„Jak długo trwają poszczególne etapy cyklu komórkowego?
jak długo trwają poszczególne etapy cyklu komórkowego?
tryb czytnika
replikacja jest jedną z cech charakterystycznych żywej materii. Zestaw procesów znanych jako cykl komórkowy, które są podejmowane, gdy jedna komórka staje się dwiema, był dominującym tematem badawczym w erze molekularnej z zastosowaniami, które rozciągają się daleko i szeroko, w tym do badania chorób, takich jak rak, który jest czasami scharakteryzowany jako choroba cyklu komórkowego, która nie powiodła się. Cykle komórkowe są interesujące zarówno dla sposobów, w jakie są podobne z jednego typu komórki do drugiego, jak i dla sposobów, w jakie są różne. Aby przynieść obiektowi ulgę, rozważamy cykle komórkowe w różnych organizmach, w tym w modelowym prokariocie, dla komórek ssaków w hodowli tkankowej i podczas rozwoju embrionalnego u muszki owocowej. W szczególności pytamy, jakie są poszczególne kroki, które są podejmowane w celu podziału jednej komórki na dwie i jak długo te kroki trwają?
Rysunek 1: Pokazano 150-minutowy cykl komórkowy Caulobacter, podkreślając niektóre z kluczowych zdarzeń morfologicznych i metabolicznych, które mają miejsce podczas podziału komórki. Faza M nie jest wskazana, ponieważ u Caulobacter nie ma prawdziwego aparatu mitotycznego, który zostałby zmontowany jak u eukariotów. Znaczna segregacja chromosomów u Caulobacter (i innych bakterii) zachodzi równocześnie z replikacją DNA. Ostatnie etapy segregacji chromosomów, a zwłaszcza dekatenacji dwóch kolistych chromosomów, występują w fazie G2. (Na podstawie M. T. Laub et al., Science 290:2144, 2000.)
prawdopodobnie najlepiej scharakteryzowanym cyklem komórkowym prokariotycznym jest modelowy organizm Caulobacter crescentus. Jedną z atrakcyjnych cech tej bakterii jest to, że ma asymetryczny podział komórek, który umożliwia naukowcom Wiązanie jednego z dwóch Potomków do poślizgu pokrywy mikroskopu, podczas gdy druga córka odpływa, umożliwiając dalsze badania bez przeszkód. Doprowadziło to do starannego zobrazowania ≈150-minutowego cyklu komórkowego (BNID 104921), jak pokazano na fig. Głównymi składnikami cyklu komórkowego są G1 (pierwsza faza wzrostu, ≈30 min, BNID 104922), gdzie musi nastąpić co najmniej minimalny wzrost wielkości komórki, Faza s (synteza, ≈80 min, BNID 104923), gdzie DNA ulega replikacji i G2 (druga faza wzrostu, ≈25 min, BNID 104924), gdzie rozwija się segregacja chromosomów prowadząca do podziału komórki (Faza końcowa trwa ≈15 min). Caulobacter crescentus stanowi interesujący przykład sposobu, w jaki niektóre organizmy są promowane do statusu „organizmu modelowego”, ponieważ mają one pewną szczególną cechę, która czyni je szczególnie odpowiednimi dla kwestii zainteresowania. W tym przypadku progresja cyklu komórkowego idzie w parze z procesem różnicowania, dając łatwo wizualizowane możliwe do zidentyfikowania etapy, co czyni je bardziej korzystnymi dla biologów cyklu komórkowego niż, powiedzmy, modelowa bakteria E. coli.
zachowanie komórek ssaczych w hodowli tkankowej służyło jako podstawa dla wielu z tego, co wiemy o cyklu komórkowym u wyższych eukariotów. Cykl komórkowy eukariotyczny może być zasadniczo podzielony na dwa etapy, interfazę, tę część cyklu komórkowego, gdy materiały komórki są powielane i mitozę, zestaw procesów fizycznych, które uczestniczą w segregacji chromosomów i późniejszym podziale komórki. Szybkość procesów w cyklu komórkowym, są w większości zbudowane z wielu zdarzeń molekularnych, takich jak polimeryzacja DNA i włókien cytoszkieletowych, których szybkości już rozważaliśmy. Dla charakterystycznego czasu cyklu komórkowego wynoszącego 20 godzin w komórce HeLa prawie połowa jest poświęcona G1 (BNID 108483), a blisko druga połowa to faza S (BNID 108485), podczas gdy G2 I M są znacznie szybsze odpowiednio po około 2-3 godzinach i 1 godzinie (bnid 109225, 109226). Etap najbardziej zmienny w czasie trwania to G1. W mniej korzystnych warunkach wzrostu, gdy zwiększa się czas trwania cyklu komórkowego, jest to etap, który jest w większości dotknięty, prawdopodobnie ze względu na czas potrzebny do osiągnięcia punktu kontrolnego wielkości regulacyjnej. Chociaż różne rodzaje dowodów wskazują na istnienie takiego punktu kontrolnego, jest on obecnie bardzo słabo poznany. Historycznie, etapy w komórkowym cyklu zazwyczaj wywnioskowywali używać nieruchomych komórkach ale ostatnio, genetycznie kodujący biosensors które zmieniają lokalizaci na różnych etapach komórkowego cyklu pozwolili dostawać żywych komórek temporal informacja o komórka cyklu progresja i zatrzymanie.
