معلومة

دورات الحياة حقيقية النواة - علم الأحياء

دورات الحياة حقيقية النواة - علم الأحياء


We are searching data for your request:

Forums and discussions:
Manuals and reference books:
Data from registers:
Wait the end of the search in all databases.
Upon completion, a link will appear to access the found materials.

1. وصف دورات الحياة حقيقية النواة

في علم الأحياء ، تصف دورة الحياة (أو تاريخ الحياة) مسار تطور الكائن الحي. دورة الحياة هي التاريخ الكامل للكائن الحي ، وعادة ما يتم عرضها من خلال سلسلة من مراحل النمو التي تصور التغييرات التي يمر بها النوع أثناء مروره من بداية مرحلة تنموية معينة إلى بداية نفس المرحلة التنموية في الجيل التالي .

الاختلافات الرئيسية بين دورات الحياة حقيقية النواة هي مقدار الوقت المستغرق في الأطوار أحادية الصيغة الصبغية مقابل الطور الثنائي الصبغية والمنتجات الانتصافية (الأبواغ مقابل الأمشاج) التي يتم إنتاجها. تذكر أن الخلايا أحادية الصيغة الصبغية تحتوي على مجموعة واحدة فقط من الكروموسومات (ن). تحتوي الخلايا ثنائية الصبغة على مجموعتين من الكروموسومات (2 ن). الانقسام الاختزالي هو العملية التي تنقسم بها الخلايا ثنائية الصبغيات مرتين على التوالي بعد تكرار كروموسوماتها مرة واحدة فقط. والنتيجة هي أن كل خلية ابنة نهائية أحادية العدد وتحتوي على نسخة واحدة فقط من كل كروموسوم. هذا يختلف عن الانقسام ، عندما تنقسم الخلايا ولكن عدد مجموعات الكروموسوم يبقى كما هو. في الانقسام ، تنقسم الخلايا أحادية الصيغة الصبغية لتشكيل خلايا أحادية الصيغة الصبغية وتنقسم الخلايا ثنائية الصبغيات لتشكيل خلايا ثنائية الصبغيات.

تحتوي الخلايا ثنائية الصبغة على نسختين من جينومها ، وعادةً ما تكون:

1. توفير التكرار الجيني الذي يمكن أن يزيد المقاومة لتلف الحمض النووي (هناك نسخة "احتياطية" من الحمض النووي في حالة تعرض المرء للتلف).
2. الاستفادة من التبادل الجيني مع الأفراد الآخرين ، والذي يمكن أن يوفر المزيد من التنوع الجيني وبالتالي يوفر إمكانية أكبر للبقاء في بيئة متغيرة.
3. يكون نموهم أبطأ لأن لديهم دورة خلوية أطول بسبب وجود كمية أكبر من الحمض النووي ليتم نسخها مع كل انقسام خلوي.

نظرًا لأن الخلايا أحادية الصيغة الصبغية لديها نسخة واحدة فقط من جينومها ، فهي عادةً:

1. أكثر عرضة للتلف الجيني (لا توجد نسخة "احتياطية" من الحمض النووي).
2. قادرة على النمو بشكل أسرع لأنها لا تملك الكثير من الحمض النووي لتتكاثر مع كل دورة خلية.
3. قادرة على الاندماج مع الخلايا أحادية الصيغة الصبغية الأخرى عن طريق الإخصاب.

بالإضافة إلى انقسام الخلايا ، هناك مرحلة رئيسية أخرى في كل دورة حياة وهي الإخصاب ، أو اندماج خليتين ، مما يؤدي إلى تكوين خلية ثنائية الصبغيات ، وهي البيضة الملقحة.

سنراجع الآن الأنواع الرئيسية الثلاثة لدورات الحياة حقيقية النواة (sporic ، zygotic and gametic) بمزيد من التفصيل.

دورة الحياة الجيمتيك

دورة الحياة المشيمية هي دورة التكاثر الموجودة في الحيوانات وبعض الكائنات الأولية. يشير المصطلح gametic إلى حقيقة أن الأمشاج هي نتيجة الانقسام الاختزالي.

خلال دورة الحياة المشيجية ، تنتج الخلية التناسلية أمشاج أحادية العدد (الخلايا الجنسية مثل البويضة والحيوانات المنوية) التي تتحد لإنتاج الزيجوت. ينمو الزيجوت عن طريق الانقسام الخلوي واستطالة الخلية لإنتاج فرد ثنائي الصبغة متعدد الخلايا. في دورة الحياة المشيمية ، تكون الأمشاج هي المرحلة الفردية الوحيدة الموجودة في دورة الحياة. الأمشاج (البويضة والحيوانات المنوية) هي الخلايا الفردية الوحيدة المنتجة.

الشكل ( PageIndex {1} ). (CC BY-NC-SA)

دورة الحياة اللاقحة

دورة الحياة اللاقحة هي أبسط دورة حياة جنسية ، وهي شائعة بين الفطريات والطلائعيات. هذه الكائنات الحية أحادية العدد خلال معظم دورة حياتها.

في دورة الحياة اللاقحة ، تكون البيضة الملقحة هي المرحلة الوحيدة ثنائية الصبغيات. بعد الإخصاب ، يخضع الزيجوت للانقسام الاختزالي لإنتاج خلايا أحادية العدد. تخضع الخلايا للانقسام إما لزيادة العدد أو النمو لتصبح كائنًا أحاديًا متعدد الخلايا. تتطور بعض الخلايا أحادية الصيغة الصبغية إلى أمشاج عن طريق الانقسام.

الشكل ( PageIndex {2} ). (CC BY-NC-SA)

دورة حياة سبوريك

دورة الحياة sporic هي الطحالب والنباتات الشائعة. يشير مصطلح sporic إلى حقيقة أن الجراثيم هي نتيجة الانقسام الاختزالي.

تنتج دورة الحياة البوغية من التناوب بين كائن أحادي الصبغية وكائن ثنائي الصبغيات. لهذا السبب ، يشار إلى هذه الدورة أحيانًا باسم "تناوب الأجيال". يتكاثر اللاقحة ثنائية الصبغيات أولاً بواسطة سلسلة من الانقسامات الانقسامية لتشكيل كائن حي متعدد الخلايا ثنائي الصبغيات ، يُعرف باسم الطور البوغي. يخضع النبات البوغي للانقسام الاختزالي وينتج جراثيم أحادية العدد. تنبت هذه الجراثيم وتتمايز إلى أفراد عديدي الخلايا أحادي العدد يُعرفون بالنبات المشيجي. ينتج الطور المشيجي البويضات والحيوانات المنوية عن طريق الانقسام. ينمو الزيجوت الناتج عن تآزر الأمشاج في البوغ عن طريق الانقسامات الانقسامية المتكررة وتستمر الدورة.

الشكل ( PageIndex {3} ). (CC BY-NC-SA)


تم ترخيص البرنامج التعليمي لدورات الحياة حقيقية النواة للدكتور كاثرين هاريس بموجب ترخيص المشاع الإبداعي Attribution-NonCommercial-ShareAlike 3.0 Unported License.

بتمويل من وزارة التعليم الأمريكية ، تطوير برنامج المؤسسات الخدمية من أصل إسباني ، # P031S090007.


هل تطور الانقسام الاختزالي قبل ممارسة الجنس وتطور دورات الحياة حقيقية النواة؟

لطالما وضع علماء الأحياء نظرية حول تطور دورات الحياة والانقسام الاختزالي والتكاثر الجنسي. نعيد النظر في هذه الموضوعات ونقترح أن الاختلاف الأساسي بين دورات الحياة هو أين ومتى يتم التعبير عن تعددية الخلايا. نقوم بتطوير سيناريو لشرح الانتقال التطوري من دورة حياة كائن وحيد الخلية إلى دورة يتم فيها التعبير عن تعددية الخلايا إما في المرحلة أحادية الصيغة الصبغية أو ثنائية الصيغة الصبغية ، أو كليهما. نقترح كذلك أن الانقسام الاختزالي ربما يكون قد تطور كآلية لتصحيح الازدواج العفوي للجينوم الكامل (تعدد الصبغيات التلقائي) وبالتالي قبل تطور التكاثر الجنسي بالمعنى الضيق (أي تكوين زيجوت ثنائي الصبغة عبر اندماج الأمشاج أحادية الصيغة الصبغية) في الكتل الرئيسية حقيقية النواة. بالإضافة إلى ذلك ، نقترح ، كما فعل الآخرون ، أن التكاثر الجنسي ، الذي يسود في جميع مجموعات حقيقية النواة ، له العديد من المزايا المختلفة من بينها أنه ينتج تنوعًا بين النسل وبالتالي يقلل من المنافسة بين الأشقاء.

الكلمات الدالة: تناوب الطحالب للأجيال


محتويات

تم إجراء دراسة التكاثر والتطور في الكائنات الحية من قبل العديد من علماء النبات وعلماء الحيوان.

أظهر فيلهلم هوفمايستر أن تناوب الأجيال هو سمة توحد النباتات ، ونشر هذه النتيجة في عام 1851 (انظر النشاط الجنسي للنبات).

تم اقتراح بعض المصطلحات (haplobiont و Diplobiont) المستخدمة لوصف دورات الحياة في البداية للطحالب بواسطة Nils Svedelius ، ثم أصبحت مستخدمة لكائنات أخرى. [4] [5] تم تقديم المصطلحات الأخرى (الزواج الذاتي و gamontogamy) المستخدمة في دورات حياة الطلائعيات بواسطة كارل جوتليب جريل. [6] ساهم وصف دورات الحياة المعقدة للعديد من الكائنات الحية في دحض أفكار التوليد التلقائي في أربعينيات وخمسينيات القرن التاسع عشر. [7]

الانقسام الاختزالي الملقح هو انقسام الزيجوت مباشرة بعد karyogamy ، وهو اندماج نواتين من الخلايا. بهذه الطريقة ، ينهي الكائن الحي طورته ثنائية الصبغيات وينتج عدة خلايا أحادية العدد. تنقسم هذه الخلايا بشكل انقسامي لتشكل إما خلايا أكبر متعددة الخلايا أو خلايا أحادية العدد. يندمج نوعان متعاكسان من الأمشاج (على سبيل المثال ، ذكر وأنثى) من هؤلاء الأفراد أو الخلايا ليصبحوا زيجوت.

