Тема 15. ДЕЛЕНИЕ КЛЕТОК. СТАДИИ КЛЕТОЧНОГО ЦИКЛА

 

Делящаяся клетка, а вместе с ней и ядро, могут находиться в двух состояниях: в митозе (деление) и интерфазе (состояние между дву­мя митозами). Во время митоза наследственная информация, упа­кованная в хромосомах, равнозначно распределяется между дочер­ними клетками. В интерфазе наследственная информация реали­зуется. Хромосомы переходят в состояние хроматина. ДНК, суперсперализованная с помощью специальных белков, частично раскручивается, сохраняя структуру двойной спирали. На молеку­лах ДНК (как на матрицах) по принципу комплементарное™ син­тезируются все три типа молекул РНК: информационная, транс­портная и рибосомная. Новосинтезированные молекулы РНК в комплексе с белками дозревают и покидают ядро, попадая в цитоп­лазму. В цитоплазме с их участием происходит синтез белков.

Интерфаза подразделяется на три периода: G,, S и Gy В период G, вступают дочерние клетки после митоза. Количество хромосом в них диплоидное, каждая хромосома состоит из одной хроматиды. Соответственно количество двуспиральных молекул ДНК у чело­века равно 46 (2с), т. е. по одной нитевидной молекуле на хромосо­му, перешедшую в состояние хроматина. Объем клеток, общее со­держание органелл, белков и РНК вдвое меньше, чем в исходной родительской клетке. В это время начинается рост клеток за счет накопления клеточных белков, мембранных структур и органелл. Клетки растут до достижений нормального объема, характерного для каждого типа клеток. Продолжи­тельность периода G, — величина не­постоянная, и, в отличие от продол­жительности других фаз клеточного цикла, может изменяться от нулевых значений до многих часов, а в некото­рых случаях даже месяцев в зависи­мости от срока эмбрио- и онтогенеза, от особенностей ткани и ряда других факторов.

В S-периоде удваивается ДНК каждой хроматиновой нити. При этом общее количество ДНК возрастает в 2 раза. В клетках человека, так же, как и в эукариотических клетках других организмов, репликация ДНК происходит за счет независимого синтеза одновременно на множестве отдельных отрезков (вдоль каждой хромосомы) с последующим соединением концов соседних отрезков. За счет образования сотен точек репликации сокращает­ся время, необходимое для удвоения молекул ДНК, длина которых у человека измеряется в сантиметрах. Продолжительность S-периода у млекопитающих и человека 7—9 ч.

В результате процесса репликации из каждой образуются две идентичные молекулы ДНК, упакованные с помощью белков в со­ставе хроматина. Эти новые молекулы отделены друг от друга, но остаются соединенными в центромерном районе хромосом. Центромера располагается внутри гетерохроматического района.

Наличие множества точек начала репликации ДНК на каждой хромосоме не означает одновременного начала этого процесса в каж­дой точке. Для процесса репликации в клетках человека характер­но явление асинхронное™ в разных участках хромосом.

В G^-периоде количество молекул ДНК удвоенное (4с). В этом же периоде достигает максимума уровень синтеза РНК и белка. Клет­ки готовятся к вступлению в митоз. Продолжительность G^-перио-да у млекопитающих около 4 ч. Эта часть клеточного цикла называ­ется также премитотическим периодом.

В настоящее время клеточный цикл обозначают как последова­тельность хронологически связанных событий, происходящих в период от завершения митоза в исходной клетке до завершения митоза в ее дочерней клетке (рис. 8).

В начале 90-х годов произошел прорыв знаний в изучении регу-ляторных механизмов размножения клеток. В нормальных условиях координация событий клеточного цикла обусловлена регуляцией трех переходов: вступления в митоз, выхода из митоза и прохожде­ние через пункт ограничения в периоде G,, после которого клетки становятся ориентированными на синтез ДНК, т. е. готовы всту­пить в S-период.

