АкушерствоАнатомияАнестезиологияВакцинопрофилактикаВалеологияВетеринарияГигиенаЗаболеванияИммунологияКардиологияНеврологияНефрологияОнкологияОториноларингологияОфтальмологияПаразитологияПедиатрияПервая помощьПсихиатрияПульмонологияРеанимацияРевматологияСтоматологияТерапияТоксикологияТравматологияУрологияФармакологияФармацевтикаФизиотерапияФтизиатрияХирургияЭндокринологияЭпидемиология

Митоз. Клеточный цикл

Общепризнано, что митоз — это са­мый древний способ клеточного размножения, а все остальные формы деления возникли в процессе эволюции как его регуляционные или патологи­ческие изменения. В основе этого взгляда лежит представление о мито­зе как надежном способе распределе­ния наследственного материала меж­ду дочерними клетками. Характерной чертой митоза является авторегуля­ция, проявляющаяся в цикличности протекания событий, связанных с подготовкой клеток к митозу и самим процессом деления. Эта цикличность послужила основанием для возник­новения понятия о митотическом цикле.

Известно, что 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, поровну распределяется между дочерними клетками. В интер­фазе, когда геном находится в «рабо­чем состоянии», наследственная ин­формация реализуется. При этом хро­мосомы переходят в состояние хрома­тина. Суперспирализованная с помо­щью специальных белков ДНК, час­тично раскручивается, сохраняя структуру двойной спирали.

На молекулах ДНК как на матри­цах, по принципу комплементарности, синтезируются все три типа молекул РНК: информационная, транспортная и рибосомная. Новосинтезированные молекулы РНК в комплексе с белками дозревают и покидают ядро, попадая в цитоплазму, где с их участием проис­ходит синтез белков.

Интерфаза подразделяется на три периода: G_1; S и G₂. В период G₁ дочер­ние клетки вступают после митоза. Ко­личество хромосом в них диплоидное, каждая хромосома состоит из одной хроматиды. Соответственно у человека количество двуспиральных молекул ДНК равно 46, по одной нитевидной молекуле на хромосому, перешедшую в состояние хроматина. Объем же 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. Продолжительность пе­риода G1 непостоянна, и, в отличие от других фаз клеточного цикла, может изменяться от нулевых значений до многих часов, (в некоторых случаях да­же месяцев) в зависимости от сроков 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, как и в эукариотических клетках других орга­низмов, репликация ДНК происходит одновременно на множестве отдельных участков вдоль каждой хромосомы с последующим соединением концов, об­разовавшихся соседних отрезков. За счет того, что репликация происходит в сотнях точек, сокращается время, необ­ходимое для удвоения молекул ДНК, длина которых у человека измеряется в сантиметрах. Продолжительность S-периода у млекопитающих варьирует в пределах от 7 до 9 ч. Во время и после реплика­ции сестринские хроматиды могут об­мениваться сегментами: идет процесс сестринских хроматидных обменов. Так что обе хроматиды митотической хро­мосомы содержат участки другой хроматиды. В этом можно убедиться с по­мощью специального окрашивания хромосом.

В результате репликации образуют­ся две идентичные молекулы ДНК, упакованные с помощью белков в хро­матине. Эти молекулы отделены друг от друга, но остаются соединенными в центромерном районе хромосом. Центромера располагается внутри гетеро­хроматического района. Предполагается, что гетерохроматин обеспечивает ее стабильность. В районе центромеры расположена сателлитная ДНК, пред­ставленная кластерами высокоповторяющихся последовательностей. Кро­ме того, внутри центромеры находятся уникальные последовательности ДНК, которые, как полагают, несут информа­цию о расхождении хромосом к проти­воположным полюсам клетки.

Наличие множества точек начала репликации ДНК на каждой хромосо­ме не означает одновременного начала этого процесса в каждой точке. Для репликации в клетках человека харак­терна асинхронность его в разных участках хромосом. В то же время поря­док репликации участков каждой хро­мосомы строго постоянен, поэтому воспроизведение его последовательно­сти служит важнейшей характеристи­кой каждой хромосомы человека.

Каждая хромосома состоит из участ­ков, реплицированных в разное время. Районы с ранней и поздней реплика­цией четко чередуются. В метафазной хромосоме расположение светлых и темных участков можно видеть с по­мощью светового микроскопа. Строгая специфичность картины позволяет уверенно идентифицировать хромосо­мы в норме, а также при изменении кариотипа в целом, равно как и отдель­ной хромосомы.

В G₂ -периоде число молекул ДНК — удвоенное. Количественное содержа­ние ДНК соответствует тетраплоидному (4п) набору хромосом. Уровень син­теза РНК и белка достигает максимума. Клетки готовятся к вступлению в ми­тоз, поэтому иначе эта часть клеточного цикла называется премитотическим пе­риодом. Продолжительность G₂-периода у млекопитающих около 4 ч.

Процесс митоза в соматических клетках человека идет стандартно. К концу профазы хромосо­мы становятся отчетливо видимыми, причем каждая состоит из двух хроматид. Обе сестринские хроматиды при­лежат одна к другой. Центромера во всех хромосомах представлена небольшой светлой кольцеобразной зоной. Она удерживает две сестринские хро­матиды вместе. Ядрышко исчезает, ядерная оболочка распадается на фрагменты. Хромосомы располагают­ся в цитоплазме центральной части клетки, оттесняя все органоиды к пе­риферии.

Во время метафазы центромеры всех хромосом располагаются в эква­ториальной плоскости между двумя полюсами клетки. В это время они ут­рачивают вид четко выраженной пере­тяжки. Хроматиды каждой хромосомы начинают отделяться одна от другой, оставаясь соединенными только в центромерной области. В районе же цент­ромер с противоположных сторон при­крепляются 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 этого процесса может привести к неправиль­ному их расхождению. Центромеры с помощью специальных белков связы­ваются с нитями веретена деления, ко­торые и 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 состоящих из одной хроматиды таких хромосом.

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

Значение митоза

Мейоз

Мейоз — это особый тип клеточного деления, возникший с появлением по­лового размножения, при котором два родителя — отец и мать — дают начало новому организму. В процессе оплодо­творения сливаются гаплоидные ядра половых клеток родителей, что вдвое увеличивает количество хромосом в зиготе. Следовательно, при образова­нии половых клеток должно в два раза уменьшаться количество хромосом, но таким образом, чтобы совокупность ге­нетического материала обеспечивала преемственность поколений. Закономерное чередование репликации ДНК (а соответственно и хромосом), мито­зов и мейозов обеспечивает сохране­ние видоспецифического кариотипа как в индивидуальном развитии — он­тогенезе, так и в череде поколений ор­ганизмов.

При мейозе из одной диплоидной клетки образуется 4 гаплоидных. Кро­ме того, в ходе этого деления происхо­дит два вида перегруппировки генети­ческого материала хромосом, т.е. два вида генетической рекомбинации:

1) независимое распределение гомоло­гичных хромосом к полюсам деления;

2) кроссинговер — обмен участками между гомологичными хромосомами.

Эти процессы обеспечивают широчай­ший спектр наследственной изменчи­вости и генетическую неповторимость индивидов даже среди потомков одной пары родителей.

Изучение мейоза у человека связано с определенными методическими трудностями из-за недоступности экспериментального материала. Обычно мейоз изучают, культивируя in vitro яичники эмбриона женского пола старше трех месяцев из материала аборта. Кроме того, используют мате­риал биопсии семенников и яичников, полученный при хирургическом вме­шательстве по медицинским показани­ям, а также трупный материал.

Мейоз состоит из двух делений, следующих друг за другом, между ко­торыми, что важно, не происходит уд­воение ДНК, а, следовательно, и хро­мосом. Перед мейозом обязательно проходит интерфаза, в S-периоде ко­торой ДНК реплицируется. Следова­тельно, в профазе I мейотического де­ления 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 ней происходят такие сложные процессы как образование би­валентов из гомологичных хромосом и кроссинговер. У женщин профаза мейоза I активно протекает в течение не­скольких месяцев в период внутриут­робного развития, а полностью завер­шается к моменту овуляции в половоз­релом возрасте. Длительность этого пе­риода у женщин объясняется также од­новременным протеканием процесса дифференцировки и созревания цитоплазмы будущей яйцеклетки. У муж­чин длительность профазы мейоза I со­ставляет 20 — 25 суток.

Профаза мейоза I подразделяется на 5 подфаз: лептотена, зиготена, пахитена, диплотена и диакинез.

Лептотена — стадия тонких нитей. Ядра клеток, вступающих в мейоз, зна­чительно крупнее других. В этих ядрах вместо хроматина выявляются столь тонкие и длинные нитевидные хромо­сомы, что их трудно проследить по всей длине. Для лептотены характерно также появление на тонких хромосомах особых структур, напоминающих бусины. Это хромомеры — участки бо­лее сильно конденсированного хрома­тина. Число, размер и расположение хромомер специфичны для каждой хромосомы. Появление 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. 46 хромосом человека конъюгируют в 23 пары гомологичных хромосом, следовательно, количество бивалентов равно 23 и соответствует гаплоидному хромосомному набору.

Бивалент — это стабильная структу­ра из двух гомологичных хромосом и, соответственно, из 4 хроматид. Объеди­нение гомологов чаще всего начинает­ся на концах хромосом — в теломерах, а также в центромерных районах. Позд­нее внутри бивалента по длине соеди­няющихся хромосом формируются сближающие их белковые тяжи синап­тонемного комплекса.

