生物学 第2版 — 第10章 細胞増殖 —
Japanese translation of “Biology 2e”
OpenStax のサイトで公開されている教科書“ Biology 2e”の翻訳です。こちらのページから各章へ移動できます。
10 | 細胞増殖
この章の概要
10.1:細胞分裂
10.2:細胞周期
10.3:細胞周期の制御
10.4:がんと細胞周期
10.5:原核細胞の分裂
はじめに
人間は、あらゆる有性生殖生物と同様に、受精卵(胚)または接合子として生命を始めます。その後に、私たちの種では、何兆もの細胞からなる複雑な多細胞の人間を作り上げるために、何十億もの細胞分裂が制御された方法で起こらなければなりません。したがって、元の単細胞接合子は文字通り体内のすべての細胞の先祖です。しかしながら、ひとたび人間が完全に成長したとしても、組織の修復と再生、そして時には私たちの体の大きさを増やすために、細胞の増殖は依然として必要です。事実、すべての多細胞生物は、成長および細胞や組織の維持や修復のために細胞分裂を利用しています。細胞分裂は厳密に調節されており、そして時折起きるこの調節の失敗は生命を脅かす結果をもたらす可能性があります。単細胞生物はまた、それらの生殖方法として細胞分裂を使用することもあります。
10.1 | 細胞分裂
この節が終わるまでに、あなたは次のことができるようになります:
•原核生物と真核生物のゲノムの構造を記述する
•染色体、遺伝子、および形質を区別する
•染色体凝縮のメカニズムを記述する
ある細胞から別の細胞への生命の連続性は、細胞周期の方法による細胞の増殖にその基礎を持っています。細胞周期とは、単一の親細胞の分裂から2つの新しい遺伝的に同一の娘細胞の産生までの細胞の生命の段階を表すような一連の秩序だった出来事のことです。
ゲノムDNA
細胞がそのDNAを複製し分裂させるために取らなければならないステップを議論する前に、細胞の遺伝情報の構造と機能のより深い理解が必要です。二本鎖DNA分子としてパッケージされた細胞のDNAはそのゲノムと呼ばれます。原核生物では、ゲノムは輪(ループ)または円(サークル)の形をした単一の二本鎖DNA分子で構成されています(図10.2)。この遺伝物質を含む細胞内の領域は、核様体と呼ばれます。原核生物の中には、通常の増殖に必須ではないプラスミドと呼ばれる小さなDNAの輪を持つものもあります。細菌はこれらのプラスミドを他の細菌と交換することができ、時には受け手が自身の染色体DNAに付加することができる有益な新しい遺伝子を受け取ることがあります。抗生物質耐性は、耐性の提供者から受容細胞へのプラスミド交換を介して細菌コロニーにわたってしばしば広がることのある形質の1つです。
真核生物では、ゲノムはいくつかの二本鎖線状DNA分子からなります(図10.3)。真核生物のそれぞれの種は、その細胞の核に特徴的な数の染色体を持っています。人間の体の細胞(体細胞)には46個の染色体があり、人間の配偶子(精子または卵子)にはそれぞれ23個の染色体があります。典型的な体細胞は、2つの一致したまたは相同の染色体のセット(それぞれの生物学的親から1つのセット)を含みます — 二倍体として知られる構成です。(注:文字nは、1セットの染色体を表すために使用されます。したがって、二倍体生物は2nと記述されます。)1セットの染色体を含む人間の細胞は配偶子、または性細胞と呼ばれます。これらは卵子と精子であり、1nまたは一倍体と呼ばれます。
受精時に、それぞれの配偶子は一組の染色体を与え、相同(「同じ知識」)染色体と呼ばれる一致した対の染色体を含む二倍体細胞を作り出します。相同染色体は同一の長さであり、正確に同じ位置(または遺伝子座)に遺伝子と呼ばれる特定のヌクレオチド部分を有します。染色体の機能単位である遺伝子は、特定のタンパク質をコードすることによって特定の特性を決定します。形質とはそれらの特性のバリエーションです。たとえば、髪の毛の色は、金色、茶色、または黒色や、その間にある多くの色といった形質の特性があります。
染色体の相同対のそれぞれのコピーは別々の親に由来するものです。したがって、異なる遺伝子(対立遺伝子)自体は、「髪の色」などの同じ形質をコードしてはいますが、同一ではありません。ある種内の個体のバリエーションは、両親から受け継がれた遺伝子の特定の組み合わせによるものです。遺伝子内のわずかに改変されたヌクレオチド配列でさえも、代替的な形質をもたらすことがあります。たとえば、血液型をコードする人間の染色体には3つの可能な遺伝子配列があります:配列A、配列B、および配列Oです。すべての二倍体人間細胞は血液型を決定する染色体の2つのコピーを持っているため、血液型(形質)は受け継いだマーカー遺伝子の2つの対立遺伝子によって決定されます。両方の相同染色体上に同じ遺伝子配列の2つのコピーをそれぞれに1つずつ(たとえば、AA、BB、またはOO)有することも、または2つの異なる配列(たとえばAB、AO、またはBO)を有することもあります。
血液型、目の色、利き手などの見た目上は小さな形質のバリエーションは、1つの種の中に見られる自然なバリエーションの一因となっていますが、たとえそれらが小さなように見えたとしても、これらの形質は未だ知られていない他の形質の発現と関連しているかもしれません。しかしながら、もし人間の相同染色体の任意の対からの全DNA配列を比較したとすると、その差は1%よりはるかに小さいです。性染色体XとYは、相同染色体の均一性の規則に対する唯一の例外です。配偶子を正確に作り出すのに必要な少量の相同性を除いて、XとYの染色体に見られる遺伝子は異なります。
真核生物の染色体の構造と凝縮
もし人間の細胞核にある46個の染色体すべてからのDNAを端と端をつなぎ合わせて伸ばした場合、それは約2メートルの長さになるでしょう。しかしながら、その直径はわずか2nmです!典型的な人間の細胞のサイズが約10μmであることを考慮すると(10万個の細胞を並べると1メートルになります)、DNAは細胞の核に収まるためには密に詰め込まれなければなりません。同時に、それはまた遺伝子が発現されるために容易にアクセス可能でなければなりません。このため、細胞周期の特定の段階でDNAの長いストランドはコンパクトな染色体に凝縮されます。染色体を凝縮する方法はいくつかあります。
凝縮の最初のレベルでは、DNA二重らせんの短い部分が、染色体の全長にわたって規則的な間隔で8つのヒストンタンパク質のコアに巻き付きます(図10.4)。DNA-ヒストン複合体はクロマチンと呼ばれます。ビーズ状のヒストンDNA複合体はヌクレオソームと呼ばれ、そしてヌクレオソームを連結するDNAはリンカーDNAと呼ばれます。この形態のDNA分子は、ヒストンを含まない二重らせんの約7分の1の長さとなり、ビーズは、直径が2nmのDNA二重らせんとは対照的に、直径が約10nmとなります。
2番目のレベルの凝縮は、ヌクレオソームとそれらの間のリンカーDNAがコイル状の30nmのクロマチン線維になるときに発生します。このコイル巻きは染色体をさらに凝縮させるので、染色体は伸ばした時の約50分の1の長さとなります。
3番目のレベルの凝縮では、さまざまな線維状タンパク質を使用して「クロマチンを詰め込みます」。これらの線維状タンパク質はまた、非分裂細胞のそれぞれの染色体が他の染色体と重ならないような核の特定の領域を占めるようにさせます(図10.3の上の画像を参照)。
DNAは、間期のS期で複製します。間期とは、厳密にいえば有糸分裂の一部ではないものの、常にそれに先行していなければならないものです。複製後には、染色体は2つの連結した姉妹染色分体からなります。完全に凝縮されると、同じように詰め込まれた染色体の対はコヒーシンタンパク質によって互いに結合されます。姉妹染色分体間の接続はセントロメアと呼ばれる領域で最も近くなります。直径約1μmの結合した姉妹染色分体は光学顕微鏡下で見ることができます。セントロメア領域は高度に凝縮されており、したがって狭窄した領域として現れます。
学習へのリンク
このアニメーションは、染色体の詰め込みのさまざまなレベルを示しています。(http://cnx.org/content/m66477/1.3/#eip-id1165802978636)
10.2 | 細胞周期
この節が終わるまでに、あなたは次のことができるようになります:
•間期の3つの段階について記述する
•カリオキネシス(核分裂)/有糸分裂中の染色体の振る舞いについて議論する
•細胞質分裂時に細胞質の内容物がどのように分かれるかを説明する
•静止しているG₀期を定義する
細胞周期とは、2つの新しい娘細胞を産生する、細胞成長と細胞分裂を含む順序立った一連の事象です。細胞分裂への道筋にある細胞は、最終的に2つの同一の(クローン)細胞を産生するような、正確にタイミングがとれており注意深く調節された増殖、DNA複製、および核分裂と細胞質分裂という一連の段階を進みます。細胞周期には、間期と有糸分裂期という2つの主要な期があります(図10.5)。間期では、細胞は成長し、DNAが複製されます。有糸分裂期では、複製されたDNAおよび細胞質の内容物は分離され、そして細胞の細胞質は典型的には細胞質分裂と呼ばれる細胞周期の第3の過程によって分割されます。しかしながら私たちは、細胞質分裂がなくても間期および有糸分裂(カリオキネシス)が起こる可能性があることに注意すべきであり、その場合、複数の核を有する細胞(多核細胞)が作り出されます。
