Лекция 9. ДЕЛЕНИЕ КЛЕТОК И КЛЕТОЧНЫЙ ЦИКЛ

(курс лекций "Общая биология", читавшийся О.Э. Костериным на первом курсе психологичесого факультета НГУ в 2006-2011 гг.)

На двух предыдущих лекциях мы с вами рассмотрели строение клетки. Большая часть нашего времени ушла на знакомство с эукариотической клеткой, потому что она действительно гораздо сложнее устроена, чем прокариотическая. Сейчас мы переходим к клеточному делению, и здесь эта разница будет проявляться еще рельефнее.

Деления бактериальной клетки мы уже коснулись. Кольцевая молекула ДНК прикреплена в определенном месте ко внешней клеточной мембране. В ходе репликации молекула ДНК, называемая бактериальной хромосомой, удваивается, причем каждая из двух молекул по прежнему прикреплена к мембране. После этого мембрана между местами прикрепления двух молекул ДНК начинает расти. Одновременно растет и клеточная стенка. Когда обе хромосомы расходятся на достаточное расстояние, мембрана и клеточная стенка образуют перетяжку, которая делит клетку на две. Во всех этих процессах в большинстве случаев принимает участие так называемая мезосома – сложное образование, состоящее из впячиваний внутрь внешней мембраны клетки.

Деление эукариотической клетки протекает сложнее. Это связано с необходимостью точно поделить между двумя дочерними клетками гораздо большее количество ДНК, да еще подразделенное на многие хромосомы. Деление каждой эукариотической клетки сопровождается впечатляющими событиями, которые видно даже под средненьким световым микроскопом.

Деление эукариотической клетки называется митоз. Однако этот термин относится именно к процессам, наблюдаемым в микроскоп. В промежутках между делениями – митозами – клетка проходит стадии, которые под микроскопом не увидишь, но которые очень важны. Поэтому правильнее будет говорить о митотическом цикле – промежутке времени, включающем один промежуток между делениями клетки и одно клеточное деление (именно в такой последовательности).

«Нормальное» состояние клетки между делениями называется интерфазой. (Смысл термина в том, что это промежуток между делениями.) На самом деле интерфаза делится на три стадии – G1, S и G2 (здесь буква всего лишь от английского gap – промежуток).

Фаза G1 – это основное рабочее состояние клетки. В этом состоянии идет транскрипция и трансляция, восстановление объема и внутреннего содержания клетки, которые были ополовинены в ходе предыдущего деления, идет размножение пластид и митохондрий (очень похожее на деление бактерий, только без необходимости наращивать клеточную стенку, которую они утеряли). Именно на этой стадии клетки многоклеточного организма выполняют все свои специфические функции, организму необходимые.

S-фаза – это период, когда ДНК в ядре удваивается. Репликация ДНК начинается во многих, однако строго определенных, местах, причем где-то раньше, где-то позже; тем не менее, к концу S-фазы каждая молекула ДНК удваивается полностью. Как вы понимаете, одновременно с ДНК должно удвоиться количество гистонов и негистоновых белков хроматина – появление огромной отрицательно заряженной молекулы ДНК в ядре «в голом виде» было бы физико-химической катастрофой. Поэтому в S-фазе в клетке активно синтезируются гистоны и прочие белки хроматина.

