Клеточный цикл

КЛЕТОЧНЫЙ ЦИКЛ, набор строго скоординированных во времени процессов, приводящих к воспроизведению клеток; важнейший механизм, с помощью которого репродуцируется всё живое. В основе способности клеток к самовоспроизведению лежит уникальное свойство ДНК реплицироваться с образованием двух точных копий, которые в ходе деления распределяются между двумя дочерними клетками. Помимо удвоения ДНК в клеточном цикле большинства клеток должно удваиваться число их органелл и макромолекул, в противном случае с каждым делением клетки становились бы меньше. Т.о., для поддержания своих размеров клетка должна координировать рост клеточной массы с её делением. У одноклеточных организмов клеточный цикл  совпадает с жизненным циклом. В непрерывно размножающихся клетках многоклеточных организмов он состоит из чётко сменяющих друг друга периодов: интерфазы (подготовки к делению) и митоза (собственно деления).

Именно в интерфазе, а не в митозе, как считали ранее, происходит репликация ДНК (удвоение хромосом). Сама интерфаза подразделяется на три фазы. Пресинтетическая G1-фаза предшествует синтезу ядерной ДНК и следует сразу за предыдущим делением. В этой фазе в клетке синтезируются рибонуклеиновые кислоты (РНК), различные белки, увеличивается число рибосом, митохондрий. В целом наблюдается активный рост клетки. В фазе синтеза ДНК (S-фазе) продолжается образование РНК и белков, происходит репликация ядерной ДНК. Постсинтетическая G2-фаза характеризуется окончательной подготовкой клетки к делению, в том числе сборкой микротрубочек, которые в дальнейшем будут формировать веретено деления. За фазами интерфазы следует митоз (М-фаза). Понятие «клеточный цикл» включает в себя не только интервал времени от одного клеточного деления до другого. Иногда клетка, завершившая митоз, прекращает подготовку к очередным синтезу ДНК и митозу и входит в состояние «вне цикла», то есть в состояние пролиферативного покоя, обозначаемое как G0-фаза. Из этой фазы она может вновь вернуться в состояние клеточного цикла под влиянием стимула к размножению. Существуют также клетки с удлинённой продолжительностью постсинтетической фазы. Их называют G2-популяцией.

Длительность клеточного цикла варьирует у разных организмов в широких пределах - от нескольких минут до нескольких суток. Показано также, что разные клеточные популяции могут сильно различаться и по продолжительности отдельных фаз цикла. Наиболее коротким является клеточный цикл  бластомеров на ранних стадиях эмбрионального развития. В клеточном цикле этих клеток практически отсутствуют G1- и G2-фазы, S-фаза может длиться всего несколько минут. На заключительном этапе эмбрионального развития животных, например у млекопитающих, происходит массовое вступление клеток в состояние покоя, связанное с их дифференцировкой. Длительность клеточного цикла различается в пределах одного взрослого многоклеточного организма. Например, клетки регенерирующей печени мыши делятся примерно через каждые 48 часов, а крипт кишки (углублений эпителия в её слизистой) - через 10,5 часов. Лимфоциты человека, помещённые в среду для культивирования клеток и обработанные фитогемагглютинином, начинают размножаться, и их клеточный цикл  оказывается равным примерно 24 часам. Наиболее вариабельной является G1-фаза. При дифференцировке одни типы клеток взрослого организма, выполняя специфические функции, находятся в G0-фазе, но сохраняют способность к размножению, другие - необратимо утрачивают её и называются терминально дифференцированными.

Программа осуществления процессов клеточного цикла включает сложную систему контроля, которая обеспечивается работой комплексов регуляторных белков. При этом контролирующие системы действуют как внутри клетки (эндогенные регуляторы), так и вне её (экзогенные регуляторы). Эндогенная регуляция клеточного цикла основана на циклической активации протеинкиназ, известных как циклин-зависимые киназы. Активность последних увеличивается или падает в ходе клеточного цикла. Такие колебания активности ведут к циклическим изменениям степени фосфорилирования внутриклеточных белков, инициирующих или регулирующих важнейшие события клеточного цикла: репликацию ДНК, сегрегацию хромосом и цитокинез (собственно деление тела клетки на две). У разных организмов в разных фазах клеточного цикла активируются различные варианты комплексов циклинов и киназ. Прекращение работы таких комплексов связано с действием ингибирующих белков или с протеолизом циклинового компонента комплекса. В целом эндогенная регуляция в ходе клеточного цикла обеспечивается сложной системой процессов синтеза и деградации определённых субъединиц регуляторных комплексов, процессами фосфорилирования и дефосфорилирования этих и других регуляторых белков. Экзогенная регуляция включает действие на клетки внеклеточных регуляторных сигналов. Для одноклеточных организмов такими сигналами являются компоненты окружающей среды, для многоклеточных организмов - синтезируемые различными клетками небольшие белковые молекулы, к которым относятся факторы роста и цитокины. Нарушение механизмов эндогенной и экзогенной регуляции клеточного цикла может приводить к неконтролируемому размножению клеток, что служит причиной образования опухолей.

Лит.: Епифанова О. И. Лекции о клеточном цикле. 2-е изд. М., 2003.