VII. Размножение и гибель клеток (жизненный цикл, деление и гибель клетки)

Жизненный цикл клетки

Все клетки многоклеточного организма имеют ограниченное время жизни, которое может существенно различаться. Например, жизнь эпителиальной клетки кожи не превышает 30 дней, клетки печени человека делятся 1-2 раза в год, тогда как большинство нервных клеток и исчерченных мышечных волокон заканчивает свое существование в момент смерти организма. Независимо от конкретной разновидности, уровня дифференцировки и продолжительности жизни клеток все варианты их существования в организме описываются понятием жизненный цикл клетки

Жизненный цикл клетки

• совокупность явлений между двумя последовательными делениями или между делением и гибелью клетки
• включает митоз (деление клетки) и интерфазу (период "пролиферативного покоя, на протяжении которого клетка дифференцируется, выполняет специфические функции и готовится к делению)
• митоз - наиболее короткий этап жизненного цикла у всех разновидностей делящихся клеток (около 1 часа), в котором выделяют последовательные этапы - профаза, метафаза, анафаза и телофаза (цитокинез)
• гибель (смерть) клетки - завершающий этап жизненного цикла ряда дифференцированных клеток, реализующийся через механизмы апоптоза (программируемая гибель) и некроза (гибель от случайных причин)
• в ряде тканей (преимущественно, в эпителии) клетки гибнут также в результате их терминальной дифференцировки, приводящей к элиминации из пласта или образованию постклеточных структур (например, роговые чешуйки в многослойном эпителии) - см. раздел "Эпителиальные ткани"
• интенсивность делений, продолжительность интерфазы и частота клеточной гибели каждой разновидности клеток многоклеточного организма зависят от типа клеточной популяции к которой она относятся (см. раздел "Общая гистология")

Интерфаза

• по окончании деления клетка входит в фазу G₁ (G - от англ. gap - промежуток) или постмитотический интервал (период); за это время (обычно не превышает нескольких часов) клетки восполняют собственную массу до размеров материнской, после чего начинают готовиться к следующему делению (характерно для постоянно делящихся клеток) или переходят в период "пролиферативного покоя" (фаза G₀) для выполнения специфических функций
• подготовка к следующему делению по выходу клетки из фазы G₁ включает синтетический и премитотический периоды
• синтетический период или фаза S (S - от англ. synthesis) - время, необходимое клетке для синтеза (репликации) ДНК, приводящего к удвоению генетического материала; включение мономерных предшественников (нуклеотидов) в синтезирующиеся нити ДНК можно выявить при введении в организм или клеточную среду нуклеотидов, меченных радиоактивными изотопами (например, ³Н-тимидина или бромуридина)
• период непосредственной подготовки клетки к вступлению в митоз обозначается как фаза G₂ или премитотический интервал
• основными событиями фазы G₂ являются синтез белков (гистонов), участвующих в конденсации хромосом и завершение репликации клеточного центра - центросомы; каждая пара центриолей и связанные с ними ЦОМТ (см. cit32 и cit33) определяют в последующем формирование веретена клеточного деления (митотического веретена) - системы микротрубочек, обеспечивающей ориентацию и движение хромосом

Включение ³Н-тимидина в хроматин эритробласта (S-фаза)

Включение ³Н-тимидина в ядра клеток аорты (S-фаза, СЭМ)

Митоз

• все клетки делятся посредством механизма митоза, в результате которого образуются две клетки, генетически идентичные материнской
• ключевыми точками клеточного цикла являются переход от фазы S к фазе G₂ и вступление в митоз; переход к митозу является неизбежным и необратимым событием.
• во время митоза (процесс включает последовательно профазу, метафазу, анафазу и телофазу) можно выделить на два основных события: кариокинез - деление ядра (распределение хромосом между дочерними клетками) и цитокинез - разделение цитоплазмы клеток

Профаза

• начинается с дезорганизации ядрышка и конденсации хроматина в хромосомы, затем развивается дезорганизация оболочки ядра и других мембранных органелл (прометафаза)
• в каждой митотической хромосоме можно различить две нити - хроматиды, связанные более компактной зоной - центромером.
• ранее расположенные рядом центросомы расходятся, перемещаются к противоположным полюсам ядра и становятся центрами организации митотического веретена.
• в веретене выделяют три набора микрострубочек (МТ): полярные - от полюса к полюсу; кинетохорные - от полюса к центромеру хромосом (кинетохору) и астральные - от полюса к ближайшему участку клеточной мембраны

