CC BY
34
В ПОРЯДКЕ ДИСКУССИИ
DISCUSSION
© И. П. Шабалкин, 1997 УДК 616.092 И. П. Шабалкин
ЗНАЧЕНИЕ ФАКТОРА ВРЕМЕНИ В ТРАНСФОРМАЦИИ КЛЕТОК (ГИПОТЕЗА)
Онкологический научный центр РАМН
Раскрытие механизмов возникновения и развития патологических клеток в организме связано с решением двух задач:
А. Расшифровкой клеточно-молекулярного механизма патологии.
Б. Изучением взаимоотношений между патологическими и нормальными клетками организма.
Несмотря на то что каждая из этих проблем решается своим путем, их объединяет ряд положений.
1. Цикличность процессов метаболизма в одной клетке и скоординированность их во времени с течением обменных процессов в других клетках организма. Это значит, что физиологический процесс является результатом кооперативного действия во времени ряда смежных, по-разному специализированных клеток, составляющих вместе своего рода многоклеточный функциональный ансамбль [7, 8].
2. Строгая ограниченность течения метаболических процессов временными рамками [6]. Иначе говоря, любые процессы, например репликация, репарация или цикл трикарбоиовых кислот, осуществляются в течение ограниченного промежутка времени, т. е. они не могут быть ускорены или растянуты во времени до бесконечности.
3. Зависимость между регуляторными процессами метаболизма и изменением концентрации метаболитов.
4. Существование принципа «неэквивалентности» клеток.
В основе данного принципа, выдвинутого еще в прошлом веке [25], лежит представление о том, что при делении материнской клетки образующиеся сестринские клетки не идентичны («неэквивалентны») друг другу по характеру реализации заложенной в них генетической информации [2]. Это предполагает, что протекающие в них процессы жизнедеятельности не только не совпадают во времени, но и осуществляются путем направленной регуляции: одна из двух сестринских клеток управляет развитием другой. Надо отметить, что последний тезис до настоящего времени не получил широкого распространения в биологии, однако существует достаточно большое количество данных литературы, которые согласуются с принципом «неэквивалентности» клеток. Так, например, по данным Т. А. Леонтьевой и J1.
Н. Белова [4], в двуядерных мышечных клетках сердца 5—14-суточных мышей большинство митозов протекает асинхронно. Чаще всего в двуядерной клетке одно ядро находится в интерфазе, а другое — в про- или метафазе.
Особенно отчетливо феномен асинхронности вступления сестринских клеток в определенный этап жизненного цикла можно наблюдать с помощью радиоактивной метки. Так, при изучении методами радиоавтографии и цитофотометрии синтеза ДНК в бинуклеарных клетках корешков меристемы Allium исследователи М. Benbadis и соавт. [18] обнаружили несколько типов меченых клеток. Среди них встречались клетки, у которых одно ядро находилось в Gi-периоде, второе — в S-фазе. Отличительной чертой клеток другого типа, встречавшихся более часто, было то, что в тот момент, когда одно ядро начинало репликацию, другое — уже заканчивало этот процесс. Аналогичные результаты были получены A. Gonzales-Fernandes и соавт. [20]. Причем, по их данным, в рано реплицировавшихся ядрах бинуклеарных клеток Allium постсинтетический С2-период удлиняется,
I. P. Shabalkin
IMPORTANCE OF TIME FACTOR IN CELL TRANSFORMATION (A HYPOTHESIS)
Cancer Research Center RAMS
Discovery of mechanisms of generation and development of pathologic cells in the body is associated with two problems:
A. Decryption of the pathology cellular-molecular mechanism.
B. Study of interactions between pathological and normal cells in the body.
Although each of these problems has a solution of its own they have some common features.
1. Cyclicity of metabolic processes in one cell and their synchronization with exchange processes in other cells of the body. This means that the physiological process is a result of cooperative action of a number of similar though differently specialized cells which all together are a multicellular functional ensemble [7, 8].
2. Strict time limitation of the metabolic processes [6]. In other words, any process, e. g. replication, reparation or tricarbonic acid cycle, proceeds within a limited period of time, i. e. it cannot be reduced or prolonged in time to infinity.
3. Relation of metabolic regulatory processes and metabolite concentration changes.
4. The principle of cell “non-equivalence’.
This principle was put forward already in the 19th century and runs that sister cells generated as a result of division of a mother cell are not identical (non-equivalent) by realization of their genetic information [2]. This implies that the vital processes in these cells not only fail to coincide in time but obey directed regulation: one of the two sister cells controls development of the other. It should be noted that this concept is not widely recognized in biology though there are a great number of published data supporting the idea of cell non-equivalence. According to T. A. Leontieva and L. N. Belova [3] most mitoses in binuclear cardiomuscular cells of 5-14-day old mice proceed asynchronously. Most often one nucleus in a binuclear cell is in the interphase while the other in the pro- or metaphase.
The asynchronism of sister cells entering a certain stage of their life cycles is well seen in experiments using radioactive labels. M. Bendadis et al. [18] studied DNA synthesis in binuclear cells of Allium meristoma radicals by radioautography and cytophotometry to discover several types of labeled cells. There were cells in which one nucleus was in the Gpphase while the other in the S-phase. Another, more frequent cell type had one nucleus in the start of replication while the other was at the finish of this process. Similar results were reported by A. Gonzales-Fernandes et al. [20]. The authors found out that the post-synthetic G2 period was extended in Allium binuclear cells undergoing early replicating and reduced in late replicating nuclei. E. Stubblefield [26] believes that the early replicating nuclei of binuclear cells send to cytoplasm a signal following DNA synthesis, and the cytoplasm responds to this signal by changes that discontinue the normal sequence of events in the late replicating nucleus. Results of other studies [13, 14, 17, 19] support the concept of sister cell asynchronism. The following conclusion may be made basing on analysis of these findings: a) at each moment of time one of the two sister cells is lagging behind the other in a certain stage of a biochemical process or development by a certain time; b) a certain restriction on expression of a genome appears in the lagging cell under the action of regulatory factors of the first cell.
В порядке дискуссии
а в поздно реплицировавшихся — сокращается. По мнению Е. Stubblefield [26], рано реплицирующееся ядро бинуклеарной клетки посылает в цитоплазму сигнал после синтеза ДНК, а цитоплазма реагирует на это изменениями, которые прерывают нормальную последовательность событий в поздно реплицировавшемся ядре. Об асинхронности процессов в сестринских клетках свидетельствуют результаты других исследователей [13, 14, 17, 19]. Исходя из анализа полученных данных, можно прийти к следующему заключению: а) в каждый момент времени одна из двух сестринских клеток отстает от другой в прохождении какого-либо этапа биохимического процесса или этапа развития на определенный промежуток времени; б) в отстающей клетке происходит ограничение экспрессии какого-то участка ее генома под действием регуляторных факторов первой клетки.
Принцип «неэквивалентности» клеток, как и выдвинутые выше первые три условия, по-видимому, обусловливают возникновение в организме нарушений в результате действия химических, лучевых, биологических и других повреждающих агентов. Чтобы обезопасить организм от последних, природа создала систему репарации повреждений организма. В связи с этим логично допустить, что первоначальное звено патогенеза целесообразно искать среди процессов, связанных именно с репарацией повреждений.
Система репарации повреждений, возникшая в ходе эволюции как механизм поддержания надежности клетки, в дальнейшем стала, надо полагать, причиной возникновения патологических клеток.
Проведем расшифровку данного явления. Рассмотрим сначала, что происходит с дифференцированной клеткой, не находящейся в данный момент в митотическом цикле, при действии на нее патогенного агента.
В результате действия экстремального фактора поврежденная клетка вынуждена затратить определенное время на репарацию повреждения. По завершении восстановительного процесса эта клетка оказывается отставшей от других в выполнении своих специфических функции в системе сбалансированного во времени течения процессов метаболизма в целом организме, что может повлиять на нормальное течение физиологического процесса. Во избежание этого сестринская клетка, контролирующая развитие поврежденной клетки (в соответствии с принципом «неэквивалентности» клеток), ингибирует в последней функционально активный ген, принимавший участие в индуцированном физиологическом процессе. В результате восстановленная клетка оказывается дефектной по функциональной активности генома, так как в ней уже не вырабатывается специфический метаболит, необходимый для нормального функционирования какого-то звена в цепи обменных процессов организма. Следует отметить, что хотя ингибирование гена, осуществленное при участии управляющей клетки, дает возможность восстановленной клетке находиться в ансамбле других клеток, ответственных за определенный физиологический процесс, однако теперь она уже принадлежит к другому типу клеток, так как у нее функционально активным является новый ген, соответствующий другому уровню дифференцировки. Так среди группы одинаковых клеток возникает очаг измененных клеток, часто обнаруживаемых по изменению изозимного спектра ферментов [9, 15, 16]. Многократное действие патогенных агентов на дифференцированную клетку приводит к тому, что у последней в ходе восстановительных процессов постоянно выключается из работы все большее количество функционально активных генов. Переход клеток с уровня, характерного для нормально функционирующей дифференцированной клетки, на другой функциональный режим указывает на изменение в сфере дифференцировки. Этот феномен получил название «дедифференцировка» [16]. Дедифференцировка может быть настолько глубокой, что «дефектная» дифференцированная клетка приобретает свойства совершенно иной дифференцированной клетки.
Так, имеются данные, что в опухолях далеко не эндокринного происхождения (легких, печени, почек, пищевода и др.) наблюдается образование некоторых гормонов в таких количествах, что это может привести к существенному дисбалансу гормонального статуса организма и развитию в некоторых случаях синдрома соответствующего заболевания [22, 24]. Терминальным этапом дедифференцировки является возникновение трансформированных клеток, у котЪрых ингибированы все гены, ответственные за выполнение специализированных функций в данном органе или ткани. Такая клетка соответствует, по-видимому, условно называемой «бессмертной» клетке, т. е. клетке, которая, не вступая на путь дифференцировки, может проходить все периоды митотического цикла. С этой точки зрения она является аналогом стволовой клетки.
Из сказанного следует, что в процессе репарации повреждений после периодического действия одного или нескольких патогенных
The cell non-equivalence principle as well as the first three ol the above-mentioned conditions seem to account for changes occurring in the body as a result of chemical, radiation, biological and other damaging actions. Nature created a damage reparation system to protect the body from these actions. It seems reasonable therefore that the starting point of pathogenesis should rather be sought for among processes associated with damage reparation.
The damage reparation system developed evolutionary as a mechanism of maintenance of cell strength became later a cause of pathological cell production.
Consider this phenomenon in detail. Let us see what is going on with a differentiated cell, which is not in mitosis at the given moment, under the action of a pathogenic agent.
The cell damaged as a result of the action of this agent needs some time to repair the damage. On completion the reparation the cell appears lagging behind the others in performance of its specific functions in the system of synchronized metabolic processes of the whole body, which may influence the normal course of the physiological process. To avoid this the sister cell controlling development of the damaged cell (in accordance with the non-equivalence principle) inhibits in the lagging cell the functionally active gene participating in the induced physiological process. As a result the repaired cell becomes defective as to genome functional activity because it fails to produce a specific metabolite needed for normal functioning of a certain link in the chain of body exchange processes. It should be noted that though the gene inhibition occurring under the effect of the controlling cell gives to the damaged cell an opportunity to remain in the ensemble of other cells responsible for a certain physiological process, this cell belongs now to another cell type because it has a new functionally active gene corresponding to another differentiation level. Thus, a set of altered cells arises among a group of similar cells that can be detected by changes in the enzyme isozyme spectrum [9, 15, 16]. Multiple influence of pathogenic agents on the differentiated cell leads to discontinuation of functioning of more and more functionally active genes during reparation processes in this cell. The cell transition from the level characteristic of a normally functioning differentiated cell to another functional mode is indicative of a change in the differentiation sphere. This phenomenon is termed ’dedifferentiation’ [16]. The dedifferentiation may be so deep that the defective differentiated cell acquires features of an absolutely dissimilar differentiated cell.
For instance, tumors of far from endocrine origin (pulmonary, hepatic, renal, esophageal, etc.) produce some hormones in amounts which may induce a significant disbalance in the body hormonal status and development in some cases of a pathological syndrome [22, 24]. The dedifferentiation terminal stage starts with generation of transformed cells in which all genes responsible for fulfillment of special functions in the given organ or tissue are inhibited. Such a cell seems to correspond to a so called ’immortal’ cell, i. e. a cell that does not enter differentiation while undergoing all phases of the mitosis cycle. From this standpoint it is similar to stem cells.
It follows than, that during the reparation after regular influence of one or several pathogenic agents on a normal differentiated cell, functionally active genes of the cell genome participating in the differentiation are suppressed which causes transformation of the cell.
It should be emphasized that we consider the case when the pathogenic agent produces a nop-lethal effect on the cell which is under control and do not consider the mechanism of action of the factor on the controlling cell.
Some elements of the operative hypothesis on the cell transformation mechanism considered for a subpopulation of differentiated cells leaving the mitotic cycle are also valid for a cell subpopulation being in the mitosis cycle during the action of the pathogenic factor. Their transformation is directly related to reparation processes violating temporal regularities of cell mitosis.
Let us consider the action of damaging factors on a cell in G|-period.
Multiple action of damaging factors may lead to such a state that the cell undergoing the damaging action lags behind other cells in mitosis by a certain considerable period of time due to reparation of the damages. To compensate this lagging another cell (in compliance with the non-equivalence principle) by means of its regulatory system inhibits all genes active in the G|-period in the lagging cell, except those needed for normal function of S-, G2- periods and mitosis,
i. e. phases of the mitotic cycle influencing the fulfillment by the cell of its main objective that is reproduction.
A cell with only two functions: reduplication and division remaining now belongs to a new type of pathological cells characteristic of neoplastic populations. This type includes transformed cells without any signs of differentiation. It seems that they developed from the ’immortal’ cells that underwent changes in the G|-period under the effect of a pathogenic factor.
