fazy cyklu komórkowego

typowy cykl komórkowy eukariotyczny jest ilustrowany przez ludzkie komórki w hodowli, które dzielą się w przybliżeniu co 24 godziny. Jak widać w mikroskopie, cykl komórkowy dzieli się na dwie podstawowe części: mitozę i interfazę. Mitoza (podział jądrowy) jest najbardziej dramatycznym etapem cyklu komórkowego, odpowiadającym separacji chromosomów potomnych i zwykle kończącym się podziałem komórki (cytokinezą). Jednak mitoza i cytokineza trwają tylko około godziny, więc około 95% cyklu komórkowego spędza się w interfazie-okresie między mitozami. Podczas interfazy chromosomy są dekondensowane i rozmieszczone w całym jądrze, więc jądro wydaje się morfologicznie jednolite. Jednak na poziomie molekularnym interfaza to czas, w którym zarówno wzrost komórek, jak i replikacja DNA występują w sposób uporządkowany w przygotowaniu do podziału komórek.

komórka rośnie w stałym tempie w ciągu interfazy, przy czym większość dzielących się komórek podwaja Rozmiar między jedną mitozą a drugą. W przeciwieństwie do tego, DNA jest syntetyzowane tylko podczas części interfazy. Czas syntezy DNA dzieli w ten sposób cykl komórek eukariotycznych na cztery oddzielne fazy (rysunek 14.1). Faza M cyklu odpowiada mitozie, po której zwykle następuje cytokineza. Po tej fazie następuje faza G1 (gap 1), która odpowiada odstępowi (luce) między mitozą a inicjacją replikacji DNA. Podczas G1 komórka jest metabolicznie aktywna i stale rośnie, ale nie replikuje swojego DNA. Po G1 następuje faza S (synteza), podczas której następuje replikacja DNA. Po zakończeniu syntezy DNA następuje faza G2 (gap 2), podczas której trwa wzrost komórek i białka są syntetyzowane w celu przygotowania do mitozy.

rysunek 14.1

fazy cyklu komórkowego. Cykl podziału większości komórek eukariotycznych jest podzielony na cztery oddzielne fazy: M, G1, S i G2. Po fazie M (mitozie) zwykle następuje cytokineza. Faza S to okres, w którym dochodzi do replikacji DNA. Komórka rośnie (więcej…)

czas trwania tych faz cyklu komórkowego różni się znacznie w różnych rodzajach komórek. Dla typowej szybko proliferującej komórki ludzkiej o całkowitym czasie cyklu wynoszącym 24 godziny, Faza G1 może trwać około 11 godzin, Faza s około 8 godzin, G2 około 4 godzin, A M około 1 godziny. Inne typy komórek mogą jednak dzielić się znacznie szybciej. Na przykład drożdże pączkujące mogą przejść przez wszystkie cztery etapy cyklu komórkowego w zaledwie około 90 minut. Jeszcze krótsze cykle komórkowe (30 minut lub mniej) występują we wczesnych komórkach zarodka krótko po zapłodnieniu jaja (rysunek 14.2). W tym przypadku jednak wzrost komórek nie ma miejsca. Zamiast tego, te wczesne cykle komórek embrionalnych szybko dzielą cytoplazmę jaja na mniejsze komórki. Nie ma fazy G1 ani G2, a replikacja DNA zachodzi bardzo szybko we wczesnych cyklach komórek zarodkowych, które składają się z bardzo krótkich faz s na przemian z fazami M.

rysunek 14.2

cykle komórek zarodkowych. Wczesne cykle komórek embrionalnych szybko dzielą cytoplazmę jaja na mniejsze komórki. Komórki nie rosną podczas tych cykli, w których brakuje G1 i G2 i składają się po prostu z krótkich faz s na przemian z fazami M.

w przeciwieństwie do szybkiej proliferacji komórek embrionalnych, niektóre komórki u dorosłych zwierząt całkowicie przerywają podział (np. komórki nerwowe), a wiele innych komórek dzieli się tylko sporadycznie, w razie potrzeby, aby zastąpić komórki, które zostały utracone z powodu urazu lub śmierci komórki. Komórki tego ostatniego typu obejmują fibroblasty skóry, a także komórki wielu narządów wewnętrznych, takich jak wątroba, nerki i płuca. Jak omówiono dalej w następnej sekcji, komórki te opuszczają G1, aby wejść w spoczynkowy etap cyklu zwanego G0, gdzie pozostają aktywne metabolicznie, ale nie proliferują, chyba że wymagają tego odpowiednie sygnały zewnątrzkomórkowe.

