19.2: Ділення бактеріальних клітин та цикл клітин еукаріотів

Last updated
Save as PDF

Page ID: 6070

\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)

Життя активно зростаючих бактерій не розділяється на час для дублювання генів (тобто синтезу ДНК) і один для бінарного поділу (поділу і поділу дубльованої ДНК на нові клітини). Натомість одна кругова хромосома типової бактерії відтворюється ще до завершення поділу, так що нові дочірні клітини вже містили частково дубльовані хромосоми. Клітинний ріст, реплікація та поділ проілюстровані нижче

339 Бінарний поділ

Приблизно 30-60 хвилинний життєвий цикл активно зростаючої бактерії не ділиться на дискретні фази. З іншого боку, типові еукаріотичні клітини мають приблизно 16-24 годинний клітинний цикл (залежно від типу клітин), який поділяється на чотири окремі фази. В кінці 1800-х років світлова мікроскопія виявила, що деякі клітини втратили свої ядра, утворюючи хромосоми (з кольоровості, кольорові; сома, тіла). При мітозі парні, прикріплені хромосоми (хроматиди) були помічені як відокремлені і втягуються вздовж веретенових волокон до протилежних полюсів клітин, що діляться. Таким чином, гомологічні хромосоми були однаково розподілені з дочірніми клітинами в кінці поділу клітин. Через те ж хромосомну поведінку спостерігалося при мітозі у різних організмів, хромосоми незабаром були визнані матеріалом спадкування, носієм генів!

Короткий період інтенсивної мітотичної активності різко контрастував із набагато довшим «спокійним» часом у житті клітини, званим інтерфазою. Події самого мітозу були описані як відбуваються в 4 фази, що займають короткий час, як показано нижче.

Залежно від того, кого ви запитаєте, цитокінез (руху клітин фактично ділення клітини надвоє) не є частиною мітозу. У цьому сенсі ми можемо думати про три етапи життя клітини: інтерфазу, мітоз та цитокінез. Звичайно, виявилося, що інтерфаза - це зовсім не клітинний «тихий час»!

А. визначення фаз клітинного циклу

Кореляція успадкування специфічних ознак з хромосом була продемонстрована на початку 20 століття, найбільш елегантно в генетичних дослідженнях плодової мухи, Drosophila melanogaster. У той час передбачалося, що хромосоми містять генетичний матеріал і що обидва були дублюються під час мітозу. Перша підказка про те, що це не так, прийшла лише після відкриття того, що ДНК насправді є хімічною речовиною генів. Експеримент, що відрізняє час утворення хромосом від часу дублювання ДНК, узагальнено нижче.

Культурні клітини інкубували ³ H-тиміном, радіоактивною основою, яку клітини будуть включати в тимідинтрифосфат (DTTP), а потім в ДНК.
Культурні клітини інкубували ³ H-тиміном, радіоактивною основою, яку клітини будуть включати в тимідинтрифосфат (DTTP), а потім в ДНК.
Слайди були занурені в світлочутливу емульсію, що містить ті ж світлочутливі хімічні речовини, що і в емульсійній стороні плівки.
Через деякий час, щоб дозволити радіоактивності на слайді «викрити» емульсію, були розроблені слайди (майже так само, як розвивається плівка).
Отримані авторадіографи в мікроскопі виявили зображення у вигляді темних плям, створених впливом гарячої (тобто радіоактивної ДНК).

Якщо ДНК реплікується в хромосомах, що зазнають мітозу, то при розміщенні розвиненої плівки назад над слайдом будь-які темні плями повинні лежати над клітинами в мітозі, а не над клітинами, які активно не діляться. Експериментальний проілюстрований нижче

Спостереження за авторентгенографами показують, що жодна з клітин при мітозі не має радіоактивного маркування. Але деякі з клітин в інтерфазі були! Тому синтез ДНК повинен відбуватися десь в інтерфазі, до мітозу та цитокінезу (ілюстровано нижче).

340 Експерименти, які виявляють реплікацію в міжфазі клітинного циклу

Далі була проведена серія імпульсних експериментів, щоб визначити, коли в клітинному циклі насправді відбувається синтез ДНК. Культурованим клітинам дали короткий імпульс (експозицію) ³ Н-тиміну, а потім дозволяли рости в нерадіоактивному середовищі протягом різного часу (погоні). В кінці кожного часу погоні клітини розкладали на скляній гірці і знову готували до авторентгенографії. Аналіз авторадіографів виявив різні періоди активності в інтерфазі: Gap1 (G ₁), час синтезу ДНК (S) і Gap 2 (G ₂). Ось подробиці цих самих творчих експериментів, виконаних до того, як з'явилася можливість синхронізувати клітини в культурі так, щоб всі вони росли і ділилися одночасно.

Клітини піддавалися впливу 3H-тиміну всього 5 хвилин (пульс), а потім центрифугували. Радіоактивний супернатант потім був викинутий.
Клітини знову промивали і центрифугували, щоб видалити якомога більше міченого попередника.
Клітини повторно суспендували в свіжому середовищі, що містить немаркований (тобто нерадіоактивний) тимін і додатково інкубували протягом різних часів (періоди погоні). Після занурення слайдів у світлочутливу емульсію, оголюючи та розвиваючи плівку, були досліджені авторентгенографи з наступними результатами:
- Після 3-годинного (або менше) періоду погоні слайди виглядали так само, як відразу після пульсу. Тобто жодна з 7% клітин, які перебували в мітозі, не має радіоактивного маркування, але багато інтерфазні клітини показали мічені ядра, як показано нижче.
- Після 4 годин погоні деякі з 7% клітин, які перебували в мітозі, були помічені разом з іншими в інтерфазі (нижче).
- Після 5-годинної погоні більшість клітин мітозу (все ще близько 7% клітин на слайді) були помічені; набагато менше клітин в інтерфазі були помічені (нижче).
- Після 20-годинної погоні жодна з 7% клітин, які перебували в мітозі, не помічена. Натомість всі мічені клітини знаходяться в інтерфазі (нижче).
На графіку нижче наведено кількість мітотичних клітин з радіомаркуванням проти часу погоні.

Сюжет визначає тривалість подій, або фази клітинного циклу наступним чином:

Перша фаза (інтервал #1 на графіку) повинен бути часом між закінченням синтезу ДНК і початком мітозу, що визначається як Gap 2 (G ₂).
Час подвоєння клітин легко вимірюється. Припустимо, що клітини в цьому експерименті подвоюються кожні 20 годин. Це узгоджувалося б з часовим інтервалом 20 годин між послідовними піками кількості мітотичних клітин, маркованих радіоактивними мітотичними клітинами після імпульсу (інтервал #2).
Інтервал #3 досить легко визначити. Це час, коли ДНК синтезується, від початку до кінця; це синтез, або S-фаза.
Один період клітинного циклу ще належить визначити, але його немає на графіку! Це був би час між поділом кінцевих клітин (тобто мітозом і цитокінезом) і початком синтезу (реплікації) ДНК. Цей інтервал можна обчислити за графіком як час клітинного циклу (~20 годин) мінус сума інших визначених періодів циклу. Ця фаза визначається як фаза розриву 1 _{(G 1}) циклу.

Отже, нарешті, ось наш клітинний цикл з резюме подій, що відбуваються в кожній фазі.

Протягом всієї інтерфази (G ₁, S і G ₂) клітина збільшується в розмірах, готуючись до наступного поділу клітини. Зростання в G ₁ включає синтез ферментів і інших білків, які знадобляться для реплікації.

ДНК реплікується під час S-фази разом з синтезом нового гістону та інших білків, які знадобляться для складання нового хроматину. G ₂ - найкоротший час інтерфази і багато в чому присвячений підготовці клітини до наступного раунду мітозу і цитокінезу. Серед білків, синтез яких збільшується в цей час, є тубуліни та білки, відповідальні за конденсацію хроматину в парні хроматиди, що представляють дубльовані хромосоми. Cohesin - це зовсім недавно виявлений білок, зроблений напередодні мітозу. Він утримує центромери хроматидів разом, поки вони не будуть готові до відокремлення.

341 Події у фазах клітинного циклу

У заключній ноті типові розділові клітини мають час генерації від 16 до 24 годин. Атипові клітини, як нещодавно запліднені яйцеклітини, можуть ділитися щогодини або близько того! У цих комірках події, які зазвичай займають багато годин, повинні бути завершені всього за частки години.

B. коли клітини припиняють ділення

Терміново диференційовані клітини - це ті, які проводять решту свого життя, виконуючи певну функцію. Ці клітини більше не циклічні. Натомість незабаром після введення G ₁ вони відводяться у фазу під назвою G ₀, як показано нижче.

Згадуються як невиліковно диференційовані, ці клітини зазвичай ніколи не діляться знову. За кількома винятками (наприклад, багато нейронів), більшість невиліковно диференційованих клітин мають кінцеву тривалість життя і повинні бути замінені стовбуровими клітинами. Приклади включають еритроцити. При період напіввиведення близько 60 днів вони регулярно замінюються ретикулоцитами, що виробляються в кістковому мозку.