في الدورة بأكملها ، تعتبر البيضة الملقحة هي الانقسام الخلوي ثنائي الصبغة الوحيد الذي يحدث فقط في المرحلة أحادية الصيغة الصبغية.

الأفراد أو الخلايا الناتجة عن الانقسام هي haplonts ، ومن ثم تسمى دورة الحياة هذه أيضًا دورة الحياة العشوائية. Haplonts هي:

  • في archaeplastidans: بعض الطحالب الخضراء (على سبيل المثال ، كلاميدوموناس, زيغنيما, شارا) [8]
  • في stramenopiles: بعض الطحالب الذهبية [8]
  • في الحويصلات الهوائية: العديد من السوطيات ، على سبيل المثال ، Ceratium ، Gymnodinium ، بعض apicomplexans (على سبيل المثال ، المتصورة) [9]
  • في الجريزاريين: بعض الأوجليفيدات ، [10] الزاهدون
  • في الحفريات: بعض الأجسام المكافئة [11]
  • في الأميبوزوان: ديكتيوستيليوم[8]
  • في opisthokonts: معظم الفطريات (بعض الفطريات الفطرية ، الفطريات الفطرية ، بعض الفطريات الزائدة ، الفطريات القاعدية) [8] [12]: 15

في الانقسام الاختزالي المشيجي ، بدلاً من الانقسام الفوري بشكل منفرد لإنتاج خلايا أحادية العدد ، تنقسم البيضة الملقحة انقسام لإنتاج فرد ثنائي الصبغة متعدد الخلايا أو مجموعة من الخلايا ثنائية الخلية أحادية الخلية. ثم تخضع الخلايا من الأفراد ثنائية الصبغيات للانقسام الاختزالي لإنتاج خلايا أحادية الصيغة الصبغية أو الأمشاج. قد تنقسم الخلايا أحادية الصيغة الصبغية مرة أخرى (عن طريق الانقسام الفتيلي) لتشكيل المزيد من الخلايا أحادية الصيغة الصبغية ، كما هو الحال في العديد من الخمائر ، لكن المرحلة أحادية الصيغة الصبغية ليست مرحلة دورة الحياة السائدة. في معظم الدبلومات ، يحدث الانقسام الفتيلي فقط في المرحلة ثنائية الصبغيات ، أي عادة ما تتشكل الأمشاج بسرعة وتندمج لإنتاج ملقحات ثنائية الصبغيات.

في الدورة بأكملها ، عادة ما تكون الأمشاج هي الخلايا الفردية الوحيدة ، وعادة ما يحدث الانقسام الفتيلي فقط في المرحلة ثنائية الصبغيات.

الفرد متعدد الخلايا ثنائي الصيغة الصبغية هو دبلوم ، ومن ثم يُطلق على الانقسام الاختزالي المشيجي أيضًا دورة الحياة المزدوجة. الدبلونتس هم:

  • في archaeplastidans: بعض الطحالب الخضراء (على سبيل المثال ، Cladophora glomerata, [13]أسيتابولاريا[8] )
  • في stramenopiles: بعض الطحالب البنية (Fucales ، ومع ذلك ، يمكن أيضًا تفسير دورة حياتها على أنها متغايرة الشكل بشكل قوي ، مع طور مشيجي منخفض للغاية ، كما هو الحال في النباتات المزهرة) ، [12]: 207 بعض نباتات الزانثوفيت (على سبيل المثال ، فوشيريا) ، [12]: 124 معظم الدياتومات ، [11] بعض البويضات (على سبيل المثال ، سابروليجينيا, Plasmopara viticola) ، [8] opalines ، [11] بعض "heliozoans" (على سبيل المثال ، الأكتينوفريس, أكتينوسفيريوم) [11][14]
  • في الحويصلات الهوائية: ciliates [11]
  • في الحفريات: بعض الأجسام المكافئة [11]
  • في opisthokonts: الحيوانات ، بعض الفطريات (على سبيل المثال ، بعض الفطريات الفطرية) [8]

في الانقسام الاختزالي البسيط (المعروف أيضًا باسم الانقسام الاختزالي الوسيط) ، تنقسم البيضة الملقحة بشكل انقسامي لإنتاج نبت بوغي متعدد الخلايا ثنائي الصبغيات. تخلق البوغة جراثيم عبر الانقسام الاختزالي أيضا ثم قسّم إنتاج أفراد فردانيون بشكل انقسامي يُطلق عليهم اسم الطور المشيجي. تنتج المشيجات الأمشاج عن طريق الانقسام. في بعض النباتات ، لا يكون الطور المشيجي صغير الحجم فقط ولكنه أيضًا قصير العمر في النباتات الأخرى والعديد من الطحالب ، فإن الطور المشيجي هو المرحلة "المهيمنة" في دورة الحياة.

  • في archaeplastidans: الطحالب الحمراء (التي لها جيلين من البوغ) ، وبعض الطحالب الخضراء (على سبيل المثال ، أولفا) ، النباتات البرية [8]
  • في stramenopiles: معظم الطحالب البنية [8]
  • في الجذور: العديد من المنخربات ، [11] plasmodiophoromycetes [8]
  • في الأميبوزوا: myxogastrids
  • في opisthokonts: بعض الفطريات (بعض chytrids ، وبعض الفطريات غير الفطرية مثل خميرة البيرة) [8]
  • حقيقيات النوى الأخرى: haptophytes [11]

بعض الحيوانات لديها نظام تحديد جنس يسمى هابلوديبلويد ، ولكن هذا لا يرتبط بدورة الحياة الفردية.

بعض الطحالب الحمراء (مثل بونيميزونيا [15] و Lemanea) والطحالب الخضراء (مثل براسيولا) لديها الانقسام الاختزالي الخضري ، ويسمى أيضًا الانقسام الاختزالي الجسدي ، وهي ظاهرة نادرة. [12]: 82 يمكن أن يحدث الانقسام الاختزالي الخضري في حالة فرد الأسنان وكذلك في دورات الحياة المزدوجة. تظل المشيجيات مرتبطة بالنبات البوغي وجزءًا منه. تخضع الخلايا ثنائية الصبغية الخضرية (غير التناسلية) للانقسام الاختزالي ، مما ينتج عنه خلايا أحادية الصيغة الصبغية الخضرية. هذه تخضع للعديد من الانقسام وتنتج الأمشاج.

تحدث ظاهرة مختلفة ، تسمى ثنائية الصبغة الخضرية ، وهي نوع من اختلاطات apomixis ، في بعض الطحالب البنية (على سبيل المثال ، إلاتشيستا ستيلاريس). [16] الخلايا الموجودة في جزء أحادي الصيغة الصبغية من النبات تقوم تلقائيًا بتكرار كروموسوماتها لإنتاج أنسجة ثنائية الصبغيات.

تعتمد الطفيليات على استغلال مضيف واحد أو أكثر. ويقال إن تلك التي يجب أن تصيب أكثر من نوع مضيف واحد لإكمال دورات حياتها لها دورات حياة معقدة أو غير مباشرة. ديروفيلاريا إميتيس ، أو الدودة القلبية ، لها دورة حياة غير مباشرة ، على سبيل المثال. يجب أن تلتهم أنثى البعوضة الميكروفيلارية أولاً ، حيث تتطور إلى مرحلة اليرقات المعدية. ثم تلدغ البعوضة حيوانًا وتنقل اليرقات المعدية إلى الحيوان ، حيث تهاجر إلى الشريان الرئوي وتنضج لتصبح بالغة. [17]

تلك الطفيليات التي تصيب نوعًا واحدًا لها دورات حياة مباشرة. مثال على الطفيلي مع دورة حياة مباشرة الأنكلستوما caninum، أو الدودة الشصية النابية. تتطور إلى مرحلة اليرقات المعدية في البيئة ، ثم تخترق جلد الكلب مباشرة وتنضج للبالغين في الأمعاء الدقيقة. [18]

إذا كان على طفيلي أن يصيب مضيفًا معينًا من أجل إكمال دورة حياته ، فإنه يقال إنه طفيلي ملزم لذلك المضيف أحيانًا ، تكون العدوى اختيارية - يمكن للطفيلي البقاء على قيد الحياة وإكمال دورة حياته دون إصابة ذلك النوع المحدد. . تصيب الطفيليات أحيانًا العوائل التي لا يمكنهم فيها إكمال دورات حياتهم ، فهؤلاء هم مضيفون عرضيون.

يُعرف المضيف الذي تتكاثر فيه الطفيليات جنسيًا بالمضيف النهائي أو النهائي أو الأساسي. في العوائل الوسيطة ، لا تتكاثر الطفيليات أو تفعل ذلك بلا جنس ، لكن الطفيل يتطور دائمًا إلى مرحلة جديدة في هذا النوع من العائل. في بعض الحالات ، يصيب الطفيلي مضيفًا ، ولكن لا يخضع لأي تطور ، تُعرف هذه العوائل باسم paratenic [19] أو مضيفات النقل. يمكن أن يكون مضيف paratenic مفيدًا في زيادة فرصة انتقال الطفيل إلى العائل النهائي. على سبيل المثال ، دودة الرئة القط (Aelurostrongylus abstrusus) يستخدم سبيكة أو حلزون كمضيف وسيط تدخل يرقة المرحلة الأولى الرخويات وتتطور إلى يرقة المرحلة الثالثة ، وهي معدية للمضيف النهائي - القط. إذا أكل الفأر البزاقة ، فإن يرقة المرحلة الثالثة ستدخل أنسجة الفأر ، لكنها لن تخضع لأي تطور.