Another type of pathological cells includes transformed though
Discussion
агентов на нормальную дифференцированную клетку в геноме последней репрессируются функционально активные гены, участвующие в процессе дифференцировки, что вызывает трансформацию данной клетки.
Следует подчеркнуть, что в настоящем сообщении мы рассматриваем лишь момент, когда патогенный агент вызывает не летальное повреждение только управляемой клетки, и не рассматриваем механизм действия повреждающего фактора на управляющую клетку.
Ряд положений рабочей гипотезы о механизме клеточной трансформации, рассмотренной для субпопуляции дифференцированных клеток, вышедших из митотического цикла, действителен и для субпопуляции клеток, находящихся в момент действия патогенного агента в митотическом цикле. Их трансформация непосредственно связана с процессами репарации, нарушающими временное закономерности прохождения клеткой определенных периодов митотического цикла.
Рассмотрим действие повреждающих факторов на клетку, находящуюся в G|-периоде.
Многократное действие повреждающих факторов может привести к тому, что после репарации повреждений такая клетка в своем движении по митотическому циклу отстает от других на значительный промежуток времени. Чтобы ликвидировать ее отставание другая клетка (согласно принципу «неэквивалентности») с помощью своей регуляторной системы ингибирует в отстающей клетке все активные в G|-периоде гены, кроме тех, которые необходимы для нормальной работы S—Сг-периодов и митоза — этапов митотического цикла, от которых зависит выполнение клеткой главной своей задачи — воспроизводства.
Клетка, у которой остаются только две функции — редупликация и деление, — будет принадлежать к новому типу патологических клеток, характерных для опухолевых популяций. Сюда будут относиться трансформированные клетки, утратившие все признаки дифференцировки. Они возникли, надо полагать, из «бессмертных» клеток, у которых дополнительно произошли под действием патогенного агента изменения в Gi-периоде.
Следующим типом патологических клеток являются трансформированные, но дифференцированные клетки. Это нормальные дифференцированные клетки (например, меланоциты), находившиеся при действии повреждающих факторов в Gi-периоде митотического цикла. Туморогенность их заключается в том, что со стороны организма утрачен контроль за их размножением.
Третий (промежуточный) тип — это клетки, уже частично дефектные по функциональной активности их генома, т. е. клетки, перешедшие на новый функциональный режим, которые вступили впоследствии в митотический цикл и получили второе повреждение в Gi-периоде. Они обладают признаками дифференцировки, хотя нередко не соответствуют по своим свойствам той опухоли, среди которой находятся. Такая наследственная гетерогенность популяции, обусловленная одновременным присутствием в ней всех трех типов патологических клеток, является кардинальной особенностью злокачественных опухолей [I].
Помимо вышеописанных типов патологических клеток, существует еще несколько типов, связанных с действием повреждающего фактора на клетки, находящиеся в S-периоде митотического цикла.
Предположим, что в момент действия экстремального фактора закончился синтез фрагмента дочерней нити ДНК (Д/) на участке первой матричной нити ДНК (М/), но еще продолжается синтез фрагмента дочерней нити (Дт) на участке второй матричной нити ДНК (М2) (рис. 1, а). Представление о подобном течении процесса синтеза ДНК опирается на выдвинутую ранее [3, 10] и экспериментально подтвержденную [10—13] гипотезу о последовательно-преры-вистом характере репликации ДНК в клетках эукариот.
Согласно этой гипотезе, в каждый промежуток времени синтез фрагмента дочерней нити ДНК осуществляется на ограниченном участке только одной матричной нити ДНК. На комплементарном участке второй матричной нити в этот момент синтез ДНК не происходит. По окончании процесса репликации на участке первой матричной нити ДНК синтез ДНК прерывается. После паузы процесс репликации осуществляется на ограниченном участке второй матричной нити ДНК.
Принимая во внимание положения, выдвинутые в приведенной выше гипотезе, мы допускаем, что в нашем случае повреждающий фактор подействовал в каких-то точках на фрагмент дочерней нити (Д2), синтезированной на участке второй матричной нити (А/?)-
Клетка, получившая повреждение, должна репарировать его.
Каким же образом осуществляется этот процесс?
Во время репарации в поврежденной клетке происходит 2 процесса синтеза ДНК: 1) синтез dc novo на участке повреждения («репара-тивный» синтез) и 2) «дополнительный» синтез в течение времени репарации на оставшейся части неповрежденного генома, «компетентного» к репликации.
В приложении к нашей условной клетке это означает, что в то
differentiated cells. These are normal differentiated cells (e. g. melanocytes) that were in the G|-period of the mitotic cycle during the action of the damaging factors. The tumorigenicity is due to the fact that the body has lost control over their proliferation.
