„Cât durează diferitele etape ale ciclului celular?

cât durează diferitele etape ale ciclului celular?

modul cititor

replicarea este una dintre caracteristicile distinctive ale materiei vii. Setul de procese cunoscute sub numele de ciclul celular, care sunt întreprinse pe măsură ce o celulă devine două, a fost o temă dominantă de cercetare în epoca moleculară, cu aplicații care se extind la scară largă, inclusiv la studiul bolilor, cum ar fi cancerul, care este uneori caracterizat ca o boală a ciclului celular. Ciclurile celulare sunt interesante atât pentru modurile în care sunt similare de la un tip de celulă la altul, cât și pentru modurile în care sunt diferite. Pentru a aduce subiectul în relief, luăm în considerare ciclurile celulare într-o varietate de organisme diferite, inclusiv un model procariot, pentru celulele mamiferelor în cultura țesuturilor și în timpul dezvoltării embrionare în musca fructelor. Mai exact, ne întrebăm care sunt pașii individuali care sunt întreprinși pentru ca o celulă să se împartă în două și cât durează acești pași?

Figura 1: Este prezentat ciclul celular de 150 de minute al Caulobacter, evidențiind unele dintre evenimentele morfologice și metabolice cheie care au loc în timpul diviziunii celulare. Faza M nu este indicată deoarece în Caulobacter nu există un aparat mitotic adevărat care să fie asamblat ca în eucariote. O mare parte din segregarea cromozomilor în Caulobacter (și alte bacterii) are loc concomitent cu replicarea ADN-ului. Etapele finale ale segregării cromozomiale și în special decatenarea celor doi cromozomi circulari are loc în timpul fazei G2. (Adaptat de la M. T. Laub și colab., Știință 290: 2144, 2000.)

probabil cel mai bine caracterizat ciclu celular procariot este cel al organismului model Caulobacter crescentus. Una dintre caracteristicile atrăgătoare ale acestei bacterii este că are o diviziune celulară asimetrică care permite cercetătorilor să lege unul dintre cei doi descendenți de o alunecare a capacului microscopului, în timp ce cealaltă fiică se îndepărtează, permițând studii suplimentare fără obstacole. Acest lucru a dat naștere unor reprezentări atente ale ciclului celular de 150 de minute (BNID 104921), așa cum se arată în Figura 1. Principalele componente ale ciclului celular sunt G1 (prima fază de creștere, 30 min, 30 min, BNID BNID 104922), unde trebuie să aibă loc cel puțin o cantitate minimă de creștere a dimensiunii celulare, faza S (sinteză, 80 min, 104923) unde ADN-ul este replicat și G2 (a doua fază de creștere, 25 min, 104924) unde segregarea cromozomială se desfășoară ducând la diviziunea celulară (faza finală durează 15 min). Caulobacter crescentus oferă un exemplu interesant al modului în care anumite organisme sunt promovate la statutul de „organism model”, deoarece au o caracteristică specială care le face deosebit de oportune pentru problema de interes. În acest caz, progresia ciclului celular merge mână în mână cu procesul de diferențiere, oferind etape identificabile ușor vizualizate, făcându-le preferabile biologilor ciclului celular, să zicem, bacteria model E. coli.

comportamentul celulelor de mamifere în cultura țesuturilor a servit ca bază pentru o mare parte din ceea ce știm despre ciclul celular în eucariotele superioare. Ciclul celular eucariot poate fi în general separat în două etape, interfază, acea parte a ciclului celular atunci când materialele celulei sunt duplicate și mitoză, setul de procese fizice care participă la segregarea cromozomilor și diviziunea celulară ulterioară. Ratele proceselor din ciclul celular sunt în mare parte construite din multe dintre evenimentele moleculare, cum ar fi polimerizarea ADN-ului și a filamentelor citoscheletice ale căror rate le-am luat deja în considerare. Pentru ciclul celular caracteristic de 20 de ore într-o celulă HeLa, aproape jumătate este dedicată G1 (BNID 108483) și aproape de o altă jumătate este faza S (BNID 108485), în timp ce G2 și M sunt mult mai rapide la aproximativ 2-3 ore și respectiv 1 oră (BNID 109225, 109226). Etapa cea mai variabilă în durată este G1. În condiții de creștere mai puțin favorabile, atunci când durata ciclului celular crește, aceasta este etapa cea mai afectată, probabil datorită timpului necesar până la atingerea unui punct de control al dimensiunii de reglementare. Deși diferite tipuri de dovezi indică existența unui astfel de punct de control, în prezent este foarte puțin înțeleasă. Din punct de vedere istoric, etapele ciclului celular au fost de obicei deduse folosind celule fixe, dar recent, biosenzori codificați genetic care schimbă localizarea în diferite etape ale ciclului celular au făcut posibilă obținerea informațiilor temporale cu celule vii despre progresia și arestarea ciclului celular.

