Рост клеток - Cell growth

Деление, рост и пролиферация клеток

Рост клеток относится к увеличению общей массы в виде клетки , в том числе как цитоплазматический , ядерный и органелл объема. Рост клеток происходит тогда , когда общий уровень клеточного биосинтеза (производство биомолекул или анаболизма) больше , чем общий показатель клеточной деструкции (разрушения биомолекул через протеасому , лизосому или аутофагию , или катаболизм).

Рост клеток не следует путать с клеточным делением или клеточным циклом , которые представляют собой отдельные процессы, которые могут происходить вместе с ростом клеток во время процесса пролиферации клеток , когда клетка, известная как «материнская клетка», растет и делится с образованием двух « дочерние клетки ». Важно отметить, что рост и деление клеток также могут происходить независимо друг от друга. Во время раннего эмбрионального развития ( расщепление в зиготы с образованием морулы и бластодерму ), деление клеток происходит многократно без роста клеток. И наоборот, некоторые клетки могут расти без деления клеток или без какого-либо развития клеточного цикла , такого как рост нейронов во время поиска путей аксонов в развитии нервной системы .

Деление клеток без роста клеток при дроблении эмбриона

У многоклеточных организмов рост ткани редко происходит исключительно за счет роста клеток без деления клеток , но чаще всего происходит за счет пролиферации клеток . Это связано с тем, что одна клетка, имеющая только одну копию генома в ядре клетки, может осуществлять биосинтез и, таким образом, подвергаться клеточному росту только вдвое быстрее, чем две клетки. Следовательно, две клетки растут (накапливают массу) в два раза быстрее, чем одна клетка, а четыре клетки растут в 4 раза быстрее, чем одна клетка. Этот принцип приводит к экспоненциальному увеличению скорости роста ткани (накоплению массы) во время пролиферации клеток из-за экспоненциального увеличения количества клеток.

Размер клеток зависит как от роста клеток, так и от деления клеток , причем непропорциональное увеличение скорости роста клеток приводит к образованию более крупных клеток, а непропорциональное увеличение скорости деления клеток приводит к образованию множества более мелких клеток. Клеточная пролиферация обычно включает сбалансированные скорости роста и деления клеток, которые поддерживают примерно постоянный размер клеток в экспоненциально пролиферирующей популяции клеток.

Некоторые особые клетки могут расти до очень больших размеров посредством необычного клеточного цикла « эндорепликации », в котором геном реплицируется во время S-фазы, но не происходит последующего митоза ( M-фаза ) или деления клеток ( цитокинез ). Эти большие эндореплицирующие клетки имеют множество копий генома , поэтому они очень полиплоидны .

Ооциты могут быть необычно большими клетками у видов, эмбриональное развитие которых происходит вне тела матери в яйцеклетке, откладываемой извне. Большого размера некоторых яиц можно достичь либо путем перекачивания цитозольных компонентов из соседних клеток через цитоплазматические мостики, называемые кольцевыми каналами ( Drosophila ), либо путем интернализации гранул хранения питательных веществ (гранул желтка) за счет эндоцитоза ( лягушки ).

Механизмы контроля роста клеток

Клетки могут расти за счет увеличения общей скорости клеточного биосинтеза , так что производство биомолекул превышает общую скорость клеточной деградации биомолекул через протеасомы , лизосомы или аутофагию .

Биосинтез из биомолекул инициируются посредством экспрессии генов , которые кодируют РНК и / или белки , в том числе ферментов , которые катализируют синтез липидов и углеводов .

Отдельные гены обычно экспрессируются посредством транскрипции в информационную РНК (мРНК) и трансляции в белки , и экспрессия каждого гена происходит на различных уровнях специфическим для клеточного типа образом (в ответ на сети регуляции генов ).

Для того, чтобы стимулировать рост клеток, глобальный уровень экспрессии гена может быть увеличена за счет повышения общей скорости транскрипции с помощью РНК - полимеразы II , (для активных генов) или общий уровень мРНК перевода в белок путем увеличения обилие рибосом и тРНК , чей биогенез зависит от РНК-полимеразы I и РНК-полимеразы III . Мус фактор транскрипции является примером регулирующего белка , который может индуцировать общую активность РНК - полимеразы I , РНК - полимеразы II и РНК - полимеразы III вести глобальную транскрипцию и трансляцию и , таким образом рост клеток.

Кроме того, активность отдельных рибосом может быть увеличена , чтобы повысить глобальную эффективность мРНК перевода посредством регулирования факторов инициации трансляции, в том числе «поступательное относительное удлинение инициирования фактора 4Е» ( eIF4E ) комплекс, который связывается с и крышки 5' конца мРНК . Белок TOR , часть комплекса TORC1 , является важным вышестоящим регулятором инициации трансляции, а также биогенеза рибосом . TOR - это серин / треониновая киназа, которая может непосредственно фосфорилировать и инактивировать общий ингибитор eIF4E , называемый 4E-связывающим белком (4E-BP) , для повышения эффективности трансляции. TOR также напрямую фосфорилирует и активирует рибосомный протеин S6-киназу ( S6K ), которая способствует биогенезу рибосом .

Чтобы подавить рост клеток, глобальная скорость экспрессии генов может быть уменьшена или глобальная скорость биомолекулярной деградации может быть увеличена за счет увеличения скорости аутофагии . TOR обычно напрямую подавляет функцию индуцирующей аутофагию киназы Atg1 / ULK1 . Таким образом, снижение активности TOR снижает глобальную скорость трансляции и увеличивает степень аутофагии для уменьшения роста клеток.

Регуляция роста клеток у животных

Многие из сигнальных молекул, которые контролируют клеточный рост, называются факторами роста , многие из которых индуцируют передачу сигнала через путь PI3K / AKT / mTOR , который включает липидкиназу PI3K, расположенную выше по течению, и серин / треониновую протеинкиназу Akt , находящуюся ниже по течению , которая способна к активируют другую протеинкиназу TOR , которая способствует трансляции и ингибирует аутофагию, чтобы стимулировать рост клеток.

Доступность питательных веществ влияет на выработку факторов роста семейства инсулина / IGF-1 , которые циркулируют в виде гормонов у животных, чтобы активировать путь PI3K / AKT / mTOR в клетках, чтобы стимулировать активность TOR, так что когда животные хорошо питаются, они будут расти быстро, а когда они не могут получать достаточное количество питательных веществ, что снижает скорость их роста.

Кроме того, доступность аминокислот для отдельных клеток также напрямую способствует активности TOR , хотя этот способ регуляции более важен для одноклеточных организмов, чем для многоклеточных организмов, таких как животные, которые всегда поддерживают изобилие аминокислот в кровотоке.

Одна спорная теория предполагает, что многие различные клетки млекопитающих претерпевают переходы в зависимости от размера во время клеточного цикла. Эти переходы контролируются циклин-зависимой киназой Cdk1. Хотя белки, которые контролируют Cdk1, хорошо изучены, их связь с механизмами, контролирующими размер клеток, остается неуловимой.

Постулируемая модель контроля размеров млекопитающих рассматривает массу как движущую силу клеточного цикла. Клетка не может вырасти до аномально большого размера, потому что при определенном размере клетки или клеточной массе инициируется S-фаза. S-фаза запускает последовательность событий, ведущих к митозу и цитокинезу. Клетка не может стать слишком маленькой, потому что более поздние события клеточного цикла, такие как S, G2 и M, задерживаются до тех пор, пока масса не увеличится достаточно, чтобы начать S-фазу.

Популяции клеток

Популяции клеток проходят через особый тип экспоненциального роста, называемый удвоением или пролиферацией клеток . Таким образом, каждое поколение клеток должно быть вдвое больше предыдущего. Однако количество поколений дает только максимальную цифру, поскольку не все клетки выживают в каждом поколении. Клетки могут воспроизводиться на стадии митоза, когда они удваиваются и разделяются на две генетически равные клетки.

Размер ячейки

Размер клеток у разных организмов сильно различается, при этом некоторые водоросли, такие как Caulerpa taxifolia, представляют собой одиночные клетки длиной несколько метров. Растительные клетки намного больше, чем клетки животных, а протисты, такие как Paramecium, могут иметь длину 330 мкм, в то время как типичная клетка человека может иметь длину 10 мкм. Как эти клетки «решают», какого размера они должны быть перед делением, - открытый вопрос. Известно, что отчасти ответственны химические градиенты, и предполагается, что здесь задействовано обнаружение механического стресса структурами цитоскелета . Для работы над этой темой обычно требуется организм, клеточный цикл которого хорошо охарактеризован.

Регулировка размера дрожжевых клеток

Взаимосвязь между размером клеток и делением клеток широко изучалась на дрожжах . Для некоторых клеток существует механизм, по которому деление клеток не начинается, пока клетка не достигнет определенного размера. Если подача питательных веществ ограничена (после времени t = 2 на диаграмме ниже) и скорость увеличения размера клеток замедляется, период времени между делениями клеток увеличивается. Были выделены мутанты размером с дрожжевые клетки, которые начинают деление клеток до достижения нормального / обычного размера ( мутанты Wee ).

Рисунок 1: Клеточный цикл и рост

Белок Wee1 представляет собой тирозинкиназу, которая обычно фосфорилирует регуляторный белок клеточного цикла Cdc2 (гомолог CDK1 у человека), циклин-зависимую киназу, по остатку тирозина. Cdc2 запускает митоз путем фосфорилирования широкого круга мишеней. Эта ковалентная модификация молекулярной структуры Cdc2 ингибирует ферментативную активность Cdc2 и предотвращает деление клеток. Wee1 сохраняет активность Cdc2 в начале G2, когда клетки еще маленькие. Когда клетки достигают достаточного размера во время G2, фосфатаза Cdc25 снимает ингибирующее фосфорилирование и, таким образом, активирует Cdc2, чтобы позволить митотическому входу. Баланс активности Wee1 и Cdc25 с изменениями размера клеток координируется системой контроля митотического входа. На мутантах Wee1, клетках с ослабленной активностью Wee1, было показано, что Cdc2 становится активным, когда клетка меньше. Таким образом, митоз происходит до того, как дрожжи достигают своего нормального размера. Это предполагает, что деление клеток может частично регулироваться разбавлением белка Wee1 в клетках по мере их роста.

Связывание Cdr2 с Wee1

Протеинкиназа Cdr2 (которая негативно регулирует Wee1) и связанная с Cdr2 киназа Cdr1 (которая непосредственно фосфорилирует и ингибирует Wee1 in vitro ) локализованы в полосе кортикальных узлов в середине интерфазных клеток. После вступления в митоз факторы цитокинеза, такие как миозин II , привлекаются к аналогичным узлам; эти узлы в конечном итоге конденсируются, образуя цитокинетическое кольцо. Ранее не охарактеризованный белок, Blt1 , как было обнаружено, колокализуется с Cdr2 в медиальных интерфазных узлах. Клетки с нокаутом Blt1 имели увеличенную длину при делении, что согласуется с задержкой митотического входа. Это открытие связывает физическое местоположение, полосу корковых узлов, с факторами, которые, как было показано, непосредственно регулируют митотический вход, а именно Cdr1, Cdr2 и Blt1.

Дальнейшие эксперименты с GFP- меченными белками и мутантными белками показывают, что медиальные кортикальные узлы образованы упорядоченной, зависимой от Cdr2 сборкой множества взаимодействующих белков во время интерфазы. Cdr2 находится на вершине этой иерархии и работает выше Cdr1 и Blt1. Митозу способствует негативная регуляция Wee1 с помощью Cdr2. Также было показано, что Cdr2 рекрутирует Wee1 в медиальный кортикальный узел. Механизм такой вербовки еще предстоит выяснить. Мутант киназы Cdr2, который способен правильно локализоваться, несмотря на потерю функции фосфорилирования, нарушает рекрутирование Wee1 в медиальную кору и задерживает вступление в митоз. Таким образом, Wee1 локализуется со своей ингибирующей сетью, что демонстрирует, что митоз контролируется посредством Cdr2-зависимой негативной регуляции Wee1 в медиальных кортикальных узлах.

Факторы полярности клеток

Факторы полярности клеток, расположенные на концах клеток, предоставляют пространственные сигналы для ограничения распределения Cdr2 в середине клетки. У делящихся дрожжей Schizosaccharomyces pombe ( S. Pombe ) клетки делятся до определенного воспроизводимого размера во время митоза из-за регулируемой активности Cdk1. Протеинкиназа Pom1 клеточной полярности , член семейства киназ, регулируемых тирозин-фосфорилированием двойной специфичности (DYRK), локализуется на концах клеток. В клетках, нокаутированных по Pom1, Cdr2 больше не ограничивался серединой клетки, а диффузно наблюдался через половину клетки. Из этих данных становится очевидным, что Pom1 обеспечивает ингибирующие сигналы, которые ограничивают Cdr2 серединой клетки. Далее было показано, что Pom1-зависимые сигналы приводят к фосфорилированию Cdr2. Было также показано, что клетки с нокаутом Pom1 делятся с меньшим размером, чем клетки дикого типа, что указывает на преждевременное вступление в митоз.

Pom1 формирует полярные градиенты, которые достигают максимума на концах ячейки, что показывает прямую связь между факторами управления размером и конкретным физическим местоположением в ячейке. По мере увеличения размера клетки градиент в Pom1 увеличивается. Когда клетки маленькие, Pom1 распространяется диффузно по телу клетки. По мере увеличения размера ячейки концентрация Pom1 уменьшается в середине и становится концентрированной на концах ячейки. Маленькие клетки в раннем G2, которые содержат достаточные уровни Pom1 во всей клетке, имеют неактивный Cdr2 и не могут вступать в митоз. Только когда клетки перерастают в поздний G2, когда Pom1 ограничивается клеточными концами, Cdr2 в медиальных кортикальных узлах активируется и может начать ингибирование Wee1. Это открытие показывает, как размер клетки играет прямую роль в регуляции начала митоза. В этой модели Pom1 действует как молекулярная связь между ростом клеток и митотическим входом через путь Cdr2-Cdr1-Wee1-Cdk1. Полярный градиент Pom1 успешно передает информацию о размере и геометрии клеток регуляторной системе Cdk1. Посредством этого градиента клетка гарантирует, что она достигла определенного, достаточного размера для вступления в митоз.

Другие экспериментальные системы для изучения регуляции размера клеток

Одним из распространенных способов производства очень больших клеток является слияние клеток с образованием синцитий . Например, очень длинные (несколько дюймов) клетки скелетных мышц образуются путем слияния тысяч миоцитов . Генетические исследования плодовой мушки Drosophila выявили несколько генов, необходимых для образования многоядерных мышечных клеток путем слияния миобластов . Некоторые из ключевых белков важны для клеточной адгезии между миоцитами, а некоторые участвуют в зависимой от адгезии передаче сигнала от клетки к клетке, что делает возможным каскад событий слияния клеток.

Увеличение размеров растительных клеток осложняется тем, что почти все растительные клетки находятся внутри твердой клеточной стенки . Под влиянием определенных гормонов растений клеточная стенка может быть реконструирована, что позволяет увеличить размер клеток, что важно для роста некоторых тканей растений.

Большинство одноклеточных организмов имеют микроскопические размеры, но есть некоторые гигантские бактерии и простейшие , которые видны невооруженным глазом. (См. Таблицу размеров клеток - Плотные популяции гигантской серной бактерии в отложениях шельфа Намибии - Крупные простейшие рода Chaos , близкие к роду Amoeba .)

У палочковидных бактерий E. coli , Caulobacter crescentus и B. subtilis размер клеток контролируется простыми механизмами, в которых деление клеток происходит после добавления постоянного объема с момента предыдущего деления. Всегда увеличиваясь на одну и ту же величину, клетки, рожденные меньше или больше среднего, естественным образом сходятся к среднему размеру, эквивалентному количеству, добавляемому в течение каждого поколения.

Деление клеток

Размножение клеток бесполое . Для большинства составляющих клетки рост - это устойчивый, непрерывный процесс, прерывающийся лишь на короткое время в фазе М, когда ядро, а затем клетка делятся на две части.

Процесс деления клетки, называемый клеточным циклом , состоит из четырех основных частей, называемых фазами. Первая часть, называемая фазой G 1, отмечена синтезом различных ферментов , необходимых для репликации ДНК. Вторая часть клеточного цикла - это фаза S , когда репликация ДНК производит два идентичных набора хромосом . Третья часть - это фаза G 2, в которой происходит значительный синтез белка , в основном связанный с образованием микротрубочек , необходимых в процессе деления, называемого митозом . Четвертая фаза, М-фаза , состоит из деления ядра ( кариокинез ) и цитоплазматического деления ( цитокинез ), сопровождающихся образованием новой клеточной мембраны . Это физическое разделение «материнской» и «дочерней» клеток. Фаза М была разбита на несколько отдельных фаз, последовательно известных как профаза , прометафаза , метафаза , анафаза и телофаза, что приводит к цитокинезу.

Клеточное деление у эукариот сложнее, чем у других организмов. Прокариотические клетки, такие как бактериальные клетки, воспроизводятся посредством бинарного деления , процесса, который включает репликацию ДНК, сегрегацию хромосом и цитокинез. Деление эукариотических клеток включает либо митоз, либо более сложный процесс, называемый мейозом . Митоз и мейоз иногда называют двумя процессами « ядерного деления». Бинарное деление похоже на размножение эукариотических клеток, которое включает митоз. Оба приводят к образованию двух дочерних клеток с тем же числом хромосом, что и родительская клетка. Мейоз используется для особого процесса размножения клеток диплоидных организмов. Он производит четыре особые дочерние клетки ( гаметы ), которые имеют половину нормального клеточного количества ДНК. Затем мужская и женская гамета могут объединиться, чтобы произвести зиготу , клетку, которая снова имеет нормальное количество хромосом.

Остальная часть этой статьи представляет собой сравнение основных характеристик трех типов клеточного воспроизводства, которые включают бинарное деление, митоз или мейоз. На диаграмме ниже показаны сходства и различия этих трех типов размножения клеток.

Рост клеток

Сравнение трех типов деления клеток

Содержимое ДНК клетки дублируется в начале процесса воспроизводства клеток. До репликации ДНК содержание ДНК в клетке можно представить как количество Z (клетка имеет Z-хромосомы). После процесса репликации ДНК количество ДНК в клетке равно 2Z (умножение: 2 x Z = 2Z). Во время бинарного деления и митоза дублированное содержимое ДНК воспроизводящей родительской клетки разделяется на две равные половины, которым суждено попасть в две дочерние клетки. Заключительная часть процесса воспроизводства клеток - деление клеток , когда дочерние клетки физически отделяются от родительской клетки. Во время мейоза происходит два этапа деления клеток, которые вместе производят четыре дочерние клетки.

После завершения бинарного деления или размножения клеток с участием митоза каждая дочерняя клетка имеет то же количество ДНК ( Z ), что и родительская клетка до репликации своей ДНК. Эти два типа воспроизводства клеток дали две дочерние клетки, которые имеют такое же количество хромосом, что и родительская клетка. Хромосомы дублируются до деления клеток при формировании новых клеток кожи для воспроизводства. После размножения мейотических клеток четыре дочерние клетки имеют половину количества хромосом, которое изначально было у родительской клетки. Это гаплоидное количество ДНК, часто символизируется N . Мейоз используется диплоидными организмами для производства гаплоидных гамет. В диплоидном организме, таком как человеческий организм, большинство клеток тела имеют диплоидное количество ДНК, 2N . Используя это обозначение для подсчета хромосом, мы говорим, что соматические клетки человека имеют 46 хромосом (2N = 46), в то время как сперма и яйцеклетки человека имеют 23 хромосомы (N = 23). У людей есть 23 различных типа хромосом, 22 аутосомы и особая категория половых хромосом . Есть две различные половые хромосомы, Х-хромосома и Y-хромосома. Диплоидная человеческая клетка имеет 23 хромосомы от отца этого человека и 23 от матери. То есть в вашем теле есть две копии хромосомы номер 2 человека, по одной от каждого из ваших родителей.

Хромосомы

Сразу после репликации ДНК в клетке человека будет 46 «двойных хромосом». В каждой двойной хромосоме есть две копии молекулы ДНК этой хромосомы. Во время митоза двойные хромосомы расщепляются с образованием 92 «одиночных хромосом», половина из которых попадает в каждую дочернюю клетку. Во время мейоза есть два этапа разделения хромосом, которые гарантируют, что каждая из четырех дочерних клеток получит по одной копии каждого из 23 типов хромосом.

Половое размножение

Хотя размножение клеток, использующее митоз, может воспроизводить эукариотические клетки, эукариоты беспокоятся о более сложном процессе мейоза, потому что половое размножение, такое как мейоз, дает избирательное преимущество . Обратите внимание, что когда начинается мейоз, две копии сестринских хроматид номер 2 соседствуют друг с другом. В это время могут происходить события генетической рекомбинации . Информация из ДНК хромосомы 2, полученная от одного родителя (красный цвет), будет передана молекуле ДНК хромосомы 2, полученной от другого родителя (зеленый цвет). Обратите внимание, что в митозе две копии хромосомы номер 2 не взаимодействуют. Рекомбинация генетической информации между гомологичными хромосомами во время мейоза - это процесс восстановления повреждений ДНК . Этот процесс может также производить новые комбинации генов, некоторые из которых могут быть адаптивно полезными и влиять на ход эволюции. Однако у организмов с более чем одним набором хромосом на основной стадии жизненного цикла пол также может дать преимущество, потому что при случайном спаривании он производит гомозиготы и гетерозиготы в соответствии с соотношением Харди-Вайнберга .

Расстройства

На клеточном уровне может произойти ряд нарушений роста, которые, следовательно, лежат в основе большей части последующего течения рака , при котором группа клеток демонстрирует неконтролируемый рост и деление сверх нормальных пределов, инвазию (вторжение и разрушение соседних тканей), а иногда и метастазы (распространяются в другие части тела через лимфу или кровь). Несколько ключевых детерминант роста клеток, таких как плоидность и регуляция клеточного метаболизма , обычно нарушаются в опухолях . Следовательно, гетерогенный рост клеток и плеоморфизм являются одними из самых ранних признаков прогрессирования рака . Несмотря на преобладание плеоморфизма в патологии человека, его роль в прогрессировании заболевания неясна. В эпителиальных тканях плеоморфизм клеточного размера может вызывать дефекты упаковки и рассеивать аберрантные клетки. Но последствия атипичного роста клеток в других тканях животных неизвестны.

Методы измерения

Рост клеток можно обнаружить множеством методов. Рост размера клеток можно визуализировать под микроскопом с использованием подходящих красителей. Но увеличение количества клеток обычно более значительное. Его можно измерить путем ручного подсчета клеток под микроскопом, используя метод исключения красителей (например, трипановый синий ) для подсчета только жизнеспособных клеток. Менее требовательные и масштабируемые методы включают использование цитометров , в то время как проточная цитометрия позволяет комбинировать подсчеты клеток («события») с другими конкретными параметрами: флуоресцентные зонды для мембран, цитоплазмы или ядер позволяют различать мертвые / жизнеспособные клетки, типы клеток, дифференциацию клеток, экспрессия биомаркера, такого как Ki67 .

Помимо увеличения количества клеток, можно оценить рост метаболической активности , то есть по показателям CFDA и кальцеина -AM (флуориметрически) не только функциональность мембраны (удерживание красителя), но также функциональность цитоплазматических ферментов (эстераз). . В МТТЕ анализы (колориметрические) и ресазурин анализ (Флуориметрический) доза митохондриального окислительно - восстановительный потенциал.

Все эти анализы могут хорошо коррелировать или нет, в зависимости от условий роста клеток и желаемых аспектов (активности, пролиферации). Задача еще более усложняется с популяциями разных клеток, более того, при сочетании факторов, влияющих на рост клеток, или токсичности .

Смотрите также

использованная литература

Книги

  • Морган, Дэвид О. (2007). Клеточный цикл: принципы управления . Лондон: Сандерленд, Массачусетс ISBN 978-0-9539181-2-6.

внешние ссылки