Контроль клетки за прохождением клеточного цикла

2.3.1 Объекты контроля и сверочные точки

В ходе цикла клетка не просто «бездумно» следует по раз и навсегда заданному маршруту. Нет, одновременно происходит и самоконтроль собственного состояния. Этот контроль приурочен к определенным стадиям цикла. В клеточном цикле существует несколько «сверочных точек»  — по одной на каждый из четырех периодов цикла (G1-, S-, G2-периоды и митоз).

Главное, что подвергается контролю, — это состояние наследственного материала, хромосом. И, в зависимости от результатов «проверки», выбирается один из трах вариантов дальнейшего «поведения» :

• а) безостановочный переход к следующей стадии цикла,
• б) более или менее длительная задержка на текущей стадии — для исправления обнаруженных дефектов, если таковое возможно;
• в) запуск механизма апоптоза, если выявленные нарушения неисправимы.

Последний вариант выбирается не только тогда, когда хромосомные дефекты просто «несовместимы с жизнью», но и тогда, когда они в принципе не препятствуют прохождению последующих стадий цикла. Так что здесь имеет место «забота» о том, чтобы в организме не появлялись клетки с «неправильным» геномом, — даже если эти клетки и были бы жизнеспособными.

В таблице указано, что конкретно может быть признано «неудовлетворительным» в каждой из сверочных точек.

Иначе говоря, какие причины могут задержать клетку на данной стадии цикла или даже индуцировать ее «самоубийство», т. е. апоптоз.

Все эти причины действительно так или иначе связаны с состоянием хромосом. Даже тогда, когда речь идет о микротрубочках и образующемся из них веретене деления. Ведь от функционирования этого веретена непосредственно зависит сегрегация хромосом (расхождение их к разным полюсам анафазной клетки).

Неправильная сегрегация хромосом может привести не только к аномалиям их числа, но и к образованию стабильных микроядер. Это наблюдается тогда, когда у каких-либо хромосом нарушается связь с диплосомой. Такие хромосомы в анафазе перемещаются (если перемещаются вообще) к одному из полюсов с видимым отставанием. В телофазе же они, как обычно, служат центрами формирования микроядер. Но из-за отсутствия связи с единым центром эти микроядра так и не сливаются с «основным» ядром. Видимо, образование единой ядерной ламины (заставляющее микроядра объединяться друг с другом) происходит при формообразующем участии микротрубочек клеточного центра.

В процессе репликации ДНК могут происходить те или иные ошибки (например, включение «неправильного» нуклеотида). Такие ошибки детектируются и исправляются специальной системой репарации; поэтому они, как правило, не приводят к остановке цикла и тем более к апоптозу.

Кроме того, в ДНК на всех стадиях цикла могут появляться и другие «точечные» повреждения. Они тоже — предмет «заботы» соответствующих систем репарации ДНК, но не тех систем, которые отвечают за прохождение цикла. Если, конечно, эти повреждения не настолько множественные, что серьезно нарушают структуру хромосом.

Таким образом, контроль за состоянием хромосом касается лишь достаточно крупных нарушений их структуры — начиная с двухцепочечных разрывов и кончая изменением числа хромосом (в результате ошибок сегрегации).

Как и в случае систем репарации ДНК, эффективность контроля и элиминации (в т. ч. и путем апоптоза) крупных хромосомных нарушений — все же не стопроцентна. Эти нарушения могут «переходить» из одного периода цикла в другой. И о том же говорит сам факт существования таких известных хромосомных аномалий, как синдромы Дауна, Шерешевского-Тернера и другие.

2.3.2 Механизм остановки цикла

В большинстве случаев остается пока неизвестным, какие конкретно структуры являются сенсором или детектором нарушений хромосомной структуры. Но в отношении двухцепочечных разрывов ДНК некоторая определенность есть. Считают, что их узнает специальная ДНК протеинкиназа.

Само исправление таких разрывов осуществляется, вероятно, путем гомологичной рекомбинации поврежденной хромосомы (или хроматиды) с интактной. Между этими хромосомами происходит обмен таким фрагментом одной из цепей ДНК, в котором и заключен разрыв. В результате обмена в каждой хромосоме оказывается молекула ДНК с одноцепочечным разрывом. А такие разрывы устраняются ДНК-лигазой. Но все это требует времени. Для чего и происходит остановка клеточного цикла.

В большинстве, если не во всех, случаях хромосомных повреждений центральную роль в остановке цикла играет белок р53. Он синтезируется в клетке постоянно, но в обычных условиях очень быстро разрушается, так что его концентрация в клетке оказывается весьма низкой.

При наличии же в клетке хромосомных повреждений «включение» белка р53 происходит следующими способами:

путем уменьшения скорости его распада путем повышения активности его молекул На активность р53 влияет, в частности, его специфический ингибитор — белок Mdm2. В то же время связывание этого ингибитора зависит от того, фосфорилирован ли соответствующий локус белка р53.

Так, если речь идет о двухцепочечных разрывах ДНК, то обнаруживающая их ДНК протеинкиназа фосфорилирует р53 и тем самым освобождает его от ингибирующего влияния белка Mdm2.

При других повреждениях ДНК могут работать иные механизмы. Например, после УФ-облучения в действие вступает казеинкиназа II: она тоже способна фосфорилировать и тем самым активировать белок р53. Способов регуляции активности этого белка очень много.

Белок р53 — это транскрипционный фактор. И одно из первых его действий в таком качестве — активация гена белка р21. Белок р21 — ингибитор всех комплексов циклин-Cdk. По этой причине и наступает остановка клеточного цикла, в каком бы его периоде не находилась клетка.

Если повреждения хромосом достаточно велики и их исправление затягивается, то длительно сохраняющий высокую активность белок р53 начинает стимулировать (как транскрипционный фактор) серию других генов (ВАХ, KILLER/DR5. и др.) запускающих апоптоз. Одновременно ингибируются антиапоптозные гены (BCL2, RELA). В итоге в такой клетке начинает выполняться сложная программа самоуничтожения.