В настоящее время выявлена 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 обяза­тельна для всех хромосом человека, включая короткие и половые хромосо­мы. Известно, что конъюгация происхо­дит не только между половыми хромо­сомами X и X, но также между X и Y хромосомами, несмотря на значитель­ное превосходство в размерах Х-хромосомы.

В процессе сперматогенеза образо­вание полового бивалента из X и Y хромосом начинается раньше других. При этом конъюгируют между собой часть короткого плеча Х- и короткое плечо Y-хромосом. Экспери­менты по гибридизации ДНК показа­ли, что эти районы гомологичны меж­ду собой. Негомологичные участки X и Y хромосом остаются свободными. Зиготена заканчивается образова­нием 23 бивалентов.

Пахитена — стадия прохождения кроссинговера. В пахитене хромосомы выявляются в виде толстых нитей, поскольку они представлены бивалента­ми. Именно в бивалентах и 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. Процесс обме­на участками между ДНК несестренских хроматид в бивалентах можно представить следующим образом. По длине хромосомы разбросаны зоны по­вторяющихся последовательностей ДНК. С помощью ферментов-рестриктаз целостность их может легко нару­шаться, при этом однонитевые участки молекул ДНК соседних несестринских хроматид могут образовывать короткие двунитевые гибриды. Другие, репарирующие ферменты способны восстанавливать целостность поврежденных участков. Таким образом, кроссинго­вер — это процесс, происходящий со сложными пространственными измене­ниями суперспирализованных участков молекул ДНК несестренских хроматид с использованием целого комплекса ферментов, объединенных в специализированную структуру.

Позже, в следующей стадии, когда гомологичные хромосомы в бивален­тах начинают расходиться, выявляют­ся места, где происходил процесс крос­синговера. В них гомологичные хромо­сомы во время разрушения бивалентов соединены дольше всего. Поскольку морфологически они напоминают гре­ческую букву "X", их называют хиаз­мами. В зоне хиазм видно, что в перекрест вовлекаются только 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. По­скольку каждая хиазма соответствует одному событию кроссинговера, в ко­тором участвуют две несестренские хроматиды, то по количеству хиазм можно судить об интенсивности про­цесса кроссинговера. По данным рав­ных авторов, общее число хиазм на хромосомный набор человека колеб­лется от 35 до 66. Некоторые бивален­ты могут содержать несколько (до 5-6) хиазм. В среднем на бивалент их приходится около двух. Анализ гене­тического сцепления показал, что кроссинговер у женщин происходит чаще, чем у мужчин, следовательно, и хиазм у женщин должно быть больше.

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

В метафазе I биваленты располага­ются в экваториальной плоскости, в цитоплазме. Центромеры хромосом лежат на экваторе, к ним прикреплены нити веретена деления. Число выстро­ившихся бивалентов соответствует гап­лоидному набору хромосом и у челове­ка равно 23.

В анафазе I происходит 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.

Второе мейотическое деление начинается почти сразу. 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 метафазу. В ана­фазе они разъединяются и расходятся к противоположным полюсам, в результате чего образуется четыре гаплоидных ядра, различающихся по качеству генетиче­ской информации.

Рекомбинация генетического мате­риала в мейозе осуществляется не толь­ко за счет кроссинговера. В анафазе первого мейотического деления происхо­дит случайное по отношению к полюсам клетки распределение гомологичных хромосом из каждого бивалента, что приводит к возникновению большого числа комбинаций отцовских и мате­ринских хромосом в гаметах. Рассмот­рим этот процесс подробнее, проанали­зировав распределение первой и второй пары гомологичных хромосом в анафа­зе I. Известно, что в каждой паре гомологичных хромосом зиготы одна хромо­сома приходит из гаметы отца, другая — из гаметы матери. Обозначим заглавны­ми буквами хромосомы отца, а прописными — хромосомы матери. А и а — первая пара хромосом, В и b — вторая пара. В профазе I образуются би­валенты. В метафазе I они выстраива­ются в экваториальной плоскости. В анафазе I гомологичные хро­мосомы расходятся к противополож­ным полюсам: к одному полюсу пойдут хромосомы А и В, то есть отцовские, а к другому а и b, то есть материнские. Но у этого события может быть и другой исход, когда расположение хромосом в метафазе на экваторе будет другим. Тогда к одному по­люсу пойдут хромосомы А и b, а к дру­гому — а и В, то есть сочетание хромо­сом на полюсах будет: одна отцовская, одна материнская. 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, и разно­образие гамет оценивается как 2²³, что примерно равно 10 миллионам вариан­тов сочетаний отцовских и материнских хромосом. При оплодотворении прак­тически равновероятна встреча любого из сперматозоидов с яйцеклеткой. Это увеличивает число возможных геноти­пов детей до 2²³ х 2²³. Частота генетичес­кой рекомбинации в результате незави­симого распределения разных пар гомо­логов выше, чем частота рекомбинации в результате кроссинговера.

Различия между митозом и мейозом