Genetska regulacija celične proliferacije. Mehanizmi delitve celic

Proliferativni procesi pri akutnem vnetju se začnejo kmalu po vplivu flogogenega faktorja na tkivo in so bolj izraziti na obodu vnetne cone. Eden od pogojev za optimalen potek proliferacije je oslabitev procesov alteracije in eksudacije.

Širjenje

Fagociti proizvajajo in izločajo v medcelično tekočino številne biološko aktivne snovi, ki uravnavajo razvoj bodisi imunosti bodisi alergij ali stanja tolerance. Tako je vnetje neposredno povezano z nastankom imunosti oziroma imunopatoloških reakcij v telesu.

Za proliferacijo - komponento vnetnega procesa in njegovo končno fazo - je značilno povečanje števila stromalnih in praviloma parenhimskih celic ter nastanek medcelične snovi v žarišču vnetja. namenjeni regeneraciji spremenjenih in/ali nadomeščanju uničenih tkivnih elementov. V tej fazi vnetja so velikega pomena različne biološko aktivne snovi, predvsem tiste, ki spodbujajo celično proliferacijo (mitogeni).

Oblike in stopnja proliferacije organsko specifičnih celic so različne in jih določa narava celičnih populacij (glej članek »Celična populacija« v dodatku »Referenčna knjiga«).

V nekaterih organih in tkivih (na primer v jetrih, koži, prebavnem traktu, dihalih) imajo celice visoko proliferativno sposobnost, ki zadostuje za odpravo strukturnih napak v žarišču vnetja.

V drugih organih in tkivih je ta sposobnost zelo omejena (na primer v tkivih kit, hrustanca, vezi, ledvic itd.).

V številnih organih in tkivih parenhimske celice praktično nimajo proliferativne aktivnosti (na primer miociti srčne mišice, nevroni). V zvezi s tem se na koncu vnetnega procesa v tkivih miokarda in živčnega sistema stromske celice, predvsem fibroblasti, razmnožujejo na mestu žarišča vnetja, ki tvorijo tudi necelične strukture. Posledično nastane brazgotina vezivnega tkiva. Hkrati je znano, da imajo parenhimske celice teh tkiv visoko sposobnost hipertrofije in hiperplazije subceličnih struktur.

Aktivacija proliferativnih procesov je povezana s tvorbo biološko aktivnih snovi, ki imajo protivnetni učinek (neke vrste protivnetnih mediatorjev). Med najučinkovitejšimi med njimi so:

Inhibitorji hidrolaz, zlasti proteaz (npr. antitripsin), -mikroglobulina, plazmina ali faktorjev komplementa;

antioksidanti (npr. ceruloplazmin, haptoglobin, peroksidaza, SOD);

Poliamini (npr. putrescin, spermin, kadaverin);

glukokortikoidi;

Heparin (zavira adhezijo in agregacijo levkocitov, aktivnost kininov, biogenih aminov, faktorjev komplementa).

Zamenjava mrtvih in poškodovanih tkivnih elementov med vnetjem se opazi po njihovem uničenju in odstranitvi (ta proces se imenuje čiščenje rane).

Reakcije proliferacije tako stromalnih kot parenhimskih celic uravnavajo različni dejavniki. Med najpomembnejšimi med njimi so:

Številni mediatorji vnetja (na primer TNF, ki zavira proliferacijo; levkotrieni, kinini, biogeni amini, ki spodbujajo delitev celic).

Specifični presnovni produkti levkocitov (na primer monokini, limfokini, IL, rastni faktorji), pa tudi trombociti, ki lahko aktivirajo celično proliferacijo.

Peptidi z nizko molekulsko maso, ki se sproščajo med uničenjem tkiva, poliamini (putrescin, spermidin, spermin), kot tudi produkti razgradnje nukleinskih kislin, ki aktivirajo celično reprodukcijo.

Hormoni (GH, insulin, T 4 , kortikoidi, glukagon), od katerih so mnogi sposobni tako aktivirati kot zavirati proliferacijo, odvisno od njihove koncentracije, aktivnosti, sinergističnih in antagonističnih interakcij; na primer glukokortikoidi v majhnih odmerkih zavirajo, mineralokortikoidi pa aktivirajo regeneracijske reakcije.

Na procese proliferacije vpliva tudi vrsta drugih dejavnikov, na primer encimi (kolagenaza, hialuronidaza), ioni, nevrotransmitorji in drugi.

. Poglavje II
razmnoževanje celic. Problemi celične proliferacije v medicini.
2.1. Življenjski cikel celice.
Celična teorija pravi, da celice nastanejo iz celic z delitvijo prvotnih. Ta določba izključuje tvorbo celic iz necelične snovi. Pred delitvijo celic pride do reduplikacije njihovega kromosomskega aparata, sinteze DNA tako v evkariontskih kot prokariontskih organizmih.

Čas obstoja celice od delitve do delitve imenujemo celica ali življenjski cikel. Njegova vrednost se precej razlikuje: za bakterije je 20-30 minut, za čevelj 1-2 krat na dan, za amebe približno 1,5 dni. Večcelične celice imajo tudi drugačno sposobnost delitve. V zgodnji embriogenezi se pogosto delijo, v odraslem organizmu pa to sposobnost večinoma izgubijo, ko se specializirajo. Toda tudi v organizmu, ki je dosegel popoln razvoj, se mora veliko celic deliti, da nadomestijo iztrošene celice, ki nenehno izločajo, in končno so potrebne nove celice za celjenje ran.

Zato mora v nekaterih populacijah celic do delitve prihajati vse življenje. Glede na to lahko vse celice razdelimo v tri kategorije:

1. Do rojstva otroka živčne celice dosežejo visoko specializirano stanje in izgubijo sposobnost razmnoževanja.V procesu ontogeneze se njihovo število nenehno zmanjšuje. Ta okoliščina ima eno dobro stran; če bi se živčne celice delile, bi bile višje živčne funkcije (spomin, mišljenje) motene.

2. Druga kategorija celic je prav tako visoko specializirana, vendar se zaradi nenehne luščenja nadomeščajo z novimi, to funkcijo pa opravljajo celice iste vrste, vendar še niso specializirane in niso izgubile sposobnosti delitve. Te celice se imenujejo obnavljajoče. Primer so nenehno obnavljajoče se celice črevesnega epitelija, hematopoetske celice. Tudi celice kostnega tkiva lahko nastanejo iz nespecializiranih (to lahko opazimo med reparativno regeneracijo zlomov kosti). Populacije nespecializiranih celic, ki ohranijo sposobnost delitve, običajno imenujemo izvorne celice.

3. Tretja kategorija celic je izjema, ko lahko visoko specializirane celice pod določenimi pogoji vstopijo v mitotični cikel. Govorimo o celicah, za katere je značilna dolga življenjska doba in kjer po končani rasti le redko pride do celične delitve. Primer so hepatociti. Če pa poskusni živali odstranimo 2/3 jeter, se v manj kot dveh tednih povrnejo na prejšnjo velikost. Takšne so tudi celice žlez, ki proizvajajo hormone: v normalnih razmerah se jih lahko razmnožujejo le nekatere, v spremenjenih razmerah pa se jih lahko večina začne deliti.

Celični cikel pomeni ponavljajoče se ponavljanje zaporednih dogodkov, ki trajajo določeno časovno obdobje. Običajno so ciklični procesi grafično prikazani kot krogi.

Celični cikel je razdeljen na dva dela: mitozo in interval med koncem ene mitoze in začetkom naslednje - interfaza. Metoda avtoradiografije je omogočila ugotovitev, da v interfazi celica ne opravlja le svojih specializiranih funkcij, temveč tudi sintetizira DNK. To obdobje interfaze so poimenovali sintetično (S). Začne se približno 8 ur po mitozi in konča po 7-8 urah. Interval med S-obdobjem in mitozo je bil po sintetičnem imenovan predsintetski (G1 - 4 ure), pred samo mitozo - postsintetski (G2). poteka približno eno uro.

Tako ločimo štiri stopnje v celičnem ciklu jekla; mitoza, G1-obdobje, S-obdobje, G2-obdobje.

Ugotovitev dejstva podvojitve v medfazi DNA pomeni, da v tem času celica ne more opravljati specializiranih funkcij, je zaposlena z gradnjo celičnih struktur, sintetiziranjem gradbenih materialov, ki zagotavljajo rast hčerinskih celic, kopičenjem energije, porabljene med samo mitozo, sintetiziranjem specifični encimi za replikacijo DNA. Zato morajo interfazne celice, da lahko opravljajo svoje z genetskim programom vnaprej določene funkcije (postanejo visoko specializirane), začasno ali trajno zapustiti cikel v obdobju G0 ali pa ostati v podaljšanem G1 (bistvene razlike v stanju celic obdobij G0 in G1 niso bili opaženi, saj G0 lahko celice na cikel). Posebej je treba opozoriti, da je pri večceličnih zrelih organizmih znano, da je večina celic v obdobju G0.

Kot že omenjeno, do povečanja števila celic pride le zaradi delitve izvorne celice, pred katero je faza natančnega razmnoževanja genetskega materiala, molekul DNK, kromosomov.

Mitotična delitev vključuje nova celična stanja: interfazni, dekondenzirani in že reduplicirani kromosomi se preoblikujejo v kompaktno obliko mitotskih kromosomov, nastane akromatski mitotični aparat, ki sodeluje pri prenosu kromosomov, kromosomi se razhajajo na nasprotna pola in pride do citokineze. Proces posredne delitve običajno razdelimo na naslednje glavne faze: profazo, metafazo, anafazo in telofazo. Delitev je pogojna, saj je mitoza neprekinjen proces in fazna sprememba poteka postopoma. Edina faza, ki ima pravi začetek, je anafaza, v kateri

kromosomi se začnejo ločevati. Trajanje posameznih faz je različno (povprečno profaza in telofaza - 30-40", anafaza in metafaza - 7-15"). Človeška celica do začetka mitoze vsebuje 46 kromosomov, od katerih je vsaka sestavljena iz 2 enakih polovic - kromatid (kromatid se imenuje tudi S-kromosom, kromosom, sestavljen iz 2 kromatid, pa je d-kromosom).