Типы деления клеток

Митоз - тип деления клеток, при котором из одной диплоидной клетки (2п=46) образуются две диплоидные, генети­чески равнозначные клетки. Процесс митоза в соматических клет­ках человека идет стандартно. К концу профазы хромосо­мы становятся отчетливо видимыми, каждая состоит из двух хроматид. Обе сестринские хроматиды прилежат одна к другой. Центромера в каждой хромосоме удерживает две сестринские хро­матиды вместе. Ядрышко исчезает, ядерная оболочка распадается на фрагменты. Хромосомы располагаются в цитоплазме в централь­ной части клетки, оттесняя все органоиды к периферии.

Во время метафазы центромеры всех хромосом располагаются в экваториальной плоскости между двумя полюсами. Хроматиды каждой хромосомы начинают отделяться одна от другой, оставаясь соединенными только в центромерной области. В районе центро-мер с противоположных сторон прикреплены нити веретена деле­ния. Их количество может достигать нескольких десятков в районе каждой центромеры.

Анафаза начинается с одновременного разделения всех центромер и расхождения сестринских хроматид каждой хромосомы к противоположным полюсам. Утрата синхронности процесса может привести к неправильному расхождению хромосом. Центромеры с помощью нитей веретена деления увлекают за собой дочерние хро­матиды к противоположным полюсам. Анафаза заканчивается с прекращением движения хроматид, которые становятся хромосо­мами. У каждого полюса клетки должно оказаться по 46 хромосом, состоящих из одной хроматиды.

Телофаза связана с образованием ядерных оболочек вокруг хро­мосом на двух полюсах клетки и началом перехода хромосом в со­стояние хроматина. Завершается телофаза образованием перетяж­ки в центральной части делящейся клетки, которая завершает де­ление клетки надвое.

Известно, что у эукариот прохождение митоза может быть заб­локировано физиологически или экспериментально, что приводит к развитию полиплоидных клеток. Системная полиплоидия не ха­рактерна для человека. Полиплоидные эмбрионы погибают на ран­них стадиях развития, что является одной из причин спонтанного прерывания беременности на ранних сроках. В то же время нали чие полиплоидных клеток в некоторых органах человека не явля­ется патологией. Например, полиплоидные клетки встречаются в сердечной мышце, особенно в предсердиях, в печени и некоторых железах. Они могут быть одно- и двуядерными, уровень полиплои­дии невысок и обычно находится в пределах 4—8п.

Мейоз - особый тип клеточного деления, возникновение которого связано с появлением полового размножения. При по­ловом размножении два родителя — отец и мать — дают начало новому организму. При оплодотворении сливаются ядра поло­вых клеток родителей, что увеличивает вдвое количество хромо­сом в зиготе. Следовательно, образование половых клеток долж­но быть связано с уменьшением количества хромосом в два раза, но таким образом, чтобы совокупность генетического материала

обеспечивала преемственность поколений. Закономерное чередо­вание репликации ДНК и, соответственно, xromocom, митозов и мейозов обеспечивает сохранение видоспецифического кариоти-па как в индивидуальном развитии — онтогенезе, так и в череде поколений организмов.

В процессе мейоза из одной диплоидной клетки (2п=46) обра­зуются 4 гаплоидные клетки (п=23). Кроме того, в мейозе проис­ходит два вида перегруппировки генетического материала хромо­сом, т. е. два вида генетической рекомбинации: 1) независимое рас­пределение гомологичных хромосом из разных пар к полюсам деления; 2) кроссинговер — обмен участками между гомологичными хромосомами. Эти процессы обеспечивают широчайший спектр наследственной изменчивости, генетическую неповторимость ин­дивидов даже среди потомков одной пары родителей.

Мейотическое деление у человека не имеет каких-то коренных отличий от мейоза других эукариот. Оно состоит из двух, следую­щих друг за другом делений, между которыми не происходит удвое­ния ДНК, а следовательно, и хромосом.

Перед мейозом обязательно проходит интерфаза, в S-периоде которой ДНК реплицируется. Следовательно, в профазе первого мейотического деления выявляющиеся нитевидные хромосомы со­стоят из двух хроматид. Каждое из двух делений мейоза состоит из про-, мета-, ана- и телофазы с индексами I или II.

Первое мейотическое деление протекает значительно дольше, чем второе. Самой длительной фазой первого мейотического деле­ния является профаза, так как именно в этой фазе происходят та­кие сложные процессы, как образование бивалентов из гомологич­ных хромосом и кроссинговер.