Здесь есть важный момент. Среди белков хроматина имеется очень малая по количеству, но очень разнообразная и важная часть – специфические генные регуляторы - это те белковые репрессоры и активаторы, которые включают и выключают гены. Они связываются с регуляторной областью практически любого эукариотического гена и определяют его выключенное или включенное состояние (т. е. транскрибируется он или нет). Не нужно напоминать, что коль скоро регуляторы - это специальные белки, то каждый из них тоже кодируется своим геном, экспрессия которого также регулируется какими-то регуляторами - так реализованы генные сети управления. Генов – десятки тысяч. Регуляторов меньше, так как каждый включает или выключает многие гены – иначе мы имели бы свой регулятор на каждый ген и впали бы в порочный круг. Важно подчеркнуть, что каждая клетка многоклеточного организма несет в себе все гены, присущие этому организму, но в каждой конкретной клетке работает только малая часть генов, тогда как остальные нужны в других типах клеток или в другие периоды жизни. Гены включаются и выключаются по мере необходимости, но при делении клеток определенного типа важно, чтобы включенные и выключенные состояния генов, характерные для данного типа, в целом были унаследованы. При репликации ДНК удваивается, и надо, чтобы регуляторные белки не только были дополнительно синтезированы в таком же количестве, которое было исходно, но и сели на свои места. Это достигается за счет кооперативного эффекта, который проявляют регуляторные белки, – наличие молекулы регуляторного белка, связанной с ДНК, провоцирует в своей непосредственной близости связывание такого же белка с таким же регуляторным сайтом вновь синтезированной ДНК. Об этом феномене принято говорить как об эпигенетическом наследовании состояния гена.

И в то же время репликация – это именно тот критический момент, когда многие гены выключаются или включаются в ходе индивидуального развития. В течение G1 среди других белков могут быть синтезированы новые регуляторы, и во время S они могут успешно конкурировать со старыми за вновь синтезированные регуляторные области ДНК. Или, наоборот, бывают недосинтезированы старые регуляторы, в результате созданные заново регуляторные области ДНК оказываются не занятыми или занятыми регуляторами, сродство которых к ним меньше. Регуляторные сигналы могут поступить извне, в виде гормонов и цитокинов (веществ, при помощи которых клетки воздействуют друг на друга на ближних дистанциях) - они связываются с белками-рецепторами, которые за счет этого приобретают свойства генных регуляторов. Кроме того, каждый белок-регулятор в моменты репликации ДНК вынужден конкурировать за те участки вновь синтезируемой ДНК, к которым он специфичен, с гистонами. Мы упоминали "гистоновый код" - набор посттрансляционных модификаций коровых гистонов, определяющий свойства хроматина, в том числе активность находящихся в нем генов, то есть доступность ДНК для белков-регуляторов и элементов транскрипционной машины. Кроме того, некоторые регуляторные белки имеют определенное сходство с линкерным гистоном Н1 и конкурируют за свои сайты связывания на ДНК именно с ним. Так в S-фазе, за счет некоторых изменений в присутствии-отсутсвии регуляторов на регуляторных последовательностях ДНК тех или иных генов, в ходе индивидуального развития многоклеточного организма клетки и приобретают новые свойства.

Наконец, в клетке есть еще одна структура, удваивающаяся именно в S-фазе. Это центросома. В фазе G1 центросома выглядит так, как было описано выше: аморфное образование, внутри него находятся две расположенные перпендикулярно друг другу центриоли (но у растений центриолей нет). Как мы помним, центросома является местом, откуда формируется такой элемент цитоскелета, как микротрубочки. В интерфазе миркотрубочки растут от центросомы по направлению ко всей клеточной периферии. Некоторые из них становятся нестабильными и быстро разбираются на отдельные молекулы тубулина. В конце фазы G1 центриоли расходятся на несколько микрон. А в S-фазе рядом с каждой центриолью строится вторая центриоль, и центросома удваивается.

Следующая – G2 – подготовка к делению. На данной стадии нарабатываются определенные белки. В это время завершается формирование двух центросом, а система интерфазных микротрубочек начинает разрушаться, высвобождая тубулин, из которого микротрубочки состоят. Хромосомы в это время уже начинают дополнительно конденсироваться, но в микроскоп этого пока не видно.

На рисунке показана схема клеточного цикла:

Собственно митоз (М-фаза) также делится на несколько стадий. Это кульминация клеточного цикла, протекающая в виде жесткой последовательности событий, которые достаточно драматичны даже при простом взгляде в микроскоп. В солидном учебнике клеточной биологии Альбертса с соавт. сказано, что хромосомы в митозе напоминают покойника на похоронах – они стимулируют события, но сами не принимают никакого активного участия в действиях.

