Дробление оплодотворенного яйца представляет собой палинтомический процесс, для которого характерен непрерывный ряд клеточных делений, следующих одно за другим без компенсаторного роста клетки.
У соматических клеток, сохранивших способность к пролиферации, наблюдается монотомия (греч. — один, единственный), при которой после митотического деления наступает период компенсаторного роста, а следующее деление возможно лишь при достижении клеткой определенной массы. Клеточный цикл монотомического типа характеризуется тем, что фаза синтеза ДНК (S) и фаза митотического деления (М) разделены во времени фазами G1 (пресинтетическая фаза) и G2 (премитотическая фаза), в течение которых происходит рост клетки, а также подготовка к репликации ДНК и митозу. При делениях дробления синтез ДНК одного цикла, как правило, начинается уже в телофазе предыдущего деления, так что фаза М и фаза S перекрываются. Этот сверхранний синтез ДНК начинается еще на не вполне деконденсированных хромосомах, т. е. до восстановления структуры интерфазного ядра. Синтез ДНК обычно инициируется в кариомерах, которые представляют собой отдельные хромосомы, окруженные собственной оболочкой, состоящей из двух мембран. Впоследствии кариомеры сливаются между собой, образуя типичное интерфазное ядро. Можно предполагать, что сверхранний синтез ДНК, наблюдаемый при дроблении, коррелирован с формированием оболочек вокруг отдельных хромосом.
При палинтомии происходит постоянное уменьшение массы отдельных клеток в ходе дробления, что ведет к восстановлению обычного для соматических клеток ядерно-цитоплазматического отношения. Клеточные циклы в период дробления отличаются от циклов соматических клеток не только своей структурой. Важной особенностью, имеющей очевидный адаптивный характер, является высокая скорость прохождения клеточного цикла, его быстротечность, предопределяющая высокую частоту клеточных делений. Например, у дрозофилы деления ядер в это время происходят при 24° С каждые 9,5 мин, причем синтез ДНК продолжается не более 3,5 мин, тогда как у взрослых животных генерационное время в разных тканях исчисляется многими часами (генерационное время около 20 ч, фаза S — 10 ч).
Скорость репродукции генетического материала в период дробления у животных сравнима со скоростью репликации генома бактерии Escherichia coli. Столь быстрый синтез ДНК возможен благодаря тому, что нить ДНК в хромосоме эукариот подразделена на большое число относительно автономных единиц репликации — репликонов. В период дробления имеет место высокая степень синхронности репликации всех репликонов. По завершении периода дробления организация репликации изменяется. При этом устанавливается определенная последовательность репликации разных участков ДНК. Известно, например, что транскрипционно активные участки ДНК, входящие в состав эухроматина, репродуцируются в начале фазы синтеза ДНК, тогда как гетерохроматиновые участки реплицируются в конце этой фазы, длительность которой при этом возрастает до нескольких часов.
У большинства видов различают периоды синхронного дробления и период асинхронного дробления, хотя у ряда животных (губки, некоторые книдарии и нематоды, млекопитающие и др.) дробление с самого начала носит асинхронный характер. Десинхронизация дробления связана с изменением структуры цикла: увеличением продолжительности фазы S, появлением «gap»-фаз (G1 и G2). Эта перестройка цикла обычно коррелирует с интенсификацией транскрипционной активности зиготического генома.
Факторы, инициирующие и контролирующие циклический процесс клеточной репродукции, имеют цитоплазматическую локализацию. Действительно, частота делений, длительность синтеза ДНК у межвидовых гибридов имеют те же характеристики, что и материнский вид. Темп клеточных делений у одного вида можно изменить, инъецируя цитоплазму другого вида. При этом свойство изменять частоту делений цитоплазма яйца приобретает только после разрушения зародыше р пузырька, когда смешиваются цитоплазма и кариоплазма.