Eden najbolj izjemnih pojavov, ki jih opazimo pri mitozi, je tvorba cepitvenega vretena. Zagotavlja poravnavo D-kromosomov v eni ravnini, na sredini celice, in premikanje S-kromosomov na poli. Delitveno vreteno tvorijo centrioli celičnega središča. Mikrotubuli nastanejo v citoplazmi iz proteina tubulina.

V G1-obdobju vsaka celica vsebuje dva centriola, do prehoda v G2-obdobje se v bližini vsakega centriola oblikuje hčerinski centriol in skupaj nastaneta dva para.

V profazi se en par centriolov začne premikati na en pol, drugi na drugega.

Med pari centriolov drug proti drugemu se začne oblikovati niz interpolarnih in kromosomskih mikrotubulov.

Jedrska ovojnica na koncu profaze razpade, nukleolus preneha obstajati, kromosomi (d) se spiralizirajo, delitveno vreteno se premakne na sredino celice in d-kromosomi so v vrzeli med mikrotubuli vretena.

Med profazo se kromosomi D kondenzirajo iz nitastih struktur v paličaste. Skrajšanje in zgoščevanje (d-kromosomi se nekaj časa nadaljujejo v metafazi, zaradi česar imajo metafazni d-kromosomi zadostno gostoto. V kromosomih je jasno vidna centromera, ki jih deli na enake ali neenake krake, sestavljene iz 2 sosednjih S- kromosomov (kromatid).Na začetku anafaze se začnejo S-kromosomi (kromatide) premikati od ekvatorialne ravnine proti polom.Anafaza se začne z delitvijo centromerne regije vsakega od kromosomov, zaradi česar se oba S-kromosomi vsakega d-kromosoma so popolnoma ločeni drug od drugega, tako da vsaka hčerinska celica prejme enak nabor 46 kromosomov S. Po ločitvi centromer se polovica 92 kromosomov S začne premikati proti enemu polu. , drugo polovico proti drugemu.

Do danes ni bilo natančno ugotovljeno, pod vplivom katerih sil se izvaja gibanje kromosomov na poli. Obstaja več različic:

1. V delitvenem vretenu so filamenti, ki vsebujejo aktin (kot tudi druge mišične beljakovine), možno je, da se ta sila ustvarja na enak način kot v mišičnih celicah.

2. Gibanje kromosomov je posledica drsenja kromosomskih mikrotubulov vzdolž neprekinjenih (interpolarnih) mikrotubulov z nasprotno polarnostjo (Mak-Itosh, 1969, Margolis, 1978).

3. Hitrost gibanja kromosomov uravnavajo kinetohorski mikrotubuli, da se zagotovi urejeno ločevanje kromatid. Najverjetneje vsi zgoraj navedeni mehanizmi za izvajanje matematično natančne porazdelitve dedne snovi med hčerinskimi celicami sodelujejo.

Ob koncu anafaze in na začetku telofaze se na sredini podolgovate celice začne nastajanje zožitve, tvori tako imenovano drobilno brazdo, ki s poglabljanjem deli celico na dve hčerinski celici. Aktinski filamenti sodelujejo pri nastanku brazde. Ko pa se brazda poglobi, so celice medsebojno povezane s snopom mikrotubulov, imenovanim mediano telo, katerega preostanek je nekaj časa prisoten tudi v interfazi. Vzporedno s citokinezo se na vsakem polu kromosomi despiralizirajo v obratnem vrstnem redu od kromosomske do nukleosomske ravni. Končno je dedna snov v obliki grudic kromatina, bodisi gosto pakiranih ali dekondenziranih. Ponovno se oblikuje nukleolus, jedrska membrana, ki obdaja kromatin in karioplazmo. Tako so novonastale hčerinske celice zaradi mitotske delitve celic med seboj enake in so kopija matične celice, kar je pomembno za kasnejšo rast, razvoj in diferenciacijo celic in tkiv.
2.2. Mehanizem regulacije mitotične aktivnosti
Ohranjanje števila celic na določeni, stalni ravni zagotavlja splošno homeostazo. Na primer, število eritrocitov in levkocitov v zdravem telesu je relativno stabilno, kljub dejstvu, da te celice odmrejo, se nenehno obnavljajo. Zato je treba hitrost nastajanja novih celic uravnavati tako, da ustreza hitrosti celične smrti.

Za vzdrževanje homeostaze je potrebno, da so število različnih specializiranih celic v telesu in funkcije, ki jih morajo opravljati, pod nadzorom različnih regulacijskih mehanizmov, ki vse skupaj ohranjajo v stabilnem stanju.

V mnogih primerih celice dobijo signal, da morajo povečati svojo funkcionalno aktivnost, kar lahko zahteva povečanje števila celic. Na primer, če vsebnost Ca v krvi pade, potem celice obščitnične žleze povečajo izločanje hormona, raven kalcija doseže normo. Ampak, če prehrana živali nima kalcija, potem dodatna proizvodnja hormona ne bo povečala vsebnosti tega elementa v krvi.V tem primeru se ščitnične celice začnejo intenzivno deliti, tako da povečanje njihovega števila povzroči nadaljnje povečanje sinteze hormona. Tako lahko zmanjšanje ene ali druge funkcije povzroči povečanje populacije celic, ki zagotavljajo te funkcije.

Pri ljudeh, ki vstopijo v visokogorje, se število rdečih krvničk močno poveča (na nadmorski višini manj kot 02), da bi telesu zagotovili potrebno količino kisika. Ledvične celice se odzovejo na zmanjšanje kisika in povečajo izločanje eritropoetina, kar pospeši hematopoezo. Po nastanku zadostnega števila dodatnih eritrocitov hipoksija izgine in celice, ki proizvajajo ta hormon, zmanjšajo njegovo izločanje na običajno raven.

Celice, ki so popolnoma diferencirane, se ne morejo deliti, vendar se lahko kljub temu povečajo z izvornimi celicami, iz katerih izhajajo. Živčne celice se pod nobenim pogojem ne morejo deliti, lahko pa povečajo svoje delovanje tako, da povečajo svoje procese in pomnožijo povezave med njimi.

Treba je opozoriti, da pri odraslih ostaja razmerje med skupnimi velikostmi različnih organov bolj ali manj konstantno. Z umetno kršitvijo obstoječega razmerja velikosti organa se nagiba k normalni (odstranitev ene ledvice povzroči povečanje druge).

Eden od konceptov, ki pojasnjuje ta pojav, je, da razmnoževanje celic uravnavajo posebne snovi - kaloni. Predpostavlja se, da imajo specifičnost v zvezi s celicami različnih vrst, tkivi organov. Menijo, da zmanjšanje števila kalonov spodbuja celično proliferacijo, na primer med regeneracijo. Trenutno to težavo skrbno preučujejo različni strokovnjaki. Pridobljeni so podatki, da so chaloni glikoproteini z molekulsko maso 30.000 - 50.000.

2.3. Nepravilne vrste razmnoževanja celic
Amitoza. Neposredna delitev ali amitoza je opisana prej kot mitotična delitev, vendar je veliko manj pogosta. Amitoza je delitev celice, pri kateri je jedro v interfaznem stanju. V tem primeru ne pride do kondenzacije kromosomov in nastanka delitvenega vretena. Formalno bi morala amitoza privesti do nastanka dveh celic, najpogosteje pa pride do delitve jedra in pojava dvo- ali večjedrnih celic.

Amitotska delitev se začne z drobljenjem jedra, čemur sledi delitev jedra z zožitvijo (ali invaginacijo). Lahko pride do večkratne delitve jedra, običajno neenake velikosti (pri patoloških procesih). Številna opazovanja so pokazala, da se amitoza skoraj vedno pojavi v celicah, ki so zastarele, degenerirane in nesposobne za proizvodnjo dragocenih elementov v prihodnosti. Torej se običajno amitotična delitev pojavi v embrionalnih membranah živali, v folikularnih celicah jajčnikov, v velikanskih celicah trofoblastov. Amitoza ima pozitivno vrednost v procesu regeneracije tkiva ali organa (regenerativna amitoza). Amitozo v starajočih se celicah spremljajo motnje v biosintetskih procesih, vključno z replikacijo, popravljanjem DNA ter transkripcijo in translacijo. Spremenijo se fizikalno-kemijske lastnosti kromatinskih proteinov celičnih jeder, sestava citoplazme, zgradba in funkcije organelov, kar povzroči funkcionalne motnje na vseh nadaljnjih ravneh - celični, tkivni, organski in organski. Ko se uničenje poveča in okrevanje zbledi, pride do naravne celične smrti. Pogosto se amitoza pojavi pri vnetnih procesih in malignih novotvorbah (inducirana amitoza).

Endomitoza. Ko so celice izpostavljene snovem, ki uničujejo vretenaste mikrotubule, se delitev ustavi in ​​kromosomi bodo nadaljevali svoj cikel transformacij: podvojili se bodo, kar bo privedlo do postopne tvorbe poliploidnih celic - 4 p., 8 p., itd. Ta proces transformacije drugače imenujemo endoreprodukcija. Sposobnost celic za endomitozo se uporablja pri žlahtnjenju rastlin za pridobivanje celic z več nizi kromosomov. Za to se uporabljajo kolhicin, vinblastin, ki uničujejo niti akromatinskega vretena. Poliploidne celice (in nato odrasle rastline) so velike, vegetativni organi iz takih celic so veliki, z veliko zalogo hranil. Pri ljudeh pride do endoreprodukcije v nekaterih hepatocitih in kardiomiocitih.