من المحتمل أن النوع البدائي لدورة الحياة كان به أفراد فردانيون لديهم تكاثر لاجنسي. [11] تظهر البكتيريا والعتائق دورة حياة مثل هذه ، ويبدو أن بعض حقيقيات النوى تفعل ذلك أيضًا (على سبيل المثال ، Cryptophyta و Choanoflagellata والعديد من Euglenozoa والعديد من Amoebozoa وبعض الطحالب الحمراء وبعض الطحالب الخضراء والفطريات غير الكاملة وبعض الروتيفر والعديد من المجموعات الأخرى ، ليس بالضرورة أحادي العدد). [20] ومع ذلك ، فإن حقيقيات النوى هذه على الأرجح ليست لاجنسية في الأصل ، لكنها فقدت التكاثر الجنسي ، أو لم يتم ملاحظتها بعد. [21] [22] العديد من حقيقيات النوى (بما في ذلك الحيوانات والنباتات) تُظهر التكاثر اللاجنسي ، والذي قد يكون اختياريًا أو ملزمًا في دورة الحياة ، مع حدوث التكاثر الجنسي بشكل متكرر أو أقل. [23]

الكائنات الحية الفردية التي تشارك في دورة الحياة البيولوجية عادة ما تتقدم في العمر وتموت ، في حين أن الخلايا من هذه الكائنات التي تربط أجيال دورة الحياة المتتالية (خلايا الخط الجرثومي وأحفادها) يمكن أن تكون خالدة. أساس هذا الاختلاف هو مشكلة أساسية في علم الأحياء. اعتبر عالم الأحياء والمؤرخ الروسي Zhores A. Medvedev [24] أن دقة تكرار الجينوم والأنظمة الاصطناعية الأخرى وحدها لا يمكن أن تفسر خلود السلالات الجرثومية. بدلاً من ذلك ، اعتقد ميدفيديف أن السمات المعروفة للكيمياء الحيوية وعلم الوراثة للتكاثر الجنسي تشير إلى وجود عمليات صيانة واستعادة معلومات فريدة في مرحلة التولد الجامع من دورة الحياة البيولوجية. على وجه الخصوص ، اعتبر ميدفيديف أن أهم الفرص للحفاظ على المعلومات الخاصة بالخلايا الجرثومية يتم إنشاؤها عن طريق إعادة التركيب أثناء الانقسام الاختزالي وإصلاح الحمض النووي. ورأى أن هذه العمليات داخل خلايا الخط الجرثومي قادرة على استعادة سلامة الحمض النووي والكروموسومات من أنواع الضرر الذي يسبب شيخوخة لا رجعة فيها في الخلايا الخطية غير الجرثومية ، على سبيل المثال الخلايا الجسدية.

يُفترض أن أصل كل خلية حالية يعود إلى أصل الحياة ، في سلالة غير منقطعة لأكثر من 3 مليارات سنة. ليست الخلايا الخالدة في الواقع ، بل سلالات خلوية متعددة الأجيال. [25] يعتمد خلود سلالة الخلية على الحفاظ على إمكانات انقسام الخلية. قد تُفقد هذه الإمكانية في أي سلالة معينة بسبب تلف الخلايا ، أو التمايز النهائي كما يحدث في الخلايا العصبية ، أو موت الخلايا المبرمج (موت الخلايا المبرمج) أثناء التطور. يعتمد الحفاظ على إمكانات الانقسام الخلوي لدورة الحياة البيولوجية على مدى الأجيال المتعاقبة على التجنب والإصلاح الدقيق للضرر الخلوي ، وخاصة تلف الحمض النووي. في الكائنات الجنسية ، تعتمد استمرارية السلالة الجرثومية على مدى الأجيال المتعاقبة لدورة الخلية على فعالية العمليات لتجنب تلف الحمض النووي وإصلاح تلف الحمض النووي الذي يحدث. توفر العمليات الجنسية في حقيقيات النوى ، وكذلك في بدائيات النوى ، فرصة للإصلاح الفعال لأضرار الحمض النووي في الخط الجرثومي عن طريق إعادة التركيب المتماثل. [25] [26]


خلية حقيقية النواة (مع رسم بياني)

خلية حقيقيات النوى هي الخلية التي تحتوي على نواة منظمة وعدة عضيات خلوية مغطاة بالغشاء. باستثناء مونيرا ، تمتلك خلايا جميع الممالك الأخرى تنظيم حقيقيات النوى. يوجد جدار الخلية في خلايا النباتات والفطريات وبعض الطلائعيات.

إنه غائب في الخلايا الحيوانية وبعض الطلائعيات. تكون الخلايا الأقل جدارًا غير منتظمة بشكل عام. خلاف ذلك ، فإن البنية الداخلية لجميع الخلايا متشابهة إلى حد ما. الخلية عبارة عن كتلة منظمة من البروتوبلازم السور ومغطاة بغشاء واقي ومنفذ بشكل انتقائي. يسمى بروتوبلازم الخلية بالبروتوبلاست.

وهي مكونة من السيتوبلازم والنواة والفجوات. في البداية ، كان يُعتقد أن السيتوبلازم له تنظيم بسيط. أظهر المجهر الإلكتروني أن السيتوبلازم له تنظيم معقد يتكون من المصفوفة السيتوبلازمية والعضيات الخلوية. هناك هياكل هيكل خلوي لا توفر فقط الحركة إلى السيتوبلازم ولكن أيضًا الأنشطة الحركية الأخرى.

يتم تنظيم المواد الجينية أو الحمض النووي في الكروموسومات والكروماتين. تمتلك الخلايا النباتية جدارًا خلويًا وبلاستيدات وفجوة مركزية كبيرة. هم غائبون في الخلايا الحيوانية. تمتلك الخلايا الحيوانية مريكزات غائبة في الخلايا النباتية.

تتكون الخلية النباتية من جدار الخلية والبروتوبلاست. جدار الخلية غائب في الخلايا الحيوانية. يشير البروتوبلاست إلى كل البروتوبلازم الموجود في الخلية.

يتم تمايزه إلى غشاء بلازما (= غشاء بلازما أو غشاء خلوي) ، سيتوبلازم ، نواة وفجوات. يمكن تمييز Cyto & shyplasm في المصفوفة السيتوبلازمية والعضيات. تسمى المصفوفة السيتوبلازمية أيضًا بالهيالوبلازم. إنه نظام غرواني متعدد الأطوار موجود في حالتين ، سول وهلام.

عادة ما يحدث شكل الهلام بالقرب من غشاء البلازما. تسمى هذه المنطقة أحيانًا بالبلاستيك الخارجي على عكس منطقة سول المعروفة بالبلازما الداخلية. Ectoplast هو أكثر حزما. إنه واضح تمامًا على الجوانب الحرة للخلايا. في البروتوزوان ، تكون الأوتوبلاست بارزة من جميع الجوانب.

المصفوفة السيتوبلازمية بشكل عام في حركة دائمة. وتسمى هذه الظاهرة داء الجراثيم أو السيتوبلازم أو التدفق البروتوبلازمي. تحتل المصفوفة السيتوبلازمية حجم الخلايا. إنها الساحة الرئيسية للأنشطة الخلوية التي تحافظ على الخلية في الحالة الحية.

في المصفوفة السيتوبلازمية يتم تضمين عدد كبير من عضيات الخلية أو وحدات فرعية بروتوبلازمية منظمة لها وظائف محددة.

وهي الشبكة الإندوبلازمية ، والبلاستيدات ، والميتوكوندريا ، والريبوسومات ، وأجسام جولجي ، والمريكزات (الجهاز المركزي ، والجسيم المركزي) ، والليزوز والشيوم ، والكرات ، والبيروكسيسومات ، والجليوكسيسومات ، والفجوات ، والأنابيب الدقيقة ، والألياف الدقيقة ، وما إلى ذلك. .

يحدث الغطاء الغشائي المضاعف حول البلاستيدات والميتوكوندريا. تم العثور على غطاء غشاء واحد فوق الشبكة الإندوبلازمية ، وجهاز جولجي ، والجسيمات الحالة ، والسبيروسومات ، والبيروكسيسومات ، والجليوكسيسومات ، والفجوة.

العضيات التي ليس لها غطاء غشاء هي الريبوسومات ، والأنابيب الدقيقة ، والألياف الدقيقة ، والجسيمات المركزية أو المريكزات (في الخلايا الحيوانية). تم العثور على الريبوسومات في كل من بدائيات النوى وحقيقيات النوى. في خلايا حقيقيات النوى تحدث في المصفوفة السيتوبلازمية ، فوق الشبكة الإندوبلازمية الخشنة ، داخل البلاستيدات (توجد فقط في النباتات وبعض الطلائعيات والميتوكوندريا).

تشتمل محتويات الخلايا على حبيبات النشا ، وحبيبات الجليكوجين ، وقطرات الدهون ، وحبوب الألورون ، ومنتجات إفرازية أو إفرازية وبلورات. يتم تضمين النواة أيضًا في المصفوفة السيتوبلازمية. إنه محاط بغلاف غشائي مزدوج ويحتوي على نيوكليوبلازم واحد أو أكثر من النوى والكروماتين يحتوي على DNA. الحمض النووي هو المادة الجينية.


محتويات

تم إجراء دراسة التكاثر والتطور في الكائنات الحية من قبل العديد من علماء النبات وعلماء الحيوان.

أظهر فيلهلم هوفمايستر أن تناوب الأجيال هو سمة توحد النباتات ، ونشر هذه النتيجة في عام 1851 (انظر النشاط الجنسي للنبات).

تم اقتراح بعض المصطلحات (haplobiont و Diplobiont) المستخدمة لوصف دورات الحياة في البداية للطحالب بواسطة Nils Svedelius ، ثم أصبحت مستخدمة لكائنات أخرى. [4] [5] تم تقديم المصطلحات الأخرى (الزواج الذاتي و gamontogamy) المستخدمة في دورات حياة الطلائعيات بواسطة كارل جوتليب جريل. [6] ساهم وصف دورات الحياة المعقدة للعديد من الكائنات الحية في دحض أفكار التوليد التلقائي في أربعينيات وخمسينيات القرن التاسع عشر. [7]

الانقسام الاختزالي الملقح هو انقسام الزيجوت مباشرة بعد karyogamy ، وهو اندماج نواتين من الخلايا. بهذه الطريقة ، ينهي الكائن الحي طورته ثنائية الصبغية وينتج عدة خلايا أحادية العدد. تنقسم هذه الخلايا بشكل انقسامي لتشكل إما خلايا أكبر متعددة الخلايا أو خلايا أحادية العدد. يندمج نوعان متعاكسان من الأمشاج (على سبيل المثال ، ذكور وإناث) من هؤلاء الأفراد أو الخلايا ليصبحوا زيجوت.