Rysunek 2: czasy cyklu komórek dla różnych typów komórek. Każdy Wykres kołowy pokazuje ułamek cyklu komórkowego poświęcony każdemu z podstawowych etapów cyklu komórkowego. Powierzchnia każdego wykresu jest proporcjonalna do całkowitego czasu trwania cyklu komórkowego. Czas trwania cyklu komórkowego odzwierciedla minimalny czas podwojenia w idealnych warunkach. (Adaptacja z „The Cell Cycle – Principles of Control” autorstwa Davida Morgana.)
jak długość cyklu komórkowego porównuje się do czasu, jaki zajmuje komórce zsyntetyzowanie nowego genomu? U eukariotów istnieje oddzielenie pomiędzy długością genomu a podwojeniem czasu ze względu na wykorzystanie wielu miejsc startowych replikacji DNA. W przypadku komórek ssaczych zaobserwowano, że w przypadku wielu tkanek o bardzo Różnych całkowitych czasach cyklu komórkowego czas trwania fazy S, w której występuje replikacja DNA, jest niezwykle stały. W przypadku tkanek myszy, takich jak te znajdujące się w okrężnicy lub języku, Faza S wahała się w niewielkim zakresie od 6,9 do 7,5 godziny (BNID 111491). Nawet porównując kilka tkanek nabłonkowych u ludzi, szczurów, myszy i chomika, Faza S wynosiła od 6 do 8 godzin (BNID 107375). Pomiary te przeprowadzono w latach 60.XX wieku, przeprowadzając swoisty eksperyment pulse-chase z radioaktywnie znakowanym nukleotydem tymidyną. Podczas krótkiego impulsu radioaktywny związek został włączony tylko do genomu komórek w fazie S. Mierząc czas trwania pojawienia się, a następnie zaniku oznaczonych komórek w fazie M można wywnioskować, jak długo trwała Faza S fakt, że czas trwania fazy S jest stosunkowo stały w takich komórkach, jest używany do dziś do oszacowania czasu trwania cyklu komórkowego na podstawie wiedzy tylko o frakcji komórek w danym migawce w czasie, które są w fazie S. Na przykład, jeśli jedna trzecia komórek jest widoczna w fazie s, która trwa około 7 godzin, uważa się, że czas cyklu komórkowego wynosi około 7 godzin/(1/3) ≈20 godzin. Obecnie tego rodzaju pomiary są najczęściej wykonywane przy użyciu BrdU jako markera dla fazy S. Nie jesteśmy świadomi zadowalającego wyjaśnienia pochodzenia tego stosunkowo stałego czasu replikacji i jak jest on związany z szybkością polimerazy DNA i gęstością miejsc inicjacji replikacji wzdłuż genomu.
różnorodność cykli komórkowych jest pokazana na fig.2 i przedstawia kilka organizmów modelowych oraz czas trwania i rozmieszczenie poszczególnych etapów ich cykli komórkowych. Skrajnym przykładem jest hipnotyzujący proces rozwoju embrionalnego muszki owocowej Drosophila melanogaster. W tym przypadku sytuacja różni się od konwencjonalnych podziałów komórkowych, ponieważ zamiast syntetyzować nowe materiały cytoplazmatyczne, masa jest zasadniczo zachowana, z wyjątkiem replikacji materiału genetycznego. Dzieje się to w bardzo synchroniczny sposób przez około 10 pokoleń, a cykl replikacji tysięcy komórek w zarodku, powiedzmy między cyklem 10 a 11, dzieje się w około 8 minut, jak pokazano na fig.2 (BNID 103004, 103005, 110370). Jest to szybsze niż czasy replikacji dla jakiejkolwiek bakterii, mimo że genom ma ≈120 milionów bp długości (BNID 100199). Uderzający przykład zdolności komórek do adaptacji ich dynamiki czasowej.
