Genetinis ląstelių proliferacijos reguliavimas. Ląstelių dalijimosi mechanizmai
Proliferaciniai procesai esant ūminiam uždegimui prasideda netrukus po flogogeninio faktoriaus poveikio audiniui ir yra ryškesni uždegimo zonos periferijoje. Viena iš optimalios proliferacijos eigos sąlygų yra pakitimų ir eksudacijos procesų susilpnėjimas.
Platinimas
Fagocitai taip pat gamina ir išskiria į tarpląstelinį skystį daugybę biologiškai aktyvių medžiagų, kurios reguliuoja arba imuniteto, arba alergijos, arba tolerancijos būsenos susidarymą. Taigi uždegimas yra tiesiogiai susijęs su imuniteto susidarymu arba imunopatologinėmis organizmo reakcijomis.
Proliferacija – uždegiminio proceso komponentas ir jo paskutinė stadija – pasižymi stromos ir, kaip taisyklė, parenchiminių ląstelių skaičiaus padidėjimu, taip pat tarpląstelinės medžiagos susidarymu uždegimo židinyje. skirtas atkurti ir (arba) pakeisti sunaikintus audinių elementus. Šioje uždegimo stadijoje didelę reikšmę turi įvairios biologiškai aktyvios medžiagos, ypač skatinančios ląstelių dauginimąsi (mitogenai).
Organams specifinių ląstelių proliferacijos formos ir laipsnis yra skirtingos ir nulemtos ląstelių populiacijų pobūdžio (žr. straipsnį „Ląstelių populiacija“ priede „Žiūrų knyga“).
Kai kuriuose organuose ir audiniuose (pavyzdžiui, kepenyse, odoje, virškinamajame trakte, kvėpavimo takuose) ląstelės turi didelį proliferacinį pajėgumą, kurio pakanka uždegimo židinio struktūriniams defektams pašalinti.
Kituose organuose ir audiniuose šis gebėjimas yra labai ribotas (pavyzdžiui, sausgyslių, kremzlių, raiščių, inkstų ir kt. audiniuose).
Daugelyje organų ir audinių parenchiminės ląstelės praktiškai neturi proliferacinio aktyvumo (pavyzdžiui, širdies raumens miocitai, neuronai). Atsižvelgiant į tai, pasibaigus uždegiminiam procesui miokardo ir nervų sistemos audiniuose, uždegimo židinio vietoje dauginasi stromos ląstelės, daugiausia fibroblastai, kurios taip pat sudaro neląstelines struktūras. Dėl to susidaro jungiamojo audinio randas. Tuo pačiu metu žinoma, kad šių audinių parenchiminės ląstelės turi didelį gebėjimą hipertrofuoti ir subląstelinių struktūrų hiperplazijai.
Proliferacinių procesų suaktyvėjimas koreliuoja su biologiškai aktyvių medžiagų, turinčių priešuždegiminį poveikį, susidarymu (tam tikrų priešuždegiminių mediatorių). Tarp efektyviausių iš jų yra:
Hidrolazių inhibitoriai, ypač proteazės (pvz., antitripsinas), -mikroglobulinas, plazminas arba komplemento faktoriai;
Antioksidantai (pvz., ceruloplazminas, haptoglobinas, peroksidazė, SOD);
Poliaminai (pvz., putrescinas, sperminas, kadaverinas);
gliukokortikoidai;
Heparinas (slopina leukocitų adheziją ir agregaciją, kininų aktyvumą, biogeninius aminus, komplemento faktorius).
Negyvų ir pažeistų audinių elementų pakeitimas uždegimo metu pastebimas po jų sunaikinimo ir pašalinimo (šis procesas vadinamas žaizdos valymu).
Tiek stromos, tiek parenchiminių ląstelių proliferacijos reakcijas reguliuoja įvairūs veiksniai. Tarp reikšmingiausių iš jų yra:
Daugelis uždegimo mediatorių (pavyzdžiui, TNF, slopinantis proliferaciją; leukotrienai, kininai, biogeniniai aminai, skatinantys ląstelių dalijimąsi).
Specifiniai leukocitų metaboliniai produktai (pavyzdžiui, monokinai, limfokinai, IL, augimo faktoriai), taip pat trombocitai, galintys aktyvuoti ląstelių proliferaciją.
Mažos molekulinės masės peptidai, išsiskiriantys naikinant audinius, poliaminai (putrescinas, spermidinas, sperminas), taip pat nukleorūgščių skilimo produktai, aktyvinantys ląstelių dauginimąsi.
Hormonai (GH, insulinas, T 4 , kortikoidai, gliukagonas), kurių daugelis gali ir aktyvuoti, ir slopinti proliferaciją, priklausomai nuo jų koncentracijos, aktyvumo, sinergetinės ir antagonistinės sąveikos; pavyzdžiui, gliukokortikoidai mažomis dozėmis slopina, o mineralokortikoidai aktyvina regeneracijos reakcijas.
Dauginimosi procesams įtakos turi ir daugybė kitų veiksnių, pavyzdžiui, fermentai (kolagenazė, hialuronidazė), jonai, neurotransmiteriai ir kt.
. II skyrius
ląstelių dauginimasis. Ląstelių proliferacijos problemos medicinoje.
2.1. Ląstelės gyvavimo ciklas.
Ląstelių teorija teigia, kad ląstelės atsiranda iš ląstelių dalijant originalą. Ši nuostata neleidžia formuotis ląstelių iš neląstelinės medžiagos. Ląstelių dalijimasis vyksta prieš jų chromosomų aparato pasikartojimą, DNR sintezę tiek eukariotuose, tiek prokariotiniuose organizmuose.
Ląstelės egzistavimo laikas nuo dalijimosi iki dalijimosi vadinamas ląstele arba gyvavimo ciklu. Jo vertė gerokai skiriasi: bakterijoms 20-30 min., batui 1-2 kartus per dieną, amebai apie 1,5 paros. Daugialąstės ląstelės taip pat turi skirtingą gebėjimą dalytis. Ankstyvosios embriogenezės metu jie dažnai dalijasi, o suaugusiųjų organizme dažniausiai praranda šį gebėjimą, kai tampa specializuoti. Tačiau net ir pilnai išsivysčiusiame organizme daugelis ląstelių turi dalytis, kad pakeistų susidėvėjusias ląsteles, kurios nuolat išsilieja, ir galiausiai reikia naujų ląstelių, kad užgytų žaizdos.
Todėl kai kuriose ląstelių populiacijose dalijimasis turi vykti visą gyvenimą. Atsižvelgiant į tai, visas ląsteles galima suskirstyti į tris kategorijas:
1. Iki vaiko gimimo nervinės ląstelės pasiekia labai specializuotą būseną, praranda gebėjimą daugintis.Ontogenezės procese jų skaičius nuolat mažėja. Ši aplinkybė turi vieną gerą pusę; jei nervinės ląstelės dalytųsi, tuomet sutriktų aukštesnės nervų funkcijos (atmintis, mąstymas).
2. Dar viena ląstelių kategorija taip pat yra labai specializuota, tačiau dėl nuolatinio pleiskanojimo jos pakeičiamos naujomis, o šią funkciją atlieka tos pačios linijos ląstelės, bet dar nespecializuotos ir nepraradusios gebėjimo dalytis. Šios ląstelės vadinamos atsinaujinančiomis. Pavyzdys yra nuolat atsinaujinančios žarnyno epitelio ląstelės, kraujodaros ląstelės. Iš nespecializuotų gali susidaryti net kaulinio audinio ląstelės (tai galima pastebėti reparatyviosios kaulų lūžių regeneracijos metu). Nespecializuotų ląstelių populiacijos, kurios išlaiko gebėjimą dalytis, paprastai vadinamos kamieninėmis ląstelėmis.
3. Trečioji ląstelių kategorija yra išimtis, kai labai specializuotos ląstelės tam tikromis sąlygomis gali patekti į mitozinį ciklą. Kalbame apie ląsteles, kurioms būdingas ilgas gyvenimo laikotarpis ir kuriose po visiško augimo ląstelių dalijimasis vyksta retai. Pavyzdys yra hepatocitai. Bet jei iš eksperimentinio gyvūno pašalinama 2/3 kepenų, mažiau nei per dvi savaites jos atkuriamos iki ankstesnio dydžio. Taip pat ir liaukų ląstelės, gaminančios hormonus: normaliomis sąlygomis tik kelios iš jų sugeba daugintis, o pasikeitus, dauguma gali pradėti dalytis.
Ląstelių ciklas reiškia pasikartojančius nuoseklius įvykius, kurie trunka tam tikrą laiką. Paprastai cikliniai procesai grafiškai vaizduojami kaip apskritimai.
Ląstelių ciklas yra padalintas į dvi dalis: mitozę ir intervalą tarp vienos mitozės pabaigos ir kitos – tarpfazės pradžios. Autoradiografijos metodas leido nustatyti, kad tarpfazėje ląstelė ne tik atlieka savo specializuotas funkcijas, bet ir sintetina DNR. Šis tarpfazės laikotarpis buvo vadinamas sintetiniu (S). Jis prasideda maždaug 8 valandas po mitozės ir baigiasi po 7-8 valandų. Intervalas tarp S periodo ir mitozės buvo vadinamas presintetiniu (G1 – 4 val.) po sintetinio, prieš pačią mitozę – postsintetiniu (G2). vyksta maždaug per valandą.
Taigi plieno ląstelių cikle išskiriami keturi etapai; mitozė, G1 periodas, S periodas, G2 periodas.
DNR tarpfazėje padvigubėjimo fakto konstatavimas reiškia, kad per savo laiką ląstelė negali atlikti specializuotų funkcijų, ji užsiima ląstelių struktūrų kūrimu, statybinių medžiagų, užtikrinančių dukterinių ląstelių augimą, sintezė, pačios mitozės metu išeikvojamos energijos kaupimas, sintezė. specifiniai fermentai DNR replikacijai . Todėl tarpfazės ląstelės, norėdamos atlikti genetinės programos nulemtas savo funkcijas (tapti labai specializuotomis), turi laikinai arba visam laikui palikti ciklą G0 periode arba likti pratęstame G1 (žymūs ląstelių būklės skirtumai). G0 ir G1 laikotarpių nebuvo pastebėta, nes G0 gali grąžinti ląsteles per ciklą). Ypač reikėtų pažymėti, kad daugialąsčiuose brandžiuose organizmuose dauguma ląstelių yra G0 periode.
Kaip jau minėta, ląstelių skaičiaus padidėjimas atsiranda tik dėl pirminės ląstelės dalijimosi, prieš kurį prasideda tikslaus genetinės medžiagos, DNR molekulių, chromosomų dauginimosi fazė.
Mitozinis dalijimasis apima naujas ląstelių būsenas: interfazės, dekondensuotos ir jau reduplikuotos chromosomos transformuojasi į kompaktišką mitozinių chromosomų formą, susidaro achromatinis mitozinis aparatas, kuris dalyvauja chromosomų pernešime, chromosomos išsiskiria į priešingus polius, atsiranda citokinezė. Netiesioginio padalijimo procesas paprastai skirstomas į šias pagrindines fazes: profazę, metafazę, anafazę ir telofazę. Padalijimas yra sąlyginis, nes mitozė yra nenutrūkstamas procesas, o fazės pasikeitimas vyksta palaipsniui. Vienintelė fazė, turinti tikrą pradžią, yra anafazė, kurioje
chromosomos pradeda atsiskirti. Atskirų fazių trukmė yra skirtinga (vidutiniškai profazė ir telofazė - 30-40", anafazė ir metafazė - 7-15"). Iki mitozės pradžios žmogaus ląstelėje yra 46 chromosomos, kurių kiekviena susideda iš 2 identiškų pusių - chromatidžių (chromatidė taip pat vadinama S-chromosoma, o chromosoma, susidedanti iš 2 chromatidų, yra d-chromosoma).