Делящийся эритробласт селезенки мыши на стадии профазы

Митотическое веретено в делящемся периците стенки капилляра

Метафаза и анафаза

• совместное действие микротрубочек веретена обеспечивает движение хромосом к экватору и образование экваториальной пластинки (метафаза), разделение хроматид на дочерние хромосомы и последующее перемещение хромосом к полюсам клетки (анафаза)
• движение микротрубочек обеспечивается моторными белками - кинезином, динеином и белками кинетохора.
• в метафазе хромосомы удерживаются в экваториальной плоскости, образуя, экваториальную пластинку ("материнскую звезду"); ее расположение определяет плоскость последующего деления цитоплазмы клетки
• анафаза начинается внезапно и длится всего несколько минут, хроматиды разделяются и дочерние хромосомы перемещаются к полюсам клетки
• в плоскости экватора намечается формирование борозды деления

Метафазные хромосомы (экваториальная пластинка) в клетке цитотрофобласта

Анафаза митоза в делящемся лифоците и апоптоз клеток

Телофаза

• в этой фазе завершается кариокинез и материнская клетка разделяется на две дочерних - цитокинез
• вокруг дочерних хромосом реконструируются ядра, а в экваториальной плоскости за счет сокращения кольцевидного пучка микрофиламентов углубляется борозда деления
• непосредственно перед разделением клеток, в соединяющем их узком цитоплазматическом мостике обнаруживается срединное тельце - пучок микрофиламентов и остатки микротрубочек веретена деления

Деление эндотелиальной клетки аорты (цитокинез) (СЭМ)

Срединное тельце в делящейся фолликулярной клетке яичника

Полиплоидные клетки

• в результате завершения митоза большинство клеток многоклеточного организма сохраняет диплоидный набор ДНК, однако для ряда высокоспециализированных тканей (печень, миокард) характерно появление полиплоидных клеток, содержание ДНК в которых может составлять k(2n), где k - число кратное двум
• одноядерные полиплоидные клетки могут формироваться в поздней интерфазе в результате того, что клетка блокируется в фазе G₂ и не вступает в митоз или во время митоза вследствие нарушений движения микротрубочек митотического веретена (хроматиды не разделяются на дочерние хромосомы или хромосомы не расходятся к полюсам клетки)
• телофаза может завершиться без цитотомии (ацитокинетический митоз), результатом чего является появление двуядерных полиплоидных клеток
• деление ядер, за которым не следует деление цитоплазмы, лежит также в основе появления многоядерных клеток (синцитиев)

Гибель клетки

• подавляющее большинство образовавшихся при делении клеток переходит в интерфазу и дифференцируется в клетки определенного фенотипа
• многократная репликация ДНК допускает возможность появления ошибок при синтезе новых молекул и их повреждения; в некоторых случаях повреждения оказываются необратимыми и несовместимыми с нормальной жизнью клетки
• для исключения этих клеток из популяции в них реализуется генетическая программа "самоубийства" - апоптоз - важнейший механизм тканевого гомеостаза (см. раздел "Общая гистология")
• в физиологических условиях апоптоз играет важную роль в процессах эмбрионального развития, клеточного обновления, инволюции зрелых тканей и иммунных реакциях
• морфологически он проявляется рядом последовательных изменений клетки: конденсация ядра, сморщивание цитоплазмы (органеллы уплотняются, но целостность их не нарушена), распад клетки на апоптозные тельца (впоследствии поглощаются макрофагами)
• при апоптозе гибнут отдельные клетки и на их месте воспаление обычно не развивается
• некроз - гибель клеток в результате интенсивного воздействия внешних факторов (гипоксии, химического и механического повреждения, жесткого излучения)
• пусковыми механизмами процесса являются нарушения целостности клетки, проницаемости клеточной мембраны и повреждение мембранных структур, приводящее к высвобождению лизосомных ферментов и деградации клетки
• в зоне некротизированных клеток развивается воспалительная реакция

Многоядерная клетка и клетка в состоянии апоптоза

Некроз сердечных мышечных клеток (кардиомиоцитов) вследствие ишемии