Ćelija je osnovna jedinica svih živih bića. Izvan ćelije nema života. Reprodukcija ćelije se dešava samo deobom prvobitne ćelije, kojoj prethodi reprodukcija njenog genetskog materijala. Aktivacija diobe ćelije nastaje zbog utjecaja vanjskih ili unutrašnjih faktora na nju. Proces diobe ćelije od trenutka njene aktivacije naziva se proliferacija. Drugim riječima, proliferacija je umnožavanje ćelija, tj. povećanje broja ćelija (u kulturi ili tkivu) koje se javlja kroz mitotičke podjele. Period postojanja ćelije kao takve, od diobe do diobe, obično se naziva ćelijski ciklus.

UVOD 3
POGLAVLJE I. Proliferacija 4
Ćelijski ciklus 5
Regulacija ćelijskog ciklusa 6
Egzogeni regulatori proliferacije 7
Endogeni regulatori proliferacije 7
CDK 8 regulatorni putevi
Regulativa G1 faza 10
Regulacija S faze 11
Regulativa G2 faza 12
Regulacija mitoze 12
Oštećenje DNK 13
1.10.1 Načini popravljanja dvolančanih prekida DNK 13
1.10.2 Ćelijski odgovor na oštećenje DNK i njegova regulacija 14
1.11. Regeneracija tkiva 15
1.11.1 Oblici regeneracije 16
1.11.2. Regulacija regeneracije tkiva 17
POGLAVLJE II. APOPTOZA 18
2.1. Karakteristični znaci apoptoze 19
2.2. Mehanizam apoptoze 19
2.3. Uloga apoptoze u zaštiti od raka 20
2.4. Regulacija apoptoze 21
LITERATURA 24

Rad sadrži 1 fajl

Ruski državni pedagoški univerzitet nazvan po A. I. Herzenu

Biološki fakultet

NASTAVNI RAD

Proliferacija ćelija

Sankt Peterburg 2010
SADRŽAJ

UVOD 3

POGLAVLJE I. Proliferacija 4

1. Ćelijski ciklus 5
2. Regulacija ćelijskog ciklusa 6
3. Egzogeni regulatori proliferacije 7
4. Endogeni regulatori proliferacije 7
5. Putevi regulacije CDK-a 8
6. Regulacija G1 faze 10
7. Regulacija S faze 11
8. Regulacija G2 faze 12
9. Regulacija mitoze 12
10. Oštećenje DNK 13

1.10.1 Putevi za popravku dvolančanih prekida DNK 13

1.10.2 Ćelijski odgovor na oštećenje DNK i njegova regulacija 14

1.11. Regeneracija tkiva 15

1.11.1 Oblici regeneracije 16

1.11.2. Regulacija regeneracije tkiva 17

POGLAVLJE II. APOPTOZA 18

2.1. Karakteristični znaci apoptoze 19

2.2. Mehanizam apoptoze 19

2.3. Uloga apoptoze u zaštiti od raka 20

2.4. Regulacija apoptoze 21

BIBLIOGRAFIJA 24

Uvod

Ćelija je osnovna jedinica svih živih bića. Izvan ćelije nema života. Reprodukcija ćelije se dešava samo deobom prvobitne ćelije, kojoj prethodi reprodukcija njenog genetskog materijala. Aktivacija diobe ćelije nastaje zbog utjecaja vanjskih ili unutrašnjih faktora na nju. Naziva se proces diobe ćelije od trenutka njene aktivacije proliferacija. Drugim riječima, proliferacija – ovo je reprodukcija ćelija, tj. povećanje broja ćelija (u kulturi ili tkivu) koje se javlja kroz mitotičke podjele. Životni vijek ćelije kao takve, od diobe do diobe, obično se nazivaćelijski ciklus.

U tijelu odraslog čovjeka, ćelije različitih tkiva i organa imaju različite sposobnosti podjele. Osim toga, sa starenjem se smanjuje intenzitet proliferacije stanica (tj. interval između mitoze ). Postoje populacije ćelija koje su potpuno izgubile sposobnost dijeljenja. To su, po pravilu, ćelije koje su u terminalnoj fazidiferencijaciju, na primjer, zrela neuroni, granulirani krvni leukociti, kardiomiociti . U tom smislu izuzetak je imunMemorijske B i T ćelije, koji se nalazi u završnoj fazi diferencijacije, kada se određeni stimulans pojavi u tijelu u obliku prethodno naiđenog antigen , mogu početi da se razmnožavaju. Tijelo ima tkiva koja se stalno obnavljaju - razne vrste epitela, hematopoetska tkiva. U takvim tkivima postoji skup ćelija koje se neprestano dijele, zamjenjujući istrošene ili umiruće tipove stanica (npr.ćelije crijevne kripte, ćelije bazalnog sloja integumentarnog epitela, hematopoetske ćelije koštana srž ). U organizmu postoje i ćelije koje se ne razmnožavaju u normalnim uslovima, ali ponovo dobijaju ovo svojstvo pod određenim uslovima, posebno kada je to potrebno. regeneracija tkiva i organa.

Proces ćelijske proliferacije je strogo reguliran i od strane same ćelije (regulacija ćelijskog ciklusa, prestanak ili usporavanje sinteze autokrini faktori rasta i njihovi receptori) i njegovo mikrookruženje (nedostatak stimulativnih kontakata sa susjednim stanicama i matriksom, prestanak sekrecije i/ili sinteze parakrina faktori rasta). Disregulacija proliferacije dovodi do neograničene diobe stanica, što zauzvrat pokreće razvoj onkološkog procesa u tijelu.

Proliferacija

Glavnu funkciju povezanu sa inicijacijom proliferacije preuzimaplazma membranaćelije. Na njegovoj površini se događaju događaji koji su povezani s prijelazom stanica u mirovanju u aktivirano stanje koje prethodi diobi. Plazma membrana ćelija, zahvaljujući molekulima receptora koji se nalaze u njoj, percipira različite ekstracelularne mitogene signale i obezbeđuje transport u ćeliju neophodnih supstanci koje učestvuju u pokretanju proliferativnog odgovora. Mitogeni signali mogu biti kontakti između ćelija, između ćelije i matriksa, kao i interakcija ćelija sa različitim jedinjenjima koja stimulišu njihov ulazak ućelijski ciklus , koji se nazivaju faktori rasta. Ćelija koja je primila mitogeni signal za proliferaciju započinje proces diobe.

Ćelijski ciklus

Cijeli ćelijski ciklus sastoji se od 4 faze: presintetički (G1),
sintetički (S), postsintetski (G2) i mitozni pravi (M).
Osim toga, postoji takozvani G0 period, koji karakterizira
stanje mirovanja ćelije. U G1 periodu ćelije imaju diploidni
Sadržaj DNK po jezgru. U tom periodu počinje rast ćelija
uglavnom zbog nakupljanja ćelijskih proteina, što je zbog
povećanje količine RNK po ćeliji. Osim toga, počinju pripreme za sintezu DNK. U sljedećem S-periodu količina se udvostručuje DNK i shodno tome se broj hromozoma udvostručuje. Postsintetička G2 faza se također naziva premitotičkom. U ovoj fazi dolazi do aktivne sinteze mRNA (messenger RNA). Nakon ove faze slijedi sama dioba ćelije, odnosno mitoza.

Podjela svih eukariotske ćelijepovezano sa kondenzacijom udvostručenog (replicirano) hromozomi. Kao rezultat podjele ovih hromozoma prenose se u ćelije kćeri. Ova vrsta podjele eukariotskih stanica - mitoza (od grčkog mitos - niti) - jedini je potpuni način povećanja broja ćelija. Proces mitotičke diobe podijeljen je u nekoliko faza: profaza, prometafaza, metafaza, anafaza, telofaza.

Regulacija ćelijskog ciklusa

Svrha regulatornih mehanizama ćelijskog ciklusa nije da regulišu prolazak ćelijskog ciklusa kao takvog, već da obezbede, u krajnjoj liniji, distribuciju naslednog materijala bez grešaka tokom procesa ćelijske reprodukcije. Regulacija ćelijske reprodukcije zasniva se na promjeni stanja aktivne proliferacije iproliferativnog mirovanja. Regulatorni faktori koji kontroliraju ćelijsku reprodukciju mogu se podijeliti u dvije grupe: ekstracelularni (ili egzogeni) ili intracelularni (ili endogeni).Egzogeni faktorinalaze se u mikrookruženju ćelije i u interakciji su sa površinom ćelije. Faktori koje sintetiše sama ćelija i deluju unutar nje se nazivaju
endogeni faktori. Ova podjela je vrlo proizvoljna, jer neki faktori, koji su endogeni u odnosu na ćeliju koja ih proizvodi, mogu je napustiti i djelovati kao egzogeni regulatori na druge stanice. Ako regulatorni faktori stupaju u interakciju s istim stanicama koje ih proizvode, onda se ova vrsta kontrole naziva autokrina. Sa parakrinom kontrolom, sintezu regulatora provode druge ćelije.

Egzogeni regulatori proliferacije

U višećelijskim organizmima regulacija proliferacije različitih tipova stanica nastaje zbog djelovanja ne jednog faktora rasta, već njihove kombinacije. Osim toga, nekefaktori rasta, kao stimulatori za neke tipove ćelija, ponašaju se kao inhibitori u odnosu na druge. Classicfaktori rastapredstavljaju polipeptidi sa molekulskom težinom od 7-70 kDa. Do danas je poznato više od stotinu takvih faktora rasta.

PDGF trombociti. Oslobođen nakon razaranja vaskularnog zida, PDGF je uključen u procese stvaranja tromba i zacjeljivanja rana. PDGF je snažan faktor rasta za uspavane fibroblasti . Uz PDGF, epidermalni faktor rasta nije ništa manje temeljno proučavan ( EGF ), koji je također sposoban stimulirati proliferaciju fibroblasta. Ali, osim ovoga, djeluje i stimulativno na druge vrste stanica, posebno na hondrociti.

Velika grupa faktora rasta je citokini (interleukini, faktori tumorske nekroze, faktori koji stimulišu kolonijeitd.). Svi citokini su multifunkcionalni. Oni mogu ili pojačati ili inhibirati proliferativne odgovore. Na primjer, različite subpopulacije CD4+ T limfocita, Th1 i Th2 , proizvodeći različit spektar citokina, antagonisti su jedni prema drugima. Odnosno, Th1 citokini stimuliraju proliferaciju stanica koje ih proizvode, ali istovremeno potiskuju diobu Th2 stanica, i obrnuto. Dakle, normalno tijelo održava konstantnu ravnotežu ove dvije vrste T-limfocita. Interakcija faktora rasta sa njihovim receptorima na površini ćelije dovodi do pokretanja čitave kaskade događaja unutar ćelije. Kao rezultat toga, transkripcijski faktori se aktiviraju i eksprimiraju se geni proliferativnog odgovora, što na kraju inicira replikaciju DNK i stanica ulazi u mitozu.

Endogeni regulatori ćelijskog ciklusa

U normalnim eukariotskim ćelijama, napredovanje kroz ćelijski ciklus je strogo regulirano. Razlogonkološke bolesti je transformacija ćelija, obično povezana s kršenjem regulatornih mehanizama ćelijskog ciklusa. Jedan od glavnih rezultata defekta ćelijskog ciklusa je genetska nestabilnost, budući da ćelije sa defektnom kontrolom ćelijskog ciklusa gube sposobnost da pravilno umnožavaju i distribuiraju svojegenom . Genetska nestabilnost dovodi do sticanja novih karakteristika koje su odgovorne za napredovanje tumora.

Cellular proliferacija- povećanje broja ćelija putem mitoze,

što dovodi do rasta tkiva, za razliku od druge metode njegovog povećanja

mase (na primjer, edem). Nema proliferacije u nervnim ćelijama.

U tijelu odrasle osobe razvojni procesi povezani sa

sa diobom i specijalizacijom ćelija. Ovi procesi mogu biti ili normalni

normalan fiziološki, a usmjeren je na obnavljanje

organizma zbog narušavanja njegovog integriteta.

Važnost proliferacije u medicini određena je sposobnošću ćelija

struja različitih tkiva do diobe. Proces ozdravljenja povezan je s diobom stanica

zacjeljivanje rana i obnavljanje tkiva nakon operativnih zahvata.

Proliferacija ćelija je u osnovi regeneracije (oporavka)

izgubljeni delovi. Mene zanima problem regeneracije -

liječnici, za rekonstruktivnu hirurgiju. Postoje fiziološki,

reparativna i patološka regeneracija.

fiziološki- prirodna obnova ćelija i tkiva u

ontogenija. Na primjer, promjena crvenih krvnih stanica, epitelnih stanica kože.

Reparativni- restauracija nakon oštećenja ili smrti ljepila

struja i tkanine.

Patološki- proliferacija tkiva koja nisu identična zdravim tkivima;

Yum. Na primjer, rast ožiljnog tkiva na mjestu opekotine, hrskavice na

mjesto prijeloma, proliferacija ćelija vezivnog tkiva na mjestu našeg

cervikalno tkivo srca, kancerozni tumor.

Nedavno je uobičajeno da se ćelije životinjskog tkiva odvajaju prema njihovim svojstvima.

sposobnost podjele u 3 grupe: labilne, stabilne i statične.

TO labilan uključuju ćelije koje se brzo i lako obnavljaju

u procesu vitalne aktivnosti organizma (krvne ćelije, epitel, sluz)

gastrointestinalni trakt, epidermis itd.).

TO stabilan uključuju ćelije organa kao što su jetra, gušterača,

duktalne žlijezde, pljuvačne žlijezde, itd., koji pokazuju ograničeno

nova sposobnost podjele.

TO statički uključuju ćelije miokarda i nervnog tkiva, koje

Neki, prema većini istraživača, ne dijele.

Proučavanje fiziologije ćelije je važno za njeno razumevanje

genetski nivo organizacije živih bića i mehanizmi samoregulacije

ćelije koje obezbeđuju integralno funkcionisanje celog organizma.

Poglavlje 6

GENETIKA KAKO NAUKA. REGULARITIKE

NASLJEĐIVANJE ZNAKOVI

6.1 Predmet, zadaci i metode genetike

Nasljednost i varijabilnost su osnovna svojstva

svojstva živih bića, budući da su karakteristična za živa bića bilo kojeg nivoa organizacije.

nizacija. Nauka koja proučava obrasce naslijeđa i varijabilnosti

vesti, to se zove genetika.

Genetika kao nauka proučava nasljednost i nasljednost

varijabilnost, naime, bavi se sa sljedeći probleme:

1) skladištenje genetskih informacija;

2) prenos genetskih informacija;

3) implementacija genetičke informacije (upotreba istih u specifičnim

specifični znakovi organizma u razvoju pod uticajem spoljašnje sredine);

4) promjene u genetskim informacijama (vrste i uzroci promjena,

mehanizmi).

Prva faza razvoja genetike - 1900–1912. Od 1900 - redizajniran

Pokrivanje G. Mendelovih zakona od strane naučnika H. De Vriesa, K. Corrensa, E. Cher-

mak Prepoznavanje G. Mendelovih zakona.

Druga faza 1912–1925 - stvaranje hromozomske teorije T. Mor-

Gana. Treća faza 1925–1940 - otkriće umjetne mutageneze i

genetski procesi evolucije.

Četvrta faza 1940–1953 - istraživanje kontrole gena

fiziološke i biohemijske procese.

Peta faza od 1953. do danas - razvoj molekularnog

biologija.

Poznate su neke informacije o nasljeđivanju osobina

veoma davno, ali naučna osnova za prenošenje osobina bila je prva

izložio G. Mendel 1865. u djelu: “Ogledi na biljci

hibridi." To su bile napredne misli, ali savremenici nisu davali

značaj njegovog otkrića. Koncept “gena” u to vrijeme nije postojao i G. Men-

del je govorio o “nasljednim sklonostima” sadržanim u reproduktivnim stanicama

kah, ali njihova priroda je bila nepoznata.

Godine 1900, nezavisno jedan od drugog, H. De Vries, E. Chermak i K. Cor-

Rens je ponovo otkrio zakone G. Mendela. Ova godina se smatra godinom rođenja

razvoj genetike kao nauke. Godine 1902. T. Boveri, E. Wilson i D. Setton su napravili

Iznijeli su pretpostavku o povezanosti nasljednih faktora sa hromozomima.

1906. W. Betson je uveo termin "genetika", a 1909. V. Johansen -

"gen". Godine 1911. T. Morgan i saradnici su formulisali glavne principe

Zheniya hromozomska teorija nasljeđa. Oni su dokazali da geni

locirani na određenim hromozomskim lokusima u linearnom redu, prema

cija određene karakteristike.

Osnovne metode genetike: hibridološke, citološke i

matematički. Genetika aktivno koristi metode drugih srodnih

nauke: hemija, biohemija, imunologija, fizika, mikrobiologija itd.

Ćelijski ciklus je period života ćelije od jedne deobe do druge ili od deobe do smrti. Ćelijski ciklus se sastoji od interfaze (period izvan diobe) i same diobe ćelije.

Na kraju G1 perioda uobičajeno je razlikovati poseban trenutak koji se zove R-tačka (restrikciona tačka, R-tačka), nakon čega ćelija nužno ulazi u S period u roku od nekoliko sati (obično 1-2). Vremenski period između R tačke i početka S perioda može se smatrati pripremnim za prelazak u S period.

Najvažniji proces koji se dešava u S periodu je udvostručenje ili reduplikacija DNK. Sve ostale reakcije koje se dešavaju u ćeliji u ovom trenutku imaju za cilj osiguranje sinteze DNK. Takvi pomoćni procesi uključuju sintezu histonskih proteina, sintezu enzima koji reguliraju i osiguravaju sintezu nukleotida i formiranje novih lanaca DNK.

Prolaz ćelije kroz sve periode ćelijskog ciklusa je strogo kontrolisan. Kako se ćelije kreću kroz ćelijski ciklus, pojavljuju se i nestaju, aktiviraju se i inhibiraju posebni regulatorni molekuli koji obezbeđuju: 1) prolazak ćelije kroz određeni period ćelijskog ciklusa i 2 prelazak iz jednog perioda u drugi. Štaviše, prolazak kroz svaki period, kao i prelazak iz jednog perioda u drugi, kontrolišu različite supstance. Sada ćemo pokušati saznati koje su to tvari i čemu služe.

Opšta situacija ide ovako. Ćelija konstantno sadrži posebne enzimske proteine ​​koji fosforilacijom drugih proteina (kod ostataka serina, tirozina ili treonina u polipeptidnom lancu) regulišu aktivnost gena odgovornih za prolazak ćelije kroz jedan ili drugi period ćelijskog ciklusa. Ovi enzimski proteini se nazivaju ciklin zavisne protein kinaze (cdc). Postoji nekoliko varijanti, ali sve imaju slična svojstva. Iako količina ovih protein kinaza zavisnih od ciklina može varirati u različitim periodima ćelijskog ciklusa, one su stalno prisutne u ćeliji, bez obzira na period ćelijskog ciklusa, odnosno u izobilju. Drugim riječima, njihova sinteza ili količina ne ograničavaju niti regulišu prolazak ćelija kroz ćelijski ciklus. Međutim, u patologiji, ako je njihova sinteza poremećena, njihov broj je smanjen ili postoje mutantni oblici s promijenjenim svojstvima, onda to, naravno, može utjecati na tijek staničnog ciklusa.

Zašto takve protein kinaze zavisne od ciklina same ne mogu regulisati prolazak ćelija kroz periode ćelijskog ciklusa? Ispostavilo se da su u ćelijama u neaktivnom stanju, a da bi se aktivirale i počele raditi, potrebni su posebni aktivatori. Oni su ciklini. Ima ih i mnogo različitih vrsta, ali nisu stalno prisutne u ćelijama: pojavljuju se, a zatim nestaju. U različitim fazama ćelijskog ciklusa nastaju različiti ciklini, koji se vezuju za Cdk i formiraju različite komplekse Cdk-ciklin. Ovi kompleksi regulišu različite faze ćelijskog ciklusa i stoga se nazivaju G1-, G1/S-, S- i M-Cdk (sl. sa moje slike ciklini). Na primjer, prolazak ćelije kroz G1 period ćelijskog ciklusa je osiguran kompleksom ciklin zavisne protein kinaze-2 (cdk2) i ciklina D1, ciklin zavisne protein kinaze-5 (cdk5) i ciklina D3. Prolaz kroz specijalnu restrikcionu tačku (R-tačku) G1 perioda kontroliše kompleks cdc2 i ciklina C. Prelazak ćelije iz G1 perioda ćelijskog ciklusa u S period kontroliše kompleks cdk2 i ciklin E. Za prijelaz ćelije iz S perioda u G2 period potrebni su cdk2 kompleks i ciklin A. Protein kinaza 2 (cdc2) zavisna od ciklina i ciklin B su uključeni u tranziciju ćelije iz G2 period do mitoze (M period). Ciklin H u kombinaciji sa cdk7 je neophodan za fosforilaciju i aktivaciju cdc2 u kompleksu sa ciklinom B.

Ciklini su nova klasa proteina koju je otkrio Tim Hunt i koji igraju ključnu ulogu u kontroli diobe stanica. Naziv "ciklini" potiče od činjenice da se koncentracija proteina ove klase periodično mijenja u skladu sa fazama ćelijskog ciklusa (na primjer, pada prije početka diobe ćelije).

Prvi ciklin otkrio je Hunt ranih 1980-ih, tokom eksperimenata sa jajima žaba i morskog ježa. Kasnije su ciklini pronađeni i kod drugih živih bića.

Pokazalo se da su se ovi proteini malo promijenili tokom evolucije, kao i mehanizam kontrole ćelijskog ciklusa, koji je došao od jednostavnih ćelija kvasca do ljudi u "konzerviranom" obliku.

Timothy Hunt (R. Timothy Hunt), zajedno sa kolegom Englezom Paulom M. Nurseom i Amerikancem Lelandom H. Hartwellom, dobio je 2001. Nobelovu nagradu za fiziologiju i medicinu za otkriće genetskih i molekularnih mehanizama regulacije ćelijskog ciklusa – procesa koji neophodan je za rast, razvoj i samo postojanje živih organizama

Kontrolne tačke ćelijskog ciklusa

1. Tačka izlaska iz G1 faze, nazvana Start - kod sisara i tačka restrikcije kod kvasca. Nakon prolaska kroz restrikcijsku tačku R na kraju G1, početak S postaje nepovratan, tj. pokreću se procesi koji vode do sljedeće diobe ćelije.
2. Tačka S – provjera tačnosti replikacije.

3. G2/M prelazna tačka – provera završetka replikacije.
4. Prijelaz iz metafaze u anafazu mitoze.

Regulacija replikacije

Pre nego što replikacija počne, Sc ORC kompleks (kompleks za prepoznavanje porekla) se nalazi na ori, početnoj tački replikacije. Cdc6 je prisutan tokom ćelijskog ciklusa, ali njegova koncentracija raste rano u G1, gde se vezuje za ORC kompleks, na koji se zatim pridružuju Mcm proteini da bi formirali pre-replikacijski kompleks (pre-RC). Nakon što je pred-RC sastavljen, ćelija je spremna za repliciranje.

Da bi pokrenuo replikaciju, S-Cdk se vezuje za protein kinazu (?), koja fosforilira pre-RC. U ovom slučaju, Cdc6 se odvaja od ORC-a nakon početka replikacije i fosforilira se, nakon čega ga SCF ubikvitinira i razgrađuje. Promjene u pre-RC-u sprječavaju ponovno pokretanje replikacije. S-Cdk također fosforilira neke Mcm proteinske komplekse, što pokreće njihov izvoz iz jezgra. Naknadna defosforilacija proteina će ponovo pokrenuti proces pre-RC formiranja.

Ciklini su Cdk aktivatori. Ciklini, poput Cdks, uključeni su u različite procese osim kontrole ćelijskog ciklusa. Ciklini se dijele u 4 klase ovisno o vremenu djelovanja u ćelijskom ciklusu: G1/S, S, M i G1 ciklini.
G1/S ciklini (Cln1 i Cln2 kod S. cerevisiae, ciklin E kod kičmenjaka) postižu maksimalnu koncentraciju u kasnoj G1 fazi, a smanjuju se u S fazi.

G1/S ciklin-Cdk kompleks pokreće početak replikacije DNK tako što isključuje različite sisteme koji potiskuju S-fazu Cdk u fazi G1. G1/S ciklini također iniciraju duplikaciju centrosoma kod kičmenjaka i formiranje tijela vretena u kvascu . Smanjenje nivoa G1/S praćeno je povećanjem koncentracije S ciklina (Clb5, Clb6 u Sc i ciklin A kod kičmenjaka), koji formira S ciklin-Cdk kompleks koji direktno stimuliše replikaciju DNK. Nivoi S ciklina ostaju visoki tokom S, G2 faza i početka mitoze, gdje pomaže u pokretanju mitoze u nekim ćelijama.

M-ciklini (Clb1,2,3 i 4 u Sc, ciklin B kod kičmenjaka) se pojavljuju posljednji. Njegova koncentracija raste kako stanica ulazi u mitozu i dostiže maksimum u metafazi. M-cyclin-Cdk kompleks uključuje sklapanje vretena i poravnanje sestrinske hromatide. Njegovo uništenje u anafazi dovodi do izlaska iz mitoze i citokineze. G1 ciklini (Cln3 u Sc i ciklin D kod kičmenjaka) pomažu u koordinaciji rasta ćelija s ulaskom u novi ćelijski ciklus. Oni su neobični jer njihova koncentracija ne varira s fazom ćelijskog ciklusa, već se mijenja kao odgovor na vanjske regulatorne signale rasta.

Programirana ćelijska smrt

Godine 1972. Kerr et al. objavio je članak u kojem su autori iznijeli morfološke dokaze o postojanju posebne vrste ćelijske smrti, različite od nekroze, koju su nazvali “apoptoza”. Autori su objavili da strukturne promjene u ćelijama tokom apoptoze prolaze kroz dvije faze:

1. – formiranje apoptotičkih tijela,

2. – njihova fagocitoza i uništavanje od strane drugih ćelija.

Uzroci smrti, morfološki i biohemijski procesi razvoja stanične smrti mogu biti različiti. Ali ipak se mogu jasno podijeliti u dvije kategorije:

1. Nekroza (od grčkog nekrosis - nekroza) i

2. Apoptoza (od grčkih korijena što znači „otpadanje“ ili „dezintegracija“), koja se često naziva programirana ćelijska smrt (PCD) ili čak ćelijsko samoubistvo (Sl. 354).

Dva puta ćelijske smrti

a – apoptoza (podstaknuta ćelijska smrt): / – specifična ćelijska kompresija i kondenzacija hromatina, 2 – fragmentacija jezgra, 3 – fragmentacija ćelijskog tela u niz apoptotičkih tela; b – nekroza: / – oticanje ćelije, vakuolne komponente, kondenzacija hromatina (karioreksa), 2 – dalje oticanje membranskih organela, liza nuklearnog hromatina (karioliza), 3 – ruptura membranskih komponenti ćelije – liza ćelije

N. je najčešći nespecifični oblik ćelijske smrti. Može biti uzrokovano teškim oštećenjem stanica kao rezultatom direktne traume, zračenja, toksičnih agenasa, hipoksije, komplementom posredovane stanične lize itd.

Nekrotični proces prolazi kroz nekoliko faza:

1) paranekroza - slična nekrotičnim, ali reverzibilnim promjenama;

2) nekrobioza – ireverzibilne distrofične promene, koje karakteriše prevlast kataboličkih reakcija nad anaboličkim;

3) smrt ćelije čije je vreme teško odrediti;

4) autoliza - razgradnja mrtvog supstrata pod dejstvom hidrolitičkih enzima mrtvih ćelija i makrofaga. U morfološkom smislu, nekroza je ekvivalentna autolizi.

I pored ogromnog obima posla, ne postoji usaglašena i precizna definicija pojma „apoptoza“.

Aloptoza se obično karakterizirala kao poseban oblik ćelijske smrti, različit od nekroze po morfološkim, biohemijskim, molekularno genetičkim i drugim karakteristikama.

A. je ćelijska smrt uzrokovana unutrašnjim ili vanjskim signalima koji sami po sebi nisu toksični ili destruktivni. A. je aktivan proces koji zahtijeva energiju, transkripciju gena i sintezu denovo proteina.

Otkriven je značajan broj agenasa koji uzrokuju apoptozu ovih ćelija, pored zračenja i glukokortikoida:

Ca2+ jonofori

Adenozin

Cyclic AMP

Tributiltin

Hipertermija

Studija kinetike razgradnje DNK u limfoidnim ćelijama in vivo i in vitro pokazala je:

Prvi jasni znaci propadanja pojavljuju se u pravilu više od 1 sata nakon izlaganja, češće do kraja 2. sata.

Internukleosomalna fragmentacija traje nekoliko sati i završava uglavnom 6, rjeđe 12 sati nakon izlaganja.

Neposredno od trenutka degradacije, analiza otkriva veliki broj malih fragmenata DNK, a odnos između velikih i malih fragmenata se ne menja značajno tokom apoptoze.

Upotreba inhibitora sinteze ATP-a, sinteze proteina i transkripcije gena usporava proces apoptoze. Ne postoji takva zavisnost u slučaju N.

Kao što se može vidjeti iz poređenja definicija nekroze i apoptoze, postoje i sličnosti i značajne razlike između dva tipa ćelijske smrti.

Karakteristično	Nekroza	Apoptoza
funkcionalan		nepovratan prestanak njene životne aktivnosti;
morfološki	kršenje integriteta membrana, promjene u jezgru (piknoza, reksis, liza), citoplazma (edem), uništavanje stanica;	gubitak mikroresica i međustaničnih kontakata, kondenzacija hromatina i citoplazme, smanjenje volumena ćelije (skupljanje), formiranje vezikula iz plazma membrane, fragmentacija ćelija i formiranje apoptotičkih tijela;
biohemijski	poremećena proizvodnja energije, koagulacija, hidrolitička razgradnja proteina, nukleinskih kiselina, lipida;	hidroliza citoplazmatskih proteina i internukleosomalni raspad DNK;
genetski	– gubitak genetskih informacija; i završava autolizom ili heterolizom sa inflamatornom reakcijom.	strukturno i funkcionalno restrukturiranje genetskog aparata i kulminira njegovom apsorpcijom od strane makrofaga i (ili) drugih stanica bez upalne reakcije.

Smrt stanica regulirana je interakcijama stanica-ćelija na različite načine. Mnoge ćelije u višećelijskom organizmu zahtevaju signale da bi ostale žive. U nedostatku takvih signala ili trofičkih faktora, u ćelijama se razvija program “samoubistva” ili programirane smrti. Na primjer, ćelije neuronske kulture umiru u odsustvu neuronskog faktora rasta (NGF), ćelije prostate umiru u nedostatku androgena testisa, ćelije dojke umiru kada nivo hormona progesterona padne, itd. U isto vrijeme, stanice mogu primiti signale koji pokreću procese u ciljnim stanicama koji dovode do smrti kao što je apoptoza. Dakle, hidrokortizon uzrokuje smrt limfocita, a glutamat uzrokuje smrt nervnih ćelija u kulturi tkiva; faktor tumorske nekroze (TNF) uzrokuje smrt širokog spektra ćelija. Tiroksin (hormon štitnjače) uzrokuje apoptozu stanica repa punoglavca. Osim toga, postoje situacije kada je apoptotička smrt stanica uzrokovana vanjskim faktorima, kao što je zračenje.

Koncept “apoptoze” uveden je prilikom proučavanja smrti nekih ćelija jetre tokom nepotpune ligacije portalne vene. U ovom slučaju uočava se neobična slika ćelijske smrti, koja zahvaća samo pojedinačne stanice u parenhima jetre.

Proces počinje činjenicom da susjedne ćelije gube kontakt, izgleda da se smanjuju (prvobitni naziv za ovaj oblik smrti je shrinkagenecrosis - nekroza kompresijom stanice), dolazi do specifične kondenzacije hromatina u jezgrima duž njihove periferije, zatim se jezgro raspada u odvojeni dijelovi, nakon čega se sama ćelija fragmentira na pojedinačna tijela ograničena plazma membranom - apoptotska tijela.

Apoptoza je proces koji ne dovodi do lize ili raspadanja ćelije, već do njene fragmentacije i dezintegracije. Sudbina apoptotičkih tijela je također neobična: fagocitiraju ih makrofagi ili čak normalne susjedne stanice. U tom slučaju se ne razvija upalna reakcija.

Važno je napomenuti da je u svim slučajevima apoptoze – bilo tokom embrionalnog razvoja, u odraslom organizmu, normalno ili tokom patoloških procesa – morfologija procesa ćelijske smrti vrlo slična. To može ukazivati ​​na zajedništvo procesa apoptoze u različitim organizmima iu različitim organima.

Studije na različitim objektima su pokazale da je apoptoza rezultat genetski programirane smrti ćelije. Prvi dokaz o prisutnosti genetskog programa ćelijske smrti (PCD) dobijen je proučavanjem razvoja nematode Caenorhabditiselegans. Ovaj crv se razvija za samo tri dana, a njegova mala veličina omogućava praćenje sudbine svih njegovih ćelija, počevši od ranih faza fragmentacije do spolno zrelog organizma.

Ispostavilo se da se tokom razvoja Caenorhabditiselegansa formira samo 1090 ćelija, od kojih oko 131 nervna ćelija spontano umire apoptozom, ostavljajući 959 ćelija u telu. Otkriveni su mutanti kod kojih je poremećen proces eliminacije 131 ćelije. Identifikovana su dva gena, sed-3 i sed-4, čiji proizvodi izazivaju apoptozu 131 ćelije. Ako su ovi geni odsutni ili izmijenjeni kod mutantnih Caenorhabditiselegans, tada ne dolazi do apoptoze i odrasli organizam se sastoji od 1090 ćelija. Pronađen je i drugi gen - sed-9, koji je supresor apoptoze: s mutacijom sed-9, svih 1090 ćelija umire. Analog ovog gena otkriven je kod ljudi: gen bcl‑2 je također supresor apoptoze u različitim stanicama. Pokazalo se da oba proteina kodirana ovim genima, Ced-9 i Bc1-2, imaju jednu transmembransku domenu i lokalizirana su u vanjskoj membrani mitohondrija, jezgri i endoplazmatskom retikulumu.

Pokazalo se da je sistem razvoja apoptoze vrlo sličan kod nematoda i kralježnjaka, sastoji se od tri dijela: regulatora, adaptera i efektora. Kod Caenorhabditiselegansa, regulator je Ced-9, koji blokira adapterski protein Ced-4, koji zauzvrat ne aktivira efektorski protein Ced-3, proteazu koja djeluje na citoskeletne i nuklearne proteine ​​(Tablica 16).

Table 16. Razvoj programirane ćelijske smrti (apoptoza)

Znak ──┤ – inhibicija procesa, znak ─→ – stimulacija procesa

Kod kičmenjaka, ACL sistem je složeniji. Ovdje je regulator protein Bc1-2, koji inhibira adapterski protein Apaf-1, koji stimulira kaskadu aktivacije posebnih proteinaza - kaspaza.

Enzimi – učesnici u procesu apoptoze

dakle,

Kada jednom počne u ćeliji, takva degradacija se brzo nastavlja „do kraja“;

Ne ulaze sve ćelije u apoptozu odmah ili u kratkom vremenskom periodu, već postepeno;

Do prekida DNK dolazi duž povezivača (internukleosomalne) DNK;

Degradaciju sprovode endo-, ali ne i egzonukleaze, a te endonukleaze se aktiviraju ili dobijaju pristup DNK ne kao rezultat direktne interakcije sa agensom koji uzrokuje apoptozu, već indirektno, jer od trenutka kada ćelije prođe dosta vremena dolaze u kontakt sa takvim agensom do početka degradacije, pa stoga fragmentacija DNK nije prva karakteristična „apoptotska“ reakcija ćelije na molekularnom nivou. Zapravo, ako bi se degradacija pokrenula kao rezultat direktne interakcije endonukleaza ili hromatina sa agensom, onda bi u slučaju, na primjer, djelovanja jonizujućeg zračenja, apoptoza nastupila brzo i istovremeno u gotovo svim stanicama.

Na osnovu ovih zaključaka, dešifrovanje molekularnog mehanizma razvoja apoptoze „fokusirano“ je na identifikaciju endonukleaza(a) koje provode fragmentaciju DNK i mehanizama koji aktiviraju endonukleaze.

Endonukleaze

1. Degradaciju vrši DNaza I. Proces se aktivira Ca2+ i Mg2+ i potiskuje Zn2+.

Međutim, postoje činjenice koje osporavaju učešće DNaze I u procesu fragmentacije DNK. Poznato je da ovog enzima nema u jezgru, međutim, ovaj argument nije previše težak, budući da relativno mala veličina njegovih molekula, 31 kDa, u slučaju narušavanja permeabilnosti nuklearne membrane čini učešće DNaze. Ja u DNK degradaciji sasvim realno. Druga stvar je da kada se kromatin obrađuje in vitro, DNaza I uzrokuje lomove ne samo u dijelu linkera, već iu nukleosomalnoj DNK.

2. Još jedna endonukleaza koja se smatra glavnim enzimom za razgradnju DNK je endonukleaza II [Barry 1993]. Ova nukleaza, prilikom obrade jezgara i kromatina, vrši internukleosomalnu fragmentaciju DNK. Unatoč činjenici da njegova aktivnost ne ovisi o ionima dvovalentnih metala, pitanje sudjelovanja endonukleaze II u razgradnji DNK još uvijek nije riješeno, budući da se enzim ne nalazi samo u lizosomima, već se i oslobađa iz jezgara stanice.

3. endonukleaza molekulske težine 18 kDa. Ovaj enzim je izolovan iz jezgara timocita štakora koji su umirali apoptozom [Gaido, 1991]. Nije ga bilo u normalnim timocitima. Aktivnost enzima se manifestuje u neutralnom okruženju i zavisi od Ca2+ i Mg2+.

4. γ-nukleaza molekulske težine 31 kDa, koja ima “klasičnu” zavisnost od Ca, Mg i Zn jona. Aktivnost ovog enzima je povećana u jezgrama timocita štakora tretiranih glukokortikoidima.

5. endonukleaza molekulske težine 22,7 kDa, enzim čija se aktivnost pojavljuje u jezgrima timocita štakora tek nakon djelovanja glukokortikoida i potiskuje se istim inhibitorima kao i internukleosomalna degradacija DNK.

Kaspaze su cisteinske proteaze koje cijepaju proteine ​​asparaginskom kiselinom. U ćeliji se kaspaze sintetiziraju u obliku latentnih prekursora, prokaspaza. Postoje inicijatorske i efektorske kaspaze. Inicijatorske kaspaze aktiviraju latentne oblike efektorskih kaspaza. Više od 60 različitih proteina služe kao supstrati za djelovanje aktiviranih kaspaza. Ovo je, na primjer, kinaza fokalne adhezivne strukture, čija inaktivacija dovodi do odvajanja apoptotičkih stanica od njihovih susjeda; to su lamini koji se rastavljaju djelovanjem kaspaza; to su proteini citoskeleta (intermedijarni filamenti, aktin, gelsolin), čija inaktivacija dovodi do promjene oblika ćelije i pojave mjehurića na njenoj površini, što dovodi do apoptotičkih tijela; ovo je aktivirana CAD proteaza koja cijepa DNK na oligonukleotidne nukleosomske fragmente; to su enzimi za popravku DNK, čije suzbijanje onemogućava obnavljanje strukture DNK, i mnogi drugi.

Jedan primjer odvijanja apoptotičkog odgovora može biti reakcija ćelije na odsustvo signala neophodnog trofičkog faktora, kao što je faktor rasta nerava (NGF) ili androgen.

U citoplazmi ćelija u prisustvu trofičkih faktora, drugi učesnik u reakciji je u neaktivnom obliku - fosforilirani protein Bad. U nedostatku trofičkog faktora, ovaj protein je defosforiliran i vezuje se za Bc1-2 protein na vanjskoj mitohondrijalnoj membrani i na taj način inhibira njegova antiapoptotička svojstva. Nakon toga se aktivira membranski proapoptotički protein Bax, otvarajući put ionima koji ulaze u mitohondrije. Istovremeno, citokrom c se oslobađa iz mitohondrija kroz pore formirane u membrani u citoplazmu, koja se vezuje za adapterski protein Araf-1, koji zauzvrat aktivira prokapazu 9. Aktivirana kaspaza 9 pokreće kaskadu drugih prokapaza, uključujući kaspazu 3, koja, kao proteinaze, počinje probavljati miješane proteine ​​(lamine, proteine ​​citoskeleta itd.), što uzrokuje apoptotičku smrt stanice, njenu dezintegraciju na dijelove, u apoptotska tijela.

Apoptotična tijela, okružena plazma membranom uništene ćelije, privlače pojedinačne makrofage, koji ih gutaju i probavljaju koristeći svoje lizozome. Makrofagi ne reaguju na susjedne normalne stanice, ali prepoznaju apoptotične. To je zbog činjenice da je tijekom apoptoze asimetrija plazma membrane narušena i na njenoj površini se pojavljuje fosfatidilserin, negativno nabijeni fosfolipid, koji se inače nalazi u citosolnom dijelu bilipidne plazma membrane. Dakle, selektivnom fagocitozom, tkiva se čiste od mrtvih apoptotičkih ćelija.

Kao što je već spomenuto, apoptozu mogu uzrokovati brojni vanjski faktori, kao što su zračenje, djelovanje određenih toksina i inhibitori ćelijskog metabolizma. Nepovratno oštećenje DNK uzrokuje apoptozu. To je zbog činjenice da akumulirajući faktor transkripcije, protein p53, ne samo da aktivira protein p21, koji inhibira ciklin zavisnu kinazu i zaustavlja ćelijski ciklus u G1 ili G2 fazi, već također aktivira ekspresiju gena bax. , čiji proizvod pokreće apoptozu.

Prisustvo kontrolnih tačaka u ćelijskom ciklusu je neophodno za određivanje završetka svake faze. Do zaustavljanja ćelijskog ciklusa dolazi kada je DNK oštećena u G1 periodu, kada je replikacija DNK nepotpuna u S fazi, kada je DNK oštećena u G2 periodu i kada je veza između vretena i hromozoma poremećena.

Jedna od kontrolnih tačaka u ćelijskom ciklusu je sama mitoza, koja ne ulazi u anafazu ako vreteno nije pravilno sastavljeno i u nedostatku potpunih veza mikrotubula sa kinetohorima. U ovom slučaju nema aktivacije APC kompleksa, nema degradacije kohezina koji povezuju sestrinske hromatide, niti degradacije mitotičkih ciklina, što je neophodno za prelazak u anafazu.

Oštećenje DNK sprečava ćelije da uđu u S period ili mitozu. Ako ova oštećenja nisu katastrofalna i mogu se obnoviti reparativnom sintezom DNK, tada se blok ćelijskog ciklusa uklanja i ciklus se završava. Ako je oštećenje DNK značajno, onda nekako dolazi do stabilizacije i akumulacije proteina p53, čija je koncentracija inače vrlo niska zbog njegove nestabilnosti. Protein p53 je jedan od faktora transkripcije koji stimuliše sintezu proteina p21, koji je inhibitor kompleksa CDC-ciklin. Ovo uzrokuje zaustavljanje ćelijskog ciklusa u fazi G1 ili G2. Tokom bloka u G1 periodu, ćelija sa oštećenjem DNK ne ulazi u S fazu, jer to može dovesti do pojave mutantnih ćelija, koje mogu uključivati ​​ćelije tumora. Blokada u G2 periodu takođe sprečava proces mitoze ćelija sa oštećenjem DNK. Takve ćelije, sa blokiranim ćelijskim ciklusom, kasnije umiru apoptozom, programiranom ćelijskom smrću (Sl. 353).

Uz mutacije koje dovode do gubitka gena p53 proteina, ili sa njihovim promjenama, ne dolazi do blokade ćelijskog ciklusa, stanice ulaze u mitozu, što dovodi do pojave mutantnih stanica, od kojih je većina nevibilna, druge stvaraju na maligne ćelije.

Selektivno oštećenje mitohondrija, u kojem se citokrom c oslobađa u citoplazmu, također je čest uzrok apoptoze. Na mitohondrije i druge ćelijske komponente posebno utiče stvaranje toksičnih reaktivnih vrsta kiseonika (ATS), pod čijim se uticajem formiraju nespecifični kanali visoke permeabilnosti za jone u unutrašnjoj mitohondrijalnoj membrani, usled čega mitohondrijski matriks bubri i dolazi do pucanja vanjske membrane. U tom slučaju proteini rastvoreni u intermembranskom prostoru zajedno sa citokromom c ulaze u citoplazmu. Među oslobođenim proteinima su faktori koji aktiviraju apoptozu i prokapazu 9.

Mnogi toksini (ricin, toksin difterije, itd.), kao i antimetaboliti, mogu uzrokovati smrt stanica putem apoptoze. Kada je poremećena sinteza proteina u endoplazmatskom retikulumu, prokapaza 12, tamo lokalizovana, sudjeluje u razvoju apoptoze, koja aktivira niz drugih kaspaza, uključujući kaspazu 3.

Eliminacija je uklanjanje pojedinačnih ćelija apoptozom i takođe se primećuje kod biljaka. Ovdje apoptoza uključuje, kao u životinjskim stanicama, fazu indukcije, fazu efektora i fazu degradacije. Morfologija smrti biljnih stanica slična je promjenama u životinjskim stanicama: kondenzacija kromatina i fragmentacija jezgre, oligonukleotidna degradacija DNK, kompresija protoplasta, njegova fragmentacija u vezikule, ruptura plazmodezmata itd. Međutim, protoplastne vezikule uništavaju hidrolaze same vezikule, budući da biljke nemaju ćelije slične fagocitima. Dakle, PCD se javlja tokom rasta ćelija kapice korena, tokom formiranja perforacija u listovima i tokom formiranja ksilema i floema. Opadanje lišća je povezano sa selektivnom smrću ćelija u određenoj zoni reznice.

Biološka uloga apoptoze, odnosno programirane ćelijske smrti, vrlo je velika: to je uklanjanje ćelija koje su potrošile svoje vrijeme ili koje su nepotrebne u datoj fazi razvoja, kao i uklanjanje izmijenjenih ili patoloških stanica, posebno mutantnih ili zaražen virusima.

Dakle, da bi ćelije postojale u višećelijskom organizmu, potrebni su signali za njihov opstanak - trofički faktori, signalni molekuli. Ovi signali se mogu prenijeti na daljinu i uhvatiti od strane odgovarajućih receptorskih molekula na ciljnim stanicama (hormonska, endokrina signalizacija), to može biti parakrina komunikacija kada se signal prenosi na susjednu ćeliju (na primjer, prijenos neurotransmitera). U nedostatku takvih trofičnih faktora, sprovodi se program apoptoze. Istovremeno, apoptozu mogu uzrokovati signalni molekuli, na primjer, tijekom resorpcije repa punoglavaca pod utjecajem tiroksina. Osim toga, djelovanje niza toksina koji utječu na pojedine dijelove ćelijskog metabolizma također može uzrokovati smrt stanice putem apoptoze.

Apoptoza u patogenezi bolesti

1. U imunološkom sistemu

2. ONKOLOŠKE BOLESTI

3. VIRUSNA INFEKCIJA (koja izaziva apoptozu: ljudska imunodeficijencija, anemija pilića; inhibitori apoptoze: citomegalovirus, Epstein-Barr, herpes)

4. A. i NEURONI MOŽDANE KORE

PRINCIPI KOREKCIJE ĆELIČNE APOPTOZE

Otkriće reguliranog procesa ćelijske smrti - apoptoze - omogućilo je da se na određeni način utiče na njegove pojedinačne faze u svrhu regulacije ili korekcije.

Biohemijski procesi razvoja apoptoze mogu se hipotetički podijeliti u nekoliko faza:

Djelovanje faktora koji uzrokuje apoptozu;

Prijenos signala od molekula receptora do ćelijskog jezgra;

Aktivacija gena specifičnih za apoptozu;

Sinteza proteina specifičnih za apoptozu

Aktivacija endonukleaza

Fragmentacija DNK (slika 2.4).

Trenutno se vjeruje da ako stanica umre uslijed apoptoze, onda se podrazumijeva mogućnost terapijske intervencije; ako je zbog nekroze, onda je takva intervencija nemoguća. Na osnovu poznavanja regulacije programirane ćelijske smrti, koristi se širok spektar lijekova koji utiču na ovaj proces u različitim tipovima ćelija.

Dakle, informacije o receptor-posredovanoj regulaciji ćelijske apoptoze uzimaju se u obzir pri liječenju hormonski zavisnih tumora.

Terapija blokadom androgena propisana je za rak prostate.

Rak dojke često prolazi kroz regresiju upotrebom antagonista estrogenskih receptora.

Informacije o putevima biohemijskog prenosa signala za regulaciju apoptoze omogućavaju efikasnu upotrebu antioksidantne terapije, lekova koji regulišu koncentraciju kalcijuma, aktivatora ili inhibitora različitih protein kinaza itd. u svrhu korekcije apoptoze u različitim tipovima ćelija.

Svijest o ulozi apoptoze u smrti stanica intenzivirala je potragu za farmakološkim efektima koji štite stanice od apoptoze.

Inhibitori specifičnih proteaza se aktivno proučavaju kao farmakološki agensi. To su obično tri- ili tetrapeptidi koji sadrže asparaginsku kiselinu (Asp). Upotreba takvih proteaza u terapeutske svrhe ograničena je njihovom slabom sposobnošću prodiranja u ćelije. Međutim, uprkos tome, in vivo eksperimenti su uspješno koristili Z-VAD-FMK, inhibitor širokog spektra proteaza sličnih ICE-u, za smanjenje područja infarkta u modelima moždanog udara.

U narednim godinama možemo očekivati ​​pojavu novih lijekova za liječenje i prevenciju različitih bolesti, čija će osnova biti princip regulacije procesa apoptoze.

Najefikasniji pristupi za korekciju apoptoze su oni povezani sa regulacijom gena specifičnih za apoptozu. Ovi pristupi su u osnovi genske terapije, jednog od obećavajućih područja za liječenje pacijenata s bolestima uzrokovanim disfunkcijom pojedinih gena.

Principi genske terapije uključuju sljedeće korake:

Identifikacija DNK sekvence koja će biti tretirana;

Određivanje vrste ćelija u kojima će se vršiti tretman;

Zaštita DNK od hidrolize endonukleazama;

Transport DNK u ćeliju (nukleus).

Pristupi genske terapije dozvoljavaju

Pojačati rad pojedinačnih gena (transformacija gena koji inhibiraju apoptozu, na primjer gen bcl-2),

Smanjite njihov izraz. Za selektivno inhibiranje ekspresije gena, trenutno se koristi tehnika antisens oligonukleotida (antisens). Upotreba antisens-a smanjuje sintezu određenih proteina, što utiče na regulaciju procesa apoptoze.

Mehanizam djelovanja antisens-a se aktivno proučava. U nekim slučajevima, kratki (13-17 baza) antisense oligonukleotidi, koji imaju sekvence komplementarne nukleotidnim sekvencama glasničke RNK (mRNA) pojedinačnih proteina, mogu efikasno blokirati genetske informacije u fazi koja prethodi transkripciji (slika 2.5). Ovi oligonukleotidi se vezuju za DNK i formiraju trostruku spiralnu strukturu. Takvo vezivanje može biti ireverzibilno ili uzrokovati selektivno oslobađanje triplet kompleksa, što u konačnici dovodi do inhibicije ekspresije gena i smrti stanice. U drugim slučajevima dolazi do komplementarnog vezivanja antisensa za mRNA, što uzrokuje poremećaj translacije i smanjenje koncentracije odgovarajućeg proteina.

Triplet kompleks

Rice. Regulacija ekspresije gena antisens oligonukleotidima.

Sada se uvjerljivo pokazalo da je tehnologija koja koristi antisens od velike važnosti za regulaciju pojedinačnih gena u ćelijskoj kulturi. Uspješno potiskivanje bcl-2 gena u eksperimentima sa ćelijskom kulturom budi nadu u buduću upotrebu antisens za liječenje pacijenata s rakom. Mnogi in vitro eksperimenti su pokazali da antisensi izazivaju inhibiciju proliferacije i diferencijacije ćelija. Ovaj rezultat potvrđuje izglede za terapeutsku upotrebu ove tehnologije.

Može se smatrati dokazanim da je početno element cjelokupnog sistema krvnih stanica je matična ćelija, pluripotentna, sposobna za brojne različite diferencijacije, a istovremeno ima sposobnost samoodržavanja, tj. da se razmnožava bez vidljive diferencijacije.

Iz toga proizilazi da su principi upravljanja sistemom hematopoeza mora osigurati njegovu regulaciju, zbog čega su, uz stabilnu hematopoezu, ispunjena sljedeća dva osnovna uslova: broj proizvedenih ćelija svake vrste stalno i striktno odgovara broju mrtvih zrelih ćelija; broj matičnih ćelija je konstantan, a formiranje novih matičnih ćelija tačno odgovara broju onih koji su otišli u diferencijaciju.

Još izazovniji zadaci rješavaju se kada se sistem stabilizuje nakon poremećaja. U tom slučaju, broj formiranih matičnih ćelija treba da bude veći od broja onih koje su ušle u diferencijaciju sve dok veličina odeljenja ne dostigne početni nivo, nakon čega ponovo treba uspostaviti uravnotežen odnos između broja novoformiranih i diferencirajućih matičnih ćelija. .

Na drugoj strani, diferencijacija matičnih ćelija moraju se regulirati tako da se obnovi broj zrelih stanica samo one serije koja je smanjena (na primjer, eritroidne stanice nakon gubitka krvi) uz stabilnu proizvodnju drugih stanica. I tu, nakon pojačanog novoformiranja ove kategorije ćelija, njenu proizvodnju treba svesti na uravnotežen nivo.

Kvantitativna regulacija hematopoeza, odnosno osiguravanje formiranja potrebnog broja ćelija željenog tipa u određenom trenutku, vrši se u narednim sekcijama, prvenstveno u dijelu angažiranih prekursora.

Matična ćelija ima dva glavna svojstva: sposobnost samoodržavanja prilično dugo, uporedivo sa životnim vijekom cijelog višećelijskog organizma, i sposobnost diferencijacije. Pošto je ovo drugo naizgled ireverzibilno, matična ćelija koja je "donijela odluku" da se diferencira nepovratno napušta odjel.

Dakle, najvažniji problem regulacija u ovom odjeljenju je da kada se potražnja poveća, sve matične ćelije ne bi bile podvrgnute diferencijaciji, nakon čega bi regeneracija hematopoeze bila nemoguća zbog iscrpljivanja elemenata sposobnih za samoodrživost, budući da ćelije svih narednih odjela nisu sposobne dugo -trajno samoodrživost. Takva regulacija zapravo postoji u tijelu. Nakon zračenja velikih doza, gotovo cijeli hematopoetski sistem umire. U međuvremenu, na primjer, kod miša je moguća regeneracija nakon što je 99,9% svih matičnih ćelija uništeno zračenjem (Bond et al., 1965). Unatoč ogromnoj potražnji za diferencijacijom, preostalih 0,1% matičnih stanica obnavlja svoj broj i osigurava naglo povećanje diferencijacije stanica narednih sekcija.

REGULACIJA ĆELIČNOG CIKLUSA

Uvod

Aktivacija proliferacije

Ćelijski ciklus

Regulacija ćelijskog ciklusa

Egzogeni regulatori proliferacije

Endogeni regulatori ćelijskog ciklusa

Putevi regulacije CDK-a

Regulacija G1 faze

Regulacija S faze

Regulacija G2 faze

Regulacija mitoze

Oštećenje DNK

Načini popravljanja dvolančanih prekida DNK

Ćelijski odgovor na oštećenje DNK i njegova regulacija

Regeneracija tkiva

Regulacija regeneracije tkiva

Zaključak

Bibliografija

Uvod

Ćelija je osnovna jedinica svih živih bića. Izvan ćelije nema života. Reprodukcija ćelije se dešava samo deobom prvobitne ćelije, kojoj prethodi reprodukcija njenog genetskog materijala. Aktivacija diobe ćelije nastaje zbog utjecaja vanjskih ili unutrašnjih faktora na nju. Proces diobe ćelije od trenutka njene aktivacije naziva se proliferacija. Drugim riječima, proliferacija je umnožavanje ćelija, tj. povećanje broja ćelija (u kulturi ili tkivu) koje se javlja kroz mitotičke podjele. Trajanje postojanja ćelije kao takve, od diobe do diobe, obično se naziva ćelijski ciklus.

U tijelu odraslog čovjeka, ćelije različitih tkiva i organa imaju različite sposobnosti podjele. Osim toga, sa starenjem, intenzitet proliferacije stanica se smanjuje (tj. interval između mitoza se povećava). Postoje populacije ćelija koje su potpuno izgubile sposobnost dijeljenja. To su, u pravilu, stanice u terminalnoj fazi diferencijacije, na primjer, zreli neuroni, zrnasti krvni leukociti, kardiomiociti. U tom smislu izuzetak su imunološke B- i T-memorijske ćelije, koje su, u završnoj fazi diferencijacije, u stanju da se počnu razmnožavati kada se u tijelu pojavi određeni stimulans u obliku prethodno naiđenog antigena. Tijelo ima tkiva koja se stalno obnavljaju - razne vrste epitela, hematopoetska tkiva. U takvim tkivima postoje ćelije koje se neprestano dijele, zamjenjujući istrošene ili umiruće tipove stanica (na primjer, ćelije crijevne kripte, stanice bazalnog sloja integumentarnog epitela, hematopoetske stanice koštane srži). U organizmu postoje i ćelije koje se ne razmnožavaju u normalnim uslovima, ali to svojstvo ponovo stiču pod određenim uslovima, posebno kada je potrebno regenerisati tkiva i organe. Proces proliferacije ćelije usko je reguliran kako samom ćelijom (regulacija ćelijskog ciklusa, prestanak ili usporavanje sinteze autokrinih faktora rasta i njihovih receptora) tako i njenom mikrookruženjem (nedostatak stimulativnih kontakata sa susjednim stanicama i matriksom, prestanak lučenje i/ili sinteza parakrinih faktora rasta). Disregulacija proliferacije dovodi do neograničene diobe stanica, što zauzvrat pokreće razvoj onkološkog procesa u tijelu.

Aktivacija proliferacije

Glavnu funkciju povezanu s pokretanjem proliferacije preuzima plazma membrana stanice. Na njegovoj površini se događaju događaji koji su povezani s prijelazom stanica u mirovanju u aktivirano stanje koje prethodi diobi. Plazma membrana ćelija, zahvaljujući molekulima receptora koji se nalaze u njoj, percipira različite ekstracelularne mitogene signale i obezbeđuje transport u ćeliju neophodnih supstanci koje učestvuju u pokretanju proliferativnog odgovora. Mitogeni signali mogu biti kontakti između ćelija, između ćelije i matriksa, kao i interakcija ćelija sa različitim jedinjenjima koja stimulišu njihov ulazak u ćelijski ciklus, koji se nazivaju faktori rasta. Ćelija koja je primila mitogeni signal za proliferaciju započinje proces diobe.

CELL CYCLE

Čitav ćelijski ciklus sastoji se od 4 faze: presintetski (G1), sintetički (S), postsintetski (G2) i sama mitoza (M). Osim toga, postoji takozvani G0 period, koji karakterizira stanje mirovanja ćelije. U G1 periodu ćelije imaju sadržaj diploidnog DNK po jezgru. U tom periodu počinje rast ćelije, uglavnom zbog akumulacije ćelijskih proteina, što je uzrokovano povećanjem količine RNK po ćeliji. Osim toga, počinju pripreme za sintezu DNK. U sljedećem S-periodu, količina DNK se udvostručuje, a broj hromozoma se udvostručuje. Postsintetička G2 faza se također naziva premitotičkom. Tokom ove faze dolazi do aktivne sinteze mRNA (messenger RNA). Nakon ove faze slijedi sama dioba ćelije, odnosno mitoza.

Podjela svih eukariotskih stanica povezana je sa kondenzacijom dupliciranih (repliciranih) hromozoma. Kao rezultat diobe, ovi hromozomi se prenose u ćelije kćeri. Ova vrsta podjele eukariotskih stanica - mitoza (od grčkog mitos - niti) - jedini je potpuni način povećanja broja ćelija. Proces mitotičke diobe podijeljen je u nekoliko faza: profaza, prometafaza, metafaza, anafaza, telofaza.

REGULACIJA ĆELIČNOG CIKLUSA

Svrha regulatornih mehanizama ćelijskog ciklusa nije da regulišu prolazak ćelijskog ciklusa kao takvog, već da obezbede, u krajnjoj liniji, distribuciju naslednog materijala bez grešaka tokom procesa ćelijske reprodukcije. Regulacija ćelijske reprodukcije zasniva se na promjeni stanja aktivne proliferacije i proliferativnog organa. Regulatorni faktori koji kontroliraju ćelijsku reprodukciju mogu se podijeliti u dvije grupe: ekstracelularni (ili egzogeni) ili intracelularni (ili endogeni). Egzogeni faktori se nalaze u mikrookruženju ćelije i stupaju u interakciju sa površinom ćelije. Faktori koje sintetiše sama ćelija i deluju unutar nje klasifikuju se kao endogeni faktori. Ova podjela je vrlo proizvoljna, jer neki faktori, koji su endogeni u odnosu na ćeliju koja ih proizvodi, mogu je napustiti i djelovati kao egzogeni regulatori na druge stanice. Ako regulatorni faktori stupaju u interakciju s istim stanicama koje ih proizvode, onda se ova vrsta kontrole naziva autokrina. Sa parakrinom kontrolom, sintezu regulatora provode druge ćelije.

EGZOGENI REGULATORI PROLIFERACIJE

U višećelijskim organizmima regulacija proliferacije različitih tipova stanica nastaje zbog djelovanja ne jednog faktora rasta, već njihove kombinacije. Osim toga, neki faktori rasta, kao stimulatori za neke tipove ćelija, ponašaju se kao inhibitori u odnosu na druge. Klasični faktori rasta su polipeptidi sa molekulskom težinom od 7-70 kDa. Do danas je poznato više od stotinu takvih faktora rasta. Međutim, ovdje će biti riječi o samo nekoliko njih.

Možda je najveći dio literature posvećen faktoru rasta koji potiče od trombocita (PDGF). Oslobođen nakon razaranja vaskularnog zida, PDGF je uključen u procese stvaranja tromba i zacjeljivanja rana. PDGF je snažan faktor rasta za mirne fibroblaste. Uz PDGF, ništa manje temeljito je proučavan epidermalni faktor rasta (EGF), koji je također sposoban stimulirati proliferaciju fibroblasta. Ali, osim toga, ima i stimulativni učinak na druge vrste stanica, posebno na hondrocite.

Veliku grupu faktora rasta čine citokini (interleukini, faktori tumorske nekroze, faktori stimulacije kolonija itd.). Svi citokini su multifunkcionalni. Oni mogu ili pojačati ili inhibirati proliferativne odgovore. Na primjer, različite subpopulacije CD4+ T limfocita, Th1 i Th2, koje proizvode različit spektar citokina, međusobno su antagonisti. Odnosno, Th1 citokini stimuliraju proliferaciju stanica koje ih proizvode, ali istovremeno potiskuju diobu Th2 stanica, i obrnuto. Dakle, normalno tijelo održava konstantnu ravnotežu ove dvije vrste T-limfocita. Interakcija faktora rasta sa njihovim receptorima na površini ćelije dovodi do pokretanja čitave kaskade događaja unutar ćelije. Kao rezultat toga, transkripcijski faktori se aktiviraju i eksprimiraju se geni proliferativnog odgovora, što na kraju inicira replikaciju DNK i stanica ulazi u mitozu.

ENDOGENI REGULATORI ĆELIČNOG CIKLUSA

U normalnim eukariotskim ćelijama, napredovanje kroz ćelijski ciklus je strogo regulirano. Uzrok raka je ćelijska transformacija, obično povezana s kršenjem regulatornih mehanizama ćelijskog ciklusa. Jedan od glavnih rezultata defekta ćelijskog ciklusa je genetska nestabilnost, budući da ćelije sa defektnom kontrolom ćelijskog ciklusa gube sposobnost pravilnog umnožavanja i distribucije svog genoma između ćelija kćeri. Genetska nestabilnost dovodi do sticanja novih karakteristika koje su odgovorne za napredovanje tumora. Kinaze zavisne od ciklina (CDK) i njihove regulatorne podjedinice (ciklini) su glavni regulatori ćelijskog ciklusa. Progresija ćelijskog ciklusa se postiže sekvencijalnom aktivacijom i deaktivacijom različitih ciklin-CDK kompleksa. Djelovanje ciklin-CDK kompleksa je da fosforiliše određeni broj ciljnih proteina u skladu sa fazom ćelijskog ciklusa u kojoj je aktivan određeni kompleks ciklin-CDK. Na primjer, ciklin E-CDK2 je aktivan u kasnoj G1 fazi i fosforilira proteine ​​potrebne za napredovanje kroz kasnu G1 fazu i ulazak u S fazu. Ciklin A-CDK2 je aktivan u S i G2 fazi, osigurava prolazak S faze i ulazak u mitozu. Ciklin A i ciklin E su centralni regulatori replikacije DNK. Stoga, pogrešna regulacija ekspresije bilo kojeg od ovih ciklina dovodi do genetske nestabilnosti. Pokazalo se da do akumulacije nuklearnog ciklina A dolazi isključivo u trenutku kada stanica uđe u S fazu, tj. u trenutku G1/S tranzicije. S druge strane, pokazalo se da se nivo ciklina E povećava nakon prolaska takozvane restrikcione tačke (R-tačka) u kasnoj G1 fazi, a zatim značajno opada kada je ćelija ušla u S fazu.

NAČINI REGULACIJE CDK

Aktivnost ciklin zavisnih kinaza (CDK) je strogo regulirana najmanje četiri mehanizma:

1) Glavni način na koji se reguliše CDK je vezivanje za ciklin, tj. U slobodnom obliku, kinaza nije aktivna, a samo kompleks sa odgovarajućim ciklinom ima potrebne aktivnosti.

2) Aktivnost ciklin-CDK kompleksa je takođe regulisana reverzibilnom fosforilacijom. Da bi se stekla aktivnost, neophodna je fosforilacija CDK, koja se izvodi uz učešće CDK aktivirajućeg kompleksa (CAC), koji se sastoji od ciklina H, CDK7 i Mat1.

3) S druge strane, u molekulu CDK, u regionu odgovornom za vezivanje supstrata, postoje mesta čija fosforilacija dovodi do inhibicije aktivnosti ciklin-CDK kompleksa. Ova mjesta su fosforilirana grupom kinaza, uključujući Wee1 kinazu, i defosforilirana Cdc25 fosfatazama. Aktivnost ovih enzima (Wee1 i Cdc25) značajno varira kao odgovor na različite intracelularne događaje, kao što je oštećenje DNK.

4) Konačno, neki kompleksi ciklin-CDK mogu biti inhibirani zbog vezivanja za CDK inhibitore (CKI). CDK inhibitori se sastoje od dvije grupe proteina, INK4 i CIP/KIP. Inhibitori INK4 (p15, p16, p18, p19) vezuju se i inaktiviraju CDK4 i CDK6, sprečavajući interakciju sa ciklinom D. CIP/KIP inhibitori (p21, p27, p57) se mogu vezati za ciklin-CDK komplekse koji sadrže CDK1, CDK2, CDK4 i CDK6. Važno je napomenuti da pod određenim uslovima, inhibitori CIP/KIP mogu poboljšati aktivnost kinaze ciklin D-CDK4/6 kompleksa

UREDBA G 1 FAZA

U G1 fazi, u takozvanoj tački restrikcije (restrikciona tačka, R-tačka), ćelija odlučuje hoće li se podijeliti ili ne. Restrikciona tačka je tačka u ćelijskom ciklusu nakon koje ćelija prestaje da reaguje na spoljne signale do završetka celog ćelijskog ciklusa. Tačka restrikcije dijeli G1 fazu na dva funkcionalno različita stadija: G1pm (postmitotički stadij) i G1ps (presintetički stadij). Tokom G1pm, ćelija procenjuje faktore rasta prisutne u njenom okruženju. Ako su potrebni faktori rasta prisutni u dovoljnim količinama, ćelija ulazi u G1ps. Ćelije koje su ušle u G1ps period nastavljaju normalno napredovati kroz cijeli ćelijski ciklus, čak i u odsustvu faktora rasta. Ako su neophodni faktori rasta odsutni u periodu G1pm, tada ćelija ulazi u stanje proliferativnog mirovanja (G0 faza).

Glavni rezultat kaskade signalnih događaja koji nastaje zbog vezivanja faktora rasta za receptor na površini ćelije je aktivacija kompleksa ciklin D-CDK4/6. Aktivnost ovog kompleksa značajno raste već u ranom periodu G1. Ovaj kompleks fosforilira ciljeve neophodne za napredovanje u S fazu. Glavni supstrat kompleksa ciklin D-CDK4/6 je proizvod gena retinoblastoma (pRb). Nefosforilisani pRb se vezuje i time inaktivira transkripcione faktore E2F grupe. Fosforilacija pRb kompleksima ciklina D-CDK4/6 dovodi do oslobađanja E2F, koji ulazi u jezgro i inicira translaciju proteinskih gena neophodnih za replikaciju DNK, posebno gena ciklina E i ciklina A. Na kraju G1 fazi, dolazi do kratkotrajnog povećanja količine ciklina E, što nagoveštava akumulaciju ciklina A i prelazak u S fazu.

Sljedeći faktori mogu uzrokovati zaustavljanje ćelijskog ciklusa u G1 fazi: povećani nivoi CDK inhibitora, deprivacija faktora rasta, oštećenje DNK, vanjski utjecaji, onkogena aktivacija

UREDBA S FAZE

S faza je faza ćelijskog ciklusa kada dolazi do sinteze DNK. Svaka od dvije kćerke ćelije koje se formiraju na kraju ćelijskog ciklusa mora dobiti tačnu kopiju DNK matične ćelije. Svaka baza molekula DNK koja čini 46 hromozoma ljudske ćelije mora se kopirati samo jednom. Zbog toga je sinteza DNK izuzetno strogo regulirana.

Pokazalo se da se samo DNK iz ćelija u G1 ili S fazi može replicirati. Ovo sugerira da DNK mora biti<лицензирована>za replikaciju i da dio DNK koji je dupliciran izgubi ovo<лицензию>. Replikacija DNK počinje na mjestu vezivanja proteina zvanom ORC (Origin of replicating complex). Nekoliko komponenti potrebnih za sintezu DNK vežu se za ORC u kasnoj M ili ranoj G1 fazi, formirajući prereplikacijski kompleks, koji zapravo daje<лицензию>DNK za replikaciju. U prelaznoj fazi G1/S, više proteina neophodnih za replikaciju DNK se dodaje u prereplikacijski kompleks, formirajući tako inicijacijski kompleks. Kada proces replikacije započne i formira se viljuška replikacije, mnoge komponente se odvajaju od inicijacionog kompleksa, a samo komponente post-replikacijskog kompleksa ostaju na mjestu inicijacije replikacije.

Mnoge studije su pokazale da normalno funkcionisanje inicijacionog kompleksa zahteva aktivnost ciklina A-CDK2. Osim toga, za uspješan završetak S faze potrebna je i aktivnost kompleksa ciklin A-CDK2, koji je, zapravo, glavni regulatorni mehanizam koji osigurava uspješan završetak sinteze DNK. Zadržavanje u S fazi može biti izazvano oštećenjem DNK.

UREDBA G 2 FAZE

G2 faza je faza ćelijskog ciklusa koja počinje nakon što je sinteza DNK završena, ali prije početka kondenzacije. Glavni regulator G2 faze je ciklin B-CDK2 kompleks. Do zaustavljanja ćelijskog ciklusa u G2 fazi dolazi zbog inaktivacije ciklin B-CDK2 kompleksa. Regulator G2/M tranzicije je ciklin B-CDK1 kompleks čija fosforilacija/defosforilacija reguliše ulazak u M fazu. Oštećenje DNK ili prisustvo nerepliciranih regiona sprečava prelazak u M fazu.