Введение

Репликация ядерного генома без митоза
Эндорепликация (также называемая эндорепликацией или эндоциклом) – это репликация ядерного генома в отсутствие митоза, приводящая к увеличению содержания ядерных генов и полиплоидии. Эндорепликацию можно рассматривать как вариант митотического клеточного цикла (G1 S G2 M), в котором митоз полностью исключается вследствие модуляции активности циклинзависимых киназ (CDK). Примеры эндорепликации, описанные у представителей типов членистоногих, млекопитающих и растений, указывают на то, что это универсальный механизм развития, отвечающий за дифференцировку и морфогенез клеточных типов, выполняющих широкий спектр биологических функций. Полиплоидия и анеуплоидия – распространенные явления в раковых клетках. Поскольку онкогенез и эндорепликация, вероятно, связаны с нарушением общих механизмов регуляции клеточного цикла, глубокое понимание эндорепликации может дать важные сведения для биологии рака.

Эндодепликация, эндомитоз и политенизация

Эндоредупликация, эндомитоз и политенизация – это три различных процесса, приводящих к регулируемой полиплоидизации клетки. При эндоредупликации клетки полностью пропускают М-фазу, выходя из митотического клеточного цикла в G2-фазу после многократного завершения S-фазы, что приводит к образованию мононуклеированной полиплоидной клетки. В результате клетка содержит вдвое больше копий каждого хромосомы после каждого повторения S-фазы. Эндомитоз – это вариант клеточного цикла, при котором митоз инициируется, но останавливается на стадии анафазы, в результате чего цитокинез не завершается. В отличие от клеток, подвергающихся эндоредупликации, в этом случае клетка содержит множественные ядра. Таким образом, в зависимости от степени прохождения клетки через митоз, формируется мононуклеированная или бинуклеированная полиплоидная клетка. Политенизация возникает в результате недостаточной или избыточной амплификации определенных геномных регионов, что приводит к образованию политенных хромосом. Полученные данные позволяют предположить, что эндоредупликация и полиплоидия могут быть необходимы для поддержания идентичности клеток.

Размер клетки/организма

Клеточная плеидия часто коррелирует с размером клетки, что позволяет предположить, что эндоредупликация может быть механизмом роста тканей. В отличие от митоза, эндоредупликация не требует перестройки цитоскелета или синтеза новой клеточной мембраны и часто наблюдается в уже дифференцированных клетках. Таким образом, она может представлять собой энергетически выгодную альтернативу клеточной пролиферации для дифференцированных типов клеток, которые больше не способны к митозу. Несмотря на то, что в литературе представлено множество данных, подтверждающих связь между плеидией и размером ткани, существуют и противоположные примеры.

Оогенез и развитие эмбриона

Эндоредупликация обычно наблюдается в клетках, отвечающих за питание и защиту ооцитов и эмбрионов. Предполагается, что увеличение числа копий генов может обеспечивать массовое производство белков, необходимых для удовлетворения метаболических потребностей эмбриогенеза и раннего развития. Однако снижение эндоредупликации в эндосперме кукурузы оказывает незначительное влияние на накопление крахмала и запасных белков, что указывает на то, что питательные потребности развивающегося эмбриона могут быть связаны с нуклеотидами, составляющими полиплоидный геном, а не с кодируемыми им белками.

Буффирование генома

Другая гипотеза состоит в том, что эндоредупликация смягчает последствия повреждений ДНК и мутаций, поскольку обеспечивает наличие дополнительных копий важных генов.

Реакция на стресс

Исследования растений показывают, что эндоредупликация также может играть роль в модуляции реакций на стресс. Манипулируя экспрессией E2fe (репрессора эндоцикла у растений), исследователи продемонстрировали, что повышение клеточной плоидности снижает негативное воздействие засухи на размер листьев. Учитывая, что прикрепленный образ жизни растений требует способности адаптироваться к условиям окружающей среды, логично предположить, что широко распространенная полиплоидизация способствует их развитию пластичности.

Генетический контроль эндорепликации

Наиболее изученный пример перехода от митоза к эндоредупликации наблюдается в клетках фолликулов дрозофилы и активируется сигнализацией Notch. Вступление в эндоредупликацию включает модуляцию активности митотических и S-фазных циклинзависимых киназ (CDK). Ингибирование активности CDK M-фазы достигается посредством транскрипционной активации Cdh/fzr и репрессии регулятора G2-M, string/cdc25. Cdh/fzr отвечает за активацию комплекса, стимулирующего анафазу (APC) и последующий протеолиз митотических циклинов. String/cdc25 – фосфатаза, стимулирующая активность митотического циклинового комплекса CDK. Увеличение активности CDK S-фазы достигается путем транскрипционной репрессии ингибирующей киназы dacapo. В совокупности эти изменения позволяют избежать входа в митоз, прогрессировать через G1 и перейти в S-фазу. Индукция эндомитоза в мегакариоцитах млекопитающих включает активацию рецептора c-mpl цитокином тромбопоэтином (TPO) и опосредуется сигнализацией ERK1/2. Как и в случае с клетками фолликулов дрозофилы, эндоредупликация в мегакариоцитах является результатом активации комплексов CDK S-фазных циклинов и ингибирования активности митотических циклинов CDK. Вхождение в S-фазу во время эндоредупликации (и митоза) регулируется посредством формирования пререпликативного комплекса (pre-RC) в местах репликации, за которым следует рекрутирование и активация аппарата репликации ДНК. В контексте эндоредупликации эти события облегчаются колебаниями активности циклина E Cdk2. Активность циклина E Cdk2 стимулирует рекрутирование и активацию аппарата репликации, но также ингибирует формирование pre-RC, предположительно, чтобы обеспечить только один раунд репликации за цикл. Неспособность поддерживать контроль над формированием pre-RC в местах репликации приводит к явлению, известному как «ререпликация», которое часто встречается в раковых клетках. Колебания активности циклина E Cdk2 модулируются транскрипционными и посттранскрипционными механизмами. Экспрессия циклина E активируется транскрипционными факторами E2F, которые, как было показано, необходимы для эндоредупликации. Недавние исследования показывают, что наблюдаемые колебания уровней белков E2F и циклина E являются результатом петли отрицательной обратной связи, включающей Cul4-зависимое убиквитинирование и деградацию E2F. Посттранскрипционная регуляция активности циклина E Cdk2 включает Ago/Fbw7-опосредованную протеолитическую деградацию циклина E и прямое ингибирование такими факторами, как Dacapo и p57.

Премиотический эндомитоз у однополых позвоночных

Однополые саламандры (род *Ambystoma*) – старейшая известная линия однополых позвоночных, возникшая около 5 миллионов лет назад. У этих полиплоидных однополых самок дополнительное предмейотическое эндомитотическое реплицирование генома удваивает число хромосом. В результате зрелые яйцеклетки, образующиеся после двух мейотических делений, имеют ту же плоидность, что и соматические клетки взрослой самки саламандры. Считается, что синапс и рекомбинация во время мейотической профазы I у этих однополых самок обычно происходят между идентичными сестринскими хромосомами и изредка – между гомологичными хромосомами. Таким образом, генетическое разнообразие практически не создается. Рекомбинация между гомеоложными хромосомами происходит крайне редко или не происходит вовсе.