Vienas ryškiausių mitozės metu stebimų reiškinių yra dalijimosi veleno susidarymas. Jis užtikrina d-chromosomų išsirikiavimą vienoje plokštumoje, ląstelės viduryje, ir S-chromosomų judėjimą į polius. Dalijimosi veleną sudaro ląstelės centro centrioliai. Citoplazmoje iš baltymo tubulino susidaro mikrovamzdeliai.
G1 periode kiekvienoje ląstelėje yra po dvi centrioles, iki perėjimo į G2 periodą prie kiekvieno centriolės susidaro dukterinė centriolė ir iš viso susidaro dvi jų poros.
Profazėje viena centriolių pora pradeda judėti į vieną polių, kita - į kitą.
Tarp centriolių porų viena kitos link pradeda formuotis tarppolių ir chromosominių mikrotubulių rinkinys.
Profazės pabaigoje esantis branduolio apvalkalas suyra, branduolys nustoja egzistuoti, chromosomos (d) spiralizuojasi, dalijimosi velenas pasislenka į ląstelės vidurį, o d-chromosomos yra tarpuose tarp veleno mikrovamzdelių.
Profazės metu D chromosomos kondensuojasi iš gijinių struktūrų į lazdelės formos. Trumpėjimas ir storėjimas (d-chromosomos kurį laiką tęsiasi metafazėje, dėl to metafazės d-chromosomos turi pakankamą tankį. Chromosomose aiškiai matomas centromeras, dalijantis jas į lygias arba nelygias atšakas, susidedančias iš 2 gretimų S- chromosomos (chromatidės).Anafazės pradžioje S-chromosomos (chromatidės) pradeda judėti iš pusiaujo plokštumos į polius.Anafazė prasideda nuo kiekvienos chromosomos centromerinės srities padalijimo, dėl kurio dvi Kiekvienos d-chromosomos S-chromosomos yra visiškai atskirtos viena nuo kitos, todėl kiekviena dukterinė ląstelė gauna identišką 46 S chromosomų rinkinį. Atskyrus centromerus, pusė 92 S chromosomų pradeda judėti vieno poliaus link. , kita pusė į kitą.
Iki šiol nebuvo tiksliai nustatyta, kokios jėgos veikia chromosomų judėjimą į polius. Yra keletas versijų:
1. Dalijimosi verpstėje yra aktino turinčių gijų (kaip ir kitų raumenų baltymų), gali būti, kad ši jėga generuojama taip pat, kaip ir raumenų ląstelėse.
2. Chromosomų judėjimas vyksta dėl chromosomų mikrovamzdelių slydimo ištisiniais (tarppoliais) priešingo poliškumo mikrovamzdeliais (Mak-Itosh, 1969, Margolis, 1978).
3. Chromosomų judėjimo greitis reguliuojamas kinetochorų mikrovamzdeliais, kad būtų užtikrintas tvarkingas chromatidžių atsiskyrimas. Labiausiai tikėtina, kad visi aukščiau išvardyti mechanizmai, užtikrinantys matematiškai tikslų paveldimos medžiagos pasiskirstymą tarp dukterinių ląstelių, bendradarbiauja.
Pasibaigus anafazei ir prasidėjus telofazei, pailgos ląstelės viduryje prasideda susiaurėjimo formavimasis, susidaro vadinamoji gniuždymo vaga, kuri, gilėjant, padalija ląstelę į dvi dukterines. Aktino gijos dalyvauja formuojant vagą. Tačiau vagai gilėjant, ląstelės yra tarpusavyje sujungtos mikrotubulių pluoštu, vadinamu viduriniu kūnu, kurio likusi dalis kurį laiką taip pat yra tarpfazėje. Lygiagrečiai citokinezei, kiekviename poliuje chromosomos despiralizuojasi atvirkštine tvarka nuo chromosomų iki nukleosomų lygio. Galiausiai paveldima medžiaga įgauna chromatino gumulėlių pavidalą, tankiai supakuotą arba dekondensuotą. Branduolys, branduolio membrana, supanti chromatiną ir karioplazmą, formuojasi iš naujo. Taigi dėl mitozinio ląstelių dalijimosi naujai susidariusios dukterinės ląstelės yra identiškos viena kitai ir yra motininės ląstelės kopija, kuri yra svarbi tolesniam ląstelių ir audinių augimui, vystymuisi ir diferenciacijai.
2.2. Mitozinio aktyvumo reguliavimo mechanizmas
Ląstelių skaičiaus palaikymas tam tikrame pastoviame lygyje užtikrina bendrą homeostazę. Pavyzdžiui, eritrocitų ir leukocitų skaičius sveikame organizme yra gana stabilus, nepaisant to, kad šios ląstelės žūva, jos nuolat pasipildo. Todėl naujų ląstelių susidarymo greitis turi būti reguliuojamas taip, kad atitiktų ląstelių mirties greitį.
Norint palaikyti homeostazę, būtina, kad skirtingų specializuotų ląstelių skaičius organizme ir funkcijos, kurias jos turi atlikti, būtų kontroliuojamos įvairių reguliavimo mechanizmų, palaikančių visa tai stabilią.
Daugeliu atvejų ląstelėms duodamas signalas, kad jos turi padidinti savo funkcinį aktyvumą, todėl gali tekti padidinti ląstelių skaičių. Pavyzdžiui, jei Ca kiekis kraujyje krenta, tai prieskydinės liaukos ląstelės padidina hormono sekreciją, kalcio kiekis pasiekia normą. Bet jei gyvūno racione trūksta kalcio, papildomai gaminant hormoną šio elemento kiekis kraujyje nepadidės.Tokiu atveju skydliaukės ląstelės pradeda intensyviai dalytis, todėl padidėjus jų skaičiui, atsiranda toliau didėja hormono sintezė. Taigi, sumažėjus vienai ar kitai funkcijai, gali padidėti šias funkcijas atliekančių ląstelių populiacija.
Žmonėms, atvykusiems į aukštumas, raudonųjų kraujo kūnelių skaičius smarkiai padidėja (mažesniame nei 02 aukštyje), kad organizmas būtų aprūpintas reikiamu deguonies kiekiu. Inkstų ląstelės reaguoja į deguonies sumažėjimą ir padidina eritropoetino sekreciją, o tai sustiprina kraujodarą. Susidarius pakankamam papildomų eritrocitų skaičiui, hipoksija išnyksta, o ląstelės, gaminančios šį hormoną, sumažina jo sekreciją iki įprasto lygio.
Visiškai diferencijuotos ląstelės negali dalytis, bet vis tiek gali būti papildytos kamieninėmis ląstelėmis, iš kurių jos yra gautos. Nervų ląstelės negali dalytis jokiomis aplinkybėmis, tačiau gali padidinti savo funkciją, padidindamos procesus ir padaugindamos tarpusavio ryšius.
Pažymėtina, kad suaugusiems įvairių organų bendrų dydžių santykis išlieka daugiau ar mažiau pastovus. Dirbtinai pažeidžiant esamą organo dydžio santykį, jis linkęs normalizuotis (pašalinus vieną inkstą, padidėja kitas).
Viena iš šį reiškinį paaiškinančių sąvokų yra ta, kad ląstelių dauginimąsi reguliuoja specialios medžiagos – kalonai. Daroma prielaida, kad jie turi specifiškumą skirtingų tipų ląstelėms, organų audiniams. Manoma, kad kalonų skaičiaus sumažėjimas skatina ląstelių dauginimąsi, pavyzdžiui, regeneracijos metu. Šiuo metu šią problemą kruopščiai tiria įvairūs specialistai. Gauta duomenų, kad chalonai yra glikoproteinai, kurių molekulinė masė yra 30 000 - 50 000.
2.3. Netaisyklingos ląstelių dauginimosi rūšys
Amitozė. Tiesioginis dalijimasis arba amitozė aprašytas anksčiau nei mitozinis dalijimasis, tačiau daug rečiau. Amitozė yra ląstelių dalijimasis, kai branduolys yra tarpfazinėje būsenoje. Šiuo atveju nėra chromosomų kondensacijos ir dalijimosi veleno susidarymo. Formaliai amitozė turėtų sukelti dviejų ląstelių atsiradimą, tačiau dažniausiai tai veda prie branduolio dalijimosi ir dviejų ar kelių branduolių ląstelių atsiradimo.
Amitozinis dalijimasis prasideda branduolių suskaidymu, vėliau branduolio dalijimasis susiaurėjimo (arba invaginacijos) būdu. Gali būti daugybinis branduolio dalijimasis, dažniausiai nevienodo dydžio (patologiniuose procesuose). Daugybė stebėjimų parodė, kad amitozė beveik visada atsiranda ląstelėse, kurios yra pasenusios, išsigimsta ir negali ateityje gaminti vertingų elementų. Taigi, paprastai amitozinis dalijimasis vyksta gyvūnų embrioninėse membranose, kiaušidžių folikulinėse ląstelėse, milžiniškose trofoblastų ląstelėse. Amitozė turi teigiamą reikšmę audinių ar organų regeneracijos procese (regeneracinė amitozė). Amitozę senstančiose ląstelėse lydi biosintezės procesų sutrikimai, įskaitant replikaciją, DNR atstatymą, taip pat transkripciją ir transliaciją. Kinta ląstelių branduolių chromatino baltymų fizikinės ir cheminės savybės, citoplazmos sudėtis, organelių struktūra ir funkcijos, o tai sukelia funkcinius sutrikimus visuose vėlesniuose lygmenyse - ląstelėse, audiniuose, organuose ir organizmuose. Didėjant sunaikinimui ir išnykus atsigavimui, atsiranda natūrali ląstelių mirtis. Dažnai amitozė atsiranda esant uždegiminiams procesams ir piktybiniams navikams (sukelta amitozė).
Endomitozė. Ląsteles veikiant verpstės mikrovamzdelius naikinančioms medžiagoms, dalijimasis sustoja, o chromosomos tęs savo transformacijų ciklą: replikuosis, o tai lems laipsnišką poliploidinių ląstelių susidarymą – 4 p.8 p. ir t.t. Šis transformacijos procesas kitaip vadinamas endoreprodukcija. Ląstelių gebėjimas susirgti endomitoze naudojamas augalų selekcijoje, siekiant gauti ląsteles su daugybe chromosomų. Tam naudojamas kolchicinas, vinblastinas, kurie ardo achromatino verpstės siūlus. Poliploidinės ląstelės (o vėliau ir suaugę augalai) yra didelės, vegetatyviniai organai iš tokių ląstelių yra dideli, turi daug maistinių medžiagų. Žmonėms endoreprodukcija vyksta kai kuriuose hepatocituose ir kardiomiocituose.
Kitas, retesnis endomitozės rezultatas – politeno ląstelės. Esant politenijai S periode, dėl chromosomų sruogų replikacijos ir neatsiskyrimo susidaro daugiagija, politeninė struktūra. Jie skiriasi nuo mitozinių chromosomų dideliais dydžiais (200 kartų ilgesniais). Tokių ląstelių yra dviburnių vabzdžių seilių liaukose, blakstienų makrobranduoliuose. Politeno chromosomose matomi patinimai, papūtimai (transkripcijos vietos) – genų aktyvumo išraiška. Šios chromosomos yra svarbiausias genetinių tyrimų objektas.
