Genetische Regulation der Zellproliferation. Zellteilungsmechanismen

Proliferative Prozesse bei akuten Entzündungen beginnen kurz nach der Einwirkung des phlogogenen Faktors auf das Gewebe und sind entlang der Peripherie der Entzündungszone stärker ausgeprägt. Eine der Bedingungen für den optimalen Proliferationsverlauf ist die Abschwächung der Veränderungs- und Exsudationsvorgänge.

Proliferation

Phagozyten produzieren auch eine Reihe biologisch aktiver Substanzen und setzen diese in die Interzellularflüssigkeit frei, die die Entwicklung von entweder Immunität oder Allergien oder einem Toleranzzustand regulieren. Somit steht eine Entzündung in direktem Zusammenhang mit der Bildung von Immunität oder immunpathologischen Reaktionen im Körper.

Die Proliferation - eine Komponente des Entzündungsprozesses und seines Endstadiums - ist gekennzeichnet durch eine Zunahme der Anzahl von Stroma- und in der Regel Parenchymzellen sowie die Bildung einer interzellulären Substanz im Entzündungsherd.Diese Prozesse sind mit dem Ziel, veränderte und/oder zerstörte Gewebeelemente zu regenerieren. In diesem Entzündungsstadium sind verschiedene biologisch aktive Substanzen von großer Bedeutung, insbesondere solche, die die Zellproliferation anregen (Mitogene).

Formen und Proliferationsgrad organspezifischer Zellen sind unterschiedlich und werden durch die Art der Zellpopulationen bestimmt (siehe Artikel „Zellpopulation“ im Anhang „Nachschlagewerk“).

In einigen Organen und Geweben (z. B. Leber, Haut, Magen-Darm-Trakt, Atemwege) haben Zellen eine hohe Proliferationskapazität, die ausreicht, um strukturelle Defekte im Entzündungsherd zu beseitigen.

In anderen Organen und Geweben ist diese Fähigkeit sehr eingeschränkt (z. B. in den Geweben von Sehnen, Knorpeln, Bändern, Nieren usw.).

In einer Reihe von Organen und Geweben haben Parenchymzellen praktisch keine proliferative Aktivität (z. B. Herzmuskelmyozyten, Neuronen). In diesem Zusammenhang proliferieren am Ende des Entzündungsprozesses in den Geweben des Myokards und des Nervensystems am Ort des Entzündungsherds Stromazellen, hauptsächlich Fibroblasten, die auch nichtzelluläre Strukturen bilden. Dadurch entsteht eine bindegewebige Narbe. Gleichzeitig ist bekannt, dass die Parenchymzellen dieser Gewebe eine hohe Kapazität für Hypertrophie und Hyperplasie subzellulärer Strukturen haben.

Die Aktivierung proliferativer Prozesse korreliert mit der Bildung biologisch aktiver Substanzen, die entzündungshemmend wirken (eine Art entzündungshemmende Mediatoren). Zu den effektivsten unter ihnen gehören:

Inhibitoren von Hydrolasen, insbesondere Proteasen (z. B. Antitrypsin), -Mikroglobulin, Plasmin oder Komplementfaktoren;

Antioxidantien (z. B. Ceruloplasmin, Haptoglobin, Peroxidase, SOD);

Polyamine (z. B. Putrescin, Spermin, Cadaverin);

Glukokortikoide;

Heparin (Unterdrückung der Adhäsion und Aggregation von Leukozyten, Aktivität von Kininen, biogenen Aminen, Komplementfaktoren).

Der Ersatz abgestorbener und beschädigter Gewebeelemente während einer Entzündung wird nach ihrer Zerstörung und Beseitigung festgestellt (dieser Vorgang wird als Wundreinigung bezeichnet).

Proliferationsreaktionen sowohl von Stroma- als auch von Parenchymzellen werden durch verschiedene Faktoren reguliert. Zu den bedeutendsten unter ihnen gehören:

Viele Entzündungsmediatoren (z. B. TNF, das die Proliferation unterdrückt; Leukotriene, Kinine, biogene Amine, die die Zellteilung anregen).

Spezifische Stoffwechselprodukte von Leukozyten (z. B. Monokine, Lymphokine, IL, Wachstumsfaktoren) sowie Blutplättchen, die die Zellproliferation aktivieren können.

Bei der Gewebezerstörung freigesetzte niedermolekulare Peptide, Polyamine (Putrescin, Spermidin, Spermin) sowie Abbauprodukte von Nukleinsäuren, die die Zellreproduktion aktivieren.

Hormone (GH, Insulin, T 4 , Corticoide, Glucagon), von denen viele in der Lage sind, die Proliferation in Abhängigkeit von ihrer Konzentration, Aktivität, synergistischen und antagonistischen Wechselwirkungen sowohl zu aktivieren als auch zu hemmen; beispielsweise hemmen Glucocorticoide in niedriger Dosierung und Mineralocorticoide aktivieren Regenerationsreaktionen.

Auch eine Reihe weiterer Faktoren beeinflussen die Proliferationsprozesse, beispielsweise Enzyme (Kollagenase, Hyaluronidase), Ionen, Neurotransmitter und andere.

. Kapitel II
Zellreproduktion. Probleme der Zellproliferation in der Medizin.
2.1. Lebenszyklus einer Zelle.
Die Zelltheorie besagt, dass Zellen durch Teilung des Originals aus Zellen entstehen. Diese Bestimmung schließt die Bildung von Zellen aus nichtzellularer Substanz aus. Der Zellteilung geht die Verdoppelung ihres Chromosomenapparates voraus, die DNA-Synthese sowohl in eukaryotischen als auch in prokaryotischen Organismen.

Die Existenzzeit einer Zelle von Teilung zu Teilung wird als Zell- oder Lebenszyklus bezeichnet. Ihr Wert ist sehr unterschiedlich: Bei Bakterien sind es 20-30 Minuten, bei einem Schuh 1-2 mal täglich, bei einer Amöbe etwa 1,5 Tage. Vielzellige Zellen haben auch eine andere Teilungsfähigkeit. In der frühen Embryogenese teilen sie sich häufig, und im erwachsenen Organismus verlieren sie diese Fähigkeit größtenteils, wenn sie sich spezialisieren. Aber auch in einem voll entwickelten Organismus müssen sich viele Zellen teilen, um abgenutzte Zellen zu ersetzen, die sich ständig ablösen, und schließlich werden neue Zellen benötigt, um Wunden zu heilen.

Daher muss in einigen Zellpopulationen die Teilung während des gesamten Lebens erfolgen. Vor diesem Hintergrund können alle Zellen in drei Kategorien eingeteilt werden:

1. Bis zur Geburt eines Kindes erreichen Nervenzellen einen hochspezialisierten Zustand, verlieren ihre Fortpflanzungsfähigkeit und nehmen im Verlauf der Ontogenese kontinuierlich ab. Dieser Umstand hat eine gute Seite; würden sich die Nervenzellen teilen, wären die höheren Nervenfunktionen (Gedächtnis, Denken) gestört.

2. Eine andere Kategorie von Zellen ist ebenfalls hochspezialisiert, aber aufgrund ihrer ständigen Abschuppung werden sie durch neue ersetzt, und diese Funktion wird von Zellen derselben Linie übernommen, die jedoch noch nicht spezialisiert sind und die Teilungsfähigkeit nicht verloren haben. Diese Zellen werden als erneuernd bezeichnet. Ein Beispiel sind die sich ständig erneuernden Zellen des Darmepithels, hämatopoetische Zellen. Sogar Knochengewebezellen können sich aus nicht spezialisierten Zellen bilden (dies kann bei der reparativen Regeneration von Knochenbrüchen beobachtet werden). Populationen unspezialisierter Zellen, die die Fähigkeit zur Teilung behalten, werden üblicherweise als Stammzellen bezeichnet.

3. Die dritte Kategorie von Zellen ist eine Ausnahme, wenn hochspezialisierte Zellen unter bestimmten Bedingungen in den mitotischen Zyklus eintreten können. Wir sprechen von Zellen, die sich durch eine lange Lebensdauer auszeichnen und bei denen es nach vollständigem Wachstum nur selten zu Zellteilungen kommt. Ein Beispiel sind Hepatozyten. Entfernt man einem Versuchstier aber 2/3 der Leber, so ist es in weniger als zwei Wochen wieder in seiner ursprünglichen Größe. Ebenso die Zellen der hormonproduzierenden Drüsen: Unter normalen Bedingungen können sich nur wenige von ihnen vermehren, und unter veränderten Bedingungen können die meisten von ihnen beginnen, sich zu teilen.

Der Zellzyklus bedeutet die wiederholte Wiederholung aufeinanderfolgender Ereignisse, die eine bestimmte Zeitspanne in Anspruch nehmen. Typischerweise werden zyklische Prozesse grafisch als Kreise dargestellt.

Der Zellzyklus ist in zwei Teile unterteilt: Mitose und das Intervall zwischen dem Ende einer Mitose und dem Beginn der nächsten - Interphase. Mit der Methode der Autoradiographie konnte festgestellt werden, dass die Zelle in der Interphase nicht nur ihre spezialisierten Funktionen erfüllt, sondern auch DNA synthetisiert. Diese Periode der Interphase wurde als synthetisch (S) bezeichnet. Sie beginnt etwa 8 Stunden nach der Mitose und endet nach 7-8 Stunden. Das Intervall zwischen der S-Periode und der Mitose wurde als präsynthetisch (G1 - 4 Stunden) nach der Synthese bezeichnet, vor der Mitose selbst - postsynthetisch (G2). findet im Verlauf von etwa einer Stunde statt.

So werden im Zellzyklus von Stahl vier Stadien unterschieden; Mitose, G1-Periode, S-Periode, G2-Periode.

Die Feststellung der Tatsache der Verdopplung in der DNA-Interphase bedeutet, dass die Zelle während ihrer Zeit keine spezialisierten Funktionen ausführen kann, sie ist damit beschäftigt, Zellstrukturen aufzubauen, Baumaterialien zu synthetisieren, die das Wachstum von Tochterzellen gewährleisten, die während der Mitose selbst verbrauchte Energie zu akkumulieren und zu synthetisieren spezifische Enzyme für die DNA-Replikation . Daher müssen Interphasezellen, um ihre durch das genetische Programm vorgegebenen Funktionen zu erfüllen (hochspezialisiert zu werden), den Zyklus vorübergehend oder dauerhaft in der G0-Periode verlassen oder in der erweiterten G1-Periode verbleiben (signifikante Unterschiede im Zustand der Zellen der G0- und G1-Perioden wurden nicht notiert, da G0-Zellen pro Zyklus sein können). Es sollte besonders beachtet werden, dass in mehrzelligen reifen Organismen bekanntermaßen die Mehrheit der Zellen in der G0-Periode ist.

Wie bereits erwähnt, kommt es zu einer Vermehrung der Zellzahl nur durch die Teilung der Ursprungszelle, der eine Phase der exakten Reproduktion von Erbmaterial, DNA-Molekülen, Chromosomen vorausgeht.

Die mitotische Teilung umfasst neue Zellzustände: Interphasen-, dekondensierte und bereits reduzierte Chromosomen verwandeln sich in eine kompakte Form mitotischer Chromosomen, ein achromatischer mitotischer Apparat wird gebildet, der am Chromosomentransfer beteiligt ist, Chromosomen divergieren zu entgegengesetzten Polen und es findet Zytokinese statt. Der Prozess der indirekten Teilung wird normalerweise in die folgenden Hauptphasen unterteilt: Prophase, Metaphase, Anaphase und Telophase. Die Teilung ist bedingt, da die Mitose ein kontinuierlicher Prozess ist und die Phasenänderung allmählich erfolgt. Die einzige Phase, die einen wirklichen Anfang hat, ist die Anaphase, in der

Chromosomen beginnen sich zu trennen. Die Dauer der einzelnen Phasen ist unterschiedlich (im Durchschnitt Prophase und Telophase - 30-40", Anaphase und Metaphase - 7-15"). Zu Beginn der Mitose enthält eine menschliche Zelle 46 Chromosomen, von denen jedes aus 2 identischen Hälften besteht - Chromatiden (ein Chromatid wird auch als S-Chromosom bezeichnet, und ein Chromosom, das aus 2 Chromatiden besteht, ist ein d-Chromosom).