Analiza cyklu komórkowego wymaga identyfikacji komórek na różnych etapach omówionych powyżej. Chociaż komórki mitotyczne można odróżnić mikroskopowo, komórki w innych fazach cyklu (G1, S I G2) muszą być identyfikowane za pomocą kryteriów biochemicznych. Komórki w fazie S można łatwo zidentyfikować, ponieważ zawierają radioaktywną tymidynę, która jest używana wyłącznie do syntezy DNA (rysunek 14.3). Na przykład, jeśli populacja szybko proliferujących komórek ludzkich w hodowli jest wystawiona na działanie radioaktywnej tymidyny przez krótki okres czasu (np. 15 minut), a następnie poddana analizie autoradiograficznej, około jedna trzecia komórek zostanie oznaczona radioaktywnie, co odpowiada frakcji komórek w fazie S.

rysunek 14.3

Identyfikacja komórek fazy s poprzez włączenie radioaktywnej tymidyny. Komórki wystawiono na działanie radioaktywnej tymidyny i poddano analizie autoradiograficznej. Oznaczone komórki są oznaczone strzałkami. (Z D. W. Stacey et al., 1991. Mol. Cell Biol. 11: 4053.) (więcej…)

wariacje takich eksperymentów znakowania komórek mogą być również wykorzystane do określenia długości różnych etapów cyklu komórkowego. Na przykład, rozważmy eksperyment, w którym komórki są narażone na działanie radioaktywnej tymidyny przez 15 minut, po którym radioaktywna tymidyna jest usuwana i komórki są hodowane przez różne długości czasu przed autoradiografią. Znakowane radioaktywnie komórki międzyfazowe, które znajdowały się w fazie S w czasie ekspozycji na radioaktywną tymidynę, będą obserwowane przez kilka godzin w miarę przechodzenia przez resztę S I G2. Natomiast znakowane radioaktywnie komórki mitotyczne nie będą obserwowane do 4 godzin po oznakowaniu. Ten 4-godzinny czas opóźnienia odpowiada długości G2-minimalnego czasu potrzebnego komórce, która na końcu fazy s włączyła radioaktywną tymidynę do mitozy.

komórki na różnych etapach cyklu komórkowego można również odróżnić według ich zawartości DNA (rysunek 14.4). Na przykład komórki zwierzęce w G1 są diploidalne (zawierają dwie kopie każdego chromosomu), więc ich zawartość DNA jest określana jako 2N (n oznacza haploidalną zawartość DNA genomu). Podczas fazy s replikacja zwiększa zawartość DNA komórki z 2N do 4n, więc komórki w s mają zawartość DNA w zakresie od 2N do 4n. zawartość DNA pozostaje wtedy na 4N dla komórek w G2 I M, zmniejszając się do 2n po cytokinezie. Eksperymentalnie, zawartość komórkowego DNA można określić przez inkubację komórek z fluorescencyjnym barwnikiem, który wiąże się z DNA, a następnie analizę intensywności fluorescencji poszczególnych komórek w cytometrze przepływowym lub sorterze komórek aktywowanym fluorescencją, rozróżniając w ten sposób komórki w fazach G1, S I G2/M cyklu komórkowego.

rysunek 14.4

Oznaczanie zawartości DNA komórkowego. Populacja komórek jest oznaczona fluorescencyjnym barwnikiem, który wiąże DNA. Komórki są następnie przepuszczane przez cytometr przepływowy, który mierzy intensywność fluorescencji poszczególnych komórek. Dane są wykreślane jako komórka (więcej…)