2.4. Ląstelių proliferacijos problemos medicinoje.
Kaip žinoma, audiniai su dideliu ląstelių atsinaujinimo greičiu yra jautresni įvairių mutagenų poveikiui nei audiniai, kuriuose ląstelės atsinaujina lėtai. Tačiau, pavyzdžiui, radiacinė žala gali atsirasti ne iš karto ir nebūtinai susilpnėja gilėjant, kartais net giliai gulinčius audinius pažeidžia kur kas labiau nei paviršinius. Apšvitinus ląsteles rentgeno ar gama spinduliais, atsiranda grubūs ląstelių gyvavimo ciklo pažeidimai: mitozinės chromosomos pakeičia formą, jos lūžta, vėliau vyksta neteisingas fragmentų sujungimas, kartais atskiros chromosomų dalys visai išnyksta. Gali atsirasti verpstės anomalijų (ląstelėje susidaro ne du poliai, o trys), dėl kurių chromatidės atsiskirs netolygiai. Kartais ląstelių pažeidimas (didelės apšvitos dozės) būna toks didelis, kad visi ląstelės bandymai pradėti mitozę būna nesėkmingi ir dalijimasis sustoja.
Panašus švitinimo poveikis iš dalies paaiškina jo naudojimą navikų terapijoje. Švitinimo tikslas yra ne sunaikinti naviko ląsteles tarpfazėje, o priversti jas prarasti mitozės gebėjimą, o tai sulėtins arba sustabdys naviko augimą. Radiacija tokiomis dozėmis, kurios nėra mirtinos ląstelėms, gali sukelti mutacijas, dėl kurių padidės pakitusių ląstelių dauginimasis ir piktybinis augimas, kaip dažnai nutikdavo tiems, kurie dirbo su rentgeno spinduliais, nežinodami apie jų pavojų.
Ląstelių dauginimąsi veikia daugelis cheminių medžiagų, įskaitant vaistus. Pavyzdžiui, alkaloidas kolchicinas (jo yra kolchicum gumbasvogūniuose) buvo pirmasis vaistas, kuris malšino sąnarių skausmą nuo podagros. Paaiškėjo, kad tai turi ir kitą poveikį – stabdo dalijimąsi, prijungiant prie tubulinų baltymus, iš kurių susidaro mikrovamzdeliai. Taigi kolchicinas, kaip ir daugelis kitų vaistų, blokuoja dalijimosi veleno susidarymą.
Tuo remiantis alkaloidai, tokie kaip vinblastinas ir vinkristinas, naudojami tam tikrų tipų piktybiniams navikams gydyti, patenka į šiuolaikinių chemoterapinių priešvėžinių vaistų arsenalą. Reikėtų pažymėti, kad medžiagų, tokių kaip kolchicinas, gebėjimas sustabdyti mitozę yra naudojamas kaip metodas vėlesniam chromosomų identifikavimui medicinos genetikoje.
Didelę reikšmę medicinai turi diferencijuotų (be to, lyties) ląstelių gebėjimas išlaikyti savo dauginimosi potencialą, dėl kurio kartais išsivysto navikai kiaušidėse, kurių pjūvyje matomi ląstelių sluoksniai, audiniai, organai. kurios yra „netvarka“. Atskleidžiamos odos šukės, plaukų folikulai, plaukai, išsigimę dantys, kaulų gabalėliai, kremzlės, nervinis audinys, akies fragmentai ir kt., todėl reikia skubios chirurginės intervencijos.
2.5. Ląstelių dauginimosi patologija
Mitozinio ciklo anomalijos.. Mitozinis ritmas, dažniausiai adekvatus poreikiui atkurti senstančias, negyvas ląsteles, gali būti pakeistas esant patologinėms sąlygoms. Ritmo sulėtėjimas stebimas senstančiuose ar mažai kraujagyslių turinčiuose audiniuose, ritmo padidėjimas stebimas audiniuose, kuriuose yra įvairių uždegimų, hormonų įtakos, auglių ir kt.
LĄSTELĖS CIKLO REGULIAVIMAS
Įvadas
Platinimo aktyvinimas
ląstelių ciklas
Ląstelių ciklo reguliavimas
Egzogeniniai proliferacijos reguliatoriai
Endogeniniai ląstelių ciklo reguliatoriai
CDK reguliavimo keliai
G1 fazės reguliavimas
S fazės reguliavimas
G2 fazės reguliavimas
Mitozės reguliavimas
DNR pažeidimas
DNR dvigubos grandinės pertraukos taisymo būdai
Ląstelių atsakas į DNR pažeidimą ir jo reguliavimas
Audinių regeneracija
Audinių regeneracijos reguliavimas
Išvada
Bibliografija
Įvadas
Ląstelė yra pagrindinis visų gyvų dalykų vienetas. Už ląstelės ribų nėra gyvybės. Ląstelių dauginimasis vyksta tik dalijant pirminę ląstelę, o prieš tai atkuriama jos genetinė medžiaga. Ląstelių dalijimasis suaktyvėja dėl išorinių ar vidinių veiksnių įtakos jai. Ląstelių dalijimosi procesas nuo jo aktyvavimo momento vadinamas proliferacija. Kitaip tariant, proliferacija – tai ląstelių dauginimasis, t.y. ląstelių skaičiaus padidėjimas (kultūroje ar audiniuose), atsirandantis dėl mitozinio dalijimosi. Ląstelės gyvenimo trukmė nuo dalijimosi iki dalijimosi paprastai vadinama ląstelės ciklu.
Suaugusio žmogaus organizme įvairių audinių ir organų ląstelės turi nevienodą gebėjimą dalytis. Be to, senstant mažėja ląstelių dauginimosi intensyvumas (t.y. didėja intervalas tarp mitozių). Yra ląstelių populiacijų, kurios visiškai prarado gebėjimą dalytis. Paprastai tai yra ląstelės galutinėje diferenciacijos stadijoje, pavyzdžiui, subrendę neuronai, granuliuoti kraujo leukocitai, kardiomiocitai. Šiuo atžvilgiu išimtis yra imuninės B ir T atminties ląstelės, kurios, būdamos paskutinėje diferenciacijos stadijoje, kai organizme atsiranda tam tikras dirgiklis anksčiau sutikto antigeno pavidalu, gali pradėti daugintis. Organizmas turi nuolat atsinaujinančių audinių – įvairių tipų epitelio, kraujodaros audinių. Tokiuose audiniuose yra ląstelių, kurios nuolat dalijasi, pakeičia išeikvotas ar mirštančias ląstelių rūšis (pavyzdžiui, žarnyno kripto ląstelės, epitelio bazinio sluoksnio ląstelės, kaulų čiulpų kraujodaros ląstelės). Taip pat organizme yra ląstelių, kurios normaliomis sąlygomis nesidaugina, bet vėl įgyja šią savybę tam tikromis sąlygomis, ypač kai reikia regeneruoti audinius ir organus. Ląstelių dauginimosi procesą griežtai reguliuoja tiek pati ląstelė (ląstelių ciklo reguliavimas, autokrininių augimo faktorių ir jų receptorių sintezės nutraukimas arba sulėtėjimas), tiek jos mikroaplinka (stimuliuojančių kontaktų su kaimyninėmis ląstelėmis ir matrica nebuvimas, nutrūkimas). parakrininių augimo faktorių sekrecijos ir (arba) sintezės). Proliferacijos reguliavimo pažeidimas lemia neribotą ląstelių dalijimąsi, o tai savo ruožtu inicijuoja onkologinio proceso vystymąsi organizme.
Platinimo aktyvinimas
Pagrindinę funkciją, susijusią su proliferacijos inicijavimu, prisiima ląstelės plazminė membrana. Būtent ant jo paviršiaus įvyksta įvykiai, susiję su ramybės būsenos ląstelių perėjimu į aktyvuotą būseną, kuri vyksta prieš dalijimąsi. Ląstelių plazminė membrana dėl joje esančių receptorių molekulių suvokia įvairius ekstraląstelinius mitogeninius signalus ir užtikrina būtinų medžiagų, dalyvaujančių inicijuojant proliferacinį atsaką, transportavimą į ląstelę. Mitogeniniai signalai gali būti kontaktai tarp ląstelių, tarp ląstelės ir matricos, taip pat ląstelių sąveika su įvairiais junginiais, skatinančiais jų patekimą į ląstelės ciklą, kurie vadinami augimo faktoriais. Ląstelė, gavusi mitogeninį proliferacijos signalą, pradeda dalijimosi procesą.
LĄSTELĖS CIKLAS
Visas ląstelės ciklas susideda iš 4 etapų: presintetinės (G1), sintetinės (S), postsintetinės (G2) ir tikrosios mitozės (M). Be to, yra vadinamasis G0 periodas, apibūdinantis ląstelės ramybės būseną. G1 laikotarpiu ląstelės turi diploidinę DNR kiekį viename branduolyje. Šiuo laikotarpiu prasideda ląstelių augimas, daugiausia dėl ląstelių baltymų kaupimosi, o tai yra dėl RNR kiekio padidėjimo ląstelėje. Be to, prasideda pasiruošimas DNR sintezei. Kitame S periode DNR kiekis padvigubėja ir atitinkamai chromosomų skaičius padvigubėja. Postsintetinė G2 fazė taip pat vadinama premitotine. Šioje fazėje vyksta aktyvi mRNR (pasiuntinio RNR) sintezė. Po šio etapo vyksta tikrasis ląstelės dalijimasis į dvi dalis arba mitozė.
Visų eukariotinių ląstelių dalijimasis yra susijęs su pasikartojančių (replikuotų) chromosomų kondensacija. Dėl dalijimosi šios chromosomos perkeliamos į dukterines ląsteles. Šis eukariotinių ląstelių dalijimosi tipas – mitozė (iš graikų mitos – gijos) – vienintelis pilnas būdas padidinti ląstelių skaičių. Mitozinio dalijimosi procesas skirstomas į kelis etapus: profazę, prometafazę, metafazę, anafazę, telofazę.
LĄSTELĖS CIKLO REGULIAVIMAS
Ląstelių ciklo reguliavimo mechanizmų tikslas yra ne reguliuoti ląstelių ciklo eigą kaip tokį, bet galiausiai užtikrinti be klaidų paveldimos medžiagos pasiskirstymą ląstelių dauginimosi procese. Ląstelių dauginimosi reguliavimas grindžiamas aktyvaus dauginimosi būsenų ir proliferacinio organo pasikeitimu. Ląstelių dauginimąsi kontroliuojančius reguliavimo veiksnius galima suskirstyti į dvi grupes: tarpląstelinius (arba egzogeninius) arba intraląstelinius (arba endogeninius). Egzogeniniai veiksniai randami ląstelės mikroaplinkoje ir sąveikauja su ląstelės paviršiumi. Veiksniai, kuriuos sintetina pati ląstelė ir veikia joje, vadinami endogeniniais veiksniais. Toks suskirstymas yra labai savavališkas, nes kai kurie veiksniai, būdami endogeniški juos gaminančios ląstelės atžvilgiu, gali iš jos išeiti ir veikti kaip egzogeniniai reguliatoriai kitose ląstelėse. Jei reguliavimo veiksniai sąveikauja su tomis pačiomis ląstelėmis, kurios juos gamina, tada toks kontrolės tipas vadinamas autokrininiu. Parakrininės kontrolės sąlygomis reguliatorių sintezę vykdo kitos ląstelės.
