Porównanie z klasycznym cyklem oraz charakterystyka endoreplikacji

Każda komórka organizmu musi przechodzić stadia klasycznego cyklu komórkowego. Wyróżniono w nim 2 okresy. Są to interfaza, zawierająca fazy: G1, S, G2, oraz podział komórkowy: mitoza lub mejoza. Początkowo tj. w fazie Gap 1 zawartość materiału genetycznego wynosi 2C. Jest to podstawowa zawartość DNA w komórce somatycznej. W komórkach generatywnych ilość ta wynosi 1C. Zawartość kwasu deoksyrybonukleinowego w jądrze komórkowym ma swoje odbicie w rozmiarach całej komórki, co opisano jako współczynnik jądrowo-cytoplazmatyczny. Dlatego w pierwszej fazie cyklu komórkowego komórka jest małych rozmiarów. Następnym etapem jest faza S (synthesis), w której ma miejsce sukcesywny wzrost objętości komórki oraz, co najważniejsze na tym stadium cyklu komórkowego, replikacja DNA. Ponieważ ilość materiału genetycznego jest stopniowo zwiększana na drodze kopiowania starej nici DNA, poziom wartości C waha się od 2 do 4 w komórce wegetatywnej (1 – 2 w komórkach rozrodczych), w zależności od momentu pomiaru. Faza S jest kluczem do zrozumienia procesów zachodzących w nieklasycznym typie cyklu komórkowego, mającym cechy wspólne z normalnym cyklem, ale na tyle różnym, że zyskał odrębną nazwę i charakterystykę. Jest to proces endoreplikacji. W ostatniej fazie klasycznego cyklu, czyli Gap 2 dochodzi do ostatecznego wzrostu komórki, a somatyczne jądro komórkowe, które przebyło jedną rundę syntezy DNA, wykazuje wartość 4C (2C dla jądra komórki generatywnej). W trakcie podziału dochodzi do spadku wartości C z G2 do wartości C z G1.

Schemat przebiegu klasycznego cyklu komórkowego i przejścia w endocykl, dla komóki somatycznej.

Geneza wystąpienia endocyklu

Młode komórki roślin charakteryzują się ciągłą proliferacją, jednak po jakimś czasie, część z nich, która nie pozostaje w obrębie merystemów, ulega dyferencjacji, tworząc odrębne tkanki. Dyferencjacja, czyli różnicowanie obejmuje wiele przemian komórki, które ostatecznie doprowadzają do różnic w jej funkcjonowaniu, co spowodowane jest inną budową biochemiczną i morfologiczną. Zjawiskom takim towarzyszą także zmiany w zapotrzebowaniu na matrycę do produkcji składników komórkowych. Dochodzi więc do różnej ekspresji pożądanych genów, a nawet zwielokrotnienia całej nici DNA, nie tylko jeden raz, jak w trakcie fazy S standardowego cyklu komórkowego, a wielokrotnie. Wówczas przeprowadzana jest endoreplikacja, która pozwala na syntezę dodatkowych kopii DNA z zachowaniem jego prawidłowego sekwencjonowania. Endoreplikacja, endocykl, wyklucza osiąganie standardowej wartości C przez jądra komórkowe. Opisywana jest więc jako cykl wolny od podziałów komórkowych, redukujących wartość C, doprowadzających do 2C DNA. Ta zależność czyni komórkę poddaną endoreplikacji, komórką poliploidalną, a więc posiadającą jądro komórkowe o zwiększonej zawartości kwasu deoksyrybonukleinowego, w stosunku do podstawowej jego zawartości.

Typy endocykli

Z uwagi na różnice w przebiegu endocykli oraz ilości materiału genetycznego, utworzono podział na typy procesu. Wg opisanych kryteriów istnieją następujące rodzaje endocykli/endoreplikacji:

1. Endoreduplikacja

2. Endomitoza

3. Niepełna replikacja

4. Amplifikacja

Endoreduplikacja

Podczas endoreduplikacji dochodzi do powielenia materiału genetycznego, co można obserwować dwojako. Mianowicie, w interfazie zjawisko to objawia się zwiększoną objętością grudek heterochromatynowych, bez zwiększenia ich podstawowej liczby, co ma swój oddźwięk w zwiększeniu objętości jądra. W czasie „po interfazie”, tworzą się chromosomy podobne do metafazowych klasycznego cyklu. Bywa, że ustawiają się one nawet w płaszczyźnie równikowej komórki, jednak nie dochodzi do ich rozdzielenia. Są to tzw. chromosomy politeniczne, czyli wieloniciowe. Buduje je wiele, a nawet setki chromatyd siostrzanych, w zależności od stopnia endopoliploidalności jądra. W procesie endoreduplikacji wrzeciono podziałowe nie działa jak w klasycznym cyklu podczas podziału i dlatego do niego nie dochodzi. Nie ma wówczas miejsca ani kariokineza, ani nie zachodzi cytokineza. Czasami w komórkach o niskiej ploidalności wystąpienie opisywanego zjawiska może być poprzedzone innymi typami endocykli. Endoreduplikację odnajdywano w bielmie nasion oraz w wieszadełku.

Endomitoza

Endomitoza jest typem endoreplikacji, który do złudzenia przypomina klasyczny cykl komórkowy. Dochodzi tu do powielenia materiału genetycznego, co w interfazie tworzy obraz zwiększonej dwukrotnie liczby grudek heterochromatynowych. Nie zwiększają one swojej objętości, a ich przyrost następuje w postępie geometrycznym, w zależności od liczby przeprowadzonych rund syntez materiału genetycznego. Gdy dochodzi do kondensacji DNA, tworzą się chromosomy podobne do metafazowych mitozy. Następuje ich ustawienie pośrodku komórki, a wrzeciono kariokinetyczne dokonuje rozdzielenia chromatyd siostrzanych, jak w zwykłej anafazie, jednak nie na znaczne odległości. Prowizorycznie więc zachodzi kariokineza, jednak jest ona niepełna, gdyż odbudowywana jest tylko jedna otoczka jądrowa, zamykająca wewnątrz wszystkie chromosomy. Z uwagi na podobieństwa do poszczególnych faz mitozy w endomitozie wyróżnia się: endoprofazę, endometafazę, endoanafazę oraz endotelofazę. Ta ostatnia wykazuje jednak największą rozbieżność w stosunku do odpowiednika z naturalnego cyklu komórkowego. Cytokineza podczas takiego cyklu nie odbywa się. Ostatecznie, komórka po odbyciu endomitozy posiada zwielokrotnioną liczbę chromosomów, centromerów i jąderek, a jedno jądro komórkowe.

Niepełna replikacja

Niepełną replikację wyróżniono od pozostałych typów endocykli, ponieważ w czasie rund biosyntezy DNA, nie dochodzi do jego pełnego powielenia. Tzn. po odbyciu niepełnej replikacji, jądro komórkowe wykazuje wartości zawsze lekko poniżej pełnej wielokrotności C. Dzieje się tak gydż w trakcie życia komórki oraz całego organizmu roślinnego, z uwagi na warunki, nie wszystkie geny są potrzebne do prawidłowego funkcjonowania. Niepełna replikacja wynika także z pewnych oszczędności. Pozwala ona na zaoszczędzenie materiałów, gdy zezwala na niekopiowanie niekodujących fragmentów DNA. Najczęściej dotyczą one obszarów heterochromatyny. W trakcie kondensacji takiego materiału genetycznego, dochodzi do tworzenia chromosomów fragmentarycznie politenicznych. Niepełna replikacja występuje albo od początku wejścia komórki w endocykle, albo po osiągnięciu przez nią pewnego stopnia ploidalności.

Amplifikacja

Amplifikacja to proces, który służy powielaniu tej części materiału genetycznego, która jest niezbędna roślinie do życia w danych warunkach. Wówczas w niektórych komórkach dochodzi do rund replikacji uwzględniających jedynie niektóre geny, lub rundy replikacji oprócz kopiowania całości materiału, dodatkowo kopiują jeszcze wybrane obszary DNA. Tak więc, badania cytometryczne jąder komórkowych po amplifikacji wykazują wartość C lekko powyżej diploidalności lub endopoliploidalności. Wyniki takie jednak mogą być mylące, bo nie wykluczają trwania replikacji lub innego typu endoreplikacji. Należy więc badania cytometryczne poprzeć metodami molekularnymi i autoradiograficznymi.