Митоз наступает при появлении в клетке специального митоз-стимулирующего фактора, который не может возникнуть, пока в клетке не закончилась репликация ДНК и другие подготовительные процессы. Под действием этого фактора запускается каскад фосфорилирования множества белков. В фосфорилированном состоянии они начинают активно функционировать. Один из наиболее интенсивно фосфорилируемых белков (до 6 фосфатных групп на молекулу) – это упомянутый выше гистон Н1. При этом он теряет в сродстве с ДНК (так как его положительный заряд частично компенсируется отрицательно заряженными фосфатными группами), и с ней связываются другие белки, специфичные именно для митоза, что приводит к гораздо более плотной упаковке хромосом, чем в интерфазе. Еще один белок, который фосфорилируется в том же каскаде, запускающем митоз - когезин. В нефосфорилированном состоянии он соединяет вместе две сестринские хроматиды, образовавшиеся в результате репликации ДНК в S-фазе, образуя своего рода кольца вокруг пары хроматид, подобно ободам в бочке. Фосфорилирование когезина в начале мейоза приводит к раскрытию колец и рассоедниению сестринских хроматид, за исключением одного их района - центромеры, о коротом речь пойдет ниже. Имеется механизм, который в этом районе снова фосфорилирует когезин, так что именно здесь сестринские хроматиды остаются соединенными друг с другом.

Первая стадия митоза – профаза. Главное, что происходит в профазе, – дополнительная упаковка (конденсация) хромосом. В такой степени, что они становятся похожими сначала на спутанные нити, видимые в световой микроскоп.

В профазе происходят важные события и в цитоплазме. Имевшиеся в клетке микротрубочки деполимеризуются. При этом клетка как правило теряет свою специфическую форму и округляется. Вокруг центросом образуется так называемая звезда – система из радиально расходящихся микротрубочек, которые постепенно удлиняются. Микротрубочки в процессе митоза начинают обновляться в 20 раз быстрее, чем в интерфазе, и небольшому числу длинных стабильных микротрубочек приходит на смену множество коротких нестабильных. Интенсивная сборка и разборка микротрубочек необходима для правильного течения митоза.

Когда микротрубочки, исходящие от двух полюсов (клеточных центров) навстречу друг другу, вступают в контакт, они соединяются друг с другом определенными белками, которые стабилизируют их и предотвращают от деполимеризации. Такие микротрубочки формируют веретено деления. Микротрубочки звезды, растущие в других направлениях, либо постояно разрушаются, либо фиксируются на клеточном кортексе вблизи полюсов.

Затем наступает прометафаза, которая знаменуется важнейшим событием – ядерная мембрана дефрагментируется на пузырьки и ядро исчезает как структура. При этом происходит деполимеризация ламины ядерного скелета, состоящего из филаментов определенных белков, подстилающих ядерную мембрану (этот процесс также связан с фосфорилированием этих белков). Содержимое ядра объединяется с цитоплазмой. Тем самым восстанавливается состояние, похожее на прокариотическое, при котором ДНК находится в том же компартменте, что и рибосомы. Во время деления ядро исчезает. Это, по-видимому, указывает на то, что ядро – это временная рабочая структура, призванная разобщить тарнскрипцию и трансляцию, хотя бы ценой существенных энергетических затрат на ядерный транспорт и на то, чтобы от него, ядра, избавляться при всяком делении клетки и восстанавливать после него.

Смысл этого эволюционного решения не вполне ясен. Возможно, таким путем достигается защита ДНК от каких-то ферментов или других веществ в цитозоле. Допустим, в ходе клеточного дыхания в митохондриях образуется какое-то количество реакционноспособных свободных радикалов, которые опасны для ДНК. Дополнительная двойная мембрана может ставить для них дополнительный барьер. Цитозоль содержит РНКазы, разрушающие мРНК после того как они становятся ненужными, наверное, нежелательно, чтобы они контактировали с мРНК в процессе их синтеза (но у прокариот это не составляет проблемы).