Druga, bolj redka posledica endomitoze so politenske celice. S politenijem v S-obdobju se zaradi replikacije in neločevanja kromosomskih pramenov oblikuje multifilamentna politenska struktura. Od mitotskih kromosomov se razlikujejo po velikih velikostih (200-krat daljših). Takšne celice najdemo v žlezah slinavk dvokrilnih žuželk, v makronukleusih ciliatov. Na politenskih kromosomih so vidne otekline, zabuhlosti (transkripcijska mesta) – izraz genske aktivnosti. Ti kromosomi so najpomembnejši predmet genetskih raziskav.
2.4. Problemi celične proliferacije v medicini.
Kot je znano, so tkiva z visoko stopnjo celične obnove bolj občutljiva na učinke različnih mutagenov kot tkiva, v katerih se celice obnavljajo počasi. Lahko pa se na primer poškodba zaradi sevanja ne pojavi takoj in ni nujno, da z globino oslabi, včasih celo veliko bolj poškoduje globoko ležeča tkiva kot površinska. Pri obsevanju celic z rentgenskimi ali gama žarki pride do hudih motenj v življenjskem ciklu celic: mitotični kromosomi spremenijo obliko, se zlomijo, čemur sledi nepravilna povezava fragmentov, včasih posamezni deli kromosomov popolnoma izginejo. Lahko pride do anomalij vretena (v celici se ne tvorita dva pola, ampak trije), kar bo povzročilo neenakomerno ločevanje kromatidov. Včasih so poškodbe celic (veliki odmerki sevanja) tako velike, da so vsi poskusi celice, da začne mitozo, neuspešni in se delitev ustavi.

Podoben učinek obsevanja delno pojasnjuje njegovo uporabo pri zdravljenju tumorjev. Namen obsevanja ni uničenje tumorskih celic v interfazi, temveč njihovo zmanjšanje sposobnosti mitoze, kar bo upočasnilo ali ustavilo rast tumorja. Sevanje v odmerkih, ki za celice niso smrtonosni, lahko povzroči mutacije, kar povzroči povečano razmnoževanje spremenjenih celic in povzroči maligno rast, kot se je pogosto zgodilo tistim, ki so delali z rentgenskimi žarki, ne da bi vedeli za njihovo nevarnost.

Na razmnoževanje celic vplivajo številne kemikalije, vključno z zdravili. Na primer, alkaloid kolhicin (vsebujejo ga stebelne stebelne rastline) je bil prvo zdravilo, ki je lajšalo bolečine v sklepih zaradi protina. Izkazalo se je, da ima še en učinek – ustavi delitev tako, da se veže na tubuline proteine, iz katerih nastanejo mikrotubule. Tako kolhicin, tako kot mnoga druga zdravila, blokira nastanek cepitvenega vretena.

Na tej podlagi se alkaloidi, kot sta vinblastin in vinkristin, uporabljajo za zdravljenje nekaterih vrst malignih novotvorb, ki vstopajo v arzenal sodobnih kemoterapevtskih zdravil proti raku. Opozoriti je treba, da se sposobnost snovi, kot je kolhicin, da ustavijo mitozo, uporablja kot metoda za naknadno identifikacijo kromosomov v medicinski genetiki.

Za medicino je zelo pomembna sposobnost diferenciranih (poleg tega spolnih) celic, da ohranijo svoj potencial proliferacije, kar včasih vodi do razvoja tumorjev v jajčnikih, na rezu katerih so vidne celične plasti, tkiva in organi, ki so "zmešnjava". Odkrijejo se drobci kože, lasni mešički, dlake, nepravilno oblikovani zobje, koščki kosti, hrustanec, živčno tkivo, delci očesa itd., kar zahteva nujen kirurški poseg.

2.5. Patologija razmnoževanja celic
Anomalije mitotskega cikla.. Mitotični ritem, ki je običajno primeren potrebi po obnavljanju starajočih se mrtvih celic, se lahko spremeni v patoloških pogojih. Upočasnitev ritma opazimo v starajočih se ali slabo prekrvavljenih tkivih, povečan ritem opazimo v tkivih z različnimi vrstami vnetij, hormonskimi vplivi, pri tumorjih itd.

REGULACIJA CELIČNEGA CIKLA

Uvod

Aktivacija proliferacije

celični cikel

Regulacija celičnega cikla

Eksogeni regulatorji proliferacije

Endogeni regulatorji celičnega cikla

Regulacijske poti CDK

Regulacija faze G1

Regulacija faze S

Regulacija faze G2

Regulacija mitoze

poškodbe DNK

Poti popravljanja prekinitve dvojne verige DNK

Celični odziv na poškodbo DNA in njegova regulacija

Regeneracija tkiva

Regulacija regeneracije tkiva

Zaključek

Bibliografija

Uvod

Celica je osnovna enota vseh živih bitij. Zunaj celice ni življenja. Razmnoževanje celic poteka samo z delitvijo prvotne celice, pred katero se razmnožuje njen genetski material. Aktivacija celične delitve se pojavi zaradi vpliva zunanjih ali notranjih dejavnikov nanjo. Proces delitve celic od trenutka njene aktivacije imenujemo proliferacija. Z drugimi besedami, proliferacija je množenje celic, tj. povečanje števila celic (v kulturi ali tkivu), do katerega pride z mitotičnimi delitvami. Življenjska doba celice kot take, od delitve do delitve, se običajno imenuje celični cikel.

V telesu odraslega človeka imajo celice različnih tkiv in organov neenakomerno sposobnost delitve. Poleg tega se s staranjem zmanjša intenzivnost celične proliferacije (tj. Interval med mitozami se poveča). Obstajajo populacije celic, ki so popolnoma izgubile sposobnost delitve. To so praviloma celice na končni stopnji diferenciacije, na primer zreli nevroni, zrnati krvni levkociti, kardiomiociti. V zvezi s tem so izjema imunske B- in T-spominske celice, ki so v končni fazi diferenciacije, ko se v telesu pojavi določen dražljaj v obliki predhodno ugotovljenega antigena, lahko začnejo proliferirati. Telo ima nenehno obnavljajoča se tkiva - različne vrste epitelija, hematopoetska tkiva. V takšnih tkivih so celice, ki se nenehno delijo, nadomeščajo izrabljene ali odmirajoče tipe celic (na primer celice črevesne kripte, celice bazalne plasti integumentarnega epitelija, hematopoetske celice kostnega mozga). Tudi v telesu obstajajo celice, ki se v normalnih pogojih ne razmnožujejo, vendar to lastnost ponovno pridobijo pod določenimi pogoji, zlasti ko je potrebna regeneracija tkiv in organov. Proces celične proliferacije je strogo reguliran s strani celice same (regulacija celičnega cikla, prenehanje ali upočasnitev sinteze avtokrinih rastnih faktorjev in njihovih receptorjev) in njenega mikrookolja (pomanjkanje stimulativnih stikov s sosednjimi celicami in matrikom, prenehanje izločanja in/ali sinteze parakrinih rastnih faktorjev). Kršitev regulacije proliferacije vodi v neomejeno delitev celic, kar posledično sproži razvoj onkološkega procesa v telesu.

Aktivacija proliferacije

Glavno funkcijo, povezano z začetkom proliferacije, prevzame plazemska membrana celice. Na njegovi površini se dogajajo dogodki, ki so povezani s prehodom mirujočih celic v aktivirano stanje pred delitvijo. Plazemska membrana celic zaradi receptorskih molekul, ki se nahajajo v njej, zaznava različne zunajcelične mitogene signale in zagotavlja transport v celico potrebnih snovi, ki sodelujejo pri začetku proliferativnega odziva. Mitogeni signali so lahko stiki med celicami, med celico in matriksom, pa tudi interakcija celic z različnimi spojinami, ki spodbujajo njihov vstop v celični cikel in jih imenujemo rastni faktorji. Celica, ki je prejela mitogeni signal za proliferacijo, začne proces delitve.

CELIČNI CIKLUS

Celoten celični cikel je sestavljen iz 4 stopenj: predsintetske (G1), sintetične (S), postsintetske (G2) in lastne mitoze (M). Poleg tega obstaja tako imenovano obdobje G0, ki označuje stanje mirovanja celice. V obdobju G1 imajo celice vsebnost diploidne DNK na jedro. V tem obdobju se začne rast celic, predvsem zaradi kopičenja celičnih proteinov, kar je posledica povečanja količine RNA na celico. Poleg tega se začnejo priprave na sintezo DNK. V naslednjem S-obdobju se količina DNK podvoji in s tem podvoji število kromosomov. Postsintetično fazo G2 imenujemo tudi premitotična. V tej fazi pride do aktivne sinteze mRNA (messenger RNA). Tej fazi sledi dejanska delitev celice na dvoje ali mitoza.

Delitev vseh evkariontskih celic je povezana s kondenzacijo podvojenih (podvojenih) kromosomov. Zaradi delitve se ti kromosomi prenesejo v hčerinske celice. Ta vrsta delitve evkariontskih celic - mitoza (iz grškega mitos - niti) - je edini popoln način za povečanje števila celic. Proces mitotične delitve je razdeljen na več stopenj: profazo, prometafazo, metafazo, anafazo, telofazo.

REGULACIJA CELIČNEGA CIKLA

Namen regulacijskih mehanizmov celičnega cikla ni uravnavanje poteka celičnega cikla kot takega, temveč v končni fazi zagotoviti nemoteno porazdelitev dednega materiala v procesu celičnega razmnoževanja. Regulacija razmnoževanja celic temelji na spremembi stanj aktivne proliferacije in proliferativnega organa. Regulativne dejavnike, ki nadzorujejo razmnoževanje celic, lahko razdelimo v dve skupini: zunajcelične (ali eksogene) in intracelularne (ali endogene). Eksogeni dejavniki se nahajajo v celičnem mikrookolju in medsebojno delujejo na celično površino. Dejavnike, ki jih celica sintetizira sama in delujejo v njej, imenujemo endogeni dejavniki. Takšna razdelitev je zelo poljubna, saj lahko nekateri dejavniki, ki so endogeni glede na celico, ki jih proizvaja, zapustijo celico in delujejo kot eksogeni regulatorji na druge celice. Če regulativni dejavniki delujejo z istimi celicami, ki jih proizvajajo, se ta vrsta nadzora imenuje avtokrino. Pod parakrinim nadzorom sintezo regulatorjev izvajajo druge celice.

REGULATORJI EKSOGENE PROFIRACIJE

V večceličnih organizmih se regulacija proliferacije različnih vrst celic pojavi zaradi delovanja ne enega od rastnih faktorjev, temveč njihove kombinacije. Poleg tega se nekateri rastni faktorji, ki so stimulansi za nekatere vrste celic, v odnosu do drugih obnašajo kot zaviralci. Klasični rastni faktorji so polipeptidi z molekulsko maso 7-70 kDa. Do danes je znanih več kot sto takih rastnih faktorjev. Vendar jih bomo tukaj obravnavali le nekatere.

