fazele ciclului celular
un ciclu celular eucariot tipic este ilustrat de celulele umane din cultură, care se divid aproximativ la fiecare 24 de ore. După cum se vede în microscop, ciclul celular este împărțit în două părți de bază: mitoză și interfază. Mitoza (diviziunea nucleară) este cea mai dramatică etapă a ciclului celular, care corespunde separării cromozomilor fiice și se termină de obicei cu diviziunea celulară (citokineză). Cu toate acestea, mitoza și citokineza durează doar aproximativ o oră, astfel încât aproximativ 95% din ciclul celular este petrecut în interfază—perioada dintre mitoze. În timpul interfazei, cromozomii sunt decondensați și distribuiți în întregul nucleu, astfel încât nucleul apare morfologic uniform. Cu toate acestea, la nivel molecular, interfaza este timpul în care atât creșterea celulară, cât și replicarea ADN-ului apar într-o manieră ordonată în pregătirea diviziunii celulare.
celula crește într-un ritm constant de-a lungul interfazei, majoritatea celulelor care se divid dublându-se în dimensiune între o mitoză și următoarea. În schimb, ADN-ul este sintetizat doar în timpul unei porțiuni de interfază. Momentul sintezei ADN împarte astfel ciclul celulelor eucariote în patru faze discrete (figura 14.1). Faza m a ciclului corespunde mitozei, care este de obicei urmată de citokineză. Această fază este urmată de faza G1 (decalaj 1), care corespunde intervalului (decalaj) dintre mitoză și inițierea replicării ADN-ului. În timpul G1, celula este activă metabolic și crește continuu, dar nu își reproduce ADN-ul. G1 este urmată de faza S (sinteză), în timpul căreia are loc replicarea ADN-ului. Finalizarea sintezei ADN este urmată de faza G2 (gap 2), în timpul căreia creșterea celulară continuă și proteinele sunt sintetizate în pregătirea pentru mitoză.
figura 14.1
fazele ciclului celular. Ciclul de diviziune al majorității celulelor eucariote este împărțit în patru faze discrete: M, G1, S și G2. Faza M (mitoză) este de obicei urmată de citokineză. Faza S este perioada în care are loc replicarea ADN-ului. Celula crește (mai mult…)
durata acestor faze ale ciclului celular variază considerabil în diferite tipuri de celule. Pentru o celulă umană tipică cu proliferare rapidă, cu un ciclu total de 24 de ore, faza G1 ar putea dura aproximativ 11 ore, faza S aproximativ 8 ore, G2 aproximativ 4 ore și M aproximativ 1 oră. Cu toate acestea, alte tipuri de celule se pot diviza mult mai rapid. Drojdiile înmugurite, de exemplu, pot progresa prin toate cele patru etape ale ciclului celular în doar aproximativ 90 de minute. Chiar și cicluri celulare mai scurte (30 de minute sau mai puțin) apar în celulele embrionare timpurii la scurt timp după fertilizarea oului (figura 14.2). În acest caz, însă, creșterea celulară nu are loc. În schimb, aceste cicluri celulare embrionare timpurii împart rapid citoplasma oului în celule mai mici. Nu există o fază G1 sau G2, iar replicarea ADN-ului are loc foarte rapid în aceste cicluri celulare embrionare timpurii, care, prin urmare, constau în faze S foarte scurte alternând cu fazele M.
figura 14.2
cicluri celulare embrionare. Ciclurile celulare embrionare timpurii împart rapid citoplasma oului în celule mai mici. Celulele nu cresc în timpul acestor cicluri, cărora le lipsește G1 și G2 și constau pur și simplu din faze scurte s alternând cu fazele M.
spre deosebire de proliferarea rapidă a celulelor embrionare, unele celule la animalele adulte încetează diviziunea cu totul (de exemplu, celulele nervoase) și multe alte celule se divid doar ocazional, după cum este necesar pentru a înlocui celulele care au fost pierdute din cauza rănirii sau a morții celulare. Celulele din ultimul tip includ fibroblastele pielii, precum și celulele multor organe interne, cum ar fi ficatul, rinichii și plămânii. După cum sa discutat în continuare în secțiunea următoare, aceste celule ies din G1 pentru a intra într-o etapă de repaus a ciclului numit G0, unde rămân active metabolic, dar nu mai proliferează decât dacă sunt solicitate să facă acest lucru prin semnale extracelulare adecvate.
analiza ciclului celular necesită identificarea celulelor în diferitele etape discutate mai sus. Deși celulele mitotice pot fi distinse microscopic, celulele din alte faze ale ciclului (G1, S și G2) trebuie identificate prin criterii biochimice. Celulele din faza S pot fi identificate cu ușurință deoarece încorporează timidină radioactivă, care este utilizată exclusiv pentru sinteza ADN-ului (figura 14.3). De exemplu, dacă o populație de celule umane cu proliferare rapidă în cultură este expusă la timidină radioactivă pentru o perioadă scurtă de timp (de exemplu, 15 minute) și apoi analizată prin autoradiografie, aproximativ o treime din celule vor fi găsite etichetate radioactiv, corespunzând fracțiunii de celule din faza S.
figura 14.3
identificarea celulelor de fază S prin încorporarea timidinei radioactive. Celulele au fost expuse la timidină radioactivă și analizate prin autoradiografie. Celulele etichetate sunt indicate prin săgeți. (De la D. W. Stacey și colab., 1991. Mol. Biol Celular. 11: 4053.) (mai mult…)
variațiile unor astfel de experimente de etichetare celulară pot fi, de asemenea, utilizate pentru a determina lungimea diferitelor etape ale ciclului celular. De exemplu, luați în considerare un experiment în care celulele sunt expuse la timidină radioactivă timp de 15 minute, după care timidina radioactivă este îndepărtată și celulele sunt cultivate pentru diferite perioade de timp înainte de autoradiografie. Celulele interfazice marcate radioactiv care au fost în faza S în timpul expunerii la timidină radioactivă vor fi observate timp de câteva ore pe măsură ce progresează prin restul S și G2. În schimb, celulele mitotice etichetate radioactiv nu vor fi observate decât la 4 ore după etichetare. Acest timp de întârziere de 4 ore corespunde lungimii G2-timpul minim necesar pentru ca o celulă care a încorporat timidina radioactivă la sfârșitul fazei S să intre în mitoză.
celulele aflate în diferite stadii ale ciclului celular se pot distinge și prin conținutul lor de ADN (figura 14.4). De exemplu, celulele animale din G1 sunt diploide (conținând două copii ale fiecărui cromozom), astfel încât conținutul lor de ADN este denumit 2n (n desemnează conținutul de ADN haploid al genomului). În timpul fazei S, replicarea crește conținutul de ADN al celulei de la 2n la 4n, astfel încât celulele din s au conținut de ADN variind de la 2n la 4n. conținutul de ADN rămâne apoi la 4n pentru celulele din G2 și M, scăzând la 2n după citokineză. Experimental, conținutul de ADN celular poate fi determinat prin incubarea celulelor cu un colorant fluorescent care se leagă de ADN, urmată de analiza intensității fluorescenței celulelor individuale într-un Citometru de flux sau sortare celulară activată prin fluorescență, distingând astfel celulele în fazele G1, S și G2/M ale ciclului celular.
figura 14.4
determinarea conținutului de ADN celular. O populație de celule este etichetată cu un colorant fluorescent care leagă ADN-ul. Celulele sunt apoi trecute printr-un Citometru de flux, care măsoară intensitatea fluorescenței celulelor individuale. Datele sunt reprezentate grafic ca celulă (mai mult…)