В прометафазе хромосомы конденсируются окончательно и принимают вид парных образований, напоминающих двойные палочки или червяков, причем каждая пара соединяется в месте своего рода перетяжки – это называется метафазные хромосомы. Такое изображение хромосомы вам всем конечно же хорошо знакомо. На приведенном ниже рисунке она показана с некоторыми подробностями. (Теломера – это конец хромосомы, имеющий специфическую последовательность нуклеотидов. Вторичная перетяжка соответствует ядрышку – это место, где находятся гены рРНК – оно не конденсируется в той же степени, что и остальная хромосома. Спутник – это участок «нормальной» хромосомы за вторичной перетяжкой. Вторичная перетяжка и соответственно спутник есть далеко не на всех хромосомах, поэтому они помогают их идентифицировать.)

А тут показана микрофотография метафазных хромосом человека:

Необходимо помнить, что метафазная хромосома – это хромосома в нерабочем состоянии, упакованная для деления. В рабочем состоянии, т. е. в интерфазе, хромосома представляет собой кисель, заваренный вокруг линейной молекулы ДНК, и ее не увидишь под микроскопом.

Метафазная хромосома – двойная. Две ее протяженные составляющие соответствуют двум линейным молекулам ДНК, образовавшимся при репликации. Они называются сестринские хроматиды.

Вот электронная микрофотография участка метафазной хромосомы; здесь видны две хроматиды и промежуток между ними:

Место соединения хроматид называется центромера. Она удваивается позже остальной ДНК, но в метафазной хромосоме центромера, так же как и вся хромосома, состоит из двух хроматид, только в этом месте соединенных определенными белками. Местоположение центромеры на молекуле ДНК (хромосоме) определяется, как и все вообще на ней, – специфической первичной структурой. Центромера содержит определенные последовательности, многократно повторенные голова к хвосту. Это тандемные повторы. Их много на хромосоме, они разные, некоторые из них обладают способностью служить центром организации центромеры, причем структура центромерных повторов может быть разной у разных видов и даже у разных хромосом одного вида.

В прометафазе происходит следующее. На центромере каждой из хроматид формируется определенная структура, называемая кинетохор (см. рис. ниже). Он состоит, как вы, наверное, догадались, из определенных белков. Подчеркнем, что каждая хромосома несет два кинетохора, по одному – на каждую из своих хроматид. Каждый кинетохор связывается с растущими концами микротрубочек, отходящих от полюсов клетки. К каждому кинетохору прикрепляется несколько десятков микротрубочек (но вот у дрожжей – только одна).

А вот электронномикроскопическая фотография кинетохора:

При этом кинетохоры разных хроматид одной хромосомы связываются с микротрубочками, отходящими от разных полюсов. В прометафазе хромосомы, как правило, активно блуждают по цитоплазме. Поначалу оба кинетохора могут связываться с микротрубочками одного полюса, однако вскоре происходит определенная перестройка контактов кинетохора с микротрубочками, так что центромера одной хроматиды оказывается связанной с микротрубочками, идущими только от одного из полюсов веретена деления.

Любопытно, что связь кинетохора с микротрубочками, по-видимому, стабилизируется натяжением последних. В опытах, когда хромосому, оба кинетохора которой были связаны с микротрубочками одного и того же полюса, механически тянули от него, такая связь сохранялась. Если же усилия не прилагать, то рано или поздно каждый кинетохор окажется связанным с микротрубочками своего полюса

В прометафазе микротрубочки активно растут, и именно с того конца, который прикреплен к кинетохору. В метафазе этот рост компенсируется деполимеризацией концов микротрубочек у центросомы, так что молекулы тубулина постепенно перемещаются от концов к полюсам, а микротрубочка остается натянутой и сохраняет постоянную длину.

Контакт кинетохора с микротрубочками уникален. Во первых, он стабилизирует микротрубочку, так что связанные с хромосомами микротрубочки не подвержены самопроизвольной тотальной деполимеризации. Во вторых, к концу митоза концы трубочек, присоединенных к кинетохору, начинают активно разбираться. И при этом тот же самый активный конец, растущий либо разрушающийся, остается прочно связанным с кинетохором, который, по-видимому, присоединяет микротрубочки сбоку, но непременно вблизи конца, представляя собой нечто вроде скользящего ошейника.

Эти процессы показаны на следующей схеме веретена деления:

 

В прометафазе хромосомы, ведомые микротрубочками, осуществляют сложный танец, но к наступлению следующей стадии – метафазы – все хромосомы располагаются в экваториальной плоскости (плоскость, находящаяся строго между центросомами и перпендикулярная веретену). Это достигается вследствие того, что, как показали опыты, на этой стадии микротрубочки, несмотря на активный обмен тубулина на их концах, тянут хромосомы на себя. Причем сила тяготения пропорциональна длине микротрубочки, т. е. они функционируют как пружины. Эти силы уравниваются, когда микротрубочки, идущие от разных полюсов, оказываются одинаковой длины.

В метафазе все процессы в клетке как бы замирают, выстроившиеся в метафазных пластинках хромосомы совершают только колебательные движения. По-видимому, это делается для того, чтобы дождаться хромосом, которые могли бы отстать по разным причинам и обеспечить одновременный старт – в метафазе хромосомы находятся в напряженной неподвижности как бегуны на старте.

Следующая стадия – анафаза – наступает с внезапного и одновременного отделения центромер двух хроматид друг от друга. Это происходит в ответ на стремительное десятикратное увеличение концентрации ионов кальция в клетке. Они выделяются из мембранных пузырьков, окружающих клеточный центр. Повышенная концентрация кальция активирует определенный фермент, который разрезает когезиновые кольца, еще остающиеся в центромере и соединяющие сестринские хроматиды, так что они отделяются друг от друга наконец и здесь. (Заметим, что если в профазе когезиновые кольца раскрывались путем фосфорилирования, то здесь - путем разрезания; подобно тому, как велосипедный замок можно либо открыть ключем, либо перекусить кусачками.) Ведомые притяжением микротрубочек через кинетохоры, хромосомы немедленно начинают расходиться к полюсам клетки – каждая из двух сестринских хроматид к своему полюсу.

Движение хромосом в анафазе происходит за счет процессов разного рода. Во-первых, начинается деполимеризация микротрубочек, связанных с кинетохорами. Скорее всего это вызвано исчезновением натяжения микротрубочек, которое, как мы уже говорили, стабилизирует конец микротрубочки.

Однако до сих пор не совсем понятно, что именно заставляет кинетохор двигаться – его сродство с концом полимеризованной микротрубочкой, так что он вынужден продвигаться по мере его разборки, либо же он сам активно «проедает» микротрубочку – движется по ней и способствует ее деполимеризации. Есть также точка зрения, что микротрубочка – это только рельсы, но не двигатель, а хромосома движется под действием каких-то белков, не связанных с микротрубочкой (однако это не актин и миозин). Существуют даже модели, что хромосома движется на волне локального разжижения цитоплазмы, связанной опять-таки с полимеризацией и деполимеризацией неких белков. Кроме того,  в анафазе продолжается и даже ускоряется деполимеризация микротрубочек у полюсов, что вносит вклад в их быстрое укорочение.

Во-вторых, сами центросомы в стадии анафазы расходятся друг от друга, иногда довольно значительно. Это опять-таки происходит под действием нескольких процессов. Микротрубочки, идущие от разных полюсов и прикрепленные не к кинетохорам, а друг к другу, в метафазе не укорачиваются, а, наоборот, нарастают и удлиняются. Они, по-видимому, способны активно отталкиваться друг от друга под действием каких-то специальных белков, родственных тем, которые движут жгутики, построенные на основе микротрубочек. Наконец, микротрубочки звезды, отходящие от центросом в разные стороны и связавшиеся с цитоскелетом кортикальной области вблизи центросомы, сокращаются в длине, подтягивая центросомы на себя, по тем же механизмам, которые притягивают хромосомы.

Мы видим, сколько хитроумных механизмов одновременно задействовано, чтобы обеспечить правильное расхождение хромосом в митозе. По-видимому, эти механизмы в эволюции добавлялись к процессу один за другим, чтобы обеспечить его четкое и неотвратимое протекание. (Ниже мы рассмотрим один из «ранних» механизмов митоза.) Здесь специально упомянута большую часть аспектов митоза, так как если просто сказать, что «хромосомы расходятся», то это будет не более чем скучной сказкой. Но если задаться целью выяснить, как именно это происходит, то мы погружаемся в мир, пограничный между химией и механикой, показывающий нам многочисленные устройства, свойства которых кажутся удивительными.

На следующей стадии – телофазе – около хромосом, собравшихся вокруг каждой центросомы, начинает образовываться новая ядерная оболочка. Двойная мембрана возрождается из пузырьков, белки ядерной ламины дефосфорилируются и снова формируют собственно ламину, ядерные поры снова собираются из составных частей.

Итак, суть рассмотренных нами стадий митоза состоит в удвоении ядра. Это удвоение начинается со скрытого от глаз удвоения хромосом в интерфазе, а продолжается через его саморазрушение как структуры в ходе митоза. Когда ядро удвоилось, необходимо разделить цитоплазму – осуществить цитокинез.

У животных разделение происходит за счет образования перетяжки между двумя клетками. Сначала на поверхности клетки возникает борозда, под ней формируется так называемое сократимое кольцо. Она образуется из актиновых филаментов кортекса (компонентов цитоскелета, находящихся под клеточной мембраной). Кольцо действительно сокращается. Это происходит за счет взаимодействия актина микрофиламентов с миозином. Эти же два белка участвуют в мышечном сокращении, таким образом, деление самой клетки на две и наши движения имеют одну и ту же химическую природу. Как видим, когда речь зашла о цитоплазме, дело не обошлось без вездесущих актина и миозина.

Расположение первичной борозды и сократимого кольца определяется расположением веретена деления. По мере сокращения кольца клетка разделяется перетяжкой на две, которые в конце концов разделяются, вдобавок оставляя еще небольшое остаточное тельце – связанные друг с другом фрагменты встречных микротрубочек веретена, располагавшиеся первоначально в экваториальной плоскости.

На следующих двух схемах показано одно и то же - общая схема митоза животной клетки:

 

Здесь показан этот процесс под флюоресцентным микроскопом. Здесь ДНК светится голубым, а тубулин (и, следовательно, микротрубочки) - зеленым:

Какие особенности растительной клетки накладывают свой отпечаток на процесс разделения клетки на две? Клеточная стенка. Она не позволит клетке произвольно сменить форму, образовать перетяжку. Поэтому цитокинез происходит у растений совсем по-другому. Находящиеся в экваториальной плоскости соединенные друг с другом фрагменты противоположно направленных микротрубочек веретена - те самые, которые у животных отбрасывались в виде остаточного тельца - формируют структуру, напоминающую таблетку и называемую фрагмопласт. К нему от комплекса Гольджи подходят многочисленные мембранные пузырьки, наполненные наименее жесткими полисахаридами клеточной стенки – пектинами и гемицеллюлозой.

Сливаясь друг с другом, пузырьки формируют две мембраны (за счет мембран пузырьков) и между ними первичную клеточную пластинку – еще довольно мягкий фрагмент клеточной стенки, образующийся за счет содержимого пузырьков. Все это начинается с середины клетки и постепенно распространяется к ее периферии, пока первичная клеточная пластинка не сольется с клеточной стенкой, а ее мембраны – с плазмалеммой. Внутри клеточной пластинки остается также много других мембранных пузырьков, происходящих из ЭПР, из которых потом формируются плазмодесмы – цитоплазматические контакты между клетками, состоящие из канала и окаймляющего его кольцевого пузырька.

Вот схема деления растительной клетки:

И микрофотографии этого процесса (здесь тубулин и, соответственно, микротрубочки,окрашен красным, а ДНК - фиолетовым):

Между прочим, в делении растительной клетки актиновые филаменты клеточного кортекса тоже принимают участие, так как с их помощью происходит позиционирование веретена деления.

Нельзя не упомянуть, что у части зеленых водорослей (они, в свою очередь, являются только частью водорослей вообще) веретено деления быстро исчезает, а вместо фрагмопласта формируется фикопласт – новая система микротрубочек, расположенных вдоль плоскости деления, тогда как фрагмопласт остальных растений образуется из соединенных фрагментов микротрубочек веретена, расположенных хотя и в плоскости деления, но ориентированных перпендикулярно ей. Однако другие зеленые водоросли, по-видимому, родственные высшим растениям, имеют фрагмопласт.

Смысл описанного процесса вполне прозрачен. В ходе репликации каждая молекула ДНК, т. е. хромосома, удваивается. Но удвоиться нужно и всей клетке. При этом необходимо распределить удвоившиеся хромосомы между двумя новыми клетками, чтобы каждая клетка получила строго по одной копии каждой хромосомы. Заодно нужно поделить и все остальное. Это и призван сделать митоз.

Создается впечатление, что у клетки есть два устойчивых состояния – интерфаза, а точнее фаза G1 (рабочее состояние, максимально деконденсированные хромосомы) и метафаза (сугубо «походное» состояние, максимально конденсированные хромосомы), а все остальное – это проходящие стадии между ними. По-видимому, переход из одного состояния в другое определяется немногими химическими переключателями, а сами два состояния определяются дефосфорилированным (интерфаза) либо фосфорилированным (метафаза) состоянием многих белков (сюда входит гистон Н1, белки ядерной ламины и др.).

Необходимость строго поддерживать число и качество молекул ДНК в клетке довольно очевидна – ДНК контролирует все процессы и сама контролируется процессами, связанными с микроконцентрациями белков-регуляторов. Это тонко настроенные процессы, требующие точных качества и количества. Количество компонентов цитоплазмы может варьировать в довольно широких пределах и при делении клеток цитоплазма разделяется достаточно приблизительно. Но так или иначе, цитоплазма должна поделиться, причем в дочерние клетки (кроме особых случаев) должно попасть сколько-то пластид (если это растение), митохондрий, цистерн аппарата Гольджи.

Еще одна структура, требующая точного удвоения и распределения, – это клеточный центр. При нарушении его удвоения возникают аномалии митоза (допустим, три полюса деления), которые приводят к нарушению распределения хроматид по новым ядрам и как следствие к гибели дочерних клеток.

Так что клеточный цикл включает три независимых цикла – хромосомный, цитоплазматический и центросомный. У большинства водорослей имеется всего один хлоропласт, который должен поделиться надвое, так что у них добавляется еще и хлоропластный цикл. Все эти циклы взаимодействуют друг с другом, но иногда могут идти и независимо. Это наблюдается в опытах с определенными организмами (к примеру, после удаления ядра у некоторых делящихся клеток может тем не менее формироваться веретено, разделяться цитоплазма) либо в процессе раннего развития зародышей (к примеру, у насекомых первые деления ядра оплодотворенной яйцеклетки не сопровождаются цитокинезом).

Вызывает некоторое удивление то, что митоз требует дезинтеграции ядерной оболочки, смешивания ядерного матрикса с цитозолем, с последующим восстановлением ядерной оболочки и созданием de novo разницы химического состава ядерного матрикса и цитозоля.

Кстати, бывают случаи, когда ядерная оболочка не нарушается, а митотическое веретено и расхождение хромосом происходит внутри ядра – эндомитоз. Такое деление ядра свойственно некоторым простейшим и почти всем грибам. У водорослей, цитокинез которых включает образование фикопласта, ядерная оболочка также не исчезает во время митоза.

Но что удивительно, эндомитоз – большая экзотика, тогда как у подавляющего большинства организмов, включающего всех животных и высших растений, клетки делятся с полным исчезновением и восстановлением ядра как клеточной структуры.

Существуют варианты митоза, по-видимому, эволюционно более ранние. Есть такие одноклеточные жгутиконосцы – динофлагелляты, которые, возможно, сохранили черты самых ранних эукариот. У них хроматин содержит немного белков, а хромосомы, во-первых, не деконденсируются в интерфазе до конца и могут быть наблюдаемы в микроскоп на всем протяжении клеточного цикла, а во-вторых, соединены с ядерной мембраной центромерами, а не теломерами, как у бльшинства эукариот. Веретено деления у них, как и у большинства эукариот, формируется в цитозоле, микротрубочки у него сплошные от одного полюса к другому, и они вдаются в ядро, образуя впячивания ядерной мембраны. Кинетохоры хромосом взаимодействуют с микротрубочками сквозь ядерную мембрану и скользят вдоль микротрубочек при помощи траспортных белков, родственных белкам, приводящим в движение жгутики. Микротрубочки при этом выполняют роль направляющих рельсов, но не пружин.