間期
間期の間、細胞は通常の成長過程を経ると同時に細胞分裂の準備をします。細胞が間期から有糸分裂期に移行するためには、多くの内部条件および外部条件が満たされなければなりません。間期の3つの段階は、G₁期、S期、およびG₂期と呼ばれます。
G₁期(第1ギャップ)
間期の最初の段階は、微視的な観点からはほとんど変化が見られないため、G₁期(第1ギャップ)と呼ばれます。しかしながら、G₁期の間に、細胞は生化学的レベルではかなり活発です。細胞は、染色体DNAおよび関連タンパク質の構成要素を蓄積するとともに、核内のそれぞれの染色体を複製するという仕事を完了するのに十分なエネルギー貯蔵を蓄積しています。
S期(DNAの合成)
間期を通して、核DNAは半凝縮クロマチン立体配置のままです。S期では、DNA複製は、セントロメア領域でしっかりと結合しているDNA分子の同一の対(姉妹染色分体)の形成をもたらすようなメカニズムを通じて進行することができます。中心体もまたS期の間に複製されます。相同染色体の2つの中心体は、有糸分裂紡錘体(有糸分裂中の染色体の動きを調整する装置)を生じさせるでしょう。たとえば、それぞれの動物細胞のおおよそ中心にある中心体は、互いに直角に配置された一対の棒状の物体、つまり中心小体と関連しています。中心小体は細胞分裂の組織化を助けます。しかしながら私たちは、中心小体は植物やほとんどの菌類などの他の真核生物の中心体には存在しないことに注意しておくべきです。
G₂期(第2ギャップ)
G₂期では、細胞はそのエネルギー貯蔵を補充し、染色体操作および移動に必要なタンパク質を合成します。いくつかの細胞小器官が複製され、そして細胞骨格は有糸分裂期のための資源を提供するために解体されます。G₂の間にさらなる細胞成長が起こることもあります。有糸分裂期のための最終的な準備は、細胞が有糸分裂の最初の段階に入ることができる前に完了していなければなりません。
有糸分裂期
有糸分裂期は多段階のプロセスであり、その間に複製された染色体が整列され、分離され、そして2つの新しい同一の娘細胞に移動します。有糸分裂期の最初の部分は、カリオキネシス、または核分裂と呼ばれます。つい先ほど見たように、有糸分裂期の2番目の部分(そしてしばしば有糸分裂とは別の、その後のプロセスとして見られるもの)は、細胞質分裂(細胞質の構成要素の2つの娘細胞への物理的分離)と呼ばれます。
学習へのリンク
このサイト(http://openstaxcollege.org/l/Cell_cycle_mito)で有糸分裂の段階をおさらいしてください。
カリオキネシス(有糸分裂)
カリオキネシスは、有糸分裂としても知られていますが、細胞核の分裂をもたらす一連の段階(前期、前中期、中期、後期、終期)に分けられます(図10.6)。
ビジュアルコネクション
有糸分裂の事象の順序として正しいものは次のうちのどれですか?
a.姉妹染色分体が中期板に並ぶ。動原体が有糸分裂紡錘体に結合するようになる。核が再形成し、細胞が分裂する。コヒーシンタンパク質が分解し、姉妹染色分体が分離する。
b.動原体が有糸分裂紡錘体に結合するようになる。コヒーシンタンパク質が分解し、姉妹染色分体が分離する。姉妹染色分体が中期板に並ぶ。核が再形成し、細胞が分裂する。
c.動原体がコヒーシンタンパク質に結合するようになる。姉妹染色分体が中期板に並ぶ。動原体が分解し、姉妹染色分体が分離する。核が再形成し、細胞が分裂する。
d.動原体が有糸分裂紡錘体に結合するようになる。姉妹染色分体が中期板に並ぶ。コヒーシンタンパク質が分解し、姉妹染色分体が分離する。核が再形成し、細胞が分裂する。
前期(「最初の段階」):核膜は小さな小胞に解離し始め、膜状細胞小器官(ゴルジ複合体［ゴルジ装置］や小胞体など)は細胞の周辺に向かって断片化して分散します。核小体も消失し(分散し)、中心体は細胞の反対側の極に移動し始めます。有糸分裂紡錘体を形成することになる微小管は中心体間を引き伸ばし、微小管線維が長くなるにつれて中心体をさらに遠ざけます。姉妹染色分体は、コンデンシンタンパク質の助けを借りてよりきつく巻き付き始め、そして今や光学顕微鏡下で見えるようになります。
前中期(「最初の変化段階」):前期で始まった多くの過程が進み続けます。核膜の残りはさらに断片化し、より多くの微小管がかつての核領域の長さにわたって集まりそして伸びるにつれて、有糸分裂紡錘体は発達し続けます。染色体はさらに凝縮され、離散します。それぞれの姉妹染色分体はセントロメア領域内で動原体と呼ばれるタンパク質構造を発達させます(図10.7)。動原体のタンパク質は有糸分裂紡錘体の微小管を引き寄せて結合します。紡錘体微小管が中心体から伸びるにつれて、これらの微小管のいくつかは動原体と接触し、そして動原体にしっかり結合します。ひとたび有糸分裂線維が染色体に結合すると、染色体は姉妹染色分体の動原体が反対側の極に面するまで方向が合わされます。最終的に、すべての姉妹染色分体は、それらの動原体を介して反対側の極からの微小管に結合します。染色体とつながっていない紡錘体微小管は極微小管と呼ばれます。これらの微小管は、2つの極の間の中間で互いに重なり合い、そして細胞の伸長に寄与します。星状微小管は極の近くに位置し、紡錘体の配向を助け、そして有糸分裂の調節に必要とされます。
中期(「変化段階」):すべての染色体は、細胞の2つの極のほぼ中間にある、中期板(赤道面)と呼ばれる面に並べられます。姉妹染色分体は、依然としてコヒーシンタンパク質によって互いにしっかりと結合しています。このとき、染色体は最大限に凝縮されています。
後期(「上向き段階」):コヒーシンタンパク質は分解し、そして姉妹染色分体は動原体において分離します。いまや単一の染色体と呼ばれるようになったそれぞれの染色分体は、その微小管が結合している中心体に向かって急速に引っ張られます。極微小管が、それらが重なり合っている中期板で互いにスライドするにつれて、細胞は見かけ上細長く(楕円形に)なります。
終期(「間隔段階」):染色体は反対側の極に到達し、脱凝縮し(ほどけ)始め、再び伸張したクロマチン構成へと弛緩します。有糸分裂紡錘体はチューブリンモノマーに解重合され、チューブリンモノマーはそれぞれの娘細胞の細胞骨格成分を組み立てるために使用されます。核膜が染色体の周囲に形成され、そしてヌクレオソームが核領域内に現れます。
細胞質分裂
細胞質分裂、あるいは「細胞運動」は、時に有糸分裂期の第2の主要な段階と見られています。この時に、細胞質の構成要素が2つの娘細胞へ物理的に分離されることによって細胞分裂が完了します。しかしながら、私たちが以前に見たように、細胞質分裂は有糸分裂後に起こるかもしれないし起こらないかもしれない別々の段階として見ることもできます。もし細胞質分裂が起こるならば、細胞分裂は、細胞の構成要素が配分されて2つの娘細胞に完全に分離されるまでは完了しません。有糸分裂の段階は大部分の真核生物について類似していますが、細胞質分裂の過程は植物細胞のような細胞壁を有する真核生物については全く異なります。
動物細胞では、典型的には細胞質分裂は後期の終盤に始まります。アクチンフィラメントからなる収縮環が、かつての中期板があった原形質膜のすぐ内側に形成されます。アクチンフィラメントは細胞の赤道を内側に引っ張り、割れ目を形成します。この割れ目は分裂溝と呼ばれます。アクチン環が収縮するにつれてこの溝は深くなり、最終的には膜は2つに分裂します(図10.8)。
植物細胞では、娘細胞の間に新しい細胞壁が形成されなければなりません。間期の間、ゴルジ装置は酵素、構造タンパク質、およびグルコース分子を蓄積してから、小胞に侵入して分裂する細胞全体へと分散します。終期の間、これらのゴルジ小胞は微小管上を輸送されて、中期板で隔膜形成体(小胞状の構造)を形成します。そこでは、小胞は中心から細胞壁に向かって融合し合体します。この構造は細胞板と呼ばれます。より多くの小胞が融合するにつれて、細胞板はそれが細胞の周囲で細胞壁と融合するまで拡大します。酵素が膜層間に蓄積したグルコースを使って新しい細胞壁を作ります。ゴルジ膜は、新しい細胞壁の両側の原形質膜の一部になります(図10.8)。
G₀期
全ての細胞が、新しく形成された娘細胞がすぐに間期の準備段階に入り、その後に有糸分裂期と細胞質分裂が続くという標準的な細胞周期パターンに忠実であるわけではありません。G₀期の細胞は分裂する準備を活発にはしていません。その細胞は、細胞が細胞周期を抜け出るときに起こる静止(不活性)段階にあります。いくつかの細胞は、栄養素の利用可能性、または成長因子による刺激などの環境条件のために一時的にG₀に入ります。その細胞は、条件が改善するまで、または外部信号がG₁の開始を誘発するまで、この段階に留まります。成熟した心筋および神経細胞のような、分裂しないか、またはめったに分裂しない他の細胞は、恒久的にG₀に留まります。
科学的方法へのつながり
細胞周期の段階で費やされた時間を決定する
問題:有糸分裂の各段階と比較して、細胞は間期にどのくらいの時間を費やしますか?
背景:コクチマスの胞胚断面の顕微鏡スライドを準備すると、細胞周期のさまざまな段階で細胞が停止していることがわかります。(注:間期の段階を互いに分離することは視覚的に不可能ですが、有糸分裂段階は容易に識別可能です。)100個の細胞を調べれば、識別可能な細胞周期の各段階の細胞の数によって、細胞がその段階を完了するのにかかる時間の推定値が得られるはずです。
問題の記述:間期のすべてに含まれる事象と有糸分裂の各段階で起こる事象を考慮した上で、24時間の細胞周期に基づいて各段階の長さを推定してください。先へ進む前に、あなたの仮説を述べてください。
仮説を検証する:次の手順を実行することによってあなたの仮説を検証してください:
1.固定され染色されたコクチマスの胞胚断面の顕微鏡スライドを、光学顕微鏡の走査対物レンズの下に置きます。
2.顕微鏡の低倍率対物レンズを使用して、切片の一部分を見つけて焦点を合わせます。この切片は、何十もの密集した個々の細胞で構成される円であることに注意してください。
3.中倍率対物レンズに切り替えて、焦点を合わせ直します。この対物レンズでは、個々の細胞ははっきりと見えますが、染色体はまだ非常に小さいでしょう。
4.高倍率対物レンズに切り替えて、スライドをゆっくりと上下左右に動かして、切片内のすべての細胞を確認します(図10.9)。スキャンしていくと、あなたはほとんどの細胞が有糸分裂しておらず、細胞周期の間期にあることがわかるでしょう。
図10.9 | 画像(a)に示されているように高倍率対物レンズでコクチマスの胞胚細胞をゆっくりスキャンして、それらの有糸分裂期を特定します。(b)スキャンした細胞の顕微鏡画像を示しています。(credit “micrograph”: modification of work by Linda Flora; scale-bar data from Matt Russell)
5.それぞれの段階の図面を指針として使用して、細胞周期のさまざまな段階を特定する練習をしてください(図10.6)。
6.あなたが特定について自信を持てたならば、胞胚の切片を上下左右にスキャンするときにあなたが見つけたそれぞれの細胞の段階の記録を開始してください。
7.観察結果を集計して、特定した細胞が100個に到達したら停止します。
8.サンプルサイズ(数えた細胞の総数)が大きいほど、結果はより正確になります。可能であれば、割合を計算して見積もりを行う前に、グループのデータを収集して記録してください。
観察を記録する:表10.1のような表を作り、その中にあなたの観察を記録してください。
データの分析/結果の報告:コクチマスの胞胚細胞が各段階で費やした時間の長さを調べるには、%(10進数として記録)に24時間を掛けてください。データを説明するために表10.2のような表を作ってください。
結論を出す:あなたの結果はあなたの推定時間を支持しましたか?予想外の結果はありましたか?もしそうならば、計算された時間に貢献したかもしれない段階での事象について議論してください。
10.3 | 細胞周期の制御
この節が終わるまでに、あなたは次のことができるようになります:
•細胞周期が細胞の内外両方のメカニズムによってどのように制御されているかを理解する
•3つの内部「コントロールチェックポイント」が、G₁の終わり、G₂/Mへの移行、および中期の間にどのように生じるかを説明する
•正と負の調節を通じて細胞周期を制御する分子を記述する
細胞周期の長さは、単一の生物の細胞内であっても非常に変化しやすいものです。人間において、細胞回転の頻度は、初期胚の発生における数時間から、上皮細胞における平均2～5日、そして皮質ニューロンや心筋細胞のような特殊化された細胞のように人間の生涯の全期間をG₀で費やすものにまで及びます。
細胞が細胞周期の各期に費やす時間にも変動があります。急速に分裂する哺乳動物の細胞が培養によって(体外の最適な増殖条件下で)増殖されるとき、細胞周期の長さはおよそ24時間です。24時間の細胞周期で急速に分裂する人間の細胞では、G₁期は約9時間続き、S期は10時間続き、G₂期は約4時間半続き、そしてM期は約30分続きます。それと比べて、ミバエの受精卵(および初期胚)では、細胞周期は約8分で完了します。これは、受精卵の核が有糸分裂によって何度も分裂するが、多くの細胞核は細胞膜の周辺に沿って位置するために多核「接合子」が生成されるまで細胞質分裂が行われることはなく、そのため細胞分裂周期の時間が短縮されるからです。「無脊椎動物」および「脊椎動物」の両方の細胞周期における事象のタイミングは、細胞の内部および外部の両方のメカニズムによって制御されます。
外部事象による細胞周期の調節
細胞分裂の開始と抑制の両方は、細胞が複製プロセスを開始しようとしているときに細胞の外部の事象によって引き起こされます。その事象は、近くの細胞の死のように単純な場合もあれば、ヒト成長ホルモン(HGHまたはhGH)などの成長促進ホルモンの放出のように広範囲にわたる場合もあります。HGHが不足すると細胞分裂が阻害され、小人症が起こります。一方、HGHが多すぎると巨人症が起こります。細胞の密集もまた細胞分裂を阻害することがあります。対照的に、細胞分裂を開始することができる要因は、細胞のサイズです:細胞が成長するにつれて、細胞はその減少した表面対体積比のために生理学的に非効率になります。この問題の解決策は分割することです。
メッセージの発信元が何であれ、細胞はシグナルを受け取り、細胞内の一連の事象によって、細胞は間期に進むことができます。この開始点から先に進むときには、細胞周期の各期の間に必要とされるすべてのパラメータが満たされなければならず、そうでなければ周期は進行することができません。
内部チェックポイントでの調節
作り出される娘細胞は親細胞の正確な複製物であることが不可欠です。染色体の重複または分配の誤りによって、異常な細胞からその後に作り出されるすべての新しい細胞に引き継がれる可能性のある突然変異が引き起こされます。異常な細胞が分裂し続けるのを防ぐために、細胞周期の3つの主要なチェックポイントで機能する内部制御メカニズムがあります。チェックポイントとは、条件が良好になるまで細胞が周期の次の段階へ行くのを停止するような、真核細胞の周期におけるいくつかのポイントの1つです。これらのチェックポイントは、G₁の終わり近く、G₂/M移行時、および中期の間に生じます(図10.10)。
G₁チェックポイント
G₁チェックポイントは、細胞分裂が進行するために全ての条件が良好かどうかを決定します。G₁チェックポイント(酵母では制限ポイントとも呼ばれます)は、細胞が細胞分裂プロセスを不可逆的に始める点です。成長因子などの外的な影響は、細胞がG₁チェックポイントを通過する上で大きな役割を果たします。十分な貯蔵物および細胞サイズのチェックに加えて、G₁チェックポイントではゲノムDNA損傷についてのチェックがあります。すべての要件を満たしていない細胞は、S期に進むことが許可されません。細胞は、周期を停止して問題のある条件を改善しようと試みることができます。あるいは細胞は状態が改善したときにG₀に進んでさらなるシグナルを待つことができます。
G₂チェックポイント
