Co to jest mitoza?

Podstawowym mechanizmem, za pomocą którego organizmy wytwarzają nowe komórki, jest podział komórek. Podczas tego procesu pojedyncza komórka „macierzysta” podzieli się i utworzy identyczne komórki „potomne”. W ten sposób komórka rodzicielska przekazuje swój materiał genetyczny do każdej ze swoich komórek potomnych. Najpierw jednak komórki muszą powielać swoje DNA. Mitoza to proces, w którym komórka segreguje swoje zduplikowane DNA, ostatecznie dzieląc jądro na dwie części.

Podział komórek to uniwersalny proces zachodzący wśród żywych organizmów. W 1855 r. Niemiecki badacz Rudolf Virchow dokonał fundamentalnej obserwacji na temat wszystkich żywych stworzeń: każda komórka pochodzi z innej komórki lub „omnis cellula e cellula,„w oryginalnej łacinie, jak wspomina autor Myron Shultz w artykule z 2008 roku w czasopiśmie Emerging Infectious Diseases.

Mechanizmy podziału komórek są różne u prokariontów i eukariontów. Prokariota to organizmy jednokomórkowe, takie jak bakterie i archeony. Mają prostą strukturę wewnętrzną ze swobodnie pływającym DNA. Wykorzystują podział komórek jako metodę rozmnażania bezpłciowego, w której skład genetyczny rodzica i potomstwa jest taki sam. Jednym z powszechnych mechanizmów rozmnażania bezpłciowego u prokariontów jest rozszczepienie binarne. Podczas tego procesu komórka rodzicielska powiela swoje DNA i zwiększa objętość zawartości swojej komórki. Ostatecznie w środku komórki pojawia się szczelina, prowadząca do powstania dwóch identycznych komórek potomnych.

Z drugiej strony komórki eukariontów mają zorganizowany przedział centralny zwany jądrem i inne struktury, takie jak mitochondria i chloroplasty. Większość komórek eukariotycznych dzieli się i produkuje identyczne kopie samych siebie, zwiększając objętość swojej komórki i powielając DNA w serii zdefiniowanych faz zwanych cyklem komórkowym. Ponieważ ich DNA jest zawarte w jądrze, również ulegają podziałowi jądrowemu. „Mitozę definiuje się jako podział jądra eukariotycznego” - powiedział M. Andrew Hoyt, profesor biologii na Uniwersytecie Johnsa Hopkinsa, „[chociaż] wielu ludzi używa go do odzwierciedlenia całego cyklu komórkowego, który jest używany do duplikacji komórek”.

Podobnie jak prokarionty, jednokomórkowe eukarionty, takie jak ameby i drożdże, również wykorzystują podział komórek jako metodę rozmnażania bezpłciowego. W przypadku złożonych wielokomórkowych eukariontów, takich jak rośliny i zwierzęta, podział komórek jest niezbędny do wzrostu i naprawy uszkodzonych tkanek. Komórki eukariotyczne mogą również podlegać wyspecjalizowanej formie podziału komórkowego zwanej mejozą, która jest niezbędna do produkcji komórek rozrodczych, takich jak plemniki, komórki jajowe i zarodniki.

Etapy cyklu komórkowego eukariotycznego

Cykl komórki eukariotycznej to seria dobrze zdefiniowanych i dokładnie zaplanowanych w czasie zdarzeń, które pozwalają komórce rosnąć i dzielić się. Według Geoffery Cooper, autora książki „The Cell: A Molecular Approach, 2nd Ed.” (Sinauer Associates, 2000) większość cykli komórek eukariotycznych ma cztery etapy:

Faza G1 (pierwsza faza przerwy): Podczas tej fazy komórki, które są przeznaczone do mitozy, rosną i wykonują różne czynności metaboliczne.

