносяться клітини міокарда і нервової тканини, кото-

рі, як вважає більшість дослідників, не діляться.

Вивчення фізіології клітини має важливе значення для розуміння він-

тогенетичного рівня організації живого та механізмів саморегуляції

клітини, що забезпечують цілісне функціонування всього організму

Розділ 6 ГЕНЕТИКА ЯК

НАУКА. ЗАКОНОМІРНОСТІ СПАДЧИНИ

Ознак

6.1 Предмет, завдання та методи генетики

Спадковість і мінливість є фундаментальними своє-

ствами живого, т. к. характерні для живих істот будь-якого рівня орга-

нізації. Наука, що вивчає закономірності спадковості та змін-

вості, називається

генетикою. Генетика як наука вивчає спадковість і спадкову мінливість, а саме, вона має справу зі:

наступними

проблемами

1) зберігання генетичної інформації;

2) передача генетичної інформації;

3) реалізація генетичної інформації (використання її в конкрет-

них ознаках організму, що розвивається під впливом зовнішнього середовища);

4) зміна генетичної інформації (типи та причини змін,

криття законів Г. Менделя вченими Х. Де Фрізом, К. Корренсом, Е. Чер-

маком. Визнання законів Г. Менделя.

Другий етап 1912-1925 років. - Створення хромосомної теорії Т. Мор-

гана.

Третій етап 1925-1940 років. - відкриття штучного мутагенезу та

генетичних процесів еволюції

Четвертий етап 1940-1953 років. - дослідження з генного контролю

фізіологічних та біохімічних процесів.

П'ятий етап з 1953 р. і до теперішнього часу - розвиток молекулярної

біології.

Окремі відомості щодо успадкування ознак були відомі

дуже давно, проте наукові основи передачі ознак уперше були

викладено Г. Менделем у 1865 р. у роботі: «Досліди над рослинними

гібридами».

Це були передові думки, але сучасники не надали

значення його відкриття. Поняття «ген» тоді ще був і Р. Мен-

дель говорив про «спадкових задатках», що містяться в статевих клітинах.

ках, але їхня природа була невідома.

У 1900 р. незалежно один від одного Х. Де Фріз, Е. Чермак та К. Кор-

Ренс наново відкрили закони Г. Менделя. Цей рік і вважається роком рож-

ня генетики як науки. У 1902 р. Т. Бовері, Е. Вільсон і Д. Сеттон зде-

няли припущення про зв'язок спадкових факторів з хромосомами.

У 1906 р. У. Бетсон запровадив термін «генетика», а 1909 р. У. Йогансен -

"ген". У 1911 р. Т. Морган і співробітники сформулювали основні поло-

ня хромосомної теорії спадковості.

Вони довели, що гени

розташовані у певних локусах хромосом у лінійному порядку, по-

ня певної ознаки.

Основні методи генетики: гібридологічний, цитологічний та

математичний.
Генетика активно використовує і методи інших суміжних
наук: хімії, біохімії, імунології, фізики, мікробіології та ін.
Клітина є елементарною одиницею всього живого. Поза клітиною життя немає. Розмноження клітин відбувається лише шляхом поділу вихідної клітини, якому передує відтворення її генетичного матеріалу. Активація поділу клітини відбувається внаслідок на неї зовнішніх чи внутрішніх чинників. Процес поділу клітини з її активації називається проліферацією. Інакше кажучи, проліферація – це розмноження клітин, тобто. збільшення числа клітин (у культурі чи тканині), що відбувається шляхом мітотичних поділів. Час існування клітини як такої, від поділу до поділу, зазвичай називають клітинним циклом.
ВСТУП 3
РОЗДІЛ I. Проліферація 4
Клітинний цикл 5
Регуляція фази G1 10
Регуляція фази S 11
Регуляція фази G2 12
Регуляція мітозу 12
Пошкодження ДНК 13
1.10.1 Шляхи відновлення дволанцюжкових розривів ДНК 13
1.10.2 Клітинна відповідь на пошкодження ДНК та її регулювання 14
1.11. Регенерація тканин 15
1.11.1 Форми регенерації 16
1.11.2. Регуляція регенерації тканин 17
РОЗДІЛ ІІ. АПОПТОЗ 18
2.1. Характерні ознаки апоптозу 19
2.2. Механізм апоптозу 19
2.3. Роль апоптозу у захисті від онкологічних захворювань 20
2.4. Регуляція апоптозу 21
СПИСОК ЛІТЕРАТУРИ 24

