Raku jagunemistsükkel
Rakud jagunevad sel moel, et nende koostisosade hulk suureneb ning seejärel rakk jaguneb
kaheks. Hulkraksed organismid on tekkinud üksikust viljastatud munarakust paljude jagunemiste
teel. Ainuraksetel organismidel tekitab iga jagunemine uue organismi. Kuid ka täiskasvanud
hulkrakses organismis toimub pidevalt uute rakkude teke, et asendada vananenud ja hukkunud
rakke ning et säilitada organismi status quo. Kui rakkude jagunemine mingil põhjusel lakkaks
(näit. suure doosi radioaktiivse kiirguse või teatud mürkide toimel), siis inimene (hiir, küülik jne.)
sureb mõne päeva jooksul. Seega raku jagunemine on organismile eluküsimus.
Rakutsükliks nim. raku eluperioodi ühest jagunemisest teiseni.
Rakutsükkel jaguneb M-faasiks (mitoos e. karüokinees + tsütokinees) ning interfaasiks
(ajaliselt 90% vôi rohkem rakutsükli kestusest). Interfaasis toimub kõikide rakukomponentide
sünteesimine, et tekkivatel tütarrakkudel oleks olemas kõik vajalik uue tsükli alustamiseks.
Enamiku rakukomponentide (organellid, tsütoplasma jne.) duplitseerumine ei ole täpselt
kontrollitud. Piisab sellest, kui mingit organelli vôi tsütoplasma komponenti enne raku jagunemist
ligikaudu kahekordistatakse ning seejärel tsütokineesi käigus jaotatakse kahe tütarraku vahel
ligikaudu vôrdselt. Erandiks on DNA: tema replikatsioon toimub väga täpselt ja ta tuleb
tekkivate tütarrakkude vahel ka väga täpselt jaotada. Selleks on kôrgematel eukarüootidel
arenenud keerukas mitoosiaparaat.
Interfaas omakorda jaguneb 3-ks:
G1-, S- ja G2-faasiks.
DNA süntees interfaasis toimub tetud kindlal ajavahemikul - seda nim. S-faasiks. S-faasi algust on
vôimalik täpselt fikseerida, selleks näit. kasutatakse märgistatud tümidiini (tümidiin esineb ainult
DNA-s, mitte aga RNA-s). Kasutatakse kas radioaktiivselt märgistatud tümidiini (tavaliselt
triitiumiga - 3H) või tümidiini analoogi broomdesoksüuridiini (BrdU). Märgistatud tümidiini
sisaldavad rakutuumad (s.t. need tuumad, kus toimub DNA replikatsioon) tuvastatakse vastavalt
kas autoradiograafiliselt (preparaat kaetakse fotoemulsiooniga ja ilmutatakse) või värvimisel BrdU
vastaste antikehade abil. Tavaliselt on mingis kiiresti kasvavas rakupopulatsioonis ca 30% rakke
S-faasis. Eksperimentaalselt tuvastatakse seda nii, et rakkudele lisatakse lühikeseks ajaks
märgistatud tümidiini ja pärast loetakse ära märkunud rakkude arv. Saadud tulemust nimetatakse
märkumis indeksiks ja see peegeldab S-faasi pikkust. Mitoosi indeksiks nimetatakse aga
rakkude protsenti, mis on parasjagu mitoosi faasis. Kuna M-faas on märksa lühem kui S-faas, siis
on ka mitoosi indeks väiksem kui märkumis indeks.
S-faasis toimub lisaks DNA sünteesile ka intensiivne histoonide süntees, et tagada
vastsünteesitud DNA pakkimine nukleosoomidesse.
M-faasi lôpu ja S-faasi alguse vahele jääb vahemik - G1-faas. (G - ingl.k. gap). Teine
vahemik jääb S-faasi lôpu ja M-faasi alguse vahele ning seda nim. G2-faasiks.
G1 ja G2 faas annavad rakule vajaliku aja kasvamiseks: kui interfaas oleks ainult nii pikk,
mis oleks hädavajalik DNA replikatsiooniks, siis ei jätkuks aega muude rakukomponentide
kordistamiseks. G1-faasi ajal rakk seirab oma ümbrust ning omaenda suurust, ja kui aeg on küps,
siis rakk alustab DNA replikatsiooni. G1 faasi lõpul on kontrollpunkt, kus rakutsükkel vajadusel
peatatakse. Pärmidel nimetatakse seda "start-punktiks", kõrgematel eukarüootidel on seda
nimetatud R-punktiks (restriction point) või ka lihtsalt G1-faasi kontrollpunktiks. Selle punkti
läbimisel käivitatakse rakus DNA replikatsioon ja algab seega S-faas. G2-faas annab rakule
vajaliku aja, mis võimaldab tal kontrollida, kas DNA replikatsioon on lõpetatud. Läbides G2-faasi
kontrollpunkti, alustab rakk M-faasi. Kõrgematel eukarüootidel toimivad väliskeskonnast tulevad
rakutsüklit seiskavad signaalid valdavalt G1-kontrollpunktile, seetõttu G1-faasi pikkus võib eri
rakkudel olla väga erinev.
Rakutsükli kestus
Erinevate kudede, erinevate liikide ja erinevas arengustaadiumis olevate kudede
rakkude jagunemistsüklite kestused varieeruvad väga suures ulatuses. Kõige kiiremini käib
rakutsükkel kärbse varajase embrüo rakkudes, ca 8 minutiga. Seal toimub eriline jagunemise vorm
- lõigustumine (cleavage), kus G1 ja G2 faasid praktiliselt puuduvad ning tsükli läbimine sõltub ainult S-
faasist (DNA replikatsioon) ja M-faasist. Sellise jagunemistüübi juures pole vaja aega, et
sünteesida uusi rakukomponente - need on juba valmis sünteesitud munaraku küpsemise ajal.
Lõigustumise ajal munarakk lihtsalt jaguneb paljudeks väiksemateks rakkudeks. Standartne
rakutsükkel, kus on esindatud kõik faasid, kestab märksa kauem. Kiiresti jagunevad kôrgemate
eukarüootide rakud (näit. sooleepiteeli ja vereloome tüvirakud) läbivad tsükli 11-24 tunniga,
sellest M-faas kestab 1-2 tundi. Täiskasvanud inimese maksarakud jagunevad keskmiselt 1 kord
aastas, immuunmälu kandvad T-lümfotsüüdid vôivad jagunemata olla palju aastaid. On ka selliseid
rakutüüpe, mis ei jagune enam kunagi (närvirakud, südame- ja skeletilihase rakud, silma läätse
rakud jt.) Rakke, mille jagunemistsükkel on peatunud G1 faasis, nim. ka G0-faasis olevaiks.
Rakutsükli kontroll
Kuidas on kontrollitud rakutsükli faaside vaheldumine? Mis initsieerib näiteks DNA
sünteesi, et rakk alustaks S-faasi? Miks teatud hetkel G2 faasis DNA hakkab kondenseeruma
ning algab M-faas? Need ja paljud teised küsimused on hakanud lahenema alles suhteliselt hiljuti,
kuid lõplikust mõistmisest ollakse veel kaugel.
Rakutsükli kulgemist võib võrrelda automaatpesumasinaga, kus toimuvad teatud kindlad
protsessid ranges järjestuses: võetakse sisse vesi, soojendatakse see kindla temperatuurini,
pestakse teatud aeg, loputatakse ja tsentrifuugitakse kuivaks. Pesumasinal töötab kontroller, mis
lülitab vastavad sündmused üksteisele järgnevalt sisse. Kuigi kontroller võiks käia konstantse
kiirusega, andes iga protsessi kulgemise jaoks kindla aja, on ometi tsükli teatud punktides
kontrollpunktid, kus tagasiside abil kontrollitakse ühe või teise protsessi kulgemist (mõõdetakse
vee taset masinas, selle temperatuuri jne.) Järgmist etappi ei käivitata enne, kui eelmine pole
lõpetatud. Täpselt samuti kulgeb ka rakutsükkel, kus teatud kriitilistes punktides kontrollitakse,
kas eelnenud etapp on lõpetatud.
Suhteliselt hiljuti jõuti arusaamisele, et rakutsükli kulgemises osalevad 2 eristatavat
süsteemi:
rakutsükli eri faasidele iseloomulikke sündmusi käivitav masinavärk,
kontrolli teostavad süsteemid.
Rakutsüklit käivitav masinavärk kujutab endast tsükliliselt toimivat biokeemilist süsteemi.
