Механизм конденсации и сегрегации хромосом в митозе

Обновлено: 16.05.2024

В настоящее время различают две основные формы клеточной гибели: некроз и программированную гибель (Kerr et al., 1972). Некроз можно описать как неспецифическое набухание клетки и ее мембранных органелл, которое завершается нарушением их целостности. В результате разрывов в плазматической мембране содержимое клетки оказывается во внеклеточном пространстве. Если некроз происходит в организме многоклеточного животного, развивается воспалительный процесс. Принципиальным отличием программированной гибели клеток является то, что в процессе смерти плазматическая мембрана клетки, как правило, сохраняет свою целостность, и остатки клеток могут быть поглощены макрофагами или соседними клетками. Это означает, что в случае программированной гибели клеток отсутствует генерализованный ответ организма в виде воспалительной реакции.

Программированная гибель клеток привлекает к себе внимание многочисленных исследователей уже более тридцати лет, прежде всего, по двум причинам. Во-первых, как оказалось, она играет важную роль в морфогенетических процессах и в регуляции численности клеток на протяжении всего онтогенетического развития многоклеточного организма. Во-вторых, обнаружено, что возникновение многих тяжелых заболеваний связано с такими нарушениями программы клеточной гибели, при которых клетки либо перестают погибать, и тогда возможно возникновение опухолей, либо гибель захватывает избыточное число клеток, что в свою очередь приводит к патологической дегенерации тканей и органов.

В последние годы в составе программированной клеточной гибели (ПКГ) выделяют несколько типов: апоптоз, аутофагическую гибель и программированный некроз (Ogier Denis, Codagno, 2003; Edinger, Thompson, 2004). В свою очередь, апоптоз может быть подразделен на апоптоз одноядерных клеток и митотическую катастрофу. Последняя при этом подразделяется на апоптоз собственно в митозе и апоптоз полиплоидных клеток, образовавшихся в результате патологического митоза.

Апоптоз. Программа апоптотической гибели состоит из следующих основных этапов: 1) индукция, или запуск программы апоптоза; 2) активация проапоптотических белков; 3) каскад каспаз, расщепляющих белки-мишени; 4) разрушение внутриклеточных органелл или их перестройка; 5) фрагментация клетки на апоптотические тельца; 6) подготовка клетки и ее фрагментов к фагоцитозу макрофагами или соседними клетками.

В запуске апоптоза участвуют различные органеллы (Nigg, 2002; Chen, Wang, 2002; Edinger,Thompson, 2004), но, прежде всего это плазматическая мембрана и митохондрии (Bras et al., 2005).

Индукция апоптоза и активация проапоптотических белков ведет к активации каспаз (цистеиновых протеаз) (Thornberry, Lazebnik, 1998; Chen, Wang, 2002). Различают инициаторные (8, 2, 10, 9) и эффекторные каспазы (3, 7, 6), т.е. каспазы функционируют как протеолитические каскады. Итогом работы эффекторных каспаз является разрушение множества белков, которые могут участвовать в поддержании гомеостаза и в репарации компонентов клетки, белков–регуляторов клеточного цикла, структурных белков и т.д. В результате действия эффекторных каспаз и активированных ими других ферментов (эндонуклеаз, гельзолина и т.д.) разрушаются такие компоненты клетки как внутриядерная ламина, нарушается целостность ДНК, происходит специфическая компактизация хроматина, наблюдается распад элементов цитоскелета, митохондрий, аппарата Гольджи, эндоплазматичекого ретикулума и т.д. Помимо каспазного в последние годы различают некаспазный механизм апоптотической гибели (Wang at al., 2002), при котором происходит выход из митохондрий и миграция в ядро флавопротеина AIF и эндонуклеазы G, вызывающих распад ядерной ДНК на крупные фрагменты. Наблюдаемые при данном механизме конденсация хроматина и экспозиция фосфатидилсерина во внешнем монослое плазматической мембраны соответствуют признакам апоптоза.

Морфологические преобразования в процессе апоптоза выражаются в разной степени распада внутриклеточных компонентов. Конечными этапами апоптоза является уплотнение цитоплазмы, фрагментация ядер и самих клеток с образованием апоптотических телец, в которых могут быть фрагменты ядер, элементы аппарата Гольджи, митохондрии и т.д. Апоптотические клетки и тельца экспонируют на поверхности сигнальные и адгезивные молекулы, которые узнаются соседними клетками или макрофагами и способствуют фагоцитозу (Moreira. Barcinski, 2004). К таким молекулам относятся фосфатидилсерин, лизофосфолипиды, витронектин, тромбоспондин и др. Процессу фагоцитоза способствует также инактивация на поверхности умирающих клеток молекул типа CD31, необходимых для распознавания не подлежащих поглощению жизнеспособных клеток.

Митотическая катастрофа. Понятие «митотической катастрофа» было введено для обозначения гибели клеток, в которых проявлялись признаки патологии митоза. В последние годы дискутируется вопрос о том, что следует называть митотической катастрофой. Согласно одним представлениям, митотическая катастрофа - это реализация апоптотической программы собственно в процессе митоза (Castedo et al., 2004). При этом сегрегация хромосом отсутствует, и клетка блокируется в одной из фаз митоза. Как правило, блок происходит в так называемом К-митозе (колхицино-подобном митозе), когда в митотической клетке нарушены организация веретена и выстраивание хромосом в виде метафазной пластинки. Далее происходит активация каспаз и последующие деструктивные события по типу апоптотических. Митохондриальный путь активации программы апоптоза считают преобладающим при гибели клеток собственно в митозе. Завершается апоптоз образованием апоптотических телец и их фагоцитозом. Вторым подтипом митотической катастрофы является гибель клеток, перешедших после аномального митоза в следующую G1-фазу без нормальной сегрегации хромосом и образования дочерних клеток (Roninson et al., 2001), т.е. постмитотическая гибель полиплоидных клеток. При общей эуплоидности полиплоидной клетки ее отдельные ядра являются в основном анеуплоидными. Данный подтип митотической катастрофы может быть назван апоптозом клетки, прошедшей полиплоидизирующий митоз.

Причиной митотической катастрофы считают нарушение процессов контроля в клетках, в которых могли произойти повреждения ДНК или нарушения сборки веретена (Castedo et al., 2004). Ключевым моментом в блокировании клеточного цикла и в индукции в этих клетках апоптоза является экспрессия р53, который служит фактором транскрипции для р21 – ингибитора G1–фазы клеточного цикла и для ряда проапоптотических белков.

Митотическая катастрофа принципиально отличается от апоптоза одноядерных клеток и аутофагической гибели тем, что нарушение ее программы может существенно повлиять на хромосомный состав клеток. Если в тетраплоидной клетке, возникшей в результате нарушения сегрегации хромосом, неактивны механизмы, ведущие к апоптозу или действующие в пункте проверки G1–фазы, то такая клетка может пройти очередной клеточный цикл и митоз. Как известно, деление полиплоидных клеток часто сопровождается многополюсностью веретена, в результате чего после сегрегации хромосом могут возникать анеуплоидные клетки. Анеуплоидия может вести в свою очередь к отсутствию пунктов контроля пролиферации и нарушению механизмов гибели клеток. Клоны потомков таких клеток могут служить основой для трансформации клеток и роста опухолей (Castedo et al., 2004). Недавно появились данные о том, что изменение хромосомного состава диплоидных клеток действительно может влиять на их способность вступать в апоптоз. Обнаружено, что если сестринские клетки, образовавшиеся в результате многополюсного митоза и являