Начальные методы клеточной биологии: читать книгу онлайн полностью и бесплатно

Данный этап митоза характеризуется конденсацией хромосом. Хромосомы, состоящие из двух сестринских хроматид, сверхспирализуются и становятся видимыми под световым микроскопом. Центросомы, состоящие из двух центриолей, начинают перемещаться к противоположным полюсам клетки. Происходит формирование митотического веретена из микротрубочек, которые расходятся к полюсам клетки. В конце профазы начинает фрагментироваться ядерная оболочка. Также происходит фрагментация эндоплазматического ретикулума, а цистерны комплекса Гольджи теряют упорядоченность и распадаются на отдельные диктиосомы.

2. Прометафаза

Прометафазу иногда рассматривают отдельно от метафазы. На этом этапе наблюдается полное разрушение ядерной оболочки, что позволяет микротрубочкам веретена деления взаимодействовать с хромосомами. Микротрубочки прикрепляются к кинетохорам, специализированным белковым структурам на центромерах хромосом. Хромосомы начинают двигаться к экваториальной плоскости клетки.

3. Метафаза

Хромосомы выстраиваются вдоль экватора клетки, образуя метафазную пластинку. Существует понятие контрольной точки метафазы: проверяется правильность прикрепления всех хромосом к микротрубочкам веретена перед переходом к анафазе.

4. Анафаза

Центромеры хромосом разделяются, и сестринские хроматиды, теперь называемые дочерними хромосомами, начинают двигаться к противоположным полюсам клетки. Микротрубочки, не прикрепленные к хромосомам, удлиняются, что способствует растяжению клетки.

5. Телофаза

Хромосомы достигают полюсов клетки и начинают деконденсироваться. Вокруг каждого набора хромосом формируются новые ядерные оболочки. Микротрубочки митотического веретена распадаются. Иногда телофазу подразделяют на раннюю (начало формирования ядерных мембран вокруг сестринских хромосом и разделения цитоплазмы клеток) и позднюю (ядерные оболочки сформированы, хромосомы деконденсированы, веретено деления дезорганизовано, разделение цитоплазмы практически завершено).

Цитокинез

Цитокинез – это процесс физического разделения цитоплазмы, завершающий клеточное деление. Он начинается в поздней анафазе или телофазе и завершается после окончания митоза. У животных клеток формируется кольцо актиновых микрофиламентов и миозина, которое стягивает клетку по экватору, образуя перетяжку, называемую бороздой деления. Это кольцо сокращается, разделяя клетку на две дочерние. У растительных клеток формируется клеточная пластинка из везикул, сливающихся в середине клетки. В клеточной пластинке формируется новая клеточная стенка, разделяющая материнскую клетку на две дочерние.

Митоз позволяет многоклеточному организму восстанавливать и регенерировать поврежденные ткани, расти и развиваться. Митоз предусматривает, что каждая дочерняя клетка получает точную копию генетического материала материнской (в отличие от мейоза, во время которого происходит рекомбинация для увеличения генетического разнообразия).

Для одноклеточных эукариот митоз является основным способом размножения.

Митоз контролируется сложной системой регуляторных белков, включая циклины и циклинзависимые киназы. Эти белки обеспечивают правильное протекание митоза и его переход из одной фазы в другую. Механизмы контроля обеспечивают корректное разделение генетического материала и предотвращают возникновение генетических аномалий.

Апоптоз – процесс программируемой клеточной смерти – играет ключевую роль в поддержании гомеостаза и развития многоклеточных организмов. Этот механизм позволяет избавляться от ненужных, поврежденных или потенциально опасных клеток, в том числе опухолевых и инфицированных, без ущерба для окружающих тканей. В отличие от некроза, апоптоз – контролируемый и упорядоченный процесс, не вызывающий воспалительной реакции. У одноклеточных эукариот также наблюдаются механизмы апоптоза.

Апоптоз можно разделить на несколько ключевых фаз: сигнальная (индукторная), эффекторная и деградационная.

1. Сигнальная фаза апоптоза

Может инициироваться двумя основными путями: внешним (экзогенным) и внутренним (эндогенным).

Внешний, или рецептор-зависимый, путь начинается со взаимодействия специфических внеклеточных лигандов с рецепторами клеточной гибели. Все рецепторы, инициирующие апоптоз по внешнему пути, относятся к семейству рецептора фактора некроза опухолей (TNFR, Tumor Necrosis Factor Receptor). Самыми изученными являются рецепторы TNFR1 (также известен как CD120a, или p55) и CD95 (также известен как Fas, или APO-1). У всех рецепторов смерти есть так называемый домен смерти, внутриклеточная последовательность из 80 аминокислотных остатков. После взаимодействия с тримерами лигандов рецепторы смерти также тримеризуются, взаимодействуют с белками-адаптерами в цитоплазме клетки и активируют прокаспазы, предшественники белков-протеаз, в каспазы. Через внешний путь активации апоптоза могут активироваться каспаза-2, -8 и -10, приводящие к активации следующих, эффекторных каспаз, которые и приводят клетку к апоптозу.

Внутренний, или митохондриальный, путь связан с выходом из межмембранного пространства митохондрий апоптогенных белков, в частности, цитохрома C, прокаспазы-2, -3 и -9 и апоптоз-индуцирующего фактора (AIF, Apoptosis Inducing Factor). Это в конечном счете также приводит к развитию апоптоза.

Частным случаем апоптоза является аноикис – апоптоз при нарушении адгезии клеток, который может активироваться через внешний или внутренний путь. Помимо описанных путей активации апоптоза также есть менее изученные варианты, например, перфорин/гранзим-зависимый путь (цитотоксические Т-лимфоциты выделяют перфорины, образующие каналы в мембране клетки-мишени, через которые проникают протеазы гранзимы, активирующие прокаспазы и приводящие таким образом к апоптозу) и ЭПР-зависимый путь (дисбаланс кальция или накопление неправильно свернутых белков влечет за собой высвобождение из ЭПР прокаспазы-12 и активацию апоптоза).

2. Эффекторная фаза апоптоза

Уже упоминавшиеся выше каспазы можно разделить на инициаторные (у млекопитающих это каспаза-2, -8, -9, -10 и -12) и эффекторные (у млекопитающих каспаза-3, -6 и -7). Инициаторные каспазы или иные ферменты активируют эффекторные каспазы, которые в свою очередь способны расщеплять компоненты цитоскелета, ядерной ламины и регуляторы клеточной адгезии, инактивировать антиапоптотические белки и активировать эндонуклеазы, разрезающие ДНК. Упомянутый выше белок AIF также является эффектором апоптоза, независимым от каспаз.

3. Деградационная фаза апоптоза

В результате апоптоза в клетке нарушаются контакты с окружающими клетками и внеклеточным матриксом, что приводит к округлению ее формы, после чего в плазматической мембране появляются актиновые кольца; они сокращаются, вследствие чего происходит отшнуровывание участков мембраны с внутриклеточным содержимым. Образуются так называемые апоптотические тельца, крупные мембранные структуры, или плотный конденсированный остаток клетки, которые затем подвергаются фагоцитозу макрофагами или иными клетками с фагоцитарной функцией без развития воспалительной реакции.

Апоптоз строго регулируется множеством белков и сигнальных путей. Белки семейства Bcl-2 регулируют проницаемость митохондриальных мембран. Противоапоптотические белки (например, Bcl-2) предотвращают апоптоз, а проапоптотические белки (например, Bax и Bak) способствуют ему. Белок p53 играет ключевую роль в ответе на повреждение ДНК и может активировать апоптоз, если повреждения непоправимы. Ингибиторы белков апоптоза (IAP, Inhibitors of Apoptosis Proteins) подавляют активность каспаз и предотвращают апоптоз в условиях, когда он не нужен.

Апоптоз имеет огромное значение для многоклеточного организма. Он участвует в процессах развития и морфогенеза (во время эмбрионального развития апоптоз способствует формированию органов и тканей путем удаления ненужных клеток), поддерживает гомеостаз (удаляет старые, поврежденные или инфицированные клетки), предотвращает образование опухолей и является частью иммунной системы. Нарушения апоптоза могут приводить к различным заболеваниям, включая нейродегенеративные, опухоли и аутоиммунные расстройства.

Материалы и оборудование

• Световой микроскоп с набором объективов 40х–100х.

• Набор готовых препаратов.