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.
Endoreduplication (also referred to as endoreplication or endocycling) is replication of the nuclear genome in the absence of mitosis, which leads to elevated nuclear gene content and polyploidy. Endoreduplication can be understood simply as a variant form of the mitotic cell cycle (G1 S G2 M) in which mitosis is circumvented entirely, due to modulation of cyclin dependent kinase (CDK) activity. Examples of endoreduplication characterised in arthropod, mammalian, and plant species suggest that it is a universal developmental mechanism responsible for the differentiation and morphogenesis of cell types that fulfill an array of biological functions. Polyploidy and aneuploidy are common phenomena in cancer cells. Given that oncogenesis and endoreduplication likely involve subversion of common cell cycle regulatory mechanisms, a thorough understanding of endoreduplication may provide important insights for cancer biology.
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.