Figura 2: timpii ciclului celular pentru diferite tipuri de celule. Fiecare diagramă circulară arată fracțiunea ciclului celular dedicată fiecărei etape primare a ciclului celular. Aria fiecărei diagrame este proporțională cu durata totală a ciclului celular. Duratele ciclului celular reflectă timpii minime de dublare în condiții ideale. (Adaptat din” ciclul celular – principiile controlului ” de David Morgan.)

cum se compară lungimea ciclului celular cu timpul necesar unei celule pentru a-și sintetiza noul genom? O decuplare între lungimea genomului și timpul de dublare există în eucariote datorită utilizării mai multor site-uri de pornire a replicării ADN. Pentru celulele de mamifere s-a observat că pentru multe țesuturi cu durate generale ale ciclului celular variate, durata fazei S în care are loc replicarea ADN-ului este remarcabil de constantă. Pentru țesuturile de șoarece, cum ar fi cele găsite în colon sau limbă, faza S a variat într-un interval mic de la 6,9 la 7,5 ore (BNID 111491). Chiar și atunci când se compară mai multe țesuturi epiteliale între om, șobolan, șoarece și hamster, faza S a fost între 6 și 8 ore (BNID 107375). Aceste măsurători au fost efectuate în anii 1960 prin efectuarea unui fel de experiment de urmărire a impulsurilor cu nucleotida timidină marcată radioactiv. În timpul pulsului scurt, compusul radioactiv a fost încorporat numai în genomul celulelor în faza S. Prin măsurarea duratei apariției și apoi a dispariției celulelor etichetate în faza m se poate deduce cât a durat Faza s faptul că durata fazei S este relativ constantă în astfel de celule este utilizată până în prezent pentru a estima durata ciclului celular dintr-o cunoaștere a numai fracțiunii de celule la un moment dat instantaneu în timp care se află în faza S. De exemplu, dacă o treime din celule sunt observate în faza S care durează aproximativ 7 ore, timpul ciclului celular este dedus a fi de aproximativ 7 ore/(1/3) 20 de ore. Astăzi, aceste tipuri de măsurători sunt efectuate în cea mai mare parte folosind BrdU ca marker pentru faza S. Nu suntem conștienți de o explicație satisfăcătoare pentru originea acestui timp de replicare relativ constant și modul în care este legat de rata ADN polimerazei și densitatea siturilor de inițiere a replicării de-a lungul genomului.

diversitatea ciclurilor celulare este prezentată în Figura 2 și descrie mai multe organisme model și duratele și poziționarea diferitelor etape ale ciclurilor lor celulare. Un exemplu extrem apare în procesul fascinant de dezvoltare embrionară a muștei de fructe Drosophila melanogaster. În acest caz, situația este diferită de diviziunile celulare convenționale, deoarece, mai degrabă decât să sintetizeze noi materiale citoplasmatice, masa este în esență conservată, cu excepția replicării materialului genetic. Acest lucru se întâmplă într-un mod foarte sincron pentru aproximativ 10 generații și un ciclu de replicare a miilor de celule din embrion, să zicem între ciclul 10 și 11, se întâmplă în aproximativ 8 minute, așa cum se arată în Figura 2 (BNID 103004, 103005, 110370). Acest lucru este mai rapid decât timpii de replicare pentru orice bacterie, chiar dacă genomul are o lungime de 120 milioane bp (BNID 100199). Un exemplu frapant al capacității celulelor de a-și adapta dinamica temporală.