Izabela Kołodziejczyk

Źródła:

• 1. Alberts B (1999) Podstawy biologii komórki. PWN, Warszawa

  2. Edgar BA, Orr-Weaver TL (2001) Endoreplication cell cycles: more or less. Cell 105: 297-306

  3. Dan H, Imaseki H, Wasteneys GO, Kazama H (2003) Ethylene stimulates endoreduplication but inhibits cytokinesis in cucumber hypocotyl epidermis. Plant Physiol 133: 1726–1731

  4. Inze D, De Veylder L (2006) Cell cycle regulation in plant development. Annu Rev Genet 40: 77-105

  5. Jabłońska-Trypuć A, Czerpak R (2009) Cytokininy i ich aktywność biochemiczna w procesach podziałów, starzenia się i apoptozy komórek ludzkich i zwierzęcych. Postępy biologii komórki 36: 135-174

  6. Joubes J, Chevalier C (2000) Endoreduplication in higher plants. Plant Mol Biol 43: 735-745

  7. Kaźmierczak A (2003) Induction of cell division and cell expansion at the beginning of gibberellin A3-induced precocious antheridia formation in Anemia phyllitidis gametophytes. Plant Sci 165: 933–939

  8. Kaźmierczak A (2004) Aminooxyacetic acid inhibits antheridiogenesis and development of Anemia phyllitidis gametophytes. Plant Cell Rep 23: 203-210

  9. Kaźmierczak A (2010) Endoreplication in Anemia phillitidis coincides with the development of gametophytes and male sex. Physiol Plant 138: 321-328

  10. Kondorosi E, Roudier F, Gendreau E (2000) Plant cell-size control: Growing by ploidy? Curr Opin Plant Biol 3: 488-492

  11. Kwiatkowska M, Popłońska K, Kaźmierczak A, Stępiński D, Rogala K, Polewczyk K (2007) Role of DNA endoreduplication, lipotubuloids, and gibberellic acid in epidermal cell growth during fruit development of Ornithogalum umbellatum. J Exp Bot 58: 2023-2031

  12. Kwiatkowska M, Wojtczak A, Popłońska K (1998) Effect of GA₃ treatment on the number of spermatozoids and endopolyploidy levels of non-generative cells in antheridia of Chara vulgaris L. Plant Cell Physiol. 39: 1388-1390

  13. Małuszyńska J, Szweykowska-Kulińska Z (2007) Działanie genomu komórki. W: Wojtaszek P, Woźny A, Ratajczak L [red.] Biologia komórki roślinnej. Funkcja. PWN Warszawa, 36-52, 58-59

  14. Olszewska M, Małuszyńska J (1999) Badania genomu jądrowego. W: Rogalska S, Małuszyńska J, Olszewska M. Podstawy cytogenetyki rośłin. PWN Warszawa, 33-37

  15. Rogala K, Kwiatkowska M, Popłońska K (2008) DNA level in guard cells nuclei of Ornithogalum umbellatum ovary is 2C-4C. Acta Soc Bot Pol 77: 207-211

  16. Rogalska S (1999) Zmienność liczby chromosomów i układów chromosomowych. W: Rogalska S, Małuszyńska J, Olszewska M. Podstawy cytogenetyki roślin. PWN Warszawa, 153-173

  17. Rogalska S (2005), Małuszyńska J, Olszewska M. Podstawy cytogenetyki roślin. PWN Warszawa

  18. Rosiak M, Polit JT, Maszewski J (2002) Effects of 6-dimethylaminopurine, 2-aminopurine, olomoucine and sodium vanadate on DNA endoreduplication in primary roots of Pisum sativum. Biol Plant 45: 2005-211

  19. Rosiak M, Polit J, Maszewski J (2002) Staurosporine and vanadate can induce additional endo-S phases during cell differentiation in primary roots of Pisum sativum. Plant Sci 163: 889-895

  20. Sawicki J (1998) Cykl komórkowy. W: Kawiak J, Mirecka J, Olszewska M, Warchoł J. Podstawy cytofizjologii. PWN Warszawa, 339-352

  21. Stępiński D (2003) Effect of chilling on DNA endoreplication in root cortex cells and root hairs of soybean seedlings. Biol Plant 47: 333-339

  22. Traas J, Hulskamp M, Gendreau E, Hofte H (1998) Endoreduplication and development: rule without dividing. Curr Opin Plant Biol 1: 498-503

  23. Tretyn A (2002) Podstawy strukturalno-funkcjonalne komórki roślinnej oraz Mechanizmy wzrostu i rozwoju. W: Kopcewicz J, Lewak S [red.] Fizjologia roślin. PWN Warszawa, 67-87