في الدورة بأكملها ، تكون البيضة الملقحة هي الانقسام الخلوي الثنائي الصبغيات الوحيد الذي يحدث فقط في المرحلة أحادية الصيغة الصبغية.

الأفراد أو الخلايا الناتجة عن الانقسام هي haplonts ، ومن ثم تسمى دورة الحياة هذه أيضًا دورة الحياة العشوائية. Haplonts هي:

  • في archaeplastidans: بعض الطحالب الخضراء (على سبيل المثال ، كلاميدوموناس, زيغنيما, شارا) [8]
  • في stramenopiles: بعض الطحالب الذهبية [8]
  • في الحويصلات الهوائية: العديد من السوطيات ، على سبيل المثال ، Ceratium ، Gymnodinium ، بعض apicomplexans (على سبيل المثال ، المتصورة) [9]
  • في الجريزاريين: بعض الأوجليفيدات ، [10] الزاهدون
  • في الحفريات: بعض الأجسام المكافئة [11]
  • في الأميبوزوان: ديكتيوستيليوم[8]
  • في opisthokonts: معظم الفطريات (بعض الفطريات الفطرية ، الفطريات الفطرية ، بعض الفطريات الزائدة ، الفطريات القاعدية) [8] [12]: 15

في الانقسام الاختزالي المشيجي ، بدلاً من الانقسام الفوري بشكل منفرد لإنتاج خلايا أحادية العدد ، تنقسم البيضة الملقحة انقسام لإنتاج فرد ثنائي الصبغة متعدد الخلايا أو مجموعة من الخلايا ثنائية الخلية أحادية الخلية. ثم تخضع الخلايا من الأفراد ثنائية الصبغيات للانقسام الاختزالي لإنتاج خلايا أحادية الصيغة الصبغية أو الأمشاج. قد تنقسم الخلايا أحادية الصيغة الصبغية مرة أخرى (عن طريق الانقسام الفتيلي) لتشكيل المزيد من الخلايا أحادية الصيغة الصبغية ، كما هو الحال في العديد من الخمائر ، لكن المرحلة أحادية الصيغة الصبغية ليست مرحلة دورة الحياة السائدة. في معظم الدبلومات ، يحدث الانقسام الفتيلي فقط في المرحلة ثنائية الصبغيات ، أي عادة ما تتشكل الأمشاج بسرعة وتندمج لإنتاج ملقحات ثنائية الصبغيات.

في الدورة بأكملها ، عادة ما تكون الأمشاج هي الخلايا الفردية الوحيدة ، وعادة ما يحدث الانقسام الفتيلي فقط في المرحلة ثنائية الصبغيات.

الفرد متعدد الخلايا ثنائي الصيغة الصبغية هو دبلوم ، ومن ثم يُطلق على الانقسام الاختزالي المشيجي أيضًا دورة الحياة المزدوجة. الدبلونتس هم:

  • في archaeplastidans: بعض الطحالب الخضراء (على سبيل المثال ، Cladophora glomerata, [13]أسيتابولاريا[8] )
  • في stramenopiles: بعض الطحالب البنية (Fucales ، ومع ذلك ، يمكن أيضًا تفسير دورة حياتها على أنها متغايرة الشكل بشكل قوي ، مع طور مشيجي منخفض للغاية ، كما هو الحال في النباتات المزهرة) ، [12]: 207 بعض نباتات الزانثوفيت (على سبيل المثال ، فوشيريا) ، [12]: 124 معظم الدياتومات ، [11] بعض البويضات (على سبيل المثال ، سابروليجينيا, Plasmopara viticola) ، [8] opalines ، [11] بعض "heliozoans" (على سبيل المثال ، الأكتينوفريس, أكتينوسفيريوم) [11][14]
  • في الحويصلات الهوائية: ciliates [11]
  • في الحفريات: بعض الأجسام المكافئة [11]
  • في opisthokonts: الحيوانات ، بعض الفطريات (على سبيل المثال ، بعض الفطريات الفطرية) [8]

في الانقسام الاختزالي البسيط (المعروف أيضًا باسم الانقسام الاختزالي الوسيط) ، تنقسم البيضة الملقحة بشكل انقسامي لإنتاج نبت بوغي متعدد الخلايا ثنائي الصبغيات. تخلق البوغة جراثيم عبر الانقسام الاختزالي أيضا ثم قسّم إنتاج أفراد فردانيون بشكل انقسامي يُطلق عليهم اسم الطور المشيجي. تنتج المشيجات الأمشاج عن طريق الانقسام. في بعض النباتات ، لا يكون الطور المشيجي صغير الحجم فقط ولكنه أيضًا قصير العمر في النباتات الأخرى والعديد من الطحالب ، فإن الطور المشيجي هو المرحلة "المهيمنة" في دورة الحياة.

  • في archaeplastidans: الطحالب الحمراء (التي لها جيلين من البوغ) ، وبعض الطحالب الخضراء (على سبيل المثال ، أولفا) ، النباتات البرية [8]
  • في stramenopiles: معظم الطحالب البنية [8]
  • في الجذور: العديد من المنخربات ، [11] plasmodiophoromycetes [8]
  • في الأميبوزوا: myxogastrids
  • في opisthokonts: بعض الفطريات (بعض chytrids ، وبعض الفطريات غير الفطرية مثل خميرة البيرة) [8]
  • حقيقيات النوى الأخرى: haptophytes [11]

بعض الحيوانات لديها نظام تحديد جنس يسمى هابلوديبلويد ، ولكن هذا لا يرتبط بدورة الحياة الفردية.

بعض الطحالب الحمراء (مثل بونيميزونيا [15] و Lemanea) والطحالب الخضراء (مثل براسيولا) لديهم الانقسام الاختزالي الخضري ، ويسمى أيضًا الانقسام الاختزالي الجسدي ، وهي ظاهرة نادرة. [12]: 82 يمكن أن يحدث الانقسام الاختزالي الخضري في حالة فرد الأسنان وكذلك في دورات الحياة المزدوجة. تظل المشيجيات مرتبطة بالنبات البوغي وجزءًا منه. تخضع الخلايا ثنائية الصبغية الخضرية (غير التناسلية) للانقسام الاختزالي ، مما ينتج عنه خلايا أحادية الصيغة الصبغية الخضرية. هذه تخضع للعديد من الانقسام ، وتنتج الأمشاج.

تحدث ظاهرة مختلفة ، تسمى ثنائية الصبغة الخضرية ، وهي نوع من اختلاطات apomixis ، في بعض الطحالب البنية (على سبيل المثال ، إلاتشيستا ستيلاريس). [16] الخلايا الموجودة في جزء أحادي الصيغة الصبغية من النبات تقوم تلقائيًا بتكرار كروموسوماتها لإنتاج أنسجة ثنائية الصبغيات.

تعتمد الطفيليات على استغلال مضيف واحد أو أكثر. ويقال إن تلك التي يجب أن تصيب أكثر من نوع مضيف واحد لإكمال دورات حياتها لها دورات حياة معقدة أو غير مباشرة. ديروفيلاريا إميتيس ، أو الدودة القلبية ، لها دورة حياة غير مباشرة ، على سبيل المثال. يجب أن تلتهم أنثى البعوضة الميكروفيلارية أولاً ، حيث تتطور إلى مرحلة اليرقات المعدية. ثم تلدغ البعوضة حيوانًا وتنقل اليرقات المعدية إلى الحيوان ، حيث تهاجر إلى الشريان الرئوي وتنضج لتصبح بالغة. [17]

تلك الطفيليات التي تصيب نوعًا واحدًا لها دورات حياة مباشرة. مثال على الطفيلي مع دورة حياة مباشرة الأنكلستوما caninum، أو الدودة الشصية النابية. تتطور إلى مرحلة اليرقات المعدية في البيئة ، ثم تخترق جلد الكلب مباشرة وتنضج للبالغين في الأمعاء الدقيقة. [18]

إذا كان على طفيلي أن يصيب مضيفًا معينًا من أجل إكمال دورة حياته ، فإنه يقال إنه طفيلي ملزم لذلك المضيف أحيانًا ، تكون العدوى اختيارية - يمكن للطفيلي البقاء على قيد الحياة وإكمال دورة حياته دون إصابة تلك الأنواع المضيفة المعينة . تصيب الطفيليات أحيانًا العوائل التي لا يمكنهم فيها إكمال دورات حياتهم ، فهؤلاء هم مضيفون عرضيون.

يُعرف المضيف الذي تتكاثر فيه الطفيليات جنسيًا بالمضيف النهائي أو النهائي أو الأساسي. في العوائل الوسيطة ، إما لا تتكاثر الطفيليات أو تفعل ذلك بلا جنس ، لكن الطفيل يتطور دائمًا إلى مرحلة جديدة في هذا النوع من العائل. في بعض الحالات ، يصيب الطفيلي مضيفًا ، ولكن لا يخضع لأي تطور ، تُعرف هذه العوائل باسم paratenic [19] أو مضيفات النقل. يمكن أن يكون مضيف paratenic مفيدًا في زيادة فرصة انتقال الطفيل إلى العائل النهائي. على سبيل المثال ، دودة الرئة القط (Aelurostrongylus abstrusus) يستخدم سبيكة أو حلزون كمضيف وسيط تدخل يرقة المرحلة الأولى الرخويات وتتطور إلى يرقة المرحلة الثالثة ، وهي معدية للمضيف النهائي - القط. إذا أكل الفأر البزاقة ، فإن يرقة المرحلة الثالثة ستدخل أنسجة الفأر ، لكنها لن تخضع لأي تطور.