EXOGENINĖS PROLIFERACIJOS REGULIAVIMAI
Daugialąsčiuose organizmuose įvairių tipų ląstelių dauginimosi reguliavimas vyksta veikiant ne vienam augimo faktoriui, o jų deriniui. Be to, kai kurie augimo faktoriai, būdami kai kurių tipų ląstelių stimuliatoriai, veikia kaip inhibitoriai kitų atžvilgiu. Klasikiniai augimo faktoriai yra polipeptidai, kurių molekulinė masė yra 7-70 kDa. Iki šiol žinoma daugiau nei šimtas tokių augimo faktorių. Tačiau čia bus nagrinėjami tik keli iš jų.
Bene daugiausia literatūros yra skirta trombocitų kilmės augimo faktoriui (PDGF). PDGF, išsiskiriantis sunaikinus kraujagyslių sienelę, dalyvauja trombozės ir žaizdų gijimo procesuose. PDGF yra stiprus ramybės būsenos fibroblastų augimo faktorius. Kartu su PDGF ne mažiau išsamiai ištirtas epidermio augimo faktorius (EGF), kuris taip pat gali skatinti fibroblastų proliferaciją. Tačiau, be to, jis taip pat turi stimuliuojantį poveikį kitų tipų ląstelėms, ypač chondrocitams.
Didelė augimo faktorių grupė yra citokinai (interleukinai, naviko nekrozės faktoriai, kolonijas stimuliuojantys faktoriai ir kt.). Visi citokinai yra polifunkciniai. Jie gali sustiprinti arba slopinti proliferacinį atsaką. Taigi, pavyzdžiui, skirtingos CD4+ T-limfocitų, Th1 ir Th2, subpopuliacijos, gaminančios skirtingą citokinų spektrą, yra viena kitos antagonistai. Tai yra, Th1 citokinai skatina juos gaminančių ląstelių dauginimąsi, bet tuo pačiu slopina Th2 ląstelių dalijimąsi ir atvirkščiai. Taigi, įprastai organizme palaikoma pastovi šių dviejų tipų T-limfocitų pusiausvyra. Augimo faktorių sąveika su jų receptoriais ląstelės paviršiuje sukelia visą įvykių kaskadą ląstelės viduje. Dėl to suaktyvėja transkripcijos faktoriai ir proliferacinio atsako genai, o tai galiausiai inicijuoja DNR replikaciją ir ląstelių patekimą į mitozę.
ENDOGENINIŲ LĄSTELIŲ CIKLO REGULIUOJAI
Normaliose eukariotinėse ląstelėse ląstelių ciklas yra griežtai reguliuojamas. Onkologinių ligų priežastis – ląstelių transformacija, dažniausiai susijusi su ląstelių ciklo reguliavimo mechanizmų pažeidimais. Vienas iš pagrindinių netinkamo ląstelių ciklo rezultatų yra genetinis nestabilumas, nes ląstelės, kurių ląstelių ciklo kontrolė yra netinkama, praranda galimybę teisingai dubliuotis ir paskirstyti savo genomą tarp dukterinių ląstelių. Dėl genetinio nestabilumo atsiranda naujų savybių, kurios yra atsakingos už naviko progresavimą. Nuo ciklino priklausomos kinazės (CDK) ir jų reguliavimo subvienetai (ciklinai) yra pagrindiniai ląstelių ciklo reguliatoriai. Ląstelių ciklas praeina nuosekliai aktyvuojant ir deaktyvuojant skirtingus ciklino-CDK kompleksus. Ciklino-CDK kompleksų veikimas yra tam tikrų tikslinių baltymų fosforilinimas pagal ląstelės ciklo fazę, kurioje veikia vienas ar kitas ciklino-CDK kompleksas. Pavyzdžiui, ciklinas E-CDK2 yra aktyvus vėlyvojoje G1 fazėje ir fosforilina baltymus, reikalingus praeiti per vėlyvąją G1 fazę ir patekti į S fazę. Ciklinas A-CDK2 aktyvus S ir G2 fazėse, užtikrina S fazės perėjimą ir patekimą į mitozę. Ciklinas A ir ciklinas E yra pagrindiniai DNR replikacijos reguliatoriai. Todėl netinkamas bet kurio iš šių ciklinų ekspresijos reguliavimas sukelia genetinį nestabilumą. Buvo parodyta, kad branduolinio ciklino A kaupimasis vyksta išskirtinai tuo momentu, kai ląstelė patenka į S fazę, t.y. G1/S perėjimo metu. Kita vertus, buvo įrodyta, kad ciklino E lygis padidėja praėjus vadinamajam ribiniam taškui (R taškui) vėlyvoje G1 fazėje, o vėliau žymiai sumažėja, kai ląstelė patenka į S fazę.
REGULIAVIMO BŪDAI CDK
Nuo ciklino priklausomų kinazių (CDK) aktyvumas yra griežtai reguliuojamas mažiausiai keturių mechanizmų:
1) Pagrindinis CDK reguliavimo būdas yra susijęs su ciklinu, t.y. laisvoje formoje kinazė nėra aktyvi ir tik kompleksas su atitinkamu ciklinu turi reikiamą veiklą.
2) Ciklino-CDK komplekso aktyvumą taip pat reguliuoja grįžtamasis fosforilinimas. Norint įgyti aktyvumą, būtinas CDK fosforilinimas, kuris atliekamas dalyvaujant CDK aktyvuojančiam kompleksui (CAC), susidedančiam iš ciklino H, CDK7 ir Mat1.
3) Kita vertus, CDK molekulėje, už substrato surišimą atsakingoje srityje, yra vietų, kurių fosforilinimas sukelia ciklino-CDK komplekso aktyvumo slopinimą. Šias vietas fosforilina grupė kinazių, įskaitant Wee1 kinazę, ir defosforilina Cdc25 fosfatazės. Šių fermentų (Wee1 ir Cdc25) aktyvumas labai skiriasi reaguojant į įvairius tarpląstelinius įvykius, tokius kaip DNR pažeidimas.
4) Galiausiai kai kurie ciklino-CDK kompleksai gali būti slopinami dėl prisijungimo prie CDK inhibitorių (CKI). CDK inhibitoriai susideda iš dviejų INK4 ir CIP/KIP baltymų grupių. INK4 inhibitoriai (p15, p16, p18, p19) jungiasi ir inaktyvuoja CDK4 ir CDK6, užkertant kelią sąveikai su ciklinu D. CIP/KIP inhibitoriai (p21, p27, p57) gali prisijungti prie ciklino-CDK kompleksų, kuriuose yra CDK1, CDK2, CDK4 ir CDK6. Pažymėtina, kad tam tikromis sąlygomis CIP/KIP inhibitoriai gali sustiprinti ciklino D-CDK4/6 kompleksų kinazės aktyvumą.
REGLAMENTAS G 1 ETAPAS
G1 fazėje, vadinamajame restrikcijos taške (restrikcijos, R-taškas), ląstelė nusprendžia, dalinti ją ar ne. Restrikcijos taškas yra taškas ląstelės cikle, po kurio ląstelė tampa atspari išoriniams signalams iki viso ląstelės ciklo pabaigos. Ribojimo taškas padalija G1 fazę į du funkciškai skirtingus etapus: G1pm (postmitozinis žingsnis) ir G1ps (presintetinis žingsnis). Per G1pm ląstelė įvertina jos aplinkoje esančius augimo faktorius. Jei reikiamų augimo faktorių yra pakankamais kiekiais, ląstelė patenka į G1ps. Ląstelės, perėjusios į G1ps periodą, tęsia normalų viso ląstelių ciklo eigą net ir nesant augimo faktorių. Jei G1pm laikotarpiu nėra reikiamų augimo faktorių, ląstelė pereina į proliferacinę ramybės būseną (G0 fazė).
Pagrindinis signalizacijos įvykių, atsirandančių dėl augimo faktoriaus prisijungimo prie ląstelės paviršiaus receptorių, kaskados rezultatas yra ciklino D-CDK4/6 komplekso aktyvacija. Šio komplekso aktyvumas ženkliai išauga jau ankstyvuoju G1 periodu. Šis kompleksas fosforilina taikinius, reikalingus pereiti į S fazę. Pagrindinis ciklino D-CDK4/6 komplekso substratas yra retinoblastomos geno (pRb) produktas. Nefosforilintas pRb jungiasi ir taip inaktyvuoja E2F grupės transkripcijos faktorius. Fosforilinant pRb ciklino D-CDK4/6 kompleksais, išsiskiria E2F, kuris patenka į branduolį ir inicijuoja DNR replikacijai reikalingų baltymų genų, ypač ciklino E ir ciklino A genų, transliaciją. G1 fazėje yra trumpalaikis ciklino E kiekio padidėjimas, o tai rodo ciklino A kaupimąsi ir perėjimą į S fazę.
Ląstelių ciklo sustabdymą G1 fazėje gali sukelti šie veiksniai: CDK inhibitorių kiekio padidėjimas, augimo faktorių trūkumas, DNR pažeidimas, išoriniai poveikiai, onkogeninis aktyvavimas.
REGLAMENTAS S FAZĖS
S fazė yra ląstelės ciklo etapas, kai vyksta DNR sintezė. Kiekviena iš dviejų dukterinių ląstelių, susidarančių ląstelių ciklo pabaigoje, turi gauti tikslią motininės ląstelės DNR kopiją. Kiekvieną DNR molekulių, sudarančių 46 žmogaus ląstelės chromosomas, bazę reikia nukopijuoti tik vieną kartą. Štai kodėl DNR sintezė yra itin griežtai reguliuojama.
Buvo įrodyta, kad tik G1 arba S fazės ląstelių DNR gali replikuotis. Tai rodo, kad DNR turi būti<лицензирована>replikuotis ir kad DNR dalis, kuri buvo dubliuota, praranda tai<лицензию>. DNR replikacija prasideda baltymų surišimo vietoje, vadinamoje ORC (replikacinio komplekso kilmė). Keletas komponentų, reikalingų DNR sintezei, vėlyvojoje M arba ankstyvoje G1 fazėje prisijungia prie ORC, sudarydami priešreplikacinį kompleksą, kuris iš tikrųjų suteikia<лицензию>DNR replikacijai. G1/S perėjimo stadijoje į prerepletyvinį kompleksą pridedama daugiau DNR replikacijai reikalingų baltymų, taip susidaro iniciacijos kompleksas. Prasidėjus replikacijos procesui ir susiformavus replikacijos šakutei, daugelis komponentų atsiskiria nuo inicijavimo komplekso, o replikacijos iniciacijos vietoje lieka tik poreplikacinio komplekso komponentai.
Daugelis tyrimų parodė, kad ciklino A-CDK2 aktyvumas reikalingas normaliam iniciacijos komplekso veikimui. Be to, norint sėkmingai užbaigti S fazę, reikalingas ir ciklino A-CDK2 komplekso aktyvumas, kuris iš tikrųjų yra pagrindinis reguliavimo mechanizmas, užtikrinantis sėkmingą DNR sintezės užbaigimą. Sustabdymą S fazėje gali sukelti DNR pažeidimas.
REGLAMENTAS G 2 FAZĖ
G2 fazė yra ląstelių ciklo fazė, kuri prasideda pasibaigus DNR sintezei, bet prieš prasidedant kondensacijai. Pagrindinis G2 fazės praėjimo reguliatorius yra ciklino B-CDK2 kompleksas. Ląstelių ciklo sustabdymas G2 fazėje atsiranda dėl ciklino B-CDK2 komplekso inaktyvavimo. G2 / M perėjimą reguliuoja ciklino B-CDK1 kompleksas; jo fosforilinimas / defosforilinimas reguliuoja patekimą į M fazę. DNR pažeidimas arba nepakartojamų regionų buvimas neleidžia pereiti į M fazę.
