В результате деления одной материнской клетки образуются: 1.Сколько новых клеток образуется из одной материнской клетки в результате митоза? а)1 б)2 в)3 г)4 2.В результате митоза

Содержание

Стволовые клетки мозга обновляются ограниченно

Группа учёных из МФТИ, университета Стони Брук и лаборатории Колд Спринг Харбор пронаблюдала, как делятся и расходуются нейральные стволовые клетки у мышей в гиппокампе — области мозга, критически важной для обучения и памяти. Оптимистичные прогнозы о наличии симметричного деления — когда из одной стволовой клетки получается две — не подтвердились. Если такое деление и происходит, то не более чем в десяти процентах случаев. Это значит, что восполнение стволовых клеток, которые могли бы дать начало новым нейронам,— редкий или вовсе не происходящий процесс. Кроме этого учёные определили пространственные особенности исчезновения стволовых клеток в стареющем мозге. Статья опубликована в Scientific Reports.

Ольга Минеева, сотрудник лаборатории стволовых клеток мозга МФТИ, комментирует: «Полученные нами результаты в первую очередь говорят о том, что в нормальном зрелом мозге способность гиппокампальных стволовых клеток к обновлению путём симметричных делений ограничена.

А увеличение тотального количества стволовых клеток не происходит вовсе или не сказывается значительно. Эти результаты требуют критического пересмотра ряда исследований, которые показали наличие симметричных делений нейральных стволовых клеток гиппокампа».

Хотя сейчас не утихают споры о возможности появления новых нейронов во взрослом мозге у человека, их генерация в мозге других взрослых млекопитающих признана неопровержимым фактом. Процесс образования новых нейронов из стволовых клеток называют нейрогенезом. После того как рост и развитие молодого мозга завершены, у большинства взрослых млекопитающих в мозге остаются лишь две области, сохраняющие стволовые клетки, ответственные за нейрогенез: тонкий слой в стенке боковых желудочков мозга (или субвентрикулярная зона) и тонкий слой в зубчатой извилине гиппокампа (или субгранулярная зона). Вторая зона вызывает особый интерес исследователей, так как находится в гиппокампе, работа которого критически важна для реализации важнейших когнитивных функций, например, обучения, памяти и эмоционального поведения.

При этом современные данные показывают, что и сам нейрогенез в гиппокампе может быть важен для осуществления этих функций. Но также известно, что с возрастом количество нейральных стволовых клеток в гиппокампе падает. Поэтому перед исследователями встаёт целый ряд вопросов: как сохраняется пул этих стволовых клеток в ходе онтогенеза, каковы механизмы его поддержания и обновления и, главное, можно ли повлиять на эти процессы и тем самым продлить интенсивный нейрогенез до глубокой старости, а значит и продлить молодость мозга.

Ключом для ответа на эти вопросы может стать выяснение того, как делятся стволовые клетки во взрослом мозге. Теоретически деление нервной стволовой клетки может происходить двумя способами (рис. 1). Первый вариант — когда из одной стволовой клетки получается две такие же стволовые. Такого рода деления, когда из материнской клетки образуются две подобные ей «дочки», называются симметричными. Второй вариант — когда из одной стволовой клетки получаются две дочки, одна из которых — такая же как материнская, а вторая становится предшественником нейрона.

Такие деления принято называть асимметричными. Стволовые клетки могут делиться преимущественно одним способом, либо использовать оба типа делений для генерации нейронов. Как видно, способ деления стволовых клеток определяет общее число стволовых клеток, а следовательно, расходуется ли резерв стволовых клеток, с какой скоростью, может ли он быть восстановлен или даже увеличен.

Так, если стволовые клетки гиппокампа часто делятся симметрично, значит их пул может самоподдерживаться и восстанавливаться. Потенциально, фармакологическая индукция симметричных делений может даже увеличить стволовой резерв. Если же симметричные деления — крайне редкое событие, а в основном происходят асимметричные, то активация деления стволовых клеток после периода покоя приведёт к неизбежному исчезновению самих стволовых клеток. Данные о снижении числа стволовых клеток с возрастом косвенно свидетельствуют в пользу второго, «пессимистичного» сценария и возможного отсутствия симметричных делений.

Но как исследовать этот вопрос напрямую? Необычное решение было предложено группой учёных из МФТИ, университета Стони Брук и лаборатории Колд Спринг Харбор.

Рисунок 1. Типы деления клеток. При симметричном делении (слева) из одной стволовой клетки (зелёные) образуются две такие же стволовые, а при асимметричном (справа) — образуются одна стволовая клетка и предшественник нейрона (красная клетка) или астроцит (фиолетовая клетка)

Авторы выявляли делящиеся клетки классическим для такого рода исследований способом, а именно вводили экспериментальным животным синтетический аналог нуклеотида тимидина — бромодезоксиуридин (БрдУ), который встраивается в удваивающиеся цепи ДНК клеток во время их деления (мы уже рассказывали про этот метод, когда писали про другую работу этой же группы исследователей). О том, что поделились именно стволовые клетки гиппокампа, судили по другому маркеру — зелёному флуоресцентному белку (GFP), синтез которого находился под контролем регулирующей последовательности гена белка нестина — маркера стволовых клеток. От других предшественников нейронов стволовые клетки отличает их особая узнаваемая форма: они имеют крупное тело и один длинный апикальный отросток, сильно ветвящийся сверху. Таким образом, если в зубчатой извилине гиппокампа происходят симметричные деления стволовых клеток, такие деления на срезах можно увидеть как пару близкорасположенных зелёных клеток с крупным апикальным отростком и с БрдУ в ядрах. Однако меченые клетки могут оказаться рядом не только из-за симметричного деления. Они могут быть потомками не одной клетки, а двух разных соседствующих клеток, каждая из которых поделилась асимметрично (рис .2). Возникает вопрос, как различать эти две ситуации.

Рисунок 2. На срезе мозга находятся помеченные БрдУ стволовые клетки (фрагмент посередине) среди множества неделящихся или покоящихся стволовых клеток (светло-зелёные). Такие меченые пары могут встречаться или из-за активации асимметричного типа деления двух неродственных стволовых клеток, находящихся рядом (вариант слева), или из-за симметричного деления одной стволовой клетки (справа).

По рисунку, предоставленному Ольгой Минеевой, автором статьи

Учёные придумали статистический метод, с помощью которого можно оценить, случайно ли меченые клетки оказались рядом или неслучайно. А именно, вследствие их происхождения от двух разных материнских клеток, поделившейся асимметрично (рис. 1, лев. часть) или от общей материнской клетки, поделившейся симметрично (рис. 1, прав. часть). Суть метода заключалась в измерении реально наблюдаемой вероятности обнаружения пар меченых стволовых клеток и её сравнении с полностью случайной вероятностью, которую можно искусственно смоделировать в общей популяции стволовых клеток. В результате, если реально наблюдаемое число пар будет выше смоделированного случайного, то это значит, что возникновение не всех пар можно объяснить случайностью, и часть из них образовались в результате симметричных делений.

Для того, чтобы измерить реальное и смоделированное случайное число пар клеток, на микроскопических изображениях срезов находили местоположение всех стволовых клеток, содержащих и не содержащих маркер делений БрдУ.

Таким образом, для каждой клетки было определено её положение в пространстве. Затем по полученным координатам определяли расстояния между парами реально наблюдаемых меченых клеток и число пар клеток на конкретных расстояниях (рис. 3А). Затем искусственно моделировали случайное распределение меченых клеток для сравнения. Для этого использовали все положения, в которых могли появиться меченые клетки, т. е. координаты всех делящихся и неделящихся стволовых клеток. Из списка координат с помощью генератора случайных чисел выбирали такое же количество клеток, что наблюдалось на срезе в действительности, и условно принимали их за меченые. Получался тот же срез, но теперь уже с псевдомечеными клетками, разбросанными на нём случайным образом (рис. 3Б). Допустим, если мы увидели 11 меченых клеток на срезе (как на рис. 3А), то среди всех возможных позиций будет разбросано 11 псевдомеченых клеток (рис. 3Б) и рассчитано распределение расстояний между ними. Эта операция была повторена много раз для получения статистики со всех срезов.
Сравнив реальное распределение с моделируемым случайным, авторы увидели, что они не отличаются друг от друга. Однако отсутствие различий между реальной и случайно сгенерированной картиной могло быть связано с низкой чувствительностью метода. Чтобы проверить это, исследователи попробовали добавить в модель заданное количество пар сближенных делящихся клеток и оценить, сколько симметричных делений нужно, чтобы новое искусственно сгенерированное распределение начало отличаться от случайного. Получилось, что нужно добавить больше 10% событий симметричных делений. Из этого учёные сделали вывод о том, что в реальном взрослом гиппокампе симметричных делений нервных стволовых клеток не происходит, или же они происходят, но крайне редко, и их доля составляет не больше 10%.

Рисунок 3. Схема расположения стволовых реальных клеток на срезе и в модели. Серые точки — неделящиеся стволовые клетки. Чёрные точки — реально обнаруженные меченые клетки. Голубые точки — случайно разбросанные псевдомеченые клетки

Этот же метод авторы применили, чтобы описать исчезновение стволовых клеток с возрастом. Чем старше мышь, тем меньше стволовых клеток остаётся в нейрогенной зоне гиппокампа. Например, у семимесячной мыши их в девять раз меньше, чем у двухнедельной, и в пространстве, где поначалу были стволовые клетки, в нейрогенном резерве обнаруживаются пустоты.

Авторы смоделировали старение нейрогенной зоны мышиного гиппокампа, проделав ту же самую операцию случайного перебора, что и в первом эксперименте. Однако теперь среди всех доступных клеток у молодых мышей они случайно выбирали и оставляли то количество, которое в действительности наблюдалось в гиппокампе у семимесячной мыши. Оказалось, что оставшиеся стволовые клетки в настоящем гиппокампе семимесячных мышей распределены более равномерно, чем случайно выбранные. На основании этого исследователи делают вывод о том, что исчезновение стволовых клеток гиппокампа зависит от их положения в пространстве: клетки, расположенные поблизости друг от друга, имеют больший шанс к скорому исчезновению, что приводит к пустотам в слое стволовых клеток.

Более того, учёные выяснили, что в разных отделах гиппокампа стволовые клетки расходуются с разной степенью неравномерности. Интересно то, что разные зоны гиппокампа отвечают за разные когнитивные функции. Однако учёные не спешат связывать такое исчезновение стволовых клеток с функциональными особенностями — возможно, это связано с более простыми факторами, как, например, распределение сосудов.

Последняя работа этих авторов новым способом подтвердила ранее выдвинутое предположение о том, что стволовые клетки не могут обновляться бесконечно. Ранее на основе других данных авторами была выдвинута концепция, согласно которой каждая стволовая клетка, выйдя из состояния покоя, проходит ограниченное число клеточных делений, давая начало новым нейронам и астроцитам, но не новым стволовым клеткам (Encinas et al., 2011). Важное следствие этой концепции о невосполнимости пула покоящихся стволовых клеток гиппокампа — возможное негативное влияние веществ, активирующих деления стволовых клеток, на нейрогенез в гиппокампе в долгосрочной перспективе. Так, увеличивая нейрогенез через усиленное рекрутирование стволовых клеток, эти факторы могут вызывать преждевременное истощение нейрогенной ниши и как возможное следствие этого — когнитивные нарушения из-за последующей нехватки новых нейронов.

Рисунок 4. A) Оставшиеся стволовые клетки у 7-месячной мыши. В) Стволовые клетки 2-недельной мыши, среди которых случайным образом выбрано (голубым) такое же количество клеток, которое осталось у 7-месячной. C, D). Реальное распределение расстояний между ближайшими клетками (красным) отличается от случайного (голубым)

Григорий Ениколопов, заведующий лабораторией стволовых клеток мозга МФТИ, прокомментировал: «Тотального запрета на симметричные деления может и не быть, и увеличение стволовых клеток в количестве возможно при определённых условиях. Поиск таких воздействий, стимулирующих деление и обновление нейральных стволовых клеток, но одновременно не истощающих их пул преждевременно, должен продолжаться».

На фото перед статьей изображена нейрогенная ниша гиппокампа. Зелёным изображены стволовые клетки (Nestin-GFP) — красным — астроцитарный белок (GFAP). Трёхмерная реконструкция серии конфокальных изображений. Предоставлено авторами исследования


Тест по биологии Деление клетки 6 класс

Тест по биологии Деление клетки для учащихся 6 класса с ответами. Тест состоит из 2 вариантов в каждом по 9 заданий.

1 вариант

1. В основе роста и развития многоклеточного организма ле­жит важнейшее свойство клетки —

1) деление
2) выделение
3) движение
4) раздражимость

2. Митоз представляет собой процесс клеточного

1) деления
2) выделения
3) питания
4) дыхания

3. Важную роль в процессе деления клетки выполняет

1) хлоропласт
2) ядро
3) цитоплазма
4) вакуоль

4. В результате митоза из одной материнской клетки образуется дочерних клеток

1) одна
2) две
3) три
4) четыре

5. Образование четырёх клеток из одной материнской происходит в результате

1) раздражимости организма
2) движения организма
3) митотического деления
4) мейотического деления

6. Какой процесс изображён на рисунке?

1) питание растения
2) дыхание животного
3) деление клетки
4) выделение веществ

7. Верны ли следующие утверждения?

А. В ходе митоза различают четыре последовательные фазы.
Б. Главную роль в делении клеток играет цитоплазма.

1) верно только А
2) верно только Б
3) верны оба суждения
4) неверны оба суждения

8. Верны ли следующие утверждения?

А. Митоз завершается образованием четырёх дочерних клеток.
Б. В расхождении хромосом в ходе деления клетки прини­мают участие веретёна деления.

1) верно только А
2) верно только Б
3) верны оба суждения
4) неверны оба суждения

9. Установите верную последовательность процессов, проис­ходящих в ходе митоза.

1) Хромосомы располагаются по экватору клетки.
2) Образуются ядерные оболочки, оформляются дочерние клетки.
3) Хромосомы становятся хорошо заметными, к ним при­крепляются нити веретена деления.
4) Дочерние хромосомы (хроматиды) расходятся к полю­сам клетки.

2 вариант

1. Замена и восстановление тканей и некоторых частей в мно­гоклеточном организме происходит благодаря

1) кристаллизации веществ
2) движению организма
3) раздражимости организма
4) делению клеток

2. Сущность процесса мейоза заключается в клеточном

1) выделении
2) питании
3) дыхании
4) делении

3. В ходе клеточного деления передачу наследственной информации осуществляет

1) хлоропласт
2) набор хромосом
3) плазматическая мембрана
4) вакуоль с клеточным соком

4. Образование из одной материнской клетки двух дочерних происходит в результате

1) раздражимости организма
2) движения организма
3) митотического деления
4) мейотического деления

5. В результате мейоза из одной материнской клетки образуется дочерних клеток

1) одна
2) две
3) три
4) четыре

6. На рисунке изображено деление клетки. Какие струк­туры обозначены вопроси­тельным знаком?

1) хромосомы
2) хлоропласты
3) цитоплазма
4) вакуоли

7. Верны ли следующие утверждения?

А. В результате митоза образуется две дочерние клетки, которые являются точной копией материнской клетки.
Б. Перед митозом в клетке происходит образование и запа­сание веществ и энергии.

1) верно только А
2) верно только Б
3) верны оба суждения
4) неверны оба суждения

8. Верны ли следующие утверждения?

А. В ходе митоза нити веретена деления прикрепляются к хромосомам.
Б. В заключительной фазе митоза вокруг хромосом фор­мируется ядерная оболочка.

1) верно только А
2) верно только Б
3) верны оба суждения
4) неверны оба суждения

9. Установите верную последовательность процессов, происходящих в ходе митоза.

1) К полюсам материнской клетки расходятся дочерние хромосомы (хроматиды).
2) Ядерная оболочка растворяется, к хромосомам прикре­пляются нити веретена деления.
3) Оформляются дочерние клетки с собственными ядрами.
4) Хромосомы располагаются на экваторе клетки.

Ответ на тест по биологии Деление клетки
1 вариант
1-1
2-1
3-2
4-2
5-4
6-3
7-1
8-2
9-3142
2 вариант
1-4
2-4
3-2
4-3
5-4
6-1
7-3
8-3
9-2413

Видеоурок по биологии «Жизненный цикл клеток. Митоз «

Жизненный цикл клетки — это время существования клетки от момента её образования путём деления материнской клетки до собственного деления или естественной гибели.

На втором этапе жизненного цикла клетки происходит её деление — митоз.

Митоз — это основной тип деления соматических эукариотических клеток. Процесс деления включает в себя несколько последовательных фаз и представляет собой цикл, при котором сначала разделяется ядро, а затем происходит деление цитоплазмы. В результате образуются две одинаковые клетки с наборами хромосом, идентичными набору родительской клетки.

Развитие многоклеточного организма зависит от деления клеток. Благодаря делению клетки появляются, затем по прошествии какого-то времени они делятся, дают начало новым клеткам, а затем разрушаются. Последовательность всех этих процессов называется жизненным циклом клетки.

Жизненный цикл клетки — это время существования клетки от момента её образования путём деления материнской клетки до собственного деления или естественной гибели.

В жизненном цикле клетки выделяют два этапа:

  1. Интерфаза, в результате которой клетка готовится к делению (этап подразделяют на несколько стадий).
  2. Митоз, при котором из исходной родительской клетки образуется две дочерние клетки с таким же набором хромосом.

Интерфаза в жизненном цикле занимает самый большой промежуток времени. Стадия — это стадия покоя.

Из стадии клетка может перейти в два состояния.

Дифференцированная клетка может уйти в апоптоз, то есть в клеточную смерть.

А недифференцированная клетка может начать делиться.

Если возникает необходимость деления, то клетка переходит в следующую стадию — (пресентетический период). В этом периоде идёт синтез РНК и белков, необходимых для удвоения ДНК, то есть для репликации.

После этого идёт S-фаза — синтетический период. В S-фазе происходит репликация ДНК, то есть удвоение.

После этого в периоде (постсинтетическом периоде) происходит синтез РНК и белков, которые необходимы для дальнейшего деления клетки.

Все стадии жизненного цикла клетки, за исключением деления, и называют интерфазой.

Рассмотрим эукариот — организмов, клетки которых содержат ядро, где находятся хромосомы. Каждая хромосома состоит из одной молекулы ДНК, связанной с белками. Понятно, что в одной клетке может быть несколько разных хромосом. Они могут отличаться по длине, по форме и содержать разную генетическую информацию.

Если в клетке присутствует по одной хромосоме каждого вида, то такая клетка называется гаплоидной. Если же в клетке содержится по две хромосомы каждого вида, такая клетка называется диплоидной. Плоидность — это количество одинаковых наборов хромосом.

В периоде у гаплоидной клетки будет один набор молекулы ДНК. У диплоидной клетки будет два набора молекулы ДНК, так как большинство эукариот являются диплоидными организмами.

Рассмотрим жизненный цикл эукариотической клетки.

В интерфазе клетка растёт. В ней синтезируются необходимые белки, увеличивается число многих органоидов, например митохондрий, центриолей, запасается энергия за счет синтеза молекул АТФ.

В этот период отчётливо видно ядро и ядрышко. Хромосомы не видны: они раскручены и равномерно распределены по всему ядру в виде рыхлой массы.

В S-периоде происходит репликация, то есть удвоение молекул ДНК.

Репликация — процесс синтеза дочерней молекулы дезоксирибонуклеиновой кислоты на матрице родительской молекулы ДНК. Этот процесс обеспечивает точную передачу генетической информации из поколения в поколение.

Репликация может начинаться не с любого участка ДНК, а со строго определённого, называемого сайтом инициации репликации.

С сайта инициации при помощи ферментов двойная спираль ДНК начинает расплетаться.

При этом водородные связи между комплементарными азотистыми основаниями аденином и тимином, гуанином и цитозином разрываются специальным ферментом.

Формируется репликационная вилка — место непосредственной репликации ДНК.

Теперь каждая из цепи ДНК становится матрицей, на которой при помощи фермента ДНК-полимеразы синтезируется новая комплементарная цепь.

То есть к каждому нуклеотиду обеих нитей последовательно подстраиваются комплементарные нуклеотиды. Так формируются нити ДНК, которые будут являться копиями.

Репликационная вилка движется со скоростью порядка 100 000 пар нуклеотидов в минуту у прокариот и 500−5000 — у эукариот.

В результате репликации образуются две новые двуспиральные молекулы ДНК, идентичные родительской молекуле. В процессе репликации участвуют многие ферменты.

В постсинтетическом периоде каждая хромосома состоит из двух молекул ДНК.

На втором этапе жизненного цикла клетки происходит её деление ─ митоз.

Митоз — это основной тип деления соматических эукариотических клеток. Процесс деления включает в себя несколько последовательных фаз и представляет собой цикл, при котором сначала разделяется ядро, а затем происходит деление цитоплазмы. В результате образуются две одинаковые клетки с наборами хромосом, идентичными набору родительской клетки.

Митоз — это непрерывный процесс, но для удобства его разделяют на четыре стадии.

Первая стадия митоза — профаза. Здесь ядро увеличивается в объёме.

Наибольшее значение в этот период имеет скручивание хромосом. В результате они преобразуются в компактные структуры. Одновременно происходит изменение и других клеточных структур. Исчезает ядерная оболочка и ядрышко.

К концу профазы центриоли клеточного центра расходятся к полюсам клетки. Из микротрубочек — белковых структур, которые являются частью цитоскилета — начинает формироваться веретено деления.

Во вторую фазу митоза — метафазу — хромосомы максимально уплотняются, и если посмотреть на клетку в световой микроскоп, то именно в эту фазу мы можем их хорошо рассмотреть.

Здесь видно, что каждая хромосома имеет отличную от других форму и представляет собой вытянутое тельце, которое состоит из двух хроматид.

В начале этого периода хромосомы лежат непосредственно в цитоплазме.

Далее к центрамерам хромосом с двух сторон прикрепляются нити веретена деления. И хромосомы начинают двигаться, пока центриоль не окажется на одинаковом расстоянии от двух полюсов. В результате хромосомы выстраиваются на экваторе клетки.

После этого начинается третья стадия митоза ─ анафаза. Центромеры хромосом разделяются.

Сестринские хроматиды становятся самостоятельными хромосомами.

Нити веретена деления укорачиваются и тянут хроматиды к полюсам клетки.

Таким образом к каждому полюсу отходит равный набор хромосом.

В последнюю стадию митоза — телофазу — хроматиды на каждом полюсе раскручиваются и принимают вид тонких нитей. Вокруг них формируется ядерная оболочка, и появляется ядрышко.

Далее происходит распределение клеточных органоидов. Все завершается делением цитоплазмы — цитокинезом, в результате которого клетки разделаются на две дочерние, полностью идентичные материнской.

Различают два основных типа цитокинеза: деление поперечной перетяжкой клетки (наиболее характерно для клеток животных) и деление путём образования клеточной пластинки (свойственно растениям в связи с наличием жёсткой клеточной стенки).

Деление клетки поперечной перетяжкой:

Перед началом анафазного расхождения хромосом на экваторе клетки возникает сократительное кольцо из белковых актиновых и миозиновых филаментов. В дальнейшем, вследствие активности сократительного кольца, образуется борозда деления, которая постепенно углубляется вплоть до полного разделения клетки. По окончании цитокинеза сократительное кольцо полностью распадается, а плазматическая мембрана стягивается вокруг остаточного тельца.

Деление растительной клетки

Деление клетки путём образования клеточной пластинки начинается с перемещения мелких ограниченных мембраной пузырьков по направлению к экваториальной плоскости клетки. Здесь пузырьки сливаются, образуя дисковидную, окружённую мембраной структуру — раннюю клеточную пластинку. Мелкие пузырьки происходят в основном из аппарата Гольджи и перемещаются к экваториальной плоскости, где концентрируются короткие микротрубочки. За счёт этого продолжается рост клеточной пластинки вплоть до её окончательного слияния с мембраной материнской клетки. После окончательного разделения дочерних клеток в клеточной пластинке откладываются микрофибриллы целлюлозы, которые завершают образование жёсткой клеточной стенки.

У клеток сложного организма (например, человека) жизненный цикл клетки может быть различным. Высокоспециализированные клетки (эритроциты, нервные клетки-нейроны, клетки поперечно-полосатой мускулатуры) не размножаются (не способны к делению). Их жизненный цикл состоит из рождения, выполнения предназначенных функций и гибели.

Значение митоза. Митоз имеет универсальный характер. Он протекает сходным образом у всех видов клеток, которые имеют ядро.

Митоз обеспечивает равномерное распределение наследственного материала, благодаря чему поддерживается постоянное число хромосом.

Обеспечивается рост, развитие и восстановление организма, а также сходство потомства с родителями из поколения в поколение.

Ответы | § 17. Митоз. Амитоз — Биология, 11 класс

1.

Какие способы деления характерны для клеток прокариот? Для эукариотических клеток?

Для клеток прокариот характерно простое деление надвое.

Характерные способы деления для эукариотических клеток: митоз, амитоз, мейоз.

2. Что такое митоз? Охарактеризуйте фазы митоза.

Митоз — основной способ деления клеток эукариот, в результате которого из одной материнской клетки образуются две дочерние с таким же набором хромосом, как и в материнской клетке.

Профаза. В ядре клетки начинается спирализация хроматина, что постепенно приводит к формированию хромосом. Каждая из них состоит из двух сестринских хроматид, соединенных в области центромеры. По мере формирования хромосом исчезают ядрышки. Оболочка ядра распадается на мелкие фрагменты. Частично спирализованные хромосомы оказываются в гиалоплазме, располагаясь в ней беспорядочно (хаотически). Набор хромосом и хроматид в клетке можно выразить записью 2n4c. Во время профазы два клеточных центра (удвоение этого органоида, как вы знаете, произошло в S-периоде интерфазы) инициируют образование микротрубочек. Из них начинает формироваться веретено деления. В процессе его образования центриоли попарно расходятся к противоположным полюсам клетки. Нити веретена деления (микротрубочки) прикрепляются к центромерам хромосом и способствуют их перемещению в экваториальную плоскость клетки. В клетках, не имеющих клеточного центра (что характерно, например, для большинства растений), веретено деления формируется без участия центриолей.

Метафаза. Завершается формирование веретена деления. Хромосомы достигают максимальной спирализации и располагаются в центральной части клетки, примерно на равном расстоянии от полюсов. При этом их центромеры находятся в экваториальной плоскости клетки. С помощью нитей веретена деления центромера каждой хромосомы связана с двумя противоположными полюсами клетки.

Анафаза. Центромера каждой хромосомы разделяется надвое, и сестринские хроматиды отделяются друг от друга. С этого момента их называют дочерними хромосомами. Нити веретена деления, прикрепленные к центромерам, укорачиваются, и дочерние хромосомы расходятся к противоположным полюсам клетки. В конце анафазы у каждого полюса клетки оказывается идентичный набор дочерних хромосом (молекул ДНК) — 2n2c.

Телофаза. Нити веретена деления постепенно разрушаются. Вблизи каждого полюса клетки происходит деспирализация (раскручивание) дочерних хромосом с образованием хроматина. Одновременно с этим вокруг деспирализующихся хромосом формируются оболочки двух новых ядер. Далее в образовавшихся ядрах возникают ядрышки, и начинается разделение клетки на две дочерние. В экваториальной плоскости клеток животных компоненты цитоскелета формируют кольцевую перетяжку. Она углубляется, пока не произойдет полное разделение двух дочерних клеток. Клетки растений в связи с наличием жесткой клеточной стенки делятся иначе. В экваториальной плоскости растительной клетки из содержимого пузырьков комплекса Гольджи образуется так называемая срединная пластинка, которая и отделяет дочерние клетки друг от друга.

3. В связи с чем дочерние клетки, образовавшиеся в результате митоза, получают одинаковую наследственную информацию? В чем заключается биологическое значение митоза?

В ходе митоза молекулы ДНК, которые содержались в ядре материнской клетки, точно и равномерно распределяются между дочерними. Следовательно, дочерние клетки, образовавшиеся в результате митоза, получают одинаковую наследственную информацию. Таким образом, митотическое деление обеспечивает точную передачу генетической информации в ряду поколений клеток и обусловливает поддержание постоянного числа хромосом.

Благодаря митозу в многоклеточном организме происходит увеличение количества клеток. Это лежит в основе роста и развития всех многоклеточных организмов, а также обеспечивает процессы регенерации — восстановления поврежденных тканей и органов. Бесполое размножение многих организмов (деление одноклеточных протистов, почкование кишечнополостных, вегетативное размножение растений и т. д.) также обусловлено митотическим делением клеток. 

4. Установите соответствие между соматическими клетками человека, находящимися в различных периодах интерфазы и митоза, и количеством хромосом и хроматид в этих клетках.

1) G1-период — В) 46 хромосом, 46 хроматид
2) G2-период — Г) 46 хромосом, 92 хроматиды
3) Профаза — Г) 46 хромосом, 92 хроматиды
4) Метафаза — Г) 46 хромосом, 92 хроматиды
5) У каждого полюса клетки в конце анафазы — В) 46 хромосом, 46 хроматид
6) В каждой дочерней клетке в конце телофазы — В) 46 хромосом, 46 хроматид

5.

В чем заключаются различия между митозом и амитозом? Как вы думаете, почему митоз называют непрямым делением клетки, а амитоз — прямым?

В отличие от митоза при амитозе:

1. Происходит деление ядра перетяжкой без спирализации хроматина и образования веретена деления, отсутствуют все 4 фазы, характерные для митоза.
2. Наследственный материал распределяется между дочерними ядрами неравномерно, случайным образом.
3. Часто наблюдается только деление ядра без дальнейшего разделения клетки на две дочерние. В таком случае возникают двуядерные и многоядерные клетки.
4. Дочерние клетки оказываются неспособными пройти нормальный клеточный цикл и в итоге поделиться путём митоза.
5. Затрачивается меньше энергии.

Митоз называют непрямым делением клетки, так как по сравнению с амитозом он представляет собой сложный и точный процесс, который состоит из четырёх фаз и требует предварительной подготовки (репликации, удвоения центриолей, запасания энергии, синтеза специальных белков и т. д.). При прямом делении (амитозе) ядро клетки без специальной подготовки быстро делится перетяжкой и наследственный материал случайным образом распределяется между дочерними ядрами.

6. В ядре неделящейся клетки наследственный материал (ДНК) находится в виде аморфного рассредоточенного вещества — хроматина. Перед делением хроматин спирализуется и образует компактные структуры — хромосомы, а после деления возвращается в исходное состояние. Для чего клетки совершают такие сложные видоизменения своего наследственного материала?

ДНК в виде аморфного рассредоточенного вещества (хроматина) при делении было бы нельзя точно и равномерно распределить между дочерними клетками. С другой стороны, если бы клеточная ДНК всегда находилась в составе компактных структур (хромосом), с неё было бы невозможно считать необходимую информацию. Поэтому клетки совершают такие сложные видоизменения своего наследственного материала.

Присоединяйтесь к Telegram-группе @superresheba_11, делитесь своими решениями и пользуйтесь материалами, которые присылают другие участники группы!

Образование новых клеток | Биология

Все живые организмы способны расти. Большинство растений растут всю жизнь, а животные до определенного возраста. Росторганизмов —результатделения клеток. Каждая новая клетка возникает только путем деления ранее существовавших клеток.

Деление клетки

Деление клетки — сложный процесс, в результате которого из одной материнской клетки образуются две дочерние.

Важную роль при делении клеток играют хромосомы, содержащиеся внутри ядра клетки. Они передают наследственные признаки от клетки к клетке и обеспечивают сходство дочерних клеток с материнской. Таким образом с помощью хромосом наследственная информация передается от родителей к потомству. Чтобы дочерние клетки получили полную наследственную информацию, они должны содержать то же число хромосом, что и материнская клетка. Именно поэтому каждое клеточное деление начинается с удвоения хромосом (I).

После удвоения каждая хромосома состоит из двух одинаковых частей. Затем оболочка ядра распадается. Хромосомы располагаются по «экватору» клетки (II). На противоположных концах клетки образуются тонкие нити. Они прикрепляются к частям хромосом. В результате сокращения нитей части каждой хромосомы расходятся к разным концам клетки и становятся самостоятельными хромосомами (III). Вокруг каждой из них образуется ядерная оболочка. В какое-то время в одной клетке существуют два ядра. Затем в средней части клетки образуется перегородка. Она отделяет ядра друг от друга и равномерно делит цитоплазму между материнской и дочерней клетками. Таким образом деление клетки завершается.

Каждая из образовавшихся клеток содержит одинаковое число хромосом. У многоклеточных организмов в перегородках между клетками остаются очень мелкие отверстия. Благодаря им сохраняется связь между цитоплазмами соседних клеток.

После того, как деление завершилось, дочерние клетки растут, достигают размера материнской клетки и опять делятся.

Молодые клетки содержат много вакуолей, ядро в них расположено в центре. По мере роста клетки вакуоли увеличиваются в размерах и в старой клетке сливаются в одну большую вакуоль. Ядро при этом смещается к клеточной оболочке. Старая клетка теряет способность к делению и отмирает.

Значение деления клеток

Одноклеточные организмы могут делиться каждый день и даже каждые несколько часов. В результате деления их численность возрастает. Они распространяются по планете и играют большую роль в круговороте веществ в природе. У многоклеточных организмов деление и рост клеток приводят к росту и развитию организма. В процессе развития новые клетки нужны для формирования различных структур (корней, листьев и цветков у растений, скелета, мышц, внутренних органов у животных). За счет деления клеток происходит также восстановление поврежденных частей тела (зарастание порезов на коре деревьев, заживление ран у животных).

митоз/клеточное деление | Изучайте науку в Scitable

Митоз процесс деления ядра в эукариотических клетках, который происходит, когда родительская клетка делится с образованием двух идентичных дочерних клеток. Во время деления клеток, митоз относится конкретно к разделению дублированных генетических вещества, переносимого ядром. Митоз условно делят на пять стадии, известные как профаза, прометафаза, метафаза, анафаза и телофаза. Пока происходит митоз, роста клеток нет, и все клеточные энергия направляется на деление клеток.

Во время профазе реплицированные пары хромосом конденсируются и компактизируются. Пары хромосом, которые были реплицированы, называются сестринскими хроматид, и они остаются соединенными в центральной точке, называемой центромерой. А большая структура, называемая митотическим веретеном, также образуется из длинных белков, называемых микротрубочки на каждой стороне или полюсе клетки.

Во время прометафаза, ядерная оболочка, окружающая ядро, разрушается и ядро уже не отделено от цитоплазмы.Белковые образования Вокруг центромеры образуются кинетохоры. Митотическое веретено расширяется от полюсов и прикрепляется к кинетохору. Во время метафазы происходит микротрубочки тянут сестринские хроматиды вперед и назад, пока они не выстроятся в плоскости, называемой экваториальной плоскостью, вдоль центра клетки.

Во время анафазе сестринские хроматиды расходятся одновременно центромеры. Затем разделенные хромосомы тянутся веретеном к противоположные полюса клетки.Анафаза обеспечивает получение каждой дочерней клеткой идентичный набор хромосом.

Наконец, Во время телофазы вокруг каждого набора хромосом формируется ядерная мембрана. отделить ядерную ДНК от цитоплазмы. Хромосомы начинают раскручиваться, что делает их рассеянными и менее компактными. Наряду с телофазой клетка проходит отдельный процесс, называемый цитокинезом, который разделяет цитоплазму родительской клетки на две дочерние клетки.

Асимметричное клеточное деление и его последствия для стволовых клеток и рака

Abstract

Обычно считается, что клеточное деление включает в себя равное распределение клеточных компонентов в двух дочерних клетках.Однако во время многих клеточных делений белки, мембранные компартменты, органеллы или даже ДНК асимметрично распределяются между двумя дочерними клетками. Здесь мы рассмотрим различные типы асимметрии, описанные у дрожжей и животных клеток. Асимметричная сегрегация белковых детерминант особенно актуальна для биологии стволовых клеток. Мы обобщаем актуальность асимметричных клеточных делений в различных системах стволовых клеток и обсуждаем, почему дефекты асимметричного клеточного деления могут приводить к образованию опухолей.

Ключевые слова: Асимметричное клеточное деление, клеточная полярность, нейрогенез, стволовая клетка, туморогенез

Когда мы думаем о клеточном делении, мы обычно имеем в виду процесс, при котором одна клетка дает начало двум идентичным дочерним клеткам. Однако во многих случаях клеточные деления являются асимметричными и образуют две дочерние клетки, которые различаются по содержанию белка, размеру клеток или потенциалу развития (Chia et al. 2008; Doe 2008; Gonczy 2008; Knoblich 2008). На самом деле многие секреты клеточного цикла были раскрыты в дрожжах Saccharomyces cerevisiae , организме, который делится крайне асимметричным образом (Chant 1999; Thorpe et al. 2008). Но даже в культивируемых клетках цитоплазматические структуры, подобные среднему телу, часто наследуются только одной из двух дочерних клеток (Gromley et al. 2005). Две центросомы, которые наследуются двумя дочерними клетками, могут различаться по белковому составу (Piel et al. 2000; Spradling and Zheng 2007). И даже хроматин в двух дочерних клетках может отличаться, так как несколько результатов показали, что две нити ДНК, генерируемые во время S-фазы, могут быть неодинаковыми в своем сегрегационном поведении (Rando 2007).

Хотя значение этих митотических асимметрий в культивируемых клетках еще предстоит продемонстрировать, известно, что асимметричное деление клеток в развивающемся организме играет главную роль (Horvitz and Herskowitz 1992). В пределах целой ткани клеточное деление может стать асимметричным несколькими способами (): В первом примере делящаяся клетка находится в полярной среде. В этом случае две дочерние клетки изначально идентичны, но их воздействие на разные среды индуцирует альтернативные судьбы. Альтернативно, внешняя полярность может индуцировать асимметричное распределение клеточных компонентов во время митоза, так что их неравное наследование индуцирует разные клеточные судьбы. Наконец, асимметричное деление может быть чисто внутренним, когда предсуществующая клеточная полярность используется для поляризации детерминант клеточных судеб клеточно-автономным способом. В этом обзоре мы фокусируемся на этих внутренних механизмах и ссылаемся на превосходные недавние обзоры внеклеточных путей (Spradling et al. 2001; Lin 2002; Fuller and Spradling 2007; Kirilly and Xie 2007; Morrison and Spradling 2008).

Способы асимметричного деления клеток. ( A ) Спецификация асимметричных клеточных судеб регулируется нишевым сигналом. Клетки, контактирующие с нишей, сохраняют свою идентичность, тогда как клетки, отделившиеся от ниши после деления, принимают другую клеточную судьбу. ( B ) Внешняя полярность вызывает асимметричную локализацию детерминант клеточных судеб (зеленый). ( C ) Внутренняя асимметрия локализует белки полярности (красные), которые инструктируют детерминанты клеточных судеб (зеленые) сегрегировать асимметрично во время митоза в отсутствие внеклеточных сигналов (ДНК, синие).

Ранние теории развития постулировали, что все клеточные особенности определяются посредством асимметричного наследования ядерных детерминант. А уже в 1904 году Конклин (1905) смог продемонстрировать, что расщепляющаяся цитоплазматическая детерминанта, удобно окрашенная в желтый цвет, ответственна за индукцию развития мышц у асцидий Styela partita . Но только в 1994 году был обнаружен общий регулятор асимметричного клеточного деления, действующий на такие разные организмы, как дрозофилы и мыши (Rhyu et al.1994). Этот регулятор называется Numb, и его открытие вызвало исследовательские усилия, которые привели к идентификации того, что сейчас считается фундаментальным механизмом изначально асимметричного клеточного деления. Мы обсуждаем этот механизм с акцентом на более поздние открытия, а также обсуждаем интересные последствия внутренне асимметричных клеточных делений для биологии стволовых клеток. В частности, мы обрисовываем интересные связи, которые были установлены между дефектами асимметричного клеточного деления и образованием пула стволовых клеток, который теряет контроль над ростом и пролиферацией, образуя вечно пролиферирующие смертоносные опухоли.

Митотическая асимметрия

Деление клетки считается асимметричным, когда две дочерние клетки имеют разные размеры, когда один или несколько клеточных компонентов преимущественно сегрегируются только в одну из двух дочерних клеток или когда две дочерние клетки наделены разными потенциалами дифференцироваться в определенный тип клеток (Horvitz and Herskowitz, 1992). Ниже мы объясним, как генерируются дочерние клетки разного размера и как дочерние клетки могут наследовать разные детерминанты судьбы, чтобы вступить в разные пути дифференцировки.Мы также суммируем асимметрично сегрегирующие клеточные компоненты, где функциональные последствия асимметрии все еще неясны. Мы фокусируемся на клетках животных и иногда включаем дрожжи, чтобы проиллюстрировать функциональные принципы. Асимметричное деление клеток также играет важную роль у растений, но, поскольку механизмы весьма различны, мы ссылаемся на несколько превосходных недавних обзоров по этой теме (Абраш и Бергманн, 2009; Менке и Шерес, 2009).

Генерация дочерних клеток разного размера

Размер двух дочерних клеток определяется бороздой деления, которая, в свою очередь, определяется положением митотического веретена (Glotzer 2004).Расположенное в центре митотическое веретено приведет к образованию двух дочерних клеток одинакового размера, тогда как любое смещение веретена к одному полюсу приведет к образованию одной большей и одной меньшей дочерней клетки. В некоторых случаях, например, при экструзии полярного тельца, это может привести к крайней асимметрии, когда одна из дочерних клеток едва достаточно велика, чтобы содержать одну копию генетического материала. Однако в соматических делениях асимметрия размеров клеток выражена слабо, и лишь изредка одна дочерняя клетка более чем в два раза превышает размер другой.

Комплекс белков Par

Одной из наиболее изученных модельных систем для генерации асимметрии размеров клеток является зигота Caenorhabditis elegans . После оплодотворения эмбриона C. elegans делятся на более крупную переднюю AB и меньшую заднюю дочернюю клетку P1 (Cowan and Hyman 2004a). Попадание сперматозоидов запускает серию событий, которые приводят к подразделению клеточной коры на передний и задний домены (Cowan and Hyman 2004a). Это приводит к большей способности задней коры воздействовать на митотическое веретено.Веретено смещено к заднему концу, поэтому плоскость деления формируется асимметрично. Оказывается, белки, контролирующие эти события, являются частью фундаментального механизма клеточной полярности и асимметричного клеточного деления, сохраняющегося у червей, мух и позвоночных.

Основные компоненты этого механизма были обнаружены в знаковом генетическом скрининге мутантов « par » (дефект разделения), у которых AB и P1 имеют одинаковый размер (Kemphues et al. 1988). Основываясь на характере их локализации, можно выделить три класса белков Par: серин/треонинкиназа PAR-1 (Guo and Kemphues, 1995) и белок RING-пальца PAR-2 ​​(Boyd et al., 1996), которые накапливаются в коре задних клеток. , тогда как передняя клеточная кора занята доменными белками PSD95/Dlg/ZO1 (PDZ) PAR-3 и PAR-6, а также атипичной протеинкиназой C (aPKC, называемой PKC-3 в C. elegans ). Кроме того, серин-треонинкиназа PAR-4 (Watts et al., 2000) и белок 14–3–3ε PAR-5 (Morton et al.2002) необходимы для создания асимметрии, но сами по себе не распределяются асимметрично. Отдельные белки Par демонстрируют разные уровни функциональной консервативности: в то время как par-2 обнаружен только у C. elegans , другие белки Par консервативны у животных, но не у грибов или растений (Ohno 2001; Suzuki and Ohno 2006). . У животных консервативные белки Par регулируют эпителиальную апикально-базальную полярность и многие другие аспекты клеточной полярности (Ohno 2001; Suzuki and Ohno 2006). Par-3, Par-6 и aPKC регулируют асимметричное деление клеток у различных организмов, включая дрозофилу , мышь и курицу. Совсем недавно также была описана функция гомологов Drosophila PAR-5 и PAR-1 в этом процессе (Krahn et al. 2009). Par-3, Par-6 и aPKC образуют комплекс, который локализуется асимметрично, контролирует активность aPKC в пространстве и времени и действует как каркас для сборки дополнительных факторов асимметрии. Сообщалось, что Par-6 связывает и регулирует активность киназы aPKC, и эти два белка строго взаимозависимы из-за их асимметричной локализации.Par-6 также связывается с малой ГТФазой Cdc42 через N-концевой домен интерактивного связывания Cdc42/Rac (CRIB), а Cdc42 является еще одним важным регулятором активности aPKC (Joberty et al. 2000; Johansson et al. 2000; Lin et al. , 2000; Цю и др., 2000). Par-3 менее тесно связан и локализуется асимметрично без других партнеров в определенных мутантных условиях (Beers and Kemphues 2006). Он конкурирует с другими партнерами за связывание с Par-6 (Yamanaka et al. 2006) и может действовать как адаптер, который регулирует специфичность субстрата путем одновременного связывания как aPKC, так и ее субстратов.

Установление полярности

У C. elegans подразделение клеточной коры на передний и задний домены начинается с оплодотворения (Cowan and Hyman 2004a; Gonczy 2008). Перед оплодотворением PKC-3, PAR-3 и PAR-6 распределяются по всему клеточному кортексу (4). Однако при проникновении сперматозоидов PAR-3 и PAR-6 исчезают из области коры, лежащей над центросомой спермы, и это позволяет PAR-2 ​​рекрутироваться в кору. Впоследствии область PAR-2 ​​расширяется до тех пор, пока вся клеточная кора не разделится поровну на передний домен PAR-3/6 и задний домен PAR-2.Элегантные эксперименты по удалению центросомы продемонстрировали, что взаимодействие между центросомой сперматозоида и клеточным кортексом является начальным событием, нарушающим симметрию. Первоначально считалось, что это взаимодействие не зависит от микротрубочек (Cowan and Hyman 2004b), но последующие эксперименты с РНК-интерференцией показали, что микротрубочки играют важную роль (Tsai and Ahringer 2007). Поляризация клеточного кортекса сопровождается характерной асимметрией актинового цитоскелета (Munro et al. 2004). Примерно во время рекрутирования PAR-2 ​​кортикальная сеть, состоящая из актина и немышечного миозина II, смещается вперед.Это создает кортикальный поток цитоплазмы в направлении вперед, который уравновешивается соответствующим задним потоком в центре клетки. В то же время в области, занятой PAR-2, прекращаются кортикальные взъерошенные движения, которые происходят по всему эмбриону до поляризации. Считается, что кортикальная актиновая сеть находится под напряжением, и локальное ослабление центросомой сперматозоида заставляет ее коллапсировать вперед, подобно сетчатому чулку, натянутому на мяч (Bray and White 1988).Это локальное ослабление опосредовано Rho-GAP CYK-4, который находится в сперме и локализуется в органеллах вокруг центросомы, полученной из сперматозоидов (Jenkins et al. 2006; Motegi and Sugimoto 2006; Schonegg and Hyman 2006). CYK-4 инактивирует Rho, стимулируя гидролиз GTP. Поскольку Rho контролирует уровни фосфорилирования регуляторной легкой цепи миозина MLC-4, это может ингибировать сократимость миозина и тем самым ослаблять актиновый цитоскелет.