See baseerub kahele peamisele valkude perekonnale: tsükliin-sõltuvad kinaasid (CDK - cyclin
dependent kinase). Need indutseerivad kindlate valkude seriini ja treoniini jääkide fosforüleerimist;
ning tsükliinid, mis seostuvad CDK-dega ja kontrollivad nende aktiivsust. CDK-de
ja tsükliinide komplekside moodustumine toimub tsükliliselt, need tekivad ja lagunevad igas
rakutsüklis. Tsükliine on 2 põhilist klassi: mitootilised tsükliinid , mis seostuvad CDK-dega G2-
faasis ja mis on vajalikud rakkudes M-faasi käivitamiseks, ning G1-tsükliinid, mis seostuvad
CDK-dega G1-faasis ja on vajalikud S-faasi käivitamiseks.
Mitootilise tsükliini kontsentratsioon tõuseb järk-järgult ning seostub
CDK-ga, moodustades kompleksi, mida nimetatakse ka MPF (M-phase promoting factor).
Teatud kriitilise MPF-i kontsentratsiooni juures käivituvad sündmused, mis on vajalikud mitoosi
alustamiseks (kromatiin kondenseerub, tuumaümbris laguneb). MPF ise aga laguneb metafaasi-
anafaasi jooksul. MPF laguneb seetõttu, et ta käivitab proteolüütilise aktiivsuse, mis teda ennast
lagundab. MPF-i lagunemine on vajalik, et rakk saaks mitoosist väljuda. MPF-i toimet saab
demonstreerida katse abil, kus M-faasis oleva raku ekstrakti süstida ükskõik millises faasis
olevasse rakku. See käivitab antud rakus mitoosile iseloomulikud sündmused (kromatiini
kondensatsioon, tuumaümbrise lagunemine). MPF on evolutsiooniliselt konserveerunud - näit.
kannuskonna (Xenopus laevis) MPF toimib ka imetajate rakkudele. MPF kirjeldati esimesena
Xenopus'e viljastamata munarakkudest, mis on arreteeritud M-faasis. Kui nende ekstrakt süstiti
ootsüütidesse, siis see põhjustab ootsüütide küpsemise (sisenemise M-faasi).
Sarnane mehanism toimib ka G1-faasis, kus G1-tsükliinist ja CDK-st moodustub kompleks,
mis initsieerib DNA replikatsiooni. Sellise DNA sünteesi intitsieeriva aktiivsuse olemasolu saab
näidata katse abil, kus S-faasis olev rakk ja G1-faasis olev rakk ühendatakse ja nende tuumad
satuvad ühisesse tsütoplasmasse. Selle tulemusel käivitatakse koheselt DNA replikatsioon G1-
faasis oleva raku tuumas.
Rakule on eluliselt tähtis, et S-faasi ajal replitseeritaks kogu DNA. Kuid samavõrd tähtis
on see, et seda tehtaks ainult 1 kord. Rakkudel on mingi kontrollmehanism, mis takistab uue
replikatsioonitsükli käivitamist, kui DNA on 1 kord juba replitseeritud. Sel põhjusel ei käivitu G2-
faasis oleva raku tuumas DNA replikatsioon ka sel juhul, kui see rakk viia kokku S-faasis oleva
rakuga (kus on S-faasiks vajalikud faktorid). Sellise re-replikatsiooni bloki molekulaarne alus
pole veel selge. See blokk eemaldatakse mitoosi läbimisel.
Rakutsükli kulgemist kontrollivad süsteemid tagavad selle, et järgmine etapp ei käivitu
enne, kui eelmine on lõpetatud. Üks paremini uuritud kontrollsüsteeme rakkudes on see, mis
takistab M-faasi algust seni, kuni DNA replikatsioon pole lõpetatud. Sellise kontrolli
vajalikkus on ka hästi mõistetav, sest kui rakk alustaks mitoosi mittetäielikult replitseeritud
kromosoomidega, ei saaks tütarrakkude vahel võrdselt jaotada pärilikku materjali ja see oleks
rakkudele surmav. Katseliselt saab sellise kontrollsüsteemi olemasolu näidata järgmiselt: kui S-
faasis olevale rakule lisada DNA sünteesi inhibiitoreid, siis rakutsükkel peatub ja M-faas ei alga,
kuni DNA replikatsioon pole lõpetatud. Samal põhjusel G2-faasi tuum ei lähe M-faasi, kui ta
ühendada S-faasis oleva rakuga. Järelikult on mingi signaal, mis takistab DNA-d sünteesival rakul
alustada M-faasi. Vastavat kontrollmehanismi saab atakeerida näit. kofeiini abil, sel juhul rakk
alustab M-faasi vaatamata sellele, et DNA süntees on pooleli. Tekkinud tütarrakud muidugi
hukkuvad. Millistele mehanismidele kofeiin toimib, pole teada. Kui aga kofeiini lisada ilma DNA
sünteesi inhibiitorita, siis kulgeb samuti kõik normaalselt. Ilmselt takistab see kontrollsüsteem
MPF-kompleksi teket. Seda näitab katse, kui S-faasis olevale rakule süstida M-faasis oleva raku
tsütoplasmat, siis algab kromosoomide kondensatsioon ja tuumaümbrise lagunemine kohe,
vaatamata sellele, et DNA süntees on pooleli.
