§ 16. Клеточный цикл. Репликация ДНК

Клеточный цикл. Все новые клетки образуются путем деления уже существующих. Этот принцип, как уже отмечалось, сформулировал Р. Вирхов еще в середине XIX в. Деление клеток обеспечивает непрерывность существования жизни на нашей планете. Именно благодаря ему осуществляются различные способы бесполого и полового размножения организмов. В основе процессов роста, регенерации и индивидуального развития многоклеточных организмов также лежит деление клеток.

Период существования клетки от момента ее образования из материнской клетки до собственного деления (включая это деление) или гибели называется клеточным циклом.

Продолжительность клеточного цикла у разных организмов и различных клеток в составе одного организма варьирует. Так, у бактерий в благоприятных условиях он длится примерно 20 мин. Короткие клеточные циклы (30—60 мин) характерны для бластомеров рыб и земноводных на этапе дробления, в то время как у млекопитающих промежуток времени между делениями бластомеров может достигать 10 ч и более. У взрослых мышей клетки кишечного эпителия делятся каждые 11—22 ч, а роговицы глаза — приблизительно один раз в трое суток. Для регулярно делящихся клеток многоклеточных организмов длительность клеточного цикла обычно составляет 12—36 ч.

Клеточный цикл состоит из интерфазы и деления клетки (рис. 16.1). Интерфаза — это часть клеточного цикла между двумя последовательными делениями. Как правило, она занимает больше времени, чем само деление. Рассмотрим основные периоды интерфазы на примере эукариотической клетки.

Пресинтетический, или G₁-период (от англ. gap — промежуток), начинается с момента образования новой клетки в результате деления материнской. Обычно это самый длительный период интерфазы и клеточного цикла в целом. В течение G₁-периода молодая клетка интенсивно растет, в ней увеличивается количество органоидов и синтезируются различные соединения, необходимые для протекания процессов жизнедеятельности. В том числе образуются вещества, которые будут нужны для последующего удвоения молекул ДНК.

Вы уже знаете, что набор хромосом обозначают как n: например, 1n  — гаплоидный набор, 2n — диплоидный. Набор молекул ДНК в клетках принято записывать с помощью буквы с. Из § 14 вам известно, что каждая хроматида содержит одну молекулу ДНК, т. е. количество молекул ДНК и хроматид в составе хромосом всегда совпадает. Таким образом, записи типа 1с, 2с, 4с отражают содержание в клетках не только молекул ДНК, но и соответствующих хроматид.

В пресинтетическом периоде каждая хромосома состоит из одной хроматиды. Следовательно, в G₁-периоде число хромосом (n) и хроматид (с) в клетке одинаковое. Набор хромосом и хроматид диплоидной клетки в G₁-периоде клеточного цикла можно выразить записью 2n2c.

В синтетическом, или S-периоде (от англ. synthesis — синтез), происходит удвоение молекул ДНК — репликация, а также удвоение центриолей клеточного центра (в тех клетках, где он имеется). После завершения репликации каждая хромосома состоит уже из двух идентичных сестринских хроматид, которые соединены друг с другом в области центромеры. Количество хроматид в каждой паре гомологичных хромосом становится равным четырем. Таким образом, набор хромосом и хроматид диплоидной клетки в конце S-периода (т. е. после репликации) выражается записью 2n4c.

Постсинтетический, или G₂-период, продолжается от окончания синтеза ДНК (репликации) до начала деления клетки. В это время клетка активно запасает энергию и синтезирует белки для предстоящего деления (например, белок тубулин для построения микротрубочек, образующих впоследствии веретено деления). В течение всего G₂-периода набор хромосом и хроматид в клетке остается неизменным — 2n4c.

Итак, интерфаза обычно включает три периода: пресинтетический (G₁), синтетический (S) и постсинтетический (G₂). На протяжении всей интерфазы хромосомы не спирализованы. Они располагаются в ядре клетки в виде хроматина.

После завершения интерфазы начинается деление клетки. Основным способом деления клеток эукариот является митоз, поэтому данный этап клеточного цикла обозначают как М-период. При митозе происходит спирализация хроматина. Это приводит к формированию компактных двухроматидных хромосом. После этого сестринские хроматиды каждой хромосомы отделяются друг от друга и затем попадают в разные дочерние клетки. Значит, дочерние клетки, образовавшиеся в результате митоза и вступающие в новый клеточный цикл, имеют набор 2n2c.