Робота містить 1 файл

Російський державний педагогічний університет імені А. І. Герцена

Факультет біологія

КУРСОВА РОБОТА

Проліферація клітини

СПб 2010
ЗМІСТ

ВСТУП 3

РОЗДІЛ I. Проліферація 4

1. Клітинний цикл 5
2. Регулювання клітинного циклу 6
3. Екзогенні регулятори проліферації 7
4. Ендогенні регулятори проліферації 7
5. Шляхи регуляції CDK 8
6. Регуляція фази G1 10
7. Регуляція S фази 11
8. Регуляція фази G2 12
9. Регуляція мітозу 12
10. Пошкодження ДНК 13

1.10.1 Шляхи відновлення дволанцюжкових розривів ДНК 13

1.10.2 Клітинна відповідь на пошкодження ДНК та її регулювання 14

1.11. Регенерація тканин 15

1.11.1 Форми регенерації 16

1.11.2. Регуляція регенерації тканин 17

РОЗДІЛ ІІ. АПОПТОЗ 18

2.1. Характерні ознаки апоптозу 19

2.2. Механізм апоптозу 19

2.3. Роль апоптозу у захисті від онкологічних захворювань 20

2.4. Регулювання апоптозу 21

СПИСОК ЛІТЕРАТУРИ 24

Вступ

Клітина є елементарною одиницею всього живого. Поза клітиною життя немає. Розмноження клітин відбувається лише шляхом поділу вихідної клітини, якому передує відтворення її генетичного матеріалу. Активація поділу клітини відбувається внаслідок на неї зовнішніх чи внутрішніх чинників. Процес поділу клітини з моменту її активації називаєтьсяпроліферацією. Іншими словами, проліферація – це розмноження клітин, тобто. збільшення числа клітин (у культурі чи тканині), що відбувається шляхом мітотичних поділів. Час існування клітини як такої, від розподілу до розподілу, зазвичай називаютьклітинним циклом.

У дорослому організмі людини клітини різних тканин та органів мають неоднакову здатність до поділу. Крім того при старінні інтенсивність проліферації клітин знижується (тобто збільшується інтервал міжмітозами ). Зустрічаються популяції клітин, що повністю втратили властивість ділитися. Це, як правило, клітини, що знаходяться на термінальній стадіїдиференціювання, наприклад, зрілінейрони , зернисті лейкоцити крові, кардіоміоцити . У цьому відношенні виняток становлять імунніВ- та Т-клітини пам'яті, які, перебуваючи в кінцевій стадії диференціювання, з появою в організмі певного стимулу у вигляді раніше зустрічавсяантигену здатні почати проліферувати. В організмі є тканини, що постійно оновлюються - різні типи епітелію, кровотворні тканини. У таких тканинах існує пул клітин, які постійно діляться, замінюючи відпрацьовані або гинуть типи клітин (наприклад,клітини крипт кишечника, клітини базального шару покривного епітелію, кровотворні клітиникісткового мозку ). Також в організмі існують клітини, які не розмножуються у звичайних умовах, але знову набувають цієї властивості за певних умов, зокрема за необхідностірегенерації тканин та органів.

Процес проліферації клітин жорстко регулюється як самої клітини (регуляція клітинного циклу, припинення або уповільнення синтезуаутокринних ростових факторів та їх рецепторів), так і її мікрооточенням (відсутність стимулюючих контактів з сусідніми клітинами та матриксом, припинення секреції та/або синтезупаракрінних ростових факторів). Порушення регуляції проліферації призводить до необмеженого поділу клітини, що ініціює розвиток онкологічного процесу в організмі.