The third (intermediate) type consists of partially defective cells as to functional activity of their genome, i. e. cells changing for another functional mode, then entering the mitotic cycle and experiencing another damage during the G|-period. They possess differentiation features though often fail to correspond by their properties to the tumor in which they exist. Such hereditary heterogeneity of the population due to simultaneous existence of all the three types of pathological cells is a cardinal characteristic of malignant tumors [1].
Besides the above-mentioned types, there are several cell types associated with the effect of damaging factors on cells in the S-phase.
Suppose that at the moment of action of an extremal factor synthesis of a DNA daughter strand fragment (D|) in the region of the first matrix strand (M|) is over, but synthesis of a DNA daughter strand fragment (D2) at the region of the DNA second matrix strand (M2) is continuing (see the figure, a). The concept of such a course of the DNA synthesis is based on the hypothesis of successive intermittent character of DNA duplication in eukaryote cells put forward previously [3,10] and confirmed experimentally [10-13].
According to this hypothesis synthesis of a DNA daughter strand fragment occurs in a limited region of only one DNA matrix strand. There is no DNA synthesis in the complementary region of the second matrix strand at this moment. On completion of the replication in the DNA first matrix strand the DNA synthesis is over. After a pause the replication proceeds in a limited region of the DNA second matrix strand.
Taking into account the above-mentioned hypothesis we assume that in our case the damaging factor acted on some points of the daughter strand fragment (D2) synthesized at a region of the second matrix strand (M2).
The cell undergoing this damage has to repair the defect.
How does it happen?
There are 2 DNA synthesis processes proceeding during the reparation in the damaged cell: 1) dc novo synthesis in the damage region (reparative synthesis), 2) supplementary synthesis in the residual of the non-affected genome competent to replication during the reparation.
As concerns our cell this means that at the moment when the damaged region is cut out with participation of endonuclease from the D2 fragment (with a gap arising in the site of damage) another DNA synthesis is going on at the daughter strand fragment (D|) like on a matrix (see figure, b). Duration of this supplementary DNA synthesis depends upon time needed for the cell to cut out the damaged area from the D2 fragment.
The second stage of cell reparation from damage (see the figure, t) consists of filling the gap with nucleotides complementary to the intact DNA matrix strand fragment which is effected with contribution of DNA polymerase catalyzing the synthesis from terminal 5' to 3’ and of connecting the 5’ and 3’ terminals by a phosphodiether bond using DNA-ligase.
This process is the D2 daughter strand fragment reparation synthesis proper. While (taking into account the successive intermittent character of DNA replication) the DNA supplementary synthesis continues in a fragment of the daughter strand D| as a matrix of the fragment to be synthesized. It follows from this scheme that synthesis of an additional DNA fragment is carried out in an intact region of the DNA strand competent to replication during the time spent on the cutting out of damaged fragments and the dc novo synthesis. This process seems to underlie the well known gene amplification (increase in the gene number) phenomenon. The above described procedure of DNA synthesis is also supported by findings of study of DNA synthesis induced by radiation in the nuclear matrix in rat hepatocyte and mixomycetis Physarium Polyccphalum [5]. In a resting intact liver gamma-radiation at a dose 80 Gy induces, besides DNA reparative synthesis, intense additional DNA synthesis in the NM which is similar to the replicative one. Analysis of the newly synthesized DNA by alkaline elution and centrifugation in alkaline saccharose density gradient showed that this was small single stranded fragments similar to Okazaki fragments. The same phenomenon was also observed in the evolutionary more ancient, lowest eukaryote organism. The author conclude that together with initiation of the DNA reparative synthesis, the aberrant replicative synthesis which is an element of radiation mutagenesis accounts for a considerable portion of the additional
В порядке дискуссии
время как на фрагменте Д? происходит при участии эндонуклеазы вырезание поврежденного участка ДНК (в результате чего па месте повреждения образуется брешь), на участке фрагмента дочерней нити (Д/), как на матрице, вновь идет синтез ДНК (рис. 1, Ь). Продолжительность этого «дополнительного» синтеза ДНК будет определяться временем, которое клетка затрачивает на вырезание поврежденного участка на Д?_фрагменте.
Второй этап восстановления клетки от повреждений (рис. 1, с) заключается в заполнении образованной бреши нуклеотидами, комплементарными неповрежденному участку матричной цепи ДНК (ЛЬ), осуществляемому при участии ДНК-полимеразы, катализирующей синтез от 5'-конца к З'-концу, и соединении 5'-конца с З'-концом фосфодиэфирной связью с помощью ДНК-лигазы.
