کنترل خودکار در فرآیند چرخه سلولی

کنترل خودکار فرآیند‌های گوناگون در بدن انسان، از شگفتی‌های طبیعت است که غالبا انسان را به تفکر وا می‌دارد. یکی از این فرآیندها، فرآیند چرخه سلولی به منظور تقسیم سلولی است. در سال ۱۹۵۳، آقایان واتسون[۱] و کریک[۲] موفق به کشف ساختار دی‌ان‌ای[۳] شده و جایزه نوبل فیزیولوژی و پزشکی را دریافت کردند. در راستای پژوهش‌های این دو دانشمند، کشف فرآیند چرخه سلولی به طور دقیق امکان‌پذیر شد. در پژوهش پیش‌رو، ساختار و مراحل فرآیند چرخه سلولی و چگونگی کنترل خودکار فازهای مختلف این فرآیند مورد بررسی قرار می‌گیرد.

مراحل فرآیند چرخه سلولی

مراحل فرآیند چرخه سلولی در شکل ۱ نشان داده شده است. در ادامه هر یک از این مراحل مورد بررسی قرار می‌گیرد.

اولین و مهمترین مرحله فرآیند چرخه سلولی، وقفه اول یا G1 است. در این مرحله، رشد اولیه سلول و تقسیم اندامک‌ها صورت می‌گیرد. سلول ۵ الی ۶ ساعت از فرآیند چرخه سلولی را در این مرحله سپری می‌کند. تقریبا در انتهای این مرحله، یک نقطه وارسی[۴] وجود دارد. وظیفه نقاط وارسی، بررسی درستی انجام هر مرحله است و در صورت تایید، ادامه فرآیند چرخه سلولی صورت می‌گیرد. نحوه توقف یا پیش‌روی هر مرحله بر اساس مشاهده در هر نقطه وارسی، به کمک یک سری سیگنال متوقف کننده و پیشبرنده انجام می‌شود که بررسی دقیق‌تر این مورد در بخش بعد انجام می‌شود. 

مرحله بعدی فرآیند چرخه سلولی، سنتز یا S است. در این مرحله، کروموزوم‌ها که ماده وراثتی سلول هستند، دو برابر می‌شود. سلول ۱۰ الی ۱۲ ساعت از فرآیند چرخه سلولی را در این مرحله سپری می‌کند؛ چرا که مضاعف شدن کروموزوم‌ها فرآیند زمانبری است.

مرحله بعدی فرآیند چرخه سلولی، وقفه دوم یا G2 است. این مرحله ادامه مرحله G1 است و در این مرحله، سلول برای تقسیم شدن آماده می‌شود. سلول ۴ الی ۶ ساعت از فرآیند چرخه سلولی را در این مرحله سپری می‌کند. در انتهای این مرحله، یک نقطه وارسی وجود دارد.

در ۳ مرحله فوق، سلول با ساخت پروتئین‌ها و تولید اندامک‌های سیتوپلاسمی مانند میتوکندری‌ها و شبکه اندپلاسمی رشد می‌کند و برای تقسیم آماده می‌شود.

مرحله آخر فرآیند چرخه سلولی، میتوز یا M است. در این مرحله، تقسیم سلول اتفاق می‌افتد. سلول در کل ۱۰% از زمان فرآیند چرخه سلولی (حدودا ۱ ساعت) را در این مرحله و مابقی را در مرحله Interphase (G1، S و G2) سپری می‌کند. در انتهای این مرحله، یک نقطه وارسی وجود دارد. البته باید افزود مرحله M خود به ۵ مرحله ۱. پروفاز، ۲. پرومتافاز، ۳. متافاز، ۴. آنافاز و ۵. تلوفاز تقسیم می‌شود.

برخی سلول‌ها در یک جاندار پرسلولی بسیار به ندرت تقسیم می‌شوند یا اصلا تقسیم نمی‌شوند؛ در واقع مرحله دیگری به نام G0 وجود دارد که مختص سلول‌های عصبی و سلول‌های ماهیچه‌ای بالغ است و دیگر تقسیم سلولی در آن اتفاق نمی‌افتد. البته سلول‌های دیگری مانند سلول‌های کبدی می‌توانند به کمک عوامل بیرونی مانند عوامل رشد که هنگام آسیب آزاد می‌شوند، از مرحله G0 به چرخه سلولی فراخوانده می‌شود..

