Клеточный цикл млекопитающих

При изучении организации событий во время роста и цикла деления клеток млекопитающих было использовано множество различных типов клеток от клеток почки детеныша хомячка до принадлежащих человеку клеток выделенных из опухоли шейки матки. На основании большого количества данных построено несколько общих моделей, которые стремятся задать направление современных исследований в этой области. Одна из них рассматривает интересную гипотезу о связи между репликацией ДНК и управлением геномом, которая была названа теорией чистого гена. В 1964 г. Кишимото и Либерман, работая с клетками почки кролика, заметили, что если во время фазы S с помощью актиномицина D блокировался зависимый от ДНК синтез РНК, то митоз приостанавливался, но если актиномицин D добавлялся спустя час после окончания S-фазы, митоз проходил нормально. Они предположили, что во время S-фазы и в течение одного часа после ее окончания синтезировалось некоторое количество мРНК, детерминирующей белок, необходимый для митоза. Используя для ингибирования белкового синтеза пуромицин, они обнаружили, что добавление этого вещества в любой момент S-фазы (длительностью около десяти часов) и большей части фазы (длительностью четыре часа), как и ожидалось, вызывало полное прекращение митоза. Далее они высказали еще одно интересное предположение, что в клетках млекопитающих синтез мРНК обязательно сопряжен с

S-фазой. Эта гипотеза основана на данных о том, что и ДНК-полимераза, и РНК-полимераза для функционирования нуждаются в «голой», или «чистой», ДНК, а это возможно только во время S-фазы, когда ДНК лишена своей белковой оболочки (гистонов и кислых белков). Раздевание, или раскрывание, не затрагивает всей хромосомы одновременно, а происходит на участках, где идет репликация.

Эта гипотеза не сохранилась в своей исходной форме, так как сейчас известно, что синтез мРНК может происходить как во время S-фазы, так и во время фаз . В настоящее время гипотеза сформулирована в несколько более общем виде и известна под названием «теория квантующего митоза»; впервые она была четко сформулирована Хольтцером (Holtzer, 1963). Эта теория постулирует, что для изменения регуляторного состояния гена (т. е. его включения или выключения) клетка должна пройти митотический цикл, во время которого ген может быть переключен некоторым управляющим сигналом. Таким образом, клетка становится компетентной для изменения своего эпигенетического состояния только при прохождении полного цикла, причем хотя S-фаза, конечно, очень важна, но в реализации этой способности участвует не только она. Поскольку обычно клетки, которые прошли дифференцировку, не делятся, стабильность дифференцированного состояния хорошо объясняется этой теорией, правильность которой, помимо данных Хольтцера (Holtzer, 1963), относящихся к процессу митогенеза, подтверждается и другими важными работами. Например, Сток-дэйл и Топпер (Stockdale, Topper, 1966), выполнив очень интересные исследования индукции производства казеина в ткани молочной железы мыши, обнаружили, что клетки стимулируются к вступлению в S-фазу и приступают к делению при добавлении к органным культурам железистой ткани инсулина, но производство казеина индуцируется только в случае, если вместе с инсулином добавляются кортизон и пролактин. Последние два гормона, добавленные без инсулина, не в состоянии вызывать образование казеина. Казеин не синтезировался в том случае, если к культурам вместе со всеми тремя гормонами добавлялся колхицин; при этом отсутствовал и клеточный цикл, так как колхицин блокировал клетки в митозе. Авторам удалось также показать, что когда в ответ на инсулин в ткани молочной железы девственных мышей происходит задержка синтеза ДНК и клеточных делений, то задерживается и производство казеина в ответ на присутствие гидрокортизона и пролактина; оба процесса задерживаются примерно на 48 ч. Таким образом, наблюдаемая корреляция весьма сильна.

Однако позднее (Vonderhaar, Topper, 1974) пришлось изменить первоначальную гипотезу обязательного сопряжения S- и

М-фаз с развитием компетентности клетки к реакции на специфический индуцирующий стимул в ткани молочной железы. Это было вызвано тем, что, как оказалось, эксплантаты тканей, взятых у неполовозрелых мышей, способны синтезировать белки молока в ответ на инсулин, гидрокортизон и пролактин, не проходя фаз S и М. Было найдено, что для приобретения такой способности должна пройти клеточный цикл только ткань молочных желез девственных животных, достигших половой зрелости. Это наводило исследователей на мысль, что развитие клеток молочной железы у достигших зрелости девственных мышей может быть приостановлено в фазе по прошествии некоторого критического периода, совпадающего с изменением компетентности, в то время как клетки молочных желез неполовозрелых животных могут быть остановлены в фазе перед этим периодом. Это положение очень сильно изменяет первоначальную гипотезу Хольтцера, заставляя отказаться от представления, что необходим полный цикл (квантующий митоз) или что существует жесткая корреляция между событиями S-фазы и процессами, участвующими в индукции генов. Но один интересный факт по-прежнему остается — существование критического периода в фазе когда клетка становится способной менять свое эпигенетическое состояние. На это указывают данные о том, что некоторые процессы, опосредованные мембраной, такие, как транспорт в мышиные клетки линии L5178Y (Jung, Rothstein, 1967) и потребление -аминоизомасляной кислоты в клетках яичника китайского хомячка (Sander, Pardee, 1972), удваивают свою скорость в определенный момент времени фазы Берридж (Berridge, 1975) предложил интересную модель, описывающую множество явлений, которая предполагает, что в клеточном цикле главную роль играют циклические нуклеотиды и ионы кальция.

То, что прохождение клеточного цикла не является обязательным условием дифференцировки, было четко установлено в случае регенерации головы у Hydra (Wolpert et al., 1971), когда при блокировании делений клеток ультрафиолетовым облучением была получена тем не менее полная регенерация гипостома и щупалец. Кроме того, согласно Куку (Cooke, 1973), у зародышей позвоночного Xenopus laevis (южноафриканская шпорцевая лягушка), у которых клеточные циклы остановлены на стадии 10 колцемидом или митомицином, нормальный морфогенез и гистодифференцировка происходят вплоть до стадии 26. Изменения предполагаемой судьбы клетки, вызванные имплантацией вторичного организатора, также происходят нормально при этих условиях. Эти данные согласуются с данными Вандерхаара и Топпера (Vonderhaar, Topper, 1974) и противоречат гипотезе квантующего митоза.