Этот момент собственно репаративного синтеза на участке дочерней нити Д2. В это же время (с учетом последовательно прерывистого характера репликации ДНК) продолжается дополнительный синтез ДНК на фрагменте дочерней нити Д/, служащей матрицей для вновь синтезируемого фрагмента. Из предложенной схемы течения процесса репарации следует, что за время, использованное на вырезание поврежденных компонентов и синтез cle novo на участке повреждения, на неповрежденном участке «компетентной» к репликации нити ДНК идет синтез дополнительного фрагмента ДНК. Этот процесс, надо полагать, лежит в основе общеизвестного феномена амплификации (увеличения в числе) генов.
О подобном характере синтеза ДНК свидетельствуют данные, полученные при изучении индуцированного радиацией синтеза ДНК в составе ядерного матрикса (ЯМ) гепатоцитов крыс и миксомицета Physarum Polycephalum [5]. В покоящейся интактной печени 7-06-лучение в дозе 80 Гр вызывает наряду с репаративным синтезом ДНК интенсивный внеплановый синтез ДНК в ЯМ, который по своим характеристикам напоминает репликативный. Анализ этой но-восинтезированной ДНК с помощью щелочной элюции и центрифугирования в градиенте плотности щелочной сахарозы показал, что это однонитевые фрагменты небольшого размера, аналогичные фрагментам Оказаки. Такое же явление наблюдается и у эволюционно более древнего низшего эукариотического организма. Авторы приходят к выводу, что наряду с инициацией репаративного синтеза ДНК значительная доля регистрируемого на ЯМ внепланового синтеза в облученных клетках приходится на «аберрантный» репликативный синтез ДНК, который является одним из звеньев процесса радиационного мутагенеза. По мнению авторов, такой механизм репарации повреждений имеет очень древнее происхождение.
Итак, мы описали, в чем заключаются особенности процесса репарации при действии патогенного фактора на клетку, находящуюся в S-периоде. Однако мы не учитывали реально существующего факта: на самом деле редупликация хромосом в клетке протекает асинхронно. Это значит, что в момент действия патогенного агента «компетентными» к репликации оказываются не все хромосомы клетки. Какие-то хромосомы еще находятся в стадии подготовки к репликации. Например, известно, что половые хромосомы X, Y реплицируются в конце S-периода [21]. Поэтому в действительности эффективность воздействия патогенного агента на клетку, находящуюся в S-периоде, может заключаться не только в амплификации генов, но и в таких нарушениях, как делеция хромосом, т. е. утрата хромосомой части своего генетического материала.
Поясним сказанное примером. Приняв во внимание, что редупликация хромосом протекает асинхронно, рассмотрим действие патогенного агента на клетку, у которой в момент воздействия одна из хромосом (условно № 1) уже прошла репликацию, на другой (№ 2) идет процесс синтеза ДНК, а третья (№ 3) еще находится в стадии подготовки к репликации, т. е. в Gj-периоде. Допустим, что повреждающий фактор подействовал на хромосому (№ 2), находящуюся в фазе синтеза ДНК. По завершении восстановительных процессов в хромосоме № 2 условная клетка оказывается отставшей от других клеток популяции. Чтобы этого не случилось, в хромосоме № 3, находившейся в момент воздействия в стадии подготовки к репликации, т. е. в Gi-периоде, ингибируются гены, ответственные за вступление отдельных участков данной хромосомы в фазу репликации. Во время репликации на этих участках хромосомы № 3 синтез дочерних фрагментов ДНК происходить не будет. После деления такой клетки, образовавшиеся дочерние клетки будут содержать разное количество генетического материала: одна дочерняя клетка может содержать весь обычный набор генов, а другая будет содержать генетического материала меньше на столько, сколько было ингибировано в хромосоме № 3 генов, ответственных за прохождение G|-периода. Явление недорепликации, закрепленное в эволюции, по-ви-димому, обусловливает нередко встречающееся различие между количеством ДНК в гетеро- и эухроматиновых районах хромосом [23].
Другой путь образования делений, несколько отличающийся от предложенного, но чаще встречающийся в природе, связан с действием экстремального фактора на клетку, находящуюся в самом конце
а -—-хххх~---------■ d2
.---.----.-------- м2
я--------»--------------я------------------■ Df
.--------.--------------■------------------- м1
Ь я------------■ ^ я-------------------■ 02
ш------------------------------------------. М2
т
■ D, - М1
------------------ М2
т
ш-------------------■---------------■ Df
■-------------------■---------------- М1
Схема 1. Течение процесса репарации в клетке.
Мь М2, Дь Д2— первая (1) и вторая (2) матричные (М) и соответственно дочерние (Д) нити ДНК; ххх— поврежденный участок второй (Д2) дочерней нити ДНК; К—брешь на участке Д2 нити ДНК; т — участок ДНК, реплицирующийся на Д1 нити в течение дополнительного синтеза ДНК; п — участок ДНК, синтезированный на Д2 в процессе собственно репаративного синтеза ДНК.