Faza S. (faza syntezy): Podczas tej fazy komórka powiela swoje DNA. Eukariotyczny DNA jest zwinięty wokół sferycznych białek histonowych, tworząc strukturę w kształcie pręcika zwaną chromosomem. Podczas fazy S każdy chromosom generuje swoją kopię, czyli chromatyd siostrzaną. Dwie siostrzane chromatydy łączą się ze sobą w punkcie zwanym centromerem, a kompleks przypomina kształtem literę „X”.

Faza G2 (druga faza przerwy): Podczas tej fazy komórka nadal rośnie i wytwarza białka niezbędne do mitozy.

(Fazy G1, S i G2 są łącznie określane jako „międzyfaza”).

Faza M. (mitoza): Mitoza polega na segregacji siostrzanych chromatyd. Struktura włókien białkowych zwana wrzecionem mitotycznym zaczepia się o centromer i zaczyna się kurczyć. To rozdziela siostrzane chromatydy, powoli przesuwając je na przeciwległe bieguny komórki. Pod koniec mitozy każdy biegun komórki ma pełny zestaw chromosomów. Błona jądrowa ulega reformie, a komórka dzieli się na pół, tworząc dwie identyczne komórki potomne.

Chromosomy ulegają silnemu zagęszczeniu podczas mitozy i można je wyraźnie zobaczyć jako gęste struktury pod mikroskopem.

Powstałe komórki potomne mogą ponownie wejść w fazę G1 tylko wtedy, gdy są przeznaczone do podziału. Nie wszystkie komórki muszą dzielić się w sposób ciągły. Na przykład ludzkie komórki nerwowe przestają się dzielić u dorosłych. Komórki narządów wewnętrznych, takie jak wątroba i nerki, dzielą się tylko w razie potrzeby: aby zastąpić martwe lub uszkodzone komórki. Tego typu ogniwa wchodzą w fazę G0 (fazę spoczynku). Pozostają aktywne metabolicznie i przechodzą do fazy G1 cyklu komórkowego tylko wtedy, gdy otrzymują niezbędne sygnały molekularne - twierdzi Cooper.

Etapy mitozy

Mitoza jest podzielona na cztery etapy, zgodnie z materiałami kursowymi z University of Illinois w Chicago. Charakterystyczne etapy widoczne są również w drugiej połowie mejozy.

Profaza: Zduplikowane chromosomy są zbite i można je łatwo wizualizować jako chromatydy siostrzane. Wrzeciono mitotyczne, sieć włókien białkowych, wyłania się ze struktur zwanych centriolami, umieszczonymi na obu końcach komórki. Wrzeciono mitotyczne jest elastyczne i składa się z mikrotubul, które z kolei składają się z podjednostki białkowej tubuliny.

Metafaza: Błona jądrowa rozpuszcza się i mitotyczne wrzeciono przyczepia się do siostrzanych chromatyd w centromerze. Wrzeciono mitotyczne może teraz przemieszczać chromosomy w komórce. „Można zrobić analogię do dźwigara podtrzymującego drapacz chmur” - powiedział Hoyt. „Z wyjątkiem tego, że dźwigar może się bardzo szybko montować i demontować. Są to elementy konstrukcyjne, które są niezwykle dynamiczne”. Pod koniec metafazy wszystkie chromosomy są wyrównane w środku komórki.

Anafaza: Wrzeciono mitotyczne kurczy się i rozdziela chromatydy siostrzane. Zaczynają przesuwać się na przeciwległe końce komórki.

Telofaza: Chromosomy docierają do obu końców komórki. Błona jądrowa tworzy się ponownie, a ciało komórki dzieli się na dwie części (cytokineza).

Pod koniec mitozy jedna komórka wytwarza dwie identyczne genetycznie komórki potomne.