Проліферація

Основну функцію, пов'язану з ініціацією проліферації, перебираєплазматична мембранаклітини. Саме на її поверхні відбуваються події, які пов'язані з переходом клітин у активований стан, що передує поділу. Плазматична мембрана клітин за рахунок молекул-рецепторів, що розташовуються в ній, сприймає різні позаклітинні мітогенні сигнали і забезпечує транспорт в клітину необхідних речовин, що беруть участь в ініціації проліферативної відповіді. Мітогенними сигналами можуть служити контакти між клітинами, між клітиною та матриксом, а також взаємодія клітин з різними сполуками, що стимулюють їх вступ уклітинний цикл які отримали назву факторів зростання. Клітина, що отримала мітогенний сигнал проліферацію, запускає процес поділу.

Клітинний цикл

Весь клітинний цикл складається з 4 етапів: пресинтетичного (G1),
синтетичного (S), постсинтетичного (G2) та власне мітозу (М).
Крім того, існує так званий G0-період, що характеризує
стан спокою клітки. У G1-періоді клітини маютьдиплоїдний
вміст ДНК однією ядро. У цей період починається зростання клітин,
головним чином за рахунок накопичення клітинних білків, що обумовлено
збільшенням кількості РНК на клітину. Крім того, розпочинається підготовка до синтезу ДНК. У наступному S-періоді відбувається подвоєння кількостіДНК і відповідно подвоюється число хромосом. Постсинтетична G2 фаза називається також премітотичною. У цій фазі відбувається активний синтезмРНК (Матрична РНК). Після цієї стадією слід власне розподіл клітини надвоє чи мітоз.

Поділ усіх еукаріотичних клітинпов'язано з конденсацією подвоєних (реплікованих) хромосом. В результаті поділу ціхромосоми переносяться у дочірні клітини. Такий тип поділу еукаріотичних клітин - мітоз (від грец. Mitos - нитки) - є єдиним повноцінним способом збільшення числа клітин. Процес мітотичного поділу поділяють на кілька етапів: профаза, прометафаза, метафаза, анафаза, телофаза.

Регулювання клітинного циклу

Призначення регуляторних механізмів клітинного циклу полягає над регуляції проходження клітинного циклу як, а тому, щоб забезпечити, зрештою, безпомилковість розподілу спадкового матеріалу у процесі репродукції клітин. В основі регуляції розмноження клітин лежить зміна станів активної проліферації тапроліферативного спокою. Регуляторні фактори, що контролюють розмноження клітин, можна умовно розділити на дві групи: позаклітинні (або екзогенні) або внутрішньоклітинні (або ендогенні).Екзогенні факторизнаходяться в мікрооточенні клітини та взаємодіють з поверхнею клітини. Фактори, які синтезуються самою клітиною та діють усередині неї, відносяться до
ендогенним факторам. Такий підрозділ дуже умовно, оскільки деякі фактори, будучи ендогенними по відношенню до клітини, що продукує їх, можуть виходити з неї і діяти як екзогенні регулятори на інші клітини. Якщо регуляторні чинники взаємодіють із тими ж клітинами, що їх продукують, такий тип контролю називається аутокринним. При паракринному контролі синтез регуляторів здійснюється іншими клітинами.

Екзогенні регулятори проліферації

У багатоклітинних організмів регуляція проліферації різних типів клітин відбувається внаслідок дії жодного ростового чинника, які сукупності. Крім того, деякіростові фактори, будучи стимуляторами для одних типів клітин, поводяться як інгібітори стосовно інших. Класичніростові факториявляють собоюполіпептиди з молекулярною масою 7-70 кДа. На даний момент відомо більше сотні таких ростових факторів

PDGF тромбоцити. Звільняючись при руйнуванні судинної стінки, PDGF бере участь у процесах тромбоутворення та загоєння ран. PDGF є потужним ростовим фактором для тих, хто спочиваєфібробластів . Поряд із PDGF, не менш ґрунтовно вивчений епідермальний фактор росту ( EGF ), який також здатний стимулювати проліферацію фібробластів. Але, крім цього, також стимулююче впливає і на інші типи клітин, зокрема нахондроцити.

