Содержание к диссертации
Введение
Глава I. Современные представления о временной организации клеточного цикла 8
1.1. Основные экспериментальные данные
1.2. Феноменологические подходы к описанию вариабельности интермитотического времени 16
1.3. Представления о динамических моделях клеточного цикла и основные пути
стохастизации динамических систем 24
Иллюстрации 37
Глава 2. Математическая модель мембранного митотического осциллятора 43
2.1. Перекисное окисление липидов и клеточное деление
2.2. Основные реакции окисления липидов в биологических мембранах 45
2.3. Система кинетических уравнений перекисного окисления липидов 62
2.4. Современные представления о физической организации плазматической мембраны
2.5. Параметрический анализ митотического осциллятора 74
Иллюстрации 78
Глава 3. Флуктуации длительности клеточного циклав рамках динамической модели деления ' 88
3.1. Учет флуктуации в модели мембранного осциллятора
3.2. Результаты расчетов и обсуждение 93
3.3. Связь развиваемого подхода к описанию вариабельности с трактовками других моделей
Иллюстрации 99
Глава 4. Теоретические возможности синхронизации клеточных делений с точки зрения модели мембранного осциллятора 103
4.1. Проблема получения длительно существующих синхронных популяций клеток
4.2. Автосинхронизация 104
4.3. Синхронизация внешним
периодическим воздействием 112
Иллюстрации 118
Заключение 123
Литература 126
- Основные экспериментальные данные
- Перекисное окисление липидов и клеточное деление
- Учет флуктуации в модели мембранного осциллятора
- Проблема получения длительно существующих синхронных популяций клеток
Основные экспериментальные данные
Жизненный цикл клетки принято подразделять на четыре фазы: G - фаза, следующая за митозом; s - фаза синтеза ДНК; Gp - премитотичеекая фаза; м - митоз. В настоящее время большинство исследователей считает, что наряду с делением, клетки могут также переходить з состояния покоя, в которых они могут пребывать, не делясь, достаточно долго, сохраняя при этом способность вернуться в цикл (см., например, \Ч] ). Этому соответствуют так называемые фазы покоя G и GQ2 (ИЛИ IL и R2 в обозначениях [40] ), в которые клетка может выйти после митоза, или после завершения синтеза ДНК.
Многочисленные эксперименты по кинетике пролиферации показывают, что в клеточных популяциях наблюдается значительная вариабельность длительности как всего клеточного цикла в целом, так и его отдельных фаз. Ширина разброса интермитотического времени сравнима со средним значением времени генерации. При детальных исследованиях в культуре клеток выяснилось, что даже в режиме клонирования, когда казалось бы все клетки есть потомки одной родоначальной, и все внешние условия уравнены, наблюдаются заметные флуктуации длительности цикла.
В настоящем параграфе будет дан обзор современных экспериментальных достижений в области изучения вариабельности клеточного цикла. Объем материала, посвященного этим проблемам, весьма велик, и мы ограничимся рассмотрением экспериментальных данных, полученных, во-первых, in vitro и, во-вторых, на клетках млекопитающих. Кроме того, как это будет видно ниже, сравнение различных экспериментов между собой возможно только после их дополнительной классификации. Поэтому везде, где это нужно и возможно, мы будем различать трансформированные и нетрансформированные клетки, а также популяции циклирующих клеток и клеток, стимулированных к пролиферации из состояния покоя.
В настоящее время существует ряд экспериментальных методик для исследования вариабельности времени клеточного цикла: микрокиносъемка, авторадиография, наблюдение кинетики десинхрониза-ции.
Перекисное окисление липидов и клеточное деление
В 1957 г. Уилбур с соавт. 84 ] обнаружит связь между содержанием перекисей липидов в тканях регенерирующей печени и скоростью размножения клеток. Было показано, что количество перекисей находится в обратной зависимости от интенсивности митозов. Дальнейший прогресс в изучении этого вопроса был связан с развитием представлений о роли антиоксидантов в регуляции свободно-радикального окисления липидов биологических мембран [iOJ. Бко-антиоксиданты - природные вещества, содержащиеся в мембранах и тормозящие свободнорадикалыюе окисление полиненасыщеннкх жирных кислот. Антиокислительная активность (АОА) липидов определяется как относительным количеством антиоксидантов, так их способностью к ингибированию радикальных цепей. Уровень АОА является одним из важнейших регуляторних показателей свободнорадикальных процессов в клетке, поэтому установление связи между АОА и клеточным делением дает КЛЕИ к пониманию роли перекиского окисления липидов (ПОЛ) в процессе пролиферации.
