Контроль клеточного цикла

Ранее мы узнали о SOS ответе, который запускается в ответ на повреждения ДНК и который сам ответственен за изменение (мутагенез) генетической информации.

Один из компонентов SOS системы, белок SulA, блокирует клеточное деление, тем самым предотвращая перенос поврежденной или неполной генетической информации в дочерние клетки. SulA останавливает клеточный цикл только на время, пока ДНК репарация не завершится: такое поведение известно как контрольная точка клеточного цикла (своего рода контрольно-пропускной пункт, без прохождения которого дальнейшее продвижение по циклу невозможно).

---

Первая непосредственная формулировка понятия "контрольная точка" пришла c исследованиями Вайнерта (Weinert) и Хартвела (Hartwell) в 1988 году, они изучали белок дрожжей RAD9, во многом аналогичный белку бактерий SulA. RAD9 блокирует клеточное деление до тех пор, пока индуцированное излучением повреждение не будет восстановлено. Однако, RAD9, в отличие от SulA, является частью сложной сети белков, которые постоянно отслеживают статус генома и передают данную информацию в другу сеть, контролирующую продвижение по клеточному циклу эукариотической клетки.

Эукариотический клеточный цикл имеет следующие фазы:

• G1, первая фаза роста.
• S, ДНК репликация (синтез).
• G2, вторая фаза роста.
• M, фаза митоза (деления).

Главный принцип работы контрольных точек — передача информации о задержках, ошибках, повреждениях в репликации генома или других аспектах клеточного развития (например, формировании дочерних клеток) к клеточным реакциям, контролирующим переход из одной стадии клеточного цикла в другую. Сигналы такого рода останавливают клеточный цикл на любом этапе до разделения двух клеток и предотвращают формирование нежизнеспособной дочерней клетки.

Как и с репликацией ДНК, осмысленный контроль, но не механическая точность, обеспечивает надежность клеточного деления.

Иногда утверждается, что хромосомное распределение в митозе случайно, так как нельзя предугадать, какая из двух хромосомных копий перейдет в каждую конкретную клетку. Но, так как одна и только одна хромосомная копия переходит в каждую из двух дочерних клеток, процесс этот является чрезвычайно не случайным. Если распределение хромосом было бы действительно случайно, только 50% клеточных делений давали бы потомство с одной копией каждой удвоенной хромосомы в каждой дочерней клетке. Для дрожжей, Saccharomyces cerevisiae, с 16 хромосомами случайное распределение означало бы, что только 1/2¹⁶ < 1/32 000 делений приводило бы к двум полноценным дочерним клеткам с полным генетическим набором.

Функция веретена деления — обеспечить каждую из дочерних клеток лишь одной копией каждой хромосомы, гарантировать каждой клетке полный геном. Это — контрольная точка, функционирование которой ныне хорошо изучено. Нити веретена деления (микротрубочки, филаменты) прикрепляются к кинетохору на центральной части удвоенной копии хромосомы (обе копии при этом остаются связанными друг с другом). Если каждый из кинетохоров сестринских хромосом (иногда их называют хроматидами) прикреплен к нитям, исходящим из противоположных полюсов веретена деления, происходит правильное расщепление хромосом по дочерним клеткам, так как создается сбалансированное натяжение на хроматидах и сигнала контрольной точки не поступает. Если же хроматиды неправильно прикреплены к веретену деления или обе хроматиды прикреплены к одному и тому же полюсу, баланс сил натяжения нарушается и контрольная точка останавливает цикл. Правильное распределение генома между дочерними клетками в норме достигает колоссальной эффективности (> 99.99%) за счет такого механизма мониторинга и коммуникации.

---

Словарь

Клеточный цикл — период существования клетки от ее формирования в результате деления материнской клетки до ее собственного деления или гибели.

Митоз — специальное деление клетки, при котором достигается равномерное распределение генетической информации между дочерними клетками.

Веретено деления — специальное нитевидное образование, обеспечивающее равномерное распределение хромосом между дочерними клетками в митозе.

Кинетохор — структура на хромосоме, к которой крепятся нити веретена деления.

Литература

Полный список литературы здесь.

Про белок SulA:

• Huisman O., D'Ari R., and Gottesman S. Cell-division control in Escherichia coli: specific induction of the SOS function SfiA protein is sufficient to block septation. Proc Natl Acad Sci USA 81, 4490–4 (1984).
• Higashitani A., Higashitani N. and Horiuchi K. A cell division inhibitor SulA of Escherichia coli directly interacts with FtsZ trough GTP hydrolysis. Biochem Biophys Res Commun 209, 198–204 (1995).
• Hartwell L. and Weinert TA. Checkpoints: controls that ensure the order of cell cycle events. Science 246, 629–634 (1989).

RAD9:

• Weinert TA. and Hartwell L.H. The RAD9 gene controls the cell cycle response to DNA damage in Saccharomyces cerevisiae. Science 241, 317–22 (1988).

Клеточный цикл (популярно):

• Mazia D. The Cell Cycle. Sci Am 230, 54–64 (1974).
• Murray A. and Kirschner M. What controls the cell cycle. Sci Am 264, 56–63 (1991).
• Weinberg R.A. How cancer arises. Sci Am 275, 62–70 (1996).

Веретено деления (популярные статьи):

• McIntosh J.R. and McDonald K.L. The Mitotic Spindle. Sci Am 261, 48–56 (1989).
• How cells get the right chromosomes. Science 275, 632–7 (1997).
• Glober D.M, Gonzalez C. and Raff J.W. The Centrosome. Sci Am 268, 62–68 (1993).