Клеточный цикл. Молекулы-регуляторы клеточного цикла открывают пути к диагностике и уничтожению раковых клеток

В организме взрослого человека 5•1013 (В.Н.Сойфер, 1998) или 5•1014 (В.Тарантул, 2003) клеток. Каждая клетка любого типа – это часть своей ткани и организма в целом.

Раковая клетка в организме человека – это уже не часть ткани и своего организма, а самостоятельная клетка, отделившаяся от них. Это клетка- организм.

Деление клетки – это основное свойство и признак того, что она живая. В раковой клетке свойство деления нарушено, и она делится без конца.

Если в организме нормальная клетка того или иного типа делится для существования организма, то размножение раковой клетки – для его уничтожения.

То, что клетки размножаются путем деления, известно более 100 лет. Но почему клетка делится, оставалось не ясно до конца 70-х годов XX века.

Каждая клетка после деления делает выбор: либо она начинает синтез ДНК и в таком случае будет вновь делиться, либо она избирает путь к дифференцированной клетке и это означает, что она уже больше никогда не разделится. Молекулярные причины, регулирующие этот «выбор» долго оставались не выясненными, а это важно для понимания превращения ее в раковую клетку.

Период жизни клетки от одного деления до другого или от деления до ее смерти – это клеточный цикл. Он состоит из интерфазы – вне деления, и самого деления клетки. Интерфаза – период, во время которого клетка растет и удваивает все свои компоненты. Митоз – это процесс, в результате которого из одной клетки образуется две. Он из двух стадий: митоз – деление клеточного ядра, и цитокинез – деление клетки на две дочерние клетки.

В интерфазе различают три этапа или фазы: G1, S, G2, а в митозе четыре:

профаза, метафаза, анафаза и телофаза.

Этапы интерфазы

1. G1 фаза (от англ. ?gap 1?, то есть интервал 1) – рост клетки и удвоение всех ее компонентов.

2. S фаза (от ?synthesis?) – синтез ДНК путем репликации, формирование копий каждой хромосомы- удвоение центросомы.

3. G2 фаза (?gap 2?) – подготовка к митозу, продолжение роста клетки, синтез необходимых белков.

Этапы или фазы митоза

M фаза (от. ?mitosis?) – деление клетки на две дочерние. В митозе четыре фазы, им заканчивается клеточный цикл.

Профаза. Каждая хромосома – это пара хроматид, соединенных в месте центромеры. Центриоли расходятся к противоположным полюсам клетки. От каждой центриоли в виде лучей расходятся микротрубочки, многие из которых становятся фибриллами митотического веретена. В каждой хроматиде в области центромеры имеется богатый белком участок – кинетохор – важный элемент веретена. Кинетохоры в роли сцепления, которое позволяет взаимодействовать фибриллам веретена с хромосомами: как только к кинетохору присоединяется микротрубочка, хромосома начинает двигаться. Ядерная мембрана распадается и образуется веретено деления.

Метафаза. Хроматиды прикрепляются к фибриллам веретена кинетохорами. Оказавшись связанными с обеими центросомами, хроматиды движутся к экватору веретена до тех пор, пока их центромеры не выстроятся по экватору веретена перпендикулярно его оси. Это позволяет хроматидам беспрепятственно двигаться к соответствующим полюсам. Характерное для метафазы размещение хромосом очень важно для сегрегации хромосом, т.е. расхождения сестринских хроматид. Если отдельная хромосома «замешкается» в своем движении к экватору веретена, задерживается обычно и начало анафазы. Метафаза завершается разделением сестринских хроматид.

Анафаза. Каждая центромера расщепляется на две, нити веретена оттягивают дочерние центромеры к противоположным полюсам. Центромеры тянут за собой отделившиеся одна от другой хроматиды, которые теперь становятся независимыми хромосомами.

Телофаза. Хромосомы достигают полюсов клетки, деспирализуются, и их уже нельзя четко различить. Нити веретена разрушаются, а центриоли реплицируются. Вокруг хромосом на каждом из полюсов образуется ядерная оболочка. За телофазой может сразу следовать цитокинез – разделение всей клетки на две (Рис. 1). Каждая из дочерних клеток имеет идентичный набор хромосом. После деления клеточный цикл завершается, и клетка переходит в фазу G1.

Длительность цикла определяется типом клетки. Обычно она составляет от 10 до 30 часов. Клетки в фазе G1 не всегда делятся, они могут выйти из цикла и перейти на фазу покоя – G0 фаза.

Лишь после 1970-х годов было установлено, что прохождение клетки по всем фазам клеточного цикла строго регулируется. При движении по циклу в них появляются и исчезают, активируются и ингибируются регуляторные молекулы, которые обеспечивают: 1) прохождение клетки по определенной фазе клеточного цикла и 2) переход из одной фазы в другую. Причем прохождение по каждой фазе, а также переход из одной фазы в другую контролируется различными ключевыми молекулами. Они регулируют клеточный цикл в организмах всех эукариотов – дрожжей, животных и человека.

width="600" alt="Схемы последовательных фаз митоза в эукариотической клетке" />

Рис. 1.

Схемы последовательных фаз митоза в эукариотической клетке

(цит. и рис. по: Дж.Р. Макинтош, К.Л. Макдоланд (1989) с изменениями).

Теперь мы кратко изложим, что это за ключевые молекулы, и что они делают в клетке. Ясно, что мы будем называть ученых, которые открыли эти молекулы, и вклад каждого из них в эти знания. Пока мы скажем, что результаты их исследований очень важны для понимания любой болезни, а в онкологии

могут произвести настоящую революцию как в диагностике рака, так и в излечении от него.

Л. Хартуэлл (L. Hartwell) из США в 1970-1971 гг. впервые для изучения клеточного цикла применил генетические методы. Он первым для этого использовал клетки пекарских дрожжей. Дрожжевая клетка – удобная модель для этого, так как: умеет размножаться, отвечать на сигналы внешней среды, осуществлять «ремонт» генов при мутациях от влияния среды. Кроме того, клетки дрожжей имеют гены, родственные всем основным генам человека. Идея ученого: изучение клеточного цикла и его регуляции в клетках дрожжей может помочь понять это в нормальной клетке человека, а затем и в раковой клетке.

В серии опытов Л. Хартуэлл выделил клетки дрожжей, в которых гены, управляющие циклом, были изменены. Так он выделил более 100 генов, участвующих в управлении клеточным циклом – гены сдс (от англ. – гены цикла де- ления клетки). Наиболее важным из них оказался ген сдс28 – «стартовый». Он управляет первым шагом в прохождении клеточного цикла через фазу G1.

Он изучал чувствительность клеток дрожжей к радиации. Оказалось, что ответом клетки на это – остановка клеточного цикла. Ученый смог выделить гены, которые в этих опытах тормозили клеточный цикл клетки. Их оказалось много, он дал им имя – rad.

Белок таких генов «чувствует», что в ДНК клеток от облучения появились «разрывы» или неправильно спаренные основания. Другие белки этих генов проверяют состояние ДНК. Для этого они останавливают клеточный цикл, а ферменты репарации ДНК производят ее «ремонт».

На основе этих результатов Хартуэлл ввел понятие «контрольной точки». На этом этапе проверяется идентичность ДНК: если она повреждена, то цикл останавливается, чтобы дать время для исправления ДНК прежде, чем клетка перейдет в следующую фазу. Если исправление ДНК невозможно, клетка получает сигнал на апоптоз.

Теперь такая проверка осуществляется в нескольких точках клеточного цикла, получивших название сверочных точек – чекпоинтов (checkpoint). Эти точки расположены в концах G1, G2 и М фаз. В первой точке осуществляется проверка наличия повреждений ДНК, во второй наряду с повреждениями ДНК проверяется завершенность репликации, в третьей проверяется правильность расхождения хромосом в митозе.

П. Нерс (P.M. Nurse) продолжил начатые исследования клеточного цикла Хартуэллом. Он использовал клетки дрожжей другого типа. В середине 70-х гг. открыл в клетках этих дрожжей ген сдс2. Он обнаружил, что этот ген играет ключевую функцию в управлении делением клетки – переход от G2 к М.

В 1987 г. он выделил такой же ген у человека, назвав его Сдк1, его продукт белок – циклин-зависимая протеинкиназа. Теперь уже открыто целое семейство белков Сдк. П. Нерс показал, что активизация Сдк зависит от обратимого фосфорилирования.

Позже ученый выяснил, что ген сдс2 имеет и более общую функцию, аналогичную той, что Хартуэлл открыл в «стартовом» гене клеток пекарских дрожжей, а именно – управление переходом цикла от G1 к S.

Ученый также клонировал ген человека, отвечающей за переход клетки через фазу G1. В клетки дрожжей с дефектом гена сдс2 ввел человеческий ген сдс2. Результат: клетки начали размножаться и образовали колонию, т.е. чужеродный ген «спас» эти клетки. Этим впервые ученый показал, что гены «несхожих организмов, как человек и дрожжи, взаимозаменяемы» (А.В. Баранова,

2000). Из этого следовал вывод, что законы жизни клетки, изучаемые на одноклеточных дрожжах, верны и для клеток человека».

Т. Хант (R.T. Hunt) из Англии в 80-х гг. обнаружил первую молекулу белка, который внезапно исчезал при каждом митозе и накапливался вновь только в интерфазе. Он назвал этот белок циклином, так как его концентрация изменяется периодически в соответствии с фазами клеточного цикла, в частности, падает перед началом деления клетки. Т. Хант обнаружил первый циклин в опытах над оплодотворенной яйцеклеткой морских ежей. Позднее циклины были найдены и в других живых существах. На этих клетках ученый обнаружил, что периодическое снижение уровня этого белка является важным и общим управляющим механизмом клеточного цикла. Оказалось, что циклины образуют комплексы с Сдк, т.е. с протеинкиназами, запускающими процесс деления клетки. Без циклинов эти ферменты не способны работать – они неактивны. Поэтому их называют циклин-зависимыми киназами (Цзк или Сдк).

Заслуга Т. Ханта состоит в том, что он показал периодический распад циклина В в клеточном цикле, первым клонировал ген циклина и нашел гомологичные гены у других организмов.

Сдк являются главными регуляторами, влияющими на смену фаз в клетоЧном цикле.

В клетках млекопитающих существуют по меньшей мере шесть различных Сдк. Их обозначают как Сдк2–Сдк6 в порядке их открытия.

Сдк1 ассоциируется с циклинами А и В и участвуют в переходе G2-M.

Сдк2 может связываться с циклинами А, Е, Д2 и Д3, но не Д1, и является одной из основных киназ, регулирующих переход G1-S и прохождение через S фазу.

Сдк4 и Сдк6 участвуют в регуляции перехода G1-S. Они являются основными каталитическими партнерами, циклинов Д-типа, образуя с ними комплексы, обладающие субстратной специфичностью для белка Rb.

Регуляция активности Сдк осуществляется за счет направленного изменения уровня определенных циклинов в определенные фазы клеточного цикла. Кроме того, активность Сдк регулируется изменениями фосфорилирования их определенных аминокислотных остатков. В активной форме комплексы циклин-Сдк фосфорилируют регуляторные белки, контролирующие протекание данной фазы.

«Клеточным мотором деления» называет циклины их первооткрыватель – они управляют скоростью киназ. В настоящее время открыты 10 циклинов с разной ролью в клеточном цикле.

Открытия троих исследователей, соединенные вместе, дали биохимическую модель митоза, т.е. деления эукариотических клеток. Они открыли молекулярные причины, регулирующие клеточный цикл.

Общее число молекул Сдк является постоянным в течение клеточного цикла, но их активность изменяется за счет регуляторной функции циклинов (Рис. 2).

Рис. 2.

Фазы клеточного цикла эукариотической клетки

. G1 – от конца митоза до начала синтеза ДНК- S – синтез ДНК- G2 – от конца синтеза ДНК до митоза- М – митоз. В центре – белковый комплекс циклина с циклин-зависимой киназой, активность которой определяет ту или иную фазу (рис. и цит. по: А.В. Баранова, 2000).

Жизнь организма эукариотов прямо зависит от четкости в клеточном цикле. Фазы должны следовать в правильном порядке, и предшествующая фаза должна быть завершена прежде, чем начнется следующая. За открытие ключевых молекул контроля над делением клеток эти трое биологов в 2001 г. были награждены Нобелевской премией.

Открытия ученых важны для понимания того, как осуществляется клеточный цикл в нормальной клетке того или иного типа и какие нарушения в нем превращают эту клетку в раковую.

В клетке одна группа генов ответственна за синтез циклинов, а другая - за синтез циклин-зависимых киназ (Сдк). Концентрация циклинов меняется в зависимости от стадии клеточного цикла. Клеточный цикл включают циклин-зависимые киназы. Но они без циклина не способны работать, а только в комплексе с ними.

В целом митоз регулируется двумя группами генов. Гены экспрессии включают фазы митоз, а гены-супрессоры ингибируют его в границах нормы для клетки данного типа.

Ген-супрессор р53. Его экспрессия повышается в клетке при изменениях структуры в ее геноме. Он останавливает клеточный цикл для репарации ДНК. Если репарация ДНК не удается, тогда белок индуцирует в этой клетке апоптоз.

Репарация и остановка клеточного цикла защищают организм от репликации и амплификации дефектных генов, а значит, от возникновения раковой клетки.

Потеря функций гена р53 из-за мутаций приводит к утрате контроля над клеточным циклом: клетка-мутант будет пролиферировать, несмотря на дефекты в ее генах (Рис. 3 и Рис. 4).

Открытие ключевых молекул, во власти которых находится регуляция деления клетки любого типа в организме, позволяет управлять клеточным циклом. Дефекты в работе этих молекул приводят к изменениям в экспрессии ряда генов и к мутациям некоторых генов, что превращает нормальную клетку в раковую.

Видео: Растение, которое за 16 часов убивает 98% раковых клеток!

Рис. 3.

Движение по клеточному циклу определяется последовательной активацией различных комплексов циклин – Cdk

. Они – мишени действия ге- нов экспрессии или генов-супрессоров (рис. и цит. по: Б.П. Копнин, 2000).

Видео: ДНК. Мутация в Раковую Клетку. Лечение Рака в HD

Рис. 4.

Схема фаз клеточного цикла и реакции, защищающие геном

Видео: Что такое раковые клетки

(рис. и цит. по: Ю.М. Васильев, 1997).

В «теле» гена р53 имеются одиночные CpG динуклеотиды. Нередко они подвергаются метилированию в клетке, что может привести к мутации гена при замене Г-Ц на А-Т, а клетка может превратиться в раковую.

Ген-супрессор Rb1. Он в клетке подвергается фосфорилированию, такая клетка может стать раковой. В нормальной клетке его белок связывает белки перехода клетки из фазы G1 в фазу S. Когда с помощью циклин D1-Cдк4 к его промотору присоединяются фосфатные группы, ген выключается и дефектная по геному клетка из фазы G1 переходит в фазу S.

Ген-супрессор белка p16 INK4а. Это ингибитор Сдк D и, тем самым, прохождение G1 фазы клеточного цикла.

При репрессии за счет метилирования его промотора или реже мутации в нем в разных типах клетки, такие клетки превращаются в раковые. Путь к этому: Сдк присоединяет фосфатные группы к промотору гена Rb1, высвобождается белок транскрипции E2F и клетка вступает в фазу S.

Возможными кандидатами на использование в качестве ингибитора пролиферации является белок p21, ингибирующий циклин-зависимые киназы всех типов, а также белок p27 KIP 1.

Открытие учеными ключевых молекул клеточного цикла незаменимо в диагностике раковых клеток в организме пациента и для их уничтожения.

Повышение концентрации молекул Сдк и циклинов обнаруживается в раковых клетках разного типа. Это важно для диагностики раковых клеток и для лечения. Сдк и циклины станут новыми мишенями для лекарств-ингибиторов с целью избирательного уничтожения раковых клеток.

Таким образом, открытия ученых становятся основой для разработки нового пути уничтожения раковых клеток в организме пациента – воздействия на отдельные фазы клеточного цикла раковой клетки любого типа.

Значение открытий ключевых регуляторов клеточного цикла для излечения от рака наши ведущие ученые оценивают так.

Проф. Б.В. Копнин (2003): «В процессе деления клетки есть несколько этапов, каждый из которых контролируется особыми точками – ?чекпоинтами?.

Если на одном из этапов в делении произошел какой-то сбой, клетке дается команда на самоуничтожение. Но раковая клетка тем и отличается, что у нее этот механизм сломан. Клетки как бы ?глохнут?, перестают слышать команды, и в результате опухоль растет бесконтрольно. Новые лауреаты внесли большой вклад в понимание этих механизмов.

Ученые не только установили, что в процессе деления дублирование хромосом может происходить не полностью или не в том порядке, что у ?материн- ской клетки?. Но и доказали, что раковые клетки часто содержат как раз ?не- правильные? хромосомы. Они определили и белки, которые отвечают за пра- вильность и четкость деления клетки, их открыто уже около 10».

Акад. М. Давыдов (2001) – директор ОНЦ им. Н.Н. Блохина. «Работы Хартвелла, Нерса и Ханта имеют колоссальное значение для перспектив создания новых лекарственных средств, которые будут влиять конкретно на этапы клеточного цикла злокачественных новообразований. Открытие молекул, регулирующих процесс развития живых организмов, позволяет работать над созданием препаратов, которые способны действовать не только на сами клетки, но даже на отдельные звенья клеточного цикла. Это является современным ключевым подходом к развитию новой стратегии онкофармакологии. Однако не следует ждать немедленных практических результатов. Разработка препаратов – процесс длительный. Он проходит много стадий: сначала создание активно действующего вещества, затем экспериментальная проверка его, наконец продолжительные испытания в клинических условиях. Потребуется не менее 10 лет. И я не думаю, что это будет универсальное средство, с помощью которого можно будет лечить все злокачественные опухоли. Дело в том, что злокачест- венных опухолей существует колоссальное количество, они разного происхождения и по-разному себя ведут. Поэтому рассчитывать на какую-то панацею не приходится.

Нобелевскими лауреатами этого года открыт конкретный механизм, который позволяет вмешиваться в определенные этапы клеточного цикла. Они открыли молекулы, которые регулируют процессы развития клеток в живых организмах. Это, по сути, может оказаться конкретным путем к познанию механизма жизни клеток, что само по себе принципиально важно, но вовсе не дает гарантии создания в ближайшее время лекарств, действующих на опухоль».

Проф. Р.И. Якубовская (2001). «Сам цикл деления клетки уже описан и давно известен, ценность же открытия в том, что этот процесс можно контролировать. Ученым удалось определить, какая молекула регулирует этот цикл у дрожжей, растений, животных и людей, то есть во всех ?эукариотических орга- низмах?, в клетках которых есть ядро».

Открытие нобелевских лауреатов ученые считают ключевым моментом в клеточной биологии. В первую очередь это необходимо для борьбы с раковыми клетками. «Очень важно знать, как делится раковая клетка, какие ключевые биохимические механизмы при этом работают, какие это влечет за собой последствия, а также, какие молекулы участвуют в процессе».

«Сейчас многие ученые уже проводят эксперименты, пытаясь остановить деление раковых клеток». Тот факт, что в своей работе нобелевские лауреаты использовали патогенетический подход к лечению рака, я считаю очень важным. Они пытались найти причины образования злокачественных опухолей на молекулярном уровне.

Сейчас ученые считают одной из причин образования раковых клеток нарушения в структуре ДНК. Именно этот подход и использовали нобелевские лауреаты в своем исследовании.

Прогнозировать, в каком направлении дальше будут развиваться исследования, специалисты сейчас не могут. «Однако работа нобелевских лауреатов открыла перед медиками целый спектр направлений в области борьбы с раком».

В заключение приведем пример использования открытий Нобелевских лауреатов 2001 г. в эксперименте.

Ученые из Иллинойского университета США (2002) изучали «работу» гена Сдк4. Когда его выключали, то нормальные клетки оставались устойчивыми к трансформации в раковые клетки даже, если их ген-супрессор белка р53 был поврежден «клетки благополучно старели».

Находка таких свойств гена привела ученых к идее уничтожения раковых клеток путем повреждения гена Cdk4 или его продукта.

В опытах на мышах, у которых этот ген был удален, развития меланомы при обработке их кожи канцерогенами получить не удалось.

В новом опыте исследователи хотели уточнить причину ингибирования возникновения раковых клеток. В фибробластах мышей удалили Сдк4, а затем подвергли их раковой трансформации, повредив опухолевые гены-супрессоры

– р53 и Ink4а. «Клетки постарели, не начав неконтролируемый процесс деления». Этим было доказано, что наличие гена Сдк4 обязательно для превращения клетки в раковую.

Дальнейшие исследования этой лаборатории будут «сфокусированы на разработке стратегии саботажа работы Сдк4 и его продукта у людей, страдающих от рака».

В печати имеется ряд экспериментальных работ по применению гена Ink4a для уничтожения раковых клеток разного типа.<< ПредыдушаяСледующая >>
Внимание, только СЕГОДНЯ!