もし特定の条件が満たされない場合、G₂チェックポイントは有糸分裂期への進入を阻止します。G₁チェックポイントのときと同様に、細胞サイズおよびタンパク質貯蔵量が評価されます。しかしながら、G₂チェックポイントの最も重要な役割は、すべての染色体が複製されていること、および複製されたDNAが損傷を受けていないことを確認することです。もしこのチェックポイントのメカニズムがDNAの問題を検出したならば、細胞周期は停止し、細胞はDNA複製を完了しようとするか損傷したDNAを修復しようとします。
Mチェックポイント
Mチェックポイントは、カリオキネシスの中期の段階の終わり近くで生じます。Mチェックポイントはまた、紡錘体チェックポイントとも呼ばれます。なぜなら、そこでは、すべての姉妹染色分体が紡錘体微小管に正しく結合しているかどうかを判断するためです。後期における姉妹染色分体の分離は不可逆的な段階であるため、姉妹染色分体の各対の動原体が、細胞の反対側の極から生じる少なくとも2本の紡錘糸にしっかりと固定されるまで周期は進行しません。
学習へのリンク
細胞周期のアニメーションを見るために、このウェブサイト(http://openstaxcollege.org/l/cell_checkpnts)にアクセスしてG₁、G₂、およびMチェックポイントで何が起こるかを見てください。
細胞周期の調節分子
内部的に制御されたチェックポイントに加えて、細胞周期を調節する細胞内分子の2つのグループがあります。これらの調節分子は、細胞の次の段階への進行を促進するか(正の調節)、または周期を止めます(負の調節)。調節分子は個別に作用することもありますし、あるいはそれらは他の調節タンパク質の活性または産生に影響を及ぼすこともあります。したがって、特に複数のメカニズムが同じ事象を制御している場合、単一の調節因子の失敗は細胞周期にほとんど影響を及ぼさない可能性があります。しかしながら、不十分なまたは機能していない調節因子の効果は広範囲に及ぶことがあり、そして複数のプロセスが影響を受ける場合には、おそらく細胞にとって致命的になり得ます。
細胞周期の正の調節
サイクリンおよびサイクリン依存性キナーゼ(Cdk)と呼ばれる2つのグループのタンパク質は、正の調節因子と呼ばれています。それらはさまざまなチェックポイントを通る細胞の進行を担っています。4つのサイクリンタンパク質のレベルは、予測可能なパターンで細胞周期を通じて変動します(図10.11)。サイクリンタンパク質の濃度の増加は、外部シグナルと内部シグナルの両方によって引き起こされます。細胞が細胞周期の次の段階に移動した後、下の図10.11に示されるように、前の段階で活性だったサイクリンは細胞質酵素によって分解されます。
サイクリンは、それらがCdkに強く結合している場合にのみ細胞周期を調節します。また、Cdk/サイクリン複合体が完全に活性であるためには、複合体を活性化するために特定の位置でリン酸化されていなければなりません。すべてのキナーゼと同様に、Cdkは次に他のタンパク質をリン酸化するような酵素(キナーゼ)です。リン酸化は、タンパク質の形状を変えることによってタンパク質を活性化します。Cdkによってリン酸化されたタンパク質は、細胞を次の段階に進めるのに関与しています(図10.12)。Cdkタンパク質のレベルは細胞周期を通じて比較的安定しています。しかしながら、サイクリンの濃度は変動し、いつCdk/サイクリン複合体が形成されるかを決定します。異なるサイクリンおよびCdkは細胞周期の特定の時点で結合し、したがって異なるチェックポイントを調節します。
サイクリンレベルの周期的な変動は主に細胞周期のタイミングに基づいており、特定の事象には基づいていないため、細胞周期の調節は通常、Cdk分子単独またはCdk/サイクリン複合体のいずれかによって起こります。完全に活性化されたサイクリン/Cdk複合体の特定の濃度がなければ、細胞周期はチェックポイントを通過して進むことができません。
サイクリンは細胞周期の前向きの勢いを決定する主要な調節分子ですが、正ではなく負の効果でもって周期の進行を微調整する他のいくつかのメカニズムがあります。これらのメカニズムは、問題のある状況が解消されるまで細胞周期の進行を本質的に阻止します。Cdkの完全な活性化を妨げる分子はCdk阻害剤と呼ばれます。これらの阻害剤分子の多くは、特定の細胞周期の事象を直接的または間接的に監視します。阻害剤分子によってCdkに与えられた歯止めは、阻害剤がモニターする特定の事象が完了するまで除去されることはありません。
細胞周期の負の調節
細胞周期の調節分子の第2のグループは、細胞周期を停止させる負の調節因子です。正の調節では、活性分子がサイクルを進行させるということを思い出しておいてください。
最もよく理解されている負の調節分子は、網膜芽細胞腫タンパク質(Rb)、p53、およびp21です。網膜芽細胞腫タンパク質は、多くの細胞において一般的な一群の腫瘍抑制タンパク質です。ここで注意しなければならないのは、53と21という記号はキロダルトンで表したタンパク質(p)の機能的分子量を指しているということです(ダルトンは原子質量単位に等しく、これは1つの陽子または1つの中性子または1g/molに等しいです)。細胞周期調節について知られていることの多くは、調節の制御を失った細胞を用いて行われた研究から来ています。これら3つの調節タンパク質の全てが、制御不能な形で複製し始めた(すなわち、がん性になった)細胞において損傷を受けているかまたは機能していないことが発見されました。いずれの場合も、細胞周期のチェックされない進行の主な原因は、調節タンパク質の誤った複製でした。
Rb、p53、およびp21は、主にG₁チェックポイントで作用します。p53は、細胞の分裂の実行に大きな影響を与える多機能タンパク質です。なぜなら、それはG₁の間に準備プロセスを行っている細胞内に損傷を受けたDNAがあるときに作用するからです。もし損傷したDNAが検出された場合、p53は細胞周期を停止させてからDNAを修復するために特定の酵素を補充します。もしDNAを修復できない場合、p53はアポトーシス(細胞の自殺)を引き起こし、損傷を受けた染色体の複製を防ぐことができます。p53レベルが上昇するにつれて、p21の産生が引き起こされます。p21は、Cdk/サイクリン複合体に結合してその活性を阻害することにより、p53がつかさどる周期の停止を強化します。細胞がより多くのストレスにさらされると、より高いレベルのp53およびp21が蓄積し、細胞がS期に移行する可能性が低くなります。
主として細胞サイズを監視するRbは、他の正の調節タンパク質に対してその調節的な影響を及ぼします。脱リン酸化された活性な状態では、Rbは転写因子と呼ばれるタンパク質(最も一般的にはE2F)に結合します(図10.13)。転写因子は特定の遺伝子を「オン」にし、その遺伝子によってコードされるタンパク質の産生を可能にします。RbがE2Fに結合すると、G₁/S移行に必要なタンパク質の産生が阻止されます。細胞のサイズが大きくなるにつれて、Rbは不活性化されるまでゆっくりとリン酸化されます。RbはE2Fを手放し、それが今度は遷移タンパク質を生産する遺伝子をオンにすることができ、そしてこの特定の歯止めが取り除かれます。細胞が各チェックポイントを通過するには、すべての正の調節因子が「オン」にされ、すべての負の調節因子が「オフ」にされていなければなりません。
ビジュアルコネクション
細胞周期を負に調節するRbおよび他のタンパク質は、時に腫瘍抑制因子と呼ばれます。なぜこれらのタンパク質に腫瘍抑制因子という名前が適しているのだと思いますか?
