Биофизика познает рак

Акоев Инал Георгиевич

Такой эпигенетический характер регуляции предполагает, что процесс дифференцировки клетки, исходно развертываемый на основе наследственного материала, через посредство внутриклеточных медиаторов должен управляться внеклеточными факторами, или репрессорами, будь то ионный состав среды, наличие в ней определенных химических соединений, контактных механических взаимодействий и др. Правильный запуск любого очередного этапа дифференцировки клетки вообще невозможен без адекватной реализации обратной связи структурных генов с внеядерной и внеклеточной средой (в их широком понимании) для предшествующего этапа.

Существует определенный антагонизм между функциональной и митотической активностью, между процессами дифференцировки

и пролиферации. На тканевом уровне, как и на уровне клеточных популяций, обратная зависимость между степенью дифференцировки и пролиферативной активностью остается в целом верной.

Известно важное обстоятельство, вытекающее из указанной закономерности: по мере дифференцировки снижается реализуемая способность клеток к делению. Достигнув некоторой пороговой степени дифференцировки, клетки могут вообще перестать делиться и продолжают далее дифференцироваться без митозов, как это происходит у млекопитающих с корковыми нейронами и миоцитами. Потеря способности клеток к делению часто есть следствие дифференцировки клетки, заключающееся в утрате еще одной клеточной функции.

Применение различных способов получения синхронно делящихся клеточных популяций и метода радиоавтографии привело к обнаружению морфологически неявно различимых периодов клеточного онтогенеза. Эти периоды, обозначенные как G₁ (пресинтетический — до основного синтеза ДНК), S (синтетический — идет синтез ДНК) и G₂ (постсинтетический, или премитотический, — подготовка к делению клетки), совместно с митозом в представленной последовательности составляют митотический цикл.

Величина пролиферативной активности определяется не только количеством делящихся клеток, но и скоростью их продвижения по периодам митотического цикла. Для большинства растущих клеточных линий и тканевых культур интервал между делениями, или длительность цикла, составляет 10—30 ч. Наибольшее количество экспериментальных работ проведено на культивируемых клетках Hela. Время генерации этих клеток около 24 ч. В среднем они находятся 15—16 ч в период G₁, 6—7 ч — в стадии синтеза ДНК (S-период), 2 ч — в периоде G₂ и митозе.

Большинство исследователей пришли к убеждению, что для различных клеточных типов изменения продолжительности митотического цикла в основном происходят за счет вариаций его начального, пресинтетического G₁– периода. Его длительность меняется от неуловимо малых значений до нескольких суток и более.

Клетки могут находиться в двух альтернативных состояниях — в митотической активности или покое. В последние годы к покоящимся принято относить клетки, которые неопределенно долгое время могут не размножаться и при этом полностью сохранять как жизнеспособность, так и способность к пролиферации (т. е. к делению) независимо от степени своей специфической функциональной нагрузки. Покоящиеся клетки всего лишь часть непролиферирующей фракции клеточной популяции.

Выход клетки в состояние пролиферативного покоя не является необратимым. В определенных физиологических или патологических ситуациях клетки могут вернуться в митотический цикл. Однако по мере пребывания клетки в состоянии покоя ее метаболизм становится все более консервативным и требуется все больше усилий и времени, чтобы инвертировать его на пути деления.

Во время продвижения клеток по циклу от одного митоза до другого встречается важнейшая критическая фаза в периоде G₁, в которой осуществляется выбор клеткой дальнейшей судьбы — идти к делению или к дифференцировке. Она находится в середине или в завершающей части периода G₁. В целом по мере клеточной дифференцировки в пределах сформированных органов в течение эмбриогенеза и в ходе постнатального

онтогенеза темп репродукции клеток постепенно уменьшается. При этом продолжительность каждой последующей генерации клеток, как правило, возрастает (например, в ходе дифференцировки клеток миелоидного ряда — с 25 до 604 ч), а пролиферативный пул и матричная активность ДНК снижаются. Вместе с тем в любой стадии развития существуют промежуточные, бластные элементы с интенсивной пролиферацией и коротким циклом: нейробласты, миобласты, эритробласты и др. Между возрастом животного и средней продолжительностью цикла существует определенная зависимость. Так, пролиферативный пул, рассчитанный для зачатка печени, составил 64,1%. С возрастом эта величина уменьшается, составляя у новорожденных крыс около 39%, через 21 сут от рождения — 15, через 51 сут — около 3%.

Максимальный пролиферативный пул при регенерации равен 69,3%. Эта величина близка к величине пула в зачатке печени эмбрионов, равной 64,1%. В соответствии с этим эмбриональная и регенерирующая печень имеет схожие короткие времена средней продолжительности митотического цикла, которые близки к этому показателю для быстро делящихся клеток других эмбриональных тканей, злокачественных опухолей, клеток нормальной слизистой оболочки кишечника. Следует подчеркнуть, что и кинетика процессов пролиферации в зачатке печени и при ее регенерации в зрелом организме также имеет значительное сходство.

Изменения клеточного цикла после воздействия радиации

Многочисленными исследованиями установлено значительное нарушение митотического цикла клеток при воздействии на них разнообразных факторов. Наиболее полно изучено действие ионизирующих излучений. Первоначальная задержка клеточного деления и соответствующее удлинение митотического цикла при воздействии радиации сменяются в дальнейшем сокращением продолжительности митотического цикла.

Имеется большое число исследований, направленных на изучение реакций отдельных периодов клеточного цикла на воздействие радиации. Для разных линий клеток получены различные данные. Обобщение этих данных, проведенное во многих работах, показало, что для большинства изученных клеток в культуре митоз и конец периода G₁ (переход в период S) наиболее чувствительны к действию радиации, а период S — наиболее устойчив. Задержка деления клеток наиболее значительна, если облучение осуществляли во время митоза, и мала для клеток, облученных в период S. Однако имеются линии клеток, где соотношение задержек периодов клеточного цикла иное.

Обращено внимание также на то, что реакция клеток на облучение в различные периоды клеточного цикла прямо противоположна, если сравнивать задержку деления клеток и их гибель: чем больше задержка деления, тем меньше гибель клеток. Так, клетки, облученные в периоде S, могут иметь высокую выживаемость потому, что они на длительный срок задерживают свое деление. В этот удлиненный период до деления клетки могут успеть отрепарировать возникшие в них повреждения. Обращено внимание на то, что радиозащитное средство цистеамин не оказывает защитного эффекта при воздействии радиации в период G₁ в отличие от облучений во время других периодов клеточного цикла.

Данные о влиянии радиации на митотический цикл клеток опухолей in vivo противоречивы, что объясняют различным временем проведения исследований после облучения. Работая на тех же клетках четырехсуточной асцитной фибросаркомы, обнаружили сначала удлинение митотического цикла (в 2 раза через 20 ч после облучения), а затем укорочение (через 48 ч). Если исследовать клеточный цикл асцитной карциномы Эрлиха сразу после облучения, то наблюдается увеличение продолжительности периодов G₁ и G₂ в 2 раза; продолжительность митоза не изменена.