Fází Buněčného Cyklu

typický eukaryotický buněčný cyklus je znázorněn lidské buňky v kultuře, které rozdělují přibližně každých 24 hodin. Při pohledu z mikroskopu je buněčný cyklus rozdělen na dvě základní části: mitózu a mezifázi. Mitóza (jaderné dělení) je nejdramatičtější fázi buněčného cyklu, což odpovídá oddělení dceřiných chromozomů a obvykle končí s buněčného dělení (cytokineze). Mitóza a cytokineze však trvají jen asi hodinu, takže přibližně 95% buněčného cyklu se vynakládá v mezifázi—období mezi mitózami. Během interfáze jsou chromozomy dekondenzovány a distribuovány v celém jádru, takže jádro se jeví morfologicky jednotné. Na molekulární úrovni je však interfáze doba, během které dochází k řádnému růstu buněk i replikaci DNA při přípravě na buněčné dělení.

buňka roste stabilním tempem v celé mezifáze, přičemž většina dělících se buněk zdvojnásobuje mezi jednou mitózou a druhou. Naproti tomu DNA je syntetizována pouze během části interfáze. Načasování syntézy DNA tak rozděluje cyklus eukaryotických buněk na čtyři diskrétní fáze (obrázek 14.1). M fáze cyklu odpovídá mitóze, po které obvykle následuje cytokineze. Po této fázi následuje fáze G1 (mezera 1), která odpovídá intervalu (mezera) mezi mitózou a zahájením replikace DNA. Během G1 je buňka metabolicky aktivní a neustále roste, ale nereplikuje svou DNA. Po G1 následuje fáze S (syntéza), během které dochází k replikaci DNA. Po dokončení syntézy DNA následuje fáze G2 (mezera 2), během které pokračuje růst buněk a proteiny jsou syntetizovány v přípravě na mitózu.

obrázek 14.1

fáze buněčného cyklu. Dělicí cyklus většiny eukaryotických buněk je rozdělen do čtyř diskrétních fází: M, G1, S a G2. M fáze (mitóza) obvykle následuje cytokineze. S fáze je období, během kterého dochází k replikaci DNA. Buňka roste (více…)

doba trvání těchto fází buněčného cyklu se u různých typů buněk značně liší. Pro typickou rychle proliferující buňky s celková doba cyklu 24 hodin, G1 fáze může trvat asi 11 hodin, S fáze o 8 hodin, G2 asi 4 hodiny, a M o 1 hodinu. Jiné typy buněk se však mohou dělit mnohem rychleji. Například pučící kvasinky mohou postupovat ve všech čtyřech fázích buněčného cyklu za pouhých 90 minut. Ještě kratší buněčné cykly (30 minut nebo méně) se vyskytují v časných embryonálních buňkách krátce po oplodnění vajíčka (obrázek 14.2). V tomto případě však nedochází k růstu buněk. Místo toho tyto časné embryonální buněčné cykly rychle rozdělují cytoplazmu vajíčka na menší buňky. Neexistuje fáze G1 nebo G2 a replikace DNA probíhá velmi rychle v těchto časných embryonálních buněčných cyklech,které se proto skládají z velmi krátkých fází S střídajících se s fázemi M.

obrázek 14.2

embryonální buněčné cykly. Časné embryonální buněčné cykly rychle rozdělují cytoplazmu vajíčka na menší buňky. Buňky během těchto cyklů nerostou, které postrádají G1 a G2 a skládají se jednoduše z krátkých fází S střídajících se s fázemi M.

V kontrastu k rychlému množení embryonálních buněk, některé buňky v dospělých zvířat přestat dělení úplně (např. nervové buňky) a mnoho dalších buňky dělí jen občas, podle potřeby nahradit buňky, které byly ztraceny kvůli zranění nebo smrti buňky. Buňky druhého typu zahrnují kožní fibroblasty, stejně jako buňky mnoha vnitřních orgánů, jako jsou játra, ledviny a plíce. Jak je popsáno dále v následující části, tyto buňky výstupu G1 zadat klidový fázi cyklu nazývá G0, kde zůstávají metabolicky aktivní, ale již se množí, pokud vyzval k tomu vhodné extracelulární signály.

analýza buněčného cyklu vyžaduje identifikaci buněk v různých fázích diskutovaných výše. Ačkoli mitotické buňky lze rozlišit mikroskopicky, buňky v jiných fázích cyklu (G1, S a G2) musí být identifikovány biochemickými kritérii. Buňky ve fázi S lze snadno identifikovat, protože obsahují radioaktivní thymidin, který se používá výhradně pro syntézu DNA (obrázek 14.3). Například, pokud populace rychle proliferujících lidské buňky v kultuře je vystavena radioaktivního thymidinu na krátkou dobu (například 15 minut) a poté analyzovány pomocí autoradiografie, o třetí buněk bude zjištěno, že být radioaktivně označen, odpovídající frakce buněk v S fázi.

obrázek 14.3

identifikace buněk fáze s inkorporací radioaktivního thymidinu. Buňky byly vystaveny radioaktivnímu thymidinu a analyzovány autoradiografií. Označené buňky jsou označeny šipkami. (Od D. W. Stacey et al., 1991. Molo. Cell Biol. 11: 4053.) (mnoho…)

variace takových experimentů s označením buněk mohou být také použity ke stanovení délky různých fází buněčného cyklu. Zvažte například experiment, v němž jsou buňky vystaveny radioaktivního thymidinu po dobu 15 minut, po kterém radioaktivního thymidinu je odstraněn a buňky jsou kultivovány po různě dlouhou dobu před autoradiografie. Radioaktivně značené interfázové buňky, které byly ve fázi S během expozice radioaktivnímu thymidinu, budou pozorovány po dobu několika hodin, jak postupují zbytkem S a G2. Naproti tomu radioaktivně značené mitotické buňky nebudou pozorovány až 4 hodiny po označení. Tento 4-hvězdičkový prodleva odpovídá délce G2—minimální čas potřebný pro buňky, které jsou začleněny radioaktivního thymidinu na konci S fáze vstoupit do mitózy.

buňky v různých stádiích buněčného cyklu lze také rozlišit podle obsahu DNA (obrázek 14.4). Například živočišné buňky v G1 jsou diploidní (obsahující dvě kopie každého chromozomu), takže jejich obsah DNA je označován jako 2n (n označuje obsah haploidní DNA genomu). Během S fáze, replikace zvyšuje obsah DNA buňky z 2n na 4n, tak buňky S DNA obsah v rozmezí od 2n na 4n. Obsah DNA pak zůstává na 4n pro buňky v G2 a M, snížení na 2n po cytokineze. Experimentálně, buněčný obsah DNA může být stanovena inkubací buněk s fluorescenční barvivo, které se váže na DNA, následuje analýza intenzita fluorescence jednotlivých buněk v průtokovým cytometrem nebo fluorescence-activated cell sorter, čímž rozlišovací buňky v G1, S a G2/M fází buněčného cyklu.

obrázek 14.4

stanovení obsahu buněčné DNA. Populace buněk je označena fluorescenčním barvivem, které váže DNA. Buňky jsou pak vedeny průtokovým cytometrem, který měří intenzitu fluorescence jednotlivých buněk. Data jsou vynesena jako buňka (více…)