Kontrollsüsteem, mis kontrollib kromosoomide kinnitumist kääviniitidele.
Mittekinnitunud kromosoomid tekitavad signaali, mis takistab MPF-i lagunemist ja rakk ei alusta
anafaasi. Sel põhjusel kogunevad rakud metafaasi, kui raku kasvukeskkonda lisada aineid, mis
takistavad tubuliini polümerisatsiooni ja kääviniitide moodustumist. Ka selle kontrollsüsteemi
vajalikkus on ilmselge: kui rakk alustaks anafaasi siis, kui kõik kromosoomid pole kinnitunud
kääviniitidele, saavad tütarrakud ebavõrdse hulga tütarkromatiide.
Kontrollsüsteemid, mis takistavad M-faasi algust, kui DNA-s on vigastused.
Pärmseentel tuntakse radiatsiooni tundlikkust tekitavat mutatsiooni rad9. See kodeerib mingit
olulist kontrollsüsteemi komponenti, mis normaalselt peatab rakud G2-faasis kui DNA on kiirituse
toimel kahjustatud. Kuna neil mutantidel algab vaatamata kahjustatud DNA-le M-faas (mille
tulemusel rakud hukkuvad), siis need mutandid ei kannata selliseid kiiritusdoose, mida normaalsed
rakud taluvad.
Teine sarnane kontrollsüsteem toimib imetajate rakkudes, mis peatab kahjustatud DNA-ga
rakkudel rakutsükli G1 faasis. See kontrollsüsteem sõltub valgust p53, mille hulk tõuseb rakus,
kui DNA on kahjustatud ja peatab rakutsükli. p53 on valk, mille funktsiooni häirumine on ka
üheks tekkepõhjuseks väga paljudele vähkkasvaja juhtudele.
Rakujagunemise kontroll hulkraksetel organismidel
Üherakulistel organismidel sõltub rakkude jagunemine põhiliselt toitainete
kättesaadavusest ümbritsevas keskkonnas. Pärmirakud näiteks peatavad jagunemise ainult siis,
kui saavad naaberrakkudelt signaali paarumisfaktori näol. See peatab rakujagunemise ja
valmistab rakke ette konjugeerumiseks. Muidu on ainuraksetel organismidel pidev
evolutsiooniline surve võimalikult kiireks jagunemiseks, sest vastasel juhul nad tõrjutaks lihtsalt
teiste, kiiremini jagunevate rakkude poolt välja.
Hulkrakse organismi rakkudel aga ei piisa jagunemiseks lihtsalt toitainete olemasolust ja
keelavate faktorite puudumisest. Peavad olema ka kindlad positiivsed signaalid, mis indutseerivad
rakke jagunema. Paljud sellised signaalid on tuntud valguliste kasvufaktoritena, mis seotakse
raku pinna retseptorite poolt.
Kokkuvõte:
Rakutsüklil on 4 faasi ning mitmed kontrollpunktid. Enamkasutatavam kontrollpunkt on
G1/S-faasi üleminek, kus paljude rakkude tsükkel peatub, kui raku jagunemine pole
soovitav organismile. Peale selle rakk suudab kontrollida, kas DNA replikatsioon on
lõpetatud, kas raku suurus on piisav (G1 ja G2-faasis), kas DNA pole vigastatud (G1- ja
G2-faasis), kas kromosoomid on kinnitunud kääviniitidele (M-faasis). Rakutsükli
kontrollpunktid tagavad selle, et järgmine faas ei käivitu enne, kui eelmine pole lõpetatud.