من المحتمل أن النوع البدائي لدورة الحياة كان به أفراد فردانيون لديهم تكاثر لاجنسي. [11] تظهر البكتيريا والعتائق دورة حياة كهذه ، ويبدو أن بعض حقيقيات النوى تفعل ذلك أيضًا (على سبيل المثال ، Cryptophyta و Choanoflagellata والعديد من Euglenozoa والعديد من Amoebozoa وبعض الطحالب الحمراء وبعض الطحالب الخضراء والفطريات غير الكاملة وبعض الروتيفيرز والعديد من المجموعات الأخرى ، ليس بالضرورة أحادي العدد). [20] ومع ذلك ، فإن حقيقيات النوى هذه على الأرجح ليست لاجنسية في الأصل ، لكنها فقدت التكاثر الجنسي ، أو لم يتم ملاحظتها بعد. [21] [22] العديد من حقيقيات النوى (بما في ذلك الحيوانات والنباتات) تُظهر التكاثر اللاجنسي ، والذي قد يكون اختياريًا أو ملزمًا في دورة الحياة ، مع حدوث التكاثر الجنسي بشكل متكرر أو أقل. [23]

الكائنات الحية الفردية التي تشارك في دورة الحياة البيولوجية عادة ما تتقدم في العمر وتموت ، في حين أن الخلايا من هذه الكائنات التي تربط أجيال دورة الحياة المتتالية (خلايا الخط الجرثومي وأحفادها) يمكن أن تكون خالدة. أساس هذا الاختلاف هو مشكلة أساسية في علم الأحياء. اعتبر عالم الأحياء والمؤرخ الروسي Zhores A. Medvedev [24] أن دقة تكاثر الجينوم والأنظمة الاصطناعية الأخرى وحدها لا يمكن أن تفسر خلود السلالات الجرثومية. بدلاً من ذلك ، اعتقد ميدفيديف أن السمات المعروفة للكيمياء الحيوية وعلم الوراثة للتكاثر الجنسي تشير إلى وجود عمليات صيانة واستعادة معلومات فريدة في مرحلة التولد الجامع من دورة الحياة البيولوجية. على وجه الخصوص ، اعتبر ميدفيديف أن أهم الفرص للحفاظ على المعلومات الخاصة بالخلايا الجرثومية يتم إنشاؤها عن طريق إعادة التركيب أثناء الانقسام الاختزالي وإصلاح الحمض النووي. ورأى أن هذه العمليات داخل خلايا الخط الجرثومي قادرة على استعادة سلامة الحمض النووي والكروموسومات من أنواع الضرر الذي يسبب شيخوخة لا رجعة فيها في الخلايا الخطية غير الجرثومية ، على سبيل المثال الخلايا الجسدية.

يُفترض أن أصل كل خلية حالية يعود إلى أصل الحياة ، في سلالة غير منقطعة لأكثر من 3 مليارات سنة. ليست الخلايا الخالدة في الواقع ، بل سلالات خلوية متعددة الأجيال. [25] يعتمد خلود سلالة الخلية على الحفاظ على إمكانات انقسام الخلية. قد تُفقد هذه الإمكانية في أي سلالة معينة بسبب تلف الخلايا ، أو التمايز النهائي كما يحدث في الخلايا العصبية ، أو موت الخلايا المبرمج (موت الخلايا المبرمج) أثناء التطور. يعتمد الحفاظ على إمكانات الانقسام الخلوي لدورة الحياة البيولوجية على مدى الأجيال المتعاقبة على التجنب والإصلاح الدقيق للضرر الخلوي ، وخاصة تلف الحمض النووي. في الكائنات الجنسية ، تعتمد استمرارية السلالة الجرثومية على مدى الأجيال المتعاقبة لدورة الخلية على فعالية العمليات لتجنب تلف الحمض النووي وإصلاح تلف الحمض النووي الذي يحدث. توفر العمليات الجنسية في حقيقيات النوى ، وكذلك في بدائيات النوى ، فرصة للإصلاح الفعال لأضرار الحمض النووي في الخط الجرثومي عن طريق إعادة التركيب المتماثل. [25] [26]


التنوع الفطري

تحتوي مملكة الفطريات على أربعة أقسام رئيسية تم إنشاؤها وفقًا لطريقة التكاثر الجنسي. يتم وضع الفطريات متعددة الخلايا ، التي لا علاقة لها والتي تتكاثر بدون دورة جنسية ، للراحة في القسم الخامس ، وقد تم مؤخرًا وصف مجموعة فطرية رئيسية سادسة لا تتناسب بشكل جيد مع أي من الفطريات الخمسة السابقة. لا يتفق جميع أطباء الفطريات مع هذا المخطط. تستمر التطورات السريعة في البيولوجيا الجزيئية وتسلسل 18S rRNA (أحد مكونات الريبوسومات) في الكشف عن علاقات جديدة ومختلفة بين مختلف فئات الفطريات.

التقسيمات التقليدية للفطريات هي Chytridiomycota (chytrids) ، و Zygomycota (الفطريات المترافقة) ، و Ascomycota (فطريات الكيس) ، و Basidiomycota (فطر النادي). قام مخطط تصنيف قديم بتجميع الفطريات التي تستخدم التكاثر اللاجنسي بشكل صارم في Deuteromycota ، وهي مجموعة لم تعد قيد الاستخدام. تنتمي Glomeromycota إلى مجموعة موصوفة حديثًا ([الشكل 5]).

الشكل 5: تقسيمات الفطريات تشمل (أ) الفطريات ، (ب) الفطريات المترافقة ، (ج) فطريات الكيس ، و (د) فطريات النادي. (الائتمان أ: تعديل العمل بواسطة ائتمان USDA APHIS PPQ c: تعديل العمل بواسطة & # 8220icelight & # 8221 / Flickr credit d: تعديل العمل بواسطة Cory Zanker.)


مطلوب: اللوريسيفيرانس ، ميتا أو حيا

يجب أن يركز النقاش الحالي ليس فقط على قضية الغرب المتوحش القديمة الميت أو الحي ولكن أيضًا على البيولوجيا الغنية في هذه الموائل وأهمية الحصول على عينات جديدة من الرواسب المعنية والموائل المماثلة. في الواقع ، لا يوجد نقاش حول قدرة حقيقيات النوى أحادية الخلية على البقاء في محلول ملحي ناقص الأكسجين ، ولا يوجد جدل حول الحيوانات التي تعيش على هوامش منطقة نقص الأكسجين [3]. تكمن المشكلة في قدرة metazoans (حقيقيات النوى متعددة الخلايا) على البقاء في المنطقة اللاهوائية بدقة. من الناحية المثالية ، يود المرء أن يرى بعض الأدلة على الجينات المنسوخة بنشاط في اللوريسيفيران من هذه الموائل. سيخبرنا ذلك أيضًا بالكثير عن كيفية نموها فيما يتعلق بالكربون الأساسي واستقلاب الطاقة. على وجه الخصوص ، قد يرغب المرء في معرفة ما إذا كانت هذه الحيوانات تأوي وتعبر عن أي من الجينات التي يستخدمها المحتلون للبقاء على قيد الحياة في البيئات اللاهوائية ، مثل [FeFe] -هيدروجينيز ، بيروفات: أوكسيدريدوكتاز الفيروكسين ، ثنائي هيدروجيناز الكحول ثنائي الوظيفة E (ADHE) ، أسيتيل- CoA synthase (ADP forming), and the like [4], or whether they have some other means of surviving without oxygen. It is perhaps more likely that they use strategies more similar to those found in the anaerobic mitochondria of parasitic animals, for example, malate dismutation with the involvement of rhodoquinone [4].

As a long shot alternative, if the animals are alive, it is even imaginable that they have acquired genes via lateral gene transfer (LGT) for a new strategy to survive anoxia. Indeed, some camps argue that all eukaryotes are ancestrally strict aerobes and that the ability of eukaryotes to survive anoxia is always the result of lateral gene transfer [9]. We do not agree with that view, mainly for three reasons. First, the eukaryotic anaerobes studied so far always have the same basic carbon and energy metabolic backbone [4] and if LGT was behind eukaryote anaerobiosis, then eukaryotic anaerobes should be as physiologically diverse as prokaryotic anaerobes, which is definitely not the case energy metabolism based on sulfate reduction [10], which is lacking in eukaryotes, is a strong case in point. Second, the Earth sciences tell us that anaerobic habitats are ancient and that aerobic habitats are recent [8]. So, if anything, we should be seeing LGT as a means of improving mitochondrial function in aerobic habitats. For example, aerobic methane oxidation is a very widespread form of energy metabolism in prokaryotes but we don’t see eukaryotes that have acquired genes to do that rather, eukaryotes possess one ancestrally present stock of enzymes [4]. Third, it is often proposed that one lineage of eukaryotes acquires one or the other anaerobic enzyme via LGT from prokaryotes and then passes it around via eukaryote to eukaryote LGT in order to account for the monophyly of the eukaryote enzymes involved. That idea has been specifically tested at the whole-genome level, and rejected, whereby the “patchy gene distributions” that are often seen as the hallmark of LGT are actually better explained by differential loss than they are by LGT [11].

Of course it might also turn out that the loriciferans from the habitats in question do not show vital signs of gene expression. It might be that they are dead, not alive. There is only one way to find out: biologists will have to go back out to those deep environments and get new samples.


TCA cycle signalling and the evolution of eukaryotes

A major question remaining in the field of evolutionary biology is how prokaryotic organisms made the leap to complex eukaryotic life. The prevailing theory depicts the origin of eukaryotic cell complexity as emerging from the symbiosis between an α-proteobacterium, the ancestor of present-day mitochondria, and an archaeal host (endosymbiont theory). A primary contribution of mitochondria to eukaryogenesis has been attributed to the mitochondrial genome, which enabled the successful internalisation of bioenergetic membranes and facilitated remarkable genome expansion. It has also been postulated that a key contribution of the archaeal host during eukaryogenesis was in providing 'archaeal histones' that would enable compaction and regulation of an expanded genome. Yet, how the communication between the host and the symbiont evolved is unclear. Here, we propose an evolutionary concept in which mitochondrial TCA cycle signalling was also a crucial player during eukaryogenesis enabling the dynamic control of an expanded genome via regulation of DNA and histone modifications. Furthermore, we discuss how TCA cycle remodelling is a common evolutionary strategy invoked by eukaryotic organisms to coordinate stress responses and gene expression programmes, with a particular focus on the TCA cycle-derived metabolite itaconate.

Copyright © 2020 Elsevier Ltd. All rights reserved.

الأرقام

Overview of all 8 chemical reactions of the TCA cycle…

Figure 2. The endosymbiont and entangle-engulf-endogenize (E3)…

Figure 2. The endosymbiont and entangle-engulf-endogenize (E3) hypothesis

Overview of the endosymbiont/E3 hypothesis. (A) Lokiarchaeon…

Figure 3. The acquisition of mitochondria supported…

Figure 3. The acquisition of mitochondria supported the emergence of multicellularity

Heterotrophic prokaryotes with low…

Figure 4. An evolutionary timeline of eukaryotic…

Figure 4. An evolutionary timeline of eukaryotic cell development

In our proposed timeline, the TCA…

Figure 5. How TCA cycle signalling may…

Figure 5. How TCA cycle signalling may have contributed to eukaryogenesis by acting as a…


محتويات

The eukaryotic cell cycle consists of four distinct phases: G1 phase, S phase (synthesis), G2 phase (collectively known as interphase) and M phase (mitosis and cytokinesis). M phase is itself composed of two tightly coupled processes: mitosis, in which the cell's nucleus divides, and cytokinesis, in which the cell's cytoplasm divides forming two daughter cells. Activation of each phase is dependent on the proper progression and completion of the previous one. Cells that have temporarily or reversibly stopped dividing are said to have entered a state of quiescence called G0 مرحلة.

ولاية مرحلة اختصار وصف
Resting Gap 0 جي0 A phase where the cell has left the cycle and has stopped dividing.
الطور البيني Gap 1 جي1 Cells increase in size in Gap 1. The جي1 نقطة تفتيش control mechanism ensures that everything is ready for DNA synthesis.
نتيجة الجمع بين الطريحة والنقيضة س DNA replication occurs during this phase.
Gap 2 جي2 During the gap between DNA synthesis and mitosis, the cell will continue to grow. ال جي2 نقطة تفتيش control mechanism ensures that everything is ready to enter the M (mitosis) phase and divide.
انقسام الخلية الانقسام المتساوي م Cell growth stops at this stage and cellular energy is focused on the orderly division into two daughter cells. A checkpoint in the middle of mitosis (Metaphase Checkpoint) ensures that the cell is ready to complete cell division.

بعد انقسام الخلية ، تبدأ كل خلية من الخلايا الوليدة الطور البيني لدورة جديدة. Although the various stages of interphase are not usually morphologically distinguishable, each phase of the cell cycle has a distinct set of specialized biochemical processes that prepare the cell for initiation of cell division.

جي0 phase (quiescence) Edit

جي0 is a resting phase where the cell has left the cycle and has stopped dividing. The cell cycle starts with this phase. Non-proliferative (non-dividing) cells in multicellular eukaryotes generally enter the quiescent G0 state from G1 and may remain quiescent for long periods of time, possibly indefinitely (as is often the case for neurons). This is very common for cells that are fully differentiated. Some cells enter the G0 phase semi-permanently and are considered post-mitotic, e.g., some liver, kidney, and stomach cells. Many cells do not enter G0 and continue to divide throughout an organism's life, e.g., epithelial cells.

The word "post-mitotic" is sometimes used to refer to both quiescent and senescent cells. Cellular senescence occurs in response to DNA damage and external stress and usually constitutes an arrest in G1. Cellular senescence may make a cell's progeny nonviable it is often a biochemical alternative to the self-destruction of such a damaged cell by apoptosis.

Interphase Edit

Interphase is a series of changes that takes place in a newly formed cell and its nucleus before it becomes capable of division again. It is also called preparatory phase or intermitosis. Typically interphase lasts for at least 91% of the total time required for the cell cycle.

Interphase proceeds in three stages, G1و S و G2, followed by the cycle of mitosis and cytokinesis. The cell's nuclear DNA contents are duplicated during S phase.

جي1 phase (First growth phase or Post mitotic gap phase) Edit

The first phase within interphase, from the end of the previous M phase until the beginning of DNA synthesis, is called G1 (G indicating الفارق). It is also called the growth phase. During this phase, the biosynthetic activities of the cell, which are considerably slowed down during M phase, resume at a high rate. The duration of G1 is highly variable, even among different cells of the same species. [3] In this phase, the cell increases its supply of proteins, increases the number of organelles (such as mitochondria, ribosomes), and grows in size. In G1 phase, a cell has three options.

  • To continue cell cycle and enter S phase
  • Stop cell cycle and enter G0 phase for undergoing differentiation.
  • Become arrested in G1 phase hence it may enter G0 phase or re-enter cell cycle.

The deciding point is called check point (Restriction point). This check point is called the restriction point or START and is regulated by G1/S cyclins, which cause transition from G1 to S phase. Passage through the G1 check point commits the cell to division.

S phase (DNA replication) Edit

The ensuing S phase starts when DNA synthesis commences when it is complete, all of the chromosomes have been replicated, i.e., each chromosome consists of two sister chromatids. Thus, during this phase, the amount of DNA in the cell has doubled, though the ploidy and number of chromosomes are unchanged. Rates of RNA transcription and protein synthesis are very low during this phase. An exception to this is histone production, most of which occurs during the S phase. [4] [5] [6]

جي2 phase (growth) Edit

جي2 phase occurs after DNA replication and is a period of protein synthesis and rapid cell growth to prepare the cell for mitosis. During this phase microtubules begin to reorganize to form a spindle (preprophase). Before proceeding to mitotic phase, cells must be checked at the G2 checkpoint for any DNA damage within the chromosomes. جي2 checkpoint is mainly regulated by the tumor protein p53. If the DNA is damaged, p53 will either repair the DNA or trigger the apoptosis of the cell. If p53 is dysfunctional or mutated, cells with damaged DNA may continue through the cell cycle, leading to the development of cancer.

Mitotic phase (chromosome separation) Edit

The relatively brief M phase consists of nuclear division (karyokinesis). It is a relatively short period of the cell cycle. M phase is complex and highly regulated. The sequence of events is divided into phases, corresponding to the completion of one set of activities and the start of the next. These phases are sequentially known as:

Mitosis is the process by which a eukaryotic cell separates the chromosomes in its cell nucleus into two identical sets in two nuclei. [7] During the process of mitosis the pairs of chromosomes condense and attach to microtubules that pull the sister chromatids to opposite sides of the cell. [8]

Mitosis occurs exclusively in eukaryotic cells, but occurs in different ways in different species. For example, animal cells undergo an "open" mitosis, where the nuclear envelope breaks down before the chromosomes separate, while fungi such as نيدولانس الرشاشيات و خميرة الخميرة (yeast) undergo a "closed" mitosis, where chromosomes divide within an intact cell nucleus. [9]

Cytokinesis phase (separation of all cell components) Edit

Mitosis is immediately followed by cytokinesis, which divides the nuclei, cytoplasm, organelles and cell membrane into two cells containing roughly equal shares of these cellular components. Mitosis and cytokinesis together define the division of the mother cell into two daughter cells, genetically identical to each other and to their parent cell. This accounts for approximately 10% of the cell cycle.

Because cytokinesis usually occurs in conjunction with mitosis, "mitosis" is often used interchangeably with "M phase". However, there are many cells where mitosis and cytokinesis occur separately, forming single cells with multiple nuclei in a process called endoreplication. This occurs most notably among the fungi and slime molds, but is found in various groups. Even in animals, cytokinesis and mitosis may occur independently, for instance during certain stages of fruit fly embryonic development. [10] Errors in mitosis can result in cell death through apoptosis or cause mutations that may lead to cancer.

Regulation of the cell cycle involves processes crucial to the survival of a cell, including the detection and repair of genetic damage as well as the prevention of uncontrolled cell division. The molecular events that control the cell cycle are ordered and directional that is, each process occurs in a sequential fashion and it is impossible to "reverse" the cycle.

Role of cyclins and CDKs Edit

Two key classes of regulatory molecules, cyclins and cyclin-dependent kinases (CDKs), determine a cell's progress through the cell cycle. [11] Leland H. Hartwell, R. Timothy Hunt, and Paul M. Nurse won the 2001 Nobel Prize in Physiology or Medicine for their discovery of these central molecules. [12] Many of the genes encoding cyclins and CDKs are conserved among all eukaryotes, but in general, more complex organisms have more elaborate cell cycle control systems that incorporate more individual components. Many of the relevant genes were first identified by studying yeast, especially خميرة الخميرة [13] genetic nomenclature in yeast dubs many of these genes cdc (for "cell division cycle") followed by an identifying number, e.g. cdc25 أو cdc20.

Cyclins form the regulatory subunits and CDKs the catalytic subunits of an activated heterodimer cyclins have no catalytic activity and CDKs are inactive in the absence of a partner cyclin. When activated by a bound cyclin, CDKs perform a common biochemical reaction called phosphorylation that activates or inactivates target proteins to orchestrate coordinated entry into the next phase of the cell cycle. Different cyclin-CDK combinations determine the downstream proteins targeted. CDKs are constitutively expressed in cells whereas cyclins are synthesised at specific stages of the cell cycle, in response to various molecular signals. [14]

General mechanism of cyclin-CDK interaction Edit

Upon receiving a pro-mitotic extracellular signal, G1 cyclin-CDK complexes become active to prepare the cell for S phase, promoting the expression of transcription factors that in turn promote the expression of S cyclins and of enzymes required for DNA replication. جي1 cyclin-CDK complexes also promote the degradation of molecules that function as S phase inhibitors by targeting them for ubiquitination. Once a protein has been ubiquitinated, it is targeted for proteolytic degradation by the proteasome. However, results from a recent study of E2F transcriptional dynamics at the single-cell level argue that the role of G1 cyclin-CDK activities, in particular cyclin D-CDK4/6, is to tune the timing rather than the commitment of cell cycle entry. [15]

Active S cyclin-CDK complexes phosphorylate proteins that make up the pre-replication complexes assembled during G1 phase on DNA replication origins. The phosphorylation serves two purposes: to activate each already-assembled pre-replication complex, and to prevent new complexes from forming. This ensures that every portion of the cell's genome will be replicated once and only once. The reason for prevention of gaps in replication is fairly clear, because daughter cells that are missing all or part of crucial genes will die. However, for reasons related to gene copy number effects, possession of extra copies of certain genes is also deleterious to the daughter cells.

Mitotic cyclin-CDK complexes, which are synthesized but inactivated during S and G2 phases, promote the initiation of mitosis by stimulating downstream proteins involved in chromosome condensation and mitotic spindle assembly. A critical complex activated during this process is a ubiquitin ligase known as the anaphase-promoting complex (APC), which promotes degradation of structural proteins associated with the chromosomal kinetochore. APC also targets the mitotic cyclins for degradation, ensuring that telophase and cytokinesis can proceed. [16]

Specific action of cyclin-CDK complexes Edit

Cyclin D is the first cyclin produced in the cells that enter the cell cycle, in response to extracellular signals (e.g. growth factors). Cyclin D levels stay low in resting cells that are not proliferating. Additionally, CDK4/6 and CDK2 are also inactive because CDK4/6 are bound by INK4 family members (e.g., p16), limiting kinase activity. Meanwhile, CDK2 complexes are inhibited by the CIP/KIP proteins such as p21 and p27, [17] When it is time for a cell to enter the cell cycle, which is triggered by a mitogenic stimuli, levels of cyclin D increase. In response to this trigger, cyclin D binds to existing CDK4/6, forming the active cyclin D-CDK4/6 complex. Cyclin D-CDK4/6 complexes in turn mono-phosphorylates the retinoblastoma susceptibility protein (Rb) to pRb. The un-phosphorylated Rb tumour suppressor functions in inducing cell cycle exit and maintaining G0 arrest (senescence). [18]

In the last few decades, a model has been widely accepted whereby pRB proteins are inactivated by cyclin D-Cdk4/6-mediated phosphorylation. Rb has 14+ potential phosphorylation sites. Cyclin D-Cdk 4/6 progressively phosphorylates Rb to hyperphosphorylated state, which triggers dissociation of pRB–E2F complexes, thereby inducing G1/S cell cycle gene expression and progression into S phase. [19]

However, scientific observations from a recent study show that Rb is present in three types of isoforms: (1) un-phosphorylated Rb in G0 state (2) mono-phosphorylated Rb, also referred to as "hypo-phosphorylated' or 'partially' phosphorylated Rb in early G1 state and (3) inactive hyper-phosphorylated Rb in late G1 state. [20] [21] [22] In early G1 cells, mono-phosphorylated Rb exits as 14 different isoforms, one of each has distinct E2F binding affinity. [22] Rb has been found to associate with hundreds of different proteins [23] and the idea that different mono-phosphorylated Rb isoforms have different protein partners was very appealing. [24] A recent report confirmed that mono-phosphorylation controls Rb's association with other proteins and generates functional distinct forms of Rb. [25] All different mono-phosphorylated Rb isoforms inhibit E2F transcriptional program and are able to arrest cells in G1-phase. Importantly, different mono-phosphorylated forms of RB have distinct trans criptional outputs that are extended beyond E2F regulation. [25]

In general, the binding of pRb to E2F inhibits the E2F target gene expression of certain G1/S and S transition genes including E-type cyclins. The partial phosphorylation of RB de-represses the Rb-mediated suppression of E2F target gene expression, begins the expression of cyclin E. The molecular mechanism that causes the cell switched to cyclin E activation is currently not known, but as cyclin E levels rise, the active cyclin E-CDK2 complex is formed, bringing Rb to be inactivated by hyper-phosphorylation. [22] Hyperphosphorylated Rb is completely dissociated from E2F, enabling further expression of a wide range of E2F target genes are required for driving cells to proceed into S phase [1]. Recently, it has been identified that cyclin D-Cdk4/6 binds to a C-terminal alpha-helix region of Rb that is only distinguishable to cyclin D rather than other cyclins, cyclin E, A and B. [26] This observation based on the structural analysis of Rb phosphorylation supports that Rb is phosphorylated in a different level through multiple Cyclin-Cdk complexes. This also makes feasible the current model of a simultaneous switch-like inactivation of all mono-phosphorylated Rb isoforms through one type of Rb hyper-phosphorylation mechanism. In addition, mutational analysis of the cyclin D- Cdk 4/6 specific Rb C-terminal helix shows that disruptions of cyclin D-Cdk 4/6 binding to Rb prevents Rb phosphorylation, arrests cells in G1, and bolsters Rb's functions in tumor suppressor. [26] This cyclin-Cdk driven cell cycle transitional mechanism governs a cell committed to the cell cycle that allows cell proliferation. A cancerous cell growth often accompanies with deregulation of Cyclin D-Cdk 4/6 activity.

The hyperphosphorylated Rb dissociates from the E2F/DP1/Rb complex (which was bound to the E2F responsive genes, effectively "blocking" them from transcription), activating E2F. Activation of E2F results in transcription of various genes like cyclin E, cyclin A, DNA polymerase, thymidine kinase, etc. Cyclin E thus produced binds to CDK2, forming the cyclin E-CDK2 complex, which pushes the cell from G1 to S phase (G1/S, which initiates the G2/M transition). [27] Cyclin B-cdk1 complex activation causes breakdown of nuclear envelope and initiation of prophase, and subsequently, its deactivation causes the cell to exit mitosis. [14] A quantitative study of E2F transcriptional dynamics at the single-cell level by using engineered fluorescent reporter cells provided a quantitative framework for understanding the control logic of cell cycle entry, challenging the canonical textbook model. Genes that regulate the amplitude of E2F accumulation, such as Myc, determine the commitment in cell cycle and S phase entry. G1 cyclin-CDK activities are not the driver of cell cycle entry. Instead, they primarily tune the timing of E2F increase, thereby modulating the pace of cell cycle progression. [15]

Inhibitors Edit

Endogenous Edit

Two families of genes, the cip/kip (CDK interacting protein/Kinase inhibitory protein) family and the INK4a/ARF (فيhibitor of كinase 4/أlternative صeading Frame) family, prevent the progression of the cell cycle. Because these genes are instrumental in prevention of tumor formation, they are known as tumor suppressors.

ال cip/kip أسرة includes the genes p21, p27 and p57. They halt the cell cycle in G1 phase by binding to and inactivating cyclin-CDK complexes. p21 is activated by p53 (which, in turn, is triggered by DNA damage e.g. due to radiation). p27 is activated by Transforming Growth Factor β (TGF β), a growth inhibitor.

ال INK4a/ARF family includes p16 INK4a , which binds to CDK4 and arrests the cell cycle in G1 phase, and p14 ARF which prevents p53 degradation.

Synthetic Edit

Synthetic inhibitors of Cdc25 could also be useful for the arrest of cell cycle and therefore be useful as antineoplastic and anticancer agents. [28]

Many human cancers possess the hyper-activated Cdk 4/6 activities. [29] Given the observations of cyclin D-Cdk 4/6 functions, inhibition of Cdk 4/6 should result in preventing a malignant tumor from proliferating. Consequently, scientists have tried to invent the synthetic Cdk4/6 inhibitor as Cdk4/6 has been characterized to be a therapeutic target for anti-tumor effectiveness. Three Cdk4/6 inhibitors - palbociclib, ribociclib, and abemaciclib - currently received FDA approval for clinical use to treat advanced-stage or metastatic, hormone-receptor-positive (HR-positive, HR+), HER2-negative (HER2-) breast cancer. [30] [31] For example, palbociclib is an orally active CDK4/6 inhibitor which has demonstrated improved outcomes for ER-positive/HER2-negative advanced breast cancer. The main side effect is neutropenia which can be managed by dose reduction. [32]

Cdk4/6 targeted therapy will only treat cancer types where Rb is expressed. Cancer cells with loss of Rb have primary resistance to Cdk4/6 inhibitors.

Transcriptional regulatory network Edit

Current evidence suggests that a semi-autonomous transcriptional network acts in concert with the CDK-cyclin machinery to regulate the cell cycle. Several gene expression studies in خميرة الخميرة have identified 800–1200 genes that change expression over the course of the cell cycle. [13] [33] [34] They are transcribed at high levels at specific points in the cell cycle, and remain at lower levels throughout the rest of the cycle. While the set of identified genes differs between studies due to the computational methods and criteria used to identify them, each study indicates that a large portion of yeast genes are temporally regulated. [35]

Many periodically expressed genes are driven by transcription factors that are also periodically expressed. One screen of single-gene knockouts identified 48 transcription factors (about 20% of all non-essential transcription factors) that show cell cycle progression defects. [36] Genome-wide studies using high throughput technologies have identified the transcription factors that bind to the promoters of yeast genes, and correlating these findings with temporal expression patterns have allowed the identification of transcription factors that drive phase-specific gene expression. [33] [37] The expression profiles of these transcription factors are driven by the transcription factors that peak in the prior phase, and computational models have shown that a CDK-autonomous network of these transcription factors is sufficient to produce steady-state oscillations in gene expression). [34] [38]

Experimental evidence also suggests that gene expression can oscillate with the period seen in dividing wild-type cells independently of the CDK machinery. أورلاندو وآخرون. used microarrays to measure the expression of a set of 1,271 genes that they identified as periodic in both wild type cells and cells lacking all S-phase and mitotic cyclins (clb1,2,3,4,5,6). Of the 1,271 genes assayed, 882 continued to be expressed in the cyclin-deficient cells at the same time as in the wild type cells, despite the fact that the cyclin-deficient cells arrest at the border between G1 and S phase. However, 833 of the genes assayed changed behavior between the wild type and mutant cells, indicating that these genes are likely directly or indirectly regulated by the CDK-cyclin machinery. Some genes that continued to be expressed on time in the mutant cells were also expressed at different levels in the mutant and wild type cells. These findings suggest that while the transcriptional network may oscillate independently of the CDK-cyclin oscillator, they are coupled in a manner that requires both to ensure the proper timing of cell cycle events. [34] Other work indicates that phosphorylation, a post-translational modification, of cell cycle transcription factors by Cdk1 may alter the localization or activity of the transcription factors in order to tightly control timing of target genes. [36] [39] [40]

While oscillatory transcription plays a key role in the progression of the yeast cell cycle, the CDK-cyclin machinery operates independently in the early embryonic cell cycle. Before the midblastula transition, zygotic transcription does not occur and all needed proteins, such as the B-type cyclins, are translated from maternally loaded mRNA. [41]

DNA replication and DNA replication origin activity Edit

Analyses of synchronized cultures of خميرة الخميرة under conditions that prevent DNA replication initiation without delaying cell cycle progression showed that origin licensing decreases the expression of genes with origins near their 3' ends, revealing that downstream origins can regulate the expression of upstream genes. [42] This confirms previous predictions from mathematical modeling of a global causal coordination between DNA replication origin activity and mRNA expression, [43] [44] [45] and shows that mathematical modeling of DNA microarray data can be used to correctly predict previously unknown biological modes of regulation.