Велику групу ростових факторів складаютьцитокіни (інтерлейкіни, фактори некрозу пухлини, колонії-стимулюючі факториі т.д.). Усі цитокіни поліфункціональні. Вони можуть як посилювати, так і пригнічувати проліферативні відповіді. Так, наприклад, різні субпопуляції CD4+ Т-лімфоцитів, Th1 та Th2 , що продукують різний спектр цитокінів, по відношенню один до одного є антагоністами. Тобто, Th1 цитокіни стимулюють проліферацію клітин, які їх продукують, але в той же час пригнічують поділ клітин Th2, і навпаки. Таким чином, у нормі в організмі зберігається постійний баланс цих двох типів Т-лімфоцитів. Взаємодія факторів росту з їхніми рецепторами на поверхні клітини призводить до запуску цілого каскаду подій усередині клітини. Внаслідок чого відбувається активація факторів транскрипції та експресія генів проліферативної відповіді, що зрештою ініціює реплікацію ДНК та вступ клітини до мітозу.

Ендогенні регулятори клітинного циклу

У нормальних еукаріотичних клітинах проходження клітинного циклу жорстко регулюється. Причиноюонкологічних захворювань є трансформація клітин, зазвичай пов'язана з порушеннями регуляторних механізмів клітинного циклу. Одним з основних результатів дефективності клітинного циклу є генетична нестабільність, оскільки клітини зі ущербним контролем клітинного циклу втрачають здатність коректно подвоювати і розподіляти між дочірніми клітинами свійгеном . Генетична нестабільність призводить до набуття нових особливостей, які відповідають за прогресування пухлини.

В. Флеммінг сформулював уявлення про мітоз як циклічний процес, кульмінаційним моментом якого є розщеплення кожної хромосоми на дві дочірні хромосоми і їх розподіл по двох клітинах, що знову утворюються. У одноклітинних організмів тривалість існування клітини збігається із тривалістю життя організму. В організмі багатоклітинних тварин і рослин розрізняються дві групи клітин: постійно діляться (проліферують) і спокій (статичні). Сукупність клітин, що проліферують, утворює проліферативний пул.

У групах проліферуючих клітин інтервал між завершенням мітозу у вихідній клітині та завершенням мітозу в її дочірній клітині називається клітинний цикл. Клітинний цикл контролюється певними генами. Повний клітинний цикл включає інтерфазу та власне мітоз. У свою чергу, власне мітоз включає каріокінез (розподіл ядра) і цитокінез (розподіл цитоплазми).

Клітинний цикл складається з інтерфази (період поза розподілом) і самого клітинного розподілу.

Якщо клітина збирається колись ділитися, то інтерфаза складатиметься з трьох періодів. Відразу після виходу з мітозу клітина вступає в пресинтетичний або G1-період, далі переходить у синтетичний або S-період і потім - у постсинтетичний або G2-період. G2-періодом закінчується інтерфазою і після неї клітина вступає в наступний мітоз.

Якщо клітина не планує знову ділитися, вона як би виходить із клітинного циклу і входить у період спокою, чи G0-период. Якщо клітина, що знаходиться в G0-періоді, знову захоче ділитися, вона виходить з G0-періоду і вступає в G1-період. Таким чином, якщо клітина знаходиться в G1-періоді, то вона обов'язково рано чи пізно буде ділитися, не кажучи вже про S-і G2-періоди, коли клітина найближчим часом обов'язково вступить у мітоз.

G1-період може тривати від 2-4 годин до декількох тижнів або навіть місяців. Тривалість S-періоду варіює від 6 до 8 год, а G2-періоду - від кількох годин до півгодини. Тривалість мітозу – від 40 до 90 хвилин. Причому найкоротшою фазою мітозу вважатимуться анафазу. Вона займає лише кілька хвилин.