Скорее всего это и есть ранний вариант эукариотического митоза – микротрубочки уже приспособлены для деления генетического материала, но и мембрана еще не отстранена от этой функции.

Кстати, если рассматривать эти замечательные организмы как прообраз ранних эукариот на заре их происхождения от прокариот и посмотреть, где у них располагаются хромосомы, то получается, что ядро - это и есть первичная клетка, а цитозоль - это своеобразные выпячивания клетки, своего рода щупальца или лучше сказать псевдоподии, которые потом слились вокруг первичной клетки, замкнув внутреннее пространство ЭПР и приняв на себя функцию трансляции белков по матрице мРНК и роль инкубатора для одомашненных митохондрий и пластид. При этом часть жгутиков из органов перемещения клетки во внешней среде превратилась в систему внутреннего транспорта хромосом и мембранных пузырьков, став системой микротрубочек. После этого идентичность центриолей и базальных телец жгутиков уже не кажется удивительной.

На рисунке показаны разные варианты митоза (начиная с деления бактериальной клетки, которое митозом называть не принято):

Как вы думаете, какова продолжительность собственно митоза (М-фазы)? Как правило, 1–2 часа. Для справок: каждую секунду в нашем организме делится несколько миллионов клеток. Продолжительность клеточного цикла может варьировать от часа (у делящихся эмбрионов лягушки) до суток и более.

У многоклеточных организмов регуляция скорости прохождения отдельных стадий клеточного цикла и вообще темпов клеточного деления происходит под действием специальных регуляторных белков – факторов роста. В дробящейся яйцеклетке лягушки  длительность фазы G1 практически равна нулю (в яйцеклетке было запасено все необходимое и новых цитоплазматических синтезов не требуется). У многоклеточных организмов многие клетки в отсутствие факторов роста из стадии G1 переходят в фазу G0 – особое состояние клетки, исключающее деление. Некоторые клетки могут быть выведены из этого состояния при добавлении фактора роста. Однако выход из этой стадии требует определенного, часто весьма значительного времени. Другие так называемые терминально дифференцированные клетки вообще не могут быть выведены из этого состояния и находятся в нем до смерти многоклеточного организма.

Существует также феномен клеточного старения – когда клетки определенного типа могут пройти определенное количество клеточных делений, но не более того. К примеру, клетки соединительной ткани человека в культуре проходят от 50 (если взяты у плода) до 20 (если взяты у пожилого человека) делений, после чего деление прекращается. Все это согласуется с той ролью, которую клетки играют в организме, и с темпами его роста.

Механизмы клеточного старения до конца еще не выяснены. Некоторые наивно верят, что, выяснив их, можно будет разрешить проблему человеческого бессмертия. Не раз такого рода заявления звучали по телевизору (например, относительно теломеразы - фермента, который надстраивает хромосомы с конца, что немаловажно, так как концы хромосом с каждым их удвоением укорачиваются). Но это очень примитивная мысль. Избавить клетку от клеточного старения ничего не стоит. Достаточно сломать его механизм. Наш многоклеточный организм может возникнуть и существовать базируясь исключительно на многоуровневой и тонко настроенной системе ограничения клеточного деления, тогда как деление - базовая способность клетки "по умолчанию". Если механизм регуляции деления нарушается, то какие-то клетки, деление которых в норме должно замедлиться и прекратиться, могут сохранять исходную способность к делению. Кто знает, как называются такие клетки? Да, это и есть раковая опухоль - группа активно делящихся клеток там, где деление в норме должно идти медленно или не иметь места вовсе. Так что, преодолев клеточное старение, мы получим вместо бессмертия скорую смерть. Поскольку рост и размножение индивидуальной клетки - это совсем не то же самое, что рост и благополучие многоклеточного организма.