Размеры клеток: Форма и размеры клетки

Размеры клеточных структур | Cell Biology.ru

Введение

Размеры клеток и клеточных структур

В обычной жизни мы не привыкли рассматривать объекты малых размеров, и представить и сопоставить относительные размеры клеток и субклеточных структур бывает довольно сложно. В таблице ниже представлены размеры различных клеток, органел, вирусов и биохимических молекул. В правом столбце таблицы представлены размеры, для того чтобы было удобно сравнивать между собой различные структуры в привычном нам масштабе. В таком увеличении 1 мкм будет равен 10 см, и довольно крупная эукариотическая клетка будет размером с ваш письменный стол, а все органеллы и молекулы можно легко сравнивать, если мысленно расположить их на этом столе.

структура	размеры	визуализация
дрожжевая клетка	5 мкм	50 см
ооцит сельдевой акулы	22 см (самая большая клетка)
ооцит морского ежа	100 мкм	10 м
ооцит мыши	50 мкм	5 м
эукариотич. клетка	15-20 мкм	1.5×2 м
ПМ	5-7 нм	0,5-0,7 нм
ПМ с белками	12,5-18,5 нм	1,5 мм
актиновая нить	5-9 нм	0,5-0,9 мм
микротрубочка	25 нм	2,5 мм
промежуточный филамент	10 нм	1 мм
ядро	10 мкм	1м
ядерная пора	15 нм (30 нм по снимку)	1,5-3 мм
раст. м-у м-нами в ядре	9 нм (60 нм по снимку)	0,9-3 мм
яд. ламина (~ пром. фил.)	30 нм	3 мм
хлоропласт	5-10×2-4 мкм	20-40 см
жгутик d	250 нм	2,5 см
рибосомы	20-(200?) нм	2 мм
митохондрия	1,6×0,8 мкм	1,6×0,8 мкм
лизосомы	0,2-2 мкм	2-20 см
пероксисомы	0,4-0,5 мкм	4-5 см
центриоль	500×200 нм	5×2 см
ШЭР d	20-50 нм	2-5 мм
ГЭР цистерны	50-100 нм	5-10 мм
диски АГ (всего 3-12 шт) d	0,2-0,5 мкм	2-5 см
капли триглицеридов	0,2-5 мкм	2-50 см
гранулы гликогена	10-40 нм	1-4 мм
ДНК d	2 нм	0,2 мм
ДНК в нуклеосоме	11 нм, 30 нм	1,1-3 мм
интерфазная хромосома	Занимает все ядро
митотическая хромосома	2×5 мкм	20×50см
полная длина ДНК (чел)	1.088.000 мкм (1 м)	108800 м
длина в нуклеосоме	11нм, 30нм; x6, x40;	18000, 2720 м
длина в 22 хромосоме		1632 м
длина в 22 х. в нуклеосоме		40, 8 м
коллаген фибрилла	50 нм	5 мм
коллаген-1 тройная спираль	1,5 нм	0,15 мм
белки	2-10 нм (средн ~5 нм)	0,2-1 мм
E.coli	1×3 мкм	10×30 см
клеточн стенка E.coli	18-19 нм	1,8-1,9 мм
Mycoplasma (самая мал кл)	0.33 мкм	33 мм
флагеллин – жгутик бакт.	10-20 нм	1-2 мм
poliovirus	45 нм	4,5 мм
SV40	70 нм	7 мм
ВТМ	20×200 нм	2×20 мм
сахара, акты, нуклеотиды	0,5-1 нм	0,1 мм

Ограничение размеров клетки

1. Необходимое для жизнедеятельности количество макромолекул
2. С увеличением объемов клетки скорости химических реакций ограничиваются скоростью диффузии молекул.
3. Оптимальное соотношение S/V. При увеличении размеров клеток объем возрастает гораздо быстрее, чем площадь поверхности, что приводит к резкому уменьшению числа молекул питательных веществ на единицу объема, проникших в клетку за единицу времени. Существование диффузионных ограничений объясняет, почему эукариотические клетки крупнее, чем прокариотические: цитоплазма эукариотических клеток разделена мембранами на компартменты в значительной мере для того, чтобы облегчить возможность быстрых взаимодействий между молекулами.
Растительные клетки крупнее животных, во-первых, из-за присутствия крупной центральной вакуоли, которая сама является довольно химически инертным компартментом, тогда как объем цитоплазмы растительной клетки относительно невелик, и, во-вторых, из-за осуществления циклоза — активного движения цитоплазмы, снижающего диффузионные ограничения.

Особые случаи большого размера клеток наблюдаются когда клетка не осуществляет активные химические превращения, а служит просто как резервуар для запасания и хранения веществ – яйцеклетки, клетки мякоти плодов.
Увеличение размеров клеток благодаря многократному повторению внутренних элементов клеточной структуры. Например, многоядерность увеличивает концентрацию молекул информационных РНК в цитоплазме и позволяет многоядерным клеткам быть крупнее одноядерных, поскольку снижает ограничения, связанные с диффузией РНК из ядра.
Повторения внутренних структурных элементов часто приводят к увеличению длины клеток при сохранении их микроскопического диаметра (например, у животных мышечные клетки длиной до нескольких см, нервные клетки с отростками длиной до 1 м, а у растений клетки флоэмы длиной до 5 мм).

Соотношение объемов клеточных структур (гепатоцит)

Структура	% объёма	число
цитозоль митохондрии цистерны ШЭР цистерны ГЭР ядро пероксисомы лизосомы	54 22 9 6 6 1 1	1 1700 много много 1 400 300

Отличие прокариот и эукариот

	ПРОКАРИОТЫ	ЭУКАРИОТЫ
размеры клеток	мелкие клетки	крупные клетки
форма	одноклеточные или нитчатые	одноклеточные, нитчатые или многоклеточные
ядро	нет ядра, нет ядрышка	имеется ядро и ядрышки
генетич материал	кольцевая ДНК, нет хромосом, нет гистонов	ДНК линейная, есть хромосомы, есть гистоны
синтез белка	70S рибосомы	80S рибосомы
органеллы	нет органелл с двойной м-ной	имеются хлоропласты, митохондрии, ядро
	внутренние м-ны встречаются редко	АГ, лизосомы, вакуоли, микротельца, ЭПР
клеточная стенка	жесткая клеточная стенка из полисахаридов и акт основной компонент – муреин	у растений кл. стенка – целлюлоза у грибов кл. стенка — хитин
жгутики	жгутики простые из флагеллина, не окружены м-ной	сложные жгутики типа 9+2 окружены м-ной
дыхание	дыхание происходит в мезосомах	аэробное дыхание происходит в митохондриях
фотосинтез	хлоропластов нет, происходит в м-нах не имеющих специальной упаковки	в хлоропластах, содержащих специальные м-ны уложенные в ламеллы и граны
фиксация азота	некоторые обладают такой способностью	ни один организм не способен

к прокариотам относятся цианеи, актиномицеты, все бактерии, микоплазмы,
риккетсии и вирусы

Отличие животных, растений и грибов

РАСТЕНИЯ	ЖИВОТНЫЕ	ГРИБЫ
автотрофное питание	гетеротрофное питание
неподвижные	подвижные
раздражимость гормонами и нервной системой	регуляция только гормонами
рост в определенных участках — меристемах	рост всего тела
высокое отношение V/S	низкое отношение V/S
есть клеточная стенка	нет клеточной стенки
нет центриолей	есть центриоли
образ клеточная пластинка	образуется перетяжка
постоянно существующие крупные вакуоли	мелкие непостоянные вакуоли
имеются хлоропласты, содержащие хлорофилл	хлоропласты отсутствуют
запасной полисахарид — крахмалл	запасной полисахарид – гликоген

Список дифференцированных клеток человека

клеток в человеке ~10¹⁴.

Ороговевающие эпителиальные клетки
кератиноцит эпидермиса (= диф. эпидермальная клетка)
базальная клетка эпидермиса (стволовая)
кератиноцит ногтей
базальная клетка ногтевого ложа (стволовая)
клетки стержня волоса
клетка мозгового в-ва
клетка коркового в-ва
кутикулярная клетка
клетки корневого влагалища волоса
кутикулярная
слоя Гексли
слоя Генле
наружная
клетка волосяной матрицы (стволовая)
Клетка влажных многослойных барьерных эпителиев
поверхностная эпителиальная кл. многослойного чашуйчатого эпителия языка, ротовой полости, пищевода, анального отверстия, дистальной части уретры, влагалища
Базальная клетка тех же видов эпителия (стволовая)
Клетка наружного эпителия роговицы
Клетка эпителия мочевыводящих путей (выстилающего моч. пузырь и др.)
Эпителиальная клетка с экзокринной ф-цией

клетки слюнной железы
слизистая клетка (секрет богат полисахаридами)
белковая клетка (секрет богат гликопротеиновыми ф-тами)
клетки железы фон Эбнера в языке (сек-т для промывания вкусовых почек)
клетка молочной железы секретирующая молоко
к-ка слезной железы, секретирующая слезы
Клетки секретирующие гормоны
клетки передней доли гипофиза, выделяющие
гормон роста

фолликулостимулирующий гормон
лютеинизирующий гормон
адренокортикотропный гормон
тиреотропный гормон
к-ка промежуточной доли гипофиза, выделяющая меланоцитстимулир. г.
к-ки задней доли гипофиза, выделяющие
окситоцин
вазопрессин
клетки желудочно-кишечного тракта, секретирующие
серотонин
эндорфин
соматостатин
гастрин
секретин
холецистокинин
инсулин
глюкагон
клетки щитовидной железы, секретирующие
тиреоидный гормон
кальцитонин
клетки паращитовидной железы
секретирующие паратгормон
оксифильные клетки (ф-ция неизвестна)
клетки надпочечников, секретирующие
адреналин
норадреналин
стероидные гормоны
минералокортикоиды
глюкокортикоиды
клетки половых желез, секретирующие
тестостерон (клетки Лейдига в семенниках)
эстроген (клетки theca interna яйцевого фолликула в яичниках)

прогестерон (клетки желтого тела)
клетки юкстагломерулярного аппарата почки
юкстагломерулярные клетки (секретируют ренин)
клетки macula densa
периполярные клетки
мезангиальные клетки
Эпителиальные всасывающие клетки жкт, экзокринных желез и мочеполовых путей
клетка со щеточной каемкой из микроворсинок (в тонком кишечнике)
исчерченная клетка протока экзокринной железы
эпителиальная клетка желчного пузыря
клетка со щеточной каемкой в проксимальном почечном канальце
клетки дистального почечного канальца
безресничная клетка семевыносящего протока
клетки эпидермиса
главная клетка
базальная клетка
Клетки ответственные за процессы метаболизма и накопление резервных материалов
гепатоцит (печеночная клетка)
жировые клетки
клетка белого жира
клетка бурого жира
липоцит печени
Эпителиальные клетки, с барьерной ф-цией – выстилающие легкие, кишечник, экзокринные железы и мочеполовой тракт
пневмоциты типа I (выстилающие воздушную полость легкого)
клетка протока поджелудочной железы (центроацинарная клетка)неисчерченная к-ка протока потовой железы, слюнной , молочной ж. и др.
париетальная клетка почечного клубочка
подоцит почечного клубочка
клетка тонкой части петли Генле (в почках)
клетка собирательной трубочки (в почках)
клетки протока семенного пузырька, предстательной железы и т.д.
Эпителиальные клетки, выстилающие замкнутые внутренние полости
клетки эндотелия кровеносных и лимфотических сосудов
фенестрированная
непрерывная
селезеночная
синовиальные клетки (выстилающие суставные полости и секретирующие главным образом гиалуроновую к-ту
серозные клетки
чешуйчатые клетки, выстилающие перилимфотическое пр-во уха
клетки, выстилающие эндолимфотическое пр-во уха
чешуйчатая клетка
столбчатая клетка эндолимфотического мешочка
с микроворсинками
без микроворсинок
темная клетка
клетка вестибулярной м-ны (напоминает кл-ку сосудистого сплетения)
базальная клетка сосудистой полоски (stria vascularis)
маргинальная клетка сосудистой полоски
клетка Клаудиуса
клетка Бётчера
клетка сосудистого сплетения (сек-ющая цереброспинальную жидкость)
чешуйчатая клетка мягкой и паутинной об-к
клетки ресничного эпителия глаза
пигментированные
непигментированные
«эндотелиальная» клетка роговицы
Ресничные клетки
клетки дыхательных путей
клетки яйцевода и эндометрия (у женщин)
клетки (rete testis) и семевыносящего протока (у мужчин)
эпиндимальные клетки, выстилающие полости мозга
Клетки, секретирующие внеклеточное вещество эпителиальные
амелобласты (секретируют зубную эмаль)
клетки planum semilunatum
вестибулярного аппарата (сек-т протеогликан)
интердентальные клетки кортиева органа (сек-т в-во текториальной м-ны, лежащей над волосковыми клетками этого органа)
неэпителиальные (соединительнотканные)
фибробласты (рыхлой соединительной ткани, роговицы, сухожилий, ретикулярной ткани костного мозга)
перицит кровеносного капилляра
клетка nucleus pulposus межпозвоночного диска
цементобласт (цементоцит) (сектетирует цемент корня зуба)
одонтобласт (одонтоцит) (секретирует дентин зуба)
хондроциты
гиалинового хряща
волокнистого хрящаэластичного хрящаостеобласт (остеоцит)
первичная остеогенная клетка (стволовая клетка остеобластов)
гиалоцит стекловидного тела глаза
звездчатая клетка перилимфатического пространства уха
Сократимые клетки
клетки скелетных мышц
красные (медленные)
белые (быстрые)
промежуточные
мышечное
веретено с ядерной сумкой
мышечное веретено с ядерной цепочкой
клетки-сателлиты (стволовые клетки)
клетки сердечной мышцы
обычные
узловые (пейсмейкерные)
волокна Пуркинье
клетки гладких мышц (разные)
миоэпителиальные клетки
радужной оболочки
экзокринных желез
Клетки крови и иммунной системы
эритроцит
мегакариоцит
макрофаги
моноцит
макрофаги соединительной ткани (разные)
клетка Лангерганса (в эпидермисе)
остеокласт (в кости)
дендритная клетка (в лимфоидных тканях)
микроглиальная клетка (в цнс)
нейтрофил
эозинофил
базофил
тучная клетка
Т-лимфоциты
т-хелпер
т-супрессор
т-киллер
В-лимфоциты
IgM
IgG
IgA
IgE
клетка-киллер
стволовые клетки крови и иммунной системы (разные)
Сенсорные клетки
фоторецепторы
палочки
колбочки
чувствительные к синему
чувствительные к зеленому
чувствительные к красные
слуховые рецепторные клетки
внутренние волосковые клетки кортиева органа
наружные волосковые клетки кортиева органа
рецепторы ускорения и силы тяжести
волосковые клетки вестибулярного аппарата
тип I
тип II
вкусовые рецепторные клетки
клетки вкусовой луковицы, тип II
обонятельные рецепторные клетки
обонятельный нейрон
базальная клетка обонятельного эпителия (стволовая)
рецепторы pH крови
клетки каротидного тельца
тип I
тип II
осязательные рецепторные клетки
клетка Меркеля в эпидермисе
первичные осязательные нейроны (разные)
терморецепторные клетки
первичные терморецепторные нейроны
чувствительные к холоду
чувствительные к теплу
болевые рецепторы
первичные нейроны, чувствительные к боли (разные)
рецепторы положения
и напряжения в скелетно-мышечной сис-ме
первичные проприоцептивные нейроны (разные)
Вегетативные нейроны
холинэргические (разные)
адренэргические (разные)
пептидэргические (разные)
Опорные клетки органов чувств и периферических нейронов
Опорные клетки кортиева органа
внутренняя столбчатая клетка
наружная столбчатая клетка
внутренняя фаланговая клетка
наружная фаланговая клетка
пограничная клетка
клетка Генсена
опорная клетка вестибулярного аппарата
опорная клетка вкусовой почки (клетка вкусовой почки, тип I)
опорная клетка обонятельного эпителия
шванновская клетка
клетка сателлит (инкапсулирующая тела периферических нейронов)
глиальная клетка кишечника
Нейроны глиальных клеток
нейроны (много плохоклассифицированных типов)
глиальные клетки
астроциты (разные)
олигодендроцит
Клетка хрусталика
эпителиальная клетка передней части хрусталика
волокно хрусталика (клетка, содержащая кристаллины)
Пигментные клетки
меланоцит
эпителиальная кл-ка пигментного слоя сетчатки
Половые клетки
ооцит
сперматоцит
сперматогония (стволовая клетка сперматозоидов)
Питающие клетки
клетка овариального фолликула
клетка Сертоли (в семеннике), эпителиальная клетка тимуса
(Альбертс, 1994)

Как правильно подобрать клетку для собаки?

Нам часто задают вопрос, как правильно подобрать клетку для собаки. Поэтому ниже мы приведем свои рекомендации по выбору клетки, а также советы производителя.

В первую очередь, клетка должна быть достаточно просторной, чтобы собака могла в ней свободно сидеть, не пригибаясь и не задевая потолок головой, лежать, растянувшись в полный рост, и без проблем сменить позу, развернуться. Иными словами, в клетке собака должна чувствовать себя комфортно.

Во-вторых, клетка должна быть прочной и надежной, чтобы собака не могла погнуть решетку и выбраться из нее без Вашей помощи. Мы предлагаем только качественные американские клетки Midwest, изготовленные из прочной стали.

Но какой бы хорошей не была клетка, ее все равно нужно подбирать исходя из веса, размера, породы, возраста и темперамента собаки. Правильно выбранная клетка не только станет Вашим надежным помощник, но и уютным уголком для Вашего питомца.

Ниже приведены рекомендации производителя по выбору клетки Midwest. Подробнее о моделях клеток Вы можете прочитать в статье.

Выбираем размер клетки по весу собаки

Вес собаки	Размер клетки (д*ш*в)	Модели клеток
менее 5 кг	56 см*33 см*41 см	Клетка Midwest Life Stage, 2 двери
6-11 кг	61 см*38 см*48 см (iCrate), 63 см*45 см*50 см (Contour)	Клетка Midwest iCrate, 1 дверь Клетка Midwest iCrate, 2 двери Клетка Midwest Contour, 2 двери
12-18 кг	76 см*48 см*53 см (iCrate, Contour), 76 см*53 см*61 см (Life Stage), 78 см*50 см*54 см (Life Stage A.C.E.), 79 см*49 см*54,6 см (Ovation Crate)	Клетка Midwest iCrate, 1 дверь Клетка Midwest iCrate, 2 двери Клетка Midwest Contour, 2 двери Клетка Midwest Life Stage, 2 двери Клетка Midwest Life Stage A.C.E., 2 двери Клетка Midwest Ovation Crate, 1 дверь
19-30 кг	91 см*58 см*63 см (iCrate), 91 см*58 см*64 см (Contour), 91 см*61 см*69 см (Life Stage), 93 см*57 см*62 см (Midwest Life Stage A.C.E), 94,6 см*58,4 см*63,5 см (Ovation Crate)	Клетка Midwest iCrate, 1 дверь Клетка Midwest iCrate, 2 двери Клетка Midwest Contour, 2 двери Клетка Midwest Life Stage, 2 двери Клетка Midwest Life Stage A.C.E., 2 двери Клетка Midwest Ovation Crate, 1 дверь
31-40 кг	106 см*71 см*76 см (iCrate), 107 см*71 см*79 см (Life Stage, Contour), 109 см*74 см*77 см (Midwest Life Stage A.C.E), 111 см*73,6 см*77,4 см (Ovation Crate)	Клетка Midwest iCrate, 1 дверь Клетка Midwest iCrate, 2 двери Клетка Midwest Life Stage, 2 двери Клетка Midwest Contour, 2 двери Клетка Midwest Life Stage A.C.E., 2 двери Клетка Midwest Ovation Crate, 1 дверь
41-50 кг	122 см*76 см*84 см (iCrate, Life Stage, Contour), 123 см*78 см*81 см (Midwest Life Stage A.C.E)	Клетка Midwest iCrate, 1 дверь Клетка Midwest iCrate, 2 двери Клетка Midwest Life Stage, 2 двери Клетка Midwest Contour, 2 двери Клетка Midwest Life Stage A.C.E., 2 двери
более 50 кг	137 см*94 см*114 см	Клетка Midwest Grate Ginormus, 2 двери

Обращаем Ваше внимание, что размеры клеток, приведенные в данной статье, носят информационный характер и могут быть изменены производителем без уведомления.

Выбираем клетку по породе собаки

56 см*33 см*41 см

Американский той фокстерьер, английский той терьер, аффенпинчер, бельгийский гриффон, волпино итальяно, мальтийская болонка, той-терьер, той пудель, фален, цветная болонка, чихуахуа, йоркширский терьер, японский хин.

61 см*38 см*48 см

Австралийский терьер, бишон-фризе, бордер терьер, бостон-терьер, брюссельский гриффон, китайская хохлатая, фокстерьер, джек рассел терьер, японский хин, мальтезе, манчестер терьер, миниатюрная такса, миниатюрный пудель, папийон, померанский шпиц, шелковистый терьер, тибетский терьеров, той фокстерьер.

76 см*48 см*53 см

Американский водный спаниель, австралийский терьер, басенджи, бишон-фризе, бордер терьер, бостон-терьер, брюссельский гриффон, керн терьер, китайская хохлатая, такса, фокстерьер, французский бульдог, джек рассел терьер, японский хин, кинг чарльз спаниель, лхаса апсо, манчестер терьер, миниатюрная такса, миниатюрный пинчер, миниатюрный пудель, карликовый шнауцер, пекинес, померанский шпиц, шотландский терьер, шелти, той фокстерьер, вест хайленд терьер.

91 см*58 см*63 см

Американский эскимосский, американский питбультерьер, американский стаффордширский терьер, австралийская пастушья собака, бассет-хаунд, бигль, бретань спаниель, бультерьер, бульдог, китайский шар-пей, кокер-спаниель, английский сеттер, английский спрингер-спаниель, финский шпиц, кеесхонд, керри-блю-терьер, португальская водяная собака, корги, уиппет.

106 см*71 см*76 см

Эрдельтерьер, австралийская овчарка, бородатая колли, бельгийские малинуа, бельгийские овчарки, бордер-колли, боксер, чау-чау, далматин, золотистый ретривер, ирландский сеттер, ирландский водный спаниель, лабрадор ретривер, родезийский риджбек, салюки, пудель, цвергшнауцер.

122 см*76 см*84 см

Аляскинский маламут, анатолийская овчарка, бернский зенненхунд, бувье, бриар, бульмастиф, колли, доберман, бордоский дог, немецкая овчарка, ризеншнауцер, сеттер , грейхаунд, комондор, ротвейлер, самоед, сибирская хаски, веймаранер.

137 см*94 см*114 см

Сенбернар, дог, ирландский волкодав, неаполитанский мастиф, ньюфаундленд, шотландская борзая.

Данные примеры носят рекомендательный характер и могут быть скорректированы в зависимости от Ваших потребностей и индивидуальных особенностей Вашей собаки.

Например, если Вы планируете использовать клетку в квартире, то можно купить ее на размер или даже на два больше рекомендуемого, чтобы у питомца было больше пространства для игр и отдыха. Если же Вы планируете использовать клетку для перевозки, то лучше брать ее «размер в размер», чтобы собаку не бросало из стороны в сторону на кочках.

Для щенка мы всегда советуем брать клетку на вырост, поскольку когда питомец вырастет, клетка может пригодиться во многих жизненных ситуациях, таких как ремонт, переезд, неожиданные гости с маленькими детьми и т.д.

Для содержания нескольких щенков отличным вариантом станет профессиональная клетка для заводчиков Midwest Select Puppy Playpen.

Какой бы размер и модель клетки Вы не выбрали, мы уверены, что Вы и Ваш питомец оцените удобство и превосходное качество американских клеток для собак Midwest.

Размеры клеток для кроликов — Животноводство — Смолдача

Всех, кто желает заниматься кролиководством интересуют размеры клеток для кроликов? Какие должны быть клетки по материалу и внутреннему обустройству? Прежде чем сооружать для животных клетки, нужно знать особенности разведения кролов. Одна из биологических особенностей кроликов состоит в том, что они отличаются повышенным потреблением кислорода. В то же время, кролики плохо переносят жару, воздействие прямых солнечных лучей, но относительно легко справляются с холодом, что позволяет их содержать на открытом воздухе.

Следует помнить, что кролики очень боятся сквозняков и сырости!

Как разместить клетки кроликов

Клетки необходимо размещать так, чтобы избегать постоянного воздействия на животных солнца. Чаще фасадом клетки ставят на запад или восток. Стационарные клетки размещают на столбах, врытых на глубину 0,6-0,8 м в землю. Если клетки переносные, то их ставят на деревянных козлах или на подставке.

Одноярусные клетки устанавливают на уровне 70-80 см от земли. Клетки должны быть свободными, чтобы кролики могли передвигаться в них.

Размеры клеток для кроликов. Оборудование.

Размеры одноместных индивидуальных клеток для взрослых кроликов примерно следующие:

• длина 100-125,
• ширина (глубина) 60-70,
• высота передней стенки 55-60,
• высота задней стенки — 40-45 см.

Если кролики живой массой 5 кг и более, размеры клеток должны быть несколько больше: длина 130-150, ширина (глубина) 70, высота передней стенки 55-60, высота задней стенки 40-45 см.

Для отсаженного молодняка в основном применяют групповые клетки. В такой клетке можно содержать одновременно 8-20 животных.

В индивидуальных клетках содержат 3-5 животных в возрасте от 1 до 3 месяцев и по 2-3 кролика старше 3 месяцев.

Сетку к дверкам и яслям крепят с внутренней стороны рамы, чтобы кролики не грызли каркас клетки. Пол желательно делать сетчатым (размер ячеек 16×48 мм, толщина проволоки 1,6-1,8 мм). Сетчатые полы предохраняют кроликов от заболеваний их кокцидиозом и другими инфекционными и паразитарными заболеваниями.

Возможны и некоторые отступления от рекомендуемых размеров, но есть минимум снижать который недопустимо:

• площадь на взрослого кролика должна быть не менее 0,5 кв.м,
• высота стенок — не менее 35 см.

При расчете размеров групповых клеток надо исходить из числа крольчат, где надо учитывать, что на каждое животное потребуется не менее 0,15-0,20 кв.м площади пола.

Наружные клетки для кроликов могут быть одно-, двух- и трехярусными. Клетки нижнего яруса должны быть не ниже 35 см над поверхностью земли.
Зимой во время окролов и ухода за подсосными крольчатами пол в гнездовом отделении покрывают соломой слоем до 20 см.

автор: Виктор Мляашко, доктор ветеринарных наук

Размеры клеток для перепелов: оптимальные габариты

Размеры клетки для 10 перепелов и большего количества птиц

Малые размеры клеток для перепелов – один из плюсов для тех, кто решает завести птичек для получения домашнего мяса или яиц. Обыкновенные перепела – это достаточно мелкие, даже миниатюрные птицы, размер (длина) тела которых во взрослом виде в среднем составляет 17–20 см, а вес – до 200 г!

Поэтому и клетки для них маленькие, компактные, их можно располагать не только в сельскохозяйственных постройках, на загородных участках, в дачных поселках или в деревнях, но и на балконе или в коридоре квартиры!

Размеры клетки для 10 перепелов в среднем составляют:

• высота 25–30 см – этого хватает и птице, и хозяину для хорошего обзора и возможности ухаживать за птичками;
• ширина 35 см, глубина 35 см – достаточно, чтобы птицы могли передвигаться, вести активный образ жизни;
• выступающий яйцесборник, в который свежие яйца попадают сразу же после появления – 8–10 см;
• выдвижной поддон с бортиками высотой 3–5 см позволяет легко и быстро убирать помет и сохранять чистоту.

Размеры клетки для 20 перепелов могут оставаться такими же при грамотном многоярусном расположении. Поставив одну клетку на другую или же сразу купив двухэтажную модель, на той же площади можно выращивать в 2 раза больше птиц.

Какие клетки лучше?

Таким же образом на минимальной территории можно расположить до 350 голов в клетках, рассчитанных на 50 птиц каждая. Для этого подойдут клетки высотой до 2 метров, шириной в метр и глубиной в полметра, расположенные вертикально, одна на одной. Это оптимальные размеры клетки для 50 перепелов.

Также следует обратить внимание на материал, из которого изготовлена клетка. Не стоит выбирать деревянные клетки, они часто становятся источником инфекции, рассадником микробов.

Все дело в том, что их невозможно как следует почистить и продезинфицировать. При влажной уборке дерево со временем портится, а также способствует размножению болезнетворных микробов.

Обычные металлические изделия часто поддаются коррозии (понятно, что ржавые клетки – не лучшее место для разведения таких нежных птичек). Поэтому стоит отдать предпочтение оцинкованным клеткам, прочным, гигиеничным и долговечным.

Уточнить размер клетки для 30 перепелов или любого количества птиц, выбрать подходящие аксессуары (поилки, кормушки, лампы) вы можете в компании ООО «ПИК».

Звоните по телефону +7 (926) 716-20-53, мы всегда рады помочь фермерам всей страны!

Какие размеры клеток для перепелов считаются самыми подходящими для комфортного содержания птицы мясных и яичных пород?

«Гибнут тонны клеток». Как полностью обновить организм человека

https://ria.ru/20210220/kletki-1598229587.html

«Гибнут тонны клеток». Как полностью обновить организм человека

«Гибнут тонны клеток». Как полностью обновить организм человека — РИА Новости, 20.02.2021

«Гибнут тонны клеток». Как полностью обновить организм человека

Каждую секунду в организме человека обновляется почти 3,8 миллиона клеток. В день — около 330 миллиардов. С возрастом или из-за болезней эта способность… РИА Новости, 20.02.2021

2021-02-20T08:00

2021-02-20T08:00

2021-02-20T08:12

наука

здоровье

биология

кровь

клетки

днк

/html/head/meta[@name=’og:title’]/@content

/html/head/meta[@name=’og:description’]/@content

https://cdn25.img.ria.ru/images/155159/83/1551598383_0:319:3072:2047_1920x0_80_0_0_ea67ef115b9d82f17c8005e922b28fc0.jpg

МОСКВА, 20 фев — РИА Новости, Альфия Еникеева. Каждую секунду в организме человека обновляется почти 3,8 миллиона клеток. В день — около 330 миллиардов. С возрастом или из-за болезней эта способность слабеет. Но недавно российские ученые выяснили: процессами восстановления можно управлять. Непрерывная регенерацияШведский биолог Джонас Фрисен вместе с коллегами опубликовал в 2005 году работу со скучным названием «Ретроспективный мониторинг рождения человеческих клеток» («Retrospective Birth Dating of Cells in Humans»). Она посвящена продолжительности жизни отдельных клеток организма, которые, как доказали ученые, меняются по-разному в зависимости от типа. Одни — скажем, клетки кишечника — живут в среднем 10,7 года, другие — как эпителий — обновляются каждые пять дней. А некоторые неизменны на протяжении всей жизни — например, клетки сетчатки.Но читатели не из академической среды обратили внимание совсем на другие цифры — на среднюю продолжительность жизни человеческой клетки. По подсчетам Фрисена, она составляет от семи до десяти лет. Неправильная интерпретация этих данных, видимо, и породила миф о том, что тело полностью обновляется каждые семь лет. Однако это не так — процесс замещения старых клеток идет постоянно.»В течение жизни в теле человека образуются и погибают тонны клеток: разрушаются до аминокислот, липидов и нуклеотидов, из которых потом в тех же органах и тканях формируются новые. Регенерация идет за счет трех процессов: деления дифференцированных клеток, дифференцировки стволовых и перепрограммирования одних зрелых клеток в другие», — объясняет Всеволод Ткачук, директор Института регенеративной медицины Медицинского научно-образовательного центра МГУ им. М. В. Ломоносова, академик РАН. Ткань без шрамов и рубцовПо данным израильских ученых, за день в организме человека возникает 330 миллиардов новых клеток. Большинство принадлежит крови — это эритроциты и нейтрофилы. Они образуются из гематопоэтических клеток костного мозга, и на них приходится 86 процентов общей численности ежедневно появляющихся клеток. Еще 12 процентов — это эпителиальные клетки ЖКТ, а 1,1 процента — клетки кожи. На другие типы клеток, которые живут от нескольких дней до 15 лет (например, скелетные мышцы), остается меньше одного процента. Они образуются из плюрипотентных стромальных клеток, открытых в прошлом веке советским биологом Александром Фриденштейном. И именно они больше всего интересуют ученых.»Сегодня понятно, что источник обновления — стволовые клетки. Они трансформируются в клетки крови, нервных тканей, костей, хрящей, жира. С годами количество стволовых клеток уменьшается. Более того, в некоторых органах они иногда заканчиваются раньше времени: например, если человек серьезно болел. И к преклонному возрасту, когда этот ресурс очень нужен, его уже нет. Пока мы не знаем, как регулировать клеточную гибель. Когда мы научимся это делать, сможем управлять процессами обновления внутри организма, а не выращивать что-то вне его, как сейчас происходит в рамках тканевой инженерии и генно-клеточной терапии», — рассказывает Ткачук.По его словам, сейчас уже ясно, что мультипотентные стромальные клетки могут трансформироваться в другие клеточные типы под действием гормонов и особых белков — факторов роста. Именно их и пытаются идентифицировать специалисты, занятые в проекте академика «Фундаментальные проблемы регенеративной медицины: регуляция обновления и репарации тканей человека» (поддержан грантом Президентской программы исследовательских проектов РНФ). Участники проекта обнаружили белок, который позволяет восстанавливать ткани без образования рубцов.»Любое повреждение может заканчиваться формированием рубца. Это трагедия, если, например, задет спинной мозг: через рубец не прорастет ни сосуд, ни нерв. Но есть ткани, где после повреждения идет не фиброз, а регенерация. Например, так восстанавливаются кости. Или эндометрий — у молодых женщин он сотни раз погибает и возрождается без образования рубцов. Оказалось, что его клетки секретируют некий фактор, тормозящий фиброз. Если мы поймем, как им манипулировать, то сможем в будущем разработать препарат для регенерации поврежденных органов», — говорит ученый.Восстановленный мозгНамного дальше исследователи продвинулись в попытках восстановить мозг после инсульта. У больных мышей, которым вкалывали специальный препарат, размеры повреждений мозга значительно уменьшались.»В секретоме (так называют все вырабатываемые клеткой белки. — Прим. ред.) мультипотентных стромальных клеток есть два важных белка — нейротрофный фактор BDNF и урокиназа (uPA). Они стимулируют рост сосудов и нервных волокон. Если ввести эти белки в организм, то они будут действовать всего несколько часов, и толку от этого немного, ведь морфогенез у человека идет недели и месяцы, — продолжает академик. — Поэтому мы применили «эндогенный шприц» с этими веществами. Сконструировали плазмиды (обособленные от хромосом молекулы ДНК. — Прим. ред.), которые несли гены, ответственные за выработку BDNF и урокиназы. Затем ввели эту генетическую конструкцию в зону, где хотели прорастить сосуды или нервные окончания. Плазмида проникла в клетки ткани-мишени, транскрибировалась там, и клетки начали секретировать BDNF и uPA. В результате в местах концентрации этих белков проросли сосуды и аксоны, а поврежденный периферический нерв у мышей регенерировал».По его словам, результаты эксперимента помогут создать эффективное и безопасное средство для лечения геморрагического инсульта. Оно станет вторым на счету исследовательского коллектива. Так, недавно ученые разработали препарат против мужского бесплодия, изучив механизм восстановления сперматогенеза — образования мужских половых клеток — после повреждения. «Мы не ставили перед собой практических целей, просто анализировали на модели, как идет сперматогенез, как он включается и выключается. Оказалось, если мы вносим в семенники секрет мезенхимных (мультипотентных стволовых. — Прим. ред.) клеток или же сами эти клетки, то восстанавливается и морфология органа, и сперматогенез. Мы проверили эти выводы на уровне одиночных клеток, затем на животных. Все работает, — подчеркивает Ткачук. — Сейчас препарат проходит доклинические исследования. Вообще, наши результаты говорят о возможности стимуляции регенеративных процессов путем воздействия на нишу стволовых клеток (так называют микроокружение стволовой клетки, необходимое для ее жизнедеятельности и координации ее поведения с нуждами организма. — Прим. ред.)». Академик отмечает, что человеческий организм — «самообновляющаяся машина» с мощным потенциалом регенерации и репарации. Уже известны сотни гормонов и белков, которые регулируют процессы образования и гибели клетки. Если понять, как ими правильно манипулировать, то в будущем появится совершенно новый вид регенеративной терапии. Она даст возможность не только лечить болезни, но и значительно продлевать жизнь.

https://ria.ru/20201026/kletki-1581559019.html

https://ria.ru/20190301/1551488034.html

https://ria.ru/20191203/1561927944.html

РИА Новости

[email protected]

7 495 645-6601

ФГУП МИА «Россия сегодня»

https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/

2021

РИА Новости

[email protected]

7 495 645-6601

ФГУП МИА «Россия сегодня»

https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/

Новости

ru-RU

https://ria.ru/docs/about/copyright.html

https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/

РИА Новости

[email protected]

7 495 645-6601

ФГУП МИА «Россия сегодня»

https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/

https://cdn21.img.ria.ru/images/155159/83/1551598383_540:299:2872:2048_1920x0_80_0_0_de241265c1c09412b6d841daeb559217.jpg

РИА Новости

[email protected]

7 495 645-6601

ФГУП МИА «Россия сегодня»

https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/

РИА Новости

[email protected]

7 495 645-6601

ФГУП МИА «Россия сегодня»

https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/

здоровье, биология, кровь, клетки, днк

МОСКВА, 20 фев — РИА Новости, Альфия Еникеева. Каждую секунду в организме человека обновляется почти 3,8 миллиона клеток. В день — около 330 миллиардов. С возрастом или из-за болезней эта способность слабеет. Но недавно российские ученые выяснили: процессами восстановления можно управлять.

Непрерывная регенерация

Шведский биолог Джонас Фрисен вместе с коллегами опубликовал в 2005 году работу со скучным названием «Ретроспективный мониторинг рождения человеческих клеток» («Retrospective Birth Dating of Cells in Humans»). Она посвящена продолжительности жизни отдельных клеток организма, которые, как доказали ученые, меняются по-разному в зависимости от типа. Одни — скажем, клетки кишечника — живут в среднем 10,7 года, другие — как эпителий — обновляются каждые пять дней. А некоторые неизменны на протяжении всей жизни — например, клетки сетчатки.

Но читатели не из академической среды обратили внимание совсем на другие цифры — на среднюю продолжительность жизни человеческой клетки. По подсчетам Фрисена, она составляет от семи до десяти лет. Неправильная интерпретация этих данных, видимо, и породила миф о том, что тело полностью обновляется каждые семь лет. Однако это не так — процесс замещения старых клеток идет постоянно.

«В течение жизни в теле человека образуются и погибают тонны клеток: разрушаются до аминокислот, липидов и нуклеотидов, из которых потом в тех же органах и тканях формируются новые. Регенерация идет за счет трех процессов: деления дифференцированных клеток, дифференцировки стволовых и перепрограммирования одних зрелых клеток в другие», — объясняет Всеволод Ткачук, директор Института регенеративной медицины Медицинского научно-образовательного центра МГУ им. М. В. Ломоносова, академик РАН. 26 октября 2020, 12:51Распространение коронавирусаВ МГУ выяснили, что стволовые клетки человека могут заражаться SARS-CoV-2

Ткань без шрамов и рубцов

По данным израильских ученых, за день в организме человека возникает 330 миллиардов новых клеток. Большинство принадлежит крови — это эритроциты и нейтрофилы. Они образуются из гематопоэтических клеток костного мозга, и на них приходится 86 процентов общей численности ежедневно появляющихся клеток. Еще 12 процентов — это эпителиальные клетки ЖКТ, а 1,1 процента — клетки кожи.

На другие типы клеток, которые живут от нескольких дней до 15 лет (например, скелетные мышцы), остается меньше одного процента. Они образуются из плюрипотентных стромальных клеток, открытых в прошлом веке советским биологом Александром Фриденштейном. И именно они больше всего интересуют ученых.

«Сегодня понятно, что источник обновления — стволовые клетки. Они трансформируются в клетки крови, нервных тканей, костей, хрящей, жира. С годами количество стволовых клеток уменьшается. Более того, в некоторых органах они иногда заканчиваются раньше времени: например, если человек серьезно болел. И к преклонному возрасту, когда этот ресурс очень нужен, его уже нет. Пока мы не знаем, как регулировать клеточную гибель. Когда мы научимся это делать, сможем управлять процессами обновления внутри организма, а не выращивать что-то вне его, как сейчас происходит в рамках тканевой инженерии и генно-клеточной терапии», — рассказывает Ткачук.

По его словам, сейчас уже ясно, что мультипотентные стромальные клетки могут трансформироваться в другие клеточные типы под действием гормонов и особых белков — факторов роста. Именно их и пытаются идентифицировать специалисты, занятые в проекте академика «Фундаментальные проблемы регенеративной медицины: регуляция обновления и репарации тканей человека» (поддержан грантом Президентской программы исследовательских проектов РНФ).

Участники проекта обнаружили белок, который позволяет восстанавливать ткани без образования рубцов.

«Любое повреждение может заканчиваться формированием рубца. Это трагедия, если, например, задет спинной мозг: через рубец не прорастет ни сосуд, ни нерв. Но есть ткани, где после повреждения идет не фиброз, а регенерация. Например, так восстанавливаются кости. Или эндометрий — у молодых женщин он сотни раз погибает и возрождается без образования рубцов. Оказалось, что его клетки секретируют некий фактор, тормозящий фиброз. Если мы поймем, как им манипулировать, то сможем в будущем разработать препарат для регенерации поврежденных органов», — говорит ученый.

Восстановленный мозг

Намного дальше исследователи продвинулись в попытках восстановить мозг после инсульта. У больных мышей, которым вкалывали специальный препарат, размеры повреждений мозга значительно уменьшались.

«В секретоме (так называют все вырабатываемые клеткой белки. — Прим. ред.) мультипотентных стромальных клеток есть два важных белка — нейротрофный фактор BDNF и урокиназа (uPA). Они стимулируют рост сосудов и нервных волокон. Если ввести эти белки в организм, то они будут действовать всего несколько часов, и толку от этого немного, ведь морфогенез у человека идет недели и месяцы, — продолжает академик. — Поэтому мы применили «эндогенный шприц» с этими веществами. Сконструировали плазмиды (обособленные от хромосом молекулы ДНК. — Прим. ред.), которые несли гены, ответственные за выработку BDNF и урокиназы. Затем ввели эту генетическую конструкцию в зону, где хотели прорастить сосуды или нервные окончания. Плазмида проникла в клетки ткани-мишени, транскрибировалась там, и клетки начали секретировать BDNF и uPA. В результате в местах концентрации этих белков проросли сосуды и аксоны, а поврежденный периферический нерв у мышей регенерировал».

1 марта 2019, 19:13Наука

Ученые: больше половины ваших клеток — не человеческие

• Джеймс Галлахер
• Обозреватель Би-би-си по вопросам науки

12 апреля 2018

Более половины клеток в организме человека не являются человеческими, говорят ученые.

Из всех клеток в человеческом теле только 43% — это, собственно, клетки человека. Остальные — это микроскопические колонизаторы.

Понимание этой скрытой области нашего тела — человеческой микробиоты — стремительно меняет наше представление о разных болезнях — от аллергии до болезни Паркинсона.

Некоторые медики даже задаются вопросом — что значит «быть человеком», и в поиске ответа находят новые способы лечения.

«Они крайне важны для вашего здоровья, — говорит профессор Рут Лей, директор департамента микробиотических исследований в Институте Макса Планка. — Ваше тело существует не только для вас», — добавляет она.

Как бы тщательно вы ни мылись, каждый уголок и каждая складка в вашем теле в любой момент времени обильно заселена микроскопическими созданиями.

Среди них — бактерии, вирусы, грибки и археи (которые обычно по ошибке классифицируют как бактерии). Больше всего этих существ живет в темных и сумрачных глубинах нашего кишечника, куда нет доступа кислороду.

«В вас больше от микроба, чем от человека», — говорит в беседе с Би-би-си профессор Роб Найт из Калифорнийского университета в Сан-Диего.

Раньше исследователи думали, что на каждую человеческую клетку в организме приходится десять микроорганизмов.

«Эту оценку пересмотрели, теперь соотношение скорее один к одному, поэтому сейчас мы считаем, что, если пересчитать клетки, то каждый из нас — на 43% человек», — говорит он.

Но с точки зрения генетики мы находимся в еще более уязвимом положении.

Геном человека — полный набор генетических инструкций, который есть у каждого из нас, — состоит из 20 тысяч «инструкций», которые называют генами.

Однако если сложить все гены живущих в нас микроорганизмов, итоговая цифра будет на уровне 20 миллионов.

«У нас не один геном, гены нашей микробиоты по сути представляют собой второй геном, который дополняет работу нашего собственного», — говорит профессор Саркис Мазманян из Калифорнийского технического университета.

«Я считаю, что нас делает людьми сочетание нашей собственной ДНК и ДНК микробов в нашем кишечнике», — считает он.

Было бы наивно думать, что такое количество микробов в нашем теле никак не взаимодействует с организмом и не влияет на его работу.

Ученые исследуют роль микробиоты в пищеварении, регулировании имунной системы, защиты от болезней и выработке витаминов.

«Мы обнаруживаем, что эти крошечные организмы могут полностью преобразить наше здоровье, до недавних пор мы не могли себе этого представить», — говорит профессор Найт.

Это новый подход к миру микробов — до сих пор человечество с ними главным образом боролось.

Поле битвы с микробами

Антибиотики и вакцины — оружие человека в борьбе с такими напастями, как вирус-возбудитель оспы, палочка Коха или золотистый стаффилокок. Они спасли множество жизней.

Однако ряд исследователей обеспокоены тем, что в борьбе с вредными микробами человечество могло нанести непоправимый вред обитающим внутри человека «полезным бактериям».

«За последние 50 лет мы проделали замечательную работу по уничтожению инфекционных заболеваний, — говорит профессор Лей. — Однако в то же время мы увидели огромный и устрашающий рост аутоимунных и аллергических заболеваний».

«Задача работы с микробиотой в том, чтобы понять, каким образом ее изменения, ставшие результатом нашего успеха в борьбе с патогенами, приводят к развитию целой категории новых болезней, с которыми нам нужно будет разбираться», — считает ученый.

Состояние микробиоты связывают и с другими болезнями, например с воспалением кишечника, болезнью Паркинсона, эффективностью лекарств от рака и даже аутизмом и депрессией.

Еще один пример — ожирение. Гены и диеты, безусловно, играют здесь свою роль, но как насчет микрофлоры кишечника?

Здесь тема становится сложнее.

Если есть только бургеры и шоколад, то такая диета и повысит риск ожирения, и повлияет на то, какие микробы живут у вас в пищеварительной системе.

Многие страдающие ожирением люди не знают, что у них в кишечнике живут «плохие» бактерии, которые метаболизируют пищу таким образом, что ожирение усугубляется — но как об этом узнать?

Профессор Найт провел эксперимент: подопытными выступили мыши, выращенные в идеальных санитарных условиях. С рождения они ни разу не вступали в контакт с микробами.

«Нам удалось показать, что, если взять худых и тучных людей и пересадить бактерии из их кала мышам, то мыши жиреют или становятся худыми в зависимости от того, чьи бактерии им пересадили», — говорит Найт.

Когда мышам, получившим бактерии от страдающих ожирением людей добавляли бактерий от худых, мыши начинали худеть.

«Это довольно удивительно, правда? Теперь вопрос в том, каким образом всё это можно применить к человеку», — говорит Найт.

На применение микробов в качестве лекарств сегодня возлагают большие надежды в медицине.

Залежи информации

В кембриджширском Институте Сенгера я встречаюсь с доктором Тревором Лоли, который пытается вырастить в лабораторных условиях полные микробиоты как здоровых, так и больных людей.

«У больных, например, могут отсутствовать некоторые микробы. Задача в том, чтобы вернуть их в организм», — говорит он.

Как утверждает Лоли, сегодня появляется все больше свидетельств того, что восстановление микробиоты больного может привести к ремиссии, например, в случае с язвенным колитом.

«Я думаю, что для большинства болезней, которые мы изучаем, вскоре придумают конкретные смеси микробов, где-то 10 или 15, которые будут давать пациентам», — уверен ученый.

Лечение микробами как сфера медицины находится на ранних этапах развития, но ученые думают, что вскоре регулярный мониторинг состояния микробиоты станет частью повседневной рутины, что даст нам огромное количество информации о нашем здоровье.

«Удивительно думать, что в каждой чайной ложке нашего кала содержится больше генетической информации о микробах, чем может уместиться на тонне DVD-дисков,» — говорит ученый.

«Каждый раз, когда вы, так сказать, сбрасываете эти данные, они попросту смываются без следа», — добавляет он.

«Мы видим решение так: в недалеком будущем, каждый раз, когда вы будете смывать унитаз, он будет делать что-то вроде моментального анализа и сообщать вам, хорошая у вас динамика, или не очень. Я считаю, что это всё преобразит», — уверен исследователь.

Как растительные клетки регулируют свой размер — PCR News

Во время пролиферации размер клеток зависит от баланса между ростом и делением. До сих пор остается неясным механизм, который используют клетки для поддержания постоянного размера на протяжении многих поколений. Исследователи из Великобритании и Испании изучили механизм регуляции размера клеток меристемы стебля модельного растения Arabidopsis thaliana.

При пролиферации клеток меристемы часто происходят асимметричное деление, в результате которого образуются дочерние клетки неравного размера. Авторы работы показали, что более крупные из дочерних клеток проходят фазу G1 клеточного цикла быстрее, чем мелкие. Более того, в течение фазы G1 обе асимметричные дочерние клетки достигают нормального для вида размера. Исследователи предположили, что компенсаторный эффект обусловлен более быстрым ростом мелких дочерних клеток, однако найти корреляцию между скоростью роста и исходным размером клетки не смогли. Они заключили, что клетки регулируют длительность фазы G1 в зависимости от своих размеров, чтобы на момент перехода в S-фазу иметь объем, необходимый для нормального деления.

В клетках млекопитающих переход G1/S и регуляция размера дочерних клеток связаны с «разбавлением» концентрации белка ретинобластомы (Rb). Гомологи Rb есть и у растений, а в задержке перехода клетки в S-фазу им помогают белки KRP, которые ингибируют активность циклинов D. Исследователи заметили, что концентрация одного из этих белков, KRP4, отрицательно коррелирует с размером клетки. Более того, они показали, что при асимметричном делении дочерние клетки получают одно и то же количество KRP4, поэтому в меньшей из них концентрация KRP4 оказывается выше. Равное разделение KRP4 оказалось обусловлено тем, что он связывается с митотическими хромосомами.

В последние часы перед делением уровень KRP4, сшитого с флуоресцентным тегом mCherry, увеличивался, продолжал расти в начале фазы G1 и снижался до минимума к моменту перехода G1/S. Уровень белков KRP находится под контролем белка FBL17, регулирующего их протеолиз. При подавлении экспрессии гена FBL17 клетки достигают аномально больших размеров. Авторы работы показали, что именно FBL17 препятствует избыточному накоплению KRP4 в клетках в фазе G2.

Ученые создали модель, объясняющую, как KRP4 регулирует размер клеток. В конце фазы G2 в материнской клетке KRP4 связывается с хромосомами и поровну разделяется между дочерними клетками. В меньшей из них концентрация KRP4 оказывается повышена, и он ингибирует удвоение ДНК в клетке до того момента, пока она не достигнет размера, при котором возможно нормальное клеточное деление. FBL17 регулирует деградацию свободного KRP4. Модель подтвердили на экспериментах с мутантными клетками.

Авторы работы предполагают, что подобный механизм с другими компонентами может регулировать размер клеток у разных организмов, включая млекопитающих.

4.1D: Размер клетки — Биология LibreTexts

Размер клетки ограничен в соответствии с отношением площади поверхности клетки к объему.

Ключевые термины

• площадь поверхности : Общая площадь поверхности объекта.

Прокариотические клетки диаметром от 0,1 до 5,0 мкм значительно меньше эукариотических клеток, диаметр которых составляет от 10 до 100 мкм. Небольшой размер прокариот позволяет ионам и органическим молекулам, которые входят в них, быстро диффундировать в другие части клетки.Точно так же любые отходы, производимые в прокариотической клетке, могут быстро диффундировать. Это не относится к эукариотическим клеткам, которые развили различные структурные адаптации для усиления внутриклеточного транспорта.

Рисунок \ (\ PageIndex {1} \): Относительный размер атомов по отношению к людям : На этом рисунке показаны относительные размеры в логарифмической шкале (напомним, что каждая единица увеличения в логарифмической шкале представляет собой 10-кратное увеличение количества измеряется).

В общем, малый размер необходим для всех клеток, как прокариотических, так и эукариотических.Рассмотрим площадь и объем типичной клетки. Не все клетки имеют сферическую форму, но большинство имеют тенденцию приближаться к сфере. Формула площади поверхности сферы равна 4πr ² , а формула ее объема — 4πr ³ /3. По мере увеличения радиуса ячейки площадь ее поверхности увеличивается как квадрат ее радиуса, но ее объем увеличивается как куб ее радиуса (гораздо быстрее).

Следовательно, по мере увеличения размера клетки ее отношение площади поверхности к объему уменьшается.Тот же принцип применим, если бы ячейка имела форму куба (см. Ниже). Если клетка становится слишком большой, плазматическая мембрана не будет иметь достаточной площади поверхности, чтобы поддерживать скорость диффузии, необходимую для увеличенного объема. Другими словами, по мере роста клетка становится менее эффективной. Один из способов стать более эффективным — разделить; Другой способ — разработать органеллы, выполняющие определенные задачи. Эти адаптации приводят к развитию более сложных клеток, называемых эукариотическими клетками.

Рисунок \ (\ PageIndex {1} \): Отношение площади поверхности к объему : Обратите внимание, что по мере увеличения размера ячейки ее отношение площади поверхности к объему уменьшается.Когда площадь поверхности недостаточна для поддержания увеличивающегося объема клетки, клетка либо делится, либо умирает. Ячейка слева имеет объем 1 мм3 и площадь поверхности 6 мм2 с отношением площади поверхности к объему 6: 1, тогда как ячейка справа имеет объем 8 мм3 и площадь поверхности 24 мм2, с отношением площади поверхности к объему от 3 до 1.

Более мелкие одноклеточные организмы имеют высокое отношение площади поверхности к объему, что позволяет им полагаться на кислород и материал, диффундирующие в клетку (и отходы, диффундирующие наружу). ), чтобы выжить.Чем выше отношение площади поверхности к объему, тем эффективнее может быть этот процесс. Более крупным животным требуются специализированные органы (легкие, почки, кишечник и т. Д.), Которые эффективно увеличивают площадь поверхности, доступную для обменных процессов, и систему кровообращения для перемещения материала и тепловой энергии между поверхностью и ядром организма.

Повышенный объем может привести к биологическим проблемам. Кинг-Конг, вымышленная гигантская горилла, имел недостаточную площадь поверхности легких для удовлетворения своих потребностей в кислороде и не мог выжить.Для мелких организмов с их большим отношением площади поверхности к объему трение и динамика жидкости (ветер, поток воды) относительно гораздо более важны, а сила тяжести гораздо менее важна, чем для крупных животных.

Однако увеличенная площадь поверхности также может вызвать проблемы. Более тесный контакт с окружающей средой через поверхность клетки или органа (относительно его объема) увеличивает потерю воды и растворенных веществ. Высокое отношение площади поверхности к объему также создает проблемы с контролем температуры в неблагоприятных условиях окружающей среды.

ЛИЦЕНЗИИ И АТРИБУЦИИ

CC ЛИЦЕНЗИОННЫЙ КОНТЕНТ, ПРЕДЫДУЩИЙ РАЗДЕЛ

• Курирование и проверка. Источник : Boundless.com. Лицензия : CC BY-SA: Attribution-ShareAlike

CC ЛИЦЕНЗИОННОЕ СОДЕРЖАНИЕ, СПЕЦИАЛЬНАЯ АТРИБУЦИЯ

• Колледж OpenStax, Биология. 16 октября 2013 г. Предоставлено : OpenStax CNX. Адрес: : http: // cnx.org / content / m44404 / latest … ol11448 / latest . Лицензия : CC BY: Attribution
• Роберт Медведь и Дэвид Ринтул, Введение в клетки. 23 октября 2013 г. Предоставлено : OpenStax CNX. Расположен по адресу : http://cnx.org/content/m47170/latest/ . Лицензия : CC BY: Attribution
• эукариотический. Источник : Викисловарь. Адрес: : http://en.wiktionary.org/wiki/eukaryotic . Лицензия : CC BY-SA: Attribution-ShareAlike
• сот. Источник : Викисловарь. Адрес: : http://en.wiktionary.org/wiki/cell . Лицензия : CC BY-SA: Attribution-ShareAlike
• прокариот. Источник : Викисловарь. Адрес: : http://en.wiktionary.org/wiki/prokaryotic . Лицензия : CC BY-SA: Attribution-ShareAlike
• Колледж OpenStax, Введение. 16 октября 2013 г. Предоставлено : OpenStax CNX. Расположен по адресу : http://cnx.org/content/m44404/latest…e_04_00_00.jpg . Лицензия : CC BY: Attribution
• Колледж OpenStax, Биология.16 октября 2013 г. Предоставлено : OpenStax CNX. Расположен по адресу : http://cnx.org/content/m44405/latest…ol11448/latest . Лицензия : CC BY: Attribution
• электрон. Источник : Викисловарь. Адрес: : http://en.wiktionary.org/wiki/electron . Лицензия : CC BY-SA: Attribution-ShareAlike
Разрешение
• . Источник : Викисловарь. Расположен по адресу : en.wiktionary.org/wiki/resolution . Лицензия : CC BY-SA: Attribution-ShareAlike
• Колледж OpenStax, Введение. 16 октября 2013 г. Предоставлено : OpenStax CNX. Расположен по адресу : http://cnx.org/content/m44404/latest…e_04_00_00.jpg . Лицензия : CC BY: Attribution
• Колледж OpenStax, изучение клеток.16 октября 2013 г. Предоставлено : OpenStax CNX. Расположен по адресу : http://cnx.org/content/m44405/latest…1_01ab_new.jpg . Лицензия : CC BY: Attribution
• Колледж OpenStax, Биология. 16 октября 2013 г. Предоставлено : OpenStax CNX. Расположен по адресу : http://cnx.org/content/m44405/latest…ol11448/latest . Лицензия : CC BY: Attribution
• Общая биология / клетки / клеточная структура. Источник : Wikibooks. Расположен по адресу : en.wikibooks.org/wiki/General…%23Cell_Theory . Лицензия : CC BY-SA: Attribution-ShareAlike
• клеточная теория. Источник : Викисловарь. Адрес: : en.wiktionary.org/wiki/cell_theory . Лицензия : CC BY-SA: Attribution-ShareAlike
• Колледж OpenStax, Введение.16 октября 2013 г. Предоставлено : OpenStax CNX. Расположен по адресу : http://cnx.org/content/m44404/latest…e_04_00_00.jpg . Лицензия : CC BY: Attribution
• Колледж OpenStax, изучение клеток. 16 октября 2013 г. Предоставлено : OpenStax CNX. Расположен по адресу : http://cnx.org/content/m44405/latest…1_01ab_new.jpg . Лицензия : CC BY: Attribution
• Трехмерная диаграмма животной клетки. Источник : Викимедиа. Расположен по адресу : commons.wikimedia.org/wiki/Fi…dimensions.png . Лицензия : Общественное достояние: неизвестно Авторские права
• Размер ячейки. Предоставлено : OpenStax CNX. Адрес: : http://cnx.org/contents/[email protected]…karyotic-Cells . Лицензия : CC BY-SA: Attribution-ShareAlike
• Отношение площади поверхности к объему. Источник : Википедия. Расположен по адресу : en.Wikipedia.org/wiki/Surface-area-to-volume_ratio . Лицензия : CC BY-SA: Attribution-ShareAlike
• Площадь поверхности. Источник : Викисловарь. Адрес: : en.wiktionary.org/wiki/surface_area . Лицензия : CC BY-SA: Attribution-ShareAlike
• Колледж OpenStax, Введение.16 октября 2013 г. Предоставлено : OpenStax CNX. Расположен по адресу : http://cnx.org/content/m44404/latest…e_04_00_00.jpg . Лицензия : CC BY: Attribution
• Колледж OpenStax, изучение клеток. 16 октября 2013 г. Предоставлено : OpenStax CNX. Расположен по адресу : http://cnx.org/content/m44405/latest…1_01ab_new.jpg . Лицензия : CC BY: Attribution
• Трехмерная диаграмма животной клетки. Источник : Викимедиа. Расположен по адресу : commons.wikimedia.org/wiki/Fi…dimensions.png . Лицензия : Общественное достояние: неизвестно Авторские права
• cells.jpg. Предоставлено : OpenStax CNX. Адрес: : http://cnx.org/contents/[email protected]…karyotic-Cells . Лицензия : CC BY-SA: Attribution-ShareAlike
• Рисунок_04_02_02.jpg. Предоставлено : OpenStax CNX. Адрес: : http://cnx.org/contents/[email protected]…karyotic-Cells . Лицензия : CC BY-SA: Attribution-ShareAlike

Размер и масштаб ячеек

Некоторые ячейки видны невооруженным глазом

Самые маленькие объекты, которые может видеть невооруженный глаз, имеют длину около 0,1 мм. Это означает, что при правильных условиях вы сможете увидеть протей амебу, человеческое яйцо и парамецию без увеличения.Увеличительное стекло может помочь вам увидеть их более четко, но они все равно будут выглядеть крошечными.

Клетки меньшего размера хорошо видны под световым микроскопом. Можно даже различить структуры внутри клетки, такие как ядро, митохондрии и хлоропласты. В световых микроскопах используется система линз для увеличения изображения. Мощность светового микроскопа ограничена длиной волны видимого света, которая составляет около 500 нм. Самые мощные световые микроскопы могут распознавать бактерии, но не вирусы.

Чтобы увидеть все, что меньше 500 нм, вам понадобится электронный микроскоп. Электронные микроскопы направляют высоковольтный пучок электронов на объект или сквозь него, который отклоняет и поглощает часть электронов. Разрешение по-прежнему ограничено длиной волны электронного луча, но эта длина волны намного меньше, чем у видимого света. Самые мощные электронные микроскопы могут разрешать молекулы и даже отдельные атомы.

Аденин

Этикетка на нуклеотиде не совсем точная.Аденин относится к части молекулы, азотистое основание. Точнее было бы назвать нуклеотид дезоксиаденозинмонофосфат, так как он включает сахарную дезоксирибозу и фосфатную группу в дополнение к азотистому основанию. Однако чем больше Знакомая метка «аденин» помогает людям распознать его как один из строительных блоков ДНК.

Каким образом Х-хромосома может быть почти такой же большой, как головка сперматозоида?

Нет, это не ошибка. Во-первых, в сперматозоиде меньше ДНК, чем в не репродуктивной клетке. например, клетка кожи.Во-вторых, ДНК в сперматозоиде сверхконденсирована и спрессована в очень плотную форму. В-третьих, головка сперматозоида почти полностью состоит из ядра. Большая часть цитоплазмы была выдавлена, чтобы сперматозоиды превратились в эффективный плавательный механизм, напоминающий торпеду.

Х-хромосома показана здесь в сжатом состоянии, как в клетке, проходящей митоз. Он также был продублирован, поэтому на самом деле есть две идентичные копии, склеенные между собой. Сперматозоид человека содержит только по одной копии каждой из 23 хромосом.

Хромосома состоит из генетического материала (одного длинного фрагмента ДНК), обернутого вокруг структурных поддерживающих белков (гистонов). Гистоны организуют ДНК и не дают ей запутаться, как нить, намотанная на катушку. Но они также добавляют много пухлости. В сперматозоиде специальный набор крошечных поддерживающих белков (протаминов) упаковывает ДНК примерно до одной шестой объема митотической хромосомы.

Углерод

Размер атома углерода основан на его ван-дер-ваальсовом радиусе.

»Насколько велика клетка человека?

Насколько велика клетка человека?

Reader Mode

Таблица 1: Характерные средние объемы человеческих клеток разных типов. Для некоторых типов клеток, таких как нейроны или жировые клетки, могут существовать большие межклеточные различия, вплоть до порядка величины или более, тогда как для других объем варьируется в гораздо меньшей степени, например для красных кровяных телец. Значение бета-клеток исходит от крысы, но мы все еще представляем его, потому что средний размер клеток обычно относительно мало изменяется у млекопитающих.

Согласно последним оценкам, человек представляет собой набор из 3,7 ± 0,8 × 10 ¹³ клеток (BNID 109716) плюс аналогичный набор родственных микробов. Идентификационные данные человеческих клеток распределены между более чем 200 различными типами клеток (BNID 103626, 106155), которые выполняют огромное количество функций. Формы и размеры ячеек охватывают широкий диапазон, как показано в таблице 1. Размер и форма, в свою очередь, тесно связаны с функцией каждого типа ячеек. Эритроцитам необходимо протискиваться через узкие капилляры, а их небольшой размер и двояковогнутая форма диска позволяют достичь этого, одновременно увеличивая отношение площади поверхности к объему.Нейроны должны передавать сигналы, и при подключении нашего мозга к ногам они могут достигать длины более метра (BNID 104901), но ширины всего около 10 мкм. Клетки, которые служат для хранения, такие как жировые клетки и ооциты, имеют очень большой объем.

Рис. 1: Делящиеся клетки HeLa на микрофотографии, полученной с помощью сканирующего электронного микроскопа (цветные). Изображение делается во время деления клеток (цитокинез). Можно увидеть переходное промежуточное промежуточное тело, образованное микротрубочками. Предоставлено: Стив Гшмайсснер / Photo Researchers, Inc

.

Различные формы также позволяют нам распознавать типы клеток.Например, лейкоциты иммунной системы имеют приблизительно сферическую форму, в то время как прикрепленные тканевые клетки на предметном стекле микроскопа напоминают жареное яйцо с ядром, аналогичным желтку. В некоторых случаях, таких как разные типы белых кровяных телец, различия гораздо более тонкие и отражаются только в молекулярных сигнатурах.

Рисунок 2: Распределение размеров клеток для L1210, линии лимфобластных клеток мыши. Объемы клеток выражаются в единицах фл (1 фЛ = 1 мкм ³ ).(По материалам A. Tzur et al. Science 325: 167, 2010)

Зрелые женские яйцеклетки — одни из самых крупных типов клеток с диаметром ≈120 мкм. Другие типы крупных клеток включают клетки мышечных волокон, которые сливаются вместе, образуя синцитии, в которых несколько ядер находятся в одной клетке, и мегакариоциты, клетки костного мозга, ответственные за производство тромбоцитов. Оба этих типа клеток могут достигать 100 мкм в диаметре (BNID 106130). Красные кровяные тельца, также известные как эритроциты, являются одними из самых маленьких и самых распространенных клеток человека.Эти клетки имеют характерную двояковогнутую форму диска с углублением, в котором ядро ​​было потеряно при созревании, и имеют соответствующий диаметр 7-8 мкм (BNID 100509) и объем ≈100 мкм ³ (BNID 101711, 101713). Сперматозоиды еще меньше — около 20-40 мкм. ³ (BNID 109892, 109891).

Определенные линии клеток человека были одомашнены в качестве лабораторных рабочих лошадок. Возможно, наиболее известными из них являются так называемые клетки HeLa, пример деления которых показан на рисунке 1.Такие бессмертные линии раковых клеток делятся бесконечно, что устраняет необходимость приносить в жертву первичные ткани животных для экспериментов. Эти клеточные линии использовались для таких исследований, как молекулярные основы передачи сигналов и клеточного цикла. В этих типах ячеек объемы ячеек определяются с помощью практического значения 2000 мкм ³ с диапазоном 500-4000 мкм ³ (BNID 100434). Клетки HeLa прилипают к внеклеточному матриксу и, как и многие другие типы клеток, на предметном стекле микроскопа тонко растекаются до диаметра ≈40 мкм (BNID 103718, 105877, 105878), но всего несколько мкм в высоту.При выращивании до слияния они давят друг на друга, чтобы уменьшить диаметр до ≈20 мкм, так что в одной из лунок 96-луночного многолуночного планшета они создают монослой из ≈100000 клеток. Следует отметить, что, как и у бактерий и дрожжей, средний размер клеток может изменяться в зависимости от условий роста. В случае клеток HeLa наблюдалось> 2-кратное уменьшение объема при сравнении клеток через 3 дня и 7 дней после разделения и повторного посева (BNID 108870, 108872). Снимок изменчивости клеток млекопитающих был получен путем тщательного микроскопического анализа линии лимфоцитов мыши, как показано на рисунке 2.Распределение находится в центре около 1000 мкм ³ с отклонением около 300 мкм ³ . Чтобы представить эти размеры клеток в перспективе, если мы думаем, что E. coli имеет размер человека, то клетка HeLa имеет размер синего кита.

Наше исследование размеров различных типов клеток послужит отправной точкой для развития интуиции для множества других биологических чисел, с которыми мы будем сталкиваться на протяжении всей книги. Например, когда мы думаем о диффузии, мы будем интересоваться временной шкалой для конкретных молекул, чтобы пересечь данный тип клеток, и этот результат, в свою очередь, зависит от размера этих клеток.

328753 Всего просмотров 54 просмотров сегодня

Контроль размера ячейки

Колд-Спринг-Харб Perspect Biol. 2016 Apr; 8 (4): a019083.

Биологический факультет Стэнфордского университета, Стэнфорд, Калифорния 94305

Авторские права © 2016 Cold Spring Harbor Laboratory Press; все права защищеныЭта статья цитировалась в других статьях в PMC.

Abstract

Клетки определенного типа сохраняют характерный размер клетки для эффективного функционирования в экологическом или организменном контексте.Они достигают этого за счет регулирования скорости роста или активного определения размера и связывания этого сигнала с делением клеток. В этом обзоре мы сосредоточим внимание на потенциальных механизмах определения размера, включая геометрические, внешние сигналы и механизмы титрования. Особый интерес представляют механизмы, которые титруют белки против ДНК, потому что они согласуются с устойчивой корреляцией между содержанием ДНК и размером клеток. Мы проводим обзор литературы, которая предполагает, что механизмы титрования могут лежать в основе определения размера клеток у эмбрионов Xenopus , почкующихся дрожжей и Escherichia coli , тогда как альтернативные механизмы могут функционировать у делящихся дрожжей.

ВВЕДЕНИЕ: КЛЕТКИ ПОДДЕРЖИВАЮТ ХАРАКТЕРИСТИК РАЗМЕР КЛЕТКИ

Размер клеток сильно варьируется в зависимости от типа и вида клеток. Среди эукариотических клеток ооциты лягушки размером ~ 1 мм (Wallace et al. 1981) в 1000 раз больше в диаметре, чем фитопланктон размером ~ 1 мкм, разница в объеме в миллиард раз (Palenik et al. 2007). Многие почвенные бактерии имеют диаметр ~ 250 нм (Luef et al., 2015), тогда как самый крупный прокариот, Thiomargarita namibiensis , может иметь размер более 100 мкм (Schulz et al.1999). Даже внутри организма клетки разных типов могут иметь очень разные размеры: клетки крови человека крошечные (<10 мкм) по сравнению с нейронами длиной более 1 м.

Эффективная функция каждого типа ячейки зависит от соответствующего размера. Одноклеточные организмы должны размножаться в различных условиях окружающей среды, которые оказывают избирательное давление на размер клеток. Действительно, недавно было показано, что размер клеток точно коррелирует с приспособленностью бактерий, растущих в изменчивой среде (Monds et al.2014). Для более крупных одноклеточных организмов поверхностный транспорт может ограничивать рост клеток. Ожидается, что максимальная скорость переноса питательных веществ через поверхность клетки будет увеличиваться с увеличением площади поверхности, тогда как метаболические потребности, вероятно, будут увеличиваться с увеличением объема. Таким образом, в случае ограничения питательных веществ соотношение поверхности к объему может оказывать селективное давление на меньший размер. В соответствии с этой идеей, доступность атмосферного кислорода, которая варьируется более чем в два раза в геологических временных масштабах, по-видимому, является основным ограничением для размера ячейки одноклеточного морского протиста диаметром ~ 1 мм, foraminifera (Payne et al. .2012, 2013). Кроме того, могут быть ограничения на соотношение размеров родителей и потомков у foraminifera , предполагая, что может быть ограниченный диапазон размеров клеток, которые могут контролироваться конкретным геномом (Caval-Holme et al. 2013).

В отличие от одноклеточных организмов, клетки внутри многоклеточных организмов находятся в гораздо более постоянной среде, в которой количество питательных веществ вряд ли будет ограничено. Однако функция этих клеток по-прежнему сильно зависит от их размера.Например, клетки крови должны иметь достаточно малый размер, чтобы они могли проходить через капилляры, а нейроны должны преодолевать большие расстояния, чтобы передавать сигналы по длинам конечностей. Более того, дефекты размера клеток связаны с заболеваниями, такими как болезнь Lhermitte-Duclos, при которой увеличенный размер гранулярных клеток мозжечка ведет к припадкам и, в конечном итоге, к смерти (Kwon et al. 2001).

В некоторых многоклеточных организмах размер клетки может влиять на размер органа и организма. Это масштабирование является абсолютным в Caenorhabditis elegans , в котором количество клеток фиксировано, а изменение размера клеток приводит к пропорциональным изменениям в размере органа и организма (Irle and Schierenberg 2002; Cook and Tyers 2007; Watanabe et al.2007). Однако у большого числа видов, таких как тигровая саламандра, изменение размера клеток может быть компенсировано изменениями количества клеток для сохранения размера органа () (Fankhauser 1945). Кроме того, форсирование пролиферации имагинальных дисков крыльев мух изменяет размер клеток, но запускает апоптоз, достаточный для поддержания размера органов (Neufeld et al. 1998). Мы отсылаем читателя к Roth and Walkowiak (2015) и Penzo-Méndez and Stanger (2015) для дальнейшего обсуждения регуляции размера органов.

Влияние размера клетки на размер органа и организма.В многоклеточных организмах размер клетки может взаимодействовать с размером органа и организма одним из двух способов. ( A ) Если количество клеток фиксировано, изменения в размере клеток приведут к изменениям органа и, следовательно, размера организма, как в случае C. elegans . ( B ) Если размер органа регулируется независимо от размера клеток, изменения размера клеток будут компенсироваться изменениями числа клеток, что приведет к постоянному размеру органа и организма, как это происходит у саламандр. Также возможно сочетание обоих механизмов, при котором размер клетки влияет на размер органа, но частично компенсируется изменениями числа клеток.

Из-за функциональных ограничений ячейки находятся под давлением, чтобы поддерживать характерный размер для их данного типа. Для достижения гомеостаза такого размера необходимо совместить рост и деление. Например, дрожжи, выращенные в условиях бедности питательными веществами, регулируют продолжительность своего клеточного цикла, чтобы приспособиться к более медленному росту, так что клетки делятся примерно с такими же размерами, как в богатой питательными веществами среде (Jorgensen et al. 2002; Di Talia et al. 2007, 2009; Брауэр и др. 2008). Это зависящее от размера прогрессирование клеточного цикла подразумевает, что клетки имеют способ ощущать свой собственный размер.Тем не менее, как поддерживается гомеостаз размеров, остается неясным. Конечно, необязательно, чтобы клетки измеряли свой объем сами по себе, и мы более широко интерпретируем слово «размер», чтобы охватывать ряд взаимосвязанных свойств, таких как общий белок, содержание рибосом или биосинтетическая способность (Carlson et al. 1999). Измеряемое специфическое свойство может отличаться у разных организмов и типов клеток, что будет иметь значение для конкретного используемого молекулярного механизма. Здесь мы рассматриваем последние достижения и обсуждаем концептуальную основу, которая потенциально связывает большой класс вопросов о размере ячейки.

ВЗАИМОСВЯЗЬ МЕЖДУ КОНТРОЛЕМ РОСТА И РАЗМЕРА

В самом фундаментальном смысле контроль размера ячейки в течение заданного временного интервала гарантирует, что более крупные клетки растут пропорционально меньше, чем клетки меньшего размера. Это означает, что необходимо координировать рост и цикл клеточного деления. Теоретически эта регуляция может иметь место в любой точке клеточного цикла, который условно делится на четыре отдельные фазы. Первый — период роста, следующий сразу за предыдущим разделением под названием G ₁ .Вторая — это фаза, в которой синтезируется ДНК, известная как S-фаза. Третий — это еще один период роста после S-фазы, называемый G ₂ , а четвертый — это митоз или M-фаза, в которой ДНК упаковывается и разделяется на две дочерние клетки (). Важно отметить, что контроль размера не должен полностью компенсировать начальные различия в размерах ячеек. Скорее, контроль размера — это количественная характеристика, силу которой в интервале можно измерить (Wheals 1982; Tyson and Diekmann 1986; Sveiczer et al.1996; Ди Талия и др. 2007, 2009). Например, слабый контроль размера может потребовать нескольких циклов деления клеток, чтобы вернуть изначально аберрантно большую или маленькую клетку к характерному размеру, тогда как строгий контроль размера может сделать это за один цикл.

Клеточный цикл и размер клеток. Клеточный цикл делится на четыре фазы. G ₁ — это фаза роста, следующая сразу за предыдущим делением. S-фаза — это когда ДНК реплицируется. G ₂ — это второй период роста, за которым следует митоз или М-фаза, когда ДНК конденсируется и разделяется на дочерние клетки.Соответствующие этапы управления размером ячеек в различных системах, обсуждаемых в тексте, отмечены. МБТ, переход средней бластулы.

Для некоторой динамики роста клеток гомеостаз размера клетки может поддерживаться без датчика размера клетки. Все, что требуется для гомеостаза размера, — это то, что меньшие клетки растут пропорционально больше, чем более крупные клетки в клеточном цикле, так что вариации размеров уменьшаются в следующем поколении. Например, в случае постоянной скорости линейного роста размер ячейки V будет увеличиваться с постоянной скоростью, так что dV / dt = C .В этом случае определение продолжительности клеточного цикла определяет степень роста, так что пропорционально более мелкие клетки растут больше, чем более крупные клетки, и популяция приближается к среднему размеру без какого-либо конкретного механизма определения размера (Conlon and Raff 2003). Таким образом, некоторая динамика роста клеток не требует измерения размера клетки для поддержания гомеостаза размера.

Другая динамика роста требует измерения размера. Одним из таких примеров является экспоненциальный рост, в котором скорость роста пропорциональна размеру клетки: dV / dt = α V .Здесь механизм таймера не будет поддерживать гомеостаз размера, потому что клетки, рожденные более крупными, будут расти пропорционально больше в течение определенного периода. Колебания времени деления затем приведут к прогрессивно более широкому распределению по размеру, если клетки не используют механизм определения размера для ограничения продолжительности клеточного цикла в более крупных клетках (Tyson and Hannsgen 1985).

Важность динамики роста клеток для контроля размера послужила стимулом для многих исследований (Mitchison 2003; Ginzberg et al. 2015). В случае почкующихся дрожжей, Escherichia coli и Caulobacter crescentus , рост клеток в невозмущенном клеточном цикле, вероятно, близок к экспоненциальному, что подтверждается как анализом отдельных клеток с использованием флуоресцентной покадровой микроскопии, так и микроканальных резонаторов. как классические массовые эксперименты с использованием радиоактивной маркировки (Elliott and McLaughlin 1978; Di Talia et al.2009; Годин и др. 2010; Campos et al. 2014; Оселла и др. 2014). Однако другие группы утверждали, что рост почкующихся дрожжей G ₁ ближе к линейному, основываясь на оценках объема клеток с использованием покадровой фазово-контрастной микроскопии (Ferrezuelo et al. 2012), и что скорость роста изменяется в зависимости от клеточного цикла. фаза (Горанов и др., 2009). Для более полного обсуждения контроля размера и роста дрожжей см. Turner et al. (2012). Рост делящихся дрожжей, безусловно, с меньшей вероятностью будет экспоненциальным, как указано в обзоре Mitchison (2003), а рост клеток многоклеточных животных почти наверняка не будет (Son et al.2012; Кафри и др. 2013; Sung et al. 2013). Явное отклонение от экспоненциального роста в клетках млекопитающих и других не означает, что эти клетки не используют датчик размера. В случаях, когда датчики размера не являются строго необходимыми, они все же могут быть желательными для улучшения контроля размера, чтобы поддерживать клетку ближе к оптимальному диапазону размеров для пролиферации и функции. Таким образом, единственный способ определить, работают ли сенсоры размера клетки в данном типе клеток, — это определить молекулярные механизмы, регулирующие размер.

МНОГИЕ ПОТЕНЦИАЛЬНЫЕ МЕХАНИЗМЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ РАЗМЕРА

Активное регулирование развития клеточного цикла в зависимости от размера клетки требует, чтобы у клеток был метод точного измерения их размера. Ячейки могут выполнять измерение размера с помощью геометрического механизма, если их геометрия мало отличается от ячейки к ячейке. Геометрический механизм кажется маловероятным в амебоидных клетках или в содержащих микроворсинки клетках тонкой кишки, но гораздо более вероятен в палочковидных бактериях и делящихся дрожжах, которые растут в четко определенной геометрии вдоль одного измерения.Одним из средств геометрического определения размера могло бы быть измерение отношения площади поверхности к объему, потому что для многих геометрических форм площадь поверхности увеличивается медленнее, чем объем. Связанная с этим возможность состоит в том, что клетки могут определять длину клетки посредством внутриклеточных градиентов регуляторов клеточного цикла (Martin and Berthelot-Grosjean 2009; Moseley et al. 2009). В этом случае разделение критических компонентов на определенные субклеточные местоположения позволит клетке оценить расстояние между этими компартментами в качестве прокси для размера клетки (A).

Механизмы измерения размера ячеек. Клетки потенциально могут определять свой размер с помощью ряда различных механизмов, включая ( A ) аспекты геометрии их клеток, такие как площадь поверхности к объему или длина клетки, через внутриклеточные градиенты, ( B ) внеклеточные ориентиры и () C ) титрование регулятора постоянной концентрации, количество которого зависит от размера ячейки по фиксированному «критерию» для измерения размера ячейки.

В многоклеточных организмах внешние ориентиры, такие как края тканей или соединения с клетками-мишенями, могут использоваться для ограничения роста клеток.Например, некоторые нейроны растут, пока не соприкоснутся со своей целью (B) (Guthrie 2007). Однако этот механизм требует, чтобы внешний шаблон уже был на месте и не может генерировать контроль размера de novo, поэтому мы не заостряем внимание на этом механизме в этом обзоре.

Наконец, клетки могут измерять свой объем непосредственно путем титрования молекулы датчика постоянной концентрации по фиксированному внутреннему «критерию». Этот механизм требует, чтобы производительность датчика объема была пропорциональна росту клеток и чтобы имелся фиксированный критерий для измерения, то есть титрование по (C).Здесь мы исследуем актуальность механизмов титрования в нескольких биологических контекстах.

РАЗМЕР КЛЕТКИ СООТВЕТСТВУЕТ СОДЕРЖАНИЮ ДНК

Одно из самых ранних и наиболее последовательных наблюдений о размере клетки — это ее связь с плоидностью. В начале 1900-х годов Теордор Бовери произвел эмбрионы морского ежа с различными плоидностями, манипулируя условиями оплодотворения. Гаплоидные эмбрионы делились больше, чем диплоидные эмбрионы, и, таким образом, поддерживали постоянное конечное соотношение ДНК и цитоплазмы.В дальнейших экспериментах он создал триплоидные и тетраплоидные эмбрионы посредством множественных оплодотворений. У этих эмбрионов аномалии веретена вызывали неравномерное распределение хромосом, так что не все клетки получали целые кратные генома. Во всех случаях Бовери заметил, что на количество делений в данном секторе эмбриона влияет содержание ДНК, которое сектор получил при первом расщеплении. На стадии личинки pluteus клетки ежа, которые получили больше ДНК, были пропорционально больше, чем те, которые получили меньше, что указывало на то, что связь простиралась за пределы простого масштабирования размера с плоидностью (Wilson 1926).

Взаимосвязь между размером клеток и плоидностью сохраняется далеко за пределами эмбриона. Жизнеспособные взрослые саламандры могут быть созданы от гаплоидных до пентаплоидных. Во всех случаях размер клеток в их тканях соответственно увеличивается или уменьшается, хотя компенсаторные вариации числа клеток поддерживают относительно неизменный общий размер организма (Fankhauser 1945). Это соотношение верно и для одноклеточных эукариот. Например, размер клеток почкующихся дрожжей коррелирует с плоидностью от гаплоида до гексаплоида (Mortimer 1958; Mayer et al.1992).

Регулируемые в процессе развития изменения плоидности коррелируют с размером клеток во многих крупных типах клеток. Часто, как в случае слюнной железы мух и трофобласта млекопитающих, клетки увеличивают свою плоидность, подвергаясь циклам эндоредупликации. Во многих случаях, таких как клетки чешуек крыла у бабочек, Ephestia , степень эндоредупликации коррелирует с размером клеток в ткани (B) (Edgar and Orr-Weaver 2001). Точно так же, когда наземный слизень Limax растет в течение своей жизни, он увеличивает размер нейронов в своем мозгу за счет эндоредупликации (Yamagishi et al.2011). Была показана очень тесная взаимосвязь между содержанием ДНК и размером клеток в зеленых водорослях, Eudorina (Tautvydas 1976). Нитчатые дрожжи Ashbya также содержат множество копий своего генома в одной цитоплазме. В этом случае отдельные ядра, по-видимому, аккуратно расположены внутри растущих клеток, чтобы сохранять относительно постоянное локальное и глобальное соотношение ДНК и цитоплазмы (Nair et al. 2010; Anderson et al. 2013).

Эндоредупликация увеличивает размер ячейки.Содержание ДНК коррелирует с размером клеток в различных организмах и контекстах. ( A ) Эндорепликативные клеточные циклы аналогичны митотическим циклам без цитокинеза. Эндоциклические клетки переходят непосредственно из состояния, подобного S / G ₂ , к другому G ₁ , тогда как эндомитотические клетки подвергаются частичному митозу, но прерываются до цитокинеза. ( B ) Клетки чешуек крыла моли, Ephestia , различаются по плоидности от 8N до 32N, причем клетки с более высокой плоидностью больше, чем клетки с более низкой плоидностью (изменено по данным Edgar and Orr-Weaver 2001).

Эндоредупликативные клеточные циклы увеличивают плоидность за счет перехода в относительно нормальную S-фазу, но затем пропускают цитокинез, что приводит к удвоению содержания ДНК с каждой итерацией. Этот процесс может повторяться много раз, что приводит к очень высокой плоидности (до 24 000 ° C в случае некоторых эндоспермов растений) (Traas et al. 1998). Эндоредуплицирующие клеточные циклы — это не просто нерегулируемые или продолжительные S-фазы. Вместо этого эти клетки проходят нормальную фазу G ₁ и S, в которой ДНК реплицируется только один раз.Затем они либо переходят непосредственно из G ₂ в другое состояние, подобное G ₁ (называемое эндоциклом), либо вступают в митоз, но прерываются до завершения цитокинеза и возвращаются в состояние, подобное G ₁ (так называемое эндомитоз) (A) (Zielke et al.2013). В обоих случаях активность обычных регуляторов М-фазы отсутствует или преждевременно теряется. Однако регуляция G ₁ / S в эндореплицирующих клетках, по-видимому, в целом подобна тому, что обнаруживается в обычных митотических клеточных циклах (Edgar and Orr-Weaver 2001).Это означает, что, если бы механизм измерения размера клеток относительно содержания ДНК был работоспособен при переходе G ₁ / S, это могло бы также объяснить взаимосвязь плоидности-размера, наблюдаемую для эндоредуплицированных типов клеток.

Мы отмечаем, что взаимосвязь между содержанием ДНК и размером клетки верна не только в пределах одного вида, но, по-видимому, постоянна для большинства эукариот, размер клеток которых составляет более шести порядков величины. Аналогичная корреляция между размером клеток и содержанием ДНК наблюдалась и у прокариот, хотя содержание ДНК увеличивается с размером клетки намного медленнее, чем у эукариот (Gregory 2000; Cavalier-Smith 2001).Обратите внимание, что это не означает, что механизм измерения размера идентичен во всех кладах, а скорее, что существуют селективные давления, которые поддерживают примерно линейную зависимость между содержанием ДНК и размером клеток у эукариот.

СЕНСОР ТИТРАЦИИ РЕГУЛИРУЕТ ПЕРЕХОД МИДБЛАСТУЛЫ У

Xenopus

Как отмечал Бовери (обсуждалось выше), содержание ДНК сильно влияет на размер клеток на раннем этапе развития. У многих быстро развивающихся видов деление клеток не связано с ростом клеток во время ранних делений расщепления.Эти эмбрионы обычно начинаются с очень крупных клеток, которые быстро делятся без фаз роста. Из-за отсутствия фаз роста общий объем цитоплазмы остается постоянным, тогда как размер клетки уменьшается экспоненциально. Эти деления также необычны тем, что они лишены контрольных точек клеточного цикла и транскрипционно неактивны. Эти быстрые клеточные циклы продолжаются в течение определенного количества делений до начала перехода в развитии, называемого переходом средней бластулы (MBT). В MBT клеточный цикл удлиняется с добавлением фаз роста, контрольные точки становятся активными, и зиготический геном инициирует крупномасштабную транскрипцию (A) (Masui and Wang 1998).

Переход в среднюю бластулу (МБТ) контролируется титрованием регуляторов против ДНК. ( A ) Во время ранних циклов дробления эмбрионы Xenopus делятся без роста, что приводит к экспоненциальному уменьшению размера клеток и экспоненциальному увеличению отношения ДНК к цитоплазме. ( B ) Титрование гистонов с постоянной концентрацией против экспоненциально увеличивающегося количества ДНК устанавливает время активации зиготического генома (ZGA) путем ингибирования транскрипции ниже пороговой концентрации ДНК.Когда концентрация ДНК достигает критического порога, ингибирование снимается и транскрипция активируется (Amodeo et al. 2015). ( C ) Титрование ключевых факторов репликации против ДНК устанавливает время удлинения S-фазы. Когда концентрация ДНК становится достаточно высокой, доступные факторы репликации больше не могут эффективно запускать S-фазу, что приводит к удлинению клеточного цикла (Collart et al. 2013).

Ранние эксперименты по MBT у лягушек определили, что соотношение ДНК и цитоплазмы имеет решающее значение для его регуляции.Большое количество экспериментальных данных показывает, что изменение этого соотношения приводит к соответствующим изменениям количества быстрых клеточных циклов перед MBT. Гаплоидные эмбрионы подвергаются MBT на один клеточный цикл позже (Masui and Wang 1998). Полиспермические эмбрионы и эмбрионы, инъецированные плазмидной ДНК, претерпевают преждевременное удлинение клеточного цикла и активацию транскрипции, соответственно (Newport and Kirschner 1982a, b). Возможно, наиболее убедительно то, что эмбрионы, связанные пополам с неравномерным распределением ДНК, демонстрируют преждевременное удлинение клеточного цикла на половине эмбриона с увеличенной ДНК и замедленное удлинение клеточного цикла на половине с уменьшенной ДНК (Newport and Kirschner 1982b).Этот эксперимент особенно интересен, потому что две половины эмбриона были оплодотворены одновременно, а ядра подверглись одинаковому количеству делений. Единственное различие между двумя сторонами — их соотношение ДНК и цитоплазмы. Эти находки приводят к гипотезе о том, что эмбрион начинает развитие с относительно постоянным запасом депонированного материнским организмом ингибитора, который титруется относительно экспоненциально увеличивающегося количества ДНК (Newport and Kirschner 1982b). При достижении критического порога эмбрион инициирует транскрипцию и MBT.Следовательно, определение соотношения цитоплазмы на геном является одним из способов определения размера клетки, MBT можно рассматривать как проблему определения размера. Здесь количество регулятора пропорционально размеру клетки, который измеряется титрованием относительно количества ДНК в клетке. Этот механизм представляет собой элегантный способ измерения размера клетки независимо от ее геометрии или внешних сигналов.

Недавняя работа была направлена ​​на определение фактора (ов), которые титруются относительно ДНК, чтобы установить порог МБТ у лягушек и, таким образом, поддержать модель титрования.Были предложены три разные группы факторов. Первый — это фосфатаза PP2A, которая, по-видимому, ограничивает прогрессирование S-фазы in vitro при концентрациях ДНК, близких к концентрациям, обнаруженным в MBT. Для увеличения соотношения ДНК и цитоплазмы S-фаза замедляется без добавления экзогенного PP2A (Murphy and Michael 2013). Точно так же добавление коктейля из четырех факторов репликации ДНК, Cut5, RecQ4, Treslin и Drf1, которые становятся нестабильными в MBT, может привести к дополнительным быстрым клеточным циклам in vitro и в эмбрионах (C) (Collart et al.2013). Наша работа предполагает, что коровые гистоны h4 и h5 непосредственно титруются против ДНК для активации транскрипции in vitro и in vivo (B) (Amodeo et al. 2015). Изменение концентрации гистонов in vitro приводит к сдвигу количества ДНК, необходимого для активации транскрипции. Более того, уменьшение h4 in vivo на ~ 50% приводит к тому, что MBT происходит ровно на один клеточный цикл раньше, что согласуется с титрованием гистоновой ДНК, ответственным за запуск MBT. В дополнение к этим предложенным титрованным компонентам, недавно было предложено регулировать выбор времени ОБТ, факторы ядерного импорта и результирующий размер ядер (Jevtic and Levy 2015).Это наблюдение предполагает, что ядерная концентрация ингибирующих факторов может быть критической для определения размера клеток у ранних эмбрионов. В целом, эти потенциально перекрывающиеся механизмы обеспечивают хорошее доказательство того, что MBT контролируется механизмом соотношения цитоплазмы к ДНК, возникающим в результате титрования некоторых регуляторов постоянной концентрации против ДНК.

ТИТРАЦИЯ ЦИКЛИНОВ В БАДДИНГОВЫХ ДРОЖЖАХ

Контроль размера клеток можно наиболее непосредственно изучить на одноклеточных, а не многоклеточных организмах, поскольку размер клеток легче измерить, а количество типов клеток более ограничено.По этой причине дрожжи Saccharomyces cerevisiae и Schizosaccharomyces pombe стали любимыми моделями для изучения регуляции размера клеток.

Бутонированные дрожжи делятся асимметрично, и контроль размера происходит в более мелких дочерних клетках, главным образом в G ₁ (Di Talia et al. 2009). Клетки меньшего размера проводят больше времени в G ₁ , но такой контроль размера несовершенный, поскольку вариации в размере не устраняются в одном клеточном цикле (Johnston 1977; Di Talia et al.2007). Прогрессирование через G ₁ инициируется циклином Cln3. Циклины являются каноническими регуляторами клеточного цикла, уровни которых часто колеблются в течение клеточного цикла, чтобы координировать активность их партнерских киназ, циклин-зависимых киназ или CDK и тем самым способствовать прогрессированию клеточного цикла. Cln3 связывает и активирует CDK1, чтобы частично инактивировать ингибитор транскрипции Whi5 (Bertoli et al. 2013). Инактивация Whi5 снимает ингибирование фактора транскрипции SBF, гены-мишени которого включают дополнительные циклины, Cln1 и ​​Cln2.Эти два циклина завершают инактивацию Whi5 посредством петли положительной обратной связи, которая управляет дальнейшим прогрессированием клеточного цикла (Eser et al. 2011). Активация этой петли обратной связи обеспечивает необратимую приверженность прогрессии клеточного цикла (Skotheim et al. 2008; Charvin et al. 2010; Doncic and Skotheim 2013). Интересно отметить, что уровни ограничивающего скорость цикла циклина Cln3 слабо колеблются в течение клеточного цикла по сравнению с другими циклинами и могут иметь постоянную концентрацию в середине G ₁ (Tyers et al.1993). Следовательно, Cln3 можно использовать для определения размера клеток с помощью механизма титрования.

Cln3 можно титровать против самой геномной ДНК или против специфических сайтов связывания. В соответствии с последней возможностью, размер клетки был сдвинут высококопийной плазмидой, содержащей несколько сайтов связывания SBF, зависимым от Cln3-Whi5 образом (Wang et al. 2004). В любом случае комплексы Cln3-Cdk, количество которых, вероятно, пропорционально размеру клетки, будут титроваться по постоянному критерию ДНК. В соответствии с этой моделью недавнее исследование, конститутивно экспрессирующее Cln3 на разных уровнях, показало, что концентрация Cln3 обратно коррелирует с длиной G ₁ (Liu et al.2015). Однако значение этих предположений о титровании Cln3 остается в основном непроверенным.

Хотя предложение о титровании Cln3 против генома привлекательно из-за фиксированного размера генома во время G ₁ , это не единственная возможность. Cln3 потенциально может быть титрован против другого белка, содержание которого не зависит от размера клетки, чтобы произвести измерение размера клетки (Fantes et al. 1975). Большинство дрожжевых белков обнаруживаются в относительно постоянных концентрациях, и, таким образом, их общие количества линейно зависят от объема (Newman et al.2006 г.). Однако транскрипция нескольких генов, включая многие белки, связанные с клеточной поверхностью, не пропорциональна размеру клетки, поэтому более крупные клетки имеют более низкие концентрации матричной РНК (мРНК) для этих специфических мишеней (Wu et al. 2010). Таким образом, ожидается, что белки, кодируемые этим набором генов, будут в более низких концентрациях в более крупных клетках. Таким образом, один из этих немасштабируемых генов может служить титрованным аналогом Cln3, чтобы влиять на контроль размера G ₁ . Действительно, недавно было показано, что синтез ингибитора клеточного цикла Whi5 не зависит от размера (Schmoller et al.2015). Это приводит к тому, что дочерние клетки меньшего размера начинают свой клеточный цикл с более высокими концентрациями Whi5. Поскольку синтез Whi5 ограничен фазой S / G ₂ / M цикла клеточного деления, рост клеток разбавляет Whi5 в G ₁ , чтобы запустить продвижение в клеточный цикл.

Альтернативная модель контроля размера клеток у почкующихся дрожжей предполагает механизм, который предотвращает проникновение Cln3 в ядро ​​ниже пороговой скорости роста клетки или зависящей от размера скорости (Ferrezuelo et al.2012). В этой модели переключательная транслокация Cln3 является результатом положительной петли обратной связи, основанной на взаимном ингибировании Cln3 и Whi7, паралога Whi5, локализованного в эндоплазматическом ретикулуме (Yahya et al. 2014). Белок шаперон, Ydj1, и посттранскрипционный регулятор, Whi3, также могут участвовать в удержании Cln3 вне ядра (Gari et al. 2001; Wang et al. 2004; Verges et al. 2007). Однако вопрос удерживания Cln3 в зависимости от размера все еще обсуждается. Другие группы не смогли наблюдать Cln3 вне ядра, хотя это может быть вызвано низким числом молекул Cln3 (Miller and Cross 2000; Edgington and Futcher 2001; Cai and Futcher 2013).Наконец, даже если модель импорта Cln3 верна, она еще не легко объясняет, как размер или скорость роста клеток воспринимаются для запуска транслокации Cln3.

Хотя G ₁ , по-видимому, содержит основную контрольную точку размера у бутонизированных дрожжей, существуют также доказательства регулирования размера S / G ₂ / M. Клетки, которые экспериментально форсируются через G ₁ за счет сверхэкспрессии циклинов G ₁ , поддерживают гомеостаз размера. В этом случае клетки, которые меньше при переходе в S-фазу, проводят немного больше времени в S / G ₂ / M и, таким образом, частично компенсируют снижение роста G ₁ (S Di Talia, pers.комм.). Это предполагает возможность того, что сеть, регулирующая вход в митоз, может также вносить вклад в гомеостаз размера в дополнение к ее более определенной роли в контрольной точке морфогенеза (Harvey and Kellogg 2003; McNulty and Lew 2005; Howell and Lew 2012; Zapata et al. 2014). ).

ТИТРОВАНИЕ ДНК В

E. Coli

Было предложено титрование регуляторных молекул против клеточного компонента, размер которого не зависит от роста, для регулирования определенных точек бактериального клеточного цикла (Chien et al.2012). В то время как любая точка клеточного цикла потенциально может регулироваться с помощью контрольной точки размера, две конкретные точки контроля были идентифицированы с помощью исследований E. coli и Bacillus subtilis . Сообщалось, что контроль размера бактерий влияет на начало репликации ДНК и деление клеток. В обоих случаях механизм титрования был предложен в качестве основы для сигналов прогрессии клеточного цикла, зависящих от размера (Donachie 1968; Teather et al. 1974; Chien et al. 2012).

Для контроля репликации Donachie (1968) предположил, что активатор с постоянной концентрацией должен накапливаться в источниках репликации.В этой модели регулятор, число которого увеличивается с размером клетки, будет титроваться против фиксированного числа источников, давая сигнал активации, зависящий от размера. В соответствии с этой моделью размер клеток в начале репликации у E. coli был одинаковым независимо от размера при рождении и скорости роста. Даже в случае наиболее быстрорастущего E.coli , в котором удвоение массы опережает продолжительность репликации, так что большие клетки содержат несколько копий частичных геномов, репликация запускается при постоянном соотношении размера к исходной (Donachie 1968). .

Наиболее вероятным кандидатом в титрованный активатор репликации Donachie является DnaA, который кооперативно связывается с ориджинами, чтобы способствовать загрузке репликационного аппарата (Kaguni 2006). В соответствии с моделью DnaA-титрования соотношение размера к исходной точке при инициации репликации чувствительно к уровням экспрессии DnaA (Lobner-Olesen et al. 1989). Более того, мутации, влияющие на размер клеток при делении, но не на скорость роста клеток, не изменяют концентрацию DnaA или размер, при котором клетки инициируют репликацию.Мутации, делающие клетки вдвое крупнее, приводят к тому, что клетки содержат в два раза больше ДНК (Hill et al. 2012). Взятые вместе, эти данные свидетельствуют о том, что молекулярное титрование является наиболее вероятным механизмом для связывания размера клеток с началом репликации ДНК в E. coli (A).

Предлагаемые механизмы титрования для измерения размера клеток бактерий. ( A ) АТФаза DnaA накапливается в источниках репликации в зависимости от размера до тех пор, пока критический порог не запускает репликацию.( B ) FtsZ накапливается в месте цитокинеза по мере роста клетки до достижения порогового значения, запускающего цитокинез.

В дополнение к координации S фазы с размером клетки, E. coli может также координировать деление клетки с размером клетки (Chien et al. 2012). Накопление регулятора постоянной концентрации FtsZ на цитокинетическом кольце может функционировать как основанный на титровании датчик размера клетки (Teather et al. 1974; Chien et al. 2012). Поскольку рост клеток палочковидных бактерий имеет постоянную ширину, окружность средней клетки остается постоянной.Таким образом, титрование FtsZ по периметру средней клетки может дать зависящий от размера сигнал для инициации цитокинеза (B). Хотя модели титрования имеют неотъемлемую привлекательность для контроля репликации и деления у бактерий в зависимости от размера, они недостаточно протестированы, и мы отсылаем читателя к Левину и Ангерту (2015) за предостережениями в отношении этих моделей.

Недавно было показано, что клетки C. crescentus , B. subtilis и E. coli не подлежат строгому регулированию размера клеток (Amir 2014; Campos et al.2014; Джун и Тахери-Араги 2015; Taheri-Araghi et al. 2015). Скорее, для конкретного вида бактерий, растущего в определенной среде, все клетки растут примерно в одинаковом количестве в течение цикла деления, независимо от их размера при рождении. Таким образом, колебания размера клеток не компенсируются в одноклеточном цикле, а смягчаются в течение нескольких циклов деления. То, что несколько групп независимо друг от друга пришли к феноменологической модели, основанной на постоянном увеличении размера за цикл деления, требует, по крайней мере, переформулирования существующих моделей титрования на основе бактериальной ДНК или цитокинетических колец.

ГЕОМЕТРИЧЕСКОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ РАЗМЕРА ДЕЛЕНИЯ ДРОЖЖЕЙ

Подобно E. coli , делящиеся дрожжи имеют форму стержня и растут за счет удлинения при постоянной ширине, так что объем пропорционален длине (Mitchison 2003). Было высказано предположение, что делящиеся дрожжи используют пространственный градиент митотического ингибитора Pom1, исходящего от его полюсов, для измерения размера клеток геометрически через длину (Martin and Berthelot-Grosjean 2009; Moseley et al. 2009). В этой модели деление происходит, когда концентрация Pom1 опускается ниже критической концентрации в средней клетке, что происходит при определенной длине клетки.

Pom1 регулирует митотическую триггерную сеть, сосредоточенную на конкурирующей паре киназы и фосфатазы, Wee1 и Cdc25, которая регулирует активность Cdk. Pom1 ингибирует Wee1-ингибирующие киназы, Cdr1 и Cdr2, которые локализуются в специфических узлах в средней клетке (Deng and Moseley 2013). По мере роста клетки градиент Pom1 от полюсов гарантирует, что его концентрация в средней клетке снижается, что может позволить Cdr1 и Cdr2 инактивировать Wee1 и тем самым способствовать митотическому входу. Возмущения градиента Pom1 приводят как к изменениям в распределении Cdr2, так и к размеру клеток (Martin and Berthelot-Grosjean 2009; Moseley et al.2009; Hachet et al. 2011; Bhatia et al. 2013).

Однако несколько недавних результатов начали ставить под сомнение градиентную модель. Во-первых, масштаб длины экспоненциального градиента Pom1 (~ 1.5 мкм) оказывается слишком коротким, чтобы точно измерить длину клетки> 10 мкм (Saunders et al. 2012). Во-вторых, градиент с трудом объясняет, почему соотношение ДНК и цитоплазмы сохраняется в клетках делящихся дрожжей с разной плоидностью и у чувствительных к температуре мутантов цитокинеза (Neumann and Nurse 2007).В-третьих, у мутантов делящихся дрожжей разной ширины объем в митозе был более изменчивым, чем площадь, что указывает на модель, основанную на площади поверхности (Pan et al. 2014). Наконец, контроль размера клеток происходит, хотя и менее эффективно, в клетках, лишенных регуляции Cdk1 с помощью Wee1 и Cdc25, указывая тем самым, что путь Pom1 определенно не единственный механизм контроля размера (Coudreuse and Nurse 2010; Wood and Nurse 2013).

ПЕРЕКЛЮЧАТЕЛИ РАЗМЕРА КЛЕТОК НА ОСНОВЕ ТИТРАЦИИ

Чтобы связать рост и пролиферацию, механизмы определения размера регулируют переходы клеточного цикла, которые обычно похожи на переключатели и связаны с порогово-сверхчувствительными ответами.Переходы, подобные переключателям, используются для обеспечения координации последующих ответов. Например, подобное переключателю увеличение активности Cdk обеспечивает когерентную транскрипцию регуляторов фазы G ₁ / S, полную репликацию генома во время фазы S и устойчивое фосфорилирование митотических мишеней (Georgi et al. 2002; Скотейм и др. 2008; Феррелл и др. 2009; Койвомаги и др. 2011; Янг и др. 2013).

При некоторых условиях механизмы титрования могут напрямую вызывать сверхчувствительные ответы (Buchler and Louis 2008).Например, титрование стехиометрическим ингибитором с высоким сродством может привести к появлению кривой сверхчувствительного ответа. Рассмотрим два белка A и B, которые связываются с образованием неактивного комплекса AB. Ответ можно охарактеризовать как количество активного A как функцию общего количества A при фиксированном количестве B. Для высокоаффинных взаимодействий с B низкие количества A будут полностью инактивированы B. количества А, ингибитор В в конечном итоге титруется, так что при превышении порогового значения количество активного А быстро увеличивается.В случае ДНК-связывающих белков, таких как DnaA, сайты-ловушки с высоким сродством могут служить целям стехиометрических ингибиторов, потому что эти сайты будут заняты до соответствующего сайта-мишени и, следовательно, будут титровать регулятор для создания сверхчувствительного ответа ( Китагава и др., 1996).

Хотя механизмы титрования могут вызывать сверхчувствительность, они не должны сами генерировать переключатель. Градиентные восходящие сигналы могут быть преобразованы в нисходящем направлении для получения отклика, подобного переключателю.Например, петли положительной обратной связи на переходах G ₁ / S и G ₂ / M преобразуют небольшие изменения входящего сигнала восходящей киназы в резкое увеличение активности нисходящей киназы, связанной со следующей фазой клеточного цикла (Pomerening et al. 2003; Skotheim et al. 2008). В случае почкующихся дрожжей дифференцированный сигнал Cln3 может быть связан через Whi5 с положительной обратной связью Cln1 / 2, чтобы вызвать резкое увеличение активности Cdk. Таким образом, переключатели нисходящего потока могут генерировать пороговые отклики, тем самым облегчая любое такое требование к сигналу, зависящему от размера восходящего потока.

Дополнительные пути могут настраивать пороги размера в ответ на различные условия (Baroni et al. 1994; Tokiwa et al. 1994; Jorgensen and Tyers 2004). Пороговое значение размера можно модулировать путем регулирования либо восходящего сигнала, зависящего от размера, либо путем модификации компонентов контура обратной связи, которые влияют на чувствительность к восходящему сигналу. Это согласуется с наблюдениями основных компонентов передачи сигналов, производящих переключение, управляемое положительной обратной связью, и большего числа периферических сигнальных путей, изменяющих порог для достижения зависимых от состояния ответов (Sha et al.2003; Justman et al. 2009; Дончич и Скотейм 2013).

Независимо от того, сверхчувствительные они или нет, датчики размера на основе титрования относительно легко создать. Все, что им требуется, — это один компонент, который производится пропорционально размеру ячейки, а другой — постоянный. Многие белки соответствуют профилю титруемой молекулы, потому что большинство белков и РНК обнаруживаются в примерно постоянной концентрации во время цикла клеточного деления. Это подтверждается тем фактом, что цикл транскриптов дрожжей и млекопитающих составляет менее 20% (Spellman et al.1998; Whitfield et al. 2002; Oliva et al. 2005). Более того, полногеномный анализ открытых рамок считывания (ORF), помеченных зеленым флуоресцентным белком (GFP) у почкующихся дрожжей, пришел к выводу, что большая часть изменчивости в изобилии белка возникает из-за вариаций размера клеток (Newman et al. 2006). Это естественное следствие того, что в более крупных клетках содержится больше белка, и что пропорции большинства видов белков остаются относительно постоянными во время роста клеток. Любой из этих белков, «не зависящих от клеточного цикла», потенциально можно титровать по постоянному критерию, чтобы получить датчик размера.

Постоянные критерии гораздо реже встречаются в растущих клетках, потому что, как и белки, большинство органелл масштабируются в зависимости от размера клетки (см. Marshall 2015; Reber and Goehring 2015). Например, размер ядра относительно размера клетки мало варьируется. Размер ядра у дрожжей составляет ~ 8% -10% от размера клетки у множества мутантов (Neumann and Nurse 2007; Zhao et al. 2008). В отличие от органелл, масштабируемых по размеру клетки, ДНК является более многообещающим кандидатом в качестве критерия, поскольку ее количество фиксировано для всех сегментов клеточного цикла, кроме S-фазы.Более того, размер зависит от содержания ДНК во многих экспериментальных и эндогенных контекстах, как обсуждалось выше. Таким образом, большинство ДНК-связывающих белков потенциально можно использовать в качестве датчика размера. Хотя ДНК может быть наиболее вероятным критерием, это не единственная возможность, поскольку синтез некоторых видов белков также не пропорционален размеру клетки (Wu et al. 2010). Действительно, недавние исследования почкующихся дрожжей показали, что ингибитор клеточного цикла Whi5 присутствует в одинаковых количествах в больших и малых клетках (Schmoller et al.2015). Титрование Whi5 против активатора клеточного цикла Cln3, синтез которого масштабируется с размером клетки, затем приводит к прогрессированию в зависимости от размера до G ₁ .

Размер клетки — одна из самых основных и определяющих характеристик данного типа клеток, однако молекулярные механизмы, лежащие в основе его контроля, остаются неуловимыми. Мы воодушевлены недавней работой, посвященной этой давней проблеме. Здесь мы рассмотрели текущее понимание механизмов определения размера и подчеркнули потенциал механизмов, основанных на титровании.Однако из-за легкости, с которой зависимые от размера сигналы могут генерироваться любым ДНК-связывающим белком постоянной концентрации, мы не ожидаем сохранения специфических регуляторных молекул.

БЛАГОДАРНОСТИ

Мы благодарим Дж. Тернера за полезные комментарии к обзору и Б. Френча за помощь в дизайне рисунков. Национальные институты здравоохранения (NIH) (R21HD073772; T32GM007276) и Burroughs Wellcome Fund (Career Awards at the Scientific Interface, CASI) поддержали эту работу.

Сноски

Редакторы: Ребекка Хилд, Исвар К. Харихаран и Дэвид Б. Уэйк

Дополнительные перспективы контроля размеров в биологии: от органелл к организмам доступны на сайте www.cshperspectives.org

ССЫЛКИ

* Ссылка также в этой коллекции .

Амир А. 2014. Регулирование размера клеток у бактерий. Phys Rev Lett 112: 208102. [Google Scholar] Amodeo AA, Jukam DJ, Straight AF, Skotheim JM. 2015 г. Титрование гистонов устанавливает порог ДНК для начала перехода в середину бластулы у Xenopus .Proc Natl Acad Sci 112: E1086 – E1095. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [Google Scholar] Андерсон CA, Eser U, Korndorf T, Borsuk ME, Skotheim JM, Gladfelter AS. 2013. Ядерное отталкивание обеспечивает автономность деления в единой цитоплазме. Curr Biol 23: 1999–2010. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [Google Scholar] Baroni MD, Monti P, Alberghina L. 1994. Подавление регулируемой ростом экспрессии циклина G ₁ циклическим АМФ в почкующихся дрожжах. Природа 371: 339–342. [PubMed] [Google Scholar] Бертоли К., Скотейм Дж. М., де Брюин Р. А..2013. Контроль транскрипции клеточного цикла во время фаз G _{, 1,} и S. Нат Рев Мол Cell Biol 14: 518–528. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [Ученый Google] Бхатиа П., Хашет О., Херш М., Ринкон С.А., Бертело-Грожан М., Далесси С., Бастерра Л., Бергманн С., Паолетти А., Мартин С.Г. 2013. Четкие уровни в градиентах Pom1 ограничивают активность и локализацию Cdr2 делением времени и положения. Клеточный цикл 13: 538–552. [PubMed] [Google Scholar] Брауэр MJ, Huttenhower C, Airoldi EM, Rosenstein R, Matese JC, Gresham D, Boer VM, Troyanskaya OG, Botstein D.2008 г. Координация скорости роста, клеточного цикла, реакции на стресс и метаболической активности дрожжей. Клетка Mol Biol 19: 352–367. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [Google Scholar] Бюхлер Н. Э., Луис М. 2008. Молекулярное титрование и сверхчувствительность в регуляторных сетях. Дж Мол Биол 384: 1106–1119. [PubMed] [Google Scholar] Цай Й, Футчер Б. 2013. Влияние дрожжевого РНК-связывающего белка Whi3 на период полужизни и количество мРНК CLN3 и других мишеней. PLoS ONE 8: e84630. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [Google Scholar] Кампос М., Суровцев И. В., Като С., Пайнтдахи А., Белтран Б., Эбмайер С. Е., Якобс-Вагнер К.2014 г. Расширение постоянного размера способствует гомеостазу размера бактериальных клеток. Клетка 159: 1433–1446. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [Google Scholar] Карлсон Ч.Р., Граллерт Б., Стокке Т., Бой Э., 1999. Регуляция начала репликации ДНК в Schizosaccharomyces pombe . J Cell Sci 112: 939–946. [PubMed] [Google Scholar] Кавал-Холм Ф., Пейн Дж., Скотейм Дж. М.. 2013. Ограничения на соотношение размеров взрослого и потомства у протистов. Эволюция 67: 3537–3544. [PubMed] [Google Scholar] Кавальер-Смит Т.2001 г. Obcells как протоорганизмы: наследственность мембран, литофосфорилирование и происхождение генетического кода, первых клеток и фотосинтеза. Дж Мол Эвол 53: 555–595. [PubMed] [Google Scholar] Чарвин Дж., Ойкономоу К., Сиггиа Э.Д., Cross FR. 2010 г. Возникновение необратимости начала клеточного цикла у почкующихся дрожжей. PLoS Biol 8: e1000284. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [Google Scholar] Колларт К., Аллен Г.Е., Брэдшоу К.Р., Смит Дж. К., Зегерман П. 2013. Титрование четырех факторов репликации необходимо для перехода в мидбластулу Xenopus laevis .Наука 341: 893–896. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [Google Scholar] Конлон I, Рафф М. 2003. Различия в том, как клетки млекопитающих и клетки дрожжей координируют рост клеток и развитие клеточного цикла. J Biol 2: 7. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [Google Scholar] Кук М., Тайерс М. 2007. Контроль размера становится глобальным. Curr Opin Biotechnol 18: 341–350. [PubMed] [Google Scholar] Кудрез Д., медсестра П. 2010. Управление клеточным циклом с минимальной сетью управления CDK. Природа 468: 1074–1079. [PubMed] [Ученый Google] Ди Талия С., Скотейм Дж. М., Бин Дж. М., Сиггиа Е. Д., Cross FR.2007 г. Влияние молекулярного шума и контроля размера на изменчивость клеточного цикла почкующихся дрожжей. Природа 448: 947–951. [PubMed] [Ученый Google] Ди Талия С., Ван Х., Скотейм Дж. М., Роузброк А. П., Футчер Б., Кросс Фр. 2009 г. Дочерние специфические факторы транскрипции регулируют контроль размера клеток у почкующихся дрожжей. PLoS Biol 7: e1000221. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [Google Scholar] Donachie WD. 1968 г. Связь между размером клетки и временем инициации репликации ДНК. Природа 219: 1077–1079. [PubMed] [Google Scholar] Дончич А., Скотейм Дж. М..2013. Регулирование с прямой связью обеспечивает стабильность и быструю обратимость клеточного состояния. Mol Cell 50: 856–868. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [Google Scholar] Эдгар Б.А., Орр-Уивер, TL. 2001 г. Циклы эндорепликационных клеток: больше за меньшие деньги. Клетка 105: 297–306. [PubMed] [Google Scholar] Эджингтон Н.П., Футчер Б. 2001. Связь между функцией и расположением G ₁ циклинов в S. cerevisiae . J Cell Sci 114: 4599–4611. [PubMed] [Google Scholar] Эллиотт С.Г., Маклафлин С.С.1978 г. Скорость синтеза макромолекул в клеточном цикле дрожжей Saccharomyces cerevisiae . Proc Natl Acad Sci 75: 4384–4388. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [Google Scholar] Eser U, Falleur-Fettig M, Johnson A, Skotheim JM. 2011 г. Стремление к клеточному переходу предшествует транскрипционным изменениям во всем геноме. Mol Cell 43: 515–527. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [Google Scholar] Фанкхаузер Г. 1945. Поддержание нормальной структуры у гетероплоидных личинок саламандры за счет компенсации изменений размера клеток путем корректировки количества и формы клеток.J Exp Zool 100: 445–455. [PubMed] [Google Scholar] Фантес П.А., Грант В.Д., Притчард Р.Х., Садбери П.Е., Уилс А.Е. 1975 г. Регулирование размера клеток и контроль митоза. J Теор Биол 50: 213–244. [PubMed] [Google Scholar] Феррелл Дж. Младший, Помереннинг Дж. Р., Ким С.Ю., Траннелл Н.Б., Сюн В., Хуанг С.Й., Махледер Е.М. 2009 г. Простые, реалистичные модели сложных биологических процессов: положительная обратная связь и бистабильность в переключателе клеточной судьбы и осцилляторе клеточного цикла. FEBS Lett 583: 3999–4005. [PubMed] [Google Scholar] Ферресуэло Ф., Коломина Н., Палмизано А., Гари Э, Гальего С., Чикаш-Надь А., Алдеа М.2012 г. Критический размер устанавливается на уровне одной клетки в зависимости от скорости роста для достижения гомеостаза и адаптации. Nat Commun 3: 1012. [PubMed] [Google Scholar] Гари Э, Вольпе Т., Ван Х, Гальего С., Футчер Б., Алдеа М. 2001. Whi3 связывает мРНК циклина CLN3 G ₁ , чтобы модулировать судьбу клеток у почкующихся дрожжей. Genes Dev 15: 2803–2808. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [Google Scholar] Георги А.Б., Стукенберг П.Т., Киршнер М.В. 2002 г. Время событий митоза. Curr Biol 12: 105–114. [PubMed] [Google Scholar] Годин М., Дельгадо Ф.Ф., Сон С., Гровер У.Х., Брайан А.К., Цур А., Йоргенсен П., Пайер К., Гроссман А.Д., Киршнер М.В. и др.2010 г. Использование плавучей массы для измерения роста отдельных клеток. Нат методы 7: 387–390. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [Google Scholar] Горанов А.И., Кук М., Ричикова М., Бен-Ари Г., Гонсалес С., Хансен С., Тайерс М., Амон А. 2009. Скорость роста клеток определяется стадией клеточного цикла. Genes Dev 23: 1408–1422. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [Google Scholar] Грегори Т.Р. 2000 г. Нуклеотипические эффекты без ядер: размер генома и размер эритроцитов у млекопитающих. Геном 43: 895–901. [PubMed] [Google Scholar] Гатри С.2007 г. Формирование паттерна и управление аксонами черепных мотонейронов. Nat Rev Neurosci 8: 859–871. [PubMed] [Google Scholar] Хашет О., Бертело-Грожан М., Коккорис К., Винченцетти В., Мосбруггер Дж., Мартин С.Г. 2011 г. Цикл фосфорилирования формирует градиенты киназы Pom1 семейства DYRK на плазматической мембране. Клетка 145: 1116–1128. [PubMed] [Google Scholar] Harvey SL, Kellogg DR. 2003 г. Сохранение механизмов, контролирующих вступление в митоз: почкующиеся дрожжи wee1 задерживают вступление в митоз и необходимы для контроля размера клеток.Curr Biol 13: 264–275. [PubMed] [Google Scholar] Ирле Т., Ширенберг Э. 2002. Потенциал развития слитых ооцитов Caenorhabditis elegans : образование гигантских эмбрионов и эмбрионов-близнецов. Dev Genes Evol 212: 257–266. [PubMed] [Google Scholar] Евтич П., Леви Д.Л. 2015 г. Масштабирование размера ядра во время раннего развития Xenopus вносит вклад в синхронизацию перехода в среднюю бластулу. Curr Biol 25: 45–52. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [Google Scholar] Йоргенсен П., Тайерс М. 2004. Как клетки координируют рост и деление.Curr Biol 14: R1014 – R1027. [PubMed] [Google Scholar] Йоргенсен П., Нисикава Дж. Л., Брейткройц Б. Дж., Тайерс М. 2002. Систематическая идентификация путей, которые связывают рост и деление клеток у дрожжей. Наука 297: 395–400. [PubMed] [Google Scholar] Джун С., Тахери-Араги С. 2015. Поддержание размера ячейки: раскрыта универсальная стратегия. Тенденции Microbiol 23: 4–6. [PubMed] [Google Scholar] Justman QA, Serber Z, Ferrell JE Jr, El-Samad H, Shokat KM. 2009 г. Настройка порога активации киназной сети с помощью вложенных петель обратной связи.Наука 324: 509–512. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [Google Scholar] Кафри Р., Леви Дж., Гинзберг МБ, О С., Лахав Дж., Киршнер М.В. 2013. Динамика, извлеченная из фиксированных клеток, показывает обратную связь, связывающую рост клеток с клеточным циклом. Природа 494: 480–483. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [Google Scholar] Kaguni JM. 2006 г. DnaA: контроль инициации репликации бактериальной ДНК и многое другое. Анну Рев Микробиол 60: 351–375. [PubMed] [Google Scholar] Китагава Р., Мицуки Х., Окадзаки Т., Огава Т. 1996. Новый сайт связывания белка DnaA на 94.7 мин на хромосоме Escherichia coli . Мол Микробиол 19: 1137–1147. [PubMed] [Google Scholar] Койвомаги М., Валк Э., Вента Р., Иофик А., Лепику М., Балог Э. Р., Рубин С. М., Морган Д. О., Луг М. 2011. Каскады мультисайтового фосфорилирования контролируют разрушение Sic1 в начале S-фазы. Природа 480: 128–131. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [Google Scholar] Квон Ч., Чжу X, Чжан Дж., Кнуп Л.Л., Тарп Р., Смейн Р.Дж., Эберхарт К.Г., Burger PC, Baker SJ. 2001 г. Птен регулирует размер нейрональной сомы: модель болезни Лермитта-Дюкло на мышах.Нат Жене 29, 404–411. [PubMed] [Google Scholar] Лю X, Ван X, Ян X, Лю С., Jiang L, Qu Y, Hu L, Ouyang Q, Tang C. 2015. Надежная фиксация клеточного цикла у почкующихся дрожжей обеспечивается интеграцией сигналов. электронная жизнь 10.7554 / eLife.03977. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] Лобнер-Олесен А., Скарстад К., Хансен Ф.Г., фон Мейенбург К., Бойе Э. 1989. Белок DnaA определяет начальную массу Escherichia coli K-12. Клетка 57: 881–889. [PubMed] [Google Scholar] Люф Б., Фришкорн К. Р., Райтон К. К., Холман Х. Н., Бирарда Г., Томас BC, Сингх А., Уильямс К. Х., Зигерист К. Э., Триндж С. Г. и др.2015 г. Разнообразные некультивируемые ультрамалые бактериальные клетки в грунтовых водах. Nat Commun 10.1038 / ncomms7372. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] Мартин С.Г., Бертело-Грожан М. 2009. Полярные градиенты киназы Pom1 семейства DYRK связывают длину клетки с клеточным циклом. Природа 459: 852–856. [PubMed] [Google Scholar] Масуи Й, Ван П. 1998. Переход клеточного цикла в раннем эмбриональном развитии Xenopus laevis . Биологическая ячейка 90: 537–548. [PubMed] [Google Scholar] Mayer VW, Goin CJ, Arras CA, Taylor-Mayer RE.1992 г. Сравнение химически индуцированной потери хромосом у диплоидного, триплоидного и тетраплоидного штаммов Saccharomyces cerevisiae . Mutat Res 279: 41–48. [PubMed] [Google Scholar] McNulty JJ, Lew DJ. 2005 г. Swe1p отвечает на возмущение цитоскелета, а не на размер зачатка, в S. cerevisiae . Curr Biol 15: 2190–2198. [PubMed] [Google Scholar] Миллер М.Э., Cross FR. 2000 г. Четкие паттерны субклеточной локализации вносят вклад в функциональную специфичность циклинов Cln2 и Cln3 Saccharomyces cerevisiae .Mol Cell Biol 20: 542–555. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [Google Scholar] Mitchison JM. 2003 г. Рост во время клеточного цикла. Int Rev Cytol 226: 165–258. [PubMed] [Google Scholar] Monds RD, Lee TK, Colavin A, Ursell T., Quan S, Cooper TF, Huang KC. 2014 г. Систематическое нарушение функции цитоскелета обнаруживает линейную масштабную взаимосвязь между геометрией клетки и приспособленностью. Сотовый представитель 9: 1528–1537. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [Google Scholar] Мортимер Р.К. 1958 г. Радиобиологические и генетические исследования полиплоидного ряда (от гаплоида до гексаплоида) Saccharomyces cerevisiae .Radiat Res 9: 312–326. [PubMed] [Google Scholar] Мозли Дж. Б., Майё А., Паолетти А., медсестра П. 2009. Пространственный градиент координирует размер клетки и митотический вход у делящихся дрожжей. Природа 459: 857–860. [PubMed] [Google Scholar] Наир Д.Р., Д’Аусилио, Калифорния, Окчипинти П., Борсук М.Э., Гладфельтер А.С. 2010 г. Консервативная регуляторная цепь G ₁ способствует асинхронному поведению ядер, разделяющих общую цитоплазму. Клеточный цикл 9: 3771–3779. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [Google Scholar] Neufeld TP, de la Cruz AF, Johnston LA, Edgar BA.1998 г. Координация роста и деления клеток в крыле Drosophila . Клетка 93: 1183–1193. [PubMed] [Google Scholar] Ньюман Дж. Р., Гаеммагами С., Ихмелс Дж., Бреслоу Д. К., Нобл М., ДеРизи Дж. Л., Вайсман Дж. С.. 2006 г. Одноклеточный протеомный анализ S. cerevisiae раскрывает архитектуру биологического шума. Природа 441: 840–846. [PubMed] [Google Scholar] Ньюпорт Дж., Киршнер М. 1982a. Главный переход в развитии ранних эмбрионов Xenopus . I: характеристика и сроки клеточных изменений на стадии средней бластулы.Клетка 30: 675–686. [PubMed] [Google Scholar] Ньюпорт Дж., Киршнер М. 1982b. Главный переход в развитии ранних эмбрионов Xenopus . II: Контроль начала транскрипции. Клетка 30: 687–696. [PubMed] [Google Scholar] Олива А., Роузброк А., Ферресуэло Ф., Пайн С., Чен Х., Скиена С., Футчер Б., Лезервуд Дж. 2005. Гены, регулируемые клеточным циклом Schizosaccharomyces pombe . PLoS Biol 3: e225. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [Google Scholar] Оселла М., Наджент Э., Косентино Лагомарсино М.2014 г. Согласованный контроль деления клеток Escherichia coli . Proc Natl Acad Sci 111: 3431–3435. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [Google Scholar] Паленик Б., Гримвуд Дж., Аэртс А., Руз П., Саламов А., Патнэм Н., Дюпон С., Йоргенсен Р., Дерелль Е., Ромбоутс С. и др. 2007 г. Крошечный эукариот Ostreococcus дает геномное понимание парадокса видообразования планктона. Proc Natl Acad Sci 104: 7705–7710. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [Google Scholar] Пейн Дж. Л., Гровс Дж. Р., Йост А. Б., Нгуен Т., Моффит С. Е., Hill TM, Скотейм Дж. М..2012 г. Позднепалеозойский фузулиноидовый гигантизм, вызванный атмосферной гипероксией. Эволюция 66: 2929–2939. [PubMed] [Google Scholar] Пейн Дж. Л., Йост А. Б., Ван С. К., Скотейм Дж. М.. 2013. Сдвиг в долгосрочном режиме эволюции размеров фораминифер, вызванный массовым вымиранием в конце перми. Эволюция 67: 816–827. [PubMed] [Google Scholar] Помереннинг JR, Зонтаг ED, Феррелл JE Jr. 2003. Построение осциллятора клеточного цикла: гистерезис и бистабильность активации Cdc2. Nat Cell Biol 5: 346–351. [PubMed] [Google Scholar] Сондерс Т.Э., Пан К.З., Анхель А., Гуан Й, Шах Дж. В., Ховард М., Чанг Ф.2012 г. Снижение шума внутриклеточного градиента pom1p с помощью механизма динамической кластеризации. Dev Cell 22: 558–572. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [Google Scholar] Schmoller K, Turner JJ, Koivomagi M, Skotheim JM. 2015 г. Разведение ингибитора клеточного цикла Whi5 контролирует размер клеток почкующихся дрожжей. Природа (под давлением). [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [Google Scholar] Schulz HN, Brinkhoff T, Ferdelman TG, Marine MH, Teske A, Jorgensen BB. 1999 г. Плотные популяции гигантской серной бактерии в отложениях шельфа Намибии.Наука 284: 493–495. [PubMed] [Google Scholar] Ша В., Мур Дж., Чен К., Лассалетта А.Д., Йи К.С., Тайсон Дж. Дж., Сибл Дж. К.. 2003 г. Гистерезис управляет переходами клеточного цикла в экстрактах яиц Xenopus laevis . Proc Natl Acad Sci 100: 975–980. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [Google Scholar] Skotheim JM, Di Talia S, Siggia ED, Cross FR. 2008 г. Положительная обратная связь циклинов G ₁ обеспечивает когерентный вход в клеточный цикл. Природа 454: 291–296. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [Google Scholar] Сон С., Цур А., Вен Й, Йоргенсен П., Ким Дж., Киршнер М. В., Маналис С. Р..2012 г. Прямое наблюдение за ростом и размером клеток млекопитающих. Нат методы 9: 910–912. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [Google Scholar] Spellman PT, Sherlock G, Zhang MQ, Iyer VR, Anders K, Eisen MB, Brown PO, Botstein D, Futcher B. 1998. Комплексная идентификация регулируемых клеточным циклом генов дрожжей Saccharomyces cerevisiae с помощью гибридизации на микрочипах. Клетка Mol Biol 9: 3273–3297. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [Google Scholar] Sung Y, Tzur A, Oh S, Choi W, Li V, Dasari RR, Yaqoob Z, Kirschner MW.2013. Размерный гомеостаз в прикрепленных клетках изучен методом синтетической фазовой микроскопии. Proc Natl Acad Sci 110: 16687–16692. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [Google Scholar] Свейцер А., Новак Б., Митчисон Дж. М.. 1996 г. Еще раз о контроле размера делящихся дрожжей. J Cell Sci 109: 2947–2957. [PubMed] [Google Scholar] Taheri-Araghi S, Bradde S, Sauls JT, Hill NS, Levin PA, Paulsson J, Vergassola M, июнь С. 2015 г. Контроль размера клеток и гомеостаз у бактерий. Curr Biol 25: 385–391. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [Google Scholar] Таутвидас К.Дж.1976 г. Доказательства эндоредупликации хромосом у колониальной водоросли Eudorina californica . Дифференциация 5: 35–42. [PubMed] [Google Scholar] Тизер Р.М., Коллинз Дж. Ф., Доначи В. Д.. 1974 г. Количественное поведение диффундирующего фактора, который инициирует образование перегородки в потенциальных сайтах деления в Escherichia coli . J Бактериол 118: 407–413. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [Google Scholar] Токива Г., Тайерс М., Вольпе Т., Футчер Б. 1994. Ингибирование активности циклина G ₁ путем Ras / cAMP в дрожжах.Природа 371: 342–345. [PubMed] [Google Scholar] Траас Дж., Хульскэмп М., Жендро Э., Хофте Х. 1998. Эндоредупликация и развитие: Правило без деления? Курр Опин Завод Биол 1: 498–503. [PubMed] [Google Scholar] Тайерс М., Токива Г., Футчер Б. 1993. Сравнение циклинов Saccharomyces cerevisiae G ₁ : Cln3 может быть активатором выше по течению для Cln1, Cln2 и других циклинов. EMBO J 12: 1955–1968. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [Google Scholar] Тайсон Дж. Дж., Дикманн О. 1986. Неаккуратный контроль размера цикла клеточного деления.J Теор Биол 118: 405–426. [PubMed] [Google Scholar] Тайсон Дж. Дж., Ханнсген КБ. 1985 г. Распределения размера клеток и времени генерации в модели клеточного цикла, включающей контроль размера и случайные переходы. J Теор Биол 113: 29–62. [PubMed] [Google Scholar] Вержес Э., Коломина Н., Гари Э., Гальего К., Алдеа М. 2007. Циклин Cln3 удерживается в ER и высвобождается J шапероном Ydj1 в конце G ₁ для запуска входа в клеточный цикл. Mol Cell 26: 649–662. [PubMed] [Google Scholar] Уоллес Р.А., Мисуловин З., Эткин Л.Д.1981 г. Полноценные ооциты Xenopus laevis возобновляют рост после помещения в культуру. Proc Natl Acad Sci 78: 3078–3082. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [Google Scholar] Ван Х, Гари Э, Вержес Э, Гальего С., Алдеа М. 2004. Рекрутирование Cdc28 с помощью Whi3 ограничивает накопление в ядре комплекса G ₁ cyclin-Cdk поздним G ₁ . EMBO J 23: 180–190. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [Google Scholar] Ватанабэ Н., Исихара Т., Охима Ю. 2007. Мутанты, несущие две мутации SMA, очень малы у нематоды C.elegans . Гены Клетки 12: 603–609. [PubMed] [Google Scholar] Уитфилд М.Л., Шерлок Дж., Салдана А. Дж., Мюррей Дж. И., Болл Калифорния, Александр К. Э., Матезе Дж. К., Перу С. М., Хёрт М. М., Браун П. О. и др. 2002 г. Идентификация генов, периодически экспрессируемых в клеточном цикле человека, и их экспрессия в опухолях. Клетка Mol Biol 13: 1977–2000. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [Google Scholar] Уилсон Э.Б. 1926 г. Клетка в развитии и наследственности, стр. 916–923. Макмиллан, Нью-Йорк. [Google Scholar] Яхья Г., Паризи Э., Флорес А., Гальего С., Алдеа М.2014 г. Закрепленная на Whi7 петля контролирует комплекс G ₁ Cdk-cyclin в начале. Mol Cell 53: 115–126. [PubMed] [Google Scholar] Ямагиши М., Ито Э., Мацуо Р. 2011. Эндорепликация ДНК в нейронах головного мозга при росте тела взрослого слизняка. J Neurosci 31: 5596–5604. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [Google Scholar] Сапата Дж., Дефур Н., Макдоноу Т., Ю Й., Парнелл Э. Дж., Моринг М., Гайги С.П., Стиллман Д.Д., Келлог Д.Р. 2014 г. PP2ARts1 является главным регулятором путей, контролирующих размер клеток. J Cell Biol 204: 359–376.[Бесплатная статья PMC] [PubMed] [Google Scholar] Zhao H, Dreses-Werringloer U, Davies P, Marambaud P. 2008. Разложение пептида амилоида-β в культурах клеток загрязнителями микоплазм. BMC Res Примечания 1: 38. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [Google Scholar]

О правильном размере (ячейки)

Аннотация

Различные типы клеток животных имеют отличительные и характерные размеры. То, как конкретный размер клетки определяется программами дифференцировки и физиологией, остается одним из фундаментальных неизвестных в клеточной биологии.В этом обзоре мы исследуем доказательства того, что отдельные клетки автономно определяют и определяют свой размер. Мы обсуждаем возможные механизмы, с помощью которых может происходить определение размера и определение размера. Наконец, мы исследуем физиологические последствия контроля размера. Почему важно, чтобы определенные типы клеток поддерживали определенный размер? Мы разрабатываем эти вопросы, изучая текущую литературу, и ставим вопросы, которые, как мы ожидаем, будут определять направление в этой области в предстоящие годы.

Введение

Ранние цитологи обнаружили, что в пределах вида количество клеток, а не размер клеток делает одну особь крупнее другой; размер ячейки относительно постоянен (1).Хотя это, кажется, понижает значение вопроса о размере клетки в пользу пролиферативного потенциала, возникает любопытный вопрос о том, как клетки обычного типа клеток достигают такого однородного размера, но при этом способны изменять свой размер на порядки во время дифференцировки или в процессе дифференцировки. реакция на физиологические раздражители. Например, бета-клетки поджелудочной железы окружены ацинарными клетками, которые примерно вдвое превышают размер, а хондроциты увеличивают свой объем в 10-20 раз во время гипертрофического роста костей (2).Эти примеры, среди прочих (), демонстрируют, что размер ячейки не является результатом физических ограничений, а скорее регулируется адаптивно. Что же тогда определяет размер конкретной ячейки?

Размеры различных типов клеток человека. Ячейки показаны в масштабе. Бета-клетки поджелудочной железы (окрашенные инсулином и ДНК) (76), гепатоциты (окрашенные β-катенином и ДНК) (77), кератиноциты из тканей полости рта (78), фибробласты (79), адипоциты из подкожной ткани (80).

Большая часть работы по этому вопросу была сосредоточена на идентификации внеклеточных факторов (и их внутриклеточных ответных путей), которые вызывают изменения в размере клеток.Эти исследования показали, что размер клетки в значительной степени контролируется рецепторами на ее клеточной поверхности и комбинациями факторов роста, митогенов и цитокинов в окружающей среде. В 1980-х годах (3, 4) Зеттерберг и его коллеги проводили различие между факторами, такими как инсулиноподобный фактор роста 1 (IGF-1) и инсулин, которые в первую очередь инициируют рост клеток, и такими факторами, как эпидермальный фактор роста (EGF), которые в первую очередь стимулируют рост клеток. развитие клеточного цикла даже при отсутствии роста. Например, в шванновских клетках IGF-1 функционирует в первую очередь как фактор роста, увеличивающий клеточную массу, в то время как глиальный фактор роста (GGF) действует как митоген, индуцирующий пролиферацию (5, 6).Следовательно, размером шванновских клеток можно управлять, регулируя относительные концентрации IGF-1 и GGF в их среде. Эти открытия заставили некоторых сделать вывод, что в пролиферирующих клетках животных рост и развитие клеточного цикла являются независимыми процессами, каждый из которых управляется внеклеточными сигналами. Согласно этой точке зрения, размер сам по себе активно не контролируется, а просто является результатом независимого контроля скорости роста и деления клеток.

Хотя ясно, что внеклеточные факторы роста и митогены могут запускать изменения в размере клеток, такие сигналы не учитывают, как ограничивается дисперсия размера клеток, чтобы достичь однородности размера клеток, обычно наблюдаемой в тканях ().Эти внеклеточные сигналы могут определять средний размер клеток, но отдельные клетки все равно будут отклоняться от этого среднего. Вариабельность размера клеток может возникать из-за вариабельности скорости роста и длины клеточного цикла или асимметрии клеточного деления. Эти источники неизбежных вариаций поднимают вопрос о том, существуют ли клеточные механизмы, которые могут действовать для увеличения однородности размеров. Различия в размерах можно уменьшить только с помощью процессов, которые по-разному влияют на клетки разных размеров, несмотря на то, что они находятся в одной и той же среде.Такой процесс может уменьшить гетерогенность за счет устранения клеток, которые сильно отклоняются от среднего значения, из-за гибели или дифференцировки клеток. С другой стороны, процесс дискриминации по размеру может заставить большие клетки накапливать меньшую массу, чем маленькие, в ответ на идентичные внеклеточные сигналы. Этот вид контроля требует механизма, с помощью которого отдельные клетки измеряют свой собственный размер и регулируют длину своего клеточного цикла, скорость роста или и то, и другое, если необходимо, для достижения общего целевого размера. В этом обзоре мы обсудим растущий объем доказательств существования таких механизмов и ответим на следующие вопросы:

1. Есть ли у клеток животных механизмы для автономного измерения и корректировки их индивидуальных размеров?

2. Указывает ли наличие таких механизмов на то, что существует оптимальный размер клетки для конкретной функции клетки?

Однородность размеров клеток в здоровых тканях контрастирует с неоднородностью размеров клеток в плеоморфных опухолях.(A) Срез шиповатого слоя эпидермиса используется для иллюстрации единообразия размера клеток, типичного для эпителиальных тканей. (B) Эта однородность контрастирует с крайними различиями в размере клеток в типичной плеоморфной меланоме. Изображение Stratum spinosum было взято с http://www.studyblue.com/, а раздел меланомы — с Pathpedia (http://www.pathpedia.com/).

Наше обсуждение контроля размера клеток будет сосредоточено на пролиферирующих популяциях клеток, которые были более подробно изучены в этом контексте, хотя многие из поднятых вопросов актуальны также и для непролиферирующих тканей.

Способы ограничения неоднородности в размере клеток

В пролиферирующих клетках изменчивость размера может быть ограничена, если клетки продвигаются по клеточному циклу в зависимости от размера (). Клетки, которые рождаются маленькими, будут иметь больше времени для роста до следующего деления по сравнению с крупными клетками, которые делятся быстрее. Несколько групп предположили, что клетки млекопитающих имеют порог размера для выхода из фазы G1 клеточного цикла (7-9), как это наблюдалось у почкующихся дрожжей (10).Чтобы порог размера работал, размер клетки должен быть сообщен процессам, регулирующим клеточный цикл. «Сигналом» может быть количество конкретного белка или модификации белка, расстояние между особенностями цитоскелета или даже количество или размер соседей клетки.

Чтобы выйти из G1 с соответствующим размером, ячейки могут либо отрегулировать количество времени, затрачиваемое в G1 (A), либо скорость, с которой они растут (B).

Вместо (или в дополнение к) изменения длины своего клеточного цикла в зависимости от размера, клетки также могут достигать своего целевого размера, регулируя скорость их роста, так что маленькие клетки растут быстро, а большие клетки растут медленно () .Эта корректировка темпа роста может быть модулирована сигналами, описанными выше. В качестве альтернативы скорость роста и конечный размер клеток можно определить с помощью «точки баланса» синтеза и деградации. Если, например, клетки синтезируют белки с фиксированной скоростью, но разлагают их со скоростью, пропорциональной их общему размеру клеток, чистый рост замедлится по мере увеличения размера клетки. Обратите внимание, что это нетривиальное условие, поскольку оно требует, чтобы деградация зависела от общего количества белка в клетке, а не от концентрации белка.

Свидетельства для автономного измерения размера ячеек

Появляется все больше свидетельств того, что клетки автономно регулируют свой размер, чтобы уменьшить вариацию размера ячеек. В 1965 году Килландер и Зеттерберг использовали интерферометрическую микроскопию для измерения сухой массы отдельных фибробластов как функции времени с момента деления. Они сообщили, что клетки, которые недавно вошли в S-фазу, были менее изменчивыми по размеру, чем клетки в начале G1 (8). Оказалось, что вступление в S-фазу в большей степени зависит от размера клетки, чем от ее возраста, поскольку клетки вступают в S-фазу с одинаковыми размерами, тогда как их возраст при входе в S-фазу широко варьируется.Эти результаты предполагают, что в клетках животных может существовать порог размера клетки, блокирующий выход из G1. Killander et al. также показали, что клетки, разделенные на отдельные чашки для культивирования, часто имеют небольшие различия в фенотипах, включая размер клеток (7). Сравнивая размер клеток и распределение клеточного цикла в разных культурах, они заметили, что популяции с меньшими средними размерами при рождении имели более длинные средние длины G1, так что клетки выходили из G1 с одинаковым размером во всех популяциях. Они пришли к выводу, что для входа в S-фазу требуется критическая масса клеток ().

В популяциях пролиферирующих клеток однородность размера может быть обеспечена путем связывания процессов роста и развития клеточного цикла. Один из способов достижения этого — ограничение прохождения определенной стадии клеточного цикла (например, переход G1 / S) клетками, которые достигли определенного «целевого» размера.

Зависимость длины G1 от размера ячейки также наблюдалась Dolznig et al. (9). Они сконструировали птичьи эритробласты для пролиферации в отсутствие цитокинов под контролем конститутивно активного EGF-R1, v-ErbB.Когда передача сигналов v-ErbB блокировалась ингибитором EGF-R и клетки снабжались соответствующими цитокинами, они пролиферировали под контролем своих физиологических рецепторов c-Kit и EpoR. Клетки были значительно больше, когда они управлялись v-ErbB, чем они были во время пролиферации, управляемой c-Kit / EpoR. Dolznig et al. контролировали распределение клеточного цикла после переключения клеток с v-ErbB- на c-Kit / EpoR-управляемую пролиферацию. Они рассудили, что если существует порог размера, который снижается при пролиферации, управляемой c-Kit / EpoR, первый клеточный цикл после переключения должен быть короче, чем последующие циклы.Это ожидание оправдалось, предполагая, что существует порог размера на выходе из G1, на который влияют внеклеточные условия. В то время как результаты Килландера и Зеттерберга можно объяснить корреляцией между длиной G1 и размером в любой точке G1, работа Дользнига предполагает, что истинный порог размера ограничивает выход из G1. Примечательно, что Echave et al. (11) перенесли клетки Шванна из 3% сыворотки (в которой они сохраняют большой размер) в бессывороточную среду (в которой они маленькие) и не смогли увидеть укорочение первого клеточного цикла.Это несоответствие может быть связано с различиями в условиях эксперимента или типом клеток.

Kafri et al. предоставили доказательства дискриминирующего по размеру процесса, который снижает вариабельность клеточной массы (оцениваемую по окрашиванию белка) на выходе из G1 в нескольких нормальных и трансформированных клеточных линиях (12). Чтобы выявить координацию роста и развития клеточного цикла, используя фиксированные несинхронизированные клеточные препараты, они применили фундаментальный статистический принцип: в несинхронизированной популяции клеток доля клеток, характеризующихся определенным свойством или фенотипом, является функцией продолжительности периода события во время клеточного цикла, в которых проявляется этот фенотип.В частности, если клетки данного размера и положения клеточного цикла недостаточно представлены в популяции, эти клетки должны либо расти, либо быстрее проходить эту стадию клеточного цикла. На основе этого «анализа эргодической скорости» (ERA) больших популяций, снятых на одном изображении, они обнаружили заметный отпечаток регуляции обратной связи. В конце G1 большие клетки отличаются от мелких в процессе, который заставляет большие клетки накапливать меньшую массу, чем более мелкие, тем самым уменьшая гетерогенность по размеру в популяции.Их выводы соответствовали одной из двух возможностей: более высокая скорость роста или более длительная продолжительность G1 для более мелких клеток.

Основным источником различий в размерах является изменение скорости роста отдельных клеток. Скорость роста отдельных клеток очень трудно измерить, требуя методов для устранения небольших различий в массе (доли массы одной клетки). Для решения этой проблемы Скотт Маналис и его коллеги разработали микрофлюидный резонатор, который измеряет плавучую массу отдельных клеток с исключительной точностью, позволяя измерять мгновенную скорость роста клетки с разрешением около 3 минут (13).Их эксперименты с предшественниками лимфоцитов мыши предоставили первые высокоточные прямые измерения кривых роста отдельных клеток (14). Они наблюдали конвергенцию переменных темпов роста отдельных клеток по мере приближения к концу G1. При рождении существуют большие различия в скорости роста между отдельными клетками в популяции, и по мере прохождения клетками клеточного цикла скорость их роста постоянно увеличивается, создавая большее неравенство. Однако в этих клетках длина G1 обратно пропорциональна начальной скорости роста клетки, , а не размеру . Медленнорастущие клетки удерживаются в G1, что дает им больше времени для ускорения своего роста, так что все клетки выходят из G1 с одинаковой скоростью роста. Эти результаты предполагают, что пороговые значения скорости роста выходят из G1. Такой механизм снизил бы скорость, с которой нарастает вариация во время роста клеток, как за счет предоставления более медленно растущим клеткам больше времени для роста между делениями, так и за счет уменьшения диспропорций в скорости роста. Альтернативная возможность, согласующаяся с этими наблюдениями, заключается в том, что клетки измеряют не скорость своего роста, а количество массы, накопленной с момента рождения.

Для многих исследователей в последние несколько десятилетий вопрос о том, регулируют ли клетки свой собственный размер, был связан с другим, более абстрактным вопросом: растут ли клетки с линейной или экспоненциальной кинетикой (15-19)? На первый взгляд может показаться, что последний вопрос не имеет большого биологического значения. Но при более внимательном рассмотрении различие между этими моделями имеет важные последствия. При экспоненциальном росте более крупные клетки растут быстрее, чем более мелкие клетки, усиливая любые существующие различия в размерах в пролиферирующих популяциях.Следовательно, доказательства того, что клетки растут экспоненциально и, как ожидается, будут отличаться по размеру, могут предполагать, что существуют регуляторные механизмы, чтобы уравновесить этот эффект и поддерживать гомеостаз размера.

Несмотря на элегантность этого утверждения, для фактического отличия экспоненциальной кинетики от линейной требуются измерения размера ячейки с погрешностью менее 6% (20), разрешение, которое до недавнего времени было технологически недоступно. Гениально обойдя эту проблему, в 1963 году Коллинз и Ричмонд (21) опубликовали метод расчета кинетики роста на основе трех статических распределений размеров: распределения новорожденных клеток, делящихся клеток и несинхронизированной популяции.Интуитивно понятно, что если вы наблюдаете очень мало клеток в несинхронизированной популяции с определенным размером, это может быть потому, что (i) клетки такого размера растут очень быстро (и тратят очень мало времени на этот объем), (ii) большинство новорожденных клеток больше чем это, или (iii) большинство клеток делятся до достижения этого размера. Сравнивая три распределения по размеру в соотношении Коллинза-Ричмонда, можно оценить эффекты (ii) и (iii), и можно вывести среднюю скорость роста для клеток любого заданного размера.Самый сложный аспект применения метода Коллинза-Ричмонда — это измерение размеров новорожденных и делящихся клеток. Эта проблема была преодолена в 2009 году (20) путем культивирования лимфобластов мыши, которые были неплотно прикреплены к мембране, так что одна дочерняя клетка от каждого митоза была освобождена, и объемы этих новорожденных клеток были измерены с помощью счетчика Коултера. Распределение делящихся клеток по размерам было выведено из предположения, что объем клетки непосредственно перед делением такой же, как общий объем двух полученных новорожденных.

Применение уравнения Коллинза-Ричмонда к измеренному распределению объема клеток показало, что кинетика роста является более сложной, чем линейная или экспоненциальная модели. В целом скорость роста лимфобластов увеличивается с увеличением размера клетки, что соответствует модели экспоненциального роста, хотя в самых крупных клетках эта тенденция меняется на противоположную. Кроме того, в начале G1 рост всех клеток ускоряется быстрее, чем предсказывается любой моделью. Степень этой сложности была дополнительно выявлена ​​с помощью недавно разработанных методов, описанных выше (12, 14), в которых подробно описано, как кинетика роста изменяется в течение клеточного цикла.

Обнаружение того, что рост зависит от размера на протяжении большей части клеточного цикла, предполагает, что лимфобласты должны иметь надежный механизм контроля размера. Чтобы исследовать эту возможность, авторы проследили распределение размеров синхронизированной популяции клеток в течение нескольких циклов. Они обнаружили, что для клеток одного возраста вероятность деления выше. Точно так же для двух ячеек равного размера более старая ячейка имеет больше шансов разделиться. Это означает, что деление лимфобластов регулируется как размером клетки, так и возрастом — что задействованы как «измеритель», так и «таймер».

Как ячейка может измерить свой размер?

В то время как изменения в размере клеток легко индуцируются внеклеточными условиями, такими как уровни фактора роста, клетки разных типов в общей среде демонстрируют характерные и отличительные размеры. Понятно, что разные типы клеток по-разному реагируют на одни и те же сигналы, так что различие в их размерах сохраняется. Комбинация состояния дифференцировки клетки и состава окружающей среды определяет конкретный целевой размер, который она будет поддерживать.Единообразие размера клеток большинства типов клеток предполагает, что отдельные клетки воспринимают свой индивидуальный размер по отношению к этому целевому размеру. Возможно, наиболее интригующим аспектом такого механизма регулирования является то, что и целевой размер клетки, и ее фактический размер должны оцениваться по абсолютным, а не относительным шкалам. Этот тип измерения абсолютного размера был предложен для кератиноцитов, которые различаются только при диаметрах от 12 до 14 мкм (22).

Как отдельные клетки могут оценивать свой размер по абсолютной, а не относительной шкале? Исследователи, изучающие контроль размера у делящихся дрожжей, Schizosaccharomyces pombe, предположили, что физической основой для определения размера является внутриклеточный градиент митотического ингибитора Pom1, концентрация которого высока на концах клетки и уменьшается к центру клетки (23-25).По мере того, как клетка S. pombe растет за счет удлинения, обедненная Pom1 область устанавливается в ее центре и играет роль в запуске митоза. Профиль концентрации внутриклеточного Pom1 был предложен в качестве линейки, отмечающей расстояние между кончиками клеток. Более поздняя работа, показывающая, что клетки поддерживают гомеостаз размера даже в отсутствие Pom1, привела других к выводу, что градиент Pom1 не является датчиком прямого размера, ответственным за отрицательную корреляцию между размером клетки при рождении и длиной клеточного цикла (26).Однако Pom1 действительно модулирует абсолютный размер для входа в митоз, возможно, предотвращая митоз вблизи концов клетки, тем самым обеспечивая минимальную длину клетки. В этом примере считается, что связь между развитием клеточного цикла и размером клетки является кинетикой системы реакции-диффузии. Несмотря на то, что большинству клеток не хватает морфологической простоты палочковидного S. pombe, возможно, что такие внутриклеточные градиенты служат клеточными «правителями» во многих контекстах.

Наблюдение за тем, что скорости роста предшественников лимфоцитов сходятся на выходе из G1, повышает вероятность того, что для развития клеточного цикла требуется целевая скорость роста, а не целевой размер, и что отдельные клетки измеряют свои собственные скорости роста.Есть свидетельства того, что этот тип механизма активен в почкующихся дрожжах Saccharomyces cerevisiae, где клетки должны достичь пороговой скорости синтеза белка, прежде чем перейти от G1 к S-фазе. Существует четко установленная связь между ростом и прогрессированием G1 / S у S. cerevisiae (см. (27) для подробного обзора), что отражается в отрицательной корреляции между размером клеток при рождении и продолжительностью G1 (28). Ди Талия и др. показали, что контроль размера налагается во время ранней части G1 и зависит от G1 циклина Cln3, тогда как поздние события G1 не зависят от размера (28).В малых ячейках G1 удлиняется, позволяя ячейкам приблизиться к «порогу размера» перед прохождением Start и последующим выходом из G1. В клетках S. cerevisiae скорость роста пропорциональна размеру (28), поэтому порог скорости роста, закрывающий выход из G1, будет давать видимость порога размера.

Cln3 был задействован как датчик скорости синтеза белка (29, 30). Cln3 — это ограничивающий скорость детерминант выхода из G1; мутанты с высоким содержанием Cln3 имеют более короткий G1 и меньший размер, чем клетки дикого типа (31).Связь между ростом клеток и выходом из G1 может лежать в 5′-нетранслируемой области CLN3, где открытая рамка считывания позволяет заметный синтез Cln3 только при наличии достаточного количества рибосом для обхода блока. Поскольку этот механизм сканирования с утечкой неэффективен, для синтеза Cln3 требуется минимальная скорость трансляции белка (29). Поскольку Cln3 очень нестабилен (31), его распространенность в любой момент времени указывает на текущую скорость трансляции. Эта работа предполагает, что у почкующихся дрожжей вход в клеточный цикл регулируется порогом общей скорости синтеза белка.Подобный порог был предложен для регулирования митотического входа. Как cdc25 (зависимый от дозы активатор митоза), так и мРНК G2 / M циклина cdc13 имеют длинные 5′-нетранслируемые области, содержащие открытые рамки считывания, что делает их уровни особенно чувствительными к скорости инициации трансляции (32).

Cln3 способствует прогрессированию клеточного цикла, снимая ингибирование фактора транскрипции SBF, активируя транскрипцию многих генов клеточного цикла, в том числе нижестоящих циклинов G1 Cln1 и ​​Cln2.Эти циклины дополнительно активируют SBF, запуская петлю положительной обратной связи, которая обеспечивает необратимую приверженность клеточному циклу («Старт») (33–35). Среди других способов действия Cln3 локализуется в сайтах связывания SBF в промоторе CLN2, где он высвобождает ингибитор SBF Whi5 (30). Титрование Cln3 против фиксированного количества сайтов связывания SBF в геноме может быть средством, с помощью которого клетка воспринимает общее количество Cln3, несмотря на увеличение объема клетки, которое, как ожидается, стабилизирует концентрацию Cln3 (30).

В системах позвоночных циклин E функционально гомологичен дрожжевому Cln3. Экспрессия человеческого циклина E может компенсировать потерю Cln3 в дрожжах, лишенных всех циклинов G1 (личное сообщение Keyomarsi K.). Активный циклин E активирует CDK2, тем самым способствуя выходу G1 и началу цикла клеточного деления. В соответствии с его ролью в клеточном цикле сверхэкспрессия циклина E укорачивает G1, что приводит к уменьшению размера клеток (36, 37).

Идея о том, что циклин E может служить сенсором скорости трансляции белков, аналогично Cln3, была впервые предложена Эдгаром и Нуэфельдом (37) в их работе по росту крылового диска дрозофилы.Как и Cln3, циклин E дрозофилы содержит несколько открытых рамок считывания в 5′-нетранслируемой области (38). Было обнаружено, что активация Ras, которая увеличивает размер клеток и скорость роста, вызывает посттранскрипционное увеличение уровней циклина E, способствуя прогрессированию G1 / S (39).

Сходным образом, в гепатоцитах млекопитающих изобилие циклина E сильнее коррелирует с ростом клеток, чем с развитием клеточного цикла (40–42). Трансфекция гепатоцитов циклином D вызывает пролиферацию через день после лечения.Шесть дней спустя гепатоциты демонстрируют небольшую пролиферацию, но увеличенный рост. Хотя количество мРНК циклина E сильно увеличивается во время более ранней фазы пролиферации, значительное увеличение количества белка циклина E происходит только позже, по мере роста клеток. Тот факт, что трансляция, но не транскрипция циклина E коррелирует с ростом клеток, предполагает, что он может служить датчиком скорости трансляции. Однако из-за коррелятивного характера этих результатов все еще необходимы дальнейшие исследования, чтобы определить, действительно ли циклин E связывает рост клеток с развитием клеточного цикла.Другой потенциальный датчик скорости трансляции — фактор транскрипции E2F1. E2F1 управляет эндоциклами в слюнных клетках дрозофилы, способствуя экспрессии циклина E и вступлению в S-фазу, и было обнаружено, что контроль трансляции E2F1 связывает скорость прогрессирования эндоцикла со скоростью роста клеток (43).

Физиологические последствия размера клетки

Зачем клеткам нужен механизм для определения и точной настройки их индивидуальных размеров? Для некоторых клеток существует очевидная связь между функцией клетки и ее физическими размерами.Например, нейроны должны охватывать расстояние, на которое они передают информацию. Тем не менее, для большинства типов клеток, эпителиальных или мезенхимальных, преимущество определенного размера неочевидно. В известном исследовании 1945 года, проведенном Герхардом Фанкхаузером, документально подтверждено влияние увеличенного размера клеток у полиплоидных личинок саламандры на формирование различных многоклеточных структур, таких как пронефрические канальцы (44). Во многих органах форма и размеры этих структур не изменяются, при этом уменьшение количества клеток компенсирует увеличение размера клеток.У пентаплоидных личинок эта компенсация означала, что окружность пронефрических канальцев и протоков часто охватывала всего одна клетка! Тот факт, что нормальные структуры могут формироваться даже при больших изменениях размера клеток, предполагает, что для многих типов клеток размер клетки не зависит от ее роли как структурной единицы организма. Заметные исключения из этой тенденции включают наблюдение, что размер клетки влияет на размер и морфологическую сложность мозга (45).

Есть некоторые признаки того, что размер клетки обычно связан с ее физиологией, поскольку некоторые клетки изменяют свой размер в ответ на внешние сигналы.Напр., Эпителиальные клетки почек изменяют свой размер в ответ на скорость потока жидкости в протоках нефронов, воспринимаемую механическим сдвигом первичных ресничек (46). Размер клетки также часто изменяется во время дифференцировки. Например, лимфоциты быстро увеличиваются в размерах после воздействия цитокинов или стимуляции TLR (47). Однако в этих случаях неясно, является ли размер целью регулирования или побочным продуктом какой-либо другой адаптации.

Изменение размера органа, когда того требует физиология, может быть достигнуто посредством изменения количества клеток, изменения размера клеток или того и другого.Выбор модуляции роста органов посредством роста или пролиферации клеток часто зависит от контекста. Например, бета-клетки поджелудочной железы увеличивают свой размер более чем на 25% во время беременности в ответ на повышенную потребность в инсулине (48). Однако потребность в инсулине в результате гибели бета-клеток приводит к усилению пролиферации бета-клеток без изменения их размера (48). Точно так же размер печени увеличивается во время беременности из-за гипертрофии гепатоцитов, тогда как регенерация печени после хирургической резекции происходит за счет увеличения пролиферации гепатоцитов.Эти примеры предполагают, что при определенных физиологических условиях для конкретной клетки может быть выгодно иметь определенный размер. Возникает вопрос: работают ли клетки наиболее эффективно при «правильном» размере?

Поскольку клетки выполняют несколько ролей, «функцию» клетки трудно определить, а ее функциональную эффективность трудно определить количественно. Другая трудность заключается в том, что для большинства типов клеток размер не был основным объектом исследования. Следовательно, литературы, которая систематически оценивает размер клеток и связывает их с поведением клеток, немного.Исключением из этого правила является бета-клетка поджелудочной железы. Секреция инсулина связана с массой бета-клеток, поэтому размер бета-клеток является предметом многих исследований. В простом приближении бета-клетку можно описать как устройство, которое выполняет одну основную функцию — секрецию инсулина в ответ на повышение уровня глюкозы в крови — и этот процесс можно измерить количественно. По этим причинам мы рассмотрим доказательства взаимосвязи размера и функции в бета-клетках с надеждой, что это обсуждение будет стимулировать аналогичные исследования других типов клеток.

Джордано и др. обнаружили, что скорость продукции инсулина отдельными бета-клетками крысы более сильно коррелирует с размером клеток, чем с метаболической активностью, как было определено с помощью флуоресценции NAD (P) H (49). Фактически, в культивируемых бета-клетках крыс секреция инсулина, метаболическая активность и общая скорость производства белка коррелируют с размером клеток. Эти корреляции дополнительно усиливаются у трансгенных мышей, несущих мутации, влияющие на размер клеток. Например, бета-клетки мышей, лишенных S6K1, уменьшаются в размерах (50, 51).Эти маленькие бета-клетки секретируют меньше инсулина на клетку, чем нормальные бета-клетки, возможно, из-за уменьшения доступной поверхности мембраны, что приводит к гипоинсулинемии. Напротив, обработка рапамицином бета-клеток дикого типа, которая снижает активность S6K1, но не изменяет размер бета-клеток, не влияет на секрецию инсулина, указывая на то, что снижение секреции инсулина является результатом дефекта размера, а не отсутствия S6K1 (50).

Дополнительные исследования показывают, что существует оптимальный размер для максимальной эффективности секреции инсулина.Подобно нокаутам S6K1, мыши, экспрессирующие только мутантный нефосфорилируемый рибосомный белок S6, имеют маленькие бета-клетки (52-54). Однако у этих мутантов дефект размера клеток компенсируется увеличением числа клеток, так что их общая масса бета-клеток аналогична массе мышей дикого типа. Несмотря на такое грубое сохранение основной массы, эти мутанты все еще гипоинсулинемичны, что позволяет предположить, что маленькие клетки непропорционально менее эффективны в продуцентах инсулина, чем клетки нормального размера. Кроме того, мыши, экспрессирующие конститутивно активную протеинкиназу Akt1, имеют более крупные бета-клетки, чем мыши дикого типа, и повышенную скорость секреции инсулина (55).Однако секреторная способность инсулина на единицу массы бета-клеток ниже. Стойкая гиперинсулинемия у этих трансгенных мышей может указывать на неэффективность секреции гормонов. Эти результаты предполагают, что функция бета-клеток может быть нарушена в клетках, которые больше или меньше их целевого размера. Предостережение к этой интерпретации исходит из плейотрофных эффектов таких путей, как mTOR, MAPK и PI3K, путей, которые, помимо влияния на размер клеток, могут также регулировать многие другие функции.Следовательно, трудно понять, действительно ли изменение размера вызывает изменение функции или просто связано с ним.

Другой случай, когда данные могут указывать на оптимальный критерий размера клеток, — это адипоциты млекопитающих. Четкие различия в экспрессии генов между большими и маленькими адипоцитами предполагают, что размер клетки влияет на биологию адипоцитов (56, 57). Одно из объяснений этого эффекта заключается в том, что увеличение клеток за счет увеличения площади клеточной поверхности и модификации взаимодействий между клеткой и ее внеклеточным матриксом активирует сигнальный путь β ₁ -интегрин / ERK, который модулирует несколько факторов транскрипции (57).В больших адипоцитах заметно повышается активность синтазы жирных кислот и липопротеинлипазы. Эти изменения в дальнейшем проявляются в измененной метаболической активности больших адипоцитов. Например, Smith et. al. сравнили большие и маленькие адипоциты, выделенные из одного и того же образца жировой ткани человека (58, 59), и обнаружили, что большие адипоциты имеют более высокую скорость синтеза липидов. Это увеличение скорости липогенеза все еще очевидно, когда измерения приведены к размеру клеток, а это означает, что большие клетки непропорционально более продуктивны, чем маленькие.Изменения в размере клеток также были связаны с транскрипционными и метаболическими изменениями в других типах клеток, включая гепатоциты и эритроциты (60–63).

Однако повышенная метаболическая эффективность больших адипоцитов имеет свою цену. Более крупные клетки менее чувствительны к стимулирующему действию инсулина на поглощение глюкозы, окисление глюкозы до CO2 (64) и поглощение триглицеридов жирных кислот (65). Эти дефекты могут быть результатом стресса, вызванного увеличением адипоцитов в связи с физическими ограничениями, налагаемыми коллагеном и внеклеточным матриксом (66).Баланс между метаболической емкостью, которая положительно масштабируется с размером адипоцитов, и чувствительностью к инсулину, которая отрицательно масштабируется с размером, подразумевает оптимальный размер адипоцитов. В поддержку этой идеи можно сказать, что увеличение размера адипоцитов, а не всего жира в организме, связано с инсулинорезистентностью при ожирении и является фактором риска развития сахарного диабета II типа (67).

Несколько направлений исследований предложили интересную связь между регуляцией изменчивости размера клеток и патологией рака, хотя систематические исследования, необходимые для подтверждения этой связи, все еще отсутствуют.В то время как рак представляет собой заболевание с нарушенной регуляцией пролиферации, в клинической гистологии именно размер раковых клеток делает их внешний вид отличным от окружающей ткани (68). Клетки злокачественных опухолей больше и более изменчивы по размеру, чем нормальные клетки. Плеоморфизм, увеличенная вариабельность размеров и формы клеток, является гистологической характеристикой многих злокачественных новообразований (69–71) и иногда используется в качестве критерия для определения гистологической степени злокачественности. Утрата регулярности размера клеток в раковых клетках также происходит, когда клеточные линии нормального и неопластического происхождения выращиваются в подходящих условиях культивирования, что указывает на то, что повышенная изменчивость размера при раке является клеточно-автономной, а не продуктом микросреды опухоли (72).Кроме того, когда клеточные линии эпидермоидной карциномы были классифицированы на основе изменчивости размера клеток, только высокогетерогенные линии инициировали опухоли при гетеротрансплатации мышам (72). Эти эксперименты поднимают вопрос о том, играет ли аберрантная регуляция размера клеток роль в онкогенезе, хотя повышенная изменчивость размера клеток также может быть простым коррелятом биологии опухоли (возможно, результатом анеуплоидии), и необходимы дальнейшие эксперименты для разрешения этого конфликта.

Вопросы, проблемы, предложения

Исследования ранних клеточных циклов включали дискуссии о том, является ли клеточный цикл результатом линейного каскада взаимозависимых событий, при этом ранние события предоставляют субстраты, необходимые для более поздних, или существует независимый главный регулятор. клеточного цикла — часы клеточного цикла (73).Исследования размеров ячеек теперь сталкиваются с аналогичной дилеммой. Является ли размер клетки просто побочным продуктом скорости ее роста и частоты делений? Или существует главный регулятор, который независимо определяет размер клетки на основе функции клетки и физиологических потребностей? Доказательства, рассмотренные выше, предполагают, что существует отдельный и, по крайней мере, частично независимый путь регуляции размера клеток.

Практически все исследования регулирования размера были сосредоточены на возможности контрольной точки размера, события, которое регулирует либо выход G1, либо деление клетки в зависимости от размера клетки.Модель контрольной точки постулирует, что размер ячейки определяется путем настройки промежутка времени , в течение которого она растет. Удлинение G1 увеличит время роста клетки, что приведет к увеличению размера клетки. Эта возможность обоснована наблюдениями из биологии дрожжей (10). Тем не менее, существует также альтернативный класс механизмов, которые так же легко могут определять размер ячейки. Вместо регулирования количества времени, в течение которого они растут, клетки могут регулировать скорость , , с которой они накапливают массу.Чтобы ограничить неравенство в размерах, маленькие клетки могут ускорить свой рост, а большие клетки — замедлить. Эта альтернатива осталась неизученной, в основном из-за сложности точных измерений роста клеток.

Если бы отдельные клетки определяли свой размер, изменяя скорость их роста, а не длину клеточного цикла, общий синтетический аппарат клетки должен был бы быть настроен так, чтобы отражать его размер. Другими словами, должна быть обратная связь, связывающая физические размеры клетки с ее анаболическим контролем.Выявление такого механизма существенно изменит наше понимание контроля роста. Нам потребуется расширить простую и интуитивно понятную модель контрольной точки дискретного размера, включив в нее непрерывную модуляцию темпов роста.

Прошло более 150 лет с тех пор, как Вирхов написал «omnis cellula e cellula», дав нам очень современную концепцию клетки; с тех пор проблема регуляции размера клеток пристально стоит перед нами. Сегодня мы достигли лишь частичного феноменологического объяснения гомеостаза размера клетки.Почему это было так сложно? Несмотря на простоту фенотипа размера, его изучение по своей сути является сложной задачей. Определенный размер клетки является результатом множества и разнообразных процессов. Накопление клеточной массы напрямую связано с метаболической и анаболической активностью клетки, а также с обменом белков и аутофагией. В пролиферирующих популяциях размер клеток отражает баланс между ростом и делением. В некоторых случаях на размер также влияет состояние дифференцировки клетки и физиологические условия.По этой причине трудно установить, связаны ли мутация или химическое возмущение, влияющее на размер клетки, с контролем размера как таковым. При скрининге мутантов по размеру клеток Jorgenson et al указали на эту проблему, заявив, что увеличение среднего размера клеток в популяции может отражать переход к более поздним стадиям клеточного цикла, а не аномальный рост (74). Кроме того, изменение скорости деления клеток может увеличивать или уменьшать размер клеток, даже если скорость роста остается неизменной. Оглядываясь назад, можно сказать, что анатомическое строение было легче изучать, чем физиологический процесс.Химический состав поддается биохимическому исследованию легче, чем интегрированные механизмы, такие как рост, форма, подвижность и поведение. В то время как генетика могла указать нам на процессы, влияющие на размер, она не могла легко отделить вклады от питания, биогенеза, дифференцировки и деления клеток. Но, что наиболее важно, у нас были только самые грубые количественные измерения тех самых процессов, которые мы хотели изучить на уровне отдельных клеток: роста и размера.

Достижения последних лет, обобщенные выше, предоставили доказательства того, что рост и развитие клеточного цикла координируются в пролиферирующих клетках.Уверенные в том, что мы не просто изучаем след за лодкой, но что существуют реальные схемы, точно определяющие размер клетки, мы можем противостоять лежащей в основе молекулярной схеме и исследовать ее биологические последствия. У нас есть интересные вопросы. Как устанавливается средний размер клеток для каждой линии? Как клетки адаптируются к внешним стимулам, чтобы изменить заданное значение для своего размера? Как каждая ячейка измеряет свой размер и оценивает отклонение от среднего значения? С помощью какого механизма пролиферирующие клетки изменяют скорость своего роста или прохождения через клеточный цикл, чтобы предотвратить естественное накопление изменчивости размера? Как изменения размера влияют на функцию клеток и могут ли определенные клетки лучше всего функционировать при заданном размере? Какую роль играет размер клетки в патологии и старении? Дж. Б. С. Холдейн напомнил нам о важности размера на уровне организма в своем живом эссе «О том, чтобы быть правильного размера.”(75) Биологи, упившиеся качественной сложностью клеток, могут черпать новое вдохновение из простого процесса контроля размера; несомненно, это приведет к глубоким последствиям и увлекательным объяснениям.

Размер и масштаб клеток: площадь поверхности, объемное соотношение и органеллы — видео и стенограмма урока

Размер ячейки

Клетки микроскопические, то есть их нельзя увидеть невооруженным глазом. Хотя может показаться логичным, что организм состоит из одной гигантской клетки, наши клетки специализированы: они выполняют уникальные функции в организме.Кроме того, существуют физиологические ограничения на размер клетки. Масштаб , или размер клетки по сравнению с другими объектами, невероятно мал. Клетки микроскопические в основном из-за этого ограничения. В этом уроке наша цель — выяснить, почему это свойство верно и как оно работает.

Существует логическое объяснение строению и функциям всех живых существ, и клетки ничем не исключены. Причина, по которой клетки могут расти только до определенного размера, связана с отношением их площади поверхности к объему .Здесь площадь поверхности — это область вне клетки, называемая плазматической мембраной. Объем — это сколько места внутри ячейки. Отношение — это площадь поверхности, деленная на объем. Это указывает на доступную площадь поверхности по сравнению с размером ячейки. Если отношение площади поверхности к объему мало, ячейка очень большая. Если соотношение большое, площадь поверхности больше объема, а ячейка мала. Например, изобразите воздушный шарик. Воздух внутри — это объем, а латекс снаружи — это площадь.По мере того, как воздушный шар становится больше, объем увеличивается, но есть предел тому, насколько большой может быть площадь поверхности.

Возможно, вы все еще задаетесь вопросом, почему это важно. Это важно, потому что эффективность клетки зависит от ее размера. Например, давайте рассмотрим диффузию и отметим, что плазматическая мембрана служит здесь важной цели. Это барьер клетки, где клетка взаимодействует с окружающей средой. Здесь отходы диффундируют из клетки, и важные питательные вещества и кислород диффундируют внутрь. Клетка также получает сигналы от других клеток о том, что делать, когда воспроизводиться и куда двигаться.Эти сигналы также должны проходить через внутреннюю часть клетки. Однако это займет гораздо больше времени, если ячейка большая или имеет небольшое отношение площади поверхности к объему.

Чем больше клетка, тем труднее транспортировать материалы.

Что такое органеллы?

Итак, как ячейки справляются с этой проблемой, сохраняя при этом правильный размер для выполнения своей работы? В более крупных клетках есть органеллы, которые помогают им функционировать.Когда отношение площади поверхности к объему становится слишком маленьким, клетка больше не может расти и нуждается в органеллах, которые помогают транспортировать материалы по клетке. Органеллы — это крошечные отсеки, которые гарантируют, что клетке больше не придется полагаться на длительный процесс диффузии. С помощью органелл клетка может активно доставлять материалы внутри клетки и во внешний мир. Эти отсеки так же, как и клетки. Давайте посмотрим на несколько примеров органелл.

Органелла, называемая грубым эндоплазматическим ретикулумом , похожа на фабрику клетки.В сотрудничестве с другой органеллой, называемой рибосомой , грубый эндоплазматический ретикулум начинает процесс доставки. Работая вместе, эти две органеллы образуют крошечные молекулы, называемые белками, которые являются строительными блоками клетки

.

Белки затем перемещаются в аппарат Гольджи , который является центром доставки клетки. Он собирает все необходимые материалы и отправляет их туда, куда им нужно. Это активный процесс, который протекает намного быстрее диффузии, что позволяет добиться большего отношения площади поверхности к объему, чем было бы без органелл.Другие органеллы включают ядро ​​ , в котором хранится ДНК, как в городской ратуше. Митохондрии подобны энергетической установке клетки: они создают энергию. Все органеллы в клетке работают вместе, как части города, чтобы все работало гладко.

Органеллы животной клетки

Каждый тип клеток в вашем теле выполняет свою работу и, следовательно, разный набор органелл и особую форму.Например, печень выводит токсины из организма, выводя токсины. Клетки печени заполнены гладкой эндоплазматической сетью (отличной от шероховатой эндоплазматической сети, которая производит белки), которая необходима для выведения токсинов из клетки. Клетки сердца заполнены митохондриями, которые вырабатывают энергию для работы сердца. Другие клетки, такие как эпителий кишечника, имеют инвагинированную мембрану или мембрану с множеством складок, чтобы создать большую площадь поверхности для поглощения питательных веществ без значительного увеличения объема.

Все эти функции были бы невозможны без органелл. Судя по соотношению площади поверхности к объему, наши клетки будут слишком большими, чтобы своевременно выполнять эти сложные функции. Этот же принцип предотвращает рост наших клеток намного больше, чем они уже есть.

Резюме урока

Отношение площади поверхности к объему равно площади поверхности внешнего края клетки, называемой плазматической мембраной , разделенной на внутреннее пространство, или объемом .Большое отношение площади поверхности к объему указывает на то, что клетка может эффективно перемещать питательные вещества и отходы, используя только диффузию; но по мере увеличения объема соотношение уменьшается, и клетки не могут выполнять свою работу. Чтобы преодолеть это препятствие, некоторые типы клеток, такие как клетки нашего тела, разработали органеллы или крошечные отсеки, которые выполняют определенные функции для клетки. Такие органеллы, как грубая эндоплазматическая сеть и аппарат Гольджи , создают и доставляют материалы.Другие органеллы включают вырабатывающие энергию митохондрии и детоксификаторы, такие как гладкая эндоплазматическая сеть .

Анализ размера клеток

| Nexcelom Bioscience

Обзор избранной литературы по применению целлометра

Количественные подходы к выявлению различий между донорами и пассажами в адипогенном потенциале и клоногенности мезенхимальных стволовых клеток человека, полученных из костного мозга

Джессика Ло Сурдо и Стивен Р Бауэр

Тканевая инженерия, часть C: методы

FDA / CBER / Отделение клеточной и тканевой терапии

В популяции мезенхимальных стволовых клеток (МСК) широко наблюдалась вариабельность свойств клеток, таких как пролиферация, морфология, способность к дифференцировке и профили экспрессии маркеров клеточной поверхности.Исследователи постоянно пытаются улучшить характеристики клеток из-за неоднородности МСК. Пластичность МСК (способность дифференцироваться во множество различных типов клеток) может быть связана с микросредой in vivo, и долгосрочным культивированием in vitro и . Хотя в настоящее время существуют качественные и некоторые количественные подходы для оценки МСК от разных доноров, в этой статье обсуждается разработка надежных количественных измерений, которые могут обнаруживать изменения в результате пассажа, различий между донорами и различий в субпопуляциях МСК.Общая цель этой работы заключалась в разработке и применении количественных измерений, которые улучшат характеристику МСК за счет определения роли изменчивости донора и количества пассажей в отношении биологических свойств и качества МСК

.

Одним из таких проверенных параметров был размер ячейки. В этом эксперименте размер клеток МСК определяли путем разбавления клеток 1: 1 трипановым синим и подсчета с использованием автоматического счетчика клеток (Целлометр Т4).

мезенхимальных стволовых клеток были собраны у двух доноров, и диаметр клеток был измерен после нескольких пассажей.По мере увеличения числа пассажей диаметр клеток МСК от обоих доноров увеличивается.