Regulacja cyklu komórkowego i rak

Różne wydarzenia cyklu komórkowego są ściśle regulowane. Jeśli na którymkolwiek etapie wystąpią błędy, komórka może zatrzymać postęp podziału komórki. Według Coopera takie mechanizmy regulacyjne są znane jako punkty kontrolne cyklu komórkowego. Istnieją trzy punkty kontrolne w ramach faz G1, G2 i M. Uszkodzone DNA zatrzymuje progresję cyklu komórkowego w fazie G1, zapewniając, że nieprawidłowa komórka nie będzie replikowana. Punkt kontrolny G2 reaguje na nieprawidłowo zduplikowane lub uszkodzone DNA. Zapobiega przechodzeniu komórek do fazy M do czasu prawidłowej replikacji DNA lub naprawienia uszkodzenia. Punkt kontrolny fazy M może zatrzymać cykl komórkowy w metafazie. Zapewnia, że ​​wszystkie chromatydy siostrzane są prawidłowo podłączone do wrzeciona mitotycznego i że chromatydy siostrzane poruszają się w kierunku przeciwnych końców komórki.

„Jeśli coś pójdzie nie tak i nie zostanie to naprawione, w efekcie niektóre komórki otrzymają dodatkowe chromosomy, a inne mają niedobór” - powiedział Hoyt. „Często te komórki mają genotyp [sekwencję DNA], który nie podtrzymuje życia komórki i komórka woli umiera. To zazwyczaj dobra rzecz”.

Czasami nieprawidłowe komórki nie tylko przeżywają, ale również rozmnażają się. Najczęściej komórki te są zaangażowane w raka. „To [komórka] może mieć dodatkową kopię chromosomu, który zawiera onkogen. A to zacznie przyspieszać cykl komórkowy, kiedy nie powinien,” powiedział Hoyt. „To pierwszy krok w kierunku progresji raka”. Wiadomo, że komórki rakowe przechodzą przez szalejące i nieuregulowane podziały komórkowe.

Związek między cyklem komórkowym a rakiem doprowadził do opracowania klasy leków przeciwnowotworowych, które są specyficznie ukierunkowane na komórki rakowe podczas mitozy. Według artykułu opublikowanego w 2012 r. W czasopiśmie Cell Death & Disease, „strategia ta obejmuje przedłużone zatrzymanie komórek w trakcie mitozy, którego kulminacją jest mitotyczna śmierć komórki”.

Na przykład trucizny mikrotubul zatrzymują mitozę poprzez celowanie w mikrotubule, główny składnik wrzeciona mitotycznego. Uszkodzenie tych cienkich, pustych, mikroskopijnych włókien białkowych ostatecznie zapobiega rozerwaniu chromatyd siostrzanych. Przykładami trucizn mikrotubulowych są leki paklitaksel (taksol) i alkaloidy barwinka, które są stosowane w leczeniu szeregu nowotworów, w tym niektórych nowotworów jajnika i piersi..

Jednak trucizny mikrotubul nie są pozbawione ograniczeń. Według artykułu przeglądowego z 2018 roku opublikowanego w czasopiśmie EMBO Reports, leki te mogą czasami być toksyczne dla komórek mózgowych lub komórki rakowe mogą stać się lekooporne i uniknąć śmierci. Starając się znaleźć alternatywne rozwiązania, naukowcy chcą opracować leki ukierunkowane na inne aspekty mitozy. W 2016 roku Agencja ds.Żywności i Leków (FDA) zatwierdziła stosowanie nowego leku Palbociclib w połączeniu z istniejącymi lekami przeciwnowotworowymi w leczeniu niektórych rodzajów raka piersi. Według artykułu przeglądowego z 2017 roku opublikowanego w czasopiśmie Nature Reviews Cancer, palbocyklib działa poprzez utrzymywanie komórek rakowych w stanie zamrożenia w fazie G1.

Według raportów EMBO związki testowane do tej pory w badaniach klinicznych odniosły pewien sukces, ale nie były tak skuteczne jak trucizny mikrotubul. Niemniej jednak ukierunkowanie na mitozę w leczeniu raka pozostaje aktywnym obszarem badań.

Dodatkowe zasoby

• The Biology Project (University of Arizona): The Cell Cycle & Mitosis Tutorial
• Biology4Kids.com: Mitoza - kiedy komórki się rozdzielają
• Scitable (Nature): Mitosis