G1-період характеризується високою синтетичною активністю, протягом якого клітина повинна збільшити свій обсяг до розміру материнської клітини, а отже, і кількість органел, різних речовин. Незрозуміло чому, але клітина перш ніж вступити до наступного мітозу повинна мати розмір рівний материнській клітині. І доки цього не станеться, клітина продовжує залишатися в G1-періоді. Мабуть, єдиним винятком із цього є дроблення, у якому бластомери діляться, не досягаючи розмірів вихідних клітин.

Наприкінці G1-періоду прийнято розрізняти спеціальний момент, званий R-точкою (точка рестрикції, R-пункт), після якого клітина обов'язково протягом декількох годин (зазвичай 1-2) вступає в S-період. Період часу між R-точкою і початком S-періоду можна розглядати як підготовчий для переходу в S-період.

Найголовніший процес, що йде в S-періоді – це подвоєння чи редуплікація ДНК. Всі інші реакції, що відбуваються в цей час, спрямовані на забезпечення синтезу ДНК - синтез гістонових білків, синтез ферментів, що регулюють та забезпечують синтез нуклеотидів та утворення нових ниток ДНК.

Сутність G2-періоду не зовсім зрозуміла в даний час, проте в цей період відбувається утворення речовин, необхідних для процесу мітозу (білки мікротрубочок веретена поділу, АТФ).

Проходження клітини по всіх періодах клітинного циклу суворо контролюється спеціальними регуляторними молеулами, які забезпечують:

1) проходження клітини за певним періодом клітинного циклу
2) перехід із одного періоду до іншого.

Причому проходження по кожному періоду, а також перехід з одного періоду до іншого контролюється різними речовинами. Одними з учасників регуляторної системи є циклін-залежними протеїнкіназами (cdc). Саме вони регулюють активність генів, відповідальних за проходження клітини за тим чи іншим періодом клітинного циклу. Є кілька їх різновидів, і вони присутні у клітині завжди незалежно від періоду клітинного циклу. Але для роботи циклін-залежних протеїнкіназ потрібні спеціальні активатори. Ними є цикліни. Цикліни присутні в клітинах не завжди, а то виникають, то зникають. Це зумовлено їх синтезом та швидким руйнуванням. Відомо багато типів циклінів. Синтез кожного цикліну відбувається в строго певний період клітинного циклу. В один період утворюються одні цикліни, а в іншій - інші. Таким чином, система "цикліни - циклін-залежні протеїнкінази" управляє рухом клітини за клітинним циклом.

Регулювання клітинного циклу

За проліферативним потенціалом розрізняють три групи клітин:

1. Статичні, або непроліферуючі клітини – не розмножуються за нормальних фізіологічних умов. Хроматин конденсований настільки, що виключається транскрипційна активність ядра (сегментоядерні лейкоцити, огрядні клітини, еритроцити). До статичних клітин відносять також міоцити і нейрони, в яких хроматин деконденсований, що пов'язано з виконанням специфічних функцій без проліферації.

2. Зростаючі або повільно проліферуючі клітини з низькою мітотичною активністю (лімфоцити, хондроцити, гепатоцити).

3. Кліткові популяції, що оновлюються, в яких високий рівень проліферації компенсується загибеллю клітин. У цих популяціях переважна більшість клітин зазнає термінальну (остаточну) диференціювання і гине (кровотворна система). Стовбурові клітини протягом усього життя зберігають проліферативний потенціал.

Особливу групу клітин, що постійно проліферують, становлять ракові клітини. Це завжди молоді, імморталізовані («безсмертні») клітини.

Існує ендогенна (внутрішня) та екзогенна (зовнішня) регуляція проліферації. Чинники, які пригнічують проліферацію, називаються інгібіторами проліферації. Фактори, що підвищують ймовірність проліферації, називають стимуляторами проліферації, або мітогенами. Мітогенами можуть бути певні пептиди.

Повернутись