Обобщенная информация об основных периодах клеточного цикла представлена в таблице 16.1.

Таблица 16.1. Основные периоды клеточного цикла

Некоторые клетки многоклеточных организмов, образовавшиеся при митозе, проходят далее G₁-, S- и G₂-периоды интерфазы и снова вступают в митоз. Это характерно, например, для клеток покровных эпителиев (росткового слоя эпидермиса кожи, эпителия желудочно-кишечного тракта и др.), красного костного мозга, образовательных тканей растений.

В  отличие от них многие клетки после прохождения части G₁-периода вступают в так называемый период покоя, или G₀-период. Клетки, находящиеся в G₀-периоде, выполняют свои функции в организме, однако в них не происходит подготовка к репликации. Это свойственно, прежде всего, высокоспециализированным клеткам — нейронам, клеткам сердечной мышцы, хрусталика глаза и др. Такие клетки, как правило, навсегда утрачивают способность к делению.

Однако некоторые клетки, пребывающие в G₀-периоде (например, клетки печени, эндокринных желез, лейкоциты), сохраняют способность к выходу из периода покоя, продолжению клеточного цикла и последующему делению. Такое явление наблюдается, например, при повреждении органа, в состав которого данные клетки входят.

Репликация ДНК. Вспомним, что удвоение молекул ДНК, которое осуществляется в синтетическом (S) периоде клеточного цикла, называется репликацией. *После открытия Дж. Уотсоном и Ф. Криком структуры молекулы ДНК было выдвинуто несколько гипотез о возможном механизме протекания этого процесса (рис. 16.2).

Согласно гипотезе консервативной репликации двухцепочечная материнская молекула ДНК как единое целое служит матрицей для образования дочерней молекулы, состоящей из двух совершенно новых цепей. Полуконсервативный механизм репликации предполагает разделение цепей исходной молекулы ДНК. При этом каждая материнская цепь является матрицей для синтеза дочерней цепи. Таким образом, при репликации образуются две молекулы ДНК, каждая из которых включает одну материнскую цепь и одну новую — дочернюю. Гипотеза дисперсной репликации состояла в том, что материнская ДНК распадается на фрагменты, которые выступают в роли матриц для построения отдельных участков новых молекул. Образованные таким способом молекулы ДНК должны состоять из чередующихся фрагментов исходной молекулы и вновь синтезированных.

В 1958 г. американские биологи М. Мезельсон и Ф. Сталь провели экспериментальную проверку этих гипотез. На протяжении нескольких поколений они выращивали бактерии (а именно кишечную палочку) в питательной среде, содержащей «тяжелый» азот ¹⁵N. За это время ¹⁵N вошел в состав бактериальных молекул ДНК. Далее бактерии были перенесены в среду, содержащую изотоп ¹⁴N. Следовательно, в состав вновь синтезированных цепей ДНК включался уже «легкий» азот. Из бактериальных клеток новых поколений, образовавшихся в среде с ¹⁴N, выделяли ДНК и центрифугировали в градиенте плотности хлорида цезия (рис. 16.3).

Выяснилось, что ДНК дочерних клеток первого поколения имела плотность, среднюю между плотностью «легкой» ДНК, содержащей только ¹⁴N, и «тяжелой», включающей только ¹⁵N. То есть такая «гибридная» ДНК содержала одновременно ¹⁴N и ¹⁵N. Это противоречило гипотезе о консервативном механизме репликации, согласно которой ДНК должна была разделиться на две фракции — «легкую» и «тяжелую».

ДНК, выделенная из клеток второго поколения, разделялась на «легкую» и «гибридную». Этот факт полностью соответствовал гипотезе полуконсервативной репликации и позволил исключить дисперсный механизм удвоения ДНК, согласно которому плотность ДНК второго поколения бактерий должна быть средней между «легкой» и «гибридной». Таким образом был доказан полуконсервативный механизм репликации ДНК.*

*К настоящему времени установлено, что в осуществлении репликации принимает участие целый комплекс ферментов. Также известно, что этот процесс начинается в строго определенных участках молекулы ДНК — так называемых точках начала репликации. Бактериальная хромосома, как правило, имеет одну такую точку. У ядерных организмов каждая молекула ДНК (хромосома) содержит множество точек начала репликации. Следовательно, у эукариот процесс репликации одновременно протекает на многих участках одной и той же хромосомы. Это значительно сокращает время удвоения молекул ДНК.

Процесс репликации ДНК подразделяют на три этапа: инициацию, элонгацию и терминацию.

1. Инициация (запуск). Особые ферменты начинают раскручивать молекулу ДНК от точки начала репликации. Затем фермент хеликаза разъединяет цепи исходной материнской молекулы, разрывая водородные связи между комплементарными азотистыми основаниями. При этом две цепи расходятся под определенным углом и образуют так называемую репликативную вилку, напоминающую букву Y (рис. 16.4). Хеликаза, подобно бегунку застежки «молния», движется вдоль молекулы ДНК, разделяя комплементарные цепи. Это сопровождается перемещением репликативной вилки и, образно говоря, расстегиванием «молнии». Далее с разошедшимися цепями связываются молекулы ДНК-полимеразы — главного фермента репликации.

2. Элонгация (удлинение, наращивание дочерних цепей ДНК). Молекулы ДНК-полимеразы начинают двигаться вдоль материнских цепей, используя их в качестве матриц для построения новых дочерних цепей. Это значит, что в растущие дочерние цепи ДНК включаются только те нуклеотиды, которые комплементарны соответствующим нуклеотидам материнских цепей. Поэтому репликацию относят к реакциям матричного синтеза.

Следует отметить, что в процессе репликации материалом для синтеза дочерних цепей ДНК являются не нуклеотиды как таковые, а нуклеозидтрифосфаты. От обычных нуклеотидов их отличает наличие трех остатков фосфорной кислоты (как в молекуле АТФ) вместо одного. Связи между этими остатками являются макроэргическими. Таким образом, нуклеозидтрифосфаты — соединения, богатые энергией. В процессе их присоединения к растущим дочерним цепям ДНК происходит отщепление двух «лишних» остатков фосфорной кислоты. В результате выделяется энергия, которая используется для протекания реакции (т. е. для образования фосфоэфирных связей), и нуклеозидтрифосфаты становятся стандартными нуклеотидами новых цепей ДНК.

Особенность ДНК-полимеразы состоит в том, что она может двигаться вдоль существующей цепи ДНК только в направлении 3' → 5'. При этом наращивание дочерней цепи всегда происходит антипараллельно: от 5'-конца к 3'-концу (т. е. новые нуклеотиды добавляются к 3'-концу синтезируемой цепи). Например, если участок материнской цепи ДНК содержит последовательность нуклеотидов 3'ГТАЦАГ5', то при наращивании соответствующего ему участка дочерней цепи нуклеотиды будут присоединяться в следующем порядке: 5'ЦАТГТЦ3'.

Способность ДНК-полимеразы к перемещению вдоль цепи ДНК только в одном направлении приводит к следующему. Вдоль одной материнской цепи (той, у которой направление 3' → 5' совпадает с направлением перемещения репликативной вилки) фермент движется непрерывно. Дочерняя цепь ДНК, которая при этом синтезируется, называется лидирующей или ведущей (рис. 16.5).

В то же время движение ДНК-полимеразы, которая работает над созданием другой дочерней цепи, не может быть непрерывным. По мере смещения репликативной вилки фермент «забегает вперед» и затем, возвращаясь назад, синтезирует новую цепь отдельными фрагментами. В честь первооткрывателей — супругов Р. и Ц. Оказáки — эти участки называют фрагментами Оказаки. Таким образом, вторая дочерняя цепь строится прерывисто с существенным отставанием от лидирующей цепи. Поэтому данная цепь получила название отстающей или запаздывающей. Впоследствии фрагменты отстающей цепи сшивает друг с другом фермент ДНК-лигаза.*

*3. Терминация (остановка). Когда репликативная вилка достигает соседнего участка ДНК, на котором также осуществлялась репликация, ферменты завершают свою работу.* В результате репликации образуются две молекулы ДНК, идентичные друг другу и исходной материнской молекуле. В состав каждой из них входит одна цепь материнской молекулы ДНК и одна вновь синтезированная дочерняя цепь.