В IS55 г. Бурлаковой была предложена гипотеза о роли сво-боднорадикального окисления липидов мембран в регуляции клеточного.", деления [S,I2]. Согласно этой гипотезе продукты свободнора-дикального окисления липидов играют роль митотических ингибиторов, а биоантиоксиданты, реагирующие со свободными радикалами, выступают как стимуляторы размножения клеток. В основе такого предположения лежали следующие экспериментальные шкты.
Во-первых, было - показано, что в регенерирующих органах и при росте перевиваемых и ш-щупируемых опухолей скорость деления клеток изменялась в прямой зависимости от АОА и в обратной - от концентрации свободных радикалов [l,35J. Точно такая же зависимость была продемонстрирована в ходе действия ионизирующего излучения и ряда химических препаратов, а также при введении животным синтетических антпоксидантоБ [її,2,21,ю] . Во-вторых, суточньїіі ритм митозов соответствовал суточному ритму АОА липидов органов животных [3,ю].
Учет флуктуации в модели мембранного осциллятора
С точки зрения автоколебательных динамических моделей клеточного деления в распределение клеток по длительностям циклов вносят вклад по крайней мере три фактора:
1) гетерогенность клеточной популяции по средним значениям параметров митотических осцилляторов, т.е. уникальность особенностей настройки индивидуальных "клеточных часов" ;
2) влияние случайных возмущений на динамику осциллятора ;
3) нестационарность средних значений параметров осцилляторов.
Если принять во внимание только первый фактор, то получится так, что время цикла для каждой отдельно взятой клетки предетер-минировано от рождения, и вся вариабельность интермитотических времен зависит только от разброса клеток по параметрам, характеризующим скорость циклирования. Эта точка зрения соответствует идеологии " Gi_ t.ate" модели Кастора, описанной нами в гл. I. Подобный "статический" механизм вариабельности несомненно играет некоторую роль в явлении гетерогенности временных характеристик циклов деления, однако хорошо известно, что вариабельность не исчезает и при переходе к изучению распределения времен циклов в клонах. Б этой связи представляется более интересным изучить статистику времени клеточного цикла во втором случае, т.е. для совокупности идентичных клеток. Более того, мы можем рассматривать только одну -единственную клетку, или один митотический осциллятор в течение длительного промежутка времени вместо ансамбля одинаковых клеток в данный момент, если пренебрежем влиянием третьего фактора. Это всегда можно сделать для суспензионных культур или для культур при не слишком больших плотностях посадки, а также в системах типа проточного культиватора, когда влияние межклеточного взаимодействия за время порядка нескольких циклов незначительно.и, таким образом, средние значения параметров слабо зависят от времени. То же замечание относится и к старению культуры клеток. В таком случае функция распределения времени цикла эквивалентна функции распределения относительного числа клеток по временам генерации и является стационарной.
Проблема получения длительно существующих синхронных популяций клеток
Получение популяций клеток, синхронно делящихся в культуре или в организме, с давних пор было заветной мечтой исследователей, работающих в самых разных областях биологии и медицины, биохимии клеточного цикла, химиотерапии и т.п. Было сделано множество попыток синхронизовать размножение с помощью таких "бло-каторов" клеточного цикла, как гидроксимочевина, тимидин, колце-мид, отбор клеток в митозе. Однако все эти попытки столкнулись одной и той же трудностью: после устранения блока происходила десинхронизация клеточных циклов, обусловленная разбросом значений интермитотических времен. Реально удается проследить всего лишь два-три максимума на кривых кинетики меченых митозов предварительно синхронизованной культуры. Кроме того, применение полного блока в большинстве случаев оказывает токсическое воздействие на клетки из-за высокой необходимой концентрации вещес-тва-блокатора. Таким образом, возникает задача синхронизации цик-лирующих клеток и поддержания нужной степени синхронности в течение многих циклов деления. С точки зрения автоколебательных моделей регуляции клеточного цикла можно предложить два подхода к ее решению: осуществление автосинхронизации популяции за счет усиления обменных процессов между клетками; и получение синхронной культуры с помощью малых периодически изменяющихся внешних воздействий. Прежде, чем перейти к изложению этих двух подходов в рамках мембранной модели митотического осциллятора, сделаем некоторые пояснительные замечания.
Необходимо четко разграничить два совершенно различных определения слова "фаза" по отношению к клеточному циклу. В терминах теории колебаний фаза - это время, истекшее с момента прохождения изображающей точкой некоторой фиксированной точки предельного цикла в фазовом пространстве ведущих переменных. В силу периодичности фазу можно считать изменяющейся в интервале от О до Т0, где TQ -период цикла. Таким образом, любому значению фазы О Ф Т0 совершенно однозначно соответствует определенная точка предельного цикла в фазовом пространстве, и наоборот.