دستگاه کنترل چرخه سلولی

وقایع پی در پی فرآیند چرخه سلولی با یک دستگاه کنترل چرخه سلولی (مجموعه‌ای از مولکول‌های عمل‌کننده چرخه‌وار درون سلول) هدایت می‌شود که رخدادهای اساسی فرآیند چرخه سلولی را آغاز کرده و هماهنگ می‌کند (شکل ۲). در صورتی که درستی انجام مراحل فرآیند چرخه سلولی صورت نگیرد، سلول دچار جهش می‌شود یا ممکن است فرآیند آپوپتوز (خزان سلولی) رخ دهد و تومور به وجود آید.

دستگاه کنترل چرخه سلولی با وسیله کنترلی در یک دستگاه لباس‌شویی اتوماتیک مقایسه شده است. همانند زمان‌بندی برنامه شستشو، دستگاه کنترل چرخه سلولی با یک ساعت درونی به کار رفته در ساختارش پیش می‌رود. به هر حال، درست مانند عملکرد ماشین لباس‌شویی که هم تنظیم درونی (مانند گیرنده‌ای که پر شدن مخزن آب را نشان می‌دهد) و هم تنظیم بیرونی (مانند به کار افتادن فرآیند آغاز شستشو) می‌شود، چرخه سلولی هم در نقاط وارسی معین از طریق پیام‌رسان‌های درونی و بیرونی تنظیم می‌گردد.

نحوه توقف یا پیش‌روی هر مرحله بر اساس مشاهده در هر Checkpoint، به کمک یک سری سیگنال متوقف کننده و پیشبرنده انجام می‌شود. سلول‌های جانوری معمولا سیگنال‌های توقف درونی دارند که چرخه سلولی را در نقاط Checkpoint متوقف می‌کنند، مگر آن‌که با سیگنال‌های پیشبرنده خلاص شوند.

به نظر می‌رسد برای بیشتر سلول‌ها، نقطه وارسی مربوط به G1، مهم‌ترین نقطه وارسی باشد. در این نقطه وارسی، اندازه سلول و اندامک‌های آن، میزان پروتئین و آسیب‌دیدگی DNA مورد وارسی قرار می‌گیرد. اگر سلول در انتهای نقطه G1 سیگنال پیشبرنده دریافت کند، مراحل دیگر معمولا به طور کامل انجام می‌شود و در غیر این صورت، سلول از چرخه خارج خواهد شد و وارد حالت تقسیم نشدن (مرحله G0) می‌شود. دومین نقطه وارسی که در انتهای مرحله G2 واقع است، صحت همانندسازی DNA را بررسی و اجازه ورود سلول به مرحله M را صادر می‌کند و نقطه وارسی آخر که در انتهای مرحل M واقع است (نقطه وارسی کمربند میتوزی)، درستی اتصال کروموزوم‌ها به رشته دوک را بررسی می‌کند.

نتیجه‌گیری

هر سلول پیکری در انسان حدودا هر ۲۴ ساعت یک چرخه سلولی را طی می‌کند که در این چرخه، در مراحل G1 و G2، مراحل رشد سلول و ساخت پروتئین، تولید اندامک‌ها و … و به طور کلی آمادگی لازم برای تقسیم سلولی انجام می‌شود و در مرحله آخر (M)، تقسیم سلولی اتفاق می‌افتد. در این فرآیند، ۳ عدد نقطه وارسی وجود دارد که در آن‌ها، دستور توقف یا ادامه فرآیند چرخه سلولی به کمک یک سری سیگنال متوقف‌کننده و پیشبرنده انجام می‌شود. این فرآیند کنترل که بدون دخالت عامل خارجی انجام می‌شود، انسان را به تفکر وا می‌دارد.

منابع و ماخذ

[۱] THE STRUCTURE OF DNA, J. D. Watson۱ and F. H. C. Crick, Cold Spring Harb Symp Quant Biol 1953. 18: 123-131, doi:10.1101/SQB.1953.018.01.020

[۲] Reece, Jane B., et al. Campbell biology. No. s 1309. Boston: Pearson, 2014.

[۳] blog.Faradars.org

[۱] Watson

[۲] Crick

[۳] DNA

[۴] Checkpoint

نویسنده:

مهندس سید سینا سیدی حسن آبادی

دانشجوی مهندسی مکانیک دانشگاه تهران

(برای مطالعه بیشتر روی نام ایشان یا تصویر ایشان کلیک کنید)