Первый клеточный цикл
Верите ли вы, что жизнь начинается с момента зачатия или нет, жизнь каждого из нас началась на стадии пронуклеуса, когда две смертные клетки соединились и перешли в континуум бессмертия человека как вида. В развитии человека есть много критических этапов, но первый клеточный цикл выделяется своей значимостью, тем более, что мы углубляемся в наших знаниях о нем. В этой краткой статье я расскажу о трех наиболее важных событиях первого клеточного цикла и о том, как на них может повлиять практикующий эмбриолог сейчас и в будущем.
Во-первых, во время естественного оплодотворения развитие приводится в движение ионными волнами кальция, вызванными фактором в сперматозоиде (1), скорее всего, PLC zeta (2). Первоначально он расположен в головке сперматозоида и впоследствии мигрирует в пронуклеус. Экспериментальные данные свидетельствуют о том, что полноценное развитие возможно также после партеногенетической активации (3). Эти исследования и, в частности, работа Озлила (4) четко демонстрируют, что продолжительность и амплитуда кальциевых колебаний влияет на развитие эмбриона после имплантации. С другой стороны, из клинического опыта обмена донорскими яйцеклетками мы узнали, что на эмбриональное развитие влияет оплодотворяющий сперматозоид. Следовательно, вполне вероятно, что даже если активация сама по себе является феноменом «все или ничего», количество PLC Zeta, переносимое данной сперматозоидной клеткой, могло влиять на продолжительность и амплитуду колебаний. Таким образом это производит эффект, аналогичный тому, который наблюдался в экспериментах Озила. Точно так же, как интрацитоплазматическая инъекция сперматозоидов оказалась более эффективной, чем естественное оплодотворение. Однажды мы можем обнаружить, что искусственная активация более эффективна и позволяет лучше контролировать процесс активации, чем естественная активация.
Второе важное событие связано с теломерами. Накапливаются доказательства важности длины теломер для продолжительности жизни, вероятности рака и продолжительности репродуктивной жизни. Поскольку было хорошо установлено, что длина теломер укорачивается с каждым клеточным циклом из-за неспособности теломеразы реплицироваться в направлении 5′-3 ‘(5). Очевидно, что в какой-то момент во время размножения длина теломер должна быть восстановлена. Однако до недавнего времени этап и механизм этой реставрации оставались полной загадкой. Эта загадка была решена только в 2007 году. Оказалось, что длина теломер резко увеличивается на стадии пронуклеусов по теломеразно-независимому механизму за счет обмена сестринскими хроматидами (6). Это единственная возможность изменить длину теломер за всю жизнь человека. Возможно, лучшее понимание того, как восстанавливается длина теломер, может позволить нам продлить и улучшить продолжительность жизни. Только практикующий эмбриолог сможет сделать это. Кроме того, мы должны понимать, что мы, возможно, уже неосознанно влияем на этот процесс. Нам придется подождать еще несколько десятилетий, чтобы увидеть, влияют ли наши вмешательства in vitro на продолжительность жизни.
Восстановление повреждений ДНК – третье критическое событие, происходящее во время первого клеточного цикла. К моменту оплодотворения обе гаметы, особенно ооцит, накопили некоторые повреждения. Особую озабоченность вызывает повреждение ДНК побочными продуктами окислительного фосфорилирования, которое может приводить к возникновению до 1 миллиона индивидуальных молекулярных повреждений в день. Данные показывают, что в ооците теломерная область хромосом особенно уязвима, что приводит к хромосомным нерасхождениям, большинство из которых происходит во время мейоза I (7). В сперме не было четко продемонстрировано региональное предпочтение хромосомных повреждений. В то время как есть неопровержимые доказательства того, что сперматозоиды накапливают очень значительные повреждения своей ДНК, особенно в случаях с аномальными параметрами сперматозоидов. В отличие от ооцита, сперматозоид практически не имеет механизма восстановления повреждений ДНК.
Таким образом, одна из важнейших задач первого клеточного цикла – восстановить ДНК обеих гамет. Требования к точности для этого ремонта намного выше, чем для любой другой клетки, поскольку она будет служить шаблоном для всех других клеток. Репаративный синтез ДНК должен предшествовать репликации ДНК. Если повреждение было обширным, это может увеличить продолжительность первого клеточного цикла. В любой другой клетке это увеличение не имеет большого значения из-за контрольной точки, которая предотвращает преждевременную активацию киназы p34, которая не начинает фосфорилирование гистонов до репликации ДНК. Однако во время первого клеточного цикла деление не так тесно связано с хромосомной репликацией, как в любой другой клетке. Фактически, эксперименты показывают, что энуклеированная зигота претерпевает клеточное деление, хотя и неорганизованное, примерно в то время, когда это обычно происходит. Кроме того, эксперимент с окадаиновой кислотой (ОА) ясно продемонстрировал разъединение между завершением репликации ДНК и разрушением ядерной оболочки (8).
Точный механизм этого неизвестен. Одна из гипотез утверждает, что ОА специфически активирует киназу H1. Хотя более правдоподобно, что она просто дает преимущество киназе H1, устраняя уравновешивающее влияние фосфатазы. Однако каким бы ни был механизм, примечательно, что он только заставляет зиготу преждевременно конденсироваться с хромосомами, но не влияет на двухклеточные или какие-либо более поздние эмбрионы. Эти и другие наблюдения предполагают, что нормальный прогресс первого клеточного цикла зависит от общего баланса фосфорилирования / дефосфорилирования. Его изменение в ту или иную сторону замедлит или ускорит его темп. Одним из факторов, оказывающих сильное влияние на этот баланс, является pH культуральной среды. На него, в свою очередь, влияет концентрация CO2, специфичная для каждой культуральной среды. Следовательно, изменение pH дает нам уникальную возможность контролировать первый клеточный цикл множеством способов. Помимо клеточного цикла, это, вероятно, также влияет на метилирование ДНК, ответственное за импринтинг гена. Оно, как недавно было показано, может сильно различаться между эмбрионами, созданными in vitro и in vivo (9). Значение этого следует понять в будущем. Таким образом, с момента оплодотворения наше будущее существование определяется эпигенетическим давлением, которое принимает самые разные формы. Таким образом, практикующие эмбриологи в значительной степени несут ответственность за создание прочного фундамента для будущего человека, который может родиться в результате их усилий.