Профаза мейоза I подразделяется на 5 подфаз: лептотена, зиго-тена, пахитена, диплотена, диакинез.

Лептотена — стадия тонких нитей. Ядра клеток, вступающих в мейоз, значительно крупнее других. В этих ядрах вместо хромати­на выявляются очень тонкие и длинные нитевидные хромосомы. Они настолько тонкие и длинные, что их тру дно проследить по всей длине. Для лептотены характерно также появление на тонких хро­мосомах особых, напоминающих бусины структур — хромомеров. Это участки более сильно конденсированного хроматина. Число, размер и расположение хромомерных участков специфичны для каждой хромосомы. Выявление хромомерных структур отражает постепенный процесс конденсации хромосом из хроматина. Каж­дая хромосома состоит из двух сестринских хроматид, но их далеко не всегда удается различить под световым микроскопом, настолько близко они прилегают друг к другу.

Зиготена - стадия сливающихся нитей. На этой стадии гомологичные хромосомы находят друг друга и сливаются (конъюгируют) с образованием бивалента. У человека 46 хромосом (23 пары гомологичных хромосом), следовательно, количество бивалентов равно 23 и соответствует гаплоидному набору хромосом.

Бивалент - это стабильная структура, состоящая из двух гомо­логичных хромосом, или 4-х хроматид. Стабильность этой струк­туры поддерживается с помощью специфических белков синалто-немного комплекса. Объединение гомологов чаще всего начинает­ся на концах хромосом (в теломерах), а также в центромерных районах. Позднее по длине соединяющихся хромосом (внутри би­валента) между хромосомами формируются белковые тяжи синап-тонемного комплекса, сближающие хромосомы.

 

 

В настоящее время показана специфичность хромомерного стро­ения индивидуальных бивалентов человека в мужском и женском мейозе, т.е. по рисунку хромомер можно определить, какая пара хромосом образует тот или иной бивалент, даже если по размеру и общей морфологии биваленты одинаковы. Конъюгация гомоло­гичных хромосом с образованием бивалентов является обязатель­ным процессом для всех хромосом человека, включая короткие и половые хромосомы. Показано, что конъюгация происходит не только между половыми хромосомами Х и X, но также между Х- и Y-хромосомами, несмотря на большую разницу в их морфологии (размерах).

В процессе сперматогенеза половой бивалент из Х- и Y-хромосом начинает конъюгировать раньше других хромосом. Конъюгируют между собой часть района короткого плеча Х- и короткое пле­чо Y-хромосомы. Эксперименты по гибридизации ДНК показали, что эти районы гомологичны между собой. Негомологичные участ­ки хромосом Х и Y остаются свободными.

Зиготена заканчивается образованием 23 бивалентов. Пахитена — стадия прохождения кроссинговера. В пахитене хромосомы выявляются в виде толстых нитей, так как они пред­ставлены бивалентами. Именно в бивалентах происходит кроссинговер — взаимный обмен идентичными участками по длине гомологичных хромосом. Генетическим следствием кроссингове­ра является рекомбинация сцепленных генов, что обеспечивает широкую генетическую изменчивость гамет. Морфологически этот процесс в пахитене уловить нельзя. Для умозрительного восприя­тия его можно изобразить на схеме (пахитена и диплотена). Кроссинговер — это процесс, происходящий со сложными про­странственными изменениями суперспирализованных участков молекул ДНК несестринских хроматид с использованием целого комплекса ферментов, возможно объединенных вместе в специализи­рованную структуру. Кроссинговер является обязательным процессом в каждом биваленте. Не исключено, что отсутствие кроссинговера в каком-то биваленте может быть запирающим фактором мейоза.

В дальнейшем, в диплотене, когда начинают расходиться гомологичные хромосомы, в бивалентах, выявляют­ся те места, где происходил процесс кроссинговера. Это места длительно­го соединения гомологичных хромо­сом во время разрушения бивалентов. Поскольку морфологически они напо­минают греческую букву «X», их на­зывают хиазмами. В зоне хиазм видно, что в перекрест вовлека­ются только две хроматиды из четы­рех (по одной от каждого гомолога).