Асимметричное деление одноклеточного эмбриона C. elegans .( A ) Разделение доменов коры, занятых PAR-3/PAR-6/PKC-3 и PAR-1/PAR-2. ( B ) Митотическое веретено закреплено вдоль передне-задней оси. LIN-5 и GPR1-/2 связывают веретено за счет одновременного связывания с комплексом Dynactin/Dynein/LIS-1, ассоциированным с микротрубочками, и заякоренным в мембране Gα (ДНК, синий).

Хотя центросома существенна для установления полярности, она больше не требуется после того, как сформировались кортикальные домены (Cowan and Hyman 2004b).На более поздних стадиях тормозные взаимодействия между передним и задним белками Par поддерживают корковую полярность. Передняя часть PKC-3 фосфорилирует PAR-2 ​​в пределах его коркового домена локализации, тем самым предотвращая его рекрутирование в эту часть клеточного кортекса (Hao et al. 2006). На задней стороне PAR-2 ​​предотвращает кортикальную локализацию PAR-3 и тем самым ограничивает комплекс PAR-3/6 передней стороной. Это ингибирование, вероятно, будет непрямым, так как оно также требует PAR-1 и PAR-5 (Hao et al.2006). Работа с эпителиальными клетками Drosophila продемонстрировала, что Par-1 может непосредственно фосфорилировать Par-3 (Benton and Johnston 2003). Фосфорилирование создает сайты связывания для 14–3–3ɛ (PAR-5 в C. elegans ) и тем самым предотвращает связывание с aPKC и сборку в комплекс Par. Т.о., корковая полярность у C. elegans устанавливается взаимодействием между центросомой спермия и актиновым цитоскелетом. В дальнейшем оно поддерживается за счет взаимного торможения переднего и заднего доменов коры за счет реципрокного фосфорилирования.

Асимметричное позиционирование веретена и гетеротримерные G-белки

Как домены коры трансформируются в смещение веретена кзади? Положение митотического веретена определяется степенью тянущих сил, действующих на передний и задний полюса (Hyman and White 1987; Hyman 1989; Grill et al. 2001; Colombo et al. 2003; Labbe et al. 2003). Эти силы можно рассчитать по скорости, с которой полюса веретена движутся к клеточной коре после рассечения центральной части митотического веретена лазерным лучом (Grill et al.2001). Силы выше на заднем полюсе, и это зависит от передне-задней полярности, устанавливаемой белками Par. Эксперименты, в которых полюса веретена разрушаются лазерным лучом (Grill et al. 2003), демонстрируют, что это происходит не потому, что большее количество микротрубочек соединяет задний полюс с клеточной корой, а из-за большего количества генераторов тянущей силы, действующих на астральные микротрубочки. на задней коре. Таким образом, различные взаимодействия передней и задней клеточной коры с астральными микротрубочками в конечном счете ответственны за различия в размерах дочерних клеток.

Заякоренный в мембране белковый комплекс, содержащий мотор микротрубочек, направленный минус-конец, Dynein и его партнер по связыванию LIS-1, генерирует силы притяжения на астральные микротрубочки (Gonczy 2008). Микротрубочки, выходящие из центросомы, контактируют с корой клетки своим плюс-концом (1). Dynein связывается с этим концом и генерирует направленную корой тянущую силу на микротрубочку, пытаясь двигаться к минус-концу (Gonczy et al. 1999). В коре концы микротрубочек деполимеризуются, и эта деполимеризация необходима для возникновения тянущих сил (Kozlowski et al.2007 г.; Нгуен-Нгок и др. 2007). Взаимодействие динеина с клеточной корой регулируется белковым комплексом, содержащим гомолог C. elegans NuMA LIN-5 (Gotta et al., 2003; Srinivasan et al., 2003) и одну из двух гетеротримерных α-субъединиц G-белка. , GOA-1 или GPA-16 (Готта и Арингер, 2001; Нгуен-Нгок и др., 2007). LIN-5 напрямую связан с Dynein, в то время как G-белки связываются через один из двух очень родственных адапторных белков: GPR-1 или GPR-2. Поскольку субъединицы Gα миристоилированы, они могут действовать как мембранный якорь комплекса позиционирования веретена.

Почему силы, создаваемые этими белковыми комплексами, выше на задней стороне, точно не выяснено. Уровни субъединиц Gα, а также уровни коркового динеина и LIS-1 существенно не различаются. Разница может заключаться в GPR-1/2, которые обогащены на задней стороне (Colombo et al. 2003; Gotta et al. 2003). GPR-1 и GPR-2 содержат домены GoLoco. Домены GoLoco могут специфически связывать субъединицы Gα в GDP-связанном состоянии (Cismowski et al. 2001). Во время передачи сигнала ниже по течению от семитрансмембранных рецепторов связывание лиганда переключает гетеротримерные G-белки из их неактивного, связанного с GDP состояния в активное, связанное с GTP состояние, где как Gα-GTP, так и свободная субъединица Gβγ могут взаимодействовать с нижестоящими компонентами.В пути веретена активен только Gα-GDP, тогда как Gβγ играет ингибирующую роль. Тем не менее цикличность между формами, связанными с GDP и GTP, кажется важной, поскольку для эффективного контроля тяговых сил необходимы как обменный фактор GOA-1 RIC-8, так и Gα GAP RGS-7 (Afshar et al., 2004; Hess et al. , 2004). В отсутствие RGS-7, который увеличивает скорость гидролиза GTP, задние тянущие силы фактически увеличиваются, тогда как мутанты ric-8 имеют фенотипы, которые напоминают фенотипы GPR-16/GOA-1 или GPR-1/2. Мутантный фенотип ric-8 был объяснен альтернативным сигнальным циклом G-белка, в котором Gα должен пройти один цикл гидролиза GTP, чтобы образовался комплекс Gα/GPR-1/2 (Hampoelz and Knoblich 2004). ). Хотя это интересная модель, ее, возможно, придется пересмотреть, поскольку дальнейший анализ мутаций показал роль RIC-8 в доставке G-белков к плазматической мембране, а не в контроле их цикла гидролиза (Afshar et al. 2005; David et al. 2005; Hampoelz et al.2005 г.; Ван и др. 2005). Таким образом, несмотря на то, что Dynein и Lis-1 явно являются бизнес-концом механизма позиционирования шпинделя, то, как они по-разному регулируются, все еще неясно.

Асимметричный размер дочерних клеток за пределами
C. elegans

Молекулярный механизм, вызывающий клеточную асимметрию у C. elegans , почти полностью сохраняется у Drosophila (Betschinger and Knoblich 2004; Doe 2008; Knoblich 2004; Doe 2008; У Drosophila асимметричное клеточное деление в основном изучено в двух типах клеток: нейробластах, которые являются предшественниками ЦНС, и клетках-предшественниках сенсорных органов (SOP), которые являются клетками-основателями внешних сенсорных (ES) органов (см. ниже). Больше подробностей).В обоих типах клеток гомологи Drosophila PAR-3 (называемой Bazooka) (Schober et al. 1999; Wodarz et al. 1999), PAR-6 (Petronczki and Knoblich 2001) и PKC-3 (называемой aPKC) (Wodarz et al. 2000; Rolls et al. 2003) устанавливают полярность для асимметричного клеточного деления. Как и в C. elegans , комплекс, состоящий из субъединицы α гетеротримерного G-белка (называемой Gαi) (Schaefer et al. 2001; Yu et al. 2003; Izumi et al. 2004), белка домена GoLoco (либо Pins или Loco) (Schaefer et al.2000 г.; Ю и др. 2000, 2005), и связанный с NuMA Dynein-связывающий белок (называемый Mud) (Bowman et al. 2006; Izumi et al. 2006; Siller et al. 2006) контролирует положение митотического веретена во время митоза (). Как эти комплексы регулируют асимметрию размера дочерних клеток у Drosophila , однако, немного отличается от C. elegans . В клетках SOP комплекс Par-3/6/aPKC локализуется в задней части клеточного кортекса, тогда как Pins и Gai находятся на передней стороне (Bellaiche et al. 2001b).В отличие от C. elegans , это приводит к тому, что дочерние клетки имеют сходный размер. В нейробластах оба комплекса являются апикальными, и веретено смещено, чтобы образовать меньшую базальную дочернюю клетку. Белок-адаптер под названием Inscuteable (Insc) может одновременно связываться с Pins и Par-3 и соединять два комплекса. Когда Insc эктопически экспрессируется в эпителиальных клетках, этого достаточно для переориентации веретена вдоль апикально-базальной оси и для создания меньшей базальной и большей апикальной дочерних клеток (Kraut et al.1996). Взятые вместе, эти результаты позволяют предположить, что и Pins/Gαi, и Par-3/6/aPKC могут оказывать тяговое усилие у Drosophila : когда два комплекса находятся на противоположной стороне, это приводит к образованию равных дочерних клеток, но когда они объединяются при экспрессии Insc их согласованное действие смещает веретено, что приводит к неравному размеру дочерних клеток. В то время как Pins/Gαi действуют через Dynein и Lis-1 (Siller et al. 2005), механизм, посредством которого Par-3/6/aPKC действует на митотическое веретено, еще предстоит решить.

Различия в локализации белка между нейробластами Drosophila и клетками SOP. Комплекс Par-6/Par-3 и комплекс Pins/Gαi/Mud совместно локализуются в апикальной коре нейробластов Drosophila . Pins/Gαi/Mud рекрутируются в апикальную кору благодаря присутствию Insc, который одновременно связывает членов обоих комплексов. Эти комплексы локализуются в противоположных доменах коры в клетках SOP, так как линкерная молекула Insc не экспрессируется в этом типе клеток (ДНК, синий).

Асимметричное наследование детерминант клеточных судеб

Асимметричная сегрегация белков у
C. elegans

Отличительной чертой любого наследственно асимметричного клеточного деления является дифференциальное наследование детерминант клеточных судеб одной из двух дочерних клеток. У C. elegans белки пальцев CCCH-Zn PIE-1, MEX-5 и MEX-6 входят в число этих сегрегирующих детерминант (Cowan and Hyman 2004a; Gonczy 2008). PIE-1 является детерминантой зародышевой линии, которая сегрегирует в заднюю клетку P1, где она подавляет общую транскрипцию и способствует экспрессии генов, специфичных для зародышевой линии (Seydoux et al.1996 год; Тененхаус и др. 2001). MEX-5 и MEX-6 сегрегируют в противоположную переднюю AB-клетку. Они высоко гомологичны и действуют избыточно в правильном определении мышечных клонов (Schubert et al. 2000). В момент оплодотворения и на протяжении большей части интерфазы все три белка равномерно распределяются в цитоплазме зиготы. Однако во время митоза PIE-1 концентрируется в задней, а MEX-5/6 в передней половине цитоплазмы, так что белки по-разному сегрегируются в две дочерние клетки.

Асимметричная локализация цитоплазматических детерминант у C. elegans включает комбинацию цитоплазматического закрепления и регулируемой деградации белка (Spike and Strome 2003). Перед митозом механизм реакции-диффузии, по-видимому, отвечает за начальную концентрацию PIE-1 в задней части цитоплазмы, предназначенную для включения зародышевой линии (Daniels et al. 2009). PIE-1 существует в быстро диффундирующей форме, которая может распространяться внутри эмбриона, и в медленно диффундирующей форме, дальнее перемещение которой затруднено ассоциацией с какой-либо цитоплазматической структурой.Ассоциация PIE-1 с гранулами P может быть ответственна за изменения в подвижности. Р-гранулы представляют собой рибонуклеопротеиновые частицы, которые накапливаются в задней половине клетки. Они маркируют зародышевую линию C. elegans и косегрегируют с белком PIE-1 во время каждого деления. Математическое моделирование показывает, что этот механизм реакции-диффузии может объяснить постепенное распределение PIE-1, наблюдаемое до и во время ранних стадий митоза. Позже, однако, важную роль, по-видимому, играет регулируемая деградация белка PIE-1 (Reese et al.2000).

Разложение PIE-1 контролируется MEX-5. MEX-5 фосфорилируется PAR-1 по С-концевому остатку серина (Tenlen et al. 2008). Через неизвестный механизм это избирательно увеличивает подвижность MEX-5 в задней части цитоплазмы, вызывая накопление белка в переднем домене. В передней части MEX-5 (и MEX-6) стимулируют деградацию PIE-1. MEX-5 активирует белок, называемый ZIF-1, который рекрутирует PIE-1 и другие пальцевые белки CCCH-Zn в комплекс убиквитинлигазы E3.Этот комплекс также называется убиквитинлигазой типа ECS и содержит белки Elongin B и C, куллин, белок SOCS box и белок безымянного пальца (Kile et al. 2002). Считается, что после активации ZIF-1 комплекс нацеливается на PIE-1 для деградации через протеасому. Интересно, однако, что локальная деградация также была предложена в качестве механизма локализации P-гранул, предполагая, что различные взаимосвязи и петли обратной связи, существующие между различными механизмами локализации, обеспечивают формирование четкой цитоплазматической границы (Spike and Strome 2003).Т.о., асимметричная сегрегация цитоплазматических детерминант у C. elegans включает три стадии: во-первых, Par белки устанавливают различия в скоростях цитоплазматической диффузии, чтобы генерировать начальное асимметричное распределение. (Формально это пока продемонстрировано только для Mex-5, и необходимы будущие эксперименты, чтобы продемонстрировать общее использование этого механизма притяжения.) Затем первоначальные асимметрии уточняются по различиям в скорости деградации белка между передней и задней цитоплазмой. .Наконец, петли обратной связи между передними и локализованными детерминантами приводят к образованию четких границ.

Drosophila как модельная система для асимметричного деления клеток

Помимо C. elegans , плодовая мушка Drosophila melanogaster является модельным организмом выбора для анализа асимметричного деления клеток. В отличие от C. elegans , белки, которые действуют как сегрегирующие детерминанты в Drosophila , высококонсервативны и также регулируют асимметричное деление клеток у позвоночных.

Наши знания об асимметричном делении клеток у дрозофилы получены в основном из анализа двух тканей: клеток SOP () в дрозофилы периферической нервной системы и нейробластов в ЦНС (1). SOP-клетки подвергаются трем раундам асимметричного клеточного деления с образованием различных типов клеток в органах ES (Bardin et al. 2004). Сначала они делятся на переднюю pIIa и заднюю pIIb клетки. Затем клетка pIIb дает начало апикальной клетке pIIIb и базальной клетке глии, которые подвергаются апоптозу.Наконец, pIIa и pIIIb подвергаются терминальному делению с образованием двух наружных (волос и лунка) и двух внутренних (нейрон и оболочка) клеток органа (4). Органы ES не являются существенными для жизнеспособности, и трансформации клеточных судеб вызывают внешне видимые морфологические изменения. По этим причинам органы ES недавно использовались для анализа асимметричных клеточных делений на уровне всего генома с использованием трансгенных РНКи (Mummery-Widmer et al. 2009).

Орган Drosophila ES как модельная система для асимметричного клеточного деления.( A ) Органы Drosophila ES состоят из двух наружных (волос и лунка) и двух внутренних (нейрон и оболочка) клеток. ( B ) SOP-клетки делятся асимметрично подобно стволовым клеткам, образуя различные клетки ES-органа. Обратите внимание, что глиальная клетка подвергается запрограммированной гибели клеток.

Нейрогенез в мозге личинок дрозофилы . ( A ) Мозг дрозофилы третьего возраста содержит три основных нейрогенных региона: нейрогенный центр OL, расположенный на латеральной поверхности двух полушарий мозга, и нейрогенный центр CB, который расположен медиально от OL и опускается вниз. к VNC на передней стороне мозга.( B ) Линии нейробластов типа I составляют большинство линий нейробластов в CB и VNC. Нейробласт типа I дает начало другому нейробласту и GMC, который в конечном итоге делится с образованием двух нейронов. Нейробласты II типа располагаются на медиальной, задней поверхности долей головного мозга и дают начало транзитно-амплифицирующим клеткам INP. Нейробласты ОЛ происходят из нейроэпителиальных клеток ОЛ.

Нейробласты являются стволовыми клетками-подобными предшественниками, которые генерируют все нейроны, присутствующие в ЦНС Drosophila (Doe 2008). Во время эмбриогенеза они претерпевают ограниченное число делений и существенно не растут, поэтому с каждым раундом митоза становятся меньше. Во время личиночного развития они увеличиваются в объеме между каждым делением и поэтому сохраняют постоянный размер, что позволяет им делиться еще много раз. В зависимости от их положения в головном мозге личиночные нейробласты подразделяются на нейробласты вентральной нервной хорды (VNC), центрального мозга (CB) и зрительной доли (OL) (4).

Все нейробласты асимметрично делятся на большую и меньшую дочерние клетки.В то время как более крупная дочерняя клетка сохраняет идентичность стволовой клетки, меньшая так называемая ганглиозная материнская клетка (GMC) делится только еще раз, образуя два дифференцирующихся нейрона. Хотя большинство нейробластов подчиняются этой линии, восемь нейробластов CB, расположенных в дорзо-задней и медио-задней части каждого полушария мозга, пролиферируют более сложным образом (Bello et al. 2008; Boone and Doe 2008; Bowman et al. 2008). Эти так называемые нейробласты типа II (также называемые нейробластами PAN) делятся на один нейробласт и один промежуточный нейральный предшественник (INP).INP продолжает делиться асимметрично и образует одну дочернюю INP и одну GMC, которая претерпевает терминальное деление. ().

Нейробласты CB и VNC возникают из эмбриональных нейробластов, которые переходят в состояние покоя во время эмбриогенеза, но вновь вступают в клеточный цикл во время личиночного развития (Truman and Bate 1988). Однако в OL нейробласты образуются на личиночных стадиях. OL происходит из эмбриональной оптической плакоды и начинает пролиферировать и увеличиваться в размерах во время личиночного развития (White and Kankel 1978).Он состоит из столбчатого нейроэпителия, который не экспрессирует гены идентичности нейробластов asense (ase) или deadpan ( dpn ) (Egger et al. 2007). Во время личиночного развития синхронизированная волна экспрессии пронейральных генов распространяется по эпителию и запускает переход эпителиальных клеток в нейробласты (Yasugi et al. 2008). Перед этим переходом эпителиальные клетки делятся симметрично, но после этого они теряют свои эпителиальные соединения и делятся асимметрично, следуя типичной линии нейробластов.Поскольку нейрогенез позвоночных проходит через сходную нейроэпителиальную стадию экспансии посредством симметричного деления (Gotz and Huttner 2005), OL может быть особенно подходящей модельной системой для развития мозга у высших организмов.

Сегрегирующие детерминанты у
Drosophila

Белки Numb (Rhyu et al. 1994; Spana et al. 1995), Neuralized (Le Borgne and Schweisguth 2003), Prospero (Pros) (Hirata et al. 1995 et al. , 1995; Spana and Doe 1995) и Brat (Bello et al.2006 г.; Бетшингер и др. 2006 г.; Ли и др. 2006c), как известно, действуют как сегрегирующие детерминанты в нервной системе Drosophila (). Во время поздней профазы белки концентрируются в области плазматической мембраны, лежащей над одним из двух полюсов веретена, и при цитокинезе они сегрегируют в одну из двух дочерних клеток. Numb содержит N-концевой фосфотирозин-связывающий (PTB) домен (Li et al., 1998) и С-концевой мотив DPF/NPF, который, как известно, связывает компоненты эндоцитарного аппарата (Berdnik et al.2002). Numb является ассоциированным с мембраной белком, который содержит сигнал N-myristoylation (Benetka et al. 2008) и несколько N-концевых положительно заряженных аминокислот, которые могут взаимодействовать с мембранными фосфолипидами. Во время интерфазы Numb равномерно распределяется по плазматической мембране. Во время митоза он концентрируется в области плазматической мембраны над одним из двух полюсов веретена, так что он сегрегирует в одну из двух дочерних клеток во время цитокинеза (Rhyu et al. 1994). В этой клетке он ингибирует передачу сигнала через путь Notch/Delta.У мутантов numb клетки SOP симметрично делятся на две клетки pIIa, что приводит к образованию аномальных органов ES только с внешними, но без внутренних клеток (Uemura et al. 1989; Rhyu et al. 1994). В онемевших мутантных личиночных нейробластах дефекты асимметричного клеточного деления приводят к образованию опухоли, происходящей из стволовых клеток (Lee et al. 2006a; Wang et al. 2006). Этот опухолевый фенотип характерен для многих регуляторов асимметричного клеточного деления (см. ниже) и возникает в результате массивного образования нейробластов за счет ГМК.Numb также действует в мальфигиевых канальцах, кишечнике и мышцах (Carmena et al. 1998), указывая на то, что он является наиболее общим регулятором асимметричного деления клеток у мух.

Архитектура домена и основная функция детерминант клеточной судьбы дрозофилы . Асимметричная локализация и сегрегация этих белков при клеточном делении требует действия белков Par.

Numb является регулятором эндоцитоза, который связывается с эндоцитарным адаптерным белком α-адаптином (Santolini et al.2000 г.; Бердник и др. 2002). Посредством своего N-концевого домена PTB Numb также взаимодействует с рецептором Notch (Guo et al. 1996) и может регулировать перенос Notch на ранней стадии эндоцитоза. Numb также связывается с четырехтрансмембранным белком Sanpodo (O’Connor-Giles and Skeath 2003; Hutterer and Knoblich 2005). Sanpodo требуется для передачи сигналов Notch только в тех тканях, где действует Numb (Skeath and Doe 1998). Он локализуется на внутриклеточных везикулах, но перемещается на плазматическую мембрану в отсутствие Numb (O’Connor-Giles and Skeath 2003; Hutterer and Knoblich 2005).Т.о., Numb может ингибировать Notch, облегчая транслокацию Sanpodo в эндоцитозный компартмент, где он не может выполнять свою роль в пути Notch.

Подобно Numb, убиквитинлигаза Е3, нейрализованная, сегрегирует в клетку pIIb во время деления SOP (Le Borgne and Schweisguth 2003). У нейтрализованных мутантов клетки SOP генерируют две клетки pIIb, трансформация клеточных судеб, противоположная наблюдаемой у numb мутантов. Neuralized действует как ubiquitin ligase для лиганда Notch Delta (Lai 2002), и эта модификация существенна для Delta, чтобы активировать Notch в соседней клетке (14).Таким образом, Neuralized является активатором передачи сигналов Notch, тогда как Numb является ингибитором, и это объясняет противоположные фенотипы. В настоящее время неясно, выполняет ли Neuralized функцию также и в нейробластах.