10.4 | がんと細胞周期
この節が終わるまでに、あなたは次のことができるようになります:
•がんがどのようにして制御されない細胞増殖によって引き起こされるかを記述する
•がん原遺伝子が、変異したときにがん遺伝子になる正常細胞の遺伝子であることを理解する
•腫瘍抑制因子がどのように機能するかを記述する
•突然変異した腫瘍抑制因子がどのようにしてがんを引き起こすかを説明する
がんは、共通のメカニズム、すなわち制御されない細胞増殖によって引き起こされる多くの異なる疾患を含みます。細胞周期の制御の冗長性および重複するレベルにもかかわらず、誤りは生じます。細胞周期チェックポイントの監督メカニズムによって監視される重要なプロセスの1つは、S期の間におけるDNAの適切な複製です。たとえすべての細胞周期の制御が完全に機能していたとしても、わずかな割合の複製エラー(突然変異)が娘細胞に伝わります。もしDNAヌクレオチド配列への変化が遺伝子のコード部分内で起こり、そして修正されない場合、遺伝子の突然変異が生じます。細胞複製において重要な役割を果たすタンパク質が遺伝子の突然変異によって誤ったものとなるときに、すべてのがんが始まります。
奇形タンパク質に起因する細胞の変化は小さいものかもしれません。それはもしかしたら、Cdkのサイクリンへの結合におけるわずかな遅れや、または、まだリン酸化されている間にその標的DNAから離れてしまうRbタンパク質かもしれません。しかしながら、軽微なエラーであっても、その後の間違いが起こりやすくなる可能性があります。何度も繰り返されるうちに、修正されない小さなエラーが親細胞から娘細胞に受け継がれていき、それぞれの世代が修正されないDNA損傷からより多くの非機能的タンパク質を生成するにつれてその修正されない小さなエラーは増幅されます。結果として、制御および修復機構の有効性が低下するにつれて、細胞周期のペースは加速します。変異細胞の制御されない増殖は、その領域の正常細胞の増殖を上回り、そして腫瘍(「-腫」)が生じることになります。
がん原遺伝子
細胞周期の正の調節因子をコードする遺伝子はがん原遺伝子と呼ばれます。がん原遺伝子は、特定の方法で変異するとがん遺伝子(細胞をがん性にする遺伝子)となる正常な遺伝子です。最近獲得したがん遺伝子を持つ細胞の細胞周期に何が起きるかを考えてみましょう。ほとんどの場合、DNA配列の改変は機能性の低い(または機能しない)タンパク質をもたらすことになるでしょう。この結果は細胞にとって有害であり、細胞が細胞周期を完了するのを妨げる可能性があります。しかしながら、突然変異は先へ持ち越されることがないので、生物は害を受けません。もし細胞が複製できないのならば、突然変異は伝播されず、損傷は最小にとどめられます。しかしながら、時折、遺伝子突然変異は、正の調節因子の活性を増加させるような変化を引き起こします。たとえば、Cdkがサイクリンと組み合わさることなしに活性化することを可能にするような突然変異は、必要な条件の全てが満たされる前に、細胞周期がチェックポイントを超えるように押し出すことになります。もし結果として生じる娘細胞が、さらなる細胞分裂を受けるにはあまりにも損傷を受けているならば、この突然変異は伝播されず、そしてその生物には害は生じないでしょう。しかしながら、もし正常でない娘細胞がさらなる細胞分裂をすることができる場合、その後の世代の細胞はさらに多くの変異を蓄積する可能性があり、その一部はおそらく細胞周期を調節する付加遺伝子に蓄積されます。
上記の例のCdk遺伝子は、がん原遺伝子と見なされる多くの遺伝子のうちの1つにすぎません。細胞周期の調節タンパク質に加えて、周期に影響を与えるどのようなタンパク質でも、細胞周期チェックポイントを無効にするような方法で変更されることがあります。がん遺伝子とは、変化したときに細胞周期の進行速度の増加をもたらす任意の遺伝子のことです。
腫瘍抑制遺伝子
がん原遺伝子と同様に、多くの負の細胞周期調節タンパク質ががんになった細胞で発見されました。腫瘍抑制遺伝子は、負の調節タンパク質、すなわち活性化されたときに細胞が制御されない分裂をするのを防ぐことができるタイプの調節因子をコードするDNAのセグメントです。最もよく理解されている腫瘍抑制遺伝子タンパク質(Rb、p53、およびp21)の集合的機能は、特定の事象が完了するまで細胞周期が進行しないように障害を設けることです。負の調節因子の変異型を持つ細胞は、問題があるときに細胞周期を止めることができないかもしれません。腫瘍抑制因子は、車両のブレーキに似ています。ブレーキの機能不全は、自動車事故につながる可能性があります!
変異したp53遺伝子は、人間のすべての腫瘍細胞のうち50%以上で特定されています。この発見は、p53タンパク質がG₁チェックポイントで複数の役割を果たすことに照らしてみれば、驚くようなことではありません。不完全なp53を持つ細胞は、ゲノムDNAに存在するエラーを検出することができないかもしれません(図10.14)。部分的に機能することができるp53が変異を同定したとしても、それはもはや必要なDNA修復酵素にシグナルを送ることができないかもしれません。いずれにせよ、損傷したDNAは修正されないままになります。この時点で、機能することができるp53であればその細胞のことを救出不可能とみなし、プログラムされた細胞死(アポトーシス)を引き起こします。しかしながら、がん細胞に見られるp53の損傷したバージョンは、アポトーシスを引き起こすことができません。
ビジュアルコネクション
ヒトパピローマウイルスは子宮頸がんを引き起こすことがあります。このウイルスは、p53に結合するタンパク質であるE6をコードしています。この事実とあなたがp53について知っていることに基づいて、あなたはE6結合がp53活性にどのような影響を与えると考えますか?
