Cellcykel: Definition, faser, reglering och fakta

Celldelning är avgörande för en organisms tillväxt och hälsa. Nästan alla celler deltar i celldelning; vissa gör det flera gånger i sin livslängd. En växande organism, såsom ett mänskligt embryo, använder celldelning för att öka storleken och specialiseringen av enskilda organ. Även mogna organismer, som en pensionerad vuxen människa, använder celldelning för att underhålla och reparera kroppsvävnad. Cellcykeln beskriver processen genom vilken celler gör sina utsedda jobb, växer och delar sig och sedan börjar processen igen med de två resulterande dottercellerna. På 1800-talet tillät tekniska framsteg inom mikroskopi forskare att avgöra att alla celler härrör från andra celler genom celldelningsprocessen. Detta motbevisade slutligen den tidigare utbredda tron ​​att celler genererade spontant från tillgängligt material. Cellcykeln är ansvarig för allt pågående liv. Oavsett om det händer i algerna som klamrar sig fast vid en sten i en grotta eller i hudcellerna på din arm, är stegen desamma.

TL; DR (för lång; Läste inte)

Celldelning är avgörande för tillväxten och hälsan hos en organism. Cellcykeln är den upprepade rytmen för celltillväxt och delning. Den består av stadierna interfas och mitos, såväl som deras underfas, och processen med cytokinese. Cellcykeln regleras strikt av kemikalier vid kontrollpunkter under varje steg för att säkerställa att mutationer inträffar inte och att celltillväxt inte sker snabbare än vad som är hälsosamt för omgivningen vävnad.

Cellcykeln består i huvudsak av två faser. Den första fasen är interfas. Under mellanfasen förbereder cellen sig för celldelning i tre delfaser som kallas G₁ fas, S-fas och G₂ fas. I slutet av interfasen har kromosomerna i cellkärnan alla duplicerats. Genom alla dessa steg fortsätter cellen också att utföra sina dagliga funktioner, oavsett vad de är. Interfas kan pågå dagar, veckor, år - och i vissa fall under hela organismen. De flesta nervceller lämnar aldrig G₁ interfasfas, så forskare har utsett ett speciellt stadium för celler som dem som kallas G₀. Detta steg är för nervceller och andra celler som inte kommer att gå in i en celldelningsprocess. Ibland beror det på att de helt enkelt inte är redo att eller inte är utsedda för, som nervceller eller muskelceller, och det kallas ett vilande tillstånd. Andra gånger är de för gamla eller skadade, och det kallas ett tillstånd av åldrande. Eftersom nervceller är separata från cellcykeln är skador på dem mestadels irreparabla, till skillnad från en benbrott, och detta är anledningen till att personer med ryggrad eller hjärnskador ofta har permanenta funktionshinder.

Den andra fasen av cellcykeln kallas mitos eller M-fas. Under mitos delar kärnan sig i två och skickar en kopia av varje duplicerad kromosom till var och en av de två kärnorna. Det finns fyra stadier av mitos, och dessa är profas, metafas, anafas och telofas. Vid ungefär samma tid som mitos sker sker en annan process, kallad cytokinese, som nästan är sin egen fas. Detta är den process genom vilken cellens cytoplasma och allt annat i den delar sig. På det sättet, när kärnan delas i två, finns det två av allt i den omgivande cellen att gå med varje kärna. När delningen är klar stängs plasmamembranet runt varje ny cell och klämmer av och delar de två nya identiska cellerna helt från varandra. Omedelbart befinner sig båda cellerna i det första steget av interfasen igen: G₁.

G₁ står för Gap fas 1. Termen ”gap” kommer från en tid då forskare upptäckte celldelning under mikroskop och tyckte att det mitotiska stadiet var mycket spännande och viktigt. De observerade kärndelningen och den medföljande cytokinetiska processen som bevis på att alla celler kom från andra celler. De mellanfaserverkade emellertid statisk och inaktiv. Därför tänkte de på dem som viloperioder eller brister i aktivitet. Sanningen är dock att G₁ - och G₂ i slutet av mellanfasen - är livliga tillväxtperioder för cellen, där cellen växer i storlek och bidrar till organismens välbefinnande på vilket sätt den ”föddes” att göra. Förutom sina vanliga cellulära uppgifter bygger cellen molekyler som proteiner och ribonukleinsyra (RNA).

Om cellens DNA inte skadas och cellen har vuxit tillräckligt fortsätter den till det andra steget av interfas, kallat S-fas. Detta är en förkortning för syntesfasen. Under denna fas, som namnet antyder, ägnar cellen en hel del energi åt att syntetisera molekyler. Specifikt replikerar cellen sitt DNA och duplicerar dess kromosomer. Människor har 46 kromosomer i sina somatiska celler, som alla är celler som inte är reproduktiva celler (spermier och ägg). De 46 kromosomerna är organiserade i 23 homologa par som är sammanfogade. Varje kromosom i ett homologt par kallas den andras homolog. När kromosomerna dupliceras under S-fasen lindas de mycket tätt runt histonproteinet strängar som kallas kromatin, vilket gör dupliceringsprocessen mindre benägen för DNA-replikationsfel, eller mutation. De två nya identiska kromosomerna kallas nu var och en kromatider. Trådar av histoner binder ihop de två identiska kromatiderna så att de bildar en slags X-form. Den punkt där de är bundna kallas en centromer. Dessutom är kromatiderna fortfarande förenade med sin homolog, som nu också är ett X-format par kromatider. Varje par kromatider kallas en kromosom; tumregeln är att det aldrig finns mer än en kromosom fäst vid en centromer.

Det sista steget av interfasen är G₂eller Gap fas 2. Denna fas fick sitt namn av samma skäl som G₁. Precis som under G₁ och S-fas förblir cellen upptagen med sina typiska uppgifter under hela scenen, även om den avslutar arbetet med interfas och förbereder sig för mitos. För att förbereda sig för mitos delar cellen sina mitokondrier, liksom dess kloroplaster (om den har någon). Det börjar syntetisera föregångarna till spindelfibrer, som kallas mikrotubuli. Det gör dessa genom att replikera och stapla kromidparparnas centromerer i sin kärna. Spindelfibrer kommer att vara avgörande för processen för kärnuppdelning under mitos, när kromosomer måste dras isär i de två separerande kärnorna; att säkerställa att rätt kromosomer kommer till rätt kärna och förblir ihopkopplad med rätt homolog är avgörande för att förhindra genetiska mutationer.

Delningsmarkörerna mellan faserna i cellcykeln och underfaserna av interfas och mitos är artefakter som forskare använder för att kunna beskriva processen för celldelning. I naturen är processen flytande och oändlig. Det första steget av mitos kallas profas. Det börjar med kromosomerna i det tillstånd de befann sig i i slutet av G₂ interfasstadiet, replikerat med systerkromatider fästa av centromerer. Under profas kondenserar kromatinsträngen, vilket gör att kromosomerna (det vill säga varje par systerkromatider) blir synliga under ljusmikroskopi. Centromererna fortsätter att växa till mikrotubuli, som bildar spindelfibrer. I slutet av profasen bryts kärnmembranet ner och spindelfibrerna ansluter till ett strukturellt nätverk genom cellens cytoplasma. Eftersom kromosomerna nu flyter fritt i cytoplasman är spindelfibrerna det enda stödet som hindrar dem från att flyta vilse.

Cellen rör sig in i metafas så snart kärnmembranet upplöses. Spindelfibrerna flyttar kromosomerna till cellens ekvatorn. Detta plan är känt som spindelekvatorn eller metafasplattan. Det finns inget konkret där; det är helt enkelt ett plan där alla kromosomerna ligger i linje och som halverar cellen antingen horisontellt eller vertikalt, beroende på hur du tittar på eller föreställer dig cellen (för en visuell representation av detta, se Resurser). Hos människor finns det 46 centromerer, och var och en är fäst vid ett par kromatidsystrar. Antalet centromerer beror på organismen. Varje centromer är ansluten till två spindelfibrer. De två spindelfibrerna avviker när de lämnar centromeren, så att de ansluter till strukturer på motsatta poler i cellen.

Cellen övergår till anafas, vilket är den kortaste av de fyra faserna av mitos. Spindelfibrerna som förbinder kromosomerna med cellens poler förkortas och rör sig bort mot sina respektive poler. På så sätt drar de isär de kromosomer de är fästa på. Centromererna delas också i två när en halv färdas med varje kromatidsyster mot en motsatt pol. Eftersom varje kromatid nu har sin egen centromer kallas den en kromosom igen. Under tiden förlängs olika spindelfibrer som är fästa vid båda polerna, vilket får avståndet mellan cellens två poler att växa så att cellen plattar ut och förlängs. Processen med anafas sker på ett sådant sätt att i slutet innehåller varje sida av cellen en kopia av varje kromosom.

Telofas är det fjärde och sista steget av mitos. I detta steg rullar de extremt tätt packade kromosomerna - som kondenserades för att öka replikationsnoggrannheten - sig själva. Spindelfibrerna löses upp och en cellulär organell kallas endoplasmatiska retiklet syntetiserar nya kärnmembran runt varje uppsättning kromosomer. Detta innebär att cellen nu har två kärnor, var och en med ett komplett genom. Mitosen är klar.

Nu när kärnan har delats upp måste resten av cellen också dela sig så att de två cellerna kan delas. Denna process är känd som cytokinese. Det är en separat process från mitos, även om det ofta sker samtidigt med mitos. Det händer annorlunda i djur- och växtceller, för där djurceller endast har ett plasmacellmembran har växtceller en stel cellvägg. I båda typerna av celler finns det nu två distinkta kärnor i en cell. I djurceller bildas en sammandragningsring vid cellens mittpunkt. Detta är en ring av mikrofilament som cinch runt cellen och stramar plasmamembranet i mitten som en korsett tills den skapar en så kallad klyvningsfår. Med andra ord får den sammandragna ringen att cellen bildar en timglasform som blir mer och mer uttalad, tills cellen helt kläms av i två separata celler. I växtceller skapar en organell som kallas Golgi-komplexet vesiklar, som är membranbundna vätskefickor längs axeln som delar cellen mellan de två kärnorna. Dessa vesiklar innehåller polysackarider som behövs för att bilda cellplattan och cellplattan så småningom smälter samman med och blir en del av cellväggen som en gång rymde den ursprungliga enskilda cellen, men som nu är hem för två celler.

Cellcykeln kräver mycket reglering för att säkerställa att den inte fortsätter utan att vissa villkor uppfylls inom och utanför cellen. Utan denna reglering skulle det finnas okontrollerade genetiska mutationer, out-of-control celltillväxt (cancer) och andra problem. Cellcykeln har ett antal kontrollpunkter för att se till att saker och ting fortskrider korrekt. Om de inte är det görs reparationer eller programmerad celldöd initieras. En av de primära kemiska regulatorerna i cellcykeln är cyklinberoende kinas (CDK). Det finns olika former av denna molekyl som arbetar vid olika punkter i cellcykeln. Till exempel proteinet p53 produceras av skadat DNA i cellen och som inaktiverar CDK-komplexet vid G₁/ S-kontrollpunkt och därmed stoppa cellens framsteg.