Pros является гомеодоменовым фактором транскрипции, который временно связывается с спирально-спиральным белком Miranda (Mira) во время митоза (; Ikeshima-Kataoka et al. 1997; Shen et al. 1997). Вместе с Mira Pros сегрегирует в одну из двух дочерних клеток, где отделяется от Mira и входит в ядро ​​(Hirata et al.1995 год; Кноблих и др. 1995 год; Спана и Доу, 1995). В ячейках SOP профи играют лишь незначительную роль (Reddy and Rodrigues, 1999). Однако в линии нейробластов это главный детерминант судьбы GMC. Во время эмбриогенеза мутации в pros приводят к потере дифференцированных нейронов (Doe et al. 1991) и к трансформации GMCs в эктопические нейробласты (Choksi et al. 2006). В личиночной ЦНС мутантные нейробласты pros дают начало опухолям, состоящим из нейробластов, утративших способность генерировать дифференцирующиеся нейроны (Bello et al.2006 г.; Бетшингер и др. 2006 г.; Ли и др. 2006с). Техника под названием DamID (идентификация ДНК-аденин-метилтрансферазы) использовалась для определения сайтов связывания ядра на уровне всего генома (Choksi et al. 2006). Этот метод включает экспрессию слитого белка между Pros и Escherichia coli аденинметилтрансферазой Dam в трансгенных мухах. Профессионалы нацеливают Dam на его эндогенные сайты связывания, которые затем можно идентифицировать при расщеплении ДНК чувствительной к метилированию эндонуклеазой рестрикции.Среди идентифицированных мишеней Pros есть ключевые регуляторы клеточного цикла и гены, необходимые для самообновления нейробластов, а также гены, участвующие в дифференцировке нейронов. Анализ микрочипов показывает, что Pros могут действовать как активатор транскрипции генов клеточного цикла и как ингибитор генов дифференцировки (Choksi et al. 2006). Т.о., Pros модулирует паттерн транскрипции дочерних малых нейробластов, чтобы выйти из клеточного цикла и войти в путь дифференцировки.

Последний идентифицированный сегрегирующий детерминант называется Brat (Bello et al. 2006 г.; Бетшингер и др. 2006 г.; Ли и др. 2006с). Как и Pros, Brat связывается с Mira в митозе и косегрегирует в GMC во время деления нейробластов и SOP. В клетках SOP Brat не требуется для асимметричного деления, но в эмбриональных нейробластах он действует избыточно с Pros, чтобы индуцировать дифференцировку нейронов (Betschinger et al. 2006). В личиночных нейробластах Brat действует как супрессор опухоли, а у мутантов brat нейробласты сверхпролиферируют за счет дифференцирующихся нейронов.Однако, в отличие от pros , brat требуется только в нейробластах CB типа II. Эти нейробласты не экспрессируют pros , и, возможно, поэтому они особенно чувствительны к потере других детерминант, таких как brat . Brat особенно интересен тем, что он ингибирует пролиферацию также в симметрично делящихся клетках. При сверхэкспрессии в эпителиальных клетках brat уменьшает размер ядрышка и ингибирует митотическую пролиферацию (Frank et al.2002). Поскольку ядрышко является местом биогенеза рибосомной РНК, снижение общей скорости биосинтеза белка может объяснить ингибирующую рост функцию Brat.

Brat является членом семейства консервативных белков, общей функцией которых может быть контроль пролиферации стволовых клеток. Эти белки характеризуют один или несколько N-концевых В-боксов, спирально-спиральная область и С-концевой домен NHL (NCL-1, HT1A и LIN-41) (; Reymond et al. 2001). У Drosophila по крайней мере еще один член этого семейства, помимо brat , действует как супрессор опухоли.Этот белок называется Mei-P26, и он контролирует дифференцировку и рост клеток в яичнике Drosophila (Page et al. 2000; Neumuller et al. 2008). Стволовые клетки яичников дрозофилы в норме генерируют одну дочернюю клетку, которая сохраняет идентичность стволовой клетки, и один так называемый цистобласт, который переключается на режим транзитно-амплифицирующего деления с неполным цитокинезом (Wong et al. 2005). В то время как стволовые клетки сохраняют свой размер в течение многих клеточных делений, цистоциты (дочерние клетки цистобласта) становятся меньше, потому что рост клеток больше не связан с делением клеток.Mei-P26 специфически экспрессируется в цистоцитах и ​​достигает пика в конце митотической пролиферации. У мутантов mei-P26 цистоциты сохраняют свой размер во время транзитно-амплифицирующих делений и продолжают митотически делиться, что приводит к образованию опухоли яичника. Подобно brat , mei-P26 уменьшает размер ядрышка, указывая на то, что ингибирование биосинтеза белка может быть общей функцией семейства белков Brat/Mei-P26. Эта функция, по-видимому, сохраняется как роль в контроле пролиферации, и регуляция ядрышка также была описана для мышиного гомолога TRIM32 (Schwamborn et al.2009), а также гомолог C. elegans Ncl-1 (Frank and Roth 1998).

Молекулярная функция brat в нейробластах неясна. Предполагается, что Brat регулирует активность Pros (Bello et al. 2006), но это маловероятно, поскольку brat опухоли возникают в нейробластах CB типа II, где pros не экспрессируются (Bowman et al. 2008). Во время раннего эмбриогенеза brat образует РНК-связывающий комплекс с Nanos и Pumilio. Этот комплекс ингибирует трансляцию белка Hunchback и участвует в установлении передне-задней оси тела (Sonoda and Wharton 2001).Однако до сих пор роль этого комплекса в нейробластах не была продемонстрирована. Некоторые намеки на то, как brat может действовать, исходят из анализа его родственников, Mei-P26 и TRIM32. Оба белка действуют как ингибиторы фактора транскрипции Myc. Они содержат N-концевой домен пальца RING, который обладает активностью убиквитинлигазы и нацеливает Myc на протеасомную деградацию. У Brat нет пальцевого домена RING, но он может регулировать Myc другим способом. Брат (Ноймюллер и др., 2008), Mei-P26 (Ноймюллер и др., 2008 г.).2008), TRIM32 (Schwamborn et al. 2009) и их гомолог C. elegans NHL-2 (Hammell et al. 2009) могут связываться с РНКазой Argonaute-1 (Ago1) через свой С-концевой домен NHL. Ago1 является ключевым компонентом пути микроРНК (miRNA), и действительно, было показано, что NHL-2 и TRIM32 активируют определенные miRNAs. Mei-P26 также регулирует микроРНК, но в этом случае эффект носит ингибирующий характер. Поскольку мы не знаем механистической основы этих регулирующих эффектов, причины этих различий в настоящее время неясны.В любом случае, определение того, ингибирует ли Brat также пролиферацию посредством miRNAs, будет интересным вопросом.

Асимметричная локализация детерминант клеточной судьбы
Drosophila

Как и у C. elegans , асимметричная сегрегация детерминант клеточной судьбы у Drosophila включает комплекс Par-3/6/aPKC. Par-3/6 и aPKC локализуются апикально в нейробластах (Schober et al., 1999; Wodarz et al., 1999, 2000; Petronczki and Knoblich, 2001) и сзади в клетках SOP (Bellaiche et al.2001б). В клетках SOP полярность белка Par соответствует планарной полярности вышележащего эпителия. Эмбриональные нейробласты возникают из поляризованного эпителия, а апикальная локализация Par-3/6 и aPKC просто сохраняется во время процесса деламинации и первого митотического деления. Это направляет первый отдел по апикально-базальной оси. Во время последующих делений локализация Par-3/6/aPKC поддерживается за счет внеклеточного сигнала, который принимается посредством кадгерин-опосредованного контакта с вышележащим эпидермисом (Siegrist and Doe 2006).Молекулярная природа этого сигнала неизвестна. В личиночных нейробластах механизмы, которые устанавливают и поддерживают полярность, менее ясны. Одна из двух центросом занимает инвариантное положение между индивидуальными циклами деления (Rebollo et al. 2007), и это может служить позиционным сигналом для ориентации асимметричных клеточных делений вдоль одной и той же оси полярности в клетках этого типа. Т.о., Par белки также направляют асимметричное клеточное деление у Drosophila , но, в отличие от C. elegans , их начальная поляризация определяется предсуществующей полярностью в окружающих тканях.

Только недавно стало ясно, как комплекс белка Par направляет асимметричную локализацию детерминант клеточных судеб. Brat и Pros локализуются путем связывания с адаптерным белком Mira (Ikeshima-Kataoka et al., 1997; Shen et al., 1997; Matsuzaki et al., 1998; Bello et al., 2006; Betschinger et al., 2006; Lee et al., 2006c). . Numb соединяется с адапторным белком Pon (Partner of Numb), но, в отличие от Mira, Pon не является существенным для асимметричной локализации его партнера по связыванию (Lu et al. 1998).Таким образом, Numb, Mira и, в некоторой степени, Pon являются ключевыми мишенями белков Par при асимметричном делении клеток.

Numb и Mira локализация не зависит от микротрубочек (Knoblich et al. 1995), но требует наличия актинового цитоскелета (Knoblich et al. 1997; Shen et al. 1998). Генетические эксперименты показали, что два миозиновых мотора могут быть ответственны за направленный транспорт двух белков вдоль клеточной коры: Ингибирование активности миозина II ингибитором Rho киназы предотвращает локализацию Mira (Barros et al. 2003). Кроме того, myosin VI необходим для локализации Mira (Petritsch et al. 2003), но не Pon (Erben et al. 2008). Однако эксперименты по фотообесцвечиванию не выявили каких-либо доказательств направленного транспорта вдоль клеточной коры (Lu et al., 1999; Mayer et al., 2005). Вместо этого эти эксперименты показывают, что Numb и Pon быстро обмениваются между плазматической мембраной и цитоплазмой, и предполагают, что локальные различия в корковом сродстве ответственны за очевидную асимметричную локализацию этих белков.Как оказалось, зависимое от клеточного цикла фосфорилирование Numb, Pon и Mira регулирует эти различия в сродстве к плазматической мембране.

Сродство Numb к плазматической мембране регулируется фосфорилированием. Numb прикрепляется к мембранам своим N-концом (Knoblich et al. 1997). Положительно заряженная N-концевая область Numb, отвечающая за ассоциацию с мембраной, содержит три сайта фосфорилирования aPKC. Фосфорилирование этих сайтов нейтрализует заряды и предотвращает мембранную локализацию Numb (Smith et al. 2007). Интересно, что нефосфорилируемая форма Numb является кортикальной, но не может локализоваться асимметрично, что указывает на то, что фосфорилирование aPKC может быть ответственным за асимметричную локализацию Numb. В простой модели Numb фосфорилируется с помощью aPKC на одной стороне клетки и, следовательно, концентрируется на противоположной стороне плазматической мембраны (Smith et al. 2007; Wirtz-Peitz et al. 2008).

Апикальный домен регулирует локализацию и активность детерминант клеточной судьбы. ( A ) Ремоделирование комплекса, индуцированное Aurora-A (AurA), приводит к опосредованному фосфорилированием исключению формы Lgl и вхождению Par-3 в комплекс Par.Это сложное ремоделирование связано с изменением субстратной специфичности aPKC в отношении Numb и Miranda, которые, следовательно, исключаются из домена коры, занятого aPKC. ( B ) Соотношение апикальных/базальных детерминант определяет клеточную идентичность. Могут происходить асимметричные деления нейробластов, хотя обе дочерние клетки наследуют детерминанты клеточной судьбы (зеленый), которые ингибируются aPKC (красный) в одной дочерней клетке (ДНК, синий).

Почему Numb асимметричен только в митозе, хотя aPKC асимметрична уже в интерфазе? Недавние эксперименты показали, что субстратная специфичность aPKC регулируется митотической киназой Aurora A в зависимости от клеточного цикла.aPKC является частью двух белковых комплексов (Yamanaka et al. 2006): в митозе она связывается с Par-6 и Par-3. В интерфазе Par-6 все еще находится в комплексе, но Par-3 заменяется Lgl [Lethal (2) гигантские личинки], повторным белком WD40 (Betschinger et al. 2005), который первоначально был идентифицирован как супрессор опухоли в году. Drosophila (Gateff 1978; Mechler et al. 1985). Биохимические эксперименты показывают, что только Par-3-содержащая форма комплекса может фосфорилировать Numb, в то время как комплекс Lgl почти не обладает активностью (Wirtz-Peitz et al.2008). Это можно объяснить тем, что Par-3 может связываться с Numb и может действовать как адаптер, позволяя aPKC распознавать Numb как субстрат. Переход между двумя комплексами запускается Aurora A. В начале митоза, когда Aurora A становится активной, она фосфорилирует Par-6 по остатку, участвующему в связывании aPKC. Через некоторое конформационное изменение это увеличивает активность aPKC, и первым фосфорилируемым белком является Lgl. Фосфорилированный Lgl больше не связывает aPKC, и это позволяет Par-3 связываться, а Numb фосфорилироваться.Т.о., каскад событий фосфорилирования, инициируемых митотической киназой Aurora A, отвечает за асимметричную локализацию Numb.

Помимо прояснения локализации Numb, этот механизм может также объяснить, почему сегрегация aPKC в дочерние нейробласты важна для спецификации клеточных судеб (Rolls et al. 2003; Lee et al. 2006b; Cabernard and Doe 2009). Поскольку Numb воздействует на плазматическую мембрану, фосфорилирование должно предотвращать его ингибирующее действие на путь Notch. Следовательно, aPKC должна не только локализовать, но и ингибировать нижестоящие функции Numb.Сразу после митоза aPKC связывается с Par-3 и, следовательно, может фосфорилировать любой остаточный белок Numb, случайно унаследованный дочерними нейробластами. Эта гипотеза подтверждается несколькими генетическими взаимодействиями между Numb и компонентами апикального комплекса Par-3/6/aPKC (Wirtz-Peitz et al. 2008). Это может объяснить, почему деления нейробластов полностью нормальны, даже когда aPKC асимметрична, но базальные детерминанты наследуются обеими дочерними клетками у мутантов, влияющих на ориентацию веретена (; Cabernard and Doe 2009).Т.о., асимметричное наследование aPKC обеспечивает резервный механизм для обеспечения асимметричного клеточного деления, даже если локализация детерминанты не удалась.

Как локализованы остальные детерминанты? Подобно Numb, Mira является субстратом для aPKC (Wirtz-Peitz et al. 2008), и фосфорилирование aPKC также важно для локализации Mira (Atwood and Prehoda 2009). Neuralized несет N-концевой сигнал миристоилирования, за которым следует положительно заряженный домен, который связывается с мембранными фосфолипидами (Skwarek et al.2007). Консенсусные сайты для фосфорилирования aPKC расположены рядом с этим доменом, и вполне возможно, что механизм его локализации очень похож на механизм Numb. Pon также может фосфорилироваться с помощью aPKC (Wirtz-Peitz et al. 2008), но он также является субстратом митотической киназы Polo (Wang et al. 2007). Polo необходим для локализации Pon и Numb и действует как супрессор опухоли. Следовательно, фосфорилирование с помощью Polo может обеспечивать вторичный регуляторный сигнал, связывающий локализацию детерминант с ходом клеточного цикла.Поскольку Polo асимметрично локализован в C. elegans (где он называется PLK-1) и также необходим для асимметричного деления клеток (Budirahardja and Gonczy 2008; Rivers et al. 2008), эта роль вполне может сохраниться в эволюции. .

Локализация асимметричного белка у Drosophila также нуждается в фосфатазах PP2A и PP4 (Chabu and Doe 2009; Krahn et al. 2009; Sousa-Nunes et al. 2009; Wang et al. 2009). PP4 необходим центросомам для зарождения астральных микротрубочек (Helps et al.1998) и действует с помощью своей регуляторной субъединицы PP4R3 (называемой Falafel [Flfl] у мух) при асимметричной локализации Mira (Sousa-Nunes et al. 2009). PP2A работает вместе со своей регуляторной субъединицей Twins, чтобы регулировать асимметричную локализацию aPKC и Numb и ориентацию митотического веретена (Chabu and Doe 2009; Wang et al. 2009). PP2A может обратить вспять события фосфорилирования, катализируемые Aurora-A или Polo. Интересно, что PP2A также может возвращать фосфорилирование Par-3 с помощью Par-1 (Krahn et al.2009), а его отсутствие может привести к полной инверсии полярности нейробластов у эмбрионов Drosophila . Необходимо определить, как этот удивительный фенотип согласуется с регуляторными сетями, описанными до сих пор.

Спасение телофазы

Хотя первоначальная асимметричная локализация детерминант клеточной судьбы не зависит от микротрубочек, второй, зависимый от микротрубочек механизм, называемый «спасением телофазы», ​​обеспечивает асимметричную сегрегацию Numb или Mira, даже если они не являются асимметричными в метафазе (; Шобер и др.1999 г.; Водарц и др. 1999 г.; Пэн и др. 2000). В то время как полярность коры обычно определяет как ориентацию веретена, так и локализацию детерминант, в этом случае астральные микротрубочки, отходящие от центросомы к плазматической мембране, определяют поляризацию клеточной коры. Спасение телофазы требует связанной с мембраной гуанилаткиназы Dlg (discs large) и ее партнера по взаимодействию, Khc-73, тяжелой цепи кинезинового мотора (Siegrist and Doe 2005). Khc-73 локализуется на плюс концах микротрубочек, и его двигательная активность может воздействовать на кортикальный актиновый цитоскелет, фокусируя локализацию кортикального белка.Этот путь явно необходим у мутантов, влияющих на полярность коры (Siegrist and Doe 2005) или ориентацию веретена (Bowman et al. 2006; Izumi et al. 2006; Siller et al. 2006). Тот факт, что мутации, влияющие на астральные микротрубочки, вызывают случайную неправильную сегрегацию детерминант, указывает на то, что этот путь также важен во время нормального асимметричного клеточного деления (Basto et al. 2006).

Дефекты ориентации веретена в метафазе часто корректируются путем «спасения телофазы» в анафазе/телофазе.Этот спасательный путь восстанавливает правильную сегрегацию детерминант клеточной судьбы на поздних фазах клеточного цикла в большинстве делений у мутантов с ориентацией веретена (ДНК, синий).

Drosophila и C. elegans : вариации на общую тему

Асимметричная локализация детерминант клеточных судеб во время асимметричного клеточного деления у C. elegans и Drosophila следует аналогичным консервативным принципам. В обеих системах исходная асимметричная локализация детерминант клеточных судеб устанавливается за счет дифференциальной регуляции подвижности в разных частях клетки.У Drosophila Numb иммобилизован на плазматической мембране с одной стороны клетки, но не с другой. У C. elegans диффузия детерминант клеточной судьбы ограничена половиной цитоплазмы, возможно, за счет дифференциальной ассоциации с рибонуклеопротеиновыми частицами. Интересно предположить, что фосфорилирование асимметрично локализованной протеинкиназой (PKC-3 или PAR-1) также может быть ответственно за разницу в скорости цитоплазматической диффузии у C. elegans .

Как у C. elegans , так и у Drosophila начальная асимметрия усиливается вторичным механизмом. У C. elegans это включает дифференциальную регуляцию стабильности белка в переднем и заднем отделах. У Drosophila взаимодействия астральных микротрубочек с клеточной корой ответственны за уточнение локализации корковых детерминант. Таким образом, для достижения асимметричной локализации в цитоплазме или на мембране в обеих системах используются принципиально сходные механизмы.

Асимметричное наследование поврежденных и неправильно свернутых белков

Некоторые клеточные компоненты наследуются асимметрично, хотя они не влияют на определение клеточной судьбы. Среди них поврежденные белки, которые возникают как побочные продукты клеточного метаболизма (Garcia-Mata et al. 2002). Кислородные радикалы могут приводить к карбонилированию аминокислот. Эти изменения необратимы и со временем накапливаются. Кроме того, неферментативные реакции Майяра между восстановленными углеводами и белками генерируют конечные продукты усиленного гликирования (AGE).Оба этих метаболических побочных продукта увеличиваются при нейродегенеративных заболеваниях, таких как болезнь Альцгеймера или Паркинсона, и, следовательно, механизмы, ведущие к их устранению, имеют большое медицинское значение.

Существуют специфические антитела для обнаружения продуктов КПГ (Horiuchi et al. 1991). Карбонилированные белки можно визуализировать с помощью гистохимической реакции, в результате которой образуется продукт, распознаваемый специфическими антителами (Aguilaniu et al. 2001). У дрожжей карбонилированные белки наследуются только одной из двух дочерних клеток во время митоза (Aguilaniu et al.2003). Клетки дрожжей делятся почкованием. Дочерние клетки образуются в результате выпячивания плазматической мембраны и сужения плазматической мембраны, как при цитокинезе клеток животных. Раньше дрожжи были ведущей модельной системой для асимметричного клеточного деления (Horvitz and Herskowitz, 1992; Chant, 1999), прежде чем выяснилось, что большинство механизмов не сохраняются у высших животных. Однако дрожжи могут дать очень полезную информацию о клеточном старении, особенно в стволовых клетках (Tissenbaum and Guarente 2002).Анализ клонов показал, что две дочерние клетки, образованные во время деления дрожжей, имеют неодинаковый потенциал для выживания. В то время как материнская клетка имеет ограниченный срок жизни (Mortimer and Johnston, 1959) и демонстрирует признаки клеточного старения (Sinclair et al., 1998), дочерняя клетка омолаживается и будет жить гораздо дольше. Старение дрожжей связано с накоплением клеточных повреждений. Помимо внехромосомных колец ДНК, которые являются побочным продуктом репликации повторяющихся последовательностей, основным фактором является накопление поврежденных белков.Следовательно, асимметричное наследование карбонилированных белков может быть одним из механизмов, с помощью которых дрожжевые клетки предотвращают вымирание колоний из-за клеточного старения материнских и дочерних клеток. Способность к сегрегации поврежденных белков уменьшается в старых дрожжевых клетках, и это может объяснить, почему дочерние клетки очень старых матерей имеют более короткую продолжительность репликативной жизни, чем дочерние клетки молодых материнских клеток (14).

Митотическая асимметрия факторов старения и ДНК. ( A ) Факторы старения/старения выборочно сохраняются в материнской клетке и накапливаются в течение репликативной жизни, что приводит к клеточному старению и гибели матери.Дочерние клетки, рожденные позже, наследуют небольшое количество факторов старения, что приводит к укороченной продолжительности репликативной жизни по сравнению с более молодыми дочерними клетками. ( B ) Асимметричное и симметричное расхождение нитей матрицы ДНК во время клеточного деления.

Механизм асимметричного наследования поврежденных белков неясен. Необходим актиновый цитоскелет, а также гистоновая деацетилаза sir-2 (Aguilaniu et al. 2003). Это отличается от асимметричного наследования внехромосомных колец ДНК. Эти круги возникают из-за ошибок во время репликации высокоповторяющихся кластеров рибосомной ДНК и являются основным фактором, определяющим продолжительность жизни дрожжей (Sinclair and Guarente, 1997). Во время митоза они наследуются специфически материнской клеткой и очищаются от дочерней (Щепрова и др., 2008). Это связано с тем, что они временно связываются с компонентами ядерных пор во время митоза. У дрожжей ядерная оболочка сохраняется во время митоза, и элегантные эксперименты с живыми изображениями и фотообесцвечиванием продемонстрировали, что внутри ядерной оболочки существует диффузионный барьер.Этот барьер позволяет ядерной мембране расширяться в дочернюю клетку, но сохраняет все комплексы ядерных пор в материнской. У дочери ядерные поры синтезируются de novo. Как следствие, ассоциированные кольца ДНК сохраняются в материнской клетке, а дочерняя свободна от этого бремени.