Morda je največ literature posvečeno trombocitnemu rastnemu faktorju (PDGF). PDGF, ki se sprosti ob uničenju žilne stene, je vključen v procese tromboze in celjenja ran. PDGF je močan rastni faktor za mirujoče fibroblaste. Skupaj s PDGF ni bil nič manj podrobno raziskan epidermalni rastni faktor (EGF), ki je prav tako sposoben stimulirati proliferacijo fibroblastov. Toda poleg tega ima stimulativni učinek tudi na druge vrste celic, zlasti na hondrocite.

Veliko skupino rastnih faktorjev predstavljajo citokini (interlevkini, faktorji tumorske nekroze, kolonije stimulirajoči faktorji itd.). Vsi citokini so polifunkcionalni. Lahko okrepijo ali zavirajo proliferativne odzive. Tako so si na primer različne subpopulacije T-limfocitov CD4+, Th1 in Th2, ki proizvajajo različen spekter citokinov, antagonisti. To pomeni, da citokini Th1 spodbujajo proliferacijo celic, ki jih proizvajajo, vendar hkrati zavirajo delitev celic Th2 in obratno. Tako se običajno v telesu vzdržuje stalno ravnovesje teh dveh vrst T-limfocitov. Interakcija rastnih faktorjev z njihovimi receptorji na celični površini sproži cel kaskado dogajanja znotraj celice. Posledično pride do aktivacije transkripcijskih faktorjev in izražanja genov proliferativnega odziva, kar na koncu sproži replikacijo DNA in vstop celice v mitozo.

ENDOGENI REGULATORJI CELIČNEGA CIKLA

V normalnih evkariontskih celicah je prehod celičnega cikla strogo reguliran. Vzrok onkoloških bolezni je transformacija celic, običajno povezana s kršitvami regulativnih mehanizmov celičnega cikla. Eden od glavnih rezultatov okvarjenega celičnega cikla je genetska nestabilnost, saj celice z okvarjenim nadzorom celičnega cikla izgubijo sposobnost pravilnega podvajanja in porazdelitve svojega genoma med hčerinskimi celicami. Genetska nestabilnost vodi do pridobivanja novih lastnosti, ki so odgovorne za napredovanje tumorja. Od ciklina odvisne kinaze (CDK) in njihove regulatorne podenote (ciklini) so glavni regulatorji celičnega cikla. Prehod celičnega cikla dosežemo z zaporedno aktivacijo in deaktivacijo različnih kompleksov ciklin-CDK. Delovanje kompleksov ciklin-CDK je fosforilacija številnih ciljnih proteinov v skladu s fazo celičnega cikla, v kateri je aktiven en ali drug kompleks ciklin-CDK. Na primer, ciklin E-CDK2 je aktiven v pozni fazi G1 in fosforilira proteine, potrebne za prehod skozi pozno fazo G1 in vstop v fazo S. Ciklin A-CDK2 je aktiven v S in G2 fazi, zagotavlja prehod S faze in vstop v mitozo. Ciklin A in ciklin E sta centralna regulatorja replikacije DNA. Zato napačna regulacija izražanja katerega koli od teh ciklinov povzroči genetsko nestabilnost. Pokazalo se je, da pride do kopičenja jedrnega ciklina A izključno v trenutku, ko celica vstopi v S fazo, tj. v času prehoda G1/S. Po drugi strani pa se je pokazalo, da se ravni ciklina E povečajo po prehodu tako imenovane mejne točke (R-točka) v pozni fazi G1 in se nato znatno zmanjšajo, ko celica vstopi v fazo S.

NAČINI REGULACIJE CDK

Aktivnost ciklin-odvisnih kinaz (CDK) je strogo regulirana z vsaj štirimi mehanizmi:

1) Glavni način regulacije CDK je vezava na ciklin, tj. v prosti obliki kinaza ni aktivna in le kompleks z ustreznim ciklinom ima potrebne aktivnosti.

2) Aktivnost kompleksa ciklin-CDK uravnava tudi reverzibilna fosforilacija. Za pridobitev aktivnosti je potrebna fosforilacija CDK, ki poteka s sodelovanjem CDK aktivirajočega kompleksa (CAK), ki ga sestavljajo ciklin H, CDK7 in Mat1.

3) Po drugi strani pa so v molekuli CDK v območju, ki je odgovorno za vezavo substrata, mesta, katerih fosforilacija vodi do zaviranja aktivnosti kompleksa ciklin-CDK. Ta mesta fosforilira skupina kinaz, vključno s kinazo Wee1, in defosforilirajo fosfataze Cdc25. Aktivnost teh encimov (Wee1 in Cdc25) se močno spreminja glede na različne znotrajcelične dogodke, kot je poškodba DNK.

4) Sčasoma so lahko nekateri kompleksi ciklin-CDK inhibirani zaradi vezave na zaviralce CDK (CKI). Zaviralci CDK so sestavljeni iz dveh skupin proteinov INK4 in CIP/KIP. Zaviralci INK4 (p15, p16, p18, p19) se vežejo na in inaktivirajo CDK4 in CDK6 ter preprečujejo interakcijo s ciklinom D. Zaviralci CIP/KIP (p21, p27, p57) se lahko vežejo na komplekse ciklin-CDK, ki vsebujejo CDK1, CDK2, CDK4 in CDK6. Omeniti velja, da lahko pod določenimi pogoji zaviralci CIP/KIP povečajo aktivnost kinaze kompleksov ciklin D-CDK4/6.

REGULACIJA G 1 FAZA

V fazi G1 se na tako imenovani restrikcijski točki (restrikcije, R-točka) celica odloči, ali jo bo delila ali ne. Restrikcijska točka je točka v celičnem ciklu, po kateri postane celica imuna na zunanje signale do konca celotnega celičnega cikla. Restrikcijska točka razdeli fazo G1 na dva funkcionalno različna koraka: G1pm (postmitotični korak) in G1ps (presintetski korak). Med G1pm celica oceni rastne faktorje, ki so prisotni v njenem okolju. Če so potrebni rastni faktorji prisotni v zadostni količini, gre celica v G1ps. Celice, ki so prešle v obdobje G1ps, nadaljujejo normalen prehod celotnega celičnega cikla tudi v odsotnosti rastnih faktorjev. Če v obdobju G1pm ni potrebnih rastnih faktorjev, celica preide v stanje proliferativnega mirovanja (faza G0).

Glavni rezultat kaskade signalnih dogodkov, ki nastanejo zaradi vezave rastnega faktorja na receptor na celični površini, je aktivacija kompleksa ciklin D-CDK4/6. Aktivnost tega kompleksa se znatno poveča že v zgodnjem obdobju G1. Ta kompleks fosforilira tarče, potrebne za prehod v S fazo. Glavni substrat kompleksa ciklin D-CDK4/6 je produkt gena za retinoblastom (pRb). Nefosforilirani pRb se veže in s tem inaktivira transkripcijske faktorje skupine E2F. Fosforilacija pRb s kompleksi ciklina D-CDK4/6 povzroči sproščanje E2F, ki vstopi v jedro in sproži prevajanje proteinskih genov, potrebnih za replikacijo DNA, zlasti genov za ciklin E in ciklin A. Na koncu G1 fazi pride do kratkotrajnega povečanja količine ciklina E, kar nakazuje kopičenje ciklina A in prehod v S fazo.

Naslednji dejavniki lahko povzročijo zaustavitev celičnega cikla v fazi G1: zvišanje ravni zaviralcev CDK, pomanjkanje rastnih faktorjev, poškodba DNA, zunanji vplivi, onkogena aktivacija.

REGULACIJA S FAZE

S faza je stopnja celičnega cikla, ko pride do sinteze DNK. Vsaka od dveh hčerinskih celic, ki nastaneta na koncu celičnega cikla, mora prejeti natančno kopijo DNK matične celice. Vsako bazo molekule DNK, ki sestavlja 46 kromosomov človeške celice, je treba kopirati le enkrat. Zato je sinteza DNK izjemno strogo regulirana.

Dokazano je, da se lahko podvaja le DNK celic v G1 ali S fazi. To nakazuje, da DNK mora biti<лицензирована>podvajati in da delček DNK, ki je bil podvojen, to izgubi<лицензию>. Replikacija DNA se začne na mestu vezave na beljakovine, imenovanem ORC (Origin of replicating complex). Več komponent, potrebnih za sintezo DNA, se veže na ORC v pozni M ali zgodnji G1 fazi in tvori predreplikacijski kompleks, ki dejansko daje<лицензию>DNK za replikacijo. Na stopnji prehoda G1/S se predrepletivnemu kompleksu doda več proteinov, potrebnih za replikacijo DNA, in tako tvori iniciacijski kompleks. Ko se proces replikacije začne in se oblikujejo replikacijske vilice, se številne komponente ločijo od iniciacijskega kompleksa in na mestu iniciacije replikacije ostanejo samo komponente postreplikacijskega kompleksa.

Številne študije so pokazale, da je za normalno delovanje iniciacijskega kompleksa potrebna aktivnost ciklina A-CDK2. Poleg tega je za uspešen zaključek S faze potrebna tudi aktivnost kompleksa ciklin A-CDK2, ki je pravzaprav glavni regulatorni mehanizem, ki zagotavlja uspešen zaključek sinteze DNA. Zastoj v fazi S lahko povzroči poškodba DNA.

REGULACIJA G 2 FAZA

Faza G2 je faza celičnega cikla, ki se začne po končani sintezi DNK, vendar preden se začne kondenzacija. Glavni regulator prehoda faze G2 je kompleks ciklin B-CDK2. Do zaustavitve celičnega cikla v fazi G2 pride zaradi inaktivacije kompleksa ciklin B-CDK2. Prehod G2/M uravnava kompleks ciklina B-CDK1; njegova fosforilacija/defosforilacija uravnava vstop v fazo M. Poškodba DNK ali prisotnost nepodvojenih regij preprečuje prehod v M fazo.

Cellular širjenje- povečanje števila celic z mitozo,

vodi do rasti tkiva, za razliko od drugega načina za njegovo povečanje

mase (npr. edem). Živčne celice se ne razmnožujejo.

