В 1953 году Ховард и Пек впервые предложили концепцию клеточного цикла, которая составляет важную часть клеточной теории. Клетки от конца первого деления до конца следующего деления должны снова и снова проходить одни и те же стадии изменения (а именно, G1 → S → G2 → M). Этот вид роста, деления клетки известен как клеточный цикл. Клеточный цикл включает митоз (М) и интерфазу (G1, S и G2). Хотя время каждой фазы клеток разное, но в относительном выражении M является самой короткой, а S-фаза намного длиннее.
Рисунок 1 представляет собой клеточный цикл
Клеточный цикл представляет собой серию событий, которые в конечном итоге приводят к росту и делению клеток. Клеточный цикл эукариот можно разделить на интерфазу и фазу клеточного деления. Во время интерфазы клетка накапливает питательные вещества и реплицированную ДНК, необходимые для митоза, называемую фазой митоза (М). Изучая молекулярный механизм клеточного деления, фазу клеточного деления можно разделить на три фазы: G1, S и G2. Таким образом, клеточный цикл состоит из четырех фаз: G1, S, G2 и М.
Клетки вступают в фазу G1 после выхода из митоза, в этот период происходит синтез РНК и белка, но репликации ДНК нет на данном этапе. Инициация репликации ДНК знаменует переход G1 в S-фазу. S-фаза продолжается до того момента, когда все репликации ДНК завершены. В фазе S состав всей ДНК изменился с диплоидного 2n на 4n. Окончание фазы S до митоза называется фазой G2. На этом этапе клетки имеют два полных набора диплоидных хромосом. Увеличение объема ядра в основном происходит в S-фазе, когда белок может накапливаться и соответствует репликации ДНК. Хроматин сохраняется конденсированным без видимых изменений морфологии.
Регуляторные белки клеточного цикла способны связываться с кодирующими белками в период дифференцировки клеток и активировать соответствующие протеинкиназы, способствуя тем самым делению клеток. Было обнаружено по крайней мере 11 различных типов циклина, соответственно A, B1, B2, C, D1, D2, D3, E, F, G и H. Было выделено восемь основных циклинов. В зависимости от различий в регуляции фазы клеточного цикла с помощью циклина ее можно разделить на две категории фазы G1 и фазы M. Все различные типы циклинов содержат консервативную последовательность, содержащую около 100 аминокислот, называемую циклиновым боксом, опосредующую связывание между циклином и CDK. Циклы животных клеток могут регулироваться многими видами белковых комплексов cdk-клеточный цикл, при этом активированный CDK1 способен фосфорилировать белки-мишени, вызывая соответствующие физиологические эффекты, такие как фосфорилирование и дальнейший распад ламина, исчезновение ядерного мембраны, а также фосфорилирование, которое приводит к конденсации хроматина.
Результатом этих эффектов является постоянно протекающий клеточный цикл. Время активации различных форм Cdc2 и cdk иллюстрирует модель: регуляторная функция димера циклина cdk2-G1 проявляется в фазах G1 и S, в то время как Cdcc2-циклин A, B регулирует митоз (Orlando DA, 2008).
Было обнаружено множество факторов in vivo, которые могут стимулировать или подавлять пролиферацию клеток, таких как различные гормоны, сывороточный фактор, полиамины, протеолитический фермент, нейраминидаза, цАМФ, цГМФ и диацилглицерин (ДГ), инозитолтрифосфат ( IP3) и системы сообщений Ca. Повышенная внутриклеточная концентрация цАМФ оказывает ингибирующее действие на пролиферацию клеток. Те факторы, которые могут повышать уровень внутриклеточного цАМФ, могут ингибировать пролиферацию клеток, уменьшая рост клеток; напротив, те факторы, которые снижают внутриклеточное содержание цАМФ, могут способствовать синтезу ДНК и клеточной пролиферации. Содержание цАМФ в каждый период клеточного цикла также неодинаково (см. таблицу).
В клеточной линии яичника китайского хомячка содержание цАМФ в М-фазе минимально, а после М-фаза уровень цАМФ может повышаться в три раза. От ранней фазы G1 до поздней фазы G1 уровни цАМФ падают до умеренного уровня и сохраняются на низком уровне до S-фазы. Есть много экспериментов, указывающих на то, что цГМФ также играет регулирующую роль в клеточной пролиферации. Например, добавление цГМФ или дибутирил цГМФ к фазе 3T3 фазы G1 может вызвать увеличение содержания ДНК и способствовать делению клеток. Например, повышение уровня внутриклеточного цГМФ может способствовать митозу клеток. Напротив, препараты митотического стимулирования также могут повышать концентрацию цГМФ. цАМФ может ингибировать деление клеток, способствовать дифференцировке клеток, цГМФ способен ингибировать дифференцировку клеток, способствовать пролиферации клеток. В клетках нормального роста цАМФ и цГМФ могут поддерживаться на соответствующем уровне, регулируя и контролируя работу клеточного цикла (Browne G, 2010).