В какой степени сохраняется асимметричное наследование клеточных отходов? Количество поврежденных карбонилированных белков велико в эмбриональных стволовых клетках мышей (Hernebring et al. 2006).У развивающегося эмбриона мыши поврежденные белки скапливаются во внутренней клеточной массе, откуда происходят ЭС клетки. При дифференцировке количество карбонилированных белков значительно снижается благодаря протеасомному механизму, который позволяет клеткам животных полностью избавляться от поврежденных белков. Механизм включает протеасому, но ее точная молекулярная природа неясна. Недавние эксперименты показали, что сигнальные интермедиаты, предназначенные для деградации, могут асимметрично расщепляться в митозе (Fuentealba et al.2008), и вполне возможно, что это относится и к поврежденным белкам.

Асимметричное наследование также было продемонстрировано для другой формы поврежденных белков. Белки, которые не были должным образом свернуты во время биосинтеза, накапливаются в структурах частиц, называемых агресомами (Johnston et al. 1998; Garcia-Mata et al. 2002). Обычно они образуются в области, окружающей одну из двух центросом. Они могут быть специфически индуцированы экспрессией гентингтина или трансмембранного проводящего регулятора муковисцидоза CFTR, где существуют определенные мутантные формы, которые имеют неправильный фолдинг, агрегируют и способствуют формированию заболевания. При экспрессии в различных клеточных линиях эти белки накапливаются в одной агресоме, которая обычно расположена рядом с центросомой (Johnston et al. 1998). В эмбриональных нейробластах Drosophila агресомы асимметрично наследуются дочерней клеткой нейробласта (Rujano et al. 2006). Хотя необходимо продемонстрировать, наблюдается ли эта асимметрия также и в долгоживущих личиночных нейробластах, этот механизм может защищать нейроны от этих потенциально нейротоксичных белковых агрегатов.Поскольку нейробласты являются типом клеток развития по сравнению с нейронами, которые сохраняются на протяжении всей жизни мухи, удаление поврежденных белков из нейронов в нейробласты может играть роль в предотвращении нейродегенерации. Асимметричная сегрегация агресом также наблюдается в стволовых клетках кишечника мышей, но в этом случае нестволовые клетки наследуют структуры (Rujano et al. 2006). Хотя защита стволовых клеток от клеточного мусора имеет большой смысл, неясно, почему полярность сегрегации инвертирована по сравнению с Drosophila . В любом случае необходимо определить функциональную значимость этого потенциально интересного явления. Таким образом, асимметричное наследование поврежденных или неправильно свернутых белков может происходить и у других организмов, кроме дрожжей, но в настоящее время механизмы совершенно загадочны.

Асимметричное наследование центриолей и центросом

Каждая центросома содержит пару центриолей, окруженных перицентриолярным материалом. Хотя центросомы на обоих полюсах веретена обычно кажутся идентичными, история их индивидуальных пар центриолей различна.Пары центриолей делятся на отдельные центриоли в начале клеточного цикла, а затем реплицируются полуконсервативно, что означает, что в митозе каждая пара состоит из одной старой и одной новой центриолей. В следующем клеточном цикле одна пара будет полностью состоять из недавно синтезированных центриолей, а другая будет содержать одну центриоль, которой может быть много клеточных циклов. Как оказалось, многие типы клеток могут различать образующиеся старые и новые центриоли, и в некоторых случаях кажется, что они отчетливо разделены на две дочерние клетки.

Асимметричная сегрегация центров организации микротрубочек (MTOCs) была впервые изучена у дрожжей (Pereira et al. 2001). У дрожжей эквивалент центросомы называется телом полюса веретена (SPB). Он не содержит центриолей и не реплицируется полуконсервативно. Вместо этого весь SPB дублируется во время каждого клеточного цикла, в результате чего получается один старый и один новый SPB. SPB могут быть помечены слиянием GFP с Spc42p, составным и стабильным компонентом SPB. При фотообесцвечивании старые SPB остаются немечеными в течение нескольких клеточных циклов, в то время как вновь собранные SPB будут рекрутировать Spc42p из цитоплазмы и восстанавливать флуоресценцию после одного клеточного цикла.Эта технология была использована для однозначной демонстрации того, что почкующиеся дочерние клетки почти всегда наследуют старые SPB, в то время как вновь синтезированный полюс веретена всегда остается в материнской клетке (Pereira et al. 2001; Bornens and Piel 2002). Каково биологическое значение этой асимметрии в поведении СПБ? Поздние стадии митоза в дрожжевых клетках регулируются двумя белковыми сетями, называемыми сетью выхода из митоза (MEN) и сетью инициации разделения (SIN) (Bardin and Amon 2001). Ключевые регуляторные компоненты обеих сетей, как известно, накапливаются на SPB почки, но не на SPB материнской клетки.Было бы привлекательно предположить, что асимметрия центросом ответственна за это дифференциальное рекрутирование белков. Однако, когда наследование SPB рандомизировано временной обработкой ингибиторами микротрубочек, ключевые компоненты MEN по-прежнему обнаруживаются исключительно на SPB зачатка, хотя теперь это может быть либо старый, либо новый SPB (Pereira et al. 2001). Наоборот, это взаимодействие между SPB и клеточной корой, которое отличается между зачатком и материнской клеткой, и это различие отвечает за дифференциальное рекрутирование регуляторных белков (Pereira et al.2001). Т.о., дрожжевые клетки способны дифференциально разделять старые и новые SPB на две дочерние клетки, но физиологическое значение этой асимметрии неясно. Скорее всего, старые SPB могут просто зародышеобразовать микротрубочки раньше и, следовательно, с большей вероятностью станут мишенью зависимого от микротрубочек механизма, который перемещает один SPB в почкующуюся дочернюю клетку.

Асимметрия между двумя центросомами также была продемонстрирована в зародышевой линии Drosophila (Yamashita et al.2007). Подобно стволовым клеткам женской зародышевой линии (GSCs), GSCs в семенниках Drosophila делятся асимметрично, потому что одна дочерняя клетка получает внеклеточный сигнал из окружающей ниши стволовых клеток (Fuller and Spradling 2007). Для этого митотическое веретено в стволовой клетке необходимо ориентировать перпендикулярно нише так, чтобы одна дочерняя клетка располагалась на максимальном расстоянии от источника сигнала. Это достигается путем прикрепления центросомы к структуре, богатой DE-кадгерином/β-катенином (называемой броненосцем в дрозофиле ) на границе стволовая клетка/ниша на протяжении клеточного цикла (Yamashita et al.2003). После удвоения центриолей всегда будет только что сгенерированная центросома, которая мигрирует к противоположному полюсу, приводя к перпендикулярной ориентации веретена (Yamashita et al. 2007). Как следствие, всегда центросома, содержащая старую центриоль, наследуется дочерними стволовыми клетками (Yamashita et al. 2007). Хотя функциональная значимость этого асимметричного наследования центросом неясна, заманчиво предположить, что постоянное наследование центриолей способствует способности стволовых клеток к вечной пролиферации (Spradling and Zheng 2007).

Сходный способ наследования центросом может использоваться нейробластами Drosophila (Castellanos et al. 2008). Ранние сообщения продемонстрировали, что во время первого деления эмбриональных нейробластов митотические веретена вращаются в метафазе для достижения их правильной ориентации (Kaltschmidt et al. 2000). Однако во время последующих делений и в личиночных нейробластах последующие исследования с визуализацией в реальном времени выявили другой способ ориентации (Rebollo et al. 2007, 2009). Подобно мужским GSCs, одна центриоль остается закрепленной в фиксированном положении в клеточной коре.После удвоения центросомы одна из двух центриолей теряет свой перицентриолярный материал и мигрирует к противоположному полюсу, где рекрутирует перицентросомный материал и устанавливает митотическое веретено, которое уже находится в своей окончательной ориентации. Хотя формально это не было продемонстрировано, вполне вероятно, что, по аналогии с GSCs самцов, именно более старая центриоль закрепляется в фиксированном положении. По аналогии с зародышевой линией это привело бы к асимметричному наследованию центриолей и постоянному сохранению самой старой центриоли в дочерней стволовой клетке.Следовательно, потеря центриолей у мутантов Drosophila DSas-4 связана с дефектами асимметричного клеточного деления личиночных нейробластов. Удивительно, однако, что эти мутантные мухи развиваются во взрослых особей, указывая на то, что центриоли необходимы для широкого круга процессов развития (Basto et al. 2006).

Однако асимметричное центросомное наследование не является общей чертой всех клонов стволовых клеток. В зародышевой линии самок Drosophila деление стволовых клеток ориентировано так же, как и у самцов.Однако, несмотря на это сходство, центросомы сегрегируют случайным образом в этой линии, и, фактически, центросомы не требуются для правильной ориентации деления стволовых клеток (Stevens et al. 2007). Т.о., асимметричное поведение центросом не является существенным признаком делений стволовых клеток.

До сих пор нет доказательств асимметричного наследования центросом в стволовых клетках млекопитающих, хотя содержание белка в более старых и новых центросомах может быть совершенно различным. Например, ε-тубулин обнаруживается специфически в перицентриолярном материале старой центросомы (Chang and Stearns 2000), в то время как поли(АДФ-рибозо)полимераза hPARP3 обнаруживается преимущественно в дочерней центриоле (Augustin et al.2003). В клеточных линиях, экспрессирующих слияние centrin-GFP, вновь синтезированные центриоли метятся менее интенсивно, и это позволяет наблюдать поведение материнских и дочерних центросом в реальном времени (Piel et al. 2000). После клеточного деления материнская (более старая) центросома всегда остается вблизи клеточного центра, в то время как более новая центросома широко мигрирует по всей цитоплазме. Однако эти различия исчезают, когда клетки вступают в митоз, и не приводят к различному поведению двух полюсов веретена. Кроме того, известно, что материнская центриоль движется к плоскости дробления во время цитокинеза, где она способствует правильному отщеплению двух дочерних клеток (Piel et al. 2001). Каким бы ни был механизм, с помощью которого клетки различают более старые и более молодые центриоли, будет интересно определить, проявляют ли стволовые клетки явления, связанные с асимметрией центросом, также in vivo.

Асимметричное наследование компонентов рибосом

Скорость клеточного роста сильно коррелирует с общим биосинтезом белка.Таким образом, быстро пролиферирующие клетки характеризуются экстенсивным биосинтезом белков и высокой скоростью биогенеза рибосом. Недавние исследования живых изображений в линиях стволовых клеток дрозофилы показали, что рибосомные компоненты могут сами распределяться асимметрично, и это может способствовать разным скоростям роста в двух дочерних клетках асимметричного деления.

Когда GSC самок дрозофилы делятся асимметрично, одна дочерняя клетка остается стволовой клеткой и сохраняет свой размер на протяжении многих клеточных делений. Другая дочерняя клетка, так называемый цистобласт, будет становиться меньше с каждым клеточным делением. Так как ядрышко в стволовой клетке намного больше (Neumuller et al. 2008), более высокая скорость биосинтеза белка в стволовой клетке может способствовать этой разнице в размерах. Хотя внешний сигнал, исходящий из ниши стволовых клеток, в первую очередь отвечает за разные судьбы двух дочерних клеток, недавние эксперименты показали, что белок Wicked распределяется асимметрично и наследуется преимущественно дочерней клеткой, которая сохраняет судьбу GSC (Fichelson et al. .2009). Wicked кодирует ядрышковый белок, необходимый для правильного процессинга рибосомной РНК (рРНК). У мутантов wicked накапливаются интермедиаты рРНК и, в конечном счете, GSC теряются и подвергаются преждевременной дифференцировке. Заманчиво предположить, что причиной этого фенотипа является неспособность GSCs поддерживать высокие скорости биосинтеза белка, необходимые для самообновления на протяжении всей жизни. Интересно, что асимметричная сегрегация Wicked управляется не сигналом ниши стволовых клеток, а внутренним клеточным механизмом.Таким образом, асимметричная сегрегация основных компонентов механизма биосинтеза белка может способствовать способности к самообновлению линии стволовых клеток. Асимметричное распределение Wicked также наблюдается в нейробластах Drosophila (Fichelson et al. 2009), и будет интересно определить, обнаруживают ли стволовые клетки млекопитающих также асимметрию такого типа.

Асимметричное наследование ДНК

Каждый раунд репликации ДНК потенциально может привести к мутациям за счет включения неправильных нуклеотидов.В то время как сложные механизмы репарации обеспечивают минимальную частоту мутаций во время каждой отдельной S-фазы, проблема более серьезна для стволовых клеток, которые размножаются на протяжении всей жизни животного. Одним из способов решения этой проблемы было бы сохранение цепочки матричной ДНК в стволовой клетке и непрерывная передача вновь синтезированной копии более короткоживущим дочерним клеткам, не являющимся стволовыми клетками. Эта гипотеза была выдвинута Кэрнсом в 1970-х годах (Cairns 1975) и получила название «гипотеза бессмертной нити» ().Действительно, несколько исследований предоставили доказательства асимметричной сегрегации нитей ДНК в различных линиях стволовых клеток, и это привело к ожесточенным спорам о том, являются ли эти результаты просто артефактами или асимметричная сегрегация ДНК является широко распространенным явлением в линиях стволовых клеток (см. [2007] и Rando [2007] за отличный отчет о плюсах и минусах гипотезы бессмертной нити).

В настоящее время доказательство гипотезы бессмертной нити основано на том же экспериментальном принципе.Если стволовые клетки всегда сохраняют одну цепь ДНК, маркировка ДНК радиоактивными нуклеотидами или BrdU всегда будет метить только одну из двух цепей, и после двух делений все метки должны быть потеряны. И наоборот, когда метку вводят до образования стволовых клеток, метятся обе нити, и метка должна оставаться в стволовой клетке навсегда. Этот метод был впервые применен к сосочкам языка и кишечному эпителию в условиях стресса или регенерации, когда считается, что стволовые клетки делятся симметрично и обе нити должны быть помечены (Potten et al. 1978). В то время как в большинстве клеток метка быстро разбавлялась, некоторые клетки сохраняли метку в течение очень длительного времени, и это было интерпретировано как свидетельство асимметричной сегрегации вновь синтезированной немеченой ДНК. Более поздние эксперименты с клетками мышечной ткани выявили аналогичный феномен удержания метки в сателлитных клетках, стволовых клетках взрослых скелетных мышц (Shinin et al. 2006). Здесь использование BrdU позволило напрямую визуализировать асимметричную сегрегацию ДНК в делящихся культивируемых клетках с помощью иммунофлуоресценции.Возможно, лучшее доказательство асимметричной сегрегации ДНК получено в экспериментах, в которых использование двух разных ДНК-меток в течение двух последовательных циклов репликации позволило исключить артефакты окрашивания и показало, что всегда менее дифференцированная дочерняя клетка сохраняет встроенную метку (Conboy и др., 2007). Асимметричная сегрегация ДНК, по-видимому, также происходит в нейральных стволовых клетках (Karpowicz et al. , 2005), тогда как использование аналогичных протоколов мечения в стволовых клетках волосяных фолликулов (Sotiropoulou et al.2008) или гемопоэтических стволовых клеток (Kiel et al. 2007) не выявили каких-либо доказательств дифференциальной сегрегации нитей ДНК. В этих типах клеток сохранение меченой ДНК скорее объясняется длительным состоянием покоя меченых стволовых клеток (Tumbar et al. 2004; Wilson et al. 2008). Таким образом, результаты, описанные до сих пор, предполагают, что асимметричная сегрегация нитей ДНК происходит в некоторых, но не в других типах стволовых клеток.

Пока что молекулярные механизмы, приводящие к удержанию матричных цепей в стволовых клетках, совершенно неясны.Цепи ДНК можно отличить по разным меткам, которые прикрепляются во время репликации. Однако, поскольку репликация ДНК является двунаправленной, для этого потребуется, чтобы механизм маркировки мог различать вилки репликации, идущие в противоположных направлениях. Другой потенциальный механизм может включать октамеры гистонов, которые необходимо заново собрать для одной из двух сестринских хроматид. Недавно была предложена интересная возможность у дрожжей, где старые и новые кинетохоры могут разделяться на разные дочерние клетки при определенных условиях (Thorpe et al.2009). В дрожжевых клетках, в которых две копии ключевого кинетохорного белка помечены разными вариантами GFP, каждая из гаплоидных клеток, образующихся в результате спорообразования, будет экспрессировать только одну метку. Однако другая меченая форма наследуется от диплоидной материнской клетки, и ее можно использовать для отслеживания наследования кинетохор во время первых митотических делений. Этот метод показывает, что материнские клетки преимущественно наследуют старые кинетохоры, тогда как почкующиеся дочерние клетки наследуют вновь синтезированную копию.Хотя это обеспечивает элегантный способ различения сестринских хроматид, это явление наблюдается только в «линии материнских клеток», но не в любой клетке, которая является результатом новообразованной почки. Хотя это вряд ли является общим явлением, оно может дать прекрасное объяснение сегрегации бессмертных нитей.

Таким образом, мы еще далеки от понимания митотической асимметрии расщепления ДНК. Хотя гипотеза бессмертной нити привлекательна, экспериментальные данные ограничены, и, если она верна, она определенно применима только к подмножеству клонов стволовых клеток.

Асимметричное наследование везикулярных компартментов

Детерминанты клеточных судеб, которые асимметрично наследуются во время митоза, могут действовать как регуляторы везикулярного транспорта. Numb связывается с α-адаптином (Berdnik et al. 2002) и регулирует эндоцитоз Sanpodo (O’Connor-Giles and Skeath 2003; Hutterer and Knoblich 2005). Neuralized представляет собой убиквитинлигазу Е3, которая контролирует эндоцитоз дельта-лиганда Notch (Lai et al. 2001). В то время как эти белки регулируют перенос специфических трансмембранных белков, асимметричные клеточные деления также могут приводить к образованию дочерних клеток с другим составом мембранных компартментов или даже включать асимметричное наследование везикулярных структур в одну из двух дочерних клеток.

Возможность получения изображений в реальном времени (Bellaiche et al. 2001a) и разработка методов анализа эндоцитоза всего препарата (Le Borgne and Schweisguth 2003) сделали клетки SOP дрозофилы лучшей модельной системой для изучения везикулярного транспорта во время асимметричного клеточного деления . Различия в переносе белков в значительной степени ответственны за разные уровни активности Notch, которые устанавливают судьбы pIIa и pIIb в двух дочерних клетках. В частности, лиганд Notch Delta обнаруживается в основном во внутриклеточных везикулах, и количество этих везикул выше в клетках pIIb, посылающих сигналы (Le Borgne and Schweisguth 2003).Это связано с тем, что Neuralized сегрегируется в клетку pIIb, где он стимулирует эндоцитоз, действуя как убиквитинлигаза E3 для Delta. После деления Delta перемещается в компартмент апикальной мембраны, формирование которого требует компонента экзоцисты Sec15 (Jafar-Nejad et al. 2005). Мутации в sec15 вызывают трансформацию pIIa в pIIb, что согласуется с потерей дельта-сигнальной активности. Как pIIa, так и pIIb содержат апикальную богатую актином структуру (ARS), которая состоит из многочисленных микроворсинок, и именно здесь находится большая часть дельта-богатых пузырьков.Формирование этой структуры требует актина, а также комплекса Arp2/3 (богатый актином белок 2/3) и регулятора актина WASp (Rajan et al. 2009). Подобно мутантам sec15 , мутанты arp3 вызывают трансформации клеточных судеб, совместимые с потерей активности передачи сигналов Delta. Взятые вместе, эти данные указывают на то, что ARS необходим для формирования компартмента апикальной мембраны, через который должен пройти Delta, чтобы активировать Notch в соседней клетке. Хотя ARS обнаружен как в pIIa, так и в pIIb, дельта-трафик отличается.Rab11-позитивный рециклирующий эндосомальный компартмент, через который эндоцитированные белки транспортируются обратно к плазматической мембране, гораздо более заметен в pIIb (Emery et al. 2005). Это связано с более высокой активностью Rab11-связывающего белка Nuclear Fallout (Nuf) в этой клетке. Удивительно, но эта асимметрия не устанавливается комплексом Par-3/6/aPKC, а следует независимому неидентифицированному механизму асимметричного клеточного деления. Т.о., дифференциальная регуляция целых эндоцитарных компартментов может регулировать передачу сигналов в дочерних клетках асимметричного клеточного деления.

Судьба клеток также может регулироваться дифференцированным наследованием везикулярных структур. Эндосома SARA является ранним эндоцитарным компартментом, обогащенным молекулами, необходимыми для передачи сигналов Dpp ( дрозофилы гомолога TGFb). Он накапливает связанный с мембраной белок SARA, который участвует в нацеливании фактора транскрипции Mad (Mothers anti Dpp) на мембрану, где он фосфорилируется рецептором Dpp Tkv (Толстые вены) (Bokel et al. 2006). В эпителиальных клетках развивающегося крыла Drosophila эндосома SARA временно связывается с центральным веретеном во время цитокинеза и равномерно распределяется между двумя дочерними клетками, а уровни передачи сигналов одинаковы в обеих дочерних клетках после деления (Bokel et al. 2006). Этот механизм позволяет тканям поддерживать постоянный уровень передачи сигналов даже во время активной пролиферации (Furthauer and Gonzalez-Gaitan 2009). В асимметрично делящихся клетках SOP, однако, эндосома SARA исключается из передней области веретена во время митоза, так что она предпочтительно сегрегирует в заднюю дочернюю клетку pIIa (Coumailleau et al. 2009). В этом случае он не регулирует передачу сигналов Dpp, а несет рецептор Notch вместе со своим лигандом Delta. В клетках pIIa эндосомы SARA содержат только внеклеточный домен Notch, тогда как внутриклеточный домен отщепляется и транслоцируется в ядро.Т.о., асимметричная сегрегация активированных комплексов рецептор-лиганд гарантирует, что передача сигналов начинается сразу после асимметричного клеточного деления в одной из двух дочерних клеток.

Асимметричное разделение везикулярных компартментов не ограничивается Drosophila . У C. elegans ранние эндосомы асимметрично локализованы в актин-миозин-зависимом процессе во время первого деления зиготы, и это приводит к их асимметричной сегрегации в переднюю АВ-клетку (Andrews and Ahringer 2007). Подобно сегрегации эндосомы SARA, этот процесс требует комплекса Par-3/6/aPKC, и везикулы обогащаются на той стороне, где находятся эти белки Par. Несмотря на эти захватывающие параллели, точный паттерн локализации пузырьков во время митоза указывает на то, что различные лежащие в основе механизмы действуют для достижения асимметрии пузырьков у Drosophila и C. elegans .

Неясно, разделены ли эндоцитарные компартменты также асимметрично у позвоночных. SARA-позитивные сигнальные эндосомы также существуют у позвоночных, но ни точно симметричная, ни асимметричная сегрегация при митозе не описаны.С другой стороны, ряд трансмембранных рецепторов асимметрично сегрегирует в культивируемых митотических гемопоэтических стволовых клетках (Beckmann et al. 2007) или в Т-лимфоцитах (Chang et al. 2007). Среди этих белков есть несколько маркеров ранних эндосомальных компартментов (Giebel and Beckmann 2007), и будет интересно, является ли их асимметричная сегрегация функционально важной или даже использует механизм, родственный тому, что наблюдается у Drosophila или C. elegans .