Scheme 1. Cell reparation process
Mb M2, Dp D2, are respectively the first (1) and the second (2) matrix (M) and daughter (D) DNA strands; xxx, the fragment of the DNA second daughter strand (D2) damaged; K, is the gap in the DNA strand D2; m, the DNA fragment replicating in the D1 strand within the DNA supplementary synthesis; n, the DNA fragment synthesized in D2 as a result of DNA reparative synthesis proper.
NM synthesis. In the authors’ opinion this damage reparation mechanism is of a very ancient origin.
So, we described peculiarities of the reparation processes after the action of pathogenic factors on cells in S-phase. However, we did not take into account the actual fact of asynchronous chromosome reduplication in the cell. There are chromosomes that are in the
Discussion
S-периода. У такой клетки практически нет времени на репарацию. Поэтому процесс восстановления у нее сводится лишь к вырезанию поврежденного участка цепи ДНК, так как времени на завершающую стадию репарации, т. е. собственно репаративный синтез, у нее не остается. Если у клетки совсем нет времени на репарацию (это относится и к клеткам, находящимся в С2-периоде), то такая клетка вступает в деление со скрытым повреждением в хромосоме, которое реализуется в митозе в виде различных типов аберраций.
Что касается возникновения точковых мутаций (замена одного основания на другое), то, возможно, одним из путей появления этого типа патологии клетки может быть изменение топологии поврежденного участка цепи ДНК, т. е. перестройка пространственной структуры этого участка таким образом, что становится возможным встраивание другого (некомплементарного нуклеотиду матричной цепи ДНК) нуклеотида в области репарируемого участка цепи ДНК.
Таким образом, действие повреждающего агента на клетки, находящиеся в разных точках S-периода, может привести к появлению патологических клеток либо с увеличенным количеством генетического материала, либо с редукцией части генома в них, либо к клеткам с трансформацией генома, обусловленной существованием скрытых повреждений в геноме последних. Появление в популяции таких типов клеток, по-видимому, целесообразно связать с термином «дисдиф-ференцировка» [16], так как эти клетки синтезируют либо избыточные в сравнении с нормой количества белков (проявляется феномен амплификации генов), либо не синтезируют совсем каких-то белков (случаи, когда наблюдаются делеции хромосом).
Мы рассмотрели роль процесса репарации в возникновении различных типов трансформированных клеток, не учитывая особенностей многоклеточного организма как системы органов и тканей, у которой процессы обмена веществ строго скоординированы во времени. Вместе с тем работа репарирующих систем является звеном в общей цепи обменных процессов организма и, следовательно, осуществляется в течение лишь какого-то определенного промежутка времени, поэтому можно сказать, что возникновение патологии в организме зависит от количества времени, которое приходится на процесс репарации в общей системе регуляции процессами метаболизма организма.
ЛИТЕРА ТУРА / REFERENCES
1. Вахтин Ю. Б. //Стволовые клетки и опухолевый рост. — Киев, 1985. — С. 42—48.
2. Зепгбуш П. //Молекулярная и клеточная биология. — М., 1982. — Т. 3.
3. Корнбсрг А. Синтез ДНК. — М., 1977. — С. 165; 169.
4. Леонтьева Т. А., Белон Л. Н. //Цитология. — 1978. — Т. 20, № 3. — С. 339—341.
5. Малиновский Ю. /О., Безлепкин В. Г. //Всесоюзный радиобиологический съезд, 1-й: Тезисы. —М., 1989. — С. 115—116.
6. Порошснко Г. Г. //Итоги науки. — 1977. — Т. 2. — С. 5—58.
7. Салганик Р. И. //Всесоюзный симпозиум «Структура и функция клеточного ядра», 5-й: Тезисы. — Новосибирск, 1975.
8. Севастьянов Г. А. //Цитология. — 1988. — Т. 30, № 9. — С. 1144.
9. Фель В. Я. //Там же. — 1990. — Т. 32, № 5. — С. 407—421.
10. Шабалкин И. П. Характер редупликации ДНК и длительность митотического цикла клеток эпителия роговицы глаза в норме и при регенерации: Дипломная работа, биофак МГУ, 1967.
11. Шабалкин И. П. //Всесоюзный симпозиум «Структура и функция клеточного ядра», 5-й: Тезисы. — Новосибирск, 1975. — С. 127.
12. Шабалкин И. П. //Арх. анат. — 1976. — Т. 71, № 9. — С. 29—35.
13. Шабалкин И. П. Временные закономерности синтеза ДНК в митотическом цикле клеток эпителия роговицы мышей: Дис ... канд. биол. наук — М., 1981.