a.E6はp53を活性化する
b.E6はp53を不活性化する
c.E6はp53を変異させる
d.E6結合はp53を分解するためのマークを付ける
p53機能の喪失は細胞周期に他の影響を与えます。変異したp53は、p21産生を引き起こす能力を失う可能性があります。適切なレベルのp21がなければ、Cdk活性化に対する効果的な歯止めはありません。本質的に、完全に機能的なp53がないと、G₁チェックポイントはひどく損なわれ、細胞は内部条件および外部条件にかかわらずG₁からSへ直接進みます。この短縮された細胞周期の完了時に、変異したp53遺伝子を受け継いだ2つの娘細胞が生み出されます。親細胞が増殖する際に条件が最適ではなかったことを考慮すると、娘細胞は、欠陥のある腫瘍抑制遺伝子に加えて他の突然変異も獲得していると思われます。これらの娘細胞のような細胞は、がん遺伝子と機能しない腫瘍抑制遺伝子の両方を急速に蓄積します。繰り返しますが、その結果は腫瘍の成長です。
学習へのリンク
どのようにして細胞周期のエラーからがんが発生するのかについてのアニメーションをご覧ください。 (http://cnx.org/content/m66480/1.3/#eip-id1169995709332)
10.5 | 原核細胞の分裂
この節が終わるまでに、あなたは次のことができるようになります:
•原核生物における二分裂のプロセスを記述する
•FtsZとチューブリンタンパク質がどのようにして相同性の例となるのかを説明する
細菌などの原核生物は、二分裂によって娘細胞を生み出します。単細胞生物にとって、細胞分裂は新しい個体を作り出す唯一の方法です。原核細胞および真核細胞の両方において、細胞増殖の結果は、親細胞と遺伝的に同一である一対の娘細胞です。単細胞生物では、娘細胞は個体となります。
クローンされた子孫という結果を達成するためには、特定のステップが不可欠です。ゲノムDNAは複製してから娘細胞に割り当てられなければなりません。両方の新しい細胞に生命を維持するための細胞機構を与えるために、細胞質の内容物も分けられなければなりません。私たちが細菌の細胞で見てきたように、ゲノムは単一の環状DNA染色体で構成されています。したがって、細胞分裂の過程は単純化されます。カリオキネシスは不要です。なぜなら、真核がなく、したがって複数の染色体の1つのコピーをそれぞれの娘細胞に向かわせる必要がないからです。この種の細胞分裂は二(原核)分裂と呼ばれます。
二分裂
原核生物は比較的単純であるため、その細胞分裂のプロセスは真核生物における細胞分裂よりも複雑ではなく、はるかに速い過程です。この章の冒頭で説明した細胞分裂に関する一般的な情報を振り返ってみて、細菌の単一の環状DNA染色体は細胞内の特定の位置、すなわち核様体領域を占めているということを思い出してください(図10.2)。核様体のDNAは分子をコンパクトなサイズに詰め込むのを助けるタンパク質と結合していますが、原核生物にはヒストンタンパク質は存在せず、従ってヌクレオソームは存在しません。しかしながら、細菌におけるパッキングタンパク質は、真核生物の染色体凝縮に関与するコヒーシンタンパク質およびコンデンシンタンパク質に関連しています。
細菌の染色体は、細胞のほぼ中心点で原形質膜に付着しています。複製の開始点である複製起点は、染色体の原形質膜への結合部位の近くにあります(図10.15)。DNAの複製は双方向性であり、ループの両方の鎖上で複製起点から同時に離れていきます。新しい二本鎖が形成されると、それぞれの複製起点は細胞壁の取り付け部から細胞の反対側の端に向かって移動します。細胞が引き延ばされるにつれて、成長する膜は染色体の輸送を助けます。染色体が細長い細胞の中心点からなくなった後、細胞質の分離が始まります。FtsZ(「フィラメント状温度感受性変異株Z」の略)と呼ばれるタンパク質の繰り返し単位からなる環の形成によって、核様体の間の分離が方向づけられます。FtsZ環の形成は、その部位に新しい膜および細胞壁材料を補充するために一緒に働くような他のタンパク質の蓄積を引き起こします。隔膜が娘核様体の間に形成され、細胞の周辺から中心に向かって徐々に延びていきます。新しい細胞壁が設置されると、娘細胞は分離します。
進化へのつながり
有糸分裂紡錘体装置
有糸分裂紡錘体の正確なタイミングおよび形成は、真核細胞分裂の成功にとって非常に重要です。一方、原核細胞はカリオキネシスを行わないため、有糸分裂紡錘体を必要としません。しかしながら、原核生物の細胞質分裂において必須の役割を果たすFtsZタンパク質は、構造的にも機能的にも、真核生物の核分裂に必要とされる有糸分裂紡錘糸を構成する微小管の構成単位であるチューブリンと非常によく似ています。チューブリンが微小管、中心小体、およびさまざまな細胞骨格の構成要素を形成する方法に似た方法で、FtsZタンパク質は、フィラメント、環、および他の三次元構造を形成することができます。さらに、FtsZとチューブリンはどちらも同じエネルギー源、GTP(グアノシン三リン酸)を使用して、複雑な構造を迅速に組み立て、分解します。
FtsZとチューブリンは共通の進化起源に由来する相同構造であると考えられています。この例では、FtsZはチューブリンに対する祖先タンパク質(進化的に派生するタンパク質)です。両方のタンパク質が現存する生物に見つかる一方で、チューブリン機能はその原核生物のFtsZ起源から進化して以来、非常に進化し、多様化してきました。現在の単細胞真核生物に見られる有糸分裂構築の構成要素についての調査は、多細胞真核生物の複雑な膜に包まれたゲノムへの重要な中間段階を明らかにしています(表10.3)。
重要用語
後期:有糸分裂の段階で、姉妹染色分体が互いに分離している間
二分裂:原核細胞の分裂プロセス
細胞周期:細胞がある回の細胞分裂と次の回の細胞分裂との間に通過する順序だった事象の配列
細胞周期:2つの新しい娘細胞を産生する細胞成長および細胞分裂を含む一連の順序だった事象
細胞板:植物細胞の細胞質分裂中にゴルジ小胞によって形成され、一時的な構造(隔膜形成体)を形成し、中期板で融合する。最終的に2つの娘細胞を分ける細胞壁の形成へとつながる
細胞周期チェックポイント:真核細胞がさまざまな細胞周期段階を進むための準備を監視するメカニズム
中心小体:それぞれの動物細胞の中心体の中心にある、微小管によって構成された棒状構造
セントロメア:姉妹染色分体が一緒に結合される領域。凝縮染色体のくびれた部分
染色分体:セントロメアで一緒に保持された複製DNAの二本鎖の単一DNA分子および関連タンパク質
分裂溝:動物細胞における細胞質分裂時にアクチン環によって形成され、細胞質分裂を引き起こすようなくびれ
コンデンシン:前期の間に姉妹染色分体がコイル状になるのを助けるタンパク質
サイクリン:重要なタンパク質をリン酸化することによって細胞周期を調節するのを助けるためにサイクリン依存性キナーゼと一緒に作用するタンパク質のグループのうちの1つ。サイクリンの濃度は細胞周期を通して変動する
サイクリン依存性キナーゼ(Cdk):サイクリンに結合したときに細胞周期を調節するのを助けるプロテインキナーゼのグループのうちの1つ。リン酸化によって活性化または不活性化される他のタンパク質をリン酸化するように機能する
細胞質分裂:2つの娘細胞を形成する有糸分裂後の細胞質の分裂
二倍体:2組の染色体(2n)を含む細胞、核、または生物
FtsZ:原核細胞の細胞質分裂に重要な原核細胞の細胞骨格のチューブリン様のタンパク質成分(名前の由来:フィラメント状温度感受性変異株Z(Filamenting temperature-sensitive mutant Z))
G₀期:間期のG₁期とは異なる。G₀の細胞は分裂する準備をしていない
G₁期(または、第1ギャップ):有糸分裂中の細胞成長を中心とした間期の第1期
G₂期(または、第2ギャップ):細胞が有糸分裂のための最終準備をする間期の第3期
配偶子:一倍体生殖細胞または性細胞(精子、花粉粒、または卵子)
遺伝子:遺伝の物理的および機能的単位で、タンパク質をコードするDNAの配列
ゲノム:細胞または生物の全遺伝情報
一倍体:1組の染色体(n)を含む細胞、核、または生物
ヒストン:すべての真核細胞のクロマチンに見られる、いくつかの類似した、高度に保存された、低分子量の塩基性タンパク質の1つ。DNAと結合してヌクレオソームを形成する
相同染色体:遺伝子が同じ位置にある同じ形態の染色体。二倍体生物は、相同染色体(ホモログ)の対を持ち、それぞれのホモログは異なる親に由来する
間期:有糸分裂に至る細胞周期の期間。G₁期、S期、およびG₂期(2つの連続した細胞分裂の間の暫定期間)を含む
カリオキネシス:有糸分裂による核分裂
動原体:前中期の間に紡錘体微小管を引きつけて結合する、各姉妹染色分体のセントロメアに関連するタンパク質構造
遺伝子座:染色体上の遺伝子の位置
中期:染色体が中期板で整列する有糸分裂の段階
中期板:中期の間に染色体が整列するような、細胞の2つの極の間の中間の赤道面
有糸分裂(または、カリオキネシス):複製された染色体がそっくりの核へと分離する細胞周期の期間。前期、前中期、中期、後期、終期を含む
有糸分裂期:複製された染色体が2つの核に分配され、細胞質の内容物が分けられる細胞周期の期間。カリオキネシス(有糸分裂)および細胞質分裂を含む
有糸分裂紡錘体:有糸分裂中の染色体の動きを調整する微小管からなる装置
ヌクレオソーム:ヒストンタンパク質のコアに巻き付けられた短いDNAからなるクロマチンのサブユニット
がん遺伝子:細胞周期の正の調節に関与する正常遺伝子の変異型
複製起点(または、ORI):複製が始まる原核生物の染色体の領域(複製の起点)
p21:細胞周期を阻害する細胞周期の調節タンパク質。そのレベルはp53によって制御される
p53:細胞成長を調節し、そしてDNA損傷を監視する細胞周期の調節タンパク質。DNA損傷の場合には細胞周期の進行を停止させ、アポトーシスを誘発することもある
前中期:核膜が分解し、有糸分裂紡錘糸が動原体に結合する有糸分裂の段階
前期:染色体が凝縮し、有糸分裂紡錘体が形成し始める有糸分裂の段階
がん原遺伝子:変異したときにがん遺伝子になる正常な遺伝子
静止:正常な細胞機能を実行しており、細胞分裂の準備を開始していない細胞を指す
網膜芽細胞腫タンパク質(Rb):転写因子(E2F)と相互作用することにより細胞周期に悪影響を及ぼす調節分子
S期:間期の第2段階、または合成段階であって、その間にDNA複製が起こる
隔膜:細胞が2つの娘細胞へ分離する際の前駆体として細菌細胞で形成される構造
終期:染色体が反対側の極に到達し、脱凝縮し、そして新しい核膜に囲まれている間の有糸分裂の段階
腫瘍抑制遺伝子:細胞が制御されない分裂をするのを防ぐ調節タンパク質をコードするDNAのセグメント
この章のまとめ
10.1 | 細胞分裂
原核生物は二本鎖DNAからなる単一の環状染色体を有するのに対し、真核生物はヒストンの周りに巻き付いたクロマチンからなる複数の線状染色体を有し、それらは全て核膜によって包まれています。人間の体細胞の46個の染色体は、22対の常染色体(一致したペア)および1対の性染色体(一致していることもしていないこともある)から構成されます。これは2nまたは二倍体状態です。人間の配偶子は23の染色体、すなわち1つの完全な染色体のセットを持っています。染色体のセットは、性染色体XまたはYのいずれか1つを伴って完全になります。これは、nまたは一倍体状態です。遺伝子は、特定の機能的分子(タンパク質またはRNA)をコードするDNAのセグメントです。生物の形質はそれぞれの親から受け継がれた遺伝子によって決定されます。複製染色体は2つの姉妹染色分体で構成されています。染色体は、細胞周期の特定の段階でさまざまなメカニズムを使って凝縮されます。いくつかの分類のタンパク質が、染色体DNAの高度に凝縮した構造への組織化および詰め込みに関与しています。凝縮複合体は染色体を凝縮し、そして得られる凝縮構造は有糸分裂の間の染色体分離に必要となります。
10.2 | 細胞周期
細胞周期とは順序だった一連の事象です。細胞分裂への道にある細胞は一連の正確にタイミングがとられ、そして注意深く調整された段階を通って進みます。真核生物では、細胞周期は間期と呼ばれる長い準備期間からなり、その間に染色体が複製されます。間期は、G₁期、S期、およびG₂期に分けられます。有糸分裂期は、カリオキネシス(有糸分裂)から始まり、それは、前期、前中期、中期、後期、および終期の5つの段階からなります。細胞分裂プロセスの最終段階、そして時に有糸分裂期の最終段階と見なされるのが細胞質分裂であり、その間に娘細胞の細胞質の構成要素がアクチン環によって(動物細胞)、または細胞板の形成によって(植物細胞)分離されます。
10.3 | 細胞周期の制御
細胞周期のそれぞれの段階は、チェックポイントと呼ばれる内部制御によって監視されています。細胞周期には3つの主要なチェックポイントがあります。1つ目はG₁の終わり近くにあり、2つ目はG₂/M移行期にあり、そして3つ目は中期の間にあります。正の調節分子は、細胞周期が細胞分裂の次の段階に進むことを可能にします。負の調節分子は細胞の状況を監視し、特定の要件が満たされるまで周期を止めることができます。
10.4 | がんと細胞周期
がんは、細胞周期を調節するメカニズムの崩壊によって引き起こされる、チェックされていない細胞分裂の結果として起こります。制御の喪失は、調節分子のうちの1つをコードする遺伝子のDNA配列の変化から始まります。誤った指示は、本来の機能を果たさないタンパク質へとつながります。監視システムの混乱によって、他の誤りが娘細胞に伝わることが可能になります。連続的な細胞分裂の毎回で、さらに多くの蓄積された損傷を伴う娘細胞が生じるでしょう。最終的には、すべてのチェックポイントが機能しなくなり、急速に増殖する細胞が正常細胞を圧迫し、その結果、腫瘍または白血病(血液のがん)が発生します。
10.5 | 原核細胞の分裂
原核細胞分裂および真核細胞分裂の両方において、ゲノムDNAが複製され、次いでそれぞれのコピーが娘細胞に割り当てられます。さらに、細胞質の内容物は均等に分割され、新しい細胞に分配されます。しかしながら、原核細胞と真核細胞の細胞分裂には多くの違いがあります。細菌は単一の環状DNA染色体を持っていますが、核は持っていません。それゆえ、有糸分裂(カリオキネシス)は細菌の細胞分裂において必要とはされません。細菌の細胞質分裂は、FtsZと呼ばれるタンパク質からなる環によって引き起こされます。細胞の周辺から膜および細胞壁の材料が内側に向かって成長することにより、最終的に娘細胞の別々の細胞壁を構築するような隔膜が形成されます。
ビジュアルコネクション問題
1.図10.6 | 有糸分裂の事象の順序として正しいものは次のうちのどれですか?
a.姉妹染色分体が中期板に並ぶ。動原体が有糸分裂紡錘体に結合するようになる。核が再形成し、細胞が分裂する。コヒーシンタンパク質が分解し、姉妹染色分体が分離する。
b.動原体が有糸分裂紡錘体に結合するようになる。コヒーシンタンパク質が分解し、姉妹染色分体が分離する。姉妹染色分体が中期板に並ぶ。核が再形成し、細胞が分裂する。
c.動原体がコヒーシンタンパク質に結合するようになる。姉妹染色分体が中期板に並ぶ。動原体が分解し、姉妹染色分体が分離する。核が再形成し、細胞が分裂する。
d.動原体が有糸分裂紡錘体に結合するようになる。姉妹染色分体が中期板に並ぶ。コヒーシンタンパク質が分解し、姉妹染色分体が分離する。核が再形成し、細胞が分裂する。
2.図10.13 | 細胞周期を負に調節するRbおよび他のタンパク質は、時に腫瘍抑制因子と呼ばれます。なぜこれらのタンパク質に腫瘍抑制因子という名前が適しているのだと思いますか?
3.図10.14 | ヒトパピローマウイルスは子宮頸がんを引き起こすことがあります。このウイルスは、p53に結合するタンパク質であるE6をコードしています。この事実とあなたがp53について知っていることに基づいて、あなたはE6結合がp53活性にどのような影響を与えると考えますか?
a.E6はp53を活性化する
b.E6はp53を不活性化する
c.E6はp53を変異させる
d.E6結合はp53を分解するためのマークを付ける
レビュー問題
4.二倍体細胞は、一倍体細胞の_______の数の染色体を有します。
a.4分の1
b.半分
c.2倍
d.4倍
5.生物の形質は、受け継いだ_____の特定の組み合わせによって決まります。
a.細胞
b.遺伝子
c.タンパク質
d.染色分体
6.真核細胞におけるDNA構成の最初のレベルは、どの分子によって維持されていますか?
a.コヒーシン
b.コンデンシン
c.クロマチン
d.ヒストン
7.セントロメアでコヒーシンによって一緒に保持されているクロマチンの同一のコピーは_____と呼ばれています。
a.ヒストン
b.ヌクレオソーム
c.クロマチン
d.姉妹染色分体
8.染色体は細胞周期のどの段階で複製されますか?
a.G₁期
b.S期
c.前期
d.前中期
9.次の事象のうち、間期のどこかの段階で発生しないものはどれですか?
a.DNAの複製
b.細胞小器官の複製
c.細胞サイズの増加
d.姉妹染色分体の分離
10.有糸分裂紡錘体はどの細胞構造から生じますか?
a.セントロメア
b.中心体
c.動原体
d.分裂溝
11.動原体への有糸分裂紡錘糸の結合は、有糸分裂のどの段階の特徴ですか?
a.前期
b.前中期
c.中期
d.後期
12.染色体がほどける、および新しい核膜が形成されるのは、有糸分裂のどの段階の特徴ですか?
a.前中期
b.中期
c.後期
d.終期
13.姉妹染色分体の分離は、有糸分裂のどの段階の特徴ですか?
a.前中期
b.中期
c.後期
d.終期
14.染色体が光学顕微鏡の下で見えるようになるのは、有糸分裂のどの段階ですか?
a.前期
b.前中期
c.中期
d.後期
15.分裂中の植物細胞の中期板でのゴルジ小胞の融合によって、どのような構造が形成されますか?
a.細胞板
b.アクチン環
c.分裂溝
d.有糸分裂紡錘体
16.外部の力が最も大きな影響を与えるのはどの細胞周期チェックポイントですか?