Асимметричное деление клеток и его значение для биологии стволовых клеток

Стволовые клетки могут генерировать как самообновляющиеся, так и дифференцирующиеся дочерние клетки.Хотя различные судьбы могут возникать чисто стохастическим образом, несколько исследований показали, что наследственно асимметричные клеточные деления в клонах стволовых клеток млекопитающих действительно происходят (Knoblich 2008). Задействованы гомологи генов, регулирующих асимметричное деление клеток у мух и червей, но они часто действуют совершенно по-разному. Numb, например, выполняет множество, казалось бы, не связанных между собой функций в разных тканях. В мышечных стволовых клетках (Shinin et al. 2006) и Т-лимфоцитах (Chang et al. 2007) Numb сегрегирует асимметрично во время митоза.Однако во время развития мозга Numb регулирует рециркуляцию E-cadherin и поэтому необходим для поддержания целостности нейроэпителия (Rasin et al. 2007). В молочных железах Numb действует как супрессор опухоли (Pece et al. 2004), связываясь с убиквитинлигазой E3 MDM2 и предотвращая деградацию p53 (Colaluca et al. 2008). Понимание того, как эти различные функции Numb координируются внутри клетки, является серьезной задачей на будущее.

Наиболее хорошо изученным примером внутренне асимметричного деления у позвоночных является развивающийся передний мозг мыши (Gotz and Huttner 2005).Развивающийся мозг организован в виде слоистой структуры, в которой пролиферирующие стволовые клетки расположены апикально, обращены в просвет бокового желудочка, а дифференцирующиеся нейроны располагаются на более базальной стороне. В начале развития стволовые клетки делятся симметрично, увеличивая пул предшественников. Начиная с 10-го дня эмбрионального развития клетки-предшественники начинают экспрессировать маркеры глии и поэтому называются клетками радиальной глии. Их деления становятся асимметричными, при этом одна дочерняя клетка сохраняет судьбу радиальной глии, а другая мигрирует к базальной стороне нейроэпителия, чтобы дифференцироваться в нейрон. Альтернативно, более дифференцированная дочерняя клетка может стать так называемым базальным предшественником, который обычно снова делится с образованием двух дифференцирующихся нейронов (Haubensak et al. 2004; Noctor et al. 2004).

Первоначально считалось, что ориентация митотического веретена определяет симметричный или асимметричный результат деления (Chenn and McConnell 1995), но эта гипотеза больше не принимается в данной области. На самом деле, большинство асимметричных делений радиальной глии происходят в плоскостной ориентации, в результате чего две дочерние клетки изначально располагаются на апикальной поверхности нейроэпителия (Kosodo et al.2004 г.; Конно и др. 2008). Однако, несмотря на их плоскую ориентацию, эти деления сильно асимметричны. Базальный отросток простирается от делящегося предшественника до пиальной поверхности. Во время ранних симметричных делений этот процесс разделяется во время цитокинеза (Kosodo et al. 2008). Во время асимметричных делений этот процесс наследуется только одной из двух дочерних клеток, но данные о его определяющей судьбу роли противоречивы (Miyata et al. 2001; Noctor et al. 2001). Апикальный домен клеток радиальной глии очень узок, и даже небольшой наклон плоскости дробления может привести к его асимметричному наследованию только одной из двух дочерних клеток (Kosodo et al.2004). Апикальные слипчивые соединения имеют слоистую структуру с aPKC и Par-3 на самой апикальной стороне, за которыми следует белок спайки ZO-1/Afadin и, наконец, белки слипчивых соединений N-кадгерин и β-катенин (Marthiens и ffrench- Константа 2009). В результате веретено может быть ориентировано так, что наиболее апикальные белки Par-3 (Bultje et al. 2009) и aPKC (Marthiens and ffrench-Constant 2009) наследуются асимметрично, в то время как соединительные белки все еще могут прикреплять обе дочерние клетки к апикальная сеть нейроэпителия.У мышей, лишенных гомолога Pins LGN, веретена ориентированы случайным образом, и дочерние клетки становятся аномально локализованными на расстоянии от апикальной поверхности, потому что они теряют свои соединительные комплексы (Konno et al. 2008). Несколько исследований продемонстрировали, что асимметричное наследование aPKC и/или Par-3 может способствовать асимметричному исходу делений нервной глии (Costa et al. 2008; Bultje et al. 2009).

Модель спецификации клеточных судеб в нейральных стволовых клетках позвоночных. Нервные клетки-предшественники в развивающемся мозге претерпевают либо нейрогенные деления (при которых образуются еще одна клетка-предшественник и дифференцирующийся нейрон), либо пролиферативные деления (которые приводят к образованию двух клеток-предшественников).Par-3 разделяется неравномерно во время нейрогенных делений за счет ориентации плоскости дробления (пунктирная линия) и индуцирует дифференциальную передачу сигналов Notch в дочерних клетках путем ингибирования Numb, что приводит к высоким уровням передачи сигналов Notch в будущей клетке-предшественнике и низким уровням в будущем нейроне. (ДНК, синий).

Как могут действовать белки Par? Par-3 может активировать передачу сигналов Notch зависимым от Numb способом (Bultje et al. 2009). У Drosophila Par-3 действует как адаптерный белок, позволяя фосфорилировать Numb с помощью aPKC (Wirtz-Peitz et al.2008). Аналогичные наблюдения были сделаны и для млекопитающих Numb (Nishimura and Kaibuchi 2007). Вполне вероятно, что Par-3 позволяет aPKC фосфорилировать Numb в одной дочерней клетке. Это может помешать Numb ингибировать Notch, а разные уровни активности Notch в двух дочерних клетках могут определять разные судьбы. Альтернативно, Par-3 может действовать в локализации сегрегирующей детерминанты, как это происходит у Drosophila . Мышиный гомолог Brat TRIM32 асимметрично наследуется в делящихся клетках радиальной глии (Schwamborn et al.2009), и будет интересно определить, участвует ли Par-3 в создании этой асимметрии.

Анализ деления мозга-предшественника показывает, что биологические механизмы, выявленные в моделях беспозвоночных, сохраняются у позвоночных, но часто используются более сложным образом. Показания для внутренне асимметричных клеточных делений существуют в мышечных стволовых клетках (Shinin et al. 2006), в стволовых клетках кожи (Lechler and Fuchs 2005) и в кроветворной системе (Chang et al.2007 г.; Ву и др. 2007), но, безусловно, пройдет некоторое время, прежде чем мы поймем основные механизмы на том же уровне детализации.

Асимметричное деление клеток и образование опухолей

Стволовые клетки играют важную роль в формировании и поддержании опухолей человека (Reya et al. 2001; Clarke and Fuller 2006). При трансплантации мышам с ослабленным иммунитетом только небольшая часть клеток опухоли человека может повторно инициировать образование опухоли, и эти клетки часто имеют характер стволовых клеток (Lapidot et al.1994 год; Боннет и Дик 1997; Аль-Хадж и др. 2003 г.; Сингх и др. 2003). Это наблюдение привело к так называемой гипотезе раковых стволовых клеток, которая предсказывает, что опухоли поддерживаются небольшой популяцией стволовых клеток, которые могут дать начало всем другим клеткам и являются единственными клетками, способными к повторной инициации опухоли (Reya et al. 2001). ). В расширенной версии эта гипотеза предсказывает, что стволовые клетки могут даже быть источником опухоли, и, следовательно, мутации, превращающие нормальные стволовые клетки в раковые, могут быть первопричиной образования опухоли (Clarke and Fuller 2006).Хотя это в настоящее время является очень спекулятивным для опухолей человека, доказательства происхождения рака толстой кишки (Barker et al. 2009) и опухолей головного мозга (Kwon et al. 2008) из стволовых клеток недавно были получены на модельных организмах мышей. Таким образом, будет важно понять, как пролиферация контролируется в линиях стволовых клеток и как дефекты в этих контролях потенциально могут привести к образованию опухолей.

У Drosophila дефекты в асимметричном клеточном делении могут превращать нейральные стволовые клетки в клетки, инициирующие опухоль, которые повторяют несколько стадий, типичных для опухолей млекопитающих.Фактически, многие из ключевых регуляторов асимметричного клеточного деления действуют как супрессоры опухолей (Caussinus and Gonzalez, 2005; Bello et al. , 2006; Betschinger et al., 2006; Lee et al., 2006a,c; Wang et al., 2006, 2007; Gonzalez 2007; Castellanos et al. 2008), и в некоторых случаях эти гены действительно были идентифицированы благодаря их опухолевому фенотипу (Gateff 1978). Мутации в этих генах-супрессорах опухолей обычно приводят к чрезмерной пролиферации нейробластов на личиночных стадиях. Как следствие, мозг становится огромным, и животные в конце концов умирают.Однако за прогрессированием опухоли можно следить в течение длительного времени путем пересадки опухолевой ткани в брюшную полость самки мухи-хозяина, где она будет продолжать расти и также убивать хозяина (Caussinus and Gonzalez 2005). Этот процесс трансплантации можно повторять годами, и, по сути, он становится все более эффективным с каждым раундом трансплантации. Хотя первоначальные опухоли имеют нормальный кариотип (Caussinus and Gonzalez 2005; Castellanos et al. 2008), клетки со временем становятся анеуплоидными и в то же время начинают метастазировать и приобретать другие тканевые свойства (Caussinus and Gonzalez 2005). Таким образом, Drosophila может служить модельным организмом для изучения образования опухолей из клонов стволовых клеток.

Обычно опухоли образуются из-за того, что избыток нейробластов образуется за счет дифференцирующихся нейронов. Следовательно, все гены, которые кодируют белки, сегрегирующие в базальную GMC (например, brat [Bello et al. 2006; Betschinger et al. 2006; Lee et al. 2006c], numb [Lee et al. 2006a; Wang et al. и др., 2006], плюс [Белло и др., 2006; Бетшингер и др., 2006].2006 г.; Ли и др. 2006c], mira [Betschinger et al. 2006 г.; Ли и др. 2006c] и по [Wang et al. 2007]), и те, которые определяют базальный домен (например, lgl [Lee et al. 2006b]), действуют как супрессоры опухолей. Гены, которые определяют апикальный домен (такие как aPKC [Lee et al. 2006b] или par-3 [Wirtz-Peitz et al. 2008]), имеют противоположный фенотип, что приводит к потере нейробластов и терминации клона.

Одна простая интерпретация состоит в том, что симметричное деление нейробластов ведет к экспоненциальной, а не к линейной пролиферации, и именно поэтому количество нейробластов увеличивается.Однако этот взгляд слишком прост. Во-первых, все личиночные нейробласты переходят в состояние покоя на стадии куколки (Ito and Hotta 1992) или при пересадке в брюшную полость другой мухи (Caussinus and Gonzalez 2005). Опухолевые нейробласты, однако, продолжают неограниченно размножаться даже на взрослых стадиях (Bello et al. 2006) или после трансплантации (Caussinus and Gonzalez 2005). Во-вторых, асимметрия деления нейробластов сама по себе не затрагивается, поскольку другие детерминанты все еще нормально сегрегируют, когда одна из них отсутствует, и поскольку одна дочерняя клетка все еще больше другой, по крайней мере, в большинстве опухолей.В-третьих, образование опухоли фактически начинается с задержки клеточного цикла в неправильно определенном GMC, а не с немедленной быстрой экспоненциальной пролиферации (Lee et al. 2006c; Bowman et al. 2008). И, наконец, подробный обзор непосредственных событий, ведущих к образованию опухолей у мутантов мальчишек (Bowman et al. 2008), выявил стереотипную серию событий, которые приводят к генерации аномально пролиферирующих нейробластов, инициирующих опухоль, у мутантов мальков.

У мутантов brat опухоли возникают из нейробластов CB типа II (Bowman et al.2008). В отличие от всех других нейробластов CB, они не экспрессируют фактор транскрипции ase . После деления ase транскрибируется в INP до и во время транзитно-амплифицирующих делений. У мутантов brat нейробласты типа II все еще делятся асимметрично, но транскрипция ase никогда не инициируется. Вместо этого вновь рожденный INP не вступает в митоз, а остается в интерфазе около 24 часов. Однако между 24 и 48 часами INP вступает в митоз без транскрипции ase , и кажется, что этот митоз незрелого предшественника является событием, инициирующим опухоль. После этого клеточная пролиферация протекает быстрыми темпами, и, в конце концов, клетки перестают реагировать на ингибирующие рост сигналы. Таким образом, механизмы, ведущие к образованию опухолей, по-видимому, включают гораздо больше, чем просто трансформацию клеточных судеб. Кажется, что дефекты асимметричного клеточного деления приводят к формированию типа клеток, который не встречается у мух дикого типа и больше не подчиняется сигналам контроля пролиферации.

Что это могут быть за сигналы? Нейробласты экспрессируют временной ряд транскрипционных факторов на эмбриональной и личиночной стадиях (Isshiki et al.2001 г.; Моранж и др. 2008). На стадии куколки они становятся меньше в размере и, в конечном счете, подвергаются симметричному делению, при котором Pros проникает в обе дочерние клетки, что приводит к терминальной дифференцировке. Когда некоторые личиночные транскрипционные факторы часов нейробластов отсутствуют (например, семь вверх), этого не происходит, и нейробласты пролиферируют во взрослом состоянии. Вполне возможно, что дефекты асимметричного клеточного деления сбивают часы нейробластов, и именно это увековечивает опухолевые клетки.Альтернативно, симметричное деление нейробласта может генерировать «омоложенный» нейробласт, который имеет незрелую идентичность и не может терминироваться на стадии куколки. Наконец, опухолевые клетки могут иметь правильную временную идентичность, но просто не иметь молекул, необходимых для приема гормональных сигналов, определяющих стадию куколки. Интересно, что нейробласты различаются по времени выхода из клеточного цикла. Нейробласты грибовидного тела, подмножество нейробластов CB, которые генерируют центры обучения и памяти в мозгу мух, прекращают пролиферацию только в конце периода куколки (Ito and Hotta 1992).Интересно, что нейробласты грибовидных тел специфически экспрессируют фактор транскрипции tailless ( tll ), и это необходимо для их длительной пролиферации (Kurusu et al. 2009). tll является ингибитором экспрессии pros и является канцерогенным при экспрессии в других линиях нейробластов CB. Т.о., изменения в этих программах транскрипции вполне могут изменить контроль клеточного цикла в опухолевых нейробластах.

В какой степени результаты, полученные на мухах, актуальны для биологии опухолей млекопитающих? У позвоночных за образование опухолей ответственны генетические аберрации.Еще в 1914 г. Boveri утверждал, что анеуплоидия, вызванная неправильной сегрегацией генетического материала, ответственна за образование опухолей (Harris 2008), и описал, что за этот эффект могут быть ответственны изменения числа центросом. Лишь недавно эта гипотеза была подтверждена экспериментально. В клетках культур тканей млекопитающих наличие дополнительных центросом приводит к неправильному прикреплению хромосом к митотическому веретену, а также к неправильной сегрегации хромосом и хромосомной нестабильности (Ganem et al.2009). У Drosophila увеличение числа центросом также может приводить к образованию опухолей (Basto et al. 2008; Castellanos et al. 2008), но, как это ни удивительно, этот эффект наблюдается только в нейробластах, а не в симметрично делящихся клетках (Castellanos и др. , 2008). Он не усиливается мутациями, вызывающими нестабильность генома (Castellanos et al. 2008), и, следовательно, приписывается дефекту асимметричного клеточного деления, а не неправильной сегрегации хромосом. Избыток центросом вызывает дефекты выравнивания веретена с осью полярности (Basto et al.2008) и, следовательно, к неправильной сегрегации детерминант или aPKC (Cabernard and Doe 2009) во время митоза. Как именно результирующие изменения клеточных судеб приводят к образованию опухолей, неясно, но, безусловно, будет интересно проверить, наблюдается ли аналогичный эффект в линиях стволовых клеток млекопитающих. Было продемонстрировано, что позвоночные гомологи генов, регулирующих асимметричное клеточное деление у Drosophila , такие как Numb (Pece et al. 2004) и Lgl (Schimanski et al. 2005), действуют как супрессоры опухолей.В настоящее время неясно, действуют ли они на клоны стволовых клеток и их асимметрию. Известно, что опухолевые стволовые клетки производят больше дочерних клеток, подобных стволовым клеткам, чем их «нормальные» аналоги (Singh et al. 2004). Выяснение того, связано ли это с дефектами асимметричного деления клеток и имеют ли эти дефекты решающее значение для образования опухолей у позвоночных, безусловно, станет интересной задачей в будущем.

Перспективы на будущее

За последние годы были решены многие ключевые вопросы асимметричного деления клеток.У C. elegans и у Drosophila мы знаем, как устанавливается полярность во время митоза, и хорошо понимаем механизмы, которые выравнивают митотическое веретено и приводят к смещению веретена. Недавно также стало ясно, что асимметричное фосфорилирование является ключевым механизмом, стоящим за асимметричным расхождением детерминант клеточных судеб при митозе. Значит ли это, что загадка решена?

Конечно нет! Несмотря на эти крупные достижения, нам все еще не хватает молекулярного понимания многих задействованных процессов.Как полярность наследуется на протяжении нескольких делений? Как G-белки соединяются с молекулярными моторами и увеличивают их способность генерировать силу? Как цитоскелетные асимметрии актинового цитоскелета связаны с событиями асимметричного фосфорилирования, которые, по-видимому, действуют на сегрегирующие детерминанты? И, наконец, как одно из дочерних ядер перепрограммируется, чтобы стать отличным от сестринской клетки? Детерминанты, такие как Numb, исчезают через некоторое время после митоза, но судьба клеток не меняется. Каковы механизмы, которые направляют одну клетку по определенному пути, и как они становятся необратимыми? И что происходит, когда дефекты асимметричного клеточного деления приводят к образованию опухолевого типа клеток, который бесконечно размножается и убивает весь организм?

Наконец, однако, мы до сих пор не имеем реального представления о том, как асимметричное клеточное деление регулируется в линиях взрослых стволовых клеток млекопитающих.Одна из основных проблем заключается в том, что даже на модельных организмах все эксперименты до сих пор проводились во время разработки. Взрослые стволовые клетки мух только недавно были обнаружены в средней кишке (Micchelli and Perrimon 2006; Ohlstein and Spradling 2006), и будет интересно проверить, используют ли они также механизмы, сходные с делением нейробластов. Фактически, стволовые клетки кишечника могут динамически реагировать на повреждение и инфекцию (Jiang et al. 2009), и чисто внутренние механизмы кажутся слишком негибкими, так что можно ожидать интересных вариаций классической темы.

Понимание вклада асимметричного клеточного деления в развитие млекопитающих и гомеостаз органов будет основной целью, а благодаря лучшему пониманию и улучшенному анализу клонов и инструментам визуализации в реальном времени цель раскрытия ключевых механизмов станет достижимой.

Материнская клетка ганглия – обзор

Асимметричные клеточные деления и асимметричная судьба

GMC-дочь нейробласта дрозофилы наследует пространственные и временные координаты, выраженные родительским нейробластом во время рождения.Но почему родительский нейробласт делится, чтобы произвести два вида дочерних клеток: один большой нейробласт, который будет делиться еще несколько раз, а другой — маленький GMC, который будет делиться только еще раз? И что же делает судьбы этих двух дочерей одной и той же материнской клетки такими разными? Ответ на этот вопрос привлек большое внимание исследователей, которые выявили удивительный танец молекулярных компонентов, направляющих клеточное деление и по-разному определяющих двух дочерних клеток.

Нейробласты у Drosophila возникают в поляризованном эпителии с базальной и апикальной сторон. То же верно и для нейронных клеток-предшественников у всех видов, включая позвоночных. На апикальном полюсе всех эпителиальных клеток находится комплекс белков, известный как комплекс Par. Здесь начинается асимметричная локализация детерминант клеточных судеб. Комплекс Par состоит из трех белков: Bazooka (Baz, он же Par-3 у других видов), Par-6 и атипичной протеинкиназы C (aPKC). Когда нейробласты готовятся к митозу, комплекс Par остается локализованным в апикальной коре, и начинает экспрессироваться адапторный белок, называемый Inscuteable (Insc), который связывается с комплексом Par.Затем Inscutable набирает своего партнера, называемого Partner of Inscutable (Pins), который через путь, связанный с G-белком, привлекает одно из полюсных тел веретена. Результатом этого является то, что ось плоскости деления является апикобазальной; он ортогонален плоскости эпителия.

Как только ориентация клеточного деления установлена, киназа, называемая Aurora-A, фосфорилирует Baz, заставляя его покинуть комплекс Par. Тем временем aPKC в комплексе Par фосфорилирует цитоскелетный белок, называемый Lethal гигантскими личинками (Lgl), который заменяет Baz.Затем реконструированный комплекс способен фосфорилировать Numb, ингибитор передачи сигналов Notch (Chapter 1). Тем временем два других белка, Miranda и Partner of Numb (Pon), начинают накапливаться в базальной коре делящегося нейробласта. Pon улавливает фосфорилированный Numb, а Miranda улавливает гомеобоксный транскрипционный фактор Prospero (Kaltschmidt and Brand, 2002; Wirtz-Peitz et al., 2008). Таким образом, когда нейробласт наконец делится, Numb и Prospero наследуются только GMC, а не его родительским нейробластом ( Рисунок 4.7 ). В отсутствие передачи сигналов Notch базальные GMC могут свободно двигаться по пути детерминации. Более апикальная клетка остается нейробластом, способным при производстве большего количества Miranda, Prospero и Numb отщеплять другой GMC при следующем делении ( рис. 4.8 ).

Рис. 4.7. Контроль асимметричного деления клеток у Drosophila . Комплекс Par локализован апикально. Затем комплекс Par рекрутирует комплекс Inscuteable к апикальному полюсу нейробласта, где он ориентирует митотическое веретено.Numb фосфорилируется (не показано) комплексом Par, а затем связывается с партнером Numb (PON), который транспортируется в базальный серп, вызывая, в свою очередь, базальную локализацию Numb, которая блокирует путь Notch в GMC, который его наследует.

Рис. 4.8. Кадры из покадровой визуализации СОП, проходящей через асимметричное деление. Зеленая метка следует за Numb, а красная метка следует за хромосомами. В этой последовательности (любезно предоставленной F. Schweisguth) легко увидеть, что Numb локализуется на одном полюсе SOP и затем наследуется единственной дочерью, spIIb.

Интересным примером ситуации, в которой дочерние клетки принимают разные судьбы из-за асимметричного наследования Numb, являются маленькие органы чувств, называемые сенсиллами, разбросанные по поверхности тела у Drosophila . Клетки, составляющие каждую сенсиллу, обычно являются клональными потомками одного предшественника сенсорного органа, SOP. Клетки SOP подобны нейробластам ЦНС в том, что они отслаиваются от эктодермы во время развития почти таким же образом, в зависимости от пронейральных генов и взаимодействий Notch и Delta, как описано в главе 1.Каждая указанная СОП претерпевает инвариантный паттерн клеточных делений. Этот паттерн деления был подробно исследован для внешней механосенсиллы (Guo et al., 1996; Schweisguth et al., 1996). Первичная СОП (spI) каждой макрохеты делится на переднюю дочернюю, называемую spIIb, и заднюю дочернюю, называемую spIIa (, рис. 4.9, ). SpIIa производит две внешние вспомогательные клетки: гнездовую клетку и стволовую клетку. Передняя дочь SpIIb делится на нейрон и опорную клетку, после чего сначала образуется глиальная клетка.Эти разные судьбы возникают благодаря повторному использованию сигнальной системы Notch во время каждого из клеточных делений. Когда SOP делится на spIIa и spIIb, эти две клетки взаимодействуют друг с другом через Notch. Судьба SpIIb является доминирующей, о чем свидетельствует тот факт, что при абляции spIIb spIIa трансформируется в spIIb. У мутантов Notch обе клетки становятся spIIb, и в результате нет ни щетинок, ни глазниц, а когда Notch экспериментально активируется в обеих клетках, они обе превращаются в spIIa, и нет ни нейронов, ни глии.Несколько внутренних детерминант, включая асимметрично наследуемый Numb (см. выше), контролируют судьбу spIIa по сравнению с spIIb (рис. 4.9). В этом случае Numb распространяется на spIIb при клеточном делении. В отсутствие Numb путь Notch активен в spIIb и трансформируется в spIIa; не появляются ни нейроны, ни опорные клетки, но вместо этого образуются сенсиллы с двойными гнездами и стержнями. Таким образом, мутанты Numb нечувствительны к прикосновению, потому что сенсорные щетинки не иннервированы, отсюда и название.