 

 

 

Диплотена – стадия двойных ни­тей. На этой стадии синаптонемный комплекс разрушается, и гомологи от­талкиваются друг от друга, оставаясь соединенными только в районе хиазм, где по-прежнему сохраняется струк­тура синаптонемного комплекса. Так как количество хиазм соответствует одному событию кроссинговера, в ко­тором участвуют две несестринские хроматиды, то по количеству хиазм можно судить об интенсивности про­цесса кроссинговера. Общее число хиазм на хромосомный набор челове­ка колеблется от 35 до 66. Некоторые биваленты могут содержать несколь­ко хиазм. Среднее количество хиазм на бивалент около двух.

Диакинез — стадия, завершаю­щая профазу мейоза I. Она является переходной к метафазе. Число хи­азм уменьшается, биваленты укорачиваются, разрушается ядро, начинает формироваться веретено деления.

 

Метафаза I — биваленты выстраиваются в экваториальной плос­кости в цитоплазме. Центромеры хромосом расположены на эква­торе, к ним прикреплены нити веретена деления. Число выстроен­ных бивалентов соответствует гаплоидному набору хромосом и для человека равно 23.

Анафаза I — расхождение гомологичных хромосом к противо­положным полюсам клетки. Каждая хромосома состоит из двух се­стринских хроматид.

Телофаза I. В этой фазе происходит образование двух дочер­них ядер, каждое из которых содержит гаплоидное число хромо­сом, равное 23. Каждая хромосома состоит из двух сестринских хроматид.

Промежуток между двумя последующими делениями мейоза очень небольшой. Почти сразу начинается второе мейотическое деление. Оно идет по схеме митоза: 23 хромосомы, состоящие из парных сестринских хроматид, связанных в центромерных участ­ках, в каждом из двух образованных ядер проходят профазу и мета-фазу. В анафазе они разъединяются, и сестринские хроматиды каж­дой хромосомы расходятся к противоположным полюсам, в резуль­тате чего образуется четыре гаплоидных ядра.

Рекомбинация генетического материала в мейозе происходит не только за счет процесса кроссинговера. В анафазе первого мейоти-ческого деления происходит случайное распределение по отноше­нию к полюсам клетки гомологичных хромосом из каждого бивалента. Это приводит к большому числу возможных комбинаций отцовских и материнских хромосом в гаметах. Рассмотрим процесс подробнее на простом примере.

 

Проанализируем распределение первой и второй пары гомоло­гичных хромосом в анафазе I. Известно, что в каждой паре гомоло­гичных хромосом в процессе оплодотворения одна хромосома при­ходит из гаметы отца, другая - из гаметы матери. Обозначим заг­лавными буквами хромосомы отца, а строчными - хромосомы матери. Таким образом, А и а — первая пара хромосом, В и b - вто­рая пара. В профазе I образуются биваленты. В метафазе I они выс­траиваются в экваториальной плоскости: А//а, В// b. В анафазе I гомологичные хромосомы из бивалентов расходятся к противопо­ложным полюсам: к одному полюсу пойдут хромосомы А и В, т.е. отцовские, а к другому, а и b, т.е. материнские. Но у этого события может быть и другой исход, когда расположение хромосом в метафазе на экваторе будет другим: А//а, b//В. Тогда к одному полюсу пойдут хромосомы А и b, а к другому - а и В, т.е. сочетание хромо­сом на полюсах будет содержать одну отцовскую и одну материнс­кую. Наличие двух пар гомологичных хромосом обеспечивает, как мы видим, образование четырех типов гамет, качественно отличаю­щихся друг от друга сочетанием отцовских и материнских хромо­сом. У человека 23 пары хромосом. Разнообразие гамет оценивает­ся как 2²³. Это примерно 10 миллионов вариантов разнообразных сочетаний отцовских и материнских хромосом из каждой пары го­мологов. При оплодотворении практически равновероятна встреча любого из сперматозоидов с овулировавшей яйцеклеткой. Это уве­личивает число возможных генотипов детей (2²³). Частота гене­тической рекомбинации в результате независимого распределения разных пар гомологов выше, чем частота рекомбинации в результа­те кроссинговера.

⇐ Предыдущая16171819202122232425Следующая ⇒

Поделиться: