“Hvor lang tid tager de forskellige stadier af cellecyklussen?

hvor lang tid tager de forskellige stadier af cellecyklussen?

Læsertilstand

replikation er et af kendetegnene ved levende stof. Sættet af processer kendt som cellecyklus, der udføres, når en celle bliver to, har været et dominerende forskningstema i Molekylær æra med applikationer, der strækker sig vidt og bredt, herunder til undersøgelse af sygdomme som kræft, som undertiden karakteriseres som en sygdom i cellecyklussen gået galt. Cellecyklusser er interessante både for de måder, de ligner fra en celletype til den næste, og for de måder, de er forskellige på. For at bringe emnet i relief overvejer vi cellecyklusserne i en række forskellige organismer, herunder en modelprokaryot, for pattedyrceller i vævskultur og under embryonal udvikling i frugtfluen. Specifikt spørger vi, hvad er de individuelle trin, der udføres for en celle at opdele i to, og hvor lang tid tager disse trin?

Figur 1: Caulobacters 150 min cellecyklus vises, hvilket fremhæver nogle af de vigtigste morfologiske og metaboliske begivenheder, der finder sted under celledeling. M-fase er ikke angivet, fordi der i Caulobacter ikke er noget ægte mitotisk apparat, der samles som i eukaryoter. Meget af kromosomsegregation i Caulobacter (og andre bakterier) forekommer samtidig med DNA-replikation. De sidste trin i kromosomsegregering og især dekatenering af de to cirkulære kromosomer forekommer under G2-fase. (Tilpasset fra M. T. Laub et al., Videnskab 290: 2144, 2000.)

uden tvivl er den bedst karakteriserede prokaryote cellecyklus den af modelorganismen Caulobacter crescentus. Et af de tiltalende træk ved denne bakterie er, at den har en asymmetrisk celledeling, der gør det muligt for forskere at binde en af de to afkom til et mikroskopdæksel, mens den anden datter driver væk, hvilket muliggør yderligere undersøgelse uden forhindringer. Dette har givet anledning til omhyggelige skildringer af den 150 minutters cellecyklus (BNID 104921) som vist i Figur 1. Hovedkomponenterne i cellecyklussen er G1 (første vækstfase, 30 min., BNID 104922), hvor mindst en vis minimal mængde cellestørrelsesforøgelse skal finde sted, S-fase (syntese, 80 min., BNID 104923), hvor DNA ‘ et replikeres, og G2 (anden vækstfase, 25 min., BNID 104924), hvor kromosomsegregering udfolder sig, hvilket fører til celledeling (slutfase, der varer 15 min.). Caulobacter crescentus giver et interessant eksempel på den måde, hvorpå visse organismer bliver forfremmet til “model organisme” status, fordi de har en særlig funktion, der gør dem særligt hensigtsmæssige for spørgsmålet om interesse. I dette tilfælde går cellecyklusprogressionen hånd i hånd med differentieringsprocessen, der giver let visualiserede identificerbare stadier, hvilket gør dem Foretrukne for cellecyklusbiologer frem for eksempel modelbakterien E. coli.opførsel af pattedyrceller i vævskultur har tjent som grundlag for meget af det, vi ved om cellecyklussen i højere eukaryoter. Den eukaryote cellecyklus kan bredt adskilles i to faser, interfase, den del af cellecyklussen, når cellematerialerne duplikeres og mitose, det sæt fysiske processer, der deltager i kromosomsegregering og efterfølgende celledeling. Hastigheden af processer i cellecyklussen er for det meste opbygget af mange af de molekylære begivenheder, såsom polymerisering af DNA og cytoskeletale filamenter, hvis satser vi allerede har overvejet. For den karakteristiske cellecyklustid på 20 timer i en HeLa-celle er næsten halvdelen afsat til G1 (BNID 108483) og tæt på en anden halvdel er S-fase (BNID 108485), mens G2 og M er meget hurtigere på henholdsvis 2-3 timer og 1 time (BNID 109225, 109226). Den mest variable fase i varighed er G1. Under mindre gunstige vækstbetingelser, når cellecyklusvarigheden øges, er dette det stadium, der for det meste påvirkes, sandsynligvis på grund af den tid, det tager, indtil et kontrolpunkt for reguleringsstørrelse er nået. Selvom forskellige typer beviser peger på eksistensen af et sådant kontrolpunkt, er det i øjeblikket meget dårligt forstået. Historisk set er stadier i cellecyklussen normalt udledt ved hjælp af faste celler, men for nylig har genetisk kodede biosensorer, der ændrer lokalisering på forskellige stadier af cellecyklussen, gjort det muligt at få live-celle tidsmæssig information om cellecyklusprogression og anholdelse.

figur 2: Cellecyklustider for forskellige celletyper. Hvert cirkeldiagram viser den brøkdel af cellecyklussen, der er afsat til hvert af de primære trin i cellecyklussen. Arealet af hvert diagram er proportionalt med den samlede cellecyklusvarighed. Cellecyklusvarigheder afspejler minimale fordoblingstider under ideelle forhold. (Tilpasset fra” cellecyklussen – principper for kontrol ” af David Morgan.)

Hvordan sammenlignes længden af cellecyklussen med den tid, det tager en celle at syntetisere sit nye genom? En afkobling mellem genomlængden og fordoblingstiden findes i eukaryoter på grund af brugen af flere DNA-replikationsstartsteder. For pattedyrceller er det blevet observeret, at for mange væv med vidt forskellige samlede cellecyklustider, varigheden af S-fasen, hvor DNA-replikation forekommer, er bemærkelsesværdigt konstant. For musevæv som dem, der findes i tyktarmen eller tungen, varierede S-fasen i et lille interval fra 6,9 til 7,5 timer (BNID 111491). Selv når man sammenligner flere epitelvæv på tværs af mennesker, rotter, mus og hamster, var S-fasen mellem 6 og 8 timer (BNID 107375). Disse målinger blev udført i 1960 ‘ erne ved at udføre et slags pulsjagteksperiment med det radioaktivt mærkede nukleotidthymidin. Under den korte puls blev den radioaktive forbindelse kun inkorporeret i genomet af celler i S-fase. Ved at måle varigheden af udseende og derefter forsvinden af mærkede celler i m-fase kan man udlede, hvor længe s-fase varede det faktum, at varigheden af S-fase er relativt konstant i sådanne celler, bruges den dag i dag til at estimere varigheden af cellecyklussen ud fra en viden om kun den brøkdel af celler på et givet øjebliksbillede i tid, der er i S-fase. For eksempel, hvis en tredjedel af cellerne ses i S-fase, der varer cirka 7 timer, udledes cellecyklustiden til at være omkring 7 timer/(1/3) 20 timer. I dag udføres disse typer målinger for det meste ved hjælp af BrdU som markør for S-fase. Vi er ikke opmærksomme på en tilfredsstillende forklaring på oprindelsen af denne relativt konstante replikationstid, og hvordan den er relateret til hastigheden af DNA-polymerase og densiteten af replikationsinitieringssteder langs genomet.

mangfoldigheden af cellecyklusser er vist i figur 2 og viser flere modelorganismer og varigheden og placeringen af de forskellige stadier af deres cellecyklusser. Et ekstremt eksempel forekommer i den fascinerende proces med embryonal udvikling af frugtfluen Drosophila melanogaster. I dette tilfælde er situationen forskellig fra konventionelle celledelinger, da massen i det væsentlige bevares bortset fra replikationen af det genetiske materiale i stedet for at syntetisere nye cytoplasmatiske materialer. Dette sker på en meget synkron måde i omkring 10 generationer, og en replikationscyklus af de tusinder af celler i embryoet, siger mellem cyklus 10 og 11, sker på cirka 8 minutter som vist i figur 2 (BNID 103004, 103005, 110370). Dette er hurtigere end replikationstiderne for nogen bakterier, selvom genomet er 120 millioner bp langt (BNID 100199). Et slående eksempel på cellernes evne til at tilpasse deres tidsmæssige dynamik.