Cell cycle checkpoints are used by the cell to monitor and regulate the progress of the cell cycle. [46] Checkpoints prevent cell cycle progression at specific points, allowing verification of necessary phase processes and repair of DNA damage. The cell cannot proceed to the next phase until checkpoint requirements have been met. Checkpoints typically consist of a network of regulatory proteins that monitor and dictate the progression of the cell through the different stages of the cell cycle.

It is estimated that in normal human cells about 1% of single-strand DNA damages are converted to about 50 endogenous DNA double-strand breaks per cell per cell cycle. [47] Although such double-strand breaks are usually repaired with high fidelity, errors in their repair are considered to contribute significantly to the rate of cancer in humans. [47]

There are several checkpoints to ensure that damaged or incomplete DNA is not passed on to daughter cells. Three main checkpoints exist: the G1/S checkpoint, the G2/M checkpoint and the metaphase (mitotic) checkpoint. Another checkpoint is the Go checkpoint, in which the cells are checked for maturity. If the cells fail to pass this checkpoint by not being ready yet, they will be discarded from dividing.

جي1/S transition is a rate-limiting step in the cell cycle and is also known as restriction point. [14] This is where the cell checks whether it has enough raw materials to fully replicate its DNA (nucleotide bases, DNA synthase, chromatin, etc.). An unhealthy or malnourished cell will get stuck at this checkpoint.

جي2/M checkpoint is where the cell ensures that it has enough cytoplasm and phospholipids for two daughter cells. But sometimes more importantly, it checks to see if it is the right time to replicate. There are some situations where many cells need to all replicate simultaneously (for example, a growing embryo should have a symmetric cell distribution until it reaches the mid-blastula transition). This is done by controlling the G2/M checkpoint.

The metaphase checkpoint is a fairly minor checkpoint, in that once a cell is in metaphase, it has committed to undergoing mitosis. However that's not to say it isn't important. In this checkpoint, the cell checks to ensure that the spindle has formed and that all of the chromosomes are aligned at the spindle equator before anaphase begins. [48]

While these are the three "main" checkpoints, not all cells have to pass through each of these checkpoints in this order to replicate. Many types of cancer are caused by mutations that allow the cells to speed through the various checkpoints or even skip them altogether. Going from S to M to S phase almost consecutively. Because these cells have lost their checkpoints, any DNA mutations that may have occurred are disregarded and passed on to the daughter cells. This is one reason why cancer cells have a tendency to exponentially accrue mutations. Aside from cancer cells, many fully differentiated cell types no longer replicate so they leave the cell cycle and stay in G0 until their death. Thus removing the need for cellular checkpoints. An alternative model of the cell cycle response to DNA damage has also been proposed, known as the postreplication checkpoint.

Checkpoint regulation plays an important role in an organism's development. In sexual reproduction, when egg fertilization occurs, when the sperm binds to the egg, it releases signalling factors that notify the egg that it has been fertilized. Among other things, this induces the now fertilized oocyte to return from its previously dormant, G0, state back into the cell cycle and on to mitotic replication and division.

p53 plays an important role in triggering the control mechanisms at both G1/S and G2/M checkpoints. In addition to p53, checkpoint regulators are being heavily researched for their roles in cancer growth and proliferation.

Pioneering work by Atsushi Miyawaki and coworkers developed the fluorescent ubiquitination-based cell cycle indicator (FUCCI), which enables fluorescence imaging of the cell cycle. Originally, a green fluorescent protein, mAG, was fused to hGem(1/110) and an orange fluorescent protein (mKO2) was fused to hCdt1(30/120). Note, these fusions are fragments that contain a nuclear localization signal and ubiquitination sites for degradation, but are not functional proteins. The green fluorescent protein is made during the S, G2, or M phase and degraded during the G0 أو جي1 phase, while the orange fluorescent protein is made during the G0 أو جي1 phase and destroyed during the S, G2, or M phase. [49] A far-red and near-infrared FUCCI was developed using a cyanobacteria-derived fluorescent protein (smURFP) and a bacteriophytochrome-derived fluorescent protein (movie found at this link). [50]

A disregulation of the cell cycle components may lead to tumor formation. [51] As mentioned above, when some genes like the cell cycle inhibitors, RB, p53 etc. mutate, they may cause the cell to multiply uncontrollably, forming a tumor. Although the duration of cell cycle in tumor cells is equal to or longer than that of normal cell cycle, the proportion of cells that are in active cell division (versus quiescent cells in G0 phase) in tumors is much higher than that in normal tissue. [ بحاجة لمصدر ] Thus there is a net increase in cell number as the number of cells that die by apoptosis or senescence remains the same.

The cells which are actively undergoing cell cycle are targeted in cancer therapy as the DNA is relatively exposed during cell division and hence susceptible to damage by drugs or radiation. This fact is made use of in cancer treatment by a process known as debulking, a significant mass of the tumor is removed which pushes a significant number of the remaining tumor cells from G0 to G1 phase (due to increased availability of nutrients, oxygen, growth factors etc.). Radiation or chemotherapy following the debulking procedure kills these cells which have newly entered the cell cycle. [14]

The fastest cycling mammalian cells in culture, crypt cells in the intestinal epithelium, have a cycle time as short as 9 to 10 hours. Stem cells in resting mouse skin may have a cycle time of more than 200 hours. Most of this difference is due to the varying length of G1, the most variable phase of the cycle. M and S do not vary much.

In general, cells are most radiosensitive in late M and G2 phases and most resistant in late S phase.

For cells with a longer cell cycle time and a significantly long G1 phase, there is a second peak of resistance late in G1.

The pattern of resistance and sensitivity correlates with the level of sulfhydryl compounds in the cell. Sulfhydryls are natural substances that protect cells from radiation damage and tend to be at their highest levels in S and at their lowest near mitosis.

Homologous recombination (HR) is an accurate process for repairing DNA double-strand breaks. HR is nearly absent in G1 phase, is most active in S phase, and declines in G2/M. [52] Non-homologous end joining, a less accurate and more mutagenic process for repairing double strand breaks, is active throughout the cell cycle.


Coupling of S Phase to M Phase

جي2 checkpoint prevents the initiation of mitosis prior to the completion of S phase, thereby ensuring that incompletely replicated DNA is not distributed to daughter cells. It is equally important to ensure that the genome is replicated only once per cell cycle. Thus, once DNA has been replicated, control mechanisms must exist to prevent initiation of a new S phase prior to mitosis. These controls prevent cells in G2 from reentering S phase and block the initiation of another round of DNA replication until after mitosis, at which point the cell has entered the G1 phase of the next cell cycle.

Initial insights into this dependence of S phase on M phase came from cell fusion experiments of Potu Rao and Robert Johnson in 1970 (Figure 14.10). These investigators isolated cells in different phases of the cycle and then fused these cells to each other to form cell hybrids. When G1 cells were fused with S phase cells, the G1 nucleus immediately began to synthesize DNA. Thus, the cytoplasm of S phase cells contained factors that initiated DNA synthesis in the G1 nucleus. Fusing G2 cells with S phase cells, however, yielded a quite different result: The G2 nucleus was unable to initiate DNA synthesis even in the presence of an S phase cytoplasm. It thus appeared that DNA synthesis in the G2 nucleus was prevented by a mechanism that blocked rereplication of the genome until after mitosis had taken place.

Figure 14.10

Cell fusion experiments demonstrating the dependence of S phase on M phase. Cells in S phase were fused either to cells in G1 or to cells in G2. When G1 cells were fused with S phase cells, the G1 nucleus immediately began to replicate DNA. In contrast, (more. )

The molecular mechanism that restricts DNA replication to once per cell cycle involves the action of a family of proteins (called MCM proteins) that bind to replication origins together with the origin replication complex (ORC) proteins (see Figure 5.17). The MCM proteins act as “licensing factors” that allow replication to initiate (Figure 14.11). Their binding to DNA is regulated during the cell cycle such that the MCM proteins are only able to bind to replication origins during G1, allowing DNA replication to initiate when the cell enters S phase. Once initiation has occurred, however, the MCM proteins are displaced from the origin, so replication cannot initiate again until the cell passes through mitosis and enters G1 phase of the next cell cycle.

Figure 14.11

Restriction of DNA replication. DNA replication is restricted to once per cell cycle by MCM proteins that bind to origins of replication together with ORC (origin replication complex) proteins and are required for the initiation of DNA replication. MCM (more. )

بالاتفاق مع الناشر ، يمكن الوصول إلى هذا الكتاب من خلال ميزة البحث ، ولكن لا يمكن تصفحه.


شاهد الفيديو: حقائق جسم الإنسان ستساعدك على النجاح في فصل علم الأحياء (شهر نوفمبر 2022).