a.G₁チェックポイント
b.G₂チェックポイント
c.Mチェックポイント
d.G₀チェックポイント
17.G₂チェックポイントでの許可の主な前提条件は何ですか?
a.細胞が十分なサイズに達した
b.ヌクレオチドの十分な備蓄
c.正確で完全なDNAの複製
d.有糸分裂紡錘糸の動原体への適切な結合
18.もしMチェックポイントが許可されていない場合、有糸分裂のどの段階が阻止されますか?
a.前期
b.前中期
c.中期
d.後期
19.活性化した時に他のタンパク質をリン酸化する正の調節因子となるのは、どのタンパク質ですか?
a.p53
b.網膜芽細胞腫タンパク質(Rb)
c.サイクリン
d.サイクリン依存性キナーゼ(Cdk)
20.どのような種類の細胞の中で、細胞周期の多くの負の調節タンパク質が発見されましたか?
a.配偶子
b.G₀の細胞
c.がん細胞
d.幹細胞
21.もし重要な細胞周期の事象が起こらない場合、どの負の調節分子が細胞の自殺(アポトーシス)を引き起こすことができますか?
a.p53
b.p21
c.網膜芽細胞腫タンパク質(Rb)
d.サイクリン依存性キナーゼ(Cdk)
22.___________とは、タンパク質をコードするDNAのセグメントの中のヌクレオチドの順序の変化のことです。
a.がん原遺伝子
b.腫瘍抑制遺伝子
c.遺伝子変異
d.負の調節因子
23.細胞周期の正の制御因子をコードする遺伝子は、_____と呼ばれます。
a.キナーゼ阻害剤
b.腫瘍抑制遺伝子
c.がん原遺伝子
d.がん遺伝子
24.サイクリンの非存在下で活性となるようなCdkの改変型をコードする変異遺伝子は、_____です。
a.キナーゼ阻害剤
b.腫瘍抑制遺伝子
c.がん原遺伝子
d.がん遺伝子
25.どの分子がp53によって制御されるCdk阻害剤ですか?
a.サイクリン
b.抗キナーゼ
c.Rb
d.p21
26.真核生物の細胞周期の事象のうち、二分裂で欠けているものはどれですか?
a.細胞成長
b.DNA複製
c.カリオキネシス
d.細胞質分裂
27.FtsZタンパク質は、最終的に娘細胞の新しい細胞壁を形成することになる_______の形成を指示します。
a.収縮環
b.細胞板
c.細胞骨格
d.隔膜
クリティカルシンキング問題
28.人間の体細胞と人間の配偶子を比較対照してください。
29.ゲノム、染色体、遺伝子の間の関係は何ですか?
30.真核生物の染色体は典型的な細胞よりも数千倍長いものです。染色体が真核細胞の細胞核の内側にどのように収まるかを説明してください。
31.間期の各段階で起こる事象について簡単に記述してください。
32.ビンクリスチン(マダガスカル固有のニチニチソウという植物に由来します)およびコルヒチン(イヌサフランという植物に由来します)などの化学療法薬は、チューブリン(微小管のサブユニット)への結合および微小管の組み立ておよび分解の妨害によって有糸分裂を混乱させます。正確にはどのような有糸分裂の構造がこれらの薬によって標的とされ、そしてそれが細胞分裂にどのような影響を与えるのでしょうか?
33.動物細胞に見られる細胞質分裂メカニズムと植物細胞に見られる細胞質分裂メカニズムの類似点と相違点を記述してください。
34.細胞質分裂を完了したばかりの細胞が、G₁期ではなくG₀期に入るかもしれないいくつかの理由を列挙してください。
35.変異した(非機能的な)コヒーシンタンパク質を産生する細胞では、どのような細胞周期の事象が影響を受けるでしょうか?
36.3つの主な細胞周期チェックポイントのそれぞれで満たされなければならない一般的な条件を記述してください。
37.細胞周期の正の調節因子と負の調節因子の役割を比較対照してください。
38.Cdkが完全に活性になるためにはどのような段階が必要ですか?
39.Rbは、細胞が必要なサイズに達するまでG₁チェックポイントで細胞周期を止める負の調節因子です。Rbは細胞周期を停止させるためにどのような分子メカニズムを採用していますか?
40.細胞ががん性になるまでの段階の概要を説明してください。
41.がん原遺伝子と腫瘍抑制遺伝子の間の違いを説明してください。
42.欠陥のあるp53を産生している細胞で失われた可能性のある調節メカニズムを列挙してください。
43.特定の細胞周期の事象が失敗した場合、p53はアポトーシスを引き起こすことができます。この調節の結果は、多細胞生物にとってどのように役立つでしょうか?
44.真核細胞分裂と二分裂の共通の要素を挙げてください。
45.複製された細菌の染色体が、どのようにして有糸分裂紡錘体に方向づけられることなく新しい娘細胞に分配されるかを記述してください。
解答のヒント
第10章
1 図10.6 D 動原体が有糸分裂紡錘体に結合するようになる。姉妹染色分体が中期板に並ぶ。コヒーシンタンパク質が分解し、姉妹染色分体が分離する。核が再形成し、細胞が分裂する。3 図10.14 D E6結合はp53を分解するためのマークを付ける。4 C 6 D 8 B 10 B 12 D 14 A 16 A 18 D 20 C 22 C 24 D 26 C 28 人間の体細胞は、46個の染色体、すなわち22個の対と2個の性染色体を有し、性染色体は対を形成してもしなくてもかまいません。これは2nまたは二倍体の状態です。人間の配偶子には23個の染色体があり、23個の染色体はそれぞれ固有であり、そのうちの1つは性染色体です。これがnまたは一倍体の状態です。30 DNA二重らせんは、ヒストンタンパク質の周りに巻き付いて、ヌクレオソームと呼ばれる構造を形成します。ヌクレオソームとその間のリンカーDNAは、コイル状の30nmの繊維へとなります。細胞分裂中、クロマチンはパッキングタンパク質によってさらに凝縮されます。32 有糸分裂紡錘体は微小管から形成されます。微小管はタンパク質のチューブリンのポリマーです。したがって、これらの薬物によって破壊されるのは有糸分裂紡錘体です。機能する有糸分裂紡錘体がなければ、染色体は有糸分裂中に選別または分離されないでしょう。細胞は有糸分裂を停止して死にます。34 多くの細胞は成熟するまで一時的にG₀に入ります。いくつかの細胞は、生物がその特定の細胞型を増加させる必要があるときにのみ、G₁に入るように始動されます。いくつかの細胞は、組織への損傷の後にのみ増殖します。いくつかの細胞は、それらがひとたび成熟すると分裂することはありません。36 G₁チェックポイントは、適切な細胞成長、ゲノムDNAの状態、適切なエネルギー貯蔵量、およびS期のための材料を監視しています。G₂チェックポイントでは、すべての染色体が重複していること、および新しく合成されたDNAに間違いがないことを確認するためにDNAがチェックされます。さらに、細胞のサイズとエネルギー貯蔵量が評価されます。Mチェックポイントは、有糸分裂紡錘糸の動原体への正しい結合を確認します。38 Cdkはサイクリンに結合しなければならず、そしてそれは完全に活性になるためには正しい位置でリン酸化されなければなりません。40 もし調節タンパク質を産生する遺伝子の1つが変異すると、それは奇形の、おそらく非機能的な細胞周期の調節因子を産生し、より多くの突然変異が細胞内で修復されないままになる可能性が高まります。その後の各世代の細胞はより多くの損傷を受けます。細胞周期は、機能するチェックポイントタンパク質の喪失の結果としてスピードが上がることがあります。細胞は自己破壊する能力を失い、最終的には「不死化」する可能性があります。42 失われる可能性のある調節メカニズムには、ゲノムDNAの品質の監視、修復酵素の補充、アポトーシスの引き金が含まれます。44 真核細胞の分裂と二分裂の共通の要素はDNAの複製、複製された染色体の分離、そして細胞質の内容物の分割です。
この訳文は元の本のCreative Commons BY 4.0ライセンスに従って同ライセンスにて公開します。 問題がありましたら、可能な限り早く対応いたしますので、ご連絡ください。また、誤訳・不適切な表現等ありましたらご指摘ください。この本は、https://openstax.org/details/books/biology-2e で無料でダウンロードできます。