Ląstelinis platinimas- ląstelių skaičiaus padidėjimas dėl mitozės,
skatinantis audinių augimą, skirtingai nei kitas būdas jį padidinti
masės (pvz., edema). Nervų ląstelės nesidaugina.
Suaugusio žmogaus organizme vystymosi procesai, susiję su
su ląstelių dalijimusi ir specializacija. Šie procesai gali būti tiek
mažas fiziologinis ir skirtas atkurti ar.
ganizmas dėl jo vientisumo pažeidimo.
Proliferacijos reikšmę medicinoje lemia ląstelių gebėjimas
skirtingų audinių srovė dalijimuisi. Gydymo procesas yra susijęs su ląstelių dalijimusi.
žaizdų gijimas ir audinių taisymas po chirurginių operacijų.
Ląstelių proliferacija yra regeneracijos (atkūrimo) pagrindas
pamestų dalių. Regeneracijos problema domina
vaistai, skirti rekonstrukcinei chirurgijai. Atskirkite fiziologinius
reparacinis ir patologinis regeneravimas.
Fiziologinis- natūralus ląstelių ir audinių atstatymas
ontogeniškumas. Pavyzdžiui, raudonųjų kraujo kūnelių, odos epitelio ląstelių kaita.
Reparatyvinis- atsistatymas po klijų pažeidimo ar mirties
srovė ir audiniai.
Patologinis- audinių, kurie nėra identiški sveikiems audiniams, proliferacija
skanu. Pavyzdžiui, rando audinio augimas nudegimo vietoje, kremzlės - ties
lūžio vieta, jungiamojo audinio ląstelių dauginimasis mūsų vietoje
širdies gimdos kaklelio audinys, vėžinis navikas.
Pastaruoju metu įprasta gyvūnų audinių ląsteles skirstyti pagal
gebėjimas skirstyti į 3 grupes: labilią, stabilią ir statinę.
Į labilusįtraukti langelius, kurie yra greitai ir lengvai atnaujinami
organizmo gyvavimo metu (kraujo ląstelės, epitelis, gleivės
sustabdyti virškinamąjį traktą, epidermį ir kt.).
Į stabilus apima ląsteles iš organų, tokių kaip kepenys, kasa
liaukos, seilių liaukos ir kt., kurios aptinka ribotą
naujas gebėjimas dalytis.
Į statinis apima miokardo ir nervinio audinio ląsteles, kurios
rugių, pasak daugumos tyrinėtojų, nesidalina.
Norint ją suprasti, būtina ištirti ląstelių fiziologiją.
togenetinis gyvenimo organizavimo lygis ir savireguliacijos mechanizmai
ląstelės, užtikrinančios visapusišką viso organizmo funkcionavimą.
6 skyrius
GENETIKA KAIP MOKSLAS. TAISYKLINGUMAI
PAVELDĖJIMAS ŽENKLAI
6.1 Genetikos dalykas, uždaviniai ir metodai
Paveldimumas ir kintamumas yra pagrindinės savybės
gyvos būtybės, nes jos būdingos bet kokio organizacijos lygio gyvoms būtybėms
pažeminimas. Mokslas, tiriantis paveldimumo ir kaitos modelius
vosti, vadinamas genetika.
Genetika kaip mokslas tiria paveldimumą ir paveldimumą
nepastovumą, ty sandorius co Kitas problemų:
1) genetinės informacijos saugojimas;
2) genetinės informacijos perdavimas;
3) genetinės informacijos įgyvendinimas (jos panaudojimas konkrečioje
besivystančio organizmo požymius veikiant išorinei aplinkai);
4) genetinės informacijos pasikeitimas (pokyčių tipai ir priežastys,
mechanizmai).
Pirmasis genetikos vystymosi etapas - 1900–1912 m Nuo 1900 m.
aprėpiantis G. Mendelio dėsnius mokslininkų H. De Vries, K. Correns, E. Cher-
aguonos. G. Mendelio dėsnių pripažinimas.
Antrasis etapas 1912–1925 m - T. Moro chromosomų teorijos sukūrimas.
Gana. Trečiasis etapas 1925–1940 m - dirbtinės mutagenezės atradimas ir
genetiniai evoliucijos procesai.
Ketvirtasis etapas 1940–1953 m - genų kontrolės tyrimai
fiziologiniai ir biocheminiai procesai.
Penktasis etapas nuo 1953 m. iki šių dienų yra molekulinės raidos
biologija.
Buvo žinoma atskira informacija apie požymių paveldėjimą
labai ilgą laiką, tačiau pirmiausia buvo sukurtas mokslinis ženklų perdavimo pagrindas
išdėstė G. Mendelis 1865 metais darbe: „Eksperimentai su augalu
hibridai“. Tai buvo pažangios idėjos, tačiau amžininkai nepasidavė
jo atradimo reikšmę. „Geno“ sąvoka tuo metu dar neegzistavo, o G. Men-
del kalbėjo apie „paveldimus polinkius“, esančius lytinėse ląstelėse
kah, bet jų prigimtis buvo nežinoma.
1900 m., nepriklausomai vienas nuo kito, H. De Vries, E. Chermak ir K. Kor-
Rensas iš naujo atrado G. Mendelio dėsnius. Šie metai laikomi gimimo metais
genetika kaip mokslas. 1902 metais T. Boveri, E. Wilson ir D. Setton padarė
Lali pasiūlė paveldimų veiksnių ryšį su chromosomomis.
1906 metais W. Betsonas įvedė terminą „genetika“, o 1909 metais W. Johansenas –
"genas". 1911 metais T. Morganas su kolegomis suformulavo pagrindinius principus
Zheniya chromosomų paveldimumo teorija. Jie įrodė, kad genai
išsidėstę tam tikruose chromosomų lokusuose tiesine tvarka,
tam tikras ženklas.
Pagrindiniai genetikos metodai: hibridologiniai, citologiniai ir
matematinės. Genetika aktyviai naudoja kitų susijusių metodų
mokslai: chemija, biochemija, imunologija, fizika, mikrobiologija ir kt.
Ląstelės ciklas yra ląstelės gyvenimo laikotarpis nuo vieno dalijimosi iki kito arba nuo dalijimosi iki mirties. Ląstelių ciklą sudaro tarpfazė (periodas už dalijimosi ribų) ir pats ląstelių dalijimasis.
G1 periodo pabaigoje įprasta išskirti ypatingą momentą, vadinamą R-tašku (restriction point, R-point), po kurio ląstelė būtinai patenka į S periodą per kelias valandas (dažniausiai 1-2). Laikotarpis nuo R taško iki S periodo pradžios gali būti laikomas parengiamuoju perėjimui į S periodą.
Svarbiausias procesas, vykstantis S periode, yra DNR padvigubėjimas arba reduplikacija. Visos kitos reakcijos, šiuo metu vykstančios ląstelėje, yra skirtos užtikrinti DNR sintezę. Tokie pagalbiniai procesai apima histono baltymų sintezę, fermentų, reguliuojančių ir užtikrinančių nukleotidų sintezę bei naujų DNR grandinių susidarymą, sintezę.
Ląstelės praėjimas per visus ląstelės ciklo laikotarpius yra griežtai kontroliuojamas. Ląstelėms judant per ląstelių ciklą, jose atsiranda ir išnyksta, aktyvuojamos ir slopinamos specialios reguliuojančios molekulės, kurios užtikrina: 1) ląstelės praėjimą per tam tikrą ląstelės ciklo laikotarpį ir 2 perėjimą iš vieno periodo į kitą. Be to, perėjimą per kiekvieną laikotarpį, taip pat perėjimą iš vieno periodo į kitą kontroliuoja įvairios medžiagos. Dabar pabandysime išsiaiškinti, kas yra šios medžiagos ir ką jos veikia.
Bendra situacija atrodo taip. Ląstelėje nuolat yra specialių fermentinių baltymų, kurie, fosforilinant kitus baltymus (serino, tirozino ar treonino liekanomis polipeptidinėje grandinėje), reguliuoja genų, atsakingų už ląstelės praėjimą per tam tikrą ląstelės ciklo laikotarpį, veiklą. Šie fermentų baltymai vadinami nuo ciklino priklausomomis proteinkinazėmis (cdc). Yra keletas jų veislių, tačiau visi jie turi panašias savybes. Nors šių nuo ciklino priklausomų proteinkinazių skaičius įvairiais ląstelių ciklo laikotarpiais gali skirtis, jų ląstelėje yra nuolat, nepriklausomai nuo ląstelės ciklo laikotarpio, tai yra, jų yra perteklius. Kitaip tariant, jų sintezė ar kiekis neriboja ir nereguliuoja ląstelių perėjimo per ląstelių ciklą. Tačiau patologijoje, jei jų sintezė yra sutrikusi, sumažėja jų skaičius arba yra mutantinių formų, turinčių pakitusių savybių, tai, žinoma, gali turėti įtakos ląstelės ciklo eigai.
Kodėl tokios nuo ciklino priklausomos baltymų kinazės pačios nesugeba reguliuoti ląstelių judėjimo per ląstelių ciklo periodus? Pasirodo, jos ląstelėse yra neaktyvios būsenos, o tam, kad jos suaktyvėtų ir pradėtų veikti, reikalingi specialūs aktyvatoriai. Jie yra ciklinai. Taip pat yra daug įvairių jų tipų, tačiau jie ne visada būna ląstelėse: atsiranda ir išnyksta. Skirtingose ląstelių ciklo fazėse susidaro skirtingi ciklinai, kurie, jungdamiesi prie Cdk, sudaro skirtingus Cdk-ciklino kompleksus. Šie kompleksai reguliuoja skirtingas ląstelių ciklo fazes, todėl yra vadinami G1-, G1/S-, S- ir M-Cdk (paveikslas iš mano figūrų ciklinai). Pavyzdžiui, ląstelės perėjimą per ląstelės ciklo G1 laikotarpį užtikrina nuo ciklino priklausomos proteinkinazės-2 (cdk2) ir ciklino D1, nuo ciklino priklausomos proteinkinazės-5 (cdk5) ir ciklino D3 kompleksas. Perėjimas per specialų G1 periodo restrikcijos tašką (R-tašką) kontroliuoja cdc2 ir ciklino C kompleksą. Ląstelės perėjimą iš ląstelės ciklo G1 periodo į S periodą kontroliuoja cdk2 ir ciklino kompleksas. ciklinas E. Ląstelės perėjimui iš S periodo į G2 periodą reikalingas cdk2 kompleksas ir ciklinas A. Nuo ciklino priklausoma proteinkinazė-2 (cdc2) ir ciklinas B dalyvauja ląstelės perėjime iš G2 periodo į mitozė (M periodas). Ciklinas H kartu su cdk7 reikalingas cdc2 fosforilinimui ir aktyvavimui komplekse su ciklinu B.
Ciklinai yra nauja Timo Hunto atrasta baltymų klasė, kuri atlieka pagrindinį vaidmenį kontroliuojant ląstelių dalijimąsi. Pavadinimas „ciklinai“ atsirado dėl to, kad šios klasės baltymų koncentracija periodiškai kinta, atsižvelgiant į ląstelių ciklo etapus (pavyzdžiui, ji nukrenta iki ląstelių dalijimosi pradžios).
Pirmąjį cikliną Huntas atrado devintojo dešimtmečio pradžioje, eksperimentuodamas su varlių ir jūrų ežių kiaušiniais. Vėliau ciklinų buvo aptikta ir kitose gyvose būtybėse.
Paaiškėjo, kad šie baltymai evoliucijos eigoje mažai pasikeitė, kaip ir ląstelių ciklo valdymo mechanizmas, kuris iš paprastų mielių ląstelių atkeliavo žmonėms „konservuotu“ pavidalu.
Timothy Huntas (R. Timothy Huntas) kartu su kolega anglu Paulu M. Nurse'u ir amerikiečiu Lelandu H. Hartwellu 2001 m. gavo Nobelio fiziologijos ir medicinos premiją už genetinių ir molekulinių ląstelių ciklo reguliavimo mechanizmų atradimą – procesą. kuri yra būtina gyvų organizmų augimui, vystymuisi ir egzistavimui
Ląstelių ciklo kontroliniai taškai
1. Išėjimo iš G1 fazės taškas, vadinamas Startu – žinduoliams ir restrikcijos taškas mielėse. Perėjus per restrikcijos tašką R G1 pabaigoje, S pradžia tampa negrįžtama, t.y. pradedami procesai, vedantys į kitą ląstelių dalijimąsi.
2. Taškas S – replikacijos tikslumo tikrinimas.
3. Taškas G2/M-perėjimas – replikacijos užbaigimo patikrinimas.
4. Perėjimas iš metafazės į mitozės anafazę.
Replikacijos reguliavimas
Prieš pradedant replikaciją Sc, ORC kompleksas (kilmės atpažinimo kompleksas) yra ant ori, replikacijos pradžios. Cdc6 yra per visą ląstelių ciklą, tačiau jo koncentracija padidėja G1 pradžioje, kur jis prisijungia prie ORC komplekso, kurį vėliau sujungia Mcm baltymai, kad susidarytų priešreplikacinis kompleksas (pre-RC). Po išankstinio RC surinkimo ląstelė yra paruošta replikacijai.
Norėdami inicijuoti replikaciją, S-Cdk prisijungia prie proteinkinazės (?), kuri fosforilina pre-RC. Tuo pačiu metu Cdc6 atsiskiria nuo ORC po replikacijos pradžios ir yra fosforilinamas, o po to jį ubikvitina SCF ir suskaido. Pre-RC pakeitimai neleidžia replikuoti iš naujo. S-Cdk taip pat fosforilina kai kuriuos Mcm baltymų kompleksus, kurie skatina jų eksportą iš branduolio. Vėlesnis baltymų defosforilinimas iš naujo pradės išankstinio RC susidarymo procesą.
Ciklinai yra Cdk aktyvatoriai. Ciklinai, taip pat Cdks, dalyvauja įvairiuose procesuose, be ląstelių ciklo kontrolės. Ciklinai skirstomi į 4 klases, priklausomai nuo veikimo laiko ląstelės cikle: G1/S, S, M ir G1 ciklinai.
G1/S ciklinai (Cln1 ir Cln2 S. cerevisiae, ciklinas E stuburiniuose) pasiekia maksimumą vėlyvojoje G1 fazėje ir krenta S fazėje.
G1/S ciklino-Cdk kompleksas sukelia DNR replikacijos pradžią, išjungdamas įvairias sistemas, kurios slopina S fazės Cdk G1 fazėje.G1/S ciklinai taip pat inicijuoja centrosomų dubliavimąsi stuburiniuose gyvūnuose ir verpstės kūno formavimąsi mielėse. G1/S lygio kritimą lydi S ciklinų (Clb5, Clb6 Sc ir ciklino A stuburiniuose gyvūnuose) koncentracijos padidėjimas, kuris sudaro S ciklino-Cdk kompleksą, kuris tiesiogiai stimuliuoja DNR replikaciją. S ciklino lygis išlieka aukštas per S, G2 fazes ir prasidėjus mitozei, kur jis padeda pradėti mitozę kai kuriose ląstelėse.
M-ciklinai (Clb1,2,3 ir 4 Sc, ciklinas B stuburiniuose) pasirodo paskutiniai. Jo koncentracija padidėja, kai ląstelė pereina į mitozę ir pasiekia maksimumą metafazėje. M-ciklino-Cdk kompleksas apima veleno surinkimą ir seserų chromatidų derinimą. Jo sunaikinimas anafazėje sukelia mitozės ir citokinezės išėjimą. G1 ciklinai (Cln3 Sc ir ciklinas D stuburiniuose gyvūnuose) padeda koordinuoti ląstelių augimą, įeinant į naują ląstelių ciklą. Jie neįprasti, nes jų koncentracija nesikeičia priklausomai nuo ląstelės ciklo fazės, bet kinta reaguojant į išorinius augimo reguliavimo signalus.
Programuota ląstelių mirtis
1972 m. Kerr ir kt. paskelbė straipsnį, kuriame autoriai pateikė morfologinius įrodymus, kad egzistuoja ypatinga ląstelių mirties rūšis, kuri skiriasi nuo nekrozės, kurią jie pavadino „apoptoze“. Autoriai pranešė, kad struktūriniai ląstelių pokyčiai apoptozės metu vyksta dviem etapais:
1 - apoptozinių kūnų susidarymas,
2 - jų fagocitozė ir sunaikinimas kitų ląstelių.
Mirties priežastys, ląstelių mirties vystymosi morfologinio ir biocheminio pobūdžio procesai gali būti skirtingi. Tačiau juos galima aiškiai suskirstyti į dvi kategorijas:
1. Nekrozė (iš graikų pekrosis – nekrozė) ir
2. Apoptozė (iš graikiškų šaknų reiškia „atkritimas“ arba „suirimas“), kuri dažnai vadinama užprogramuota ląstelių mirtimi (PCD) ar net ląstelių savižudybe (354 pav.).
Du ląstelių mirties keliai
a – apoptozė (ryški ląstelių mirtis): / – specifinis ląstelės susitraukimas ir chromatino kondensacija, 2 – branduolio suskaidymas, 3 – ląstelės kūno suskaidymas į daugybę apoptozinių kūnų; b - nekrozė: / - ląstelės pabrinkimas, vakuoliniai komponentai, chromatino kondensacija (karioreksis), 2 - tolesnis membraninių organelių patinimas, branduolio chromatino lizė (kariolizė), 3 - ląstelės membraninių komponentų plyšimas - ląstelės lizė.
N. yra dažniausia nespecifinė ląstelių mirties forma. Jį gali sukelti didelis ląstelės pažeidimas dėl tiesioginės traumos, spinduliuotės, toksinių medžiagų poveikio dėl hipoksijos, komplemento sukeltos ląstelių lizės ir kt.
Nekrotinis procesas vyksta keliais etapais:
1) paranekrozė – panaši į nekrozinius, bet grįžtami pakitimai;
2) nekrobiozė - negrįžtami distrofiniai pokyčiai, kuriems būdingas katabolinių reakcijų vyravimas prieš anabolines;
3) ląstelių mirtis, kurios pradžios laiką sunku nustatyti;
4) autolizė – negyvojo substrato skilimas, veikiant negyvų ląstelių ir makrofagų hidroliziniams fermentams. Morfologine prasme nekrozė prilygsta autolizei.
Nepaisant daugybės darbų, nėra sutarto ir tikslaus „apoptozės“ sąvokos apibrėžimo.
Aloptozė paprastai apibūdinama kaip ypatinga ląstelių mirties forma, kuri skiriasi nuo nekrozės morfologinėmis, biocheminėmis, molekulinėmis genetinėmis ir kitomis savybėmis.
A. yra ląstelių mirtis, kurią sukelia vidiniai ar išoriniai signalai, kurie patys savaime nėra toksiški ar destruktyvūs. A. yra aktyvus procesas, kuriam reikalinga energija, genų transkripcija ir denovo baltymų sintezė.
Be radiacijos ir gliukokortikoidų, buvo rasta daug medžiagų, kurios sukelia šių ląstelių apoptozę:
Ca2+ jonoforai
adenozino
Ciklinis AMP
Tributilalavas
hipertermija
DNR skilimo limfoidinėse ląstelėse kinetikos tyrimas in vivo ir in vitro parodė:
Pirmieji ryškūs skilimo požymiai paprastai atsiranda praėjus daugiau nei 1 valandai po poveikio, dažniau 2-os valandos pabaigoje.
Internukleosomų fragmentacija tęsiasi kelias valandas ir dažniausiai baigiasi praėjus 6, rečiau – 12 valandų po poveikio.
Iš karto po degradacijos pradžios, analizė atskleidžia daug mažų DNR fragmentų, o apoptozės metu didelių ir mažų fragmentų santykis reikšmingai nekinta.
ATP sintezės, baltymų ir genų transkripcijos inhibitorių naudojimas sulėtina apoptozės procesą. N. atveju tokios priklausomybės nėra.
Kaip matyti iš nekrozės ir apoptozės apibrėžimų palyginimo, tarp dviejų ląstelių mirties tipų yra ir panašumų, ir reikšmingų skirtumų.
| Charakteristika | Nekrozė | apoptozė |
| funkcionaliai | negrįžtamas jos gyvenimo nutraukimas; | |
| morfologiškai | membranų vientisumo pažeidimas, branduolio pokyčiai (piknozė, reksis, lizė), citoplazma (edema), ląstelių sunaikinimas; | mikrovilliukų ir tarpląstelinių kontaktų praradimas, chromatino ir citoplazmos kondensacija, ląstelių tūrio sumažėjimas (susitraukimas), pūslelių susidarymas iš plazminės membranos, ląstelių suskaidymas ir apoptotinių kūnų susidarymas; |
| biochemiškai | energijos gamybos, krešėjimo, baltymų, nukleorūgščių, lipidų hidrolizinio skilimo pažeidimas; | citoplazmos baltymų hidrolizė ir tarpnukleozominės DNR skaidymas; |
| genetiškai | - genetinės informacijos praradimas; ir baigiasi jo autolize arba heterolize su uždegimine reakcija. | struktūrinis ir funkcinis genetinio aparato persitvarkymas, kurio kulminacija yra makrofagų ir (ar) kitų ląstelių absorbcija be uždegiminės reakcijos. |
Ląstelių mirtis įvairiais būdais reguliuojama tarpląstelinės sąveikos. Daugeliui daugialąsčio organizmo ląstelių reikia signalų, kad išliktų gyvi. Nesant tokių signalų ar trofinių faktorių, ląstelės sukuria „savižudybės“ arba užprogramuotos mirties programą. Pavyzdžiui, neuronų kultūros ląstelės miršta nesant neuronų augimo faktoriaus (NGF), prostatos ląstelės miršta nesant sėklidžių androgenų, krūties ląstelės miršta, kai hormono progesterono lygis sumažėja ir kt. Tuo pačiu metu ląstelės gali gauti signalus, kurie sukelia procesus tikslinėse ląstelėse, dėl kurių miršta apoptozė. Taigi hidrokortizonas sukelia limfocitų žūtį, o glutamatas – nervinių ląstelių žūtį audinių kultūroje, naviko nekrozės faktorius (TNF) sukelia įvairių ląstelių mirtį. Tiroksinas (skydliaukės hormonas) sukelia buožgalvio uodegos ląstelių apoptozę. Be to, pasitaiko situacijų, kai apoptozinę ląstelių mirtį sukelia išoriniai veiksniai, pavyzdžiui, radiacija.
„Apoptozės“ sąvoka buvo įvesta tiriant kai kurių kepenų ląstelių mirtį su nepilnu vartų venos perrišimu. Šiuo atveju stebimas savotiškas ląstelių mirties vaizdas, kuris paveikia tik atskiras kepenų parenchimos ląsteles.
Procesas prasideda tuo, kad kaimyninės ląstelės praranda kontaktą, jos tarsi susitraukia (pirminis šios mirties formos pavadinimas yra susitraukimo nekrozė – nekrozė suspaudus ląsteles), branduoliuose palei jų periferiją vyksta specifinė chromatino kondensacija, tada branduolys. yra suskaidoma į atskiras dalis, po to pati ląstelė suskaidoma į atskirus kūnus, atribotus plazmine membrana, – apoptotinius kūnus.
Apoptozė yra procesas, kuris veda ne į lizę, ne į ląstelės tirpimą, o į jos suskaidymą, suirimą. Apoptozinių kūnų likimas taip pat neįprastas: juos fagocituoja makrofagai ar net normalios kaimyninės ląstelės. Tokiu atveju uždegiminė reakcija nesivysto.
Svarbu pažymėti, kad visais apoptozės atvejais, tiek embriono vystymosi metu, tiek suaugusio organizmo, tiek normalių, tiek patologinių procesų metu, ląstelių žūties proceso morfologija yra labai panaši. Tai gali rodyti apoptozės procesų bendrumą skirtinguose organizmuose ir skirtinguose organuose.
Įvairių objektų tyrimai parodė, kad apoptozė yra genetiškai užprogramuotos ląstelių mirties įgyvendinimo rezultatas. Pirmieji genetinės ląstelių mirties programos (PCD) buvimo įrodymai buvo gauti tiriant nematodo Caenorhabditiselegans vystymąsi. Šis kirminas išsivysto vos per tris dienas, o jo mažas dydis leidžia atsekti visų jo ląstelių likimą – nuo ankstyvųjų skilimo stadijų iki lytiškai subrendusio organizmo.
Paaiškėjo, kad Caenorhabditiselegans vystymosi metu susidaro tik 1090 ląstelių, iš kurių dalis nervinių ląstelių, kurių kiekis yra 131 vnt., savaime miršta apoptozės būdu, o 959 ląstelės lieka organizme. Rasti mutantai, kuriuose buvo sutrikdytas 131 ląstelės pašalinimo procesas. Buvo nustatyti du genai ced-3 ir ced-4, kurių produktai sukelia apoptozę 131 ląstelėje. Jei šių genų nėra arba jie yra pakeisti mutantiniuose Caenorhabditiselegans, tada apoptozė nevyksta ir suaugęs organizmas susideda iš 1090 ląstelių. Taip pat buvo rastas kitas genas ced-9, kuris slopina apoptozę: kai ced-9 mutuoja, visos 1090 ląstelių miršta. Šio geno analogas buvo rastas žmonėms: bcl-2 genas taip pat yra įvairių ląstelių apoptozės slopiklis. Paaiškėjo, kad abu šių genų koduojami baltymai Ced-9 ir Bc1-2 turi vieną transmembraninį domeną ir yra lokalizuoti išorinėje mitochondrijų membranoje, branduoliuose bei endoplazminiame tinkle.
Apoptozės vystymosi sistema pasirodė esanti labai panaši nematoduose ir stuburiniuose gyvūnuose; ją sudaro trys jungtys: reguliatorius, adapteris ir efektorius. Caenorhabditiselegans reguliatorius yra Ced-9, kuris blokuoja adapterio baltymą Ced-4, kuris savo ruožtu neaktyvina efektorinio baltymo Ced-3 – proteazės, veikiančios citoskeleto ir branduolio baltymus (16 lentelė).
Skirtukas. 16. Programuotos ląstelių mirties (apoptozės) raida
Ženklas ──┤ - proceso slopinimas, ženklas ─→ - proceso stimuliavimas
Stuburiniams gyvūnams PCD sistema yra sudėtingesnė. Čia reguliatorius yra Bc1–2 baltymas, kuris slopina adaptacinį baltymą Apaf-1, kuris stimuliuoja specialių proteinazių, kaspazių, aktyvacijos kaskadą.
Fermentai – apoptozės proceso dalyviai
Šiuo būdu,
Prasidėjus ląstelėje, tokia degradacija greitai vyksta „iki galo“;
Ne visos ląstelės į apoptozę patenka iš karto ar per trumpą laiką, o palaipsniui;
DNR pertrūkiai atsiranda palei linkerinę (tarpnukleozominę) DNR;
Degradaciją vykdo endo-, bet ne egzonukleazės, ir šios endonukleazės aktyvuojamos arba patenka į DNR ne dėl tiesioginės sąveikos su apoptozę sukeliančiu agentu, o netiesiogiai, nes nuo kontakto momento praeina gana daug laiko. ląstelių su tokiu agentu iki degradacijos pradžios, todėl DNR fragmentacija nėra pirmasis būdingas "apoptozinis" ląstelės atsakas molekuliniu lygmeniu. Iš tiesų, jei skilimas būtų sukeltas dėl tiesioginės endonukleazių ar chromatino sąveikos su agentu, tada, pavyzdžiui, jonizuojančiosios spinduliuotės veikimo atveju, apoptozė įvyktų greitai ir vienu metu beveik visose ląstelėse.
Remiantis šiomis išvadomis, apoptozės vystymosi molekulinio mechanizmo iššifravimas buvo „sukoncentruotas“ į endonukleazės (-ių), kuri atlieka DNR fragmentaciją, ir mechanizmų, kurie aktyvuoja endonukleazes, identifikavimą.
Endonukleazės
1. Degradaciją vykdo DNazė I. Procesą aktyvina Ca2+ ir Mg2+, o slopina Zn2+.
Tačiau yra faktų, liudijančių prieš DNazės I dalyvavimą DNR suskaidymo procese. Taigi žinoma, kad šio fermento branduolyje nėra, tačiau šis argumentas nėra labai svarus, nes dėl santykinai mažo jo molekulių dydžio, 31 kDa, DNazės I dalyvavimas DNR skaidyme yra gana realus. branduolinės membranos pralaidumo pažeidimas. Kitas dalykas – in vitro apdorojant chromatiną, DNazė I sukelia pertraukas ne tik linkerinėje dalyje, bet ir nukleozominėje DNR.
2. Kita endonukleazė, laikoma pagrindiniu DNR skaidymo fermentu, yra endonukleazė II [Barry 1993]. Ši nukleazė, apdorodama branduolius ir chromatiną, vykdo tarpnukleozominę DNR fragmentaciją. Nepaisant to, kad jo aktyvumas nepriklauso nuo dvivalenčių metalų jonų, endonukleazės II dalyvavimo DNR skaidyme klausimas dar neišspręstas, nes fermentas yra ne tik lizosomose, bet ir išsiskiria iš ląstelių branduolių.
3. endonukleazė, kurios molekulinė masė 18 kDa. Šis fermentas buvo išskirtas iš žiurkių timocitų, mirštančių apoptozės būdu, branduolių [Gaido, 1991]. Normaliuose timocituose jo nebuvo. Fermento aktyvumas pasireiškia neutralioje aplinkoje ir priklauso nuo Ca2+ ir Mg2+.
4. 31 kDa molekulinės masės γ-nukleazė, kuri turi „klasikinę“ priklausomybę nuo Ca, Mg ir Zn jonų. Šio fermento aktyvumas padidėjo žiurkių, gydytų gliukokortikoidais, timocitų branduoliuose.
5. 22,7 kDa molekulinės masės endonukleazė fermentas, kurio aktyvumas žiurkių timocitų branduoliuose pasireiškia tik po gliukokortikoidų veikimo ir yra slopinamas tų pačių inhibitorių, kaip ir tarpnukleozominės DNR skaidymas.
Kaspazės yra cisteino proteazės, skaidančios baltymus nuo asparto rūgšties. Ląstelėje kaspazės sintetinamos latentinių pirmtakų, prokaspazių, pavidalu. Yra iniciacinės ir efektorinės kaspazės. Inicijuojančios kaspazės suaktyvina latentines efektorinių kaspazių formas. Daugiau nei 60 skirtingų baltymų yra aktyvuotų kaspazių veikimo substratai. Tai, pavyzdžiui, židininių adhezinių struktūrų kinazė, kurią inaktyvavus apoptozinės ląstelės atsiskiria nuo kaimyninių; tai laminatės, kurios išardomos veikiant kaspazėms; tai citoskeleto baltymai (tarpiniai filamentai, aktinas, gelsolinas), kurių inaktyvacija keičia ląstelės formą ir jos paviršiuje atsiranda burbuliukų, dėl kurių susidaro apoptoziniai kūnai; tai aktyvuota CAD proteazė, kuri suskaldo DNR į oligonukleotidinius nukleozominius fragmentus; tai DNR taisymo fermentai, kurių slopinimas neleidžia atkurti DNR struktūros ir daugelis kitų.
Vienas iš apoptozinio atsako išsiskleidimo pavyzdžių būtų ląstelės atsakas į signalo nebuvimą iš reikalingo trofinio faktoriaus, pavyzdžiui, nervų augimo faktoriaus (NGF) arba androgeno.
Ląstelių citoplazmoje, esant trofiniams faktoriams, kitas reakcijos dalyvis – fosforilintas Bad baltymas – yra neaktyvios formos. Nesant trofinio faktoriaus, šis baltymas yra defosforilinamas ir jungiasi su Bc1–2 baltymu ant išorinės mitochondrijų membranos, taip slopindamas jo antiapopotines savybes. Po to aktyvuojamas membraninis proapoptotinis baltymas Bax, atveriantis kelią jonams patekti į mitochondrijas. Tuo pačiu metu citochromas c išsiskiria iš mitochondrijų per membranoje susidariusias poras į citoplazmą, kuri jungiasi su adapterio baltymu Apaf-1, kuris savo ruožtu aktyvuoja pro-kaspazę 9. Suaktyvinta kaspazė 9 sukelia kitų kaskadą. pro-kaspazės, tarp jų ir kaspazė 3, kurios, būdamos proteinazės, pradeda virškinti mišrius baltymus (laminus, citoskeleto baltymus ir kt.), dėl ko miršta apoptozinė ląstelės, jos suirimas į dalis, į apoptozinius kūnus.
Apoptoziniai kūnai, apsupti sunaikintos ląstelės plazminės membranos, pritraukia atskirus makrofagus, kurie juos pasiglemžia ir suvirškina savo lizosomomis. Makrofagai nereaguoja į gretimas normalias ląsteles, bet atpažįsta apoptotines. Taip yra dėl to, kad apoptozės metu sutrinka plazminės membranos asimetrija ir jos paviršiuje atsiranda fosfatidilserinas – neigiamo krūvio fosfolipidas, kuris paprastai yra citozolinėje bilipidinės plazmos membranos dalyje. Taigi selektyvios fagocitozės būdu audiniai tarsi išvalomi nuo negyvų apoptozinių ląstelių.
Kaip minėta aukščiau, apoptozę gali sukelti daugybė išorinių veiksnių, tokių kaip radiacija, tam tikrų toksinų veikimas ir ląstelių metabolizmo inhibitoriai. Negrįžtamas DNR pažeidimas sukelia apoptozę. Taip yra dėl to, kad besikaupiantis transkripcijos faktorius p53 baltymas ne tik aktyvina p21 baltymą, kuris slopina nuo ciklino priklausomą kinazę ir sustabdo ląstelių ciklą G1 arba G2 fazėje, bet ir aktyvina bax ekspresiją. genas, kurio produktas sukelia apoptozę.
Kontrolinių taškų buvimas ląstelės cikle yra būtinas, norint nustatyti kiekvienos fazės užbaigimą. Ląstelių ciklas sustabdomas, kai DNR pažeidžiama G1 periode, kai DNR yra nevisiškai replikuojama S fazėje, kai DNR pažeidžiama G2 periode ir kai sutrinka dalijimosi veleno ryšys su chromosomomis.
Vienas iš kontrolinių punktų ląstelės cikle yra pati mitozė, kuri nepereina į anafazę, jei velenas nėra tinkamai sumontuotas ir nesant visiškų jungčių tarp mikrotubulių ir kinetochorų. Šiuo atveju nėra APC komplekso aktyvavimo, kohesinų, jungiančių seserines chromatides, ir mitozinių ciklinų skilimo, o tai būtina norint pereiti į anafazę.
DNR pažeidimas neleidžia ląstelėms patekti į S periodą arba mitozę. Jei šie pažeidimai nėra katastrofiški ir gali būti atstatyti dėl reparacinės DNR sintezės, ląstelės ciklo blokas pašalinamas ir ciklas baigiasi. Jei DNR pažeidimas yra reikšmingas, kažkaip stabilizuojamas ir kaupiasi p53 baltymas, kurio koncentracija paprastai yra labai maža dėl jo nestabilumo. P53 baltymas yra vienas iš transkripcijos faktorių, skatinančių p21 baltymo, kuris yra CDK-ciklino komplekso inhibitorius, sintezę. Dėl to ląstelių ciklas sustoja G1 arba G2 stadijoje. Blokuojant G1 periodą, ląstelė su DNR pažeidimu nepatenka į S fazę, nes gali atsirasti mutantinių ląstelių, tarp kurių gali būti navikinių ląstelių. G2 periodo blokada taip pat užkerta kelią ląstelių mitozės procesui su DNR pažeidimu. Tokios ląstelės, kurių ląstelių ciklas yra užblokuotas, vėliau miršta dėl apoptozės, užprogramuotos ląstelės mirties (353 pav.).
Su mutacijomis, dėl kurių prarandami p53 baltymo genai, ar jų pakitimams nevyksta ląstelių ciklo blokada, ląstelės patenka į mitozę, dėl kurios atsiranda mutantinių ląstelių, kurių dauguma nėra gyvybingos, o kitos sukelia piktybines ląsteles. ląstelės.
Selektyvus mitochondrijų pažeidimas, kai citochromas c išsiskiria į citoplazmą, taip pat yra dažna apoptozės priežastis. Mitochondrijas ir kitus ląstelių komponentus ypač veikia toksinių reaktyviųjų deguonies rūšių (ATC) susidarymas, kuriam veikiant vidinėje mitochondrijų membranoje susidaro nespecifiniai kanalai, turintys didelį jonų pralaidumą, dėl ko mitochondrijų matrica išsipučia ir išorinės membranos plyšimai. Tuo pačiu metu tarpmembraninėje erdvėje ištirpę baltymai kartu su citochromu c patenka į citoplazmą. Tarp išsiskyrusių baltymų yra apoptozę aktyvuojantys veiksniai ir pro-kaspazė 9.
Daugelis toksinų (ricinas, difterijos toksinas ir kt.), taip pat antimetabolitai gali sukelti ląstelių mirtį apoptozės būdu. Kai sutrinka baltymų sintezė endoplazminiame tinkle, jame lokalizuota prokaspazė 12 dalyvauja vystantis apoptozei, kuri aktyvuoja daugybę kitų kaspazių, įskaitant kaspazę 3.
Eliminacija – atskirų ląstelių pašalinimas apoptozės būdu, taip pat stebimas augaluose. Čia apoptozė apima, kaip ir gyvūnų ląstelėse, indukcijos fazę, efektoriaus fazę ir skilimo fazę. Augalų ląstelių žūties morfologija panaši į gyvūnų ląstelių pokyčius: chromatino kondensacija ir branduolio fragmentacija, DNR skaidymas oligonukleotidais, protoplasto susitraukimas, jo suskaidymas į pūsleles, plazmodesmatos plyšimas ir kt. Tačiau protoplastines pūsleles sunaikina pačių pūslelių hidrolazės, nes augalai neturi ląstelių, analogiškų fagocitams. Taigi PCD atsiranda augant šaknies dangtelio ląstelėms, formuojantis perforacijai lapuose ir formuojantis ksilemui bei floemui. Lapų kritimas yra susijęs su selektyvia ląstelių mirtimi tam tikroje pjūvio vietoje.
Biologinis apoptozės arba užprogramuotos ląstelių mirties vaidmuo yra labai didelis: tai yra ląstelių, kurios pasiteisino arba kurios tam tikrame vystymosi etape yra nereikalingos, pašalinimas, taip pat pakitusių ar patologinių ląstelių, ypač mutantinių, pašalinimas. arba užsikrėtę virusais.
Taigi, kad ląstelės egzistuotų daugialąsčiame organizme, reikalingi signalai jų išlikimui – trofiniai faktoriai, signalinės molekulės. Šiuos signalus gali perduoti per atstumą ir užfiksuoti atitinkamų receptorių molekulės ant tikslinių ląstelių (hormoninė, endokrininė signalizacija), tai gali būti parakrininis ryšys, kai signalas perduodamas į gretimą ląstelę (pavyzdžiui, neurotransmiterio perdavimas). Jei tokių trofinių veiksnių nėra, įgyvendinama apoptozės programa. Tuo pačiu metu apoptozę gali sukelti signalinės molekulės, pavyzdžiui, buožgalvių uodegos rezorbcijos metu, veikiant tiroksinui. Be to, daugelio toksinų, turinčių įtakos atskiroms ląstelių metabolizmo jungtims, veikimas taip pat gali sukelti ląstelių mirtį dėl apoptozės.
Apoptozė ligų patogenezėje
1. Imuninėje sistemoje
2. ONKOLOGINĖS LIGOS
3. VIRUSINĖ INFEKCIJA (sukelianti apoptozę: c. žmogaus imunodeficitas, c. vištienos anemija; slopinantis apoptozę: citomegalovirusas, c. Epstein-Barr, c. herpes)
4. A. ir SMEGENŲ ŽIEVĖS NEURONAI
LĄSTELIŲ APOPTOZĖS KOREKCIJOS PRINCIPAI
Reguliuojamo ląstelių žūties proceso – apoptozės – atradimas leido tam tikru būdu paveikti atskirus jos etapus, siekiant reguliuoti ar koreguoti.
Biocheminius apoptozės vystymosi procesus hipotetiškai galima suskirstyti į kelis etapus:
Apoptozę sukeliančio veiksnio veikimas;
Signalo perdavimas iš receptoriaus molekulės į ląstelės branduolį;
Apoptozei būdingų genų aktyvinimas;
Apoptozei specifinių baltymų sintezė
Endonukleazių aktyvinimas
DNR fragmentacija (2.4 pav.).
Šiuo metu manoma, kad jei ląstelė miršta dėl apoptozės, tai yra terapinės intervencijos galimybė, jei dėl nekrozės, tada tokia intervencija neįmanoma. Remiantis žiniomis apie užprogramuotos ląstelių mirties reguliavimą, įvairiuose ląstelių tipuose šiam procesui įtakoti naudojami įvairūs vaistai.
Taigi, gydant nuo hormonų priklausomus navikus, atsižvelgiama į informaciją apie receptorių sukeltą ląstelių apoptozės reguliavimą.
Sergant prostatos vėžiu, skiriama androgenų blokavimo terapija.
Krūties vėžys dažnai regresuoja vartojant estrogenų receptorių antagonistus.
Informacija apie biocheminius signalo perdavimo apoptozės reguliavimo kelius leidžia efektyviai taikyti antioksidantų terapiją, kalcio koncentraciją reguliuojančius vaistus, įvairių proteinkinazių aktyvatorius ar inhibitorius ir kt. koreguoti įvairių tipų ląstelių apoptozę.
Suvokimas apie apoptozės vaidmenį ląstelių mirtyje suaktyvino farmakologinio poveikio, apsaugančio ląsteles nuo apoptozės, paieškas.
Specifinių proteazių inhibitoriai aktyviai tiriami kaip farmakologiniai agentai. Paprastai tai yra tri- arba tetrapeptidai, kurių sudėtyje yra asparto rūgšties (Asp). Tokių proteazių naudojimą terapiniais tikslais riboja mažas jų gebėjimas prasiskverbti į ląstelę. Tačiau nepaisant to, Z-VAD-FMK, plataus spektro į ICE panašių proteazių inhibitorius, buvo sėkmingai naudojamas in vivo eksperimentuose, siekiant sumažinti infarkto zoną insulto modelyje.
Artimiausiais metais galime tikėtis naujų vaistų, skirtų įvairių ligų gydymui ir profilaktikai, atsiradimo, kurių pagrindas bus apoptozės procesų reguliavimo principas.
Veiksmingiausi apoptozės korekcijos metodai yra tie, kurie yra susiję su apoptozei specifinių genų reguliavimu. Šie metodai sudaro genų terapijos pagrindą – vieną iš perspektyvių pacientų, sergančių ligomis, kurias sukelia sutrikęs atskirų genų funkcionavimas, gydymo sričių.
Genų terapijos principai apima šiuos veiksmus:
Gydomos DNR sekos identifikavimas;
Ląstelių, kuriose bus atliekamas gydymas, tipo nustatymas;
DNR apsauga nuo hidrolizės endonukleazėmis;
DNR pernešimas į ląstelę (brandulį).
Genų terapijos metodai leidžia
Pagerinti atskirų genų darbą (genų, kurie slopina apoptozę, pvz., bcl-2 geną, transformacija),
Susilpninkite jų išraišką. Selektyviam genų ekspresijos slopinimui šiuo metu naudojama antisensinio oligonukleotido (antisense) technika. Antisensių naudojimas sumažina tam tikrų baltymų sintezę, o tai turi įtakos apoptozės proceso reguliavimui.
Antisenso veikimo mechanizmas aktyviai tiriamas. Kai kuriais atvejais trumpi (13–17 bazių) antisensiniai oligonukleotidai, kurių sekos papildo atskirų baltymų pasiuntinio RNR (mRNR) nukleotidų sekas, gali efektyviai blokuoti genetinę informaciją stadijoje prieš transkripciją (2.5 pav.). Šie oligonukleotidai, prisijungę prie DNR, sudaro trigubą spiralinę struktūrą. Toks surišimas gali būti negrįžtamas arba sukelti selektyvų tripleto komplekso skilimą, o tai galiausiai sukelia genų ekspresijos slopinimą ir ląstelių mirtį. Kitais atvejais atsiranda papildomas antisenso prisijungimas prie mRNR, dėl kurio pažeidžiamas vertimas ir sumažėja atitinkamo baltymo koncentracija.
trigubų kompleksas
Ryžiai. Genų ekspresijos reguliavimas antisensiniais oligonukleotidais.
Dabar įtikinamai įrodyta, kad antisense technologija yra labai svarbi atskirų genų reguliavimui ląstelių kultūroje. Sėkmingas bcl-2 geno slopinimas ląstelių kultūros eksperimentuose kelia vilčių dėl antisenso panaudojimo vėžiu sergantiems pacientams gydyti. Daugelis in vitro eksperimentų parodė, kad antisensai slopina ląstelių dauginimąsi ir diferenciaciją. Šis rezultatas patvirtina šios technologijos terapinio panaudojimo perspektyvas.