14. Шабалкин И. П., Шабалкин П. И. Принцип «неэквивалентности» клеток как механизм регуляции онтогенеза. ВИНИТИ, № 472-В94.
15. Шапот В. С. Биохимические аспекты опухолевого роста. — М., 1975.
16. Швембсргср И. Н. //Рак и дифференцировка клетки. — Л., 1976.
17. Baur Н. J., Meinzer Н. P. //Cell Tiss. Kinet. — 1989. — Vol.
22, N 2. — P. 167.
18. Benhadis М. C., Ribsztejn М., Deysson G. //Chromosoma. — 1974. — Vol. 46, N 1. — P. 1—II.
stage of preparation to replication. For instance, as known, sex chromosomes X and Y replicate at the end of S-phase [21]. Therefore, pathogenic action on a cell in S-phase, besides gene amplification, may also induce chromosome deletion, i. e. the loss by a chromosome of a part of its genetic material.
Consider an example. Taking into account that chromosome reduplication proceeds asynchronously, let us consider the action of a pathogenic agent on a cell in which one chromosome (No. 1) has already finished replication, in another one (No. 2) DNA synthesis is proceeding, and a third one (No. 3) is in a preparatory stage before replication, i. e. in G| phase. Assume, that the pathogenic agent has acted on chromosome No. 2 undergoing DNA synthesis. On completion of reparation in chromosome No. 2 our cell appears to lag behind other populational cells. To avoid this chromosome No. 3 which was preparing for replication (G| phase) during the damaging action inhibits genes responsible for some fragments of this chromosome entering replication. There is no synthesis of DNA daughter fragments in these chromosome No. 3 regions during the replication. After this cell divides the generated daughter cells will contain different amounts of genetic material: one of the daughter cells may contain the whole normal set of genes, while in the other the amount of the genetic material will be less at the expense of genes responsible for the G| phase and inhibited in chromosome No. 3. The evolutionary preserved underreplication phenomenon seems to account for the difference in DNA number in chromosome hetero-and euchromatin regions which is encountered rather often [23].
Another way of chromosome deletion differs from the described above, though it is observed more frequently. It is associated with action of an extremal factor on cells in the very end of S-phase. That is why the reparation process in this case is reduced to cutting out the affected DNA strand fragment, because there is no time for the final reparation stage i.e. reparative synthesis proper. If the cell has no time for reparation at all (cell in G2-phase) it enters division having a latent chromosomal defect which manifests itself in mitosis as various aberrations.
As concerns point mutations (replacing of a base for another one), they may be due to alteration in topology of the damaged DNA strand fragment, i. e. reconstruction of this fragment space structure in such a way that inbuilding of another (non-complementary nucleotide of the DNA matrix strand) nucleotide in the region of the DNA strand fragment under reparation becomes possible.
So, the action of a damaging factor on cells in different S-phase stages may lead to generation of pathological cells with increased genetic material amount or with genome partial reduction or with genome transformation due to latent genome defects. It seems reasonable to associate the appearance of such cell types in the population with the term ’dysdifferentiation’ [16] because these cells either synthesize surplus protein (gene amplification) or fail to synthesize any proteins at all (chromosome deletion).
We considered the role of reparation in appearance of a variety of transformed cells without taking into account peculiarities of the multicellular body as a system of organs and tissues in which exchange processes are well coordinated in time. However, the work of reparation systems is an important link in the chain of the body exchange processes and therefore is performed during a certain time. So, we may say that development of a pathology in the body depends upon time which is taken by the reparation process in the general system of metabolism regulation.
19. Blair О. C„ Roti J. R. //Exp. Cell Res. — 1979. — Vol. 124, N 2. — P. 433—436.
20. Gonzalez-Fernandez A., Gimencz-Martin G., Diez J.L. et al. //Chromosoma. — 1971. — Vol. 36. — P. 100—101.
21. Lima-ile Faria A., Jaworska H. //Nature. — 1968. — Vol. 217. — P. 138—142.
22. Lipsett М. B. //Cancer Res. — 1965. — Vol. 25. — P. 1068—1078.
23. Mulder M. P., van Duijn P., Cloor H. //J. Genet. — 1968. — Vol. 39. — P. 385—428.
24. Pearson О. H. //Cancer Res. — 1965. —Vol. 25. — P. 1974—1975.
25. Roux W. //Gesammelte Abhandlungen bber Entwichelungs-mechanik der Organismen. — Leipzig, 1895. — Bd 2. — S. 419—521.
26. Stubblefield E. //International Symp. for Society of cell Biology. — New York, 1964. — N 3. — P. 223.
Поступила 05.12.96/Submitted 05.12.96