В качестве осцилляторов ритмических процессов в дробящемся яйце рассматривались колебания энергетического метаболизма, связанные с периодической активацией гликолитической системы. Пристальное внимание привлекали, например, тиоловые циклы, связанные с периодическими изменениями активности SH-групп. Оказалось, что подавление тиоловых циклов ведет к нарушению делений. Было показано, что SH-белки связаны с активацией ДНК-полимеразы, в связи с чем возникла идея о возможном участии этих белков в регуляции периодичности синтеза ДНК. С другой стороны, было обнаружено, что повышение уровня SH-групп в тубулине способствует его полимеризации в микротрубочки. Экспериментально показана роль биогенных моноаминов в периодических явлениях цитотомии (Г. Бузников, 1967). В 1980-х годах была предложена гипотеза автономного осциллятора (Newport, Kirschner, 1984), согласно которой в дробящемся яйце лягушки клеточный цикл контролируется осциллятором, важную роль в активности которого играет так называемый фактор созревания. У амфибий появление этого цитоплазматического фактора, обладающего способностью активировать клеточную пролиферацию, совпадает с гормональной стимуляцией ооцита. Известно, что первое мейотическое деление созревания ооцита Xenopus, находящегося в профазе первого деления созревания, происходит при стимуляции прогестероном. Если в цитоплазму такого стимулированного прогестероном ооцита интродуцировать ядро, взятое из терминально дифференцированной, закончившей пролиферацию клетки (например, из нервной клетки взрослого животного), то это ядро вновь приобретает способность к кариокинезу. С другой стороны, если в оплодотворенное яйцо Xenopus, из которого предварительно удалено ядро (энуклеированное яйцо), ввести с помощью микропипетки клонированные фрагменты ДНК, то эти фрагменты будут периодически реплицироваться, причем ритм репликации экзогенной ДНК соответствует периодичности синтеза ДНК в нормальном ядре.
Поиск молекул, инициирующих деления созревания ооцитов Xenopus, привел к обнаружению фактора созревания, или MPF (maturation promoting factor), сложного фосфопротеина, состоящего из двух субъединиц. Впоследствии оказалось, что MPF не только выполняет свою функцию при мейозе, но и выступает в роли фактора регуляции митотических клеточных циклов, так что теперь аббревиатура MPF расшифровывается как mitosis promoting factor. Было установлено, что активность MPF изменяется циклически: она достигает максимальных значений в митозе и существенно падает в фазе синтеза ДНК. При этом обнаруженная цикличность не связана непосредственно с ядром, поскольку она наблюдается и в энуклеированных яйцах.
Если дробящееся яйцо обработать ингибитором синтеза белка то дробление окажется заблокированным в интерфазе. Микроинъекция очищенной фракции MPF в такое яйцо восстанавливает процесс клеточной репродукции: после инъекции наблюдаются разрыв ядерной оболочки, конденсация хромосом и характерная реорганизация цитоскелета, связанная с подготовкой к митозу.
Изучение структуры MPF показало, что малая субъединица комплекса представляет собой протеинкиназу. Наличие этой протеинкиназы обеспечивает фосфорилирование ряда белков. В частности, фосфорилирование гистона Hi ведет к конденсации хромосом, а гиперфосфорилирование белков ядерной оболочки (ламинов) служит предпосылкой разборки этой оболочки. Протеинкиназа MPF обладает высокой степенью консервативности, она идентична белку р34 дрожжей, который контролируется одним из генов регуляции клеточного цикла (так называемые cdc-гены, cell division cycle), а именно геном cdc2 (p34cdc2). У мутантных по гену cdc2 форм дрожжей митотические деления подавлены. Однако, если у этих мутантов интродуцировать ген малой субъединицы MPF, то деление дрожжевых клеток восстанавливается.
Большая субъединица MPF представляет собой белок 56 кДа, идентичный дрожжевому белку p56cdc13. Этот белок был назван циклином, поскольку его взаимодействие с протеинкиназой периодически меняется в ходе клеточного цикла. Оказалось, что активность взаимодействия начинает расти в S-фазе цикла, достигает максимума в начале митоза, но в начале анафазы резко падает из-за быстрой деградации белка. Распад циклина ведет к инактивации малой субъединицы MPF. После инактивации протеинкиназы прекращается фосфорилирование гистона Н1, ламинов и других белков мишеней, а это, в свою очередь, вызывает завершение митоза и переход в интерфазу.
В яйцах Xenopus был выявлен цитостатический фактор CSF (cytostatic factor), контролируемый геном c-mos. Этот фактор блокирует мейоз в метафазе второго деления созревания. Блокирующее действие CSF обусловлено тем, что он предотвращает деградацию циклина. В результате сохраняется активность MPF, и клетка не выходит из митоза. При оплодотворении, как мы знаем, в яйце происходит увеличение концентрации ионов Са2+, что вызывает инактивацию CSF и завершение делений созревания.
Если в период дробления синтез циклина и других активаторов протеинкиназы идет на материнских матрицах, запасенных в период оогенеза, то к концу дробления этот запас исчерпывается. Так, после 13-го деления у дрозофилы происходит деградация материнской иРНКstring и на 14-м цикле начинается ресинтез зиготической формы циклина. Возможно, что это обстоятельство является одной из причин замедления и десинхронизации делений клеток, наблюдаемых в это время.