G ₁ -фа́за (от англ. Gap 1 phase ) — первая из трёх фаз клеточного цикла эукариотических клеток . На этом этапе интерфазы клетка увеличивается в размерах и синтезирует мРНК и белки , готовясь к последующему после интерфазы митозу . G ₁ -фаза завершается с началом S-фазы интерфазы.

Общая характеристика

G ₁ -фаза вместе с S-фазой и G ₂ -фазой составляет длинный период роста клетки — интерфазу, которая предшествует клеточному делению — митозу (М-фаза) .

В течение G ₁ -фазы клетка увеличивается в размерах и синтезирует мРНК и белки, необходимые для синтеза ДНК . Когда клетка достигает необходимых размеров, а необходимые белки уже синтезированы, клетка вступает в следующую фазу клеточного цикла — S-фазу. Продолжительность каждой фазы, в том числе и G ₁ -фазы, отличается в разных типах клеток. В соматических клетках человека клеточный цикл длится около 18 часов, и на G ₁ -фазу приходится около трети этого времени . Однако у зародышей шпорцевой лягушки ( Xenopus ), морских ежей ( Echinoidea ) и дрозофилы ( Drosophila ) G ₁ -фаза слабо выражена и представляет промежуток, если и он есть, между окончанием митоза и S-фазой .

G ₁ -фаза и другие фазы клеточного цикла могут зависеть от факторов роста , таких как питательные вещества , температура и пространства для роста. Для синтеза мРНК и белков должно присутствовать достаточное количество аминокислот . Для роста клеток оптимальны физиологические температуры. У человека нормальная физиологическая температура составляет около 36,5 °C (под мышкой) .

G ₁ -фаза особенно важна для клеточного цикла, потому что в этот период клетка определяет, будет ли она делиться или покинет клеточный цикл . Если клетка остаётся неделящейся вместо перехода в S-фазу, она покидает G ₁ -фазу и переходит в состояние покоя, называемое G ₀ -фазой . Вновь вернуться в G ₁ -фазу из G ₀ -фазы сложно, но возможно .

На протяжении G ₁ -фазы клетка остаётся диплоидной ( 2n ). Это означает, что клетка содержит двойной набор хромосом , специфических для данного вида, а ДНК ещё не была реплицирована перед клеточным делением . Генетический материал находится в виде хроматина или слабо спирализованных цепей ДНК. Гаплоидные эукариотические организмы , например, некоторые дрожжи , имеют только один набор хромосом ( 1n ). В течение G ₁ -фазы клетка ещё только готовится к репликации ДНК , и её генетический материал ещё не копирован (это происходит в S-фазе) .

Регуляция G ₁ -фазы

В клеточном цикле существует чёткий набор инструкций, известный как контрольная система клеточного цикла, которая контролирует продолжительность и координацию фаз клеточного цикла, чтобы обеспечить правильный порядок их протекания. Биохимические пусковые устройства, известные как циклин-зависимые киназы , запускают этапы клеточного типа в нужное время и обеспечивают правильный порядок, чтобы предотвратить ошибки .

В клеточном цикле есть три : G ₁ /S-контрольная точка (переход из G ₁ -фазы в S-фазу) или стартовая точка у дрожжей, G ₂ /M-контрольная точка и точка веретена .

Биохимические регуляторы G ₁ -фазы

В течение G ₁ -фазы активность G ₁ /S-циклинов значительно повышается к концу G ₁ -фазы. Эти циклины инициируют некоторые ранние процессы, связанные с клеточным делением, как, например, удвоение центросом у позвоночных, формирование веретена у дрожжей, однако по большей части они ответственны за активацию комплексов S-циклинов .

Комплексы циклинов, активных в другие фазы клеточного цикла, находятся в эту фазу в неактивном состоянии, чтобы соответствующие клеточные процессы не проходили в неправильном порядке. В G ₁ -фазе существует три способа подавления активности циклинзависимых киназ: гены - ингибиторы при помощи регуляторных белков подавляют трансляцию главных циклиновых генов; активируется комплекс стимуляции анафазы , который направленно подавляет S- и M-циклины (но не G ₁ /S-циклинов) и, наконец, высокая концентрация ингибиторов циклинзависимых киназ .

Точка рестрикции

В G ₁ -фазе точка рестрикции (R) отличается от остальных контрольных точек, поскольку она не определяет специальное состояние клетки, идеальное для перехода в следующую фазу, а меняет дальнейшее направление жизни клетки. У позвоночных после того, как клетка пробыла в G ₁ -фазе около трёх часов, она вступает в точку рестрикции, где клетка решает, пойдёт ли она дальше по клеточному циклу или же перейдёт в стадию покоя — G ₀ -фазу .

Эта точка также разделяет G ₁ -фазу на две половины: премитотическую и постмитотическую. Между началом G ₁ -фазы (которая начинается в новой клетке после митоза) и R клетка находится в G ₁ -постмитотической подфазе или постмитотической фазе. После R и перед S-фазой клетку называют находящейся в G ₁ -пресинтетической подфазе или пресинтетической фазе G ₁ -фазы .

Чтобы клетка прошла через G ₁ -постмитотическую фазу, необходимо высокое содержание факторов роста и стабильный уровень синтеза белков, иначе клетка перейдёт в G ₀ -фазу .

Некоторые авторы утверждают, что точка рестрикции и G ₁ /S-точка есть одно и то же , но в более новых работах выяснилось, что это — две различные точки G ₁ -фазы, в которых отмечается прогресс клетки. Первая, точка рестрикции, зависит от факторов роста и определяет, уходить ли клетке в G ₀ -фазу, в то время как вторая контрольная точка зависит от питательных веществ и определяет, уходить ли клетке в S-фазу . Некоторые разногласия между исследователями приписывают тому, что одни из них изучали клетки млекопитающих , а другие — дрожжей .

G ₁ /S-контрольная точка

G ₁ /S-контрольная точка находится между началом G ₁ -фазы и S-фазы, в которой определяется переход клетки в S-фазу. Факторами, из-за которых клетка может не вступить в S-фазу, могут быть недостаток факторов роста, повреждения ДНК и другие особые обстоятельства.

В этой точке образование комплексом G ₁ /S-циклинов и циклинзависимых киназ (ЦЗК) подводит клетку к вступлению в новый цикл деления. Потом эти комплексы активируют S-ЦЗК комплексы, которые подводят клетку к репликации ДНК в S-фазе. Одновременно с этим активность комплекса стимуляции анафазы значительно уменьшается, что позволяет активироваться S- и М-циклинам.

Если клетка не может перейти в S-фазу, она вступает в покоящуюся G ₀ -фазу, где нет ни клеточного роста, ни деления .

G ₁ -фаза и рак

Во многих источниках подтверждается, что нарушения в G ₁ -фазе и G ₁ /S-контрольной точке приводят к неконтролируемому росту опухолей. В случаях, когда нарушения затрагивают G ₁ -фазу, это происходит главным образом потому, что гены, кодирующие регуляторные белки, семейства E2F приобретают неограниченную активность и увеличивают экспрессию генов G ₁ /S-циклинов, в результате чего клетка неконтролируемо вновь и вновь вступает в клеточный цикл .

Однако лекарства против некоторых форм рака также действуют на G ₁ -фазу клеточного цикла. При многих видах рака , в том числе рака молочной железы и рака кожи , можно предотвратить разрастание опухоли, не давая опухолевым клеткам вступать в G ₁ -фазу, предотвращая деление и распространение клеток.

Примечания