Cellesyklus: Definisjon, faser, regulering og fakta

Celledeling er viktig for veksten og helsen til en organisme. Nesten alle celler deltar i celledeling; noen gjør det flere ganger i løpet av deres levetid. En voksende organisme, for eksempel et menneskelig embryo, bruker celledeling for å øke størrelsen og spesialiseringen av individuelle organer. Selv modne organismer, som et pensjonert voksent menneske, bruker celledeling for å opprettholde og reparere kroppsvev. Cellesyklusen beskriver prosessen der celler gjør sine utpekte jobber, vokser og deler seg, og deretter starter prosessen igjen med de to resulterende dattercellene. På 1800-tallet tillot teknologiske fremskritt innen mikroskopi forskere å bestemme at alle celler stammer fra andre celler gjennom prosessen med celledeling. Dette motbeviste til slutt den tidligere utbredte troen på at celler genererte spontant fra tilgjengelig materie. Cellesyklusen er ansvarlig for alt pågående liv. Uansett om det skjer i cellene til alger som fester seg til en stein i en hule eller i hudcellene på armen din, er trinnene de samme.

TL; DR (for lang; Leste ikke)

Celledeling er viktig for veksten og helsen til en organisme. Cellesyklusen er den gjentatte rytmen til cellevekst og divisjon. Den består av trinnene interfase og mitose, så vel som deres underveis, og prosessen med cytokinese. Cellesyklusen er strengt regulert av kjemikalier ved sjekkpunktene gjennom hvert trinn for å sikre at mutasjoner forekommer ikke, og at cellevekst ikke skjer raskere enn det som er sunt for omgivelsene vev.

Cellesyklusen består i hovedsak av to faser. Den første fasen er mellomfase. I løpet av mellomfasen forbereder cellen seg på celledeling i tre underfaser som kalles G₁ fase, S-fase og G₂ fase. Ved slutten av interfasen har kromosomene i cellekjernen blitt duplisert. Gjennom alle disse trinnene fortsetter cellen også med sine daglige funksjoner, uansett hva de er. Interfase kan vare dager, uker, år - og i noen tilfeller i hele organismen. De fleste nerveceller forlater aldri G₁ fase av interfase, så forskere har utpekt et spesielt stadium for celler som dem kalt G₀. Dette stadiet er for nerveceller og andre celler som ikke vil gå i en prosess med celledeling. Noen ganger er dette fordi de rett og slett ikke er klare til eller ikke utpekt til, som nerveceller eller muskelceller, og det kalles en tilstand av ro. Andre ganger er de for gamle eller ødelagte, og det kalles en alder av senescence. Siden nerveceller er atskilt fra cellesyklusen, er skade på dem stort sett uopprettelig, i motsetning til en beinbrudd, og dette er grunnen til at personer med ryggrad eller hjerneskader ofte har permanente funksjonshemninger.

Den andre fasen av cellesyklusen kalles mitose eller M-fase. Under mitose deler kjernen seg i to, og sender en kopi av hvert dupliserte kromosom til hver av de to kjernene. Det er fire stadier av mitose, og disse er profase, metafase, anafase og telofase. Omtrent samtidig som mitose skjer, skjer en annen prosess, kalt cytokinese, som nesten er sin egen fase. Dette er prosessen der cellens cytoplasma og alt annet i den deler seg. På den måten, når kjernen deler seg i to, er det to av alt i den omkringliggende cellen som skal gå med hver kjerne. Når delingen er fullført, lukkes plasmamembranen rundt hver nye celle og klemmes av og deler de to nye identiske cellene helt fra hverandre. Umiddelbart er begge cellene i første fase av interfasen igjen: G₁.

G₁ står for Gap fase 1. Begrepet "gap" kommer fra en tid da forskere oppdaget celledeling under mikroskop og syntes mitotistadiet var veldig spennende og viktig. De observerte kjernedeling og den medfølgende cytokinetiske prosessen som bevis på at alle celler kom fra andre celler. De stadier av mellomfasenvirket imidlertid statisk og inaktiv. Derfor tenkte de på dem som hvileperioder, eller hull i aktivitet. Sannheten er imidlertid at G₁ - og G₂ på slutten av mellomfasen - er travle vekstperioder for cellen, der cellen vokser i størrelse og bidrar til organismenes velvære, uansett hvilken måte den ble ”født” til å gjøre. I tillegg til sine vanlige cellulære plikter, bygger cellen molekyler som proteiner og ribonukleinsyre (RNA).

Hvis cellens DNA ikke blir skadet og cellen har vokst nok, fortsetter den til den andre fasen av interfasen, kalt S-fase. Dette er en forkortelse for syntesefasen. I løpet av denne fasen, som navnet antyder, bruker cellen mye energi på å syntetisere molekyler. Spesielt replikerer cellen DNA sitt, og dupliserer kromosomene. Mennesker har 46 kromosomer i sine somatiske celler, som alle er celler som ikke er reproduksjonsceller (sædceller og egg). De 46 kromosomene er organisert i 23 homologe par som er bundet sammen. Hvert kromosom i et homologt par kalles den andres homolog. Når kromosomene dupliseres under S-fasen, blir de viklet veldig tett rundt histonprotein tråder kalt kromatin, noe som gjør dupliseringsprosessen mindre utsatt for DNA-replikasjonsfeil, eller mutasjon. De to nye identiske kromosomene kalles nå hver kromatider. Tråder av histoner binder de to identiske kromatidene sammen slik at de danner en slags X-form. Punktet der de er bundet kalles en sentromer. I tillegg er kromatidene fortsatt knyttet til deres homolog, som nå også er et X-formet par kromatider. Hvert par kromatider kalles et kromosom; tommelfingerregelen er at det aldri er mer enn ett kromosom festet til en sentromer.

Den siste fasen av interfasen er G₂eller Gap fase 2. Denne fasen ble gitt navn av samme grunner som G₁. Akkurat som under G₁ og S-fase, forblir cellen opptatt med sine typiske oppgaver gjennom hele scenen, selv når den fullfører arbeidet med mellomfasen og forbereder seg på mitose. For å forberede seg på mitose deler cellen mitokondriene, så vel som kloroplaster (hvis den har noen). Det begynner å syntetisere forløperne til spindelfibre, som kalles mikrotubuli. Det gjør disse ved å replikere og stable sentromerer av kromatidparene i kjernen. Spindelfibre vil være avgjørende for prosessen med kjernedeling under mitose, når kromosomer må trekkes fra hverandre i de to separerende kjernene; å sørge for at de riktige kromosomene kommer til riktig kjerne og forblir sammenkoblet med riktig homolog er avgjørende for å forhindre genetiske mutasjoner.

Delingsmarkørene mellom fasene i cellesyklusen og underfasene til interfase og mitose er gjenstander som forskere bruker for å kunne beskrive prosessen med celledeling. I naturen er prosessen flytende og uendelig. Den første fasen av mitose kalles profase. Det begynner med kromosomene i den tilstanden de var i på slutten av G₂ fase av interfase, replikert med søsterkromatider festet av sentromerer. Under profasen kondenserer kromatinstrengen, noe som gjør at kromosomene (det vil si hvert par søsterkromatider) blir synlige under lysmikroskopi. Sentromerene fortsetter å vokse til mikrotubuli, som danner spindelfibre. Ved slutten av profasen brytes kjernemembranen ned, og spindelfibrene kobles sammen for å danne et strukturelt nettverk gjennom cytoplasmaet i cellen. Siden kromosomene nå flyter fritt i cytoplasmaet, er spindelfibrene den eneste støtten som hindrer dem i å sveve på villspor.

Cellen går over i metafase så snart kjernemembranen oppløses. Spindelfibrene beveger kromosomene til cellens ekvator. Dette planet er kjent som spindelekvator eller metafaseplate. Det er ikke noe håndgripelig der; det er rett og slett et plan hvor alle kromosomene stiller seg opp, og som halverer cellen horisontalt eller vertikalt, avhengig av hvordan du ser på eller forestiller deg cellen (for en visuell fremstilling av dette, se Ressurser). Hos mennesker er det 46 sentromerer, og hver er festet til et par kromatidsøstre. Antall sentromerer avhenger av organismen. Hver sentromer er koblet til to spindelfibre. De to spindelfibrene avviker når de forlater sentromeren, slik at de kobles til strukturer på motsatte poler av cellen.

Cellen skifter til anafase, som er den korteste av de fire faser av mitose. Spindelfibrene som forbinder kromosomene til cellens poler forkorter og beveger seg bort mot deres respektive poler. Ved å gjøre det trekker de fra seg kromosomene de er festet til. Sentromerene deles også i to når den ene halvparten reiser med hver kromatidsøster mot en motsatt pol. Siden hvert kromatid nå har sin egen sentromer, kalles det igjen et kromosom. I mellomtiden forlenger forskjellige spindelfibre festet til begge polene, og får avstanden mellom de to polene i cellen til å vokse, slik at cellen flater og forlenger seg. Prosessen med anafase skjer på en slik måte at ved slutten inneholder hver side av cellen en kopi av hvert kromosom.

Telofase er den fjerde og siste fasen av mitose. I dette stadiet spoler de ekstremt tettpakkete kromosomene - som ble kondensert for å øke replikasjonsnøyaktigheten - seg selv. Spindelfibrene oppløses, og en cellulær organell kalt endoplasmatisk retikulum syntetiserer nye kjernemembraner rundt hvert sett med kromosomer. Dette betyr at cellen nå har to kjerner, hver med et komplett genom. Mitose er fullført.

Nå som kjernen er delt, må resten av cellen også dele seg slik at de to cellene kan skilles. Denne prosessen er kjent som cytokinese. Det er en egen prosess fra mitose, selv om det ofte forekommer samtidig med mitose. Det skjer annerledes i dyre- og planteceller, for der dyreceller bare har en plasmacellemembran, har planteceller en stiv cellevegg. I begge typer celler er det nå to forskjellige kjerner i en celle. I dyreceller dannes en kontraktil ring midt på cellen. Dette er en ring av mikrofilamenter som ciner rundt cellen, og strammer plasmamembranen i midten som et korsett til den skaper det som er kjent som en spaltningsfure. Med andre ord får den kontraktile ringen cellen til å danne en timeglassform som blir mer og mer uttalt, til cellen klemmer seg helt inn i to separate celler. I planteceller skaper en organell som kalles Golgi-komplekset vesikler, som er membranbundne væskelommer langs aksen som deler cellen mellom de to kjernene. Disse vesiklene inneholder polysakkarider som er nødvendige for å danne celleplaten, og celleplaten til slutt smelter sammen med og blir en del av celleveggen som en gang huset den originale enkeltcellen, men som nå er hjemmet til to celler.

Cellesyklusen krever mye regulering for å sikre at den ikke fortsetter uten at visse betingelser er oppfylt i og utenfor cellen. Uten denne reguleringen ville det være ukontrollerte genetiske mutasjoner, cellevekst (kreft) uten kontroll, og andre problemer. Cellesyklusen har et antall kontrollpunkter for å sikre at ting går riktig. Hvis ikke, gjøres reparasjoner eller programmeres celledød. En av de primære kjemiske regulatorene i cellesyklusen er syklinavhengig kinase (CDK). Det er forskjellige former for dette molekylet som opererer på forskjellige punkter i cellesyklusen. For eksempel proteinet p53 produseres av skadet DNA i cellen, og som vil deaktivere CDK-komplekset ved G₁/ S-sjekkpunkt, og dermed arrestere cellens fremgang.