Рис. 4.9. Происхождение внешнего механосенсорного органа Drosophila . Сверху вниз: предшественник органа чувств (СОП) увеличивается и отслаивается от эпителия. Он асимметрично делится на spIIb, который наследует Numb, и spIIa, который его не наследует. SpIIa снова делится асимметрично, как и spIIb чуть позже. Передача сигналов Notch между дочерними клетками участвует во всех этих асимметричных делениях, так что четыре дочерние клетки SOP имеют четыре разные судьбы: опорная клетка, сенсорный нейрон, клетка гнезда и клетка ствола.

В ЦНС позвоночных нейроэпителиальные клетки сначала имеют тенденцию к симметричному делению, каждая из которых дает начало двум делящимся клеткам-предшественникам, но по мере развития нейрогенеза некоторые нейроэпителиальные клетки, такие как нейробласты Drosophila , начинают делиться асимметрично, давая начало одному нейроэпителиальному предшественнику и один дифференцированный нейрон. Покадровые наблюдения за нейроэпителиальными клетками в органотипических срезах развивающейся коры млекопитающих позволяют предположить, что деления вдоль горизонтальной плоскости, как правило, производят клетки, которые остаются в контакте с вентрикулярной (апикальной) поверхностью, тогда как более апикобазальные деления производят клетки, которые мигрируют от желудочка. поверхность (Ченн и МакКоннелл, 1995).Более поздняя работа показала, что кортикальные стволовые клетки действительно имеют тенденцию к делению в основном вдоль горизонтальной плоскости поверхности желудочка и производят, по крайней мере, одну дочернюю клетку, которая остается стволовой клеткой. Однако промежуточные предшественники, которые делятся в субвентрикулярной зоне, склонны делиться апикобазально и продуцировать два незрелых нейрона (Noctor et al., 2008). Гомологи многих из генов Drosophila , обсуждавшихся выше, у млекопитающих сходным образом работают в нейрогенезе позвоночных. Т.о., вмешательство в функцию mInsc (гомолог Insc у млекопитающих) или Asg3 (гомолог Pins у млекопитающих) приводит к потере ориентации апикобазального веретена в нервной системе млекопитающих и приводит к симметричному делению слишком многих клеток.Это вызывает образование больших клонов, что можно объяснить тем, что эти симметрично делящиеся клетки производят двух предшественников, а не одного. Гомолог Numb у млекопитающих, mNumb, также играет ключевую роль, поскольку мыши с нокаутом предполагают, что для кортикальных нейроэпителиальных клеток важно оставаться в симметрично делящихся, ранних состояниях предшественников (Cayouette and Raff, 2003; Huttner and Kosodo, 2005; Зигман и др., 2005; Конно и др., 2008).

Интересно, что окружающая среда может играть роль в ориентации клеточного деления и, следовательно, в том, делится ли клетка симметрично или нет, а недавние исследования как на насекомых, так и на позвоночных показали, что внешние сигналы, возможно, исходящие от недавно постмитотических клеток, могут влиять на плоскость дробления соседнего прародителя.Это один из механизмов, с помощью которого определенные типы нейронов могут работать через механизм контроля с обратной связью, чтобы контролировать соответствующее количество генерируемых нейронов (Poggi et al., 2005; Siegrist and Doe, 2006).

Делить или не делить? Материнская клетка может принять решение — ScienceDaily

Когда клетки решают делиться? В течение 40 лет ответ учебника заключался в том, что это решение происходит на первой фазе существования клетки — сразу после того, как материнская клетка делится и становится дочерней.

Но исследователи из CU Boulder обнаружили, что именно материнская клетка определяет, будут ли делиться ее дочерние клетки. Открытие, объясненное в новом исследовании, опубликованном сегодня в журнале Science, проливает новый свет на клеточный цикл с использованием современных технологий визуализации и может иметь значение для лекарственной терапии рака.

«Мы видим нечто иное, чем то, что написано в учебниках», — сказала Сабрина Спенсер, старший автор статьи и доцент кафедры биохимии.

Клетки выбирают деление в зависимости от количества митогенов или факторов роста, которые они ощущают в своей среде.Наличие митогенов запускает сигнал к пролиферации: дублированию клеточного содержимого и делению на две дочерние клетки. Все это часть клеточного цикла.

Раковые клетки могут вступить в клеточный цикл, даже если в них нет факторов роста, сказал Спенсер. Это одна из причин, почему они так быстро размножаются — клеточный цикл нарушается, и рост продолжается беспрепятственно.

Лучшее понимание того, почему и когда клетки выбирают для размножения, может помочь ученым адаптировать или расширить сроки лекарственной терапии рака.

В своих экспериментах исследователи обнаружили, что вместо того, чтобы дочерние клетки самостоятельно принимали решение о том, делиться ли им, они отправлялись в другой клеточный цикл сразу после деления материнской клетки. Это означает, что решение было принято в предыдущем клеточном цикле, потому что дочерние клетки уже родились на том или ином пути, согласно Спенсеру.

«Это заставило нас задуматься о том, что, возможно, все восприятие окружающей среды на самом деле происходит в цикле материнской клетки», — сказал Спенсер.

Предыдущие эксперименты, описанные в учебниках, должны были сначала удалить все факторы роста, чтобы синхронизировать циклы клеток, что нарушает поведение клеточного цикла. Но в этом новом исследовании использовалась покадровая микроскопия и технологии отслеживания клеток, которые позволили ученым снимать клетки, занимающиеся своими делами в свободное время.

«Проведение эксперимента таким образом привело к совершенно другим результатам», — сказал Спенсер.

Исследователи отследили тысячи клеток за 48 часов, используя вычислительное отслеживание клеток, которое может отслеживать одну и ту же клетку на сотнях последовательных изображений.

Еще 10 лет назад очень немногие лаборатории могли отслеживать клетки даже в течение нескольких часов, сказал Спенсер.

Сигналы и память

Их следующий вопрос был: когда в материнском клеточном цикле клетка решает, будут ли ее дочерние клетки делиться?

Чтобы ответить на этот вопрос, исследователи удалили и заменили факторы роста, которые дают сигнал к делению клетки, на несколько часов на разных фазах материнского клеточного цикла.

Они обнаружили, что чем дольше эти факторы роста удалялись из материнской клетки, тем меньше вероятность деления дочерних клеток.Если факторы роста удалялись более чем на девять часов, ни одна из дочерних клеток не делилась.

«Мы обнаружили, что независимо от того, когда вы блокируете эту передачу сигналов, клетки могут ее ощущать», — сказал Минвэй Мин, первый автор и научный сотрудник отдела биохимии и института BioFrontiers. «И они не только могут чувствовать это, они могут помнить эту информацию в течение многих часов, вплоть до цикла дочерних клеток».

Если клетки постоянно реагируют на передачу сигналов фактора роста, как показано в этой новой статье, а не только в первой фазе дочернего цикла, лекарства от рака могут иметь более длительное окно, чем считалось ранее, для обеспечения терапевтических эффектов.

Но как клетки запоминают наличие факторов роста? Ключ находится в белке, известном как Cyclin D.

.

В норме циклин D повышается во второй половине клеточного цикла в материнской клетке. Но когда факторы роста были удалены и заменены в эксперименте, в конце цикла материнской клетки было меньше циклина D, как показало исследование.

А без такого количества циклина D дочерние клетки имеют меньше того, что им нужно для деления.

«Тот факт, что клетки могут хранить память — или интегрировать прошлую историю — доступности факторов роста, является новым открытием», — сказал Спенсер.«Сочетание конструкции флуоресцентного датчика, долговременной покадровой микроскопии и отслеживания клеток — действительно наша сильная сторона, которая позволила сделать это открытие».

Среди других авторов этой статьи Яо Ронг и Чэнчжэ Тянь с кафедры биохимии и Института биограницы в Калифорнийском университете в Боулдере.

Разница между материнской клеткой и дочерней клеткой

Ключевое различие между материнской клеткой и дочерней клеткой заключается в том, что материнская клетка является родительской клеткой, которая подвергается клеточному делению с образованием новых клеток, в то время как дочерняя клетка является новой клеткой, сформированной как в результате деления клетки .

В многоклеточных организмах клеточное деление является важным процессом для производства новых клеток, необходимых для роста, развития и размножения. Из существующих зрелых клеток в результате двух типов клеточных делений возникают новые клетки; а именно, митоз и мейоз. Зрелая клетка, которая подвергается клеточному делению, является родительской клеткой или материнской клеткой, тогда как новые клетки, возникающие в конце клеточного деления, являются дочерними клетками. Точно так же митоз дает две дочерние клетки из одной родительской клетки, а мейоз дает четыре дочерние клетки из одной материнской клетки.Дочерние клетки митоза генетически идентичны материнской клетке, тогда как дочерние клетки мейоза генетически не идентичны материнской клетке. Вместо этого они содержат половину генетического материала материнской клетки.

СОДЕРЖАНИЕ

1. Обзор и ключевые отличия
2. Что такое материнская клетка
3. Что такое дочерняя клетка
4. Сходства между материнской и дочерней клетками
5. Сравнение бок о бок — материнская клетка и дочерняя клетка в табличной форме
6.Резюме

Что такое материнская клетка?

Материнская клетка или родительская клетка — это зрелая клетка, которая подготовилась к клеточному делению. Во время клеточного деления материнская клетка проходит различные стадии клеточного деления, такие как интерфаза, профаза, метафаза, анафаза и телофаза.

Рисунок 01: Родительская ячейка

Наконец, он подвергается цитокинезу и разделяется на новые клетки. Материнские клетки в основном диплоидны. Во время роста и развития материнские клетки производят новые клетки посредством митоза.Во время размножения материнские клетки производят репродуктивные клетки посредством мейоза.

Что такое дочерняя ячейка?

Дочерняя клетка – это новая клетка, образующаяся в конце клеточного деления. Дочерние клетки генетически идентичны материнской клетке на стадии продукции посредством митоза. С другой стороны, на стадии продукции посредством мейоза дочерние клетки генетически различны и содержат только половину генетического материала материнской клетки.

Рисунок 02: Дочерние ячейки

Митоз дает две дочерние клетки из одной материнской. Мейоз дает четыре дочерние клетки из одной материнской клетки. Дочерние клетки к моменту своего возникновения являются незрелыми. Следовательно, некоторые остаются прикрепленными к материнской клетке, не отделяясь. Позже они созревают и начинают работать как самостоятельные индивидуальные клетки.

Каковы сходства между материнской клеткой и дочерней клеткой?

  • Материнская клетка и дочерние клетки видны в многоклеточных организмах.
  • Оба участвуют в делении клеток.

В чем разница между материнской клеткой и дочерней клеткой?

Материнская клетка и дочерняя клетка — это два типа клеток, идентифицированных во время клеточного деления.Материнская клетка – это клетка, которая делится на дочерние клетки. Дочерние клетки – это клетки, возникающие в результате клеточного деления. Следовательно, в этом ключевое различие между материнской клеткой и дочерней клеткой. Кроме того, материнская клетка является диплоидной клеткой, а дочерняя клетка может быть как диплоидной, так и гаплоидной. Из одной материнской клетки образуется несколько дочерних. Во время митоза из одной материнской клетки образуются две дочерние клетки, а во время мейоза из одной материнской клетки образуются четыре дочерние клетки.Структурно материнская клетка является зрелой клеткой, тогда как дочерняя клетка является незрелой клеткой. Таким образом, это еще одно различие между материнской клеткой и дочерней клеткой.

Ниже представлена ​​инфографика о разнице между материнской и дочерней клетками.

Резюме

— Материнская клетка против дочерней клетки

Материнская клетка и дочерняя клетка представляют собой два типа клеток, включающих клеточное деление. Материнская клетка — это клетка, которая подвергается делению, а дочерняя клетка — это клетка, которая получается.Не только одна дочерняя клетка возникает из одной материнской клетки; также образуются несколько других клеток. Две дочерние клетки образуются в результате митоза, а четыре дочерние клетки — в результате мейоза. Материнская клетка является диплоидной клеткой, в то время как некоторые дочерние клетки являются диплоидными, а некоторые гаплоидными. Таким образом, в этом разница между материнской клеткой и дочерней клеткой.

Артикул:

1. «Фазы митоза». Академия Хана, Академия Хана. Доступно здесь  

Изображение предоставлено:

1.«Мейоз» Автор Rlawson на en.wikibooks, (CC BY-SA 3.0) через Commons Wikimedia 
2. «MajorEventsInMeiosis» (общественное достояние) через Commons Wikimedia  

Как клетки контролируют «окончательный разрез» во время клеточного деления?

Деление клеток является одним из наиболее важных периодов роста органов и гомеостаза. Клетки в организме размножаются с разной скоростью. Некоторые делятся постоянно и на протяжении всей жизни, например те, что выстилают кишечник, в то время как другие делятся очень редко. Деление клеток занимает центральное место в биологии, но также и в болезнях.

Деление клеток — это высокоточный физический процесс, который заканчивается разделением на две дочерние клетки, процесс, известный как цитокинез.

Цитокинез, разделение клетки на две дочерние клетки, начинается с удушения материнской клетки вокруг экватора нитями, образующими клеточный скелет. Затем сокращение клеток на экваторе, а также центробежное движение дочерних клеток вызывают истончение связи между дочерними клетками. «Это похоже на разрыв двух кусочков жевательной резинки, которые образуют длинную тонкую полоску резинки, которая в конечном итоге распадается», — говорит доктор Мигель А.Вальверде, руководитель лаборатории молекулярной физиологии UPF и руководитель проекта. Длинный тонкий участок плазматической мембраны и цитоплазмы, соединяющий две дочерние клетки, называется межклеточным мостиком, а окончательный разрез, в результате которого образуются две отдельные клетки, называется абсциссией.

Однако существует большая разница между пассивным разрывом десны из-за приложенного механического усилия — разрыва — и захватывающим точным механизмом абсциссии. В случае абсциссии истончение межклеточного мостика образует трубку диаметром менее одного микрометра (10-6 метров) с целью адаптации ее формы и размера к закреплению пружиноподобных белков и их регуляторов. – которые сдавливают плазматическую мембрану, образуя две независимые клетки.«Этот окончательный срез является важным шагом в делении клеток. Это не может произойти слишком рано, потому что дочерние клетки могут не получить всю необходимую информацию, или слишком поздно, потому что разделяющиеся дочерние клетки могут снова слиться в одну клетку, но с двумя ядрами, тем самым приобретя неправильное число хромосом, что известно как анеуплоидия. – важная характеристика многих видов рака», – утверждает доктор Кристина Пухадес, главный исследователь группы биологии развития в UPF.


Рак часто является результатом мутаций ДНК или проблем с делением клеток.
 

С момента открытия в 19 веке того, что клетки делятся, ученые пытались разгадать механизмы, действующие в этом высокоточном процессе. «Мы пришли к выводу, что при формировании межклеточного мостика между дочерними клетками происходит натяжение плазматической мембраны, что может активировать механочувствительные ионные каналы», — говорит доктор Джулия Каррильо, первый автор научной публикации.


Кальций, поступающий в клетку после активации Piezo1, способствует рекрутированию белков, образующих коническую пружину, сдавливающую межклеточную связь между дочерними клетками.
 

Команда UPF обнаружила, что во время цитокинеза механочувствительный ионный канал Piezo1 почти однозначно активируется в межклеточном мостике, где он генерирует диффундирующий кальциевый сигнал. Более того, они обнаружили, что Piezo1 необходим для успешного цитокинеза в различных типах клеток, включая эндотелиальные клетки, которые выстилают внутреннюю часть кровеносных сосудов, клетки, которые лечат наши раны, клетки рака молочной железы или целые организмы, такие как эмбрионы рыбок данио, в которых активность Piezo1 был уменьшен с помощью генетического сайленсинга или токсина, полученного из скорпиона, который специфически связывается с каналом Piezo1, ингибируя его функцию.

Белки пьезоионных каналов были определены в 2010 году лауреатом Нобелевской премии этого года Ардемом Патапутяном как быстрые датчики механических сил, а вскоре после этого они были признаны молекулами, которые наша нервная система использует для восприятия прикосновения. «С момента их открытия мы и другие исследователи предположили, что пьезоканалы не только имеют отношение к ощущению мира, в котором мы живем, но также используются клетками для восприятия и реагирования на свое физическое окружение, когда они растягиваются, сжимаются или перемещаются внутри нашего тела. тела», — утверждает Д.Вальверде.


Piezo1 необходим для успешного цитокинеза в различных типах и видах клеток.
 

Эти результаты закладывают основу для понимания этой короткой динамичной стадии жизни клеток, которая имеет решающее значение для роста и обновления наших органов, и открывают путь к борьбе с неконтролируемой пролиферацией раковых клеток в опухолях с помощью генетической или фармакологической регуляции Пьезо1 канал.

Ссылка: Carrillo-Garcia J, Herrera-Fernández V, Serra SA, et al.Механочувствительный канал Piezo1 контролирует перенос эндосом для эффективного цитокинетического отщепления. Научное продвижение . 7(44):eabi7785. doi: 10.1126/sciadv.abi7785

Данная статья переиздана из следующих материалов. Примечание: материал мог быть отредактирован по длине и содержанию. За дополнительной информацией обращайтесь к указанному источнику.


Сравнение анализа клеточного деления и репродукции клеток для раннего эмбриогенеза Caenorhabditis elegans

РЕФЕРАТ

Анализ клеточного происхождения играет важную роль в понимании наследственности и дифференцировки клеток.Обычные клеточные линии реконструируются в соответствии с доктриной клеточного деления, согласно которой одна материнская клетка делится на две дочерние клетки. Альтернативный метод реконструкции клеточной линии последовал за открытием клеточной репродукции нескольких дочерних клеток, воспроизведенных из одной и той же материнской клетки. Чтобы увидеть, какой метод реконструкции отражает реальность раннего эмбриогенеза Caenorhabditis elegans , было проведено параллельное сравнение двух методов. Здесь я показываю родословную, основанную на клеточном делении, искажающую реальность, и мне не удалось раскрыть какую-либо истинную генеалогию.Линия, основанная на репродукции клеток, соответствовала действительности с одинаковым количеством клеток на каждой исследуемой стадии развития и демонстрировала четкую генеалогическую связь. Сдвиг парадигмы от клеточного деления к анализу клеточного происхождения, основанному на репродукции клеток, необходим для правильного понимания биологии развития и приведет к революции в клеточной биологии и науках о жизни.

ВВЕДЕНИЕ

Анализ клеточного происхождения (CLA) играет важную роль в понимании общей наследственности, включающей наследование как генетической, так и эпигенетической информации.Достоверный CLA должен не только соответствовать действительности по количеству исследуемых клеток, но и правдиво отражать генеалогическую связь между этими клетками. К сожалению, большинство CLA потерпели неудачу в этих аспектах. Обычные CLA, следующие доктрине клеточного деления (CD) о том, что одна материнская клетка делится на две дочерние клетки, даже исключают bona fide генеалогическую связь при реконструкции клеточной линии (Sulston and Horvitz, 1977; Sulston et al. , 1983; Sulston, 2003). Напротив, новые CLA, основанные на открытии того, что материнская клетка может воспроизводиться более одного раза с образованием разных дочерних клеток, позволили выявить генеалогию клеточных линий (Liu, 1999 и 2004a, b, Liu and Zhang, 2004a, b, Liu, 2005а, б и Лю, 2011а, б).К сожалению, этими CR-CLA пренебрегали, и в мейнстриме по-прежнему преобладают CLA на основе CD (CD-CLA) (Liu, 2012a).

Для того, чтобы преодолеть каменные стены ограничения CD на биологические исследования и извлечь огромную пользу из науки о жизни, основанной на CR, для биомедицины, необходимо выполнить некоторые параллельные сравнения между пониманием, основанным на CD, и на основе CR. клеточной жизни. Прямое противопоставление CLA с точки зрения CD и CR может ускорить признание недостатков и даже иллюзий догмы CD и, таким образом, способствовать принятию проницательной и правдивой науки о жизни, основанной на открытиях CR.

Это прямое сравнение может быть эффективно проведено на модельном организме, для которого имеется обширная информация о биологии его развития. Кроме того, это сравнение может быть лучше всего выполнено в прямом, а не в обратном CLA. В идеале эту передовую CLA следует начинать с самого начала многоклеточной жизни.

Инвариантный состав клеток Caenorhabditis elegans ( C. elegans ) (Sulston et al., 1983) и наличие даже некоторой критической информации (Zacharias and Murray, 2016) для создания надежной матери-дочери (MD) задание сделало начальную стадию C.elegans в качестве эмбриогенеза является подходящим объектом для выполнения этой передовой CLA. В этом отчете представлены некоторые ключевые результаты, которые напрямую сравнивают CD-CLA с CR-CLA по реконструкции клеточного клона за первые 100 минут эмбриогенеза Ce и, что более важно, обсуждают эти результаты в связи с предыдущими публикациями, критикующими догму CD и продвигающими Инсайты CR. Поскольку одни и те же наборы данных, полученные из уважаемых публикаций, использовались для различных сравнений между CD-CLA и CR-CLA, сравнения проводились на объективной основе. Таким образом, плюсы и минусы контрастных CLA должны быть очевидны.

РЕЗУЛЬТАТЫ

Реконструкция бифуркационной дендрограммы

На рисунке 1А показана типичная бифуркационная дендрограмма на основе компакт-диска для клеточной линии, реконструированная путем уплотнения шести верхних уровней основной дендрограммы, показывающая полную эмбриогенную клеточную линию Ce (Sulston 0 al. , 1983). На шестом уровне этой сокращенной дендрограммы идентифицировано 30 клеток, а не 32 клетки, как обычно ожидается при синхронных клеточных делениях.На рис. 1В показана нетрадиционная бифуркационная дендрограмма на основе CR для тех же самых 30 клеток, названных в соответствии со схемой CR [Liu, 1999], описанной в Методах. При выполнении CR-CLA было сделано предположение, что все клетки P n , изображенные в CD-CLA, были одной и той же материнской клеткой, захваченной на разных стадиях развития после репродукции n th . Для присвоения М-Д в других парах делений было сделано допущение «мать слева, дочь справа». Но эти назначения MD могут быть совершенно неправильными, как показано в более поздних CR-CLA.

Рисунок 1. Дендрограмма

, представляющая клеточную линию для ранней стадии эмбриогенеза Caenorhabditis elegans в соответствии с принципами клеточного деления (A) и клеточной репродукции (B) соответственно.

Очевидная разница между дендрограммой клеточных клонов на основе CD и CR заключается в том, что дендрограмма CD-CLA рассматривает все клетки, спаренные делением, как «сестры», а все клетки на одном уровне дендрограммы — как «потомки» в пределах одного и того же «поколения». (Рисунок 1А). Однако это не относится к дендрограмме на основе CR, в которой каждая пара репродукции имеет отношения MD, а клетки на одном уровне дендрограммы включают материнскую клетку-предка и ее потомков, которые могут распространяться на несколько поколений (рис. 1B). ).

Реконструкция родословного дерева

Вышеупомянутые различия между CD-CLA и CR-CLA стали еще яснее, когда клеточные линии были изображены в виде родословного дерева. На рисунке 2А показано родословное дерево, построенное для 30 ячеек, однозначно идентифицированных на горизонтальном уровне 6 th приведенной выше дендрограммы CR-CLA (рисунок 1В). По сравнению с дендрограммным представлением клеточного происхождения родословное представление клеточного происхождения показывает еще более четкую генеалогическую связь между всеми исследуемыми клетками.Всего среди этих 30 клеток было 6 поколений, и их распределение по поколениям показано в таблице-вставке на рисунке 2А.

Рисунок 2.

Древовидные деревья клеток, названные в соответствии с принципами клеточной репродукции (A) и клеточного деления (B) для ранней стадии эмбриогенеза Caenorhabditis elegans . Линии со стрелками указывают на репродукцию клеток, а горизонтальные линии соединяют родственные клетки в одном поколении.

Поскольку сам CD-CLA не мог создать родословное дерево, клетки с именами CD, занимающие эквивалентные позиции между дендрограммами CD-CLA и CR-CLA, были принудительно добавлены в родословное дерево, полученное из CR-CLA (рис. 2B).Однако это принудительное родословное дерево не имеет никакого генеалогического смысла из-за названий ячеек на основе компакт-диска.

Приведенный выше контраст показывает, что в то время как CR-CLA может легко передать богатую генеалогическую информацию, CD-CLA не обладает внутренней способностью раскрывать какую-либо истинную генеалогию.

Трехмерные пространственные реконструкции

Дефицит CD-CLA стал еще более серьезным, когда его результаты были проверены на практике. Знаменательная публикация эмбриональной клеточной линии для C.elegans содержит диаграмму, показывающую пространственное расположение 28 клеток (Sulston et al., 1983), а не 30 клеток, как было бы получено из приведенной выше реконструкции клеточной линии дендрограммы. Более поздние исследования подтвердили, что в течение первых 100 минут эмбриогенеза Ce действительно происходит только 28 клеток, происходящих из зиготы, и в течение этого периода не происходит гибели/потери клеток (Heid, et al. , 2002; Giurumescu and Chisholm, 2011). Таким образом, если CLA действительно работает, она должна быть способна напрямую идентифицировать все генеалогические отношения между этими клетками.Однако, когда CD-CLA был применен к трехмерной пространственной реконструкции клеточной линии, единственным генеалогическим родством, которое можно было идентифицировать, было «сестринское» родство (рис. S1A), которое зависит от правильности предположения о том, что спаренные по делению клетки являются « дочери-двойняшки». Однако это предположение неверно, поскольку CR-CLA фактически идентифицировал эти «сестринские» пары как пары MD (рис. S1B).

В отличие от CLA на основе CD, который рассматривал бы все 28 клеток как «потомков» одного и того же «поколения», CR-CLA показал, что эти 28 клеток принадлежат к 6 различным поколениям (рис. 2A) с Z 4 в качестве самой старой клетки. который размножался 4 раза, чтобы родить Za, Zb, Zc и Zd (рис. S1B).Самая молодая клетка — Zaaaaa 0 , принадлежит к поколению 6 th и еще не подвергалась репродукции клеток. Однако следует отметить, что из-за потенциальной ошибки в назначении MD, которая будет замечена в более позднем анализе, размещение некоторых клеток-потомков в этой трехмерной реконструкции клеточной линии может быть все еще неправильным.

Пространственно-временная реконструкция в формате 4D

Подробная временная запись очень полезна для реконструкции клеточных линий.Таким образом, 4D пространственно-временная динамика формирования клеточных клонов была реконструирована из изображений с отметками времени очень ранней стадии эмбриогенеза C. elegans [Verbrugghe and Chan, 2011]. Последовательное формирование 1-, 2-, 3- и 4-клеток было помечено в соответствии с правилами именования клеток CD-(рисунок S2A) и CR-(рисунок S2B) соответственно. Тем не менее, стоит предупредить, что даже с этим 4D CLA назначение MD для пары Za-Zaa в CR-CLA все еще остается неопределенным, поскольку отсутствовала критическая информация о возрасте клеток для подтверждения того, какая из них является настоящей матерью, а какая настоящая дочь.

5D-реконструкция на основе CR

Поскольку в обычных CD-CLA трудно найти информацию о возрасте клеток, для создания можно использовать другую информацию, такую ​​как память клеточной полярности, историю клеточных контактов, профиль экспрессии генов и сигнальный путь. какое-то «обоснованное» предположение об идентификации MD. В совокупности этот набор информации рассматривался в этом исследовании как 5 th измерение в реконструкции клеточной линии для приближения к генеалогическому отражению. Недавний обзор под названием «комбинаторное декодирование инварианта C.elegans эмбриональная линия в пространстве и времени (Zacharias and Murray, 2016) содержала некоторую информацию о таких измерениях, как 5 th . Хотя в этом обзоре по-прежнему представлена ​​CLA на основе CD для формирования клеточной линии от зиготы до 16-клеточной эмбриональной стадии (рис. 3A), реконструкция клеточной линии на основе CR была создана с учетом соответствующей информации о размерах 5 th . назначения MD для всех пар делений (рис. 3B).

Рис. 3.

5D пространственно-временная динамика клеточного клона на стадиях от 1 до 16 клеток эмбриогенеза Caenorhabditis elegans с названиями клеток по схеме CD-(A) и CR-(B).

При сравнении этой 5D-реконструкции 16-клеточной клеточной линии (рис. 3B) с предыдущей 3D-реконструкцией 28-клеточной клеточной линии (рис. S1) было замечено, что 5D-реконструкция показала некоторый последовательный пространственный паттерн в распределении клеток разных поколений (рис. 3B), а не более случайное распределение в предыдущей 3D-реконструкции (рис. S1). В этой 5D-реконструкции все дочери Z (Za, Zb, Zc и Zd) были обнаружены на близком расстоянии от их материнской клетки.Дочерние клетки Zx обычно обнаруживались вблизи соответствующих им материнских клеток. Таким образом, в пространственном расположении зародышевых клеток отражалась своего рода генерационная прогрессия. Общая полярность «клеточного возраста» наблюдалась у 16-клеточного эмбриона: самая старая клетка (Z 4 ) и самая молодая клетка (Zaaaa 0 ) были обнаружены на противоположных концах эмбриона (рис. 3В).

Эта 5D-реконструкция клеточного происхождения также выявила общую черту: материнская клетка обычно находилась на задней стороне, а дочерняя клетка обычно находилась на передней стороне данной пары MD (рис. 3B).Таким образом, предположение «левая мать, правая дочь», сделанное для предыдущих CR-CLA, было явно неверным и, следовательно, должно быть исправлено как «правая мать, левая дочь». Когда это правило «правая мать, левая дочь» использовалось для переименования ячеек в дендрограмме CD (рис. 3A), дендрограмма CR показала размещение ячеек, совпадающее с клетками в пространственном изображении (рис. 3B), с самой старой и самой молодой. ячейки с двух сторон дендрограммы.

Также на CR-дендрограмме была замечена некоторая регулярность во времени репродукции волн, обозначенная пунктирными линиями, пересекающими CR-дендрограмму (рис. 3B).Последующее воспроизводство материнской зиготной клетки всегда происходило позже, чем воспроизводство ее предыдущей дочери, и это отставание во времени воспроизводства было меньше для потомков Za, чем для потомков Zb (рис. 3B). Эта репродукционная асинхронность на том же уровне дендрограммы может объяснить, почему в предыдущих CLA было показано только 30 клеток (рис. 1 и 2) и только 28 клеток было в эмбрионе на стадии «32 клеток» (рис. S1).

Клеточная линия и топология развития

Из вышеприведенного анализа стало ясно, что основные принципы CR-CLA можно обобщить на простой схеме (рис. 4А).На этой диаграмме так называемое «поколение», как ошибочно считают CD-CLA, правильно идентифицирует как стадию развития. Так называемая асинхронность «деления» воспринимается как временные различия в воспроизведении между разными клетками. Клетки, захваченные в одной репродукционной волне, могут быть разными по генеалогическому поколению и близкими по хронологическому возрасту.

Рисунок 4.

Схематическое резюме основных характеристик CR-CLA (A) и диаграмма, показывающая топологию развития (B) 28-клеточного эмбриона Caenorhabditis elegans .На схеме (А) разные стадии развития показаны блоками разного цвета, а разные поколения клеток разделены вертикальными линиями. Ссылка на размножение клеток указана зигзагообразной стрелкой. Переход клеток с более ранней на более позднюю стадию показан вертикальной стрелкой. Штриховые линии разделяют разные волны репродукции клеток. На топологической диаграмме (B) разные волны репродукции клеток показаны изохронами разного цвета, которые также представляют разные хронологические возрасты.Клеточные линии были показаны клетками, связанными линиями со стрелками разных цветов: белым, красным, синим, черным и зеленым, чтобы представить сцепление до первого, второго, третьего, четвертого и пятого поколения соответственно.

Кроме того, была обнаружена некоторая закономерность в топологии развития, включенной с помощью CR-CLA (рис. 4B). Многоклеточный организм развивается из одной клетки за счет последовательных волн клеточного размножения, показанных как пространственно расширяющиеся кольца (изохроны) с течением времени вовне.В многоклеточный организм добавляются новые и, следовательно, более молодые клетки, поэтому топологическое пространство развивающегося многоклеточного организма увеличивается. Клетки, собранные в каждой изохроне, имеют сходный хронологический возраст, даже если они могут принадлежать к разным поколениям из-за асинхронности репродукции среди разных клеточных линий. Эта асинхронность репродукции клеток также является признаком клеточной дифференцировки помимо других общепризнанных аспектов клеточной дифференцировки.

Неоднородность возраста клеток в раннем эмбрионе

Принимая во внимание вышеизложенные принципы CR-CLA и признавая потенциальную систематическую ошибку в назначении M-D в более ранних CR-CLA, дендрограмма для 28-клеточного C.elegans был обновлен с последовательным назначением MD в соответствии с предположением «правая мать, левая дочь» (рис. 5A). Это изменение не повлияло на структуру родословной, потому что ее генеалогическое раскрытие клеточной линии не зависит от размещения клеток. Однако эта коррекция в назначении MD оказала сильное влияние на трехмерное картирование клеточных линий (рис. 5B). Путем исправления названий клеток в соответствии с обновленной дендрограммой было замечено очень регулярное размещение клеток, показывающее близость MD и разрыв между поколениями (рис. 5B), в отличие от более случайного распределения клеток, в котором такие закономерности отсутствуют (рис. S1B).Та же самая полярность «клеточного возраста», которая наблюдается для вышеуказанного CR-CLA на 16-клеточном эмбрионе (рис. 3B), была постоянно показана здесь для 28-клеточного эмбриона (рис. 5B) с самым старшим (Z 4 ) и самым молодым ячейка (Zaaaaa 0 ) на противоположных полюсах.

Рисунок 5. Дендрограмма клонов на основе

CR (A) и трехмерная карта (B) для 28-клеточных эмбрионов по принципам CD (слева) и CR (справа) соответственно. Цвета клеток на карте CR-CLA были основаны на том же наборе цветов, который использовался для отображения топологии развития (рис. 4В).

На самом деле, когда та же самая серия цветов, имеющих значение возраста, которая использовалась для изображения последовательных волн репродукции клеток в топологии развития (рис. 4B), использовалась для заполнения ячеек в трехмерном генеалогическом картировании, возрастная асимметрия клеток в 28-клеточный эмбрион стал более очевидным (рис. 5В). Полюс клеток зародышевой линии содержит больше клеток раннего поколения и хронологически более старых клеток, в то время как полюс клеток не зародышевой линии содержит больше клеток более позднего поколения и хронологически более молодых клеток.

Дифференцировка клеток с точки зрения CD и CR

Очень важной особенностью эмбриогенеза Ce является его очень ранняя клеточная дифференцировка, в результате которой образовались пять различных «клеток-основателей» (Sulston, 1983) (рис. 6А). Эти разные клетки-основатели считались предками разных подлиний, которые вносят вклад в формирование разных тканей. С точки зрения CD, эти дифференцировки клеток достигаются за счет последовательных асимметричных клеточных делений с изменением клеточной судьбы, которые приводят к образованию двух разных дочерних клеток при каждом делении.Таким образом, в CD-CLA разные Р-клетки не только дифференцируются из соответствующих им «сестринских» клеток, но также дифференцируются сами по себе с течением времени (рис. 6А). Однако в CR-CLA все P-клетки были идентифицированы как одна и та же материнская клетка, пережившая последовательные циклы клеточного размножения (фиг. 6B). Таким образом, в этой материнской зиготной клетке нет реальной дифференциации изменения клеточных судеб, хотя ее статус мог измениться каким-то другим образом, например, в результате нормального старения или аномальной мутации.С другой стороны, CR-CLA указывает на то, что дифференцированное размножение клеток, вероятно, происходит по-разному на разных этапах клеточного размножения зиготы с образованием разных дочерних клеток, которые служат отличительными «основателями» или стволовыми клетками, ведущими к разным сублиниям, способствующим различных тканей (рис. 6B).

Рисунок 6.

Дифференцировка клеток и формирование ткани из CD-(A) и CR-(B) формирования клеточной линии. В представлении линии CR-клеток тотипотентность зиготы (Z) показана полным набором цветных полос.При дифференцированном размножении клеток (обозначено стрелками, соединяющими пары размножения) образуются разные плюрипотентные стволовые клетки, которые приводят к образованию разных тканей. Тотипотентность зиготы сохраняется в клетках зародышевой линии, в то время как терминально дифференцированные клетки могут быть обнаружены в соме.

Это важное различие между точками зрения CD- и CR-CLA на клеточную дифференцировку также подразумевает, что вместо многократного «самообновления» онтогенетической тотипотентности, которая должна сохраняться при повторяющихся бифуркационных делениях дифференцировки клеточных судеб (рис. 6А), онтогенетическая тотипотентность внутренне сохраняется в предковой зиготе, которая заканчивается клетками зародышевой линии (рис. 6В).

ОБСУЖДЕНИЕ

С момента открытия повторяющихся клеточных репродукций (CR) одной и той же материнской клеткой (рис. S3-6) основанный на CR анализ клеточных клонов (CLA) использовался для построения клеточных клонов, выявляющих генеалогию, для одноклеточных прокариотических организмов. (Liu, 1999), а также для многоклеточных эукариотических организмов (Liu, 2005b; и Liu, 2011a и b). CR-CLA для одноклеточных прокариотических организмов были основаны на непрерывном отслеживании в реальном времени индивидуального роста и размножения бактерий (Liu, 1999) (рис. S7).CR-CLA для многоклеточных эукариотических организмов впервые были выполнены in silico с общей теоретической моделью (Liu, 2005b) (рис. S8). Позже публикация, в которой представлена ​​CD-CLA для эмбриогенеза рыбок данио (Olive et al., 2010), подверглась критике (Liu, 2011a). В этой критике указывалось, что реконструкция клеточной линии на основе CD не отражала истинной генеалогии, поскольку содержала много «материнских клеток-призраков» — материнских клеток, которые не должны были существовать по принципу клеточного «деления» и фактически были переименованы в дочерние. клетки.При наличии этих дополнительных «материнских клеток-призраков» клеточная линия на основе CD для 64-клеточной стадии эмбриогенеза рыбок данио фактически содержала 127 клеток (рис. S9). Однако, когда одни и те же исходные данные были проанализированы с точки зрения CR, линия клеток была реконструирована с одинаковым количеством клеток для каждой стадии эмбриогенеза рыбок данио (Liu, 2011b) (рис. S10). Кроме того, четкая генеалогия эмбриогенеза рыбок данио от зиготы до стадии 64 клеток была показана с родословным деревом (рис. S11).

К сожалению, игнорирование открытия CR со стороны мейнстрима и сопротивление публикации этих проницательных CR-CLA в авторитетных журналах (Liu, 2012b) привели к продолжающемуся доминированию ошибочных CD-CLA для реконструкции клеточных линий. AceTree, популярный инструмент для визуального анализа эмбриогенеза Ce путем связывания изображений и аннотаций с использованием древовидного представления, по-прежнему следует принципу CD, согласно которому одна материнская клетка делится на две дочерние клетки (Bao et al., 2006; Boyle et al., 2006; Мюррей и Бао, 2012 г.). Чтобы передать клеточную линию через поколение в дереве, одна «сестринская» клетка была переименована из предыдущей материнской клетки, которая считалась «мертвой» по принципу клеточного деления. Например, левая дочь от деления клетки Aba была отслежена как ABal, потому что последняя занимала место первой (Boyle et al. 2006). Однако это ироническое изменение (в названии) «мертвой» материнской клетки на «новорожденную» дочернюю клетку в AceTree все еще не преодолевает присущую CD-CLA неспособность отражать истинную генеалогию. Это связано с тем, что AceTree не делает различий между двумя ячейками, полученными из одной ячейки. Что еще более важно, «мертвая» материнская клетка, скорее всего, превратилась в настоящую дочернюю клетку. Эта возможность существует, поскольку текущее исследование показало систематическую ошибку ошибочного назначения MD в соответствии с обычным правилом «левая мать, правая дочь» (рис. 1, 3, 4).

Догма CD ограничивает любое различие поколений и возрастов клеток между двумя клетками, происходящими из одной клетки. Но открытие CR диктует абсолютную генерационную и возрастную асимметрию между двумя клетками, происходящими из одной клетки, независимо от того, насколько похожи эти две клетки (Liu, 1999).Эта асимметрия поколения и возраста клеток между двумя клетками, полученными из одной клетки, очень важна для рассмотрения методологии синхронизации клеток («деление»/размножение) (Liu 2004a и 2005c), особенно когда две клетки, полученные из одной клетки, показывают некоторое отставание во времени в их позднее «деление»/воспроизведение (Liu, 2004b и c). Существование разрыва между поколениями и хронологической разницы в возрасте между любыми «делящимися» парными или связанными с репродукцией клетками предполагает необходимость исследования отдельных клеток (Liu, 2005d) и объединения материала из парных клеток или усреднения данных по парным клеткам для отчет как представление или среднее значение клеток «того же типа» может быть неуместным.К сожалению, многие исследования отдельных клеток просто проводили свои эксперименты и/или анализировали свои данные таким ошибочным образом (Liu, 2014a).

Как неоднократно указывалось в этом исследовании, правильное назначение MD очень важно для надежного CR-CLA. Таким образом, хронологическое определение возраста клеток необходимо для надежного определения CR-CLA. Потенциально существует множество способов определения возраста клеток. Гипотеза о том, что более старые нити матричной ДНК сохраняются материнскими клетками, а более молодые нити матричной ДНК сегрегируются в дочерние клетки при репродукции клеток, указывает на полезность возраста ДНК как индикатора возраста клетки (Liu, 1999). Был даже представлен эксперимент по маркировке ДНК in silico , чтобы продемонстрировать его полезность (Liu, 2005a) (рис. S12). Эта гипотеза объясняет наблюдение полуконсервативной репликации ДНК (Meselson and Stahl, 1958) с другой точки зрения (Liu, 2006a) (рис. S13). Что еще более важно, когда опубликованные данные о случайном разделении цепей ДНК (Kiel et al., 2007; Steinhauser et al., 2012; and Yadlapalli et al., 2011) были проанализированы с точки зрения CR, устойчивые закономерности сохранения более старых цепей матричной ДНК материнскими клетками и наблюдали сегрегацию младших цепей матричной ДНК в дочерние клетки (Liu 2007a и b; Liu, 2012b; Liu, 2014c) (рис. S14-16).Таким образом, будущие исследования клеточной линии C. elegans должны изучить эту ось старения ДНК-клеток в развитии C. elegans и сделать надежное отнесение MD к парам клеток, связанных с репродукцией, на более поздних эмбриональных стадиях, чтобы расширить достоверное открытие генеалогии для полного эмбриона. и не только.

Развитие технологий сделало отслеживание клеточных линий эмбриогенеза Ce очень удобным и простым (Thomas, et al., 1996; Heid et al., 2002; Giurumescu and Chisholm, 2011; Verbrugghe and Chan, 2011; and Mace, 2013). ).Но изменение парадигмы с CD-CLA на CR-CLA необходимо для осознания огромной ценности массивной информации, полученной в результате обширных исследований C. elegans (Stain et al., 2001; Bao et al., 2006; Boyle et al. ., 2006; Мюррей и Бао, 2012; Сантелла и др., 2016; Захариас и Мюррей, 2016).

Когда жизнь микробного прокариотического одноклеточного организма (рисунок S17) и жизнь символического макробиального эукариотического многоклеточного организма (рисунок S18) сравниваются с точки зрения общего размножения клеток, становится ясно, что не должно быть дихотомии с точки зрения их основные жизненные принципы.Универсальная модель жизни (рис. S19) может быть применена ко всем формам клеточной жизни, которые подчиняются некоторым общим принципам жизни, включая: (1) наличие начала и конца; (2) развитие через три стадии жизни: предрепродуктивная ювенильная стадия, репродуктивная взрослая стадия и пострепродуктивная стареющая стадия; и (3) старение с увеличением хронологического возраста. Различие между одноклеточным и многоклеточным организмом заключается в отсутствии (Liu, 2006c; Liu, 2014b) (рис. S17) и наличии (рис. S18) дифференцировки клеток внутри отдельного тела соответствующего организма.

Публикации CD-CLA по C. elegans (Sulston and Horvitz, 1977; Sulston et al., 1983) создали дорожную карту для систематического изучения генетических мутаций в многоклеточном развитии (Horvitz and Sulston, 1980; Sulston 2003) и превращение маленького червя в гигантский модельный организм для биологических исследований (Goldstein, 2016; Kemphues, 2016). Я бы хотел, чтобы публикация этого CR-CLA на самой начальной стадии эмбриогенеза C. elegans могла привести к быстрой смерти догмы CD и теплому восприятию новой биологии CR (Liu, 2006b).Совсем недавно прозвучал призыв к созданию атласа клеток человека (Hayden, 2016). Может ли быстрое завершение создания атласа клеток червей с помощью CR-CLA обеспечить не только надежное подтверждение для науки о жизни, основанной на CR, но и некоторый ценный опыт для проекта атласа клеток человека?

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

CD-CLA, выполненные в этом исследовании, были основаны на опубликованной информации, полученной из соответствующих исследовательских работ, цитируемых в соответствующих разделах результатов. CR-CLA в текущем исследовании использовали те же данные из соответствующих CD-CLA, но интерпретировали эти данные способами CR, описанными в более ранних публикациях [Liu 1999, 2005a].Вкратце, название начиналось с одной буквы Z для зиготы и добавляло одну букву алфавита к дочерней клетке в алфавитном порядке. Например, первая и вторая дочери Z были названы Za и Zb соответственно. Этот образец именования клеток был продолжен для всех более поздних потомков. Таким образом, количество букв, содержащихся в имени ячейки, напрямую отражает поколение ячейки. Число в верхнем индексе в имени клетки указывает на количество репродукций, которые испытала клетка.

БЛАГОДАРНОСТЬ

Я благодарю свою жену Цзин Чжан за многолетнюю поддержку моих исследований в свободное от работы время в области науки о жизни, основанной на репродукции клеток, которые не финансировались никаким грантом. Я также благодарю Инициативу Чанга-Цухербурга за создание «атласа клеток человека» (https://www.facebook.

Author: alexxlab

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.