Eines der bemerkenswertesten Phänomene, das bei der Mitose beobachtet wird, ist die Bildung der Spaltspindel. Es sorgt für die Ausrichtung der d-Chromosomen in einer Ebene, in der Mitte der Zelle, und die Bewegung der S-Chromosomen zu den Polen. Die Teilungsspindel wird von den Zentriolen der Zellmitte gebildet. Mikrotubuli werden im Zytoplasma aus dem Protein Tubulin gebildet.

In der G1-Periode enthält jede Zelle zwei Zentriolen, bis zum Zeitpunkt des Übergangs zur G2-Periode wird in der Nähe jeder Zentriole eine Tochterzentriole gebildet, von der insgesamt zwei Paare gebildet werden.

In der Prophase beginnt sich ein Zentriolenpaar zu einem Pol zu bewegen, das andere zum anderen.

Zwischen Zentriolpaaren beginnt sich ein Satz interpolarer und chromosomaler Mikrotubuli zu bilden.

Die Kernhülle am Ende der Prophase löst sich auf, der Nukleolus hört auf zu existieren, die Chromosomen (d) spiralisieren sich, die Teilungsspindel bewegt sich in die Mitte der Zelle und die d-Chromosomen befinden sich in den Lücken zwischen den Mikrotubuli der Spindel.

Während der Prophase kondensieren D-Chromosomen von fadenförmigen Strukturen zu stäbchenförmigen. Verkürzung und Verdickung (d-Chromosomen verbleiben einige Zeit in der Metaphase, wodurch Metaphase-d-Chromosomen eine ausreichende Dichte aufweisen. Das Zentromer ist in den Chromosomen deutlich sichtbar und teilt sie in gleiche oder ungleiche Arme, bestehend aus 2 benachbarten S- Chromosomen (Chromatiden). Zu Beginn der Anaphase beginnen sich die S-Chromosomen (Chromatiden) von der Äquatorialebene zu den Polen zu bewegen. Die Anaphase beginnt mit der Aufspaltung der zentromerischen Region jedes der Chromosomen, wodurch die beiden S-Chromosomen jedes d-Chromosoms sind vollständig voneinander getrennt, dazu erhält jede Tochterzelle einen identischen Satz von 46 S-Chromosomen , die andere Hälfte zur anderen.

Bis heute ist nicht genau geklärt, unter welcher Kraft die Bewegung der Chromosomen zu den Polen erfolgt. Es gibt mehrere Versionen:

1. Es gibt aktinhaltige Filamente in der Teilungsspindel (sowie andere Muskelproteine), es ist möglich, dass diese Kraft auf die gleiche Weise wie in Muskelzellen erzeugt wird.

2. Die Bewegung von Chromosomen beruht auf dem Gleiten chromosomaler Mikrotubuli entlang kontinuierlicher (interpolarer) Mikrotubuli mit entgegengesetzter Polarität (Mak-Itosh, 1969, Margolis, 1978).

3. Die Geschwindigkeit der Chromosomenbewegung wird durch Kinetochor-Mikrotubuli reguliert, um eine geordnete Trennung der Chromatiden sicherzustellen. Höchstwahrscheinlich wirken alle oben genannten Mechanismen zur Umsetzung einer mathematisch genauen Verteilung der Erbsubstanz auf die Tochterzellen zusammen.

Am Ende der Anaphase und am Beginn der Telophase beginnt in der Mitte der länglichen Zelle die Bildung einer Einschnürung, sie bildet die sogenannte Quetschfurche, die die Zelle vertieft in zwei Tochterzellen teilt. Aktinfilamente sind an der Bildung der Furche beteiligt. Aber wenn sich die Furche vertieft, werden die Zellen durch ein Bündel von Mikrotubuli, den sogenannten Mediankörper, miteinander verbunden, dessen Rest auch für einige Zeit in der Interphase vorhanden ist. Parallel zur Zytokinese despiralisieren an jedem Pol Chromosomen in umgekehrter Reihenfolge von der chromosomalen zur nukleosomalen Ebene. Schließlich nimmt die Erbsubstanz die Form von Chromatinklumpen an, entweder dicht gepackt oder dekondensiert. Der Nukleolus, die Kernmembran, die das Chromatin und das Karyoplasma umgibt, wird neu gebildet. Die durch mitotische Zellteilung neu gebildeten Tochterzellen sind also identisch und eine Kopie der Mutterzelle, was für das spätere Wachstum, die Entwicklung und die Differenzierung von Zellen und Geweben wichtig ist.
2.2. Mechanismus der Regulation der mitotischen Aktivität
Die Aufrechterhaltung der Zellzahl auf einem bestimmten, konstanten Niveau gewährleistet die allgemeine Homöostase. Beispielsweise ist die Anzahl der Erythrozyten und Leukozyten in einem gesunden Körper relativ stabil, obwohl diese Zellen absterben, werden sie ständig wieder aufgefüllt. Daher muss die Rate der Zellneubildung so reguliert werden, dass sie mit der Rate des Zelltods übereinstimmt.

Um die Homöostase aufrechtzuerhalten, ist es notwendig, dass die Anzahl der verschiedenen spezialisierten Zellen im Körper und die Funktionen, die sie ausführen müssen, von verschiedenen Regulationsmechanismen kontrolliert werden, die alles in einem stabilen Zustand halten.

In vielen Fällen wird den Zellen ein Signal gegeben, dass sie ihre funktionelle Aktivität erhöhen müssen, und dies kann eine Erhöhung der Zellzahl erfordern. Wenn beispielsweise der Ca-Gehalt im Blut sinkt, erhöhen die Zellen der Nebenschilddrüse die Sekretion des Hormons, der Calciumspiegel erreicht die Norm. Aber wenn die Ernährung des Tieres Kalzium fehlt, dann wird die zusätzliche Produktion des Hormons den Gehalt dieses Elements im Blut nicht erhöhen.In diesem Fall beginnen sich die Schilddrüsenzellen intensiv zu teilen, so dass eine Zunahme ihrer Anzahl zu a führt weitere Steigerung der Synthese des Hormons. Somit kann eine Abnahme der einen oder anderen Funktion zu einer Zunahme der Zellpopulation führen, die diese Funktionen bereitstellt.

Bei Menschen, die das Hochland betreten, steigt die Anzahl der roten Blutkörperchen stark an (bei einer Höhe von weniger als 02), um den Körper mit der notwendigen Menge an Sauerstoff zu versorgen. Nierenzellen reagieren auf eine Abnahme des Sauerstoffs und erhöhen die Sekretion von Erythropoietin, was die Hämatopoese fördert. Nach der Bildung einer ausreichenden Anzahl zusätzlicher Erythrozyten verschwindet die Hypoxie und die Zellen, die dieses Hormon produzieren, reduzieren seine Sekretion auf das übliche Niveau.

Ausdifferenzierte Zellen können sich nicht teilen, können aber dennoch durch die Stammzellen, aus denen sie hervorgegangen sind, vermehrt werden. Nervenzellen können sich unter keinen Umständen teilen, aber sie können ihre Funktion erhöhen, indem sie ihre Prozesse verstärken und die Verbindungen zwischen ihnen vervielfachen.

Es ist zu beachten, dass bei Erwachsenen das Verhältnis der Gesamtgrößen verschiedener Organe mehr oder weniger konstant bleibt. Bei einer künstlichen Verletzung des bestehenden Größenverhältnisses des Organs tendiert es zur Normalität (Entfernung einer Niere führt zu einer Zunahme der anderen).

Eines der Konzepte, die dieses Phänomen erklären, ist, dass die Zellproliferation durch spezielle Substanzen – Kalons – reguliert wird. Es wird angenommen, dass sie eine Spezifität in Bezug auf Zellen verschiedener Typen, Gewebe von Organen haben. Es wird angenommen, dass eine Verringerung der Anzahl von Kalonen die Zellproliferation zum Beispiel während der Regeneration stimuliert. Derzeit wird dieses Problem von verschiedenen Spezialisten sorgfältig untersucht. Es wurden Daten erhalten, dass Chalons Glykoproteine ​​​​mit einem Molekulargewicht von 30.000–50.000 sind.

2.3. Unregelmäßige Arten der Zellreproduktion
Amitose. Die direkte Teilung oder Amitose wird früher als die mitotische Teilung beschrieben, ist aber viel seltener. Amitosis ist eine Zellteilung, bei der sich der Zellkern in einem Interphase-Zustand befindet. In diesem Fall gibt es keine Kondensation von Chromosomen und die Bildung einer Teilungsspindel. Formal sollte die Amitose zum Auftreten von zwei Zellen führen, aber meistens führt sie zur Teilung des Kerns und zum Auftreten von zwei- oder mehrkernigen Zellen.

Die amitotische Teilung beginnt mit der Fragmentierung der Nukleolen, gefolgt von der Teilung des Kerns durch Einengung (oder Einstülpung). Es kann zu einer mehrfachen Teilung des Kerns kommen, meist ungleich groß (bei pathologischen Prozessen). Zahlreiche Beobachtungen haben gezeigt, dass Amitosis fast immer in Zellen auftritt, die veraltet, degeneriert und unfähig sind, in Zukunft wertvolle Elemente zu produzieren. Normalerweise findet die amitotische Teilung in den embryonalen Membranen von Tieren, in den Follikelzellen des Eierstocks und in den Riesenzellen von Trophoblasten statt. Amitose hat einen positiven Wert im Prozess der Gewebe- oder Organregeneration (regenerative Amitose). Amitosis in seneszenten Zellen wird von Störungen in biosynthetischen Prozessen begleitet, einschließlich Replikation, DNA-Reparatur sowie Transkription und Translation. Die physikalisch-chemischen Eigenschaften von Chromatinproteinen von Zellkernen, die Zusammensetzung des Zytoplasmas, die Struktur und Funktionen von Organellen ändern sich, was zu Funktionsstörungen auf allen nachfolgenden Ebenen führt - Zelle, Gewebe, Organ und Organismus. Wenn die Zerstörung zunimmt und die Erholung nachlässt, tritt der natürliche Zelltod ein. Amitose tritt häufig bei entzündlichen Prozessen und bösartigen Neubildungen auf (induzierte Amitose).

Endomitose. Wenn Zellen Substanzen ausgesetzt werden, die Spindelmikrotubuli zerstören, hört die Teilung auf und die Chromosomen setzen ihren Transformationszyklus fort: replizieren, was zur allmählichen Bildung polyploider Zellen führt - 4 S. 8 S. usw. Dieser Transformationsprozess wird auch als Endoreproduktion bezeichnet. Die Fähigkeit von Zellen zur Endomitose wird in der Pflanzenzüchtung genutzt, um Zellen mit einem mehrfachen Chromosomensatz zu erhalten. Dazu werden Colchicin, Vinblastin verwendet, die die Fäden der Achromatinspindel zerstören. Polyploide Zellen (und dann erwachsene Pflanzen) sind groß, vegetative Organe aus solchen Zellen sind groß, mit einem großen Nährstoffangebot. Beim Menschen tritt Endoreproduktion in einigen Hepatozyten und Kardiomyozyten auf.

