Najkrótsza odpowiedź

Komórka dzieli się wtedy, gdy organizm potrzebuje nowych komórek: podczas wzrostu, odnawiania tkanek, gojenia albo rozmnażania organizmów jednokomórkowych. Przed podziałem musi skopiować swoje DNA. Następnie rozdziela dwie kopie chromosomów do dwóch komórek potomnych.

Nie jest to zwykłe przecięcie komórki na pół. Kolejność jest kontrolowana:

  1. komórka ocenia warunki i rośnie;
  2. kopiuje DNA;
  3. sprawdza, czy kopia jest wystarczająco kompletna;
  4. rozdziela chromosomy;
  5. dzieli cytoplazmę.

Tę uporządkowaną serię nazywamy cyklem komórkowym.

Podstawowy podział na G1, S, G2 i M jest wspólną mapą używaną w biologii komórki, choć długość faz i sposób ich kontroli silnie zależą od komórki.3

Cykl komórkowy obejmuje decyzję i wzrost w G1, kopiowanie DNA w fazie S, kontrolę i przygotowanie w G2 oraz rozdział chromosomów i komórki w fazie M.
Cykl komórkowy obejmuje decyzję i wzrost w G1, kopiowanie DNA w fazie S, kontrolę i przygotowanie w G2 oraz rozdział chromosomów i komórki w fazie M.

Po co organizmowi podziały komórek

Wzrost

Człowiek nie rośnie głównie przez powiększanie każdej komórki. Rośnie przede wszystkim dlatego, że powstają kolejne komórki i organizują się w tkanki.

Większa liczba komórek umożliwia:

  • budowę narządów;
  • zwiększenie powierzchni skóry;
  • wydłużenie kości;
  • rozwój naczyń;
  • dojrzewanie układu odpornościowego.

Sam podział nie wystarcza. Nowe komórki muszą znaleźć właściwe miejsce, odebrać sygnały i zróżnicować się.

Odnowa

Niektóre tkanki regularnie tracą komórki. Nabłonek jelita styka się z trudnym środowiskiem. Naskórek ulega ścieraniu. Komórki krwi mają ograniczony czas życia.

Ich ubytek jest uzupełniany przez podziały komórek macierzystych i progenitorowych. Tempo zależy od tkanki. Neuron, hepatocyt i komórka nabłonka jelita nie mają jednego wspólnego „zegara wymiany”.

Naprawa

Po urazie pojawiają się sygnały zapalne i wzrostowe. Część komórek:

  • migruje;
  • zwiększa produkcję białek;
  • wchodzi w cykl;
  • przebudowuje macierz;
  • odtwarza barierę.

Naprawa nie zawsze oznacza pełną regenerację. Rana może zostać zamknięta blizną, która daje szczelność i wytrzymałość, lecz nie odtwarza całej wcześniejszej architektury.

Rozmnażanie

Dla bakterii i wielu jednokomórkowców podział jest sposobem rozmnażania. U zwierząt podziały mitotyczne budują ciało, natomiast komórki rozrodcze powstają w mejozie. Mejoza nie jest po prostu „inną mitozą”: redukuje ploidalność i miesza warianty odziedziczonych chromosomów.

Nie każda komórka stale się dzieli

W popularnym obrazie komórka bez końca przechodzi od jednego podziału do następnego. W organizmie wiele komórek znajduje się poza aktywnym cyklem.

Mogą:

  • czasowo pozostawać w spoczynku;
  • wrócić do cyklu po sygnale;
  • osiągnąć stan silnie zróżnicowany i prawie się nie dzielić;
  • wejść w starzenie komórkowe;
  • umrzeć.

To ważne rozróżnienie. „Żywa” nie znaczy „dzieląca się”. Neuron może działać przez lata bez wykonywania mitozy. Komórka mięśniowa może rosnąć przez zwiększenie rozmiaru i zawartości białek.

Cztery główne części cyklu

G1: decyzja, wzrost i przygotowanie

Po podziale komórka znajduje się w fazie G1. Odbiera informacje o:

  • składnikach odżywczych;
  • energii;
  • wielkości;
  • kontakcie z sąsiadami;
  • czynnikach wzrostu;
  • stanie DNA;
  • sygnałach tkanki.

Jeśli warunki są niewłaściwe, nie powinna automatycznie kopiować genomu. Może zatrzymać się, wejść w spoczynek albo uruchomić program śmierci.

Decyzja o wejściu w cykl jest decyzją kosztowną. Kopiowanie miliardów par zasad i budowa aparatu podziałowego zużywają zasoby oraz tworzą ryzyko błędu.

S: synteza DNA

Litera S pochodzi od syntezy. Każdy chromosom zostaje skopiowany. Po zakończeniu składa się z dwóch chromatyd siostrzanych połączonych w rejonie centromeru.

W typowej ludzkiej komórce somatycznej liczba chromosomów po fazie S nadal wynosi 46. Zmienia się ilość DNA i liczba chromatyd, nie ploidalność.

NHGRI opisuje chromosomy jako struktury z DNA i białek, które przed podziałem są kopiowane, a następnie rozdzielane do komórek potomnych.2

To częste źródło pomyłek:

  • przed S: 46 chromosomów, po jednej chromatydzie;
  • po S: 46 chromosomów, po dwie chromatydy;
  • po rozdziale: w każdej komórce potomnej znów 46 chromosomów po jednej chromatydzie.
G2: kontrola i przygotowanie

Po replikacji komórka przygotowuje się do mitozy. Sprawdza, czy nie pozostały niedokończone fragmenty i czy uszkodzenia są naprawiane.

Nie istnieje jeden inspektor oglądający cały genom. Działają sieci czujników, enzymów naprawczych i białek sterujących cyklem. Wynik nie jest doskonały, ale zwykle wystarcza, by ograniczyć liczbę groźnych błędów.

M: mitoza i cytokineza

Faza M obejmuje dwa powiązane procesy:

Mitoza rozdziela chromatydy siostrzane do dwóch jąder.

Cytokineza dzieli cytoplazmę i błonę, tworząc dwie komórki.

Możliwe są wyjątki. Komórka może skopiować DNA bez pełnego podziału albo podzielić jądro bez skutecznej cytokinezy. Dlatego sama obecność większej ilości DNA nie dowodzi prawidłowego rozmnożenia komórek.

Jak zaczyna się kopiowanie DNA

Nie od jednego końca

Ludzkie chromosomy są zbyt długie, aby kopiować je sprawnie od jednego miejsca. Replikacja rozpoczyna się w wielu obszarach nazywanych miejscami początku replikacji.

Od aktywnego miejsca przesuwają się dwa widełki replikacyjne. Odcinek pomiędzy nimi jest kopiowany w przeciwnych kierunkach.

Najpierw licencja, potem start

Komórka przygotowuje miejsca początku wcześniej, ale uruchamia je dopiero w fazie S. Rozdzielenie przygotowania od startu pomaga dopilnować zasady:

dany fragment genomu powinien zostać skopiowany raz na cykl.

Powtórne uruchomienie tego samego miejsca mogłoby zwiększyć liczbę kopii części chromosomu. Brak uruchomienia zostawiłby fragment nieskopiowany.

Helikaza rozdziela nici

Podwójna helisa musi zostać miejscowo otwarta. Helikaza rozdziela nici, a inne białka stabilizują pojedyncze nici i zmniejszają naprężenie powstające przed widełkami.

DNA nie jest rozplatane naraz w całym jądrze. Aktywny aparat tworzy lokalną, ruchomą strukturę.

Polimeraza potrzebuje matrycy i startera

Polimeraza DNA dobiera nukleotydy zgodnie z komplementarnością:

  • naprzeciw A wstawia T;
  • naprzeciw T wstawia A;
  • naprzeciw G wstawia C;
  • naprzeciw C wstawia G.

Nie zaczyna jednak nowej nici od zera. Potrzebuje krótkiego startera z wolnym końcem, który może wydłużać.

Starter tworzy primaza. Później starter RNA jest usuwany, luka uzupełniana DNA, a ligaza łączy sąsiednie fragmenty.

Dlaczego jedna nić powstaje fragmentami

Dwie nici DNA są antyrównoległe, a polimeraza wydłuża nową nić tylko w kierunku 5′→3′.

Przy widełkach:

  • nić wiodąca może powstawać w sposób względnie ciągły;
  • nić opóźniona powstaje jako kolejne fragmenty Okazaki.

„Opóźniona” nie znaczy gorsza ani pozostawiona na później aż do końca. Obie są kopiowane w skoordynowanym kompleksie, lecz ich geometria wymusza inny sposób syntezy.

Kopia jest semikonserwatywna

Po replikacji każda cząsteczka potomna zawiera:

  • jedną nić pochodzącą z cząsteczki wyjściowej;
  • jedną nowo zsyntetyzowaną nić.

Nazywa się to replikacją semikonserwatywną.

Nie należy tego mylić z rozdzieleniem „połowy genów” do każdej komórki. Każda komórka potomna ma otrzymać pełny zestaw chromosomów.

Jak ogranicza się błędy

Dobór zasady

Pierwszą warstwą jest chemiczne dopasowanie właściwego nukleotydu do matrycy.

Korekta podczas syntezy

Wiele polimeraz potrafi cofnąć się, usunąć źle wstawiony nukleotyd i kontynuować syntezę. To proofreading.

Naprawa po replikacji

Pozostałe niedopasowania mogą zostać rozpoznane po przejściu widełek. Inne mechanizmy naprawiają uszkodzenia zasad, pęknięcia jednej nici i pęknięcia obu nici.

Mechanizmy różnią się:

  • rodzajem wykrywanego problemu;
  • używaną matrycą;
  • etapem cyklu;
  • ryzykiem wprowadzenia zmiany.

Naprawa nie jest jednym procesem ani gwarancją idealnego genomu.

Pełniejszy mechanistyczny opis replikacji, naprawy i kontroli cyklu znajduje się w podręczniku biologii komórki Albertsa.1

Mutacja nie oznacza automatycznie choroby

Błąd, który pozostanie w DNA i zostanie utrwalony, może być mutacją. Jej skutek zależy od:

  • miejsca;
  • rodzaju zmiany;
  • genu i jego funkcji;
  • typu komórki;
  • liczby komórek z wariantem;
  • obecności drugiej kopii genu;
  • środowiska i czasu.

Zmiana może być neutralna, niekorzystna albo wyjątkowo korzystna w konkretnym środowisku.

Mutacja somatyczna pozostaje w linii komórek ciała. Mutacja komórki rozrodczej może zostać przekazana potomstwu.

Końce liniowych chromosomów

Polimeraza nie może po prostu skopiować końca liniowego DNA bez problemu. Końce chromosomów chronią telomery — powtarzalne sekwencje i związane białka.

W wielu komórkach somatycznych telomery skracają się wraz z podziałami. Enzym telomeraza może je wydłużać i jest aktywny między innymi:

  • w części komórek macierzystych;
  • w komórkach rozrodczych;
  • w licznych komórkach nowotworowych.

Telomery nie są prostym licznikiem wieku człowieka. Ich długość różni się między tkankami i komórkami, a starzenie organizmu zależy od wielu procesów.

Jak chromosomy są rozdzielane

Kondensacja

Przed rozdziałem chromosomy stają się bardziej zwarte. Ułatwia to ich bezpieczne przemieszczanie.

Widoczny chromosom w kształcie X to chromosom po replikacji z dwiema chromatydami. Nie jest to kształt, jaki chromosom zachowuje przez cały czas.

Wrzeciono

Komórka buduje wrzeciono z mikrotubul. Mikrotubule przyłączają się do struktur w rejonie centromerów.

Każda para chromatyd powinna uzyskać połączenia z przeciwnymi biegunami. Napięcie i geometria są częścią systemu kontroli.

Rozdział

Kiedy wszystkie chromosomy są prawidłowo przyłączone, białka spajające chromatydy zostają przecięte. Chromatydy przemieszczają się ku przeciwnym biegunom i od tej chwili są chromosomami potomnymi.

Odtworzenie jąder

Wokół obu zestawów powstają otoczki jądrowe, chromosomy się rozluźniają, a komórka kończy cytokinezę.

Punkty kontrolne nie są punktami na rysunku

Określenie „punkt kontrolny” może sugerować bramkę, która zawsze działa zero-jedynkowo. W rzeczywistości jest to sieć reakcji.

Kontrolowane mogą być:

  • uszkodzenie DNA przed replikacją;
  • ukończenie replikacji;
  • przyłączenie chromosomów do wrzeciona;
  • dostępność sygnałów wzrostowych;
  • stres metaboliczny.

Komórka może:

  1. zwolnić;
  2. zatrzymać cykl;
  3. naprawić uszkodzenie;
  4. wejść w starzenie;
  5. uruchomić apoptozę;
  6. mimo problemu kontynuować.

Ostatnia możliwość jest jedną z dróg do niestabilności genomu.

Cykl a nowotwór

Nowotwór nie jest po prostu „szybkim dzieleniem”. Jest ewolucją linii komórkowej, która gromadzi zmiany pozwalające między innymi:

  • uniezależniać się od sygnałów;
  • omijać zatrzymanie;
  • tolerować uszkodzenia;
  • unikać śmierci;
  • zdobywać zasoby;
  • oddziaływać z otoczeniem.

Niektóre guzy rosną stosunkowo wolno, a część zdrowych komórek dzieli się bardzo szybko. O rozpoznaniu decyduje cały układ cech, nie samo tempo.

Podział asymetryczny

Dwie komórki potomne nie zawsze mają ten sam los. Komórka macierzysta może podzielić się tak, że:

  • jedna potomna zachowuje stan macierzysty;
  • druga rozpoczyna różnicowanie.

Asymetrię mogą tworzyć:

  • nierówny podział składników;
  • różny kontakt z niszą;
  • różne sygnały po podziale;
  • orientacja wrzeciona.

DNA może być prawie takie samo, a stan obu komórek szybko staje się inny.

Mitoza, mejoza i endoreduplikacja

Mitoza

Jej typowym wynikiem są dwie komórki z takim samym zestawem chromosomów jak komórka wyjściowa.

Mejoza

Obejmuje jedną replikację DNA i dwa kolejne podziały. Powstają komórki haploidalne. Homologiczne chromosomy wymieniają fragmenty i rozdzielają się, a potem rozdzielane są chromatydy.

Endoreduplikacja

Komórka może wielokrotnie kopiować DNA bez zwykłej mitozy. Prowadzi to do zwiększonej ilości DNA lub poliploidii.

Takie stany występują fizjologicznie w wybranych tkankach. Więcej DNA nie zawsze jest więc patologią.

Co mierzy badacz

Liczbę komórek

Można liczyć komórki mikroskopowo, automatycznym licznikiem lub pośrednio. Metoda pośrednia może reagować na metabolizm, ATP albo ilość barwnika, więc nie zawsze mierzy dosłownie liczbę.

Syntezę DNA

Do nowego DNA można wprowadzić znakowany analog nukleozydu. Sygnał wskazuje komórki, które syntetyzowały DNA w badanym oknie.

Nie dowodzi jeszcze, że:

  • ukończyły replikację;
  • przeszły prawidłową mitozę;
  • przeżyły;
  • dały dwie funkcjonalne komórki.
Zawartość DNA

Cytometria przepływowa pozwala rozdzielić populacje o typowej zawartości DNA dla G1 i G2/M oraz komórki pośrednie w S.

To pomiar populacji. Bez dodatkowych markerów nie odróżnia wszystkich przyczyn nietypowego rozkładu.

Markery faz

Białka cyklin, fosforylacje i antygeny proliferacji pomagają określić stan. Każdy marker ma jednak zakres, czas utrzymywania i ograniczenia.

Najbezpieczniejszy wniosek łączy kilka niezależnych obserwacji.

Dlaczego hodowla komórek nie rośnie bez końca

W naczyniu hodowlanym pojawiają się ograniczenia:

  • brak powierzchni;
  • zużycie składników;
  • zmiana pH;
  • gromadzenie metabolitów;
  • kontakt z sąsiadami;
  • starzenie;
  • różnicowanie;
  • stres;
  • selekcja subpopulacji.

Krzywa wzrostu ma zwykle fazę adaptacji, szybszego przyrostu i spowolnienia. Obliczenie czasu podwojenia tylko z dwóch przypadkowych punktów może być mylące.

Linia komórkowa zdolna do długiej proliferacji nie jest neutralnym zamiennikiem tkanki. Mogła przystosować się do hodowli i zgromadzić zmiany.

Dlaczego to ważne w klonowaniu

Klonowanie komórek

Jeżeli pojedyncza komórka daje kolonię, potomstwo tworzy linię klonalną. Podczas kolejnych podziałów mogą jednak powstawać nowe warianty i różnice stanu.

„Klonalna” mówi o pochodzeniu, nie o wiecznej identyczności.

Transfer jądra

W SCNT faza cyklu jądra dawcy musi być zgodna ze stanem oocytu. Nieprawidłowe zestawienie może prowadzić do błędnej liczby chromosomów lub nieprawidłowej replikacji.

Komórki macierzyste

Produkt komórkowy wymaga równowagi:

  • wystarczającej proliferacji do uzyskania dawki;
  • zachowania pożądanego stanu;
  • ograniczenia zmian genomowych;
  • zdolności do kontrolowanego różnicowania.

Szybszy wzrost nie jest automatycznie lepszy.

Najczęstsze pomyłki

„Po replikacji człowiek ma 92 chromosomy”

Nie w zwykłej konwencji liczenia. Po fazie S ma 46 chromosomów złożonych z 92 chromatyd.

„Mitoza kopiuje DNA”

Kopia powstaje wcześniej, w fazie S. Mitoza ją rozdziela.

„Każdy podział daje identyczne komórki”

Pochodzenie i zestaw chromosomów mogą być podobne, ale skład cytoplazmy, ekspresja, środowisko i nowe mutacje mogą się różnić.

„Marker proliferacji dowodzi podziału”

Marker może dowodzić wejścia w część cyklu. Do wykazania zakończonego podziału potrzebna jest obserwacja wyniku.

„Uszkodzona komórka zawsze się zatrzyma”

Systemy kontroli ograniczają ryzyko, lecz nie są niezawodne.

Jak czytać wykres cyklu

Zanim zinterpretujesz figurę, zapytaj:

  1. Czy mierzono zawartość DNA, syntezę, marker czy rzeczywistą liczbę podziałów?
  2. Czy pokazano jedną komórkę, czy rozkład populacji?
  3. Jak długo trwało znakowanie?
  4. Czy martwe komórki usunięto z analizy?
  5. Czy komórki były synchronizowane?
  6. Czy zatrzymanie w fazie jest przyczyną, czy skutkiem stresu?
  7. Czy po obserwacji sprawdzono przeżycie i funkcję?

Te pytania chronią przed zamianą pośredniego sygnału w zbyt mocny wniosek.

Co warto zapamiętać

  • Podział wymaga wcześniejszego skopiowania DNA.
  • Faza S kopiuje chromosomy, a mitoza rozdziela chromatydy.
  • Po S wzrasta ilość DNA, lecz zwykle nie liczba chromosomów.
  • Replikacja zaczyna się w wielu miejscach i jest ograniczana do jednego przejścia na cykl.
  • Polimerazy współpracują z helikazami, starterami, ligazami i systemami naprawy.
  • Punkty kontrolne zmniejszają ryzyko, ale nie gwarantują bezbłędności.
  • Wejście w cykl nie jest tym samym co ukończony podział.
  • Klonalne pochodzenie nie gwarantuje identyczności każdej komórki po wielu generacjach.

Dokąd dalej

Jeśli pojęcia n, C, chromosom i chromatyda nadal się mieszają, przejdź do artykułu Cykl komórkowy, ploidalność i ilość DNA.

Mechanizmy działania genów rozwija tekst Od genu do białka.

Znaczenie podziałów dla rozwoju wyjaśnia kolejny artykuł tej ścieżki: „Jak cały organizm powstaje z jednej komórki”.

Źródła