V odraslem organizmu so razvojni procesi, povezani z

z delitvijo in specializacijo celic. Ti procesi so lahko bodisi

majhna fiziološka in je namenjena obnovi or-

ganizem zaradi kršitve njegove celovitosti.

Pomen proliferacije v medicini je določen s sposobnostjo celic

tok različnih tkiv do delitve. Proces celjenja je povezan z delitvijo celic.

celjenje ran in popravilo tkiv po kirurških posegih.

Proliferacija celic je osnova regeneracije (okrevanja)

izgubljeni deli. Problem regeneracije je zanimiv

zdravila, za rekonstruktivno kirurgijo. Razlikovati med fiziološkimi

reparativno in patološko regeneracijo.

Fiziološki– naravno obnovo celic in tkiv v

ontogeneza. Na primer, sprememba rdečih krvnih celic, kožnih epitelijskih celic.

Reparativno- obnova po poškodbi ali smrti lepila

tok in tkiva.

patološko- proliferacija tkiv, ki niso identična zdravim tkivom

njam Na primer, rast brazgotinskega tkiva na mestu opekline, hrustanca - na

mesto zloma, razmnoževanje celic vezivnega tkiva na mestu našega

materničnega vratu tkiva srca, rakavi tumor.

V zadnjem času je običajno deliti celice živalskega tkiva glede na

sposobnost razdelitve v 3 skupine: labilne, stabilne in statične.

Za labilen vključujejo celice, ki se hitro in enostavno posodabljajo

v življenju organizma (krvne celice, epitelij, sluz

ustavijo gastrointestinalni trakt, povrhnjico itd.).

Za stabilno vključujejo celice iz organov, kot so jetra, trebušna slinavka

žleza, žleze slinavke itd., ki zaznajo omejeno

nova sposobnost delitve.

Za statična vključujejo celice miokarda in živčnega tkiva, ki

rž, po mnenju večine raziskovalcev, ne delijo.

Preučevanje celične fiziologije je bistvenega pomena za njeno razumevanje.

togenetska raven organizacije bivanja in mehanizmi samoregulacije

celice, ki zagotavljajo celostno delovanje celotnega organizma.

Poglavje 6

GENETIKA KAKO ZNANOST. PRAVILNOSTI

DEDOVANJE ZNAKI

6.1 Predmet, naloge in metode genetike

Dednost in variabilnost sta temeljni lastnosti

živa bitja, saj so značilni za živa bitja katere koli stopnje organiziranosti

znižanje. Veda, ki proučuje vzorce dednosti in sprememb

vosti, se imenuje genetika.

Genetika kot veda preučuje dednost in dedno

volatilnost, namreč ukvarja co Naslednji težave:

1) shranjevanje genetskih informacij;

2) prenos genetske informacije;

3) implementacija genetske informacije (njegova uporaba v določenem

znaki razvoja organizma pod vplivom zunanjega okolja);

4) sprememba genetske informacije (vrste in vzroki sprememb,

mehanizmi).

Prva faza v razvoju genetike - 1900–1912 Od leta 1900 - ponovno

ki zajema zakone G. Mendela znanstvenikov H. De Vries, K. Correns, E. Cher-

mak. Priznanje G. Mendelovih zakonov.

Druga faza 1912–1925 - ustvarjanje kromosomske teorije T. Mor-

Gana. Tretja faza 1925–1940 - odkritje umetne mutageneze in

genetski procesi evolucije.

Četrta stopnja 1940–1953 - raziskave nadzora genov

fizioloških in biokemičnih procesov.

Peta stopnja od leta 1953 do danes je razvoj molekularne

biologija.

Znani so bili ločeni podatki o dedovanju lastnosti

zelo dolgo pa je bila znanstvena osnova za prenos znakov prva

določil G. Mendel leta 1865 v delu: »Poskusi na rastlini

hibridi." To so bile napredne ideje, vendar sodobniki niso dali

pomen njegovega odkritja. Koncept "gena" takrat še ni obstajal in G. Men-

del je govoril o "dednih nagnjenjih", ki jih vsebujejo spolne celice

kah, vendar je bila njihova narava neznana.

Leta 1900 so neodvisno drug od drugega H. De Vries, E. Chermak in K. Kor-

Rens je ponovno odkril zakone G. Mendela. To leto velja za leto rojstva

genetike kot vede. Leta 1902 so T. Boveri, E. Wilson in D. Setton naredili

Lali je predlagal povezavo dednih dejavnikov s kromosomi.

Leta 1906 je W. Betson uvedel izraz "genetika", leta 1909 pa W. Johansen -

"gen". Leta 1911 je T. Morgan s sodelavci oblikoval glavna načela

zheniya kromosomska teorija dednosti. Dokazali so, da geni

ki se nahajajo v določenih lokusih kromosomov v linearnem vrstnem redu,

določen znak.

Glavne metode genetike: hibridološke, citološke in

matematični. Genetika aktivno uporablja metode drugih sorodnih

vede: kemija, biokemija, imunologija, fizika, mikrobiologija itd.

Celični cikel je obdobje življenja celice od ene delitve do druge ali od delitve do smrti. Celični cikel je sestavljen iz interfaze (obdobje zunaj delitve) in same celične delitve.

Ob koncu obdobja G1 je običajno razlikovati poseben trenutek, imenovan R-točka (restrikcijska točka, R-točka), po katerem celica nujno vstopi v obdobje S v nekaj urah (običajno 1–2). Časovno obdobje med točko R in začetkom obdobja S lahko štejemo za pripravo na prehod v obdobje S.

Najpomembnejši proces, ki poteka v obdobju S, je podvojitev ali reduplikacija DNK. Vse druge reakcije, ki se v tem času dogajajo v celici, so namenjene zagotavljanju sinteze DNK. Takšni pomožni procesi vključujejo sintezo histonskih proteinov, sintezo encimov, ki uravnavajo in zagotavljajo sintezo nukleotidov ter tvorbo novih verig DNA.

Prehod celice skozi vsa obdobja celičnega cikla je strogo nadzorovan. Ko se celice premikajo skozi celični cikel, se v njih pojavijo in izginejo, aktivirajo in zavirajo posebne regulatorne molekule, ki zagotavljajo: 1) prehod celice skozi določeno obdobje celičnega cikla in 2 prehod iz enega obdobja v drugega. Poleg tega je prehod skozi vsako obdobje, kot tudi prehod iz enega obdobja v drugega, nadzorovan z različnimi snovmi. Zdaj bomo poskušali ugotoviti, kaj so te snovi in ​​kaj počnejo.

Splošno stanje je videti takole. Celica stalno vsebuje posebne encimske proteine, ki s fosforilacijo drugih proteinov (z ostanki serina, tirozina ali treonina v polipeptidni verigi) uravnavajo delovanje genov, odgovornih za prehod celice skozi določeno obdobje celičnega cikla. Ti encimski proteini se imenujejo ciklin-odvisne protein kinaze (cdc). Obstaja več vrst, vendar imajo vse podobne lastnosti. Čeprav se število teh od ciklina odvisnih protein kinaz lahko spreminja v različnih obdobjih celičnega cikla, so v celici prisotne stalno, ne glede na obdobje celičnega cikla, to pomeni, da so prisotne v presežku. Z drugimi besedami, njihova sinteza ali količina ne omejuje ali uravnava prehoda celic skozi celični cikel. Če pa je v patologiji njihova sinteza motena, njihovo število zmanjšano ali obstajajo mutirane oblike s spremenjenimi lastnostmi, potem to seveda lahko vpliva na potek celičnega cikla.

Zakaj take od ciklina odvisne protein kinaze same ne morejo regulirati prehoda celic skozi obdobja celičnega cikla. Izkazalo se je, da so v celicah v neaktivnem stanju in da se aktivirajo in začnejo delovati, so potrebni posebni aktivatorji. So ciklini. Tudi njih je veliko različnih vrst, vendar niso vedno prisotne v celicah: pojavijo se in izginejo. V različnih fazah celičnega cikla nastajajo različni ciklini, ki z vezavo na Cdk tvorijo različne komplekse Cdk-ciklin. Ti kompleksi uravnavajo različne faze celičnega cikla in se zato imenujejo G1-, G1/S-, S- in M-Cdk (slika iz mojih slik ciklini). Na primer, prehod celice skozi obdobje G1 celičnega cikla zagotavlja kompleks ciklin-odvisne protein-kinaze-2 (cdk2) in ciklina D1, od ciklina-odvisne protein-kinaze-5 (cdk5) in ciklina D3. Prehod skozi posebno restrikcijsko točko (R-točko) obdobja G1 nadzoruje kompleks cdc2 in ciklina C. Prehod celice iz obdobja G1 celičnega cikla v obdobje S nadzira kompleks cdk2 in ciklin E. Prehod celice iz obdobja S v obdobje G2 zahteva kompleks cdk2 in ciklin A. Od ciklina odvisna protein kinaza-2 (cdc2) in ciklin B sodelujeta pri prehodu celice iz obdobja G2 v mitoza (M obdobje). Ciklin H v povezavi s cdk7 je potreben za fosforilacijo in aktivacijo cdc2 v kompleksu s ciklinom B.

Ciklini so nov razred beljakovin, ki jih je odkril Tim Hunt in igrajo ključno vlogo pri nadzoru celične delitve. Ime "ciklini" se je pojavilo zaradi dejstva, da se koncentracija beljakovin tega razreda občasno spreminja v skladu s stopnjami celičnega cikla (na primer pade pred začetkom delitve celic).

Prvi ciklin je odkril Hunt v zgodnjih osemdesetih letih prejšnjega stoletja, ko je eksperimentiral z jajčeci žab in morskih ježkov. Kasneje so cikline našli tudi pri drugih živih bitjih.

Izkazalo se je, da so se ti proteini med evolucijo malo spremenili, prav tako mehanizem nadzora celičnega cikla, ki je prišel iz preprostih celic kvasovk v človeka v "konzervirani" obliki.

Timothy Hunt (R. Timothy Hunt) je skupaj s kolegom Angležem Paulom M. Nursem in Američanom Lelandom H. Hartwellom leta 2001 prejel Nobelovo nagrado za fiziologijo in medicino za odkritje genetskih in molekularnih mehanizmov regulacije celičnega cikla – procesa ki je bistvenega pomena za rast, razvoj in sam obstoj živih organizmov

Kontrolne točke celičnega cikla

1. Točka izstopa iz G1-faze, imenovana Start - pri sesalcih in restrikcijska točka pri kvasovkah. Po prehodu skozi restrikcijsko točko R na koncu G1 postane začetek S ireverzibilen, tj. sprožijo se procesi, ki vodijo do naslednje celične delitve.
2. Točka S - preverjanje točnosti replikacije.

3. Točka G2/M-prehod - preverjanje zaključka replikacije.
4. Prehod iz metafaze v anafazo mitoze.

Regulacija replikacije

Pred začetkom replikacije Sc se kompleks ORC (kompleks za prepoznavanje izvora) nahaja na ori, izvoru replikacije. Cdc6 je prisoten v celotnem celičnem ciklu, vendar se njegova koncentracija poveča na začetku G1, kjer se veže na kompleks ORC, ki se mu nato pridružijo proteini Mcm in tvorijo predreplikacijski kompleks (pre-RC). Po sestavi pred RC je celica pripravljena za replikacijo.

Za začetek replikacije se S-Cdk veže na protein kinazo (?), ki fosforilira pre-RC. Hkrati se Cdc6 po začetku replikacije disociira od ORC in se fosforilira, nakar ga SCF ubikvitinira in razgradi. Spremembe pre-RC preprečujejo ponovni zagon podvajanja. S-Cdk tudi fosforilira nekatere proteinske komplekse Mcm, kar sproži njihov izvoz iz jedra. Kasnejša defosforilacija proteinov bo ponovno sprožila proces tvorbe pred RC.

Ciklini so aktivatorji Cdk. Ciklini, kot tudi Cdks, so poleg nadzora celičnega cikla vključeni v različne procese. Ciklini so glede na čas delovanja v celičnem ciklu razdeljeni v 4 razrede: G1 / S, S, M in G1 ciklini.
Ciklini G1/S (Cln1 in Cln2 pri S. cerevisiae, ciklin E pri vretenčarjih) dosežejo vrh v pozni fazi G1 in padejo v fazi S.

Kompleks G1/S ciklin–Cdk sproži začetek replikacije DNA z izklopom različnih sistemov, ki zavirajo Cdk faze S v fazi G1. Ciklini G1/S prav tako sprožijo podvajanje centrosomov pri vretenčarjih in tvorbo vretenastega telesa pri kvasovkah. Padec ravni G1/S spremlja povečanje koncentracije S ciklinov (Clb5, Clb6 pri Sc in ciklin A pri vretenčarjih), ki tvorijo kompleks S ciklin-Cdk, ki neposredno stimulira replikacijo DNA. Raven S ciklina ostaja visoka v fazah S, G2 in začetku mitoze, kjer pomaga pri začetku mitoze v nekaterih celicah.

M-ciklini (Clb1,2,3 in 4 pri Sc, ciklin B pri vretenčarjih) se pojavijo zadnji. Njegova koncentracija se poveča, ko gre celica v mitozo in doseže svoj maksimum v metafazi. Kompleks M-ciklin-Cdk vključuje sklop vretena in poravnavo sestrske kromatide. Njegovo uničenje v anafazi vodi do izstopa iz mitoze in citokineze. Ciklini G1 (Cln3 pri Sc in ciklin D pri vretenčarjih) pomagajo pri usklajevanju rasti celic z vstopom v nov celični cikel. Nenavadni so, ker se njihova koncentracija ne spreminja s fazo celičnega cikla, ampak se spreminja kot odziv na zunanje regulatorne signale rasti.

Programirana celična smrt

Leta 1972 sta Kerr et al. objavili članek, v katerem so avtorji predstavili morfološke dokaze o obstoju posebne vrste celične smrti, ki se razlikuje od nekroze in so jo poimenovali "apoptoza". Avtorji poročajo, da gredo strukturne spremembe v celicah med apoptozo skozi dve stopnji:

1. - tvorba apoptotičnih teles,

2. - njihova fagocitoza in uničenje drugih celic.

Vzroki smrti, procesi morfološke in biokemične narave razvoja celične smrti so lahko različni. Vendar jih je mogoče jasno razdeliti v dve kategoriji:

1. Nekroza (iz grške pekroze - nekroza) in

2. Apoptoza (iz grških korenin, kar pomeni "odpadanje" ali "razpad"), ki se pogosto imenuje programirana celična smrt (PCD) ali celo celični samomor (slika 354).

Dve poti celične smrti

a – apoptoza (izrazita celična smrt): / – specifično krčenje celice in kondenzacija kromatina, 2 – fragmentacija jedra, 3 – fragmentacija celičnega telesa na več apoptotičnih telesc; b - nekroza: / - otekanje celice, vakuolarne komponente, kondenzacija kromatina (karioreksija), 2 - nadaljnje otekanje membranskih organelov, liza jedrnega kromatina (karioliza), 3 - raztrganje membranskih komponent celice - liza celice.

N. je najpogostejša nespecifična oblika celične smrti. Lahko ga povzroči huda poškodba celice kot posledica neposredne travme, sevanja, izpostavljenosti toksičnim sredstvom zaradi hipoksije, s komplementom posredovane celične lize itd.

Nekrotični proces poteka skozi več stopenj:

1) paranekroza - podobna nekrotičnim, vendar reverzibilnim spremembam;

2) nekrobioza - ireverzibilne distrofične spremembe, za katere je značilna prevlada katabolnih reakcij nad anaboličnimi;

3) celična smrt, katere čas začetka je težko določiti;

4) avtoliza - razgradnja mrtvega substrata pod delovanjem hidrolitičnih encimov mrtvih celic in makrofagov. V morfološkem smislu je nekroza enakovredna avtolizi.

Kljub ogromnemu številu del še ni enotne in natančne definicije pojma "apoptoza".

Aloptozo običajno označujemo kot posebno obliko celične smrti, ki se od nekroze razlikuje po morfoloških, biokemičnih, molekularno genetskih in drugih značilnostih.

A. je celična smrt, ki jo povzročijo notranji ali zunanji signali, ki sami po sebi niso strupeni ali uničujoči. A. je aktiven proces, ki zahteva energijo, transkripcijo genov in sintezo beljakovin denovo.

Poleg sevanja in glukokortikoidov je bilo ugotovljeno veliko število učinkovin, ki povzročajo apoptozo teh celic:

Ca2+ ionoforji

adenozin

Ciklični AMP

Tributilkositer

hipertermija

Študija kinetike razgradnje DNK v limfoidnih celicah in vivo in in vitro je pokazala:

Prvi izraziti znaki razpadanja se praviloma pojavijo več kot 1 uro po izpostavljenosti, pogosteje do konca 2. ure.

Internukleosomska fragmentacija se nadaljuje več ur in se konča večinoma 6, redkeje 12 ur po izpostavljenosti.

Takoj po začetku razgradnje analiza razkrije veliko število majhnih fragmentov DNK, razmerje med velikimi in majhnimi fragmenti pa se med apoptozo bistveno ne spremeni.

Uporaba zaviralcev sinteze ATP, proteinov in transkripcije genov upočasni proces apoptoze. V primeru N. te odvisnosti ni.

Kot je razvidno iz primerjave definicij nekroze in apoptoze, obstajajo tako podobnosti kot pomembne razlike med obema vrstama celične smrti.

Značilno	Nekroza	apoptoza
funkcionalno		nepovratna prekinitev njenega življenja;
morfološko	kršitev celovitosti membran, spremembe v jedru (piknoza, reksa, liza), citoplazmi (edem), uničenje celice;	izguba mikrovil in medceličnih stikov, kondenzacija kromatina in citoplazme, zmanjšanje volumna celice (krčenje), tvorba veziklov iz plazemske membrane, fragmentacija celic in tvorba apoptotičnih telesc;
biokemično	motnje proizvodnje energije, koagulacije, hidrolitične cepitve beljakovin, nukleinskih kislin, lipidov;	hidroliza citoplazemskih proteinov in internukleosomska razgradnja DNA;
genetsko	- izguba genetske informacije; in doseže vrhunec v njegovi avtolizi ali heterolizi z vnetno reakcijo.	strukturna in funkcionalna preureditev genetskega aparata in doseže vrhunec v njegovi absorpciji s strani makrofagov in (ali) drugih celic brez vnetne reakcije.

Celično smrt uravnavajo medcelične interakcije na različne načine. Mnoge celice v večceličnem organizmu potrebujejo signale, da ostanejo žive. Če takih signalov ali trofičnih dejavnikov ni, celice razvijejo program "samomora" ali programirane smrti. Na primer, celice nevronske kulture odmrejo v odsotnosti nevronskega rastnega faktorja (NGF), celice prostate odmrejo v odsotnosti androgenov v modih, celice dojk odmrejo, ko pade raven hormona progesterona itd. Hkrati lahko celice prejmejo signale, ki sprožijo procese v ciljnih celicah, ki vodijo v smrt z apoptozo. Tako hidrokortizon povzroči odmiranje limfocitov, glutamat pa odmiranje živčnih celic v tkivni kulturi, faktor tumorske nekroze (TNF) povzroči odmiranje različnih celic. Tiroksin (ščitnični hormon) povzroči apoptozo celic repa paglavca. Poleg tega obstajajo situacije, ko apoptotično celično smrt povzročijo zunanji dejavniki, kot je sevanje.

Koncept "apoptoze" je bil uveden v študiji smrti nekaterih jetrnih celic z nepopolno ligacijo portalne vene. V tem primeru opazimo svojevrstno sliko celične smrti, ki prizadene le posamezne celice jetrnega parenhima.

Proces se začne z dejstvom, da sosednje celice izgubijo stik, zdi se, da se skrčijo (prvotno ime za to obliko smrti je shrinkagenecrosis - nekroza s stiskanjem celic), v jedrih vzdolž njihove periferije pride do specifične kondenzacije kromatina, nato pa jedro se razdrobi na ločene dele, nato pa se celica sama razdrobi na posamezna telesa, ki jih ločuje plazemska membrana, - apoptotična telesa.

Apoptoza je proces, ki ne vodi do lize, ne do raztapljanja celice, ampak do njene fragmentacije, razpada. Nenavadna je tudi usoda apoptotičnih telesc: fagocitirajo jih makrofagi ali celo normalne sosednje celice. V tem primeru se vnetna reakcija ne razvije.

Pomembno je omeniti, da je v vseh primerih apoptoze, bodisi med embrionalnim razvojem, bodisi v odraslem organizmu, v normalnih ali patoloških procesih, morfologija procesa celične smrti zelo podobna. To lahko kaže na podobnost procesov apoptoze v različnih organizmih in v različnih organih.

Študije na različnih predmetih so pokazale, da je apoptoza posledica izvajanja gensko programirane celične smrti. Prvi dokaz o prisotnosti genetskega programa za celično smrt (PCD) je bil pridobljen s preučevanjem razvoja ogorčice Caenorhabditiselegans. Ta črv se razvije v samo treh dneh, njegova majhnost pa omogoča sledenje usode vseh njegovih celic, od zgodnjih faz cepitve do spolno zrelega organizma.

Izkazalo se je, da med razvojem Caenorhabditiselegans nastane le 1090 celic, od tega del živčnih celic v količini 131 kosov spontano odmre z apoptozo, 959 celic pa ostane v telesu. Najdeni so bili mutanti, pri katerih je bil moten proces izločanja 131 celic. Ugotovljena sta bila dva gena ced-3 in ced-4, katerih produkti povzročajo apoptozo v 131 celicah. Če teh genov ni ali so spremenjeni v mutiranem Caenorhabditiselegans, potem ne pride do apoptoze in odrasli organizem je sestavljen iz 1090 celic. Našli so tudi drug gen, ced-9, ki je supresor apoptoze: ko je ced-9 mutiran, odmre vseh 1090 celic. Analog tega gena je bil najden pri ljudeh: gen bcl-2 je tudi zaviralec apoptoze v različnih celicah. Izkazalo se je, da imata oba proteina, kodirana s temi geni, Ced-9 in Bc1-2, eno transmembransko domeno in sta lokalizirana v zunanji membrani mitohondrijev, jeder in endoplazmatskega retikuluma.

Izkazalo se je, da je razvojni sistem apoptoze pri ogorčicah in vretenčarjih zelo podoben, sestavljen je iz treh členov: regulatorja, adapterja in efektorja. Pri Caenorhabditiselegans je regulator Ced-9, ki blokira adapterski protein Ced-4, ta pa ne aktivira efektorskega proteina Ced-3, proteaze, ki deluje na citoskeletne in jedrske proteine ​​(tabela 16).

Tab. 16. Razvoj programirane celične smrti (apoptoza)

Znak ──┤ - zaviranje procesa, znak ─→ - stimulacija procesa

Pri vretenčarjih je sistem PCD bolj zapleten. Tu je regulator protein Bc1–2, ki zavira adapterski protein Apaf‑1, ki spodbuja aktivacijsko kaskado posebnih proteinaz, kaspaz.

Encimi - udeleženci v procesu apoptoze

V to smer,

Ko se začne v celici, se taka razgradnja hitro nadaljuje »do konca«;

Vse celice ne vstopijo v apoptozo naenkrat ali v kratkem času, temveč postopoma;

Do prekinitev DNA pride vzdolž povezovalne (internukleosomske) DNA;

Razgradnjo izvajajo endo-, ne pa eksonukleaze, te endonukleaze pa se aktivirajo ali pridobijo dostop do DNK ne kot posledica neposredne interakcije s sredstvom, ki inducira apoptozo, ampak posredno, saj od trenutka stika preteče kar precej časa. celic s takšnim sredstvom do začetka razgradnje, zato fragmentacija DNA ni prvi značilen "apoptotični" odziv celice na molekularni ravni. Če bi se namreč razgradnja sprožila kot posledica neposredne interakcije endonukleaz ali kromatina s sredstvom, bi na primer v primeru delovanja ionizirajočega sevanja prišlo do apoptoze hitro in sočasno v skoraj vseh celicah.

Na podlagi teh zaključkov se je dešifriranje molekularnega mehanizma razvoja apoptoze »osredotočilo« na identifikacijo endonukleaze(-e), ki izvajajo fragmentacijo DNA in mehanizmov, ki aktivirajo endonukleaze.

Endonukleaze

1. Razgradnjo izvaja DNaza I. Proces aktivirata Ca2+ in Mg2+, inhibira pa Zn2+.

Vendar pa obstajajo dejstva, ki pričajo proti vpletenosti DNaze I v proces fragmentacije DNK. Tako je znano, da tega encima v jedru ni, vendar ta argument ni zelo tehten, saj je zaradi relativno majhne velikosti njegovih molekul, 31 kDa, vpletenost DNaze I v razgradnjo DNK povsem realna v primeru kršitev prepustnosti jedrske membrane. Druga stvar je, da med in vitro obdelavo kromatina DNaza I povzroči prekinitve ne samo v delu povezovalca, ampak tudi v nukleosomski DNA.

2. Druga endonukleaza, ki velja za glavni encim za razgradnjo DNA, je endonukleaza II [Barry 1993]. Ta nukleaza pri obdelavi jeder in kromatina izvede internukleosomsko fragmentacijo DNA. Kljub dejstvu, da njegova aktivnost ni odvisna od dvovalentnih kovinskih ionov, vprašanje sodelovanja endonukleaze II pri razgradnji DNA do sedaj ni rešeno, saj se encim ne nahaja le v lizosomih, ampak se sprošča tudi iz celičnih jeder.

3. endonukleaza z molekulsko maso 18 kDa. Ta encim je bil izoliran iz jeder podganjih timocitov, ki so umrli zaradi apoptoze [Gaido, 1991]. V normalnih timocitih ga ni bilo. Aktivnost encima se kaže v nevtralnem okolju in je odvisna od Ca2+ in Mg2+.

4. γ-nukleaza z molekulsko maso 31 kDa, ki ima "klasično" odvisnost od ionov Ca, Mg in Zn. Aktivnost tega encima je bila povečana v jedrih timocitov podgan, zdravljenih z glukokortikoidi.

5. endonukleaza z molekulsko maso 22,7 kDa encim, katerega aktivnost se v jedrih podganjih timocitov pokaže šele po delovanju glukokortikoidov in jo zavirajo isti inhibitorji kot internukleosomsko razgradnjo DNA.

Kaspaze so cisteinske proteaze, ki cepijo beljakovine na asparaginsko kislino. V celici se kaspaze sintetizirajo v obliki latentnih prekurzorjev, prokaspaz. Obstajajo iniciacijske in efektorske kaspaze. Iniciacijske kaspaze aktivirajo latentne oblike efektorskih kaspaz. Več kot 60 različnih proteinov služi kot substrat za delovanje aktiviranih kaspaz. To je na primer kinaza fokalnih adhezijskih struktur, katere inaktivacija vodi do ločitve apoptotičnih celic od njihovih sosedov; to so lamini, ki se pod delovanjem kaspaz razgradijo; to so citoskeletni proteini (intermediarni filamenti, aktin, gelsolin), katerih inaktivacija vodi do spremembe oblike celice in pojava mehurčkov na njeni površini, iz katerih nastanejo apoptotična telesca; gre za aktivirano CAD proteazo, ki cepi DNK na oligonukleotidne nukleosomske fragmente; to so encimi za popravljanje DNK, katerih supresija onemogoča obnovo strukture DNK, in številni drugi.

Eden od primerov razvoja apoptotičnega odziva bi bil odziv celice na odsotnost signala zahtevanega trofičnih faktorjev, kot je živčni rastni faktor (NGF) ali androgen.

V citoplazmi celic v prisotnosti trofičnih faktorjev je drugi udeleženec reakcije, fosforilirani Bad protein, v neaktivni obliki. V odsotnosti trofičnega faktorja je ta protein defosforiliran in se veže na protein Bc1–2 na zunanji mitohondrijski membrani, s čimer zavira njegove antiapoptotične lastnosti. Po tem se aktivira membranski proapoptotični protein Bax, ki odpre pot ionom v mitohondrije. Istočasno se citokrom c sprosti iz mitohondrijev skozi pore, nastale v membrani, v citoplazmo, ki se veže na adapterski protein Apaf-1, ta pa aktivira prokaspazo 9. Aktivirana kaspaza 9 sproži kaskado drugih pro-kaspaze, vključno s kaspazo 3, ki kot proteinaze začnejo prebavljati mešane beljakovine (lamine, citoskeletne beljakovine itd.), Kar povzroči apoptotično celično smrt, njen razpad na dele, v apoptotična telesa.

Apoptotična telesca, obdana s plazemsko membrano uničene celice, pritegnejo posamezne makrofage, ki jih zajamejo in prebavijo s svojimi lizosomi. Makrofagi ne reagirajo na sosednje normalne celice, ampak prepoznajo apoptotične. To je posledica dejstva, da se med apoptozo poruši asimetrija plazemske membrane in se na njeni površini pojavi fosfatidilserin, negativno nabit fosfolipid, ki se običajno nahaja v citosolnem delu bilipidne plazemske membrane. Tako se s selektivno fagocitozo tkiva tako rekoč očistijo odmrlih apoptotičnih celic.

Kot že omenjeno, lahko apoptozo povzročijo številni zunanji dejavniki, kot so sevanje, delovanje nekaterih toksinov in zaviralci celičnega metabolizma. Nepopravljiva poškodba DNK povzroči apoptozo. To je posledica dejstva, da akumulacijski transkripcijski faktor, protein p53, ne samo aktivira protein p21, ki zavira od ciklina odvisno kinazo in ustavi celični cikel v G1- ali G2-fazi, ampak tudi aktivira izražanje gen bax, katerega produkt sproži apoptozo.

Prisotnost kontrolnih točk v celičnem ciklu je potrebna za določitev zaključka vsake faze. Do zaustavitve celičnega cikla pride pri poškodbi DNK v obdobju G1, pri nepopolni replikaciji DNK v fazi S, pri poškodbi DNK v obdobju G2 in pri moteni povezavi delitvenega vretena s kromosomi.

Ena od kontrolnih točk v celičnem ciklu je sama mitoza, ki ne preide v anafazo, če vreteno ni pravilno sestavljeno in če ni popolnih povezav med mikrotubuli in kinetohorami. V tem primeru ne pride do aktivacije kompleksa APC, do razgradnje kohezinov, ki povezujejo sestrske kromatide, in do razgradnje mitotskih ciklinov, ki so nujni za prehod v anafazo.

Poškodba DNK preprečuje celicam vstop v S-obdobje ali mitozo. Če te poškodbe niso katastrofalne in jih je mogoče obnoviti s pomočjo reparativne sinteze DNA, se blokada celičnega cikla odstrani in cikel se konča. Če je poškodba DNK velika, pride nekako do stabilizacije in kopičenja proteina p53, katerega koncentracija je zaradi njegove nestabilnosti običajno zelo nizka. Protein p53 je eden od transkripcijskih faktorjev, ki stimulira sintezo proteina p21, ki je zaviralec kompleksa CDK-ciklin. To povzroči, da se celični cikel ustavi na stopnji G1 ali G2. Pri blokadi v obdobju G1 celica s poškodovano DNA ne preide v S-fazo, saj bi to lahko povzročilo pojav mutantnih celic, med katerimi so lahko tudi tumorske celice. Blokada v obdobju G2 preprečuje tudi proces mitoze celic s poškodbo DNA. Takšne celice z blokiranim celičnim ciklusom nato odmrejo z apoptozo, programirano celično smrtjo (slika 353).

Z mutacijami, ki vodijo do izgube genov za protein p53, ali z njihovimi spremembami ne pride do blokade celičnega cikla, celice vstopijo v mitozo, kar vodi do pojava mutiranih celic, od katerih večina ni sposobnih preživetja, druge pa povzročijo maligne celice.

Pogost vzrok apoptoze je tudi selektivna poškodba mitohondrijev, pri kateri se citokrom c sprosti v citoplazmo. Mitohondrije in druge celične komponente še posebej prizadene tvorba toksičnih reaktivnih kisikovih spojin (ATC), pod delovanjem katerih se v notranji mitohondrijski membrani tvorijo nespecifični kanalčki z visoko ionsko prepustnostjo, zaradi česar mitohondrijski matriks nabrekne in se poči zunanja membrana. Hkrati beljakovine, raztopljene v medmembranskem prostoru, skupaj s citokromom c preidejo v citoplazmo. Med sproščenimi proteini so dejavniki, ki aktivirajo apoptozo, in pro-kaspaza 9.

Številni toksini (ricin, davični toksin itd.), kot tudi antimetaboliti, lahko povzročijo celično smrt z apoptozo. Ko je sinteza beljakovin v endoplazmatskem retikulumu motena, je tam lokalizirana prokaspaza 12 vključena v razvoj apoptoze, ki aktivira številne druge kaspaze, vključno s kaspazo 3.

Izločanje – odstranitev posameznih celic z apoptozo, opazimo tudi pri rastlinah. Tukaj apoptoza vključuje, tako kot v živalskih celicah, indukcijsko fazo, efektorsko fazo in fazo razgradnje. Morfologija odmiranja rastlinskih celic je podobna spremembam v živalskih celicah: kondenzacija kromatina in jedrna fragmentacija, oligonukleotidna razgradnja DNA, krčenje protoplasta, njegova fragmentacija v vezikle, razpad plazmodezmatov itd. Vendar protoplastne vezikle uničijo hidrolaze samih veziklov, saj rastline nimajo celic, analognih fagocitom. Tako se PCD pojavi med rastjo celic koreninskih pokrovčkov, med nastajanjem perforacij v listih ter med nastajanjem ksilema in floema. Padec listov je povezan s selektivno smrtjo celic na določenem območju rezanja.

Biološka vloga apoptoze ali programirane celične smrti je zelo velika: gre za odstranitev celic, ki so izdelale svoje ali so v dani fazi razvoja nepotrebne, pa tudi za odstranitev spremenjenih ali patoloških celic, zlasti mutantnih. ali okuženi z virusi.

Torej, da bi celice obstajale v večceličnem organizmu, so potrebni signali za njihovo preživetje - trofični dejavniki, signalne molekule. Ti signali se lahko prenašajo na daljavo in jih ujamejo ustrezne receptorske molekule na tarčnih celicah (hormonsko, endokrino signaliziranje), lahko gre za parakrino povezavo, ko se signal prenese na sosednjo celico (npr. prenos nevrotransmiterja) . Če takšnih trofičnih dejavnikov ni, se izvaja program apoptoze. Hkrati lahko apoptozo sprožijo signalne molekule, na primer med resorpcijo repa paglavcev pod delovanjem tiroksina. Poleg tega lahko delovanje številnih toksinov, ki vplivajo na posamezne člene celičnega metabolizma, povzroči tudi odmiranje celic z apoptozo.

Apoptoza v patogenezi bolezni

1. V imunskem sistemu

2. ONKOLOŠKE BOLEZNI

3. VIRUSNA OKUŽBA (sprožitev apoptoze: c. humana imunska pomanjkljivost, c. anemija pri piščancih; zaviranje apoptoze: citomegalovirus, c. Epstein-Barr, c. herpes)

4. A. in NEVRONI MOŽGANSKE SKORJE

NAČELA KOREKCIJE CELIČNE APOPTOZE

Odkritje urejenega procesa celične smrti – apoptoze – je omogočilo na določen način vplivati ​​na njene posamezne stopnje z namenom uravnavanja oziroma korekcije.

Biokemične procese razvoja apoptoze lahko hipotetično razdelimo na več stopenj:

Delovanje dejavnika, ki povzroča apoptozo;

Prenos signala od receptorske molekule do celičnega jedra;

Aktivacija genov, specifičnih za apoptozo;

Sinteza proteinov, specifičnih za apoptozo

Aktivacija endonukleaz

Fragmentacija DNK (slika 2.4).

Trenutno velja, da če celica odmre z apoptozo, potem obstaja možnost terapevtskega posega, če pa zaradi nekroze, potem je takšen poseg nemogoč. Na podlagi poznavanja regulacije programirane celične smrti se uporablja široka paleta zdravil za vplivanje na ta proces v različnih vrstah celic.

Tako se informacije o receptorsko posredovani regulaciji celične apoptoze upoštevajo pri zdravljenju hormonsko odvisnih tumorjev.

Zdravljenje z zaviralci androgenov je predpisano za raka prostate.

Rak dojk se pogosto umiri z uporabo antagonistov estrogenskih receptorjev.

Podatki o biokemičnih signalnih poteh regulacije apoptoze omogočajo učinkovito uporabo antioksidativne terapije, zdravil, ki uravnavajo koncentracijo kalcija, aktivatorjev ali zaviralcev različnih protein kinaz itd. za korekcijo apoptoze v različnih vrstah celic.

Zavedanje vloge apoptoze pri celični smrti je okrepilo iskanje farmakoloških učinkov, ki ščitijo celice pred apoptozo.

Inhibitorji specifičnih proteaz se aktivno proučujejo kot farmakološka sredstva. To so praviloma tri- ali tetrapeptidi, ki vsebujejo asparaginsko kislino (Asp). Uporaba takih proteaz v terapevtske namene je omejena zaradi njihove nizke sposobnosti prodiranja v celico. Vendar pa je bil kljub temu Z-VAD-FMK, zaviralec širokega spektra ICE podobnih proteaz, uspešno uporabljen v poskusih in vivo za zmanjšanje območja infarkta v modelu možganske kapi.

V naslednjih letih lahko pričakujemo pojav novih zdravil za zdravljenje in preprečevanje različnih bolezni, katerih osnova bo princip regulacije procesov apoptoze.

Najučinkovitejši pristopi za korekcijo apoptoze so tisti, ki so povezani z regulacijo za apoptozo specifičnih genov. Ti pristopi so osnova genske terapije, enega od obetavnih področij zdravljenja bolnikov z boleznimi, ki jih povzroča moteno delovanje posameznih genov.

Načela genske terapije vključujejo naslednje korake:

Identifikacija zaporedja DNK, ki ga je treba zdraviti;

Določitev vrste celic, v katerih se bo izvajalo zdravljenje;

Zaščita DNK pred hidrolizo z endonukleazami;

Transport DNK v celico (jedro).

Pristopi genske terapije omogočajo

Izboljšanje delovanja posameznih genov (transformacija genov, ki zavirajo apoptozo, kot je gen bcl-2),

Oslabi njihov izraz. Za selektivno inhibicijo izražanja genov se trenutno uporablja tehnika protismiselnih oligonukleotidov (antisense). Uporaba antisensov zmanjša sintezo določenih proteinov, kar vpliva na regulacijo procesa apoptoze.

Mehanizem delovanja antisensea se aktivno proučuje. V nekaterih primerih lahko kratki (13–17 baz) protismiselni oligonukleotidi, ki imajo sekvence, komplementarne nukleotidnim sekvencam messenger RNA (mRNA) posameznih proteinov, učinkovito blokirajo genetske informacije na stopnji pred transkripcijo (slika 2.5). Ti oligonukleotidi, ki se vežejo na DNA, tvorijo trojno vijačno strukturo. Takšna vezava je lahko ireverzibilna ali pa povzroči selektivno cepitev tripletnega kompleksa, kar končno vodi do zaviranja izražanja genov in celične smrti. V drugih primerih pride do komplementarne vezave protismiselne snovi na mRNA, kar povzroči motnje prevoda in zmanjšanje koncentracije ustreznega proteina.

kompleks tripletov

riž. Regulacija izražanja genov s protismiselnimi oligonukleotidi.

Sedaj je bilo prepričljivo dokazano, da je protismiselna tehnologija velikega pomena za regulacijo posameznih genov v celični kulturi. Uspešno zatiranje gena bcl-2 v poskusih celične kulture vzbuja upanje za prihodnjo uporabo protismiselnosti za zdravljenje bolnikov z rakom. Številni poskusi in vitro so pokazali, da antisensi povzročajo zaviranje celične proliferacije in diferenciacije. Ta rezultat potrjuje možnosti za terapevtsko uporabo te tehnologije.