Eine weitere, seltenere Folge der Endomitose sind Polytänzellen. Bei Polythenie in der S-Periode wird als Ergebnis der Replikation und Nicht-Disjunktion von Chromosomensträngen eine multifilamentöse Polytänstruktur gebildet. Sie unterscheiden sich von mitotischen Chromosomen in großen Größen (200-mal länger). Solche Zellen finden sich in den Speicheldrüsen von Zweiflüglern, in den Makrokernen von Ciliaten. Auf polytänen Chromosomen sind Schwellungen, Puffs (Transkriptionsstellen) sichtbar - ein Ausdruck der Genaktivität. Diese Chromosomen sind das wichtigste Objekt der genetischen Forschung.
2.4. Probleme der Zellproliferation in der Medizin.
Gewebe mit einer hohen Zellerneuerungsrate sind bekanntermaßen empfindlicher gegenüber den Wirkungen verschiedener Mutagene als Gewebe, in denen sich Zellen langsam erneuern. Strahlenschäden treten jedoch möglicherweise nicht sofort auf und werden nicht unbedingt mit zunehmender Tiefe schwächer, manchmal schädigen sie sogar tief liegende Gewebe viel stärker als oberflächliche. Wenn Zellen mit Röntgen- oder Gammastrahlen bestrahlt werden, kommt es zu groben Verletzungen im Lebenszyklus von Zellen: Mitotische Chromosomen verändern ihre Form, sie brechen, gefolgt von einer falschen Verbindung von Fragmenten, manchmal verschwinden einzelne Teile der Chromosomen ganz. Anomalien der Spindel können auftreten (in der Zelle werden nicht zwei Pole gebildet, sondern drei), was zu einer ungleichmäßigen Chromatidentrennung führt. Manchmal ist die Zellschädigung (große Strahlungsdosen) so groß, dass alle Versuche der Zelle, die Mitose zu starten, erfolglos bleiben und die Teilung stoppt.

Ein ähnlicher Effekt der Bestrahlung erklärt teilweise ihren Einsatz in der Tumortherapie. Der Zweck der Bestrahlung besteht nicht darin, Tumorzellen in der Interphase abzutöten, sondern sie dazu zu bringen, ihre Fähigkeit zur Mitose zu verlieren, wodurch das Tumorwachstum verlangsamt oder gestoppt wird. Strahlung in Dosen, die für Zellen nicht tödlich sind, kann Mutationen verursachen, die zu einer erhöhten Proliferation veränderter Zellen führen und bösartiges Wachstum hervorrufen, wie es oft denjenigen passiert ist, die mit Röntgenstrahlen gearbeitet haben, ohne sich ihrer Gefahr bewusst zu sein.

Die Zellproliferation wird durch viele Chemikalien, einschließlich Medikamente, beeinflusst. Zum Beispiel war das Alkaloid Colchicin (Colchicum-Knollen enthalten) das erste Medikament, das Gelenkschmerzen bei Gicht linderte. Es stellte sich heraus, dass es noch eine andere Wirkung hat – die Teilung zu stoppen, indem es an Tubulinproteine ​​bindet, aus denen Mikrotubuli gebildet werden. So blockiert Colchicin, wie viele andere Medikamente, die Bildung der Spaltspindel.

Auf dieser Grundlage werden Alkaloide wie Vinblastin und Vincristin zur Behandlung bestimmter Arten bösartiger Neoplasmen verwendet und rücken in das Arsenal moderner Chemotherapeutika gegen Krebs ein. Es sei darauf hingewiesen, dass die Fähigkeit von Substanzen wie Colchicin, die Mitose zu stoppen, als Methode zur anschließenden Identifizierung von Chromosomen in der medizinischen Genetik verwendet wird.

Von großer Bedeutung für die Medizin ist die Fähigkeit differenzierter (im Übrigen Geschlechts-) Zellen, ihr Vermehrungspotential aufrechtzuerhalten, was manchmal zur Entwicklung von Tumoren in den Eierstöcken führt, auf deren Schnitt Zellschichten, Gewebe und Organe sichtbar sind. die ein "Durcheinander" sind. Hautfetzen, Haarfollikel, Haare, missgebildete Zähne, Knochenstücke, Knorpel, Nervengewebe, Augenfragmente usw. werden freigelegt, was einen dringenden chirurgischen Eingriff erfordert.

2.5. Pathologie der Zellreproduktion
Anomalien des mitotischen Zyklus.. Der mitotische Rhythmus, der normalerweise der Notwendigkeit entspricht, alternde, tote Zellen wiederherzustellen, kann unter pathologischen Bedingungen verändert werden. Eine Verlangsamung des Rhythmus wird in alternden oder schwach vaskularisierten Geweben beobachtet, eine Zunahme des Rhythmus wird in Geweben mit verschiedenen Arten von Entzündungen, hormonellen Einflüssen, in Tumoren usw. beobachtet.

REGULIERUNG DES ZELLZYKLUS

Einführung

Proliferationsaktivierung

Zellzyklus

Regulierung des Zellzyklus

Exogene Regulatoren der Proliferation

Endogene Regulatoren des Zellzyklus

CDK-Regulationswege

G1-Phasenregelung

S-Phasen-Regelung

G2-Phasenregelung

Mitoseregulation

DNA-Schäden

Wege zur Reparatur von DNA-Doppelstrangbrüchen

Zellreaktion auf DNA-Schäden und ihre Regulation

Geweberegeneration

Regulation der Geweberegeneration

Fazit

Referenzliste

Einführung

Die Zelle ist die Grundeinheit aller Lebewesen. Außerhalb der Zelle gibt es kein Leben. Die Zellvermehrung erfolgt nur durch Teilung der Ursprungszelle, der die Vervielfältigung ihres Erbguts vorausgeht. Die Aktivierung der Zellteilung erfolgt aufgrund des Einflusses äußerer oder innerer Faktoren darauf. Der Prozess der Zellteilung ab dem Moment ihrer Aktivierung wird als Proliferation bezeichnet. Mit anderen Worten, Proliferation ist die Vermehrung von Zellen, d.h. eine Zunahme der Anzahl von Zellen (in Kultur oder Gewebe), die durch mitotische Teilungen auftritt. Die Lebensdauer einer Zelle als solche von Teilung zu Teilung wird allgemein als Zellzyklus bezeichnet.

In einem erwachsenen menschlichen Körper haben Zellen verschiedener Gewebe und Organe eine ungleiche Teilungsfähigkeit. Außerdem nimmt mit zunehmendem Alter die Intensität der Zellproliferation ab (d. h. das Intervall zwischen den Mitosen nimmt zu). Es gibt Populationen von Zellen, die ihre Teilungsfähigkeit vollständig verloren haben. Dies sind in der Regel Zellen im Endstadium der Differenzierung, beispielsweise reife Neuronen, granuläre Blutleukozyten, Kardiomyozyten. Die Ausnahme bilden in dieser Hinsicht immunologische B- und T-Gedächtniszellen, die im Endstadium der Differenzierung, wenn ein bestimmter Reiz in Form eines zuvor gefundenen Antigens im Körper auftritt, in der Lage sind, sich zu vermehren. Der Körper hat sich ständig erneuerndes Gewebe - verschiedene Arten von Epithel, hämatopoetische Gewebe. In solchen Geweben gibt es Zellen, die sich ständig teilen, verbrauchte oder absterbende Zelltypen ersetzen (z. B. Darmkryptenzellen, Zellen der Basalschicht des Hautepithels, hämatopoetische Zellen des Knochenmarks). Auch im Körper gibt es Zellen, die sich unter normalen Bedingungen nicht vermehren, diese Eigenschaft aber unter bestimmten Bedingungen wieder erlangen, insbesondere wenn es darum geht, Gewebe und Organe zu regenerieren. Der Prozess der Zellproliferation wird sowohl von der Zelle selbst (Regulierung des Zellzyklus, Beendigung oder Verlangsamung der Synthese von autokrinen Wachstumsfaktoren und ihren Rezeptoren) als auch von ihrer Mikroumgebung (Mangel an stimulierenden Kontakten mit benachbarten Zellen und Matrix, Beendigung) streng reguliert der Sekretion und/oder Synthese von parakrinen Wachstumsfaktoren). Eine Verletzung der Proliferationsregulation führt zu einer unbegrenzten Zellteilung, die wiederum die Entwicklung des onkologischen Prozesses im Körper einleitet.

Proliferationsaktivierung

Die mit der Initiierung der Proliferation verbundene Hauptfunktion wird von der Plasmamembran der Zelle übernommen. An seiner Oberfläche finden Ereignisse statt, die mit dem Übergang ruhender Zellen in einen aktivierten Zustand verbunden sind, der der Teilung vorausgeht. Die Plasmamembran von Zellen nimmt aufgrund der darin befindlichen Rezeptormoleküle verschiedene extrazelluläre mitogene Signale wahr und sorgt für den Transport der notwendigen Substanzen in die Zelle, die an der Initiierung der proliferativen Reaktion beteiligt sind. Mitogene Signale können die Kontakte zwischen Zellen, zwischen der Zelle und der Matrix sein, sowie die Interaktion von Zellen mit verschiedenen Verbindungen, die ihren Eintritt in den Zellzyklus stimulieren, die Wachstumsfaktoren genannt werden. Eine Zelle, die ein mitogenes Signal zur Proliferation erhalten hat, beginnt mit dem Teilungsprozess.

ZELLZYKLUS

Der gesamte Zellzyklus besteht aus 4 Stadien: präsynthetisch (G1), synthetisch (S), postsynthetisch (G2) und eigentliche Mitose (M). Hinzu kommt die sogenannte G0-Periode, die den Ruhezustand der Zelle charakterisiert. In der G1-Periode haben Zellen einen diploiden DNA-Gehalt pro Zellkern. Während dieser Zeit beginnt das Zellwachstum, hauptsächlich aufgrund der Anhäufung von Zellproteinen, was auf eine Zunahme der RNA-Menge pro Zelle zurückzuführen ist. Außerdem beginnen die Vorbereitungen für die DNA-Synthese. In der nächsten S-Periode verdoppelt sich die DNA-Menge und dementsprechend verdoppelt sich die Anzahl der Chromosomen. Die postsynthetische G2-Phase wird auch als prämitotisch bezeichnet. In dieser Phase findet die aktive Synthese von mRNA (Messenger-RNA) statt. Auf dieses Stadium folgt die eigentliche Teilung der Zelle in zwei Teile oder die Mitose.

Die Teilung aller eukaryotischen Zellen ist mit der Kondensation duplizierter (replizierter) Chromosomen verbunden. Als Ergebnis der Teilung werden diese Chromosomen auf Tochterzellen übertragen. Diese Art der Teilung eukaryotischer Zellen – Mitose (von griechisch mitos – Fäden) – ist die einzige vollständige Möglichkeit, die Zellzahl zu erhöhen. Der Prozess der mitotischen Teilung ist in mehrere Phasen unterteilt: Prophase, Prometaphase, Metaphase, Anaphase, Telophase.

REGULIERUNG DES ZELLZYKLUS

Der Zweck der Regulationsmechanismen des Zellzyklus besteht nicht darin, den Ablauf des Zellzyklus als solchen zu regulieren, sondern letztlich die fehlerfreie Verteilung des Erbguts im Prozess der Zellvermehrung sicherzustellen. Die Regulation der Zellreproduktion basiert auf der Veränderung der Zustände der aktiven Proliferation und des proliferativen Organs. Regulatorische Faktoren, die die Zellreproduktion steuern, können in zwei Gruppen eingeteilt werden: extrazellulär (oder exogen) oder intrazellulär (oder endogen). Exogene Faktoren befinden sich in der Mikroumgebung der Zelle und interagieren mit der Zelloberfläche. Faktoren, die von der Zelle selbst synthetisiert werden und in ihr wirken, werden als endogene Faktoren bezeichnet. Eine solche Unterteilung ist sehr willkürlich, da einige Faktoren, die in Bezug auf die sie produzierende Zelle endogen sind, diese verlassen und als exogene Regulatoren auf andere Zellen wirken können. Wenn regulatorische Faktoren mit denselben Zellen interagieren, die sie produzieren, wird diese Art der Steuerung als autokrin bezeichnet. Unter parakriner Kontrolle wird die Synthese von Regulatoren von anderen Zellen durchgeführt.

EXOGENE PROLIFERATIONSREGULATOREN

In mehrzelligen Organismen erfolgt die Regulierung der Proliferation verschiedener Zelltypen nicht durch die Wirkung eines Wachstumsfaktors, sondern durch deren Kombination. Darüber hinaus verhalten sich einige Wachstumsfaktoren, die Stimulanzien für einige Zelltypen sind, in Bezug auf andere als Inhibitoren. Klassische Wachstumsfaktoren sind Polypeptide mit einem Molekulargewicht von 7–70 kDa. Bis heute sind mehr als hundert solcher Wachstumsfaktoren bekannt. Allerdings sollen hier nur einige davon betrachtet werden.

Die vielleicht größte Menge an Literatur ist dem aus Blutplättchen stammenden Wachstumsfaktor (PDGF) gewidmet. Bei Zerstörung der Gefäßwand freigesetzt, ist PDGF an den Prozessen der Thrombose und Wundheilung beteiligt. PDGF ist ein potenter Wachstumsfaktor für ruhende Fibroblasten. Neben PDGF wurde auch der epidermale Wachstumsfaktor (EGF) untersucht, der ebenfalls in der Lage ist, die Proliferation von Fibroblasten zu stimulieren. Daneben hat es aber auch eine stimulierende Wirkung auf andere Zelltypen, insbesondere auf Chondrozyten.

Eine große Gruppe von Wachstumsfaktoren sind Cytokine (Interleukine, Tumornekrosefaktoren, Kolonie-stimulierende Faktoren etc.). Alle Zytokine sind polyfunktionell. Sie können proliferative Reaktionen entweder verstärken oder hemmen. So sind beispielsweise verschiedene Subpopulationen von CD4+ T-Lymphozyten, Th1 und Th2, die ein unterschiedliches Spektrum an Zytokinen produzieren, Gegenspieler zueinander. Das heißt, Th1-Zytokine stimulieren die Proliferation von Zellen, die sie produzieren, hemmen aber gleichzeitig die Teilung von Th2-Zellen und umgekehrt. Daher wird normalerweise im Körper ein konstantes Gleichgewicht dieser beiden Arten von T-Lymphozyten aufrechterhalten. Die Wechselwirkung von Wachstumsfaktoren mit ihren Rezeptoren auf der Zelloberfläche löst eine ganze Kaskade von Ereignissen innerhalb der Zelle aus. Als Ergebnis treten die Aktivierung von Transkriptionsfaktoren und die Expression von proliferativen Antwortgenen auf, was letztendlich die DNA-Replikation und den Zelleintritt in die Mitose initiiert.

ENDOGENE ZELLZYKLUSREGULATOREN

In normalen eukaryotischen Zellen ist der Ablauf des Zellzyklus streng reguliert. Ursache onkologischer Erkrankungen ist die Transformation von Zellen, meist verbunden mit Verletzungen der Regulationsmechanismen des Zellzyklus. Eines der Hauptergebnisse eines defekten Zellzyklus ist genetische Instabilität, da Zellen mit defekter Zellzykluskontrolle die Fähigkeit verlieren, ihr Genom korrekt zu duplizieren und zwischen Tochterzellen zu verteilen. Genetische Instabilität führt zum Erwerb neuer Merkmale, die für die Tumorprogression verantwortlich sind. Cyclin-abhängige Kinasen (CDKs) und ihre regulatorischen Untereinheiten (Cycline) sind Hauptregulatoren des Zellzyklus. Die Passage des Zellzyklus wird durch sequentielle Aktivierung und Deaktivierung verschiedener Cyclin-CDK-Komplexe erreicht. Die Wirkung von Cyclin-CDK-Komplexen besteht darin, eine Anzahl von Zielproteinen entsprechend der Phase des Zellzyklus zu phosphorylieren, in der der eine oder andere Cyclin-CDK-Komplex aktiv ist. Beispielsweise ist Cyclin E-CDK2 in der späten G1-Phase aktiv und phosphoryliert Proteine, die für den Durchgang durch die späte G1-Phase und den Eintritt in die S-Phase notwendig sind. Cyclin A-CDK2 ist in der S- und G2-Phase aktiv, es sorgt für den Durchgang der S-Phase und den Eintritt in die Mitose. Cyclin A und Cyclin E sind zentrale Regulatoren der DNA-Replikation. Daher führt eine Fehlregulierung der Expression eines dieser Cycline zu genetischer Instabilität. Es konnte gezeigt werden, dass die Akkumulation von Kerncyclin A ausschließlich in dem Moment erfolgt, in dem die Zelle in die S-Phase eintritt, d.h. zum Zeitpunkt des G1/S-Übergangs. Andererseits wurde gezeigt, dass die Cyclin E-Spiegel nach dem Passieren des sogenannten limitierenden Punktes (R-Punkt) in der späten G1-Phase ansteigen und dann signifikant abfallen, wenn die Zelle in die S-Phase eintritt.

WEGE DER REGULIERUNG CDK

Die Aktivität von Cyclin-abhängigen Kinasen (CDKs) wird durch mindestens vier Mechanismen streng reguliert:

1) Der Hauptmodus der CDK-Regulierung ist die Bindung an Cyclin, d.h. in der freien Form ist die Kinase nicht aktiv und nur der Komplex mit dem entsprechenden Cyclin hat die notwendigen Aktivitäten.

2) Die Aktivität des Cyclin-CDK-Komplexes wird auch durch reversible Phosphorylierung reguliert. Um Aktivität zu erlangen, ist eine CDK-Phosphorylierung erforderlich, die unter Beteiligung des CDK-Aktivierungskomplexes (CAK), bestehend aus Cyclin H, CDK7 und Mat1, durchgeführt wird.

3) Andererseits gibt es im CDK-Molekül in der für die Substratbindung verantwortlichen Region Stellen, deren Phosphorylierung zu einer Hemmung der Aktivität des Cyclin-CDK-Komplexes führt. Diese Stellen werden durch eine Gruppe von Kinasen, einschließlich der Wee1-Kinase, phosphoryliert und durch Cdc25-Phosphatasen dephosphoryliert. Die Aktivität dieser Enzyme (Wee1 und Cdc25) variiert erheblich als Reaktion auf verschiedene intrazelluläre Ereignisse wie DNA-Schäden.

4) Schließlich können einige Cyclin-CDK-Komplexe aufgrund der Bindung an CDK-Inhibitoren (CKIs) gehemmt werden. CDK-Inhibitoren bestehen aus zwei Gruppen von Proteinen INK4 und CIP/KIP. INK4-Inhibitoren (p15, p16, p18, p19) binden an und inaktivieren CDK4 und CDK6, wodurch eine Wechselwirkung mit Cyclin D verhindert wird. CIP/KIP-Inhibitoren (p21, p27, p57) können an Cyclin-CDK-Komplexe binden, die CDK1, CDK2, CDK4 und enthalten CDK6. Es ist bemerkenswert, dass CIP/KIP-Inhibitoren unter bestimmten Bedingungen die Kinaseaktivität von Cyclin D-CDK4/6-Komplexen verstärken können.

VERORDNUNG G 1 PHASE

In der G1-Phase, am sogenannten Restriktionspunkt (Restriktionen, R-Punkt), entscheidet die Zelle, ob sie sich teilt oder nicht. Der Restriktionspunkt ist der Punkt im Zellzyklus, nach dem die Zelle bis zum Ende des gesamten Zellzyklus gegen äußere Signale immun wird. Der Restriktionspunkt teilt die G1-Phase in zwei funktionell unterschiedliche Schritte: G1pm (postmitotischer Schritt) und G1ps (präsynthetischer Schritt). Während G1pm bewertet die Zelle die in ihrer Umgebung vorhandenen Wachstumsfaktoren. Sind die notwendigen Wachstumsfaktoren in ausreichender Menge vorhanden, geht die Zelle in G1ps über. Zellen, die in die G1ps-Periode übergegangen sind, setzen die normale Passage des gesamten Zellzyklus auch in Abwesenheit von Wachstumsfaktoren fort. Fehlen die notwendigen Wachstumsfaktoren in der G1pm-Periode, dann geht die Zelle in einen proliferativen Ruhezustand (G0-Phase).

Das Hauptergebnis der Kaskade von Signalereignissen, die aufgrund der Bindung des Wachstumsfaktors an den Rezeptor auf der Zelloberfläche auftritt, ist die Aktivierung des Cyclin D-CDK4/6-Komplexes. Die Aktivität dieses Komplexes nimmt bereits in der frühen G1-Periode deutlich zu. Dieser Komplex phosphoryliert die für den Übergang in die S-Phase notwendigen Targets. Das Hauptsubstrat des Cyclin D-CDK4/6-Komplexes ist das Produkt des Retinoblastom-Gens (pRb). Das unphosphorylierte pRb bindet und inaktiviert dadurch Transkriptionsfaktoren der E2F-Gruppe. Die Phosphorylierung von pRb durch Cyclin D-CDK4/6-Komplexe führt zur Freisetzung von E2F, das in den Zellkern eintritt und die Translation von Proteingenen initiiert, die für die DNA-Replikation erforderlich sind, insbesondere die Gene für Cyclin E und Cyclin A. Am Ende der G1-Phase kommt es zu einem kurzfristigen Anstieg der Cyclin E-Menge, was auf die Akkumulation von Cyclin A und den Übergang in die S-Phase hindeutet.

Folgende Faktoren können einen Zellzyklusstillstand in der G1-Phase verursachen: Anstieg des CDK-Inhibitorspiegels, Mangel an Wachstumsfaktoren, DNA-Schädigung, äußere Einflüsse, onkogene Aktivierung

VERORDNUNG S PHASEN

Die S-Phase ist das Stadium des Zellzyklus, in dem die DNA-Synthese stattfindet. Jede der beiden Tochterzellen, die sich am Ende des Zellzyklus bilden, muss eine exakte Kopie der DNA der Mutterzelle erhalten. Jede Base der DNA-Moleküle, aus denen die 46 Chromosomen einer menschlichen Zelle bestehen, muss nur einmal kopiert werden. Aus diesem Grund ist die DNA-Synthese äußerst streng reguliert.

Es wurde gezeigt, dass nur die DNA von Zellen in der G1- oder S-Phase replizieren kann. Dies deutet darauf hin, dass die DNA sein muss<лицензирована>zu replizieren und dass das Stück DNA, das dupliziert wurde, dieses verliert<лицензию>. Die DNA-Replikation beginnt an einer Proteinbindungsstelle namens ORC (Origin of Replicating Complex). Mehrere Komponenten, die für die DNA-Synthese erforderlich sind, binden in der späten M- oder frühen G1-Phase an das ORC und bilden einen prärepräsentativen Komplex, der tatsächlich ergibt<лицензию>DNA für die Replikation. Im Stadium des G1/S-Übergangs werden dem prärepletiven Komplex weitere für die DNA-Replikation notwendige Proteine ​​hinzugefügt, wodurch ein Initiationskomplex gebildet wird. Wenn der Replikationsprozess beginnt und die Replikationsgabel gebildet wird, werden viele Komponenten vom Initiationskomplex getrennt, und nur die Komponenten des postreplikativen Komplexes verbleiben am Ort der Replikationseinleitung.

Viele Studien haben gezeigt, dass Cyclin A-CDK2-Aktivität für das normale Funktionieren des Initiationskomplexes erforderlich ist. Darüber hinaus erfordert der erfolgreiche Abschluss der S-Phase auch die Aktivität des Cyclin A-CDK2-Komplexes, der tatsächlich der wichtigste regulatorische Mechanismus ist, der den erfolgreichen Abschluss der DNA-Synthese sicherstellt. Ein Arrest in der S-Phase kann durch DNA-Schäden induziert werden.

VERORDNUNG G 2 PHASE

Die G2-Phase ist das Stadium des Zellzyklus, das nach Abschluss der DNA-Synthese, aber vor Beginn der Kondensation beginnt. Der Hauptregulator des Durchgangs der G2-Phase ist der Cyclin B-CDK2-Komplex. Der Zellzyklusarrest in der G2-Phase erfolgt aufgrund der Inaktivierung des Cyclin B-CDK2-Komplexes. Der G2/M-Übergang wird durch den Cyclin B-CDK1-Komplex reguliert, dessen Phosphorylierung/Dephosphorylierung den Eintritt in die M-Phase reguliert. DNA-Schäden oder das Vorhandensein unreplizierter Regionen verhindert den Übergang in die M-Phase.

Mobilfunk Proliferation- Erhöhung der Zellzahl durch Mitose,

was zu Gewebewachstum führt, im Gegensatz zu einer anderen Möglichkeit, es zu erhöhen

Massen (z. B. Ödem). Nervenzellen vermehren sich nicht.

Im erwachsenen Organismus sind die Entwicklungsprozesse damit verbunden

mit Zellteilung und Spezialisierung. Diese Prozesse können beides sein

klein physiologisch und zielt darauf ab, die or-

Ganismus aufgrund der Verletzung seiner Integrität.

Die Bedeutung der Proliferation in der Medizin wird durch die Fähigkeit von Zellen bestimmt

Strom verschiedener Gewebe zur Teilung. Der Heilungsprozess ist mit der Zellteilung verbunden.

Wundheilung und Gewebereparatur nach chirurgischen Eingriffen.

Zellproliferation liegt Regeneration (Erholung) zugrunde

verlorene Teile. Das Problem der Regeneration ist von Interesse

Arzneimittel für die rekonstruktive Chirurgie. Unterscheiden Sie zwischen physiologischen

reparative und pathologische Regeneration.

Physiologisch- natürliche Wiederherstellung von Zellen und Geweben in

Ontogenese. Zum Beispiel die Veränderung von roten Blutkörperchen, Hautepithelzellen.

Reparativ- Wiederherstellung nach Beschädigung oder Tod des Klebstoffs

Strom und Gewebe.

Pathologisch- Proliferation von Geweben, die nicht mit gesundem Gewebe identisch sind

Lecker. Zum Beispiel das Wachstum von Narbengewebe an der Stelle einer Verbrennung, Knorpel - bei

Frakturstelle, Vermehrung von Bindegewebszellen an der Stelle unserer

zervikales Gewebe des Herzens, ein krebsartiger Tumor.

Neuerdings ist es üblich, tierische Gewebezellen entsprechend zu teilen

Fähigkeit, sich in 3 Gruppen zu unterteilen: labil, stabil und statisch.

Zu labil enthalten Zellen, die schnell und einfach aktualisiert werden können

während des Lebens des Organismus (Blutzellen, Epithel, Schleim

Stoppen Sie den Magen-Darm-Trakt, die Epidermis usw.).

Zu stabil umfassen Zellen aus Organen wie Leber, Bauchspeicheldrüse

Drüse, Speicheldrüsen usw., die begrenzt erkennen

neue Teilungsfähigkeit.

Zu statisch umfassen Zellen des Myokards und des Nervengewebes, die

Roggen, nach Ansicht der meisten Forscher, nicht teilen.

Das Studium der Zellphysiologie ist für ihr Verständnis unerlässlich.

die togenetische Ebene der Organisation des Lebendigen und die Mechanismen der Selbstregulation

Zellen, die das ganzheitliche Funktionieren des gesamten Organismus sicherstellen.

Kapitel 6

GENETIK WIE DIE WISSENSCHAFT. REGELMÄSSIGKEITEN

NACHLASS ZEICHEN

6.1 Gegenstand, Aufgaben und Methoden der Genetik

Vererbung und Variabilität sind grundlegende Eigenschaften

Lebewesen, da sie für Lebewesen jeder Organisationsebene charakteristisch sind

Herabstufung. Die Wissenschaft, die die Muster der Vererbung und Veränderung untersucht

vosti, heißt Genetik.

Genetik als Wissenschaft untersucht Vererbung und Vererbung

Volatilität, nämlich Deals co nächste Probleme:

1) Speicherung genetischer Informationen;

2) Übertragung genetischer Informationen;

3) Implementierung genetischer Informationen (ihre Verwendung in einem bestimmten

Anzeichen eines sich entwickelnden Organismus unter dem Einfluss der äußeren Umgebung);

4) Veränderung der Erbinformation (Arten und Ursachen der Veränderungen,

Mechanismen).

Die erste Stufe in der Entwicklung der Genetik - 1900–1912 Seit 1900 - wieder-

die Gesetze von G. Mendel von den Wissenschaftlern H. De Vries, K. Correns, E. Cher-

Mohn. Anerkennung der Gesetze von G. Mendel.

Zweite Phase 1912–1925 - die Entstehung der Chromosomentheorie von T. Mor-

Ghana. Dritte Phase 1925–1940 - Entdeckung der künstlichen Mutagenese und

Genetische Prozesse der Evolution.

Vierte Etappe 1940–1953 - Forschung zur Genkontrolle

physiologische und biochemische Prozesse.

Die fünfte Stufe von 1953 bis heute ist die Entwicklung des Molekularen

Biologie.

Gesonderte Informationen über die Vererbung von Merkmalen waren bekannt

Sehr lange jedoch waren die wissenschaftlichen Grundlagen für die Übertragung von Zeichen erst vorhanden

von G. Mendel 1865 in dem Werk: „Versuche an Pflanzen

Hybriden." Dies waren fortgeschrittene Ideen, aber die Zeitgenossen gaben nicht nach

die Bedeutung seiner Entdeckung. Der Begriff „Gen“ existierte damals noch nicht, und G. Men-

del sprach von den „erblichen Neigungen“, die in den Geschlechtszellen enthalten sind

kah, aber ihre Natur war unbekannt.

1900 unabhängig voneinander H. De Vries, E. Chermak und K. Kor-

Rens entdeckte die Gesetze von G. Mendel wieder. Dieses Jahr gilt als Geburtsjahr

der Genetik als Wissenschaft. 1902 von T. Boveri, E. Wilson und D. Setton hergestellt

Lali schlug die Beziehung zwischen erblichen Faktoren und Chromosomen vor.

1906 führte W. Betson den Begriff "Genetik" ein und 1909 W. Johansen -

"Gen". 1911 formulierten T. Morgan und Kollegen die Hauptprinzipien

Zheniya Chromosomentheorie der Vererbung. Sie haben diese Gene bewiesen

an bestimmten Orten von Chromosomen in linearer Reihenfolge lokalisiert,

ein bestimmtes Zeichen.

Die wichtigsten Methoden der Genetik: hybridologische, zytologische und

mathematisch. Die Genetik nutzt aktiv die Methoden anderer Verwandter

Naturwissenschaften: Chemie, Biochemie, Immunologie, Physik, Mikrobiologie usw.

Der Zellzyklus ist der Lebensabschnitt einer Zelle von einer Teilung zur nächsten oder von der Teilung bis zum Tod. Der Zellzyklus besteht aus der Interphase (einem Zeitraum außerhalb der Teilung) und der Zellteilung selbst.

Am Ende der G1-Periode ist es üblich, einen speziellen Moment zu unterscheiden, der als R-Punkt (Restriktionspunkt, R-Punkt) bezeichnet wird, nach dem die Zelle innerhalb weniger Stunden (normalerweise 1–2) notwendigerweise in die S-Periode eintritt. Der Zeitraum zwischen dem R-Punkt und dem Beginn der S-Periode kann als Vorbereitung auf den Übergang in die S-Periode angesehen werden.

Der wichtigste Prozess, der in der S-Periode stattfindet, ist die Verdopplung oder Reduktion der DNA. Alle anderen zu diesem Zeitpunkt in der Zelle ablaufenden Reaktionen zielen darauf ab, die DNA-Synthese sicherzustellen. Solche Hilfsprozesse umfassen die Synthese von Histonproteinen, die Synthese von Enzymen, die die Synthese von Nukleotiden regulieren und sicherstellen, und die Bildung neuer DNA-Stränge.

Der Durchgang der Zelle durch alle Perioden des Zellzyklus wird streng kontrolliert. Wenn sich Zellen durch den Zellzyklus bewegen, erscheinen und verschwinden in ihnen spezielle regulatorische Moleküle, werden aktiviert und gehemmt, die für: 1) den Durchgang der Zelle durch eine bestimmte Periode des Zellzyklus und 2 den Übergang von einer Periode zur anderen sorgen. Darüber hinaus wird der Durchgang durch jede Periode sowie der Übergang von einer Periode zur anderen durch verschiedene Substanzen gesteuert. Jetzt werden wir versuchen herauszufinden, was diese Substanzen sind und was sie bewirken.

Die allgemeine Situation sieht so aus. Die Zelle enthält ständig spezielle Enzymproteine, die durch Phosphorylierung anderer Proteine ​​(durch Serin-, Tyrosin- oder Threoninreste in der Polypeptidkette) die Aktivität der Gene regulieren, die für das Durchlaufen der Zelle durch eine bestimmte Periode des Zellzyklus verantwortlich sind. Diese Enzymproteine ​​werden Cyclin-abhängige Proteinkinasen (cdc) genannt. Es gibt mehrere Sorten davon, aber alle haben ähnliche Eigenschaften. Obwohl die Anzahl dieser Zyklin-abhängigen Proteinkinasen zu verschiedenen Perioden des Zellzyklus variieren kann, sind sie unabhängig von der Periode des Zellzyklus ständig in der Zelle vorhanden, dh sie sind im Überschuss vorhanden. Mit anderen Worten, ihre Synthese oder Menge begrenzt oder reguliert nicht die Passage von Zellen durch den Zellzyklus. Ist aber in der Pathologie ihre Synthese gestört, ihre Anzahl reduziert oder es gibt mutierte Formen mit veränderten Eigenschaften, dann kann das natürlich den Ablauf des Zellzyklus beeinflussen.

Warum sind solche Cyclin-abhängigen Proteinkinasen selbst nicht in der Lage, den Durchgang von Zellen durch die Perioden des Zellzyklus zu regulieren? Es stellt sich heraus, dass sie sich in einem inaktiven Zustand in den Zellen befinden, und damit sie aktiviert werden und ihre Arbeit aufnehmen können, werden spezielle Aktivatoren benötigt. Sie sind Cycline. Es gibt auch viele verschiedene Arten von ihnen, aber sie sind nicht immer in den Zellen vorhanden: Sie erscheinen und verschwinden. In verschiedenen Phasen des Zellzyklus werden unterschiedliche Cycline gebildet, die durch Bindung an Cdk unterschiedliche Cdk-Cyclin-Komplexe bilden. Diese Komplexe regulieren verschiedene Phasen des Zellzyklus und heißen daher G1-, G1/S-, S- und M-Cdk (Abbildung aus meinen Abbildungen Cycline). Beispielsweise wird die Passage einer Zelle durch die G1-Periode des Zellzyklus durch einen Komplex aus Cyclin-abhängiger Proteinkinase-2 (cdk2) und Cyclin D1, Cyclin-abhängiger Proteinkinase-5 (cdk5) und Cyclin D3 bereitgestellt. Der Durchgang durch einen speziellen Restriktionspunkt (R-Punkt) der G1-Periode kontrolliert den Komplex aus cdc2 und Cyclin C. Der Übergang der Zelle von der G1-Periode des Zellzyklus zur S-Periode wird durch den Komplex aus cdk2 und kontrolliert Cyclin E. Der Übergang der Zelle von der S-Periode zur G2-Periode erfordert den cdk2-Komplex und Cyclin A. Cyclin-abhängige Proteinkinase-2 (cdc2) und Cyclin B sind am Übergang der Zelle von der G2-Periode zu beteiligt Mitose (M-Periode). Cyclin H in Verbindung mit cdk7 ist für die Phosphorylierung und Aktivierung von cdc2 im Komplex mit Cyclin B erforderlich.

Cycline sind eine neue, von Tim Hunt entdeckte Klasse von Proteinen, die eine Schlüsselrolle bei der Steuerung der Zellteilung spielen. Der Name "Cycline" entstand aufgrund der Tatsache, dass sich die Konzentration von Proteinen dieser Klasse entsprechend den Stadien des Zellzyklus periodisch ändert (z. B. fällt sie vor Beginn der Zellteilung).

Das erste Cyclin wurde von Hunt in den frühen 1980er Jahren entdeckt, als er mit Frosch- und Seeigeleiern experimentierte. Später wurden Cycline in anderen Lebewesen gefunden.

Es stellte sich heraus, dass sich diese Proteine ​​im Laufe der Evolution kaum verändert haben, ebenso wie der Mechanismus zur Steuerung des Zellzyklus, der in „konservierter“ Form von einfachen Hefezellen auf den Menschen überging.

Timothy Hunt (R. Timothy Hunt) erhielt zusammen mit seinem englischen Landsmann Paul M. Nurse und dem Amerikaner Leland H. Hartwell 2001 den Nobelpreis für Physiologie oder Medizin für ihre Entdeckung der genetischen und molekularen Mechanismen der Regulation des Zellzyklus – eines Prozesses das ist wesentlich für das Wachstum, die Entwicklung und die Existenz lebender Organismen

Kontrollpunkte des Zellzyklus

1. Der Austrittspunkt aus der G1-Phase, Start genannt - bei Säugetieren und der Restriktionspunkt bei Hefe. Nach Passieren des Restriktionspunktes R am Ende von G1 wird der Beginn von S irreversibel, d.h. Prozesse, die zur nächsten Zellteilung führen, werden gestartet.
2. Punkt S - Überprüfung der Genauigkeit der Replikation.

3. Punkt G2/M-Übergang – Überprüfung des Abschlusses der Replikation.
4. Übergang von der Metaphase zur Anaphase der Mitose.

Replikationsregelung

Vor Beginn der Replikation Sc sitzt der ORC-Komplex (Origin Recognition Complex) auf ori, dem Replikationsursprung. Cdc6 ist während des gesamten Zellzyklus vorhanden, aber seine Konzentration steigt zu Beginn von G1, wo es an den ORC-Komplex bindet, der dann durch Mcm-Proteine ​​verbunden wird, um den präreplikativen Komplex (prä-RC) zu bilden. Nach der Pre-RC-Montage ist die Zelle bereit für die Replikation.

Um die Replikation zu initiieren, bindet S-Cdk an eine Proteinkinase (?), die prä-RC phosphoryliert. Gleichzeitig dissoziiert Cdc6 nach Beginn der Replikation von ORC und wird phosphoryliert, wonach es durch SCF ubiquitiniert und abgebaut wird. Änderungen an Pre-RC verhindern, dass die Replikation neu gestartet wird. S-Cdk phosphoryliert auch einige Mcm-Proteinkomplexe, was deren Export aus dem Zellkern auslöst. Die anschließende Dephosphorylierung von Proteinen wird den Prozess der Prä-RC-Bildung neu starten.

Cycline sind Cdk-Aktivatoren. Cycline sowie Cdks sind neben der Kontrolle des Zellzyklus an verschiedenen Prozessen beteiligt. Cycline werden je nach Wirkzeitpunkt im Zellzyklus in 4 Klassen eingeteilt: G1/S-, S-, M- und G1-Cycline.
G1/S-Cycline (Cln1 und Cln2 in S. cerevisiae, Cyclin E in Wirbeltieren) erreichen ihren Höhepunkt in der späten G1-Phase und fallen in der S-Phase ab.

Der G1/S-Cyclin-Cdk-Komplex löst den Start der DNA-Replikation aus, indem er verschiedene Systeme ausschaltet, die das S-Phasen-Cdk in der G1-Phase hemmen.G1/S-Cycline initiieren auch die Duplikation der Zentrosomen bei Vertebraten und die Spindelkörperbildung in Hefe. Der Abfall der G1/S-Spiegel wird von einem Anstieg der Konzentration von S-Cyclinen (Clb5, Clb6 in Sc und Cyclin A in Vertebraten) begleitet, die den S-Cyclin-Cdk-Komplex bilden, der direkt die DNA-Replikation stimuliert. Der S-Cyclin-Spiegel bleibt während der S-, G2-Phasen und des Beginns der Mitose hoch, wo es bei der Initiierung der Mitose in einigen Zellen hilft.

M-Cycline (Clb1,2,3 und 4 in Sc, Cyclin B in Vertebraten) treten zuletzt auf. Seine Konzentration steigt, wenn die Zelle in die Mitose übergeht und erreicht ihr Maximum in der Metaphase. Der M-Cyclin-Cdk-Komplex umfasst die Spindelanordnung und die Ausrichtung der Schwesterchromatiden. Seine Zerstörung in der Anaphase führt zum Austritt aus Mitose und Zytokinese. G1-Cycline (Cln3 in Sc und Cyclin D in Wirbeltieren) helfen, das Zellwachstum mit dem Eintritt in einen neuen Zellzyklus zu koordinieren. Sie sind ungewöhnlich, da sich ihre Konzentration nicht mit der Phase des Zellzyklus ändert, sondern sich als Reaktion auf externe wachstumsregulierende Signale ändert.

Programmierter Zelltod

1972 haben Kerr et al. veröffentlichten einen Artikel, in dem die Autoren morphologische Beweise für die Existenz einer speziellen Art des Zelltods präsentierten, die sich von der Nekrose unterscheidet, die sie "Apoptose" nannten. Die Autoren berichteten, dass strukturelle Veränderungen in Zellen während der Apoptose zwei Stadien durchlaufen:

1. - die Bildung von apoptotischen Körpern,

2. - ihre Phagozytose und Zerstörung durch andere Zellen.

Die Todesursachen, die Prozesse der morphologischen und biochemischen Natur der Entwicklung des Zelltods können unterschiedlich sein. Sie lassen sich jedoch klar in zwei Kategorien einteilen:

1. Nekrose (aus dem Griechischen pekrose - Nekrose) und

2. Apoptose (von den griechischen Wurzeln, was "Abfallen" oder "Zerfall" bedeutet), die oft als programmierter Zelltod (PCD) oder sogar Zellselbstmord bezeichnet wird (Abb. 354).

Zwei Wege des Zelltods

a – Apoptose (ausgeprägter Zelltod): / – spezifische Kontraktion der Zelle und Kondensation von Chromatin, 2 – Fragmentierung des Zellkerns, 3 – Fragmentierung des Zellkörpers in mehrere apoptotische Körper; b - Nekrose: / - Schwellung der Zelle, vakuoläre Komponenten, Kondensation von Chromatin (Karyorrhexis), 2 - weitere Schwellung von Membranorganellen, Lyse von Kernchromatin (Karyolyse), 3 - Bruch der Membrankomponenten der Zelle - Zelllyse

N. ist die häufigste unspezifische Form des Zelltods. Es kann durch schwere Zellschädigung als Folge eines direkten Traumas, Bestrahlung, Exposition gegenüber toxischen Mitteln aufgrund von Hypoxie, komplementvermittelter Zelllyse usw. verursacht werden.

Der nekrotische Prozess durchläuft mehrere Phasen:

1) Paranekrose - ähnlich nekrotischen, aber reversiblen Veränderungen;

2) Nekrobiose - irreversible dystrophische Veränderungen, gekennzeichnet durch das Vorherrschen katabolischer Reaktionen gegenüber anabolischen;

3) Zelltod, dessen Zeitpunkt schwer festzustellen ist;

4) Autolyse - Zersetzung eines toten Substrats unter Einwirkung von hydrolytischen Enzymen toter Zellen und Makrophagen. Morphologisch entspricht die Nekrose der Autolyse.

Trotz der großen Anzahl von Arbeiten gibt es keine vereinbarte und genaue Definition des Begriffs "Apoptose".

Aloptose wird üblicherweise als eine besondere Form des Zelltods charakterisiert, die sich von der Nekrose in Bezug auf morphologische, biochemische, molekulargenetische und andere Merkmale unterscheidet.

A. ist Zelltod, der durch interne oder externe Signale verursacht wird, die an sich nicht toxisch oder destruktiv sind. A. ist ein aktiver Prozess, der Energie, Gentranskription und Denovo-Proteinsynthese erfordert.

Neben Strahlung und Glukokortikoiden wurde eine beträchtliche Anzahl von Mitteln gefunden, die eine Apoptose dieser Zellen verursachen:

Ca2+-Ionophore

Adenosin

Zyklisches AMP

Tributylzinn

Hyperthermie

Die Untersuchung der Kinetik des DNA-Abbaus in Lymphzellen in vivo und in vitro zeigte:

Die ersten deutlichen Fäulniserscheinungen treten in der Regel erst nach mehr als 1 Stunde nach Exposition auf, häufiger gegen Ende der 2. Stunde.

Die internukleosomale Fragmentierung hält mehrere Stunden an und endet hauptsächlich 6, seltener 12 Stunden nach der Exposition.

Unmittelbar nach dem Beginn des Abbaus zeigt die Analyse eine große Anzahl kleiner DNA-Fragmente, und das Verhältnis zwischen großen und kleinen Fragmenten ändert sich während der Apoptose nicht wesentlich.

Die Verwendung von Inhibitoren der ATP-Synthese, Protein- und Gentranskription verlangsamt den Prozess der Apoptose. Bei N besteht eine solche Abhängigkeit nicht.

Wie aus dem Vergleich der Definitionen von Nekrose und Apoptose ersichtlich ist, gibt es sowohl Ähnlichkeiten als auch signifikante Unterschiede zwischen den beiden Arten des Zelltods.

Charakteristisch	Nekrose	Apoptose
funktionell		unwiderrufliche Beendigung ihres Lebens;
morphologisch	Verletzung der Integrität von Membranen, Veränderungen im Kern (Pyknose, Rhexis, Lyse), Zytoplasma (Ödem), Zellzerstörung;	Verlust von Mikrovilli und interzellulären Kontakten, Kondensation von Chromatin und Zytoplasma, Abnahme des Zellvolumens (Schrumpfung), Bildung von Vesikeln aus der Plasmamembran, Zellfragmentierung und Bildung apoptotischer Körper;
biochemisch	Verletzung der Energieerzeugung, Gerinnung, hydrolytische Spaltung von Proteinen, Nukleinsäuren, Lipiden;	Hydrolyse von zytoplasmatischen Proteinen und Abbau von internukleosomaler DNA;
genetisch	- Verlust genetischer Informationen; und gipfelt in seiner Autolyse oder Heterolyse mit einer entzündlichen Reaktion.	strukturelle und funktionelle Umordnung des genetischen Apparats und gipfelt in seiner Aufnahme durch Makrophagen und (oder) andere Zellen ohne eine Entzündungsreaktion.

Der Zelltod wird durch interzelluläre Wechselwirkungen auf verschiedene Weise reguliert. Viele Zellen in einem vielzelligen Organismus brauchen Signale, um am Leben zu bleiben. In Abwesenheit solcher Signale oder trophischer Faktoren entwickeln die Zellen ein Programm des „Selbstmords“ oder des programmierten Todes. Beispielsweise sterben Neuronenkulturzellen in Abwesenheit des neuronalen Wachstumsfaktors (NGF), Prostatazellen sterben in Abwesenheit von testikulären Androgenen ab, Brustzellen sterben ab, wenn der Spiegel des Hormons Progesteron abfällt usw. Gleichzeitig können Zellen Signale empfangen, die in Zielzellen Prozesse auslösen, die zum Tod durch Apoptose führen. So verursacht Hydrocortison den Tod von Lymphozyten und Glutamat den Tod von Nervenzellen in Gewebekulturen, Tumornekrosefaktor (TNF) verursacht den Tod einer Vielzahl von Zellen. Thyroxin (Schilddrüsenhormon) verursacht die Apoptose von Kaulquappen-Schwanzzellen. Darüber hinaus gibt es Situationen, in denen der apoptotische Zelltod durch externe Faktoren wie Strahlung verursacht wird.

Das Konzept der "Apoptose" wurde in die Untersuchung des Todes einiger Leberzellen mit unvollständiger Ligatur der Pfortader eingeführt. In diesem Fall wird ein eigenartiges Bild des Zelltods beobachtet, das nur einzelne Zellen im Leberparenchym betrifft.

Der Prozess beginnt damit, dass benachbarte Zellen den Kontakt verlieren, sie scheinen zu schrumpfen (der ursprüngliche Name für diese Todesform ist Schrumpfnekrose - Nekrose durch Zellkompression), eine spezifische Chromatinkondensation tritt in den Kernen entlang ihrer Peripherie auf, dann im Kern wird in einzelne Teile fragmentiert, wonach die Zelle selbst in einzelne Körper fragmentiert wird, die durch die Plasmamembran begrenzt sind, - apoptotische Körper.

Apoptose ist ein Prozess, der nicht zur Lyse, nicht zur Auflösung der Zelle, sondern zu ihrer Fragmentierung, ihrem Zerfall führt. Auch das Schicksal apoptotischer Körper ist ungewöhnlich: Sie werden von Makrophagen oder sogar normalen Nachbarzellen phagozytiert. In diesem Fall entwickelt sich keine Entzündungsreaktion.

Es ist wichtig festzuhalten, dass in allen Fällen von Apoptose, ob während der embryonalen Entwicklung, ob in einem erwachsenen Organismus, bei normalen oder pathologischen Prozessen, die Morphologie des Zelltodprozesses sehr ähnlich ist. Dies kann auf die Gemeinsamkeit von Apoptoseprozessen in verschiedenen Organismen und in verschiedenen Organen hinweisen.

Untersuchungen an verschiedenen Objekten haben gezeigt, dass Apoptose das Ergebnis der Umsetzung des genetisch programmierten Zelltods ist. Der erste Beweis für das Vorhandensein eines genetischen Programms für den Zelltod (PCD) wurde durch die Untersuchung der Entwicklung des Fadenwurms Caenorhabditiselegans erhalten. Dieser Wurm entwickelt sich in nur drei Tagen, und seine geringe Größe ermöglicht es, das Schicksal all seiner Zellen von den frühen Stadien der Teilung bis zum geschlechtsreifen Organismus zu verfolgen.

Es stellte sich heraus, dass während der Entwicklung von Caenorhabditiselegans nur 1090 Zellen gebildet werden, von denen ein Teil der Nervenzellen in Höhe von 131 Stück spontan durch Apoptose absterben und 959 Zellen im Körper verbleiben. Es wurden Mutanten gefunden, bei denen der Prozess der Eliminierung von 131-Zellen gestört war. Zwei Gene ced-3 und ced-4 wurden identifiziert, deren Produkte Apoptose in 131 Zellen verursachen. Wenn diese Gene in der Mutante Caenorhabditiselegans fehlen oder verändert sind, tritt keine Apoptose auf und der erwachsene Organismus besteht aus 1090 Zellen. Außerdem wurde ein weiteres Gen, ced-9, gefunden, das die Apoptose unterdrückt: Wenn ced-9 mutiert, sterben alle 1090 Zellen. Ein Analogon dieses Gens wurde beim Menschen gefunden: Das bcl-2-Gen ist auch ein Unterdrücker der Apoptose in verschiedenen Zellen. Es stellte sich heraus, dass beide von diesen Genen codierten Proteine, Ced-9 und Bc1-2, eine Transmembrandomäne haben und in der äußeren Membran von Mitochondrien, Kernen und dem endoplasmatischen Retikulum lokalisiert sind.

Das Apoptose-Entwicklungssystem erwies sich bei Nematoden und Wirbeltieren als sehr ähnlich, es besteht aus drei Gliedern: einem Regulator, einem Adapter und einem Effektor. Bei Caenorhabditiselegans ist der Regulator Ced-9, der das Adapterprotein Ced-4 blockiert, das wiederum das Effektorprotein Ced-3 nicht aktiviert, eine Protease, die auf Zytoskelett- und Zellkernproteine ​​einwirkt (Tabelle 16).

Tab. 16. Entwicklung des programmierten Zelltods (Apoptose)

Zeichen ──┤ - Hemmung des Prozesses, Zeichen ─→ - Stimulierung des Prozesses

Bei Wirbeltieren ist das PCD-System komplexer. Regulator ist hier das Protein Bc1–2, das das Adapterprotein Apaf‑1 hemmt, das die Aktivierungskaskade spezieller Proteinasen, Caspasen, anregt.

Enzyme - Teilnehmer am Prozess der Apoptose

Auf diese Weise,

Einmal in der Zelle begonnen, schreitet ein solcher Abbau schnell "bis zum Ende" fort;

Nicht alle Zellen treten sofort oder in kurzer Zeit in Apoptose ein, sondern allmählich;

DNA-Brüche treten entlang der Linker-(internucleosomalen)-DNA auf;

Der Abbau erfolgt durch Endo-, aber nicht durch Exonukleasen, und diese Endonukleasen werden nicht durch direkte Wechselwirkung mit einem Apoptose-induzierenden Agens aktiviert oder erhalten Zugang zur DNA, sondern indirekt, da ab dem Moment des Kontakts eine beträchtliche Zeit vergeht von Zellen mit einem solchen Mittel bis zum Beginn des Abbaus, und daher ist die DNA-Fragmentierung nicht die erste charakteristische "apoptotische" Reaktion der Zelle auf molekularer Ebene. Würde nämlich der Abbau durch direkte Wechselwirkung von Endonukleasen oder Chromatin mit einem Agens ausgelöst, so würde beispielsweise bei Einwirkung ionisierender Strahlung in fast allen Zellen schnell und gleichzeitig Apoptose eintreten.

Basierend auf diesen Schlussfolgerungen "konzentrierte" sich die Entschlüsselung des molekularen Mechanismus der Apoptoseentwicklung auf die Identifizierung von Endonuklease(n), die DNA-Fragmentierung durchführen, und der Mechanismen, die Endonukleasen aktivieren.

Endonukleasen

1. Der Abbau erfolgt durch DNase I. Der Prozess wird durch Ca2+ und Mg2+ aktiviert und durch Zn2+ gehemmt.

Es gibt jedoch Tatsachen, die gegen die Beteiligung von DNase I am Vorgang der DNA-Fragmentierung sprechen. Somit ist bekannt, dass dieses Enzym im Zellkern fehlt, jedoch ist dieses Argument nicht sehr stichhaltig, da die relativ kleine Größe seiner Moleküle, 31 kDa, die Beteiligung von DNase I am DNA-Abbau im Fall von sehr real macht eine Verletzung der Permeabilität der Kernmembran. Eine andere Sache ist, dass DNase I während der In-vitro-Prozessierung von Chromatin Brüche nicht nur im Linkerteil, sondern auch in der nukleosomalen DNA verursacht.

2. Eine andere Endonuclease, die als Hauptenzym für den DNA-Abbau betrachtet wird, ist Endonuclease II [Barry 1993]. Diese Nuklease führt bei der Verarbeitung von Kernen und Chromatin eine internukleosomale DNA-Fragmentierung durch. Obwohl seine Aktivität nicht von zweiwertigen Metallionen abhängt, ist die Frage der Beteiligung der Endonuklease II am DNA-Abbau noch nicht geklärt, da das Enzym nicht nur in Lysosomen lokalisiert ist, sondern auch aus Zellkernen freigesetzt wird.

3. Endonuklease mit einem Molekulargewicht von 18 kDa. Dieses Enzym wurde aus den Kernen von Rattenthymozyten isoliert, die durch Apoptose starben [Gaido, 1991]. Es fehlte in normalen Thymozyten. Die Aktivität des Enzyms manifestiert sich in einer neutralen Umgebung und hängt von Ca2+ und Mg2+ ab.

4. γ-Nuclease mit einem Molekulargewicht von 31 kDa, die eine "klassische" Abhängigkeit von Ca-, Mg- und Zn-Ionen hat. Die Aktivität dieses Enzyms war in den Thymozytenkernen von mit Glukokortikoiden behandelten Ratten erhöht.

5. Endonuclease mit einem Molekulargewicht von 22,7 kDa ein Enzym, dessen Aktivität sich in den Zellkernen von Rattenthymozyten erst nach Einwirkung von Glucocorticoiden manifestiert und durch die gleichen Inhibitoren unterdrückt wird wie der internukleosomale DNA-Abbau.

Caspasen sind Cysteinproteasen, die Proteine ​​an Asparaginsäure spalten. In der Zelle werden Caspasen in Form von latenten Vorläufern, Procaspasen, synthetisiert. Es gibt initiierende und effektorische Caspasen. Initiierende Caspasen aktivieren latente Formen von Effektor-Caspasen. Mehr als 60 verschiedene Proteine ​​dienen als Substrate für die Wirkung von aktivierten Caspasen. Dies ist beispielsweise die Kinase fokaler Adhäsionsstrukturen, deren Inaktivierung zur Trennung apoptotischer Zellen von ihren Nachbarn führt; Dies sind Lamins, die unter der Wirkung von Caspasen zerlegt werden. dies sind Zytoskelettproteine ​​(Zwischenfilamente, Aktin, Gelsolin), deren Inaktivierung zu einer Veränderung der Form der Zelle und dem Auftreten von Blasen auf ihrer Oberfläche führt, die zu apoptotischen Körpern führen; es ist eine aktivierte CAD-Protease, die DNA in Oligonukleotid-Nukleosomenfragmente spaltet; Dies sind DNA-Reparaturenzyme, deren Unterdrückung die Wiederherstellung der DNA-Struktur verhindert, und viele andere.

Ein Beispiel für die Entfaltung einer apoptotischen Reaktion wäre die Reaktion einer Zelle auf das Fehlen eines Signals von einem erforderlichen trophischen Faktor, wie dem Nervenwachstumsfaktor (NGF) oder einem Androgen.

Im Zytoplasma von Zellen in Gegenwart von trophischen Faktoren liegt ein weiterer Teilnehmer an der Reaktion, das phosphorylierte Bad-Protein, in einer inaktiven Form vor. In Abwesenheit eines trophischen Faktors wird dieses Protein dephosphoryliert und bindet an das Bc1–2-Protein auf der äußeren Mitochondrienmembran, wodurch seine antiapoptotischen Eigenschaften gehemmt werden. Danach wird das membranproapoptotische Protein Bax aktiviert und öffnet den Weg für Ionen, die in die Mitochondrien gelangen. Gleichzeitig wird Cytochrom c aus den Mitochondrien durch die in der Membran gebildeten Poren ins Zytoplasma freigesetzt, das an das Adapterprotein Apaf-1 bindet, das wiederum die Pro-Caspase 9 aktiviert. Aktivierte Caspase 9 löst eine weitere Kaskade aus Pro-Caspasen, einschließlich Caspase 3, die als Proteinasen damit beginnen, gemischte Proteine ​​​​(Lamine, Zytoskelettproteine ​​​​usw.) zu verdauen, was den apoptotischen Zelltod verursacht, seine Zersetzung in Teile, in apoptotische Körper.

Apoptotische Körper, umgeben von der Plasmamembran der zerstörten Zelle, ziehen einzelne Makrophagen an, die sie verschlingen und mit ihren Lysosomen verdauen. Makrophagen reagieren nicht auf benachbarte normale Zellen, sondern erkennen apoptotische. Dies liegt daran, dass während der Apoptose die Asymmetrie der Plasmamembran gestört wird und auf ihrer Oberfläche Phosphatidylserin erscheint, ein negativ geladenes Phospholipid, das sich normalerweise im zytosolischen Teil der Bilipid-Plasmamembran befindet. So werden Gewebe durch selektive Phagozytose sozusagen von toten apoptotischen Zellen befreit.

Wie oben erwähnt, kann Apoptose durch eine Reihe externer Faktoren verursacht werden, wie beispielsweise Strahlung, die Wirkung bestimmter Toxine und Inhibitoren des Zellstoffwechsels. Irreversible DNA-Schäden verursachen Apoptose. Denn der anfallende Transkriptionsfaktor, das p53-Protein, aktiviert nicht nur das p21-Protein, das die Cyclin-abhängige Kinase hemmt und den Zellzyklus in der G1- oder G2-Phase stoppt, sondern aktiviert auch die Expression des Bax Gen, dessen Produkt die Apoptose auslöst.

Das Vorhandensein von Kontrollpunkten im Zellzyklus ist notwendig, um den Abschluss jeder Phase zu bestimmen. Ein Zellzyklusstillstand tritt auf, wenn DNA in der G1-Phase beschädigt wird, wenn DNA in der S-Phase unvollständig repliziert wird, wenn DNA in der G2-Phase beschädigt wird und wenn die Verbindung der Teilungsspindel mit Chromosomen unterbrochen wird.

Einer der Kontrollpunkte im Zellzyklus ist die Mitose selbst, die nicht in die Anaphase übergeht, wenn die Spindel nicht richtig zusammengesetzt ist und keine vollständigen Verbindungen zwischen Mikrotubuli und Kinetochoren vorhanden sind. In diesem Fall gibt es keine Aktivierung des APC-Komplexes, keinen Abbau von Cohesinen, die Schwesterchromatiden verbinden, und keinen Abbau von mitotischen Cyclinen, die für den Übergang in die Anaphase notwendig sind.

DNA-Schäden verhindern, dass Zellen in die S-Periode oder Mitose eintreten. Wenn diese Schäden nicht katastrophal sind und durch reparative DNA-Synthese wiederhergestellt werden können, wird die Zellzyklusblockade aufgehoben und der Zyklus endet. Wenn die DNA-Schädigung signifikant ist, kommt es irgendwie zu einer Stabilisierung und Akkumulation des p53-Proteins, dessen Konzentration aufgrund seiner Instabilität normalerweise sehr gering ist. Das p53-Protein ist einer der Transkriptionsfaktoren, der die Synthese des p21-Proteins stimuliert, das ein Inhibitor des CDK-Cyclin-Komplexes ist. Dies führt dazu, dass der Zellzyklus im G1- oder G2-Stadium stoppt. Beim Blockieren in der G1-Periode tritt eine Zelle mit DNA-Schädigung nicht in die S-Phase ein, da dies zum Auftreten mutierter Zellen führen könnte, unter denen sich Tumorzellen befinden können. Die Blockade in der G2-Periode verhindert auch den Prozess der Mitose von Zellen mit DNA-Schäden. Solche Zellen mit einem blockierten Zellzyklus sterben anschließend durch Apoptose, den programmierten Zelltod (Abb. 353).

Bei Mutationen, die zum Verlust von p53-Proteingenen führen, oder bei deren Veränderungen tritt keine Blockade des Zellzyklus auf, Zellen treten in die Mitose ein, was zum Auftreten mutierter Zellen führt, von denen die meisten nicht lebensfähig sind, während andere bösartig werden Zellen.

Selektive Schädigung von Mitochondrien, bei der Cytochrom c in das Zytoplasma freigesetzt wird, ist ebenfalls eine häufige Ursache für Apoptose. Mitochondrien und andere Zellbestandteile sind besonders von der Bildung toxischer reaktiver Sauerstoffspezies (ATC) betroffen, unter deren Einwirkung unspezifische Kanäle mit hoher Ionendurchlässigkeit in der inneren Mitochondrienmembran gebildet werden, wodurch die mitochondriale Matrix anschwillt und die äußere Membran reißt. Gleichzeitig gelangen im Intermembranraum gelöste Proteine ​​zusammen mit Cytochrom c in das Zytoplasma. Zu den freigesetzten Proteinen gehören Apoptose-aktivierende Faktoren und Pro-Caspase 9.

Viele Toxine (Ricin, Diphtherietoxin usw.) sowie Antimetaboliten können den Zelltod durch Apoptose verursachen. Wenn die Proteinsynthese im endoplasmatischen Retikulum gestört ist, ist die dort lokalisierte Procaspase 12 an der Entwicklung der Apoptose beteiligt, die eine Reihe anderer Caspasen, einschließlich Caspase 3, aktiviert.

Elimination - die Entfernung einzelner Zellen durch Apoptose wird auch bei Pflanzen beobachtet. Die Apoptose umfasst dabei, wie in tierischen Zellen, eine Induktionsphase, eine Effektorphase und eine Abbauphase. Die Morphologie des Todes von Pflanzenzellen ähnelt den Veränderungen in tierischen Zellen: Chromatinkondensation und Kernfragmentierung, Oligonukleotidabbau der DNA, Protoplastenkontraktion, ihre Fragmentierung in Vesikel, Aufbrechen von Plasmodesmen usw. Protoplastenvesikel werden jedoch durch Hydrolasen der Vesikel selbst zerstört, da Pflanzen keine den Phagozyten analogen Zellen besitzen. Somit tritt PCD während des Wachstums von Wurzelkappenzellen, während der Bildung von Perforationen in Blättern und während der Bildung von Xylem und Phloem auf. Der Laubfall ist mit dem selektiven Zelltod in einem bestimmten Bereich des Schnitts verbunden.

Die biologische Rolle der Apoptose oder des programmierten Zelltods ist sehr groß: Es ist die Entfernung von Zellen, die sich selbst entwickelt haben oder in einem bestimmten Entwicklungsstadium unnötig sind, sowie die Entfernung von veränderten oder pathologischen Zellen, insbesondere Mutanten oder mit Viren infiziert.

Damit also Zellen in einem vielzelligen Organismus existieren können, werden Signale für ihr Überleben benötigt - trophische Faktoren, Signalmoleküle. Diese Signale können über eine Distanz übertragen und von entsprechenden Rezeptormolekülen auf Zielzellen eingefangen werden (hormoneller, endokriner Signalweg), es kann eine parakrine Verbindung sein, wenn das Signal an eine benachbarte Zelle weitergeleitet wird (zB Übertragung eines Neurotransmitters). In Abwesenheit solcher trophischer Faktoren wird das Apoptoseprogramm implementiert. Gleichzeitig kann Apoptose durch Signalmoleküle induziert werden, beispielsweise bei der Resorption des Schwanzes von Kaulquappen unter Einwirkung von Thyroxin. Darüber hinaus kann die Wirkung einer Reihe von Toxinen, die einzelne Glieder des Zellstoffwechsels beeinflussen, auch den Zelltod durch Apoptose verursachen.

Apoptose in der Pathogenese von Krankheiten

1. Im Immunsystem

2. ONKOLOGISCHE ERKRANKUNGEN

3. VIRALE INFEKTION (induziert Apoptose: c. humane Immunschwäche, c. Hühneranämie; Hemmung der Apoptose: Cytomegalovirus, c. Epstein-Barr, c. Herpes)

4. A. und NEURONEN DER ZEREBRALEN KORTEX

PRINZIPIEN DER ZELLAPOPTOSE-KORREKTUR

Die Entdeckung des regulierten Prozesses des Zelltods – der Apoptose – ermöglichte es, seine einzelnen Stadien in bestimmter Weise zu beeinflussen, um sie zu regulieren oder zu korrigieren.

Biochemische Prozesse der Apoptoseentwicklung können hypothetisch in mehrere Stadien unterteilt werden:

Die Wirkung eines Faktors, der Apoptose verursacht;

Signalübertragung vom Rezeptormolekül zum Zellkern;

Aktivierung von Apoptose-spezifischen Genen;

Synthese von Apoptose-spezifischen Proteinen

Aktivierung von Endonukleasen

DNA-Fragmentierung (Abb. 2.4).

Es wird derzeit angenommen, dass, wenn die Zelle durch Apoptose stirbt, die Möglichkeit eines therapeutischen Eingriffs impliziert ist, wenn aufgrund von Nekrose ein solcher Eingriff unmöglich ist. Basierend auf dem Wissen um die Regulation des programmierten Zelltods werden verschiedenste Medikamente eingesetzt, um diesen Prozess in verschiedenen Zelltypen zu beeinflussen.

Somit werden Informationen über die rezeptorvermittelte Regulation der Zellapoptose bei der Behandlung von hormonabhängigen Tumoren berücksichtigt.

Bei Prostatakrebs wird eine Androgenblocker-Therapie verschrieben.

Brustkrebs bildet sich oft unter der Verwendung von Östrogenrezeptorantagonisten zurück.

Informationen über die biochemischen Signalwege der Apoptoseregulation ermöglichen den effektiven Einsatz von antioxidativer Therapie, Medikamenten, die die Calciumkonzentration regulieren, Aktivatoren oder Inhibitoren verschiedener Proteinkinasen usw. Apoptose in verschiedenen Zelltypen zu korrigieren.

Das Bewusstsein um die Rolle der Apoptose beim Zelltod hat die Suche nach pharmakologischen Wirkungen intensiviert, die Zellen vor Apoptose schützen.

Inhibitoren spezifischer Proteasen werden aktiv als pharmakologische Mittel untersucht. Dies sind in der Regel Asparaginsäure (Asp) enthaltende Tri- oder Tetrapeptide. Die Verwendung solcher Proteasen für therapeutische Zwecke ist durch ihre geringe Fähigkeit, in die Zelle einzudringen, begrenzt. Trotzdem wurde Z-VAD-FMK, ein Breitbandinhibitor von ICE-ähnlichen Proteasen, erfolgreich in In-vivo-Experimenten eingesetzt, um die Infarktzone in einem Schlaganfallmodell zu reduzieren.

In den kommenden Jahren können wir mit dem Aufkommen neuer Medikamente zur Behandlung und Vorbeugung verschiedener Krankheiten rechnen, deren Grundlage das Prinzip der Regulation von Apoptoseprozessen sein wird.

Die wirksamsten Ansätze zur Korrektur von Apoptose sind diejenigen, die mit der Regulation von Apoptose-spezifischen Genen verbunden sind. Diese Ansätze bilden die Grundlage der Gentherapie, einem der vielversprechenden Bereiche für die Behandlung von Patienten mit Krankheiten, die durch Funktionsstörungen einzelner Gene verursacht werden.

Die Prinzipien der Gentherapie umfassen die folgenden Schritte:

Identifizierung der zu behandelnden DNA-Sequenz;

Bestimmung des Zelltyps, in dem die Behandlung durchgeführt wird;

Schutz der DNA vor Hydrolyse durch Endonukleasen;

Transport von DNA in die Zelle (Zellkern).

Gentherapeutische Ansätze ermöglichen

Verbesserung der Arbeit einzelner Gene (Transformation von Genen, die die Apoptose hemmen, wie z. B. das bcl-2-Gen),

Schwächen Sie ihren Ausdruck. Zur selektiven Hemmung der Genexpression wird derzeit die Antisense-Oligonukleotid-(Antisense-)Technik verwendet. Die Verwendung von Antisenses reduziert die Synthese bestimmter Proteine, was die Regulation des Apoptoseprozesses beeinflusst.

Der Wirkungsmechanismus von Antisense wird aktiv untersucht. In einigen Fällen können kurze (13–17 Basen) Antisense-Oligonukleotide, deren Sequenzen komplementär zu Messenger-RNA (mRNA)-Nukleotidsequenzen einzelner Proteine ​​sind, die genetische Information im Stadium vor der Transkription effektiv blockieren (Abb. 2.5). Diese Oligonukleotide, die an DNA binden, bilden eine helikale Triplettstruktur. Eine solche Bindung kann irreversibel sein oder eine selektive Spaltung des Triplettkomplexes verursachen, was schließlich zur Hemmung der Genexpression und zum Zelltod führt. In anderen Fällen kommt es zu einer komplementären Bindung des Antisense an die mRNA, was zu einer Verletzung der Translation und einer Abnahme der Konzentration des entsprechenden Proteins führt.

Triplett-Komplex

Reis. Regulation der Genexpression durch Antisense-Oligonukleotide.

Es ist nun überzeugend gezeigt worden, dass die Antisense-Technologie für die Regulation einzelner Gene in der Zellkultur von großer Bedeutung ist. Die erfolgreiche Unterdrückung des bcl-2-Gens in Zellkulturexperimenten weckt Hoffnungen auf den zukünftigen Einsatz von Antisense zur Behandlung von Krebspatienten. Viele In-vitro-Experimente haben gezeigt, dass Antisenses eine Hemmung der Zellproliferation und -differenzierung bewirken. Dieses Ergebnis bestätigt die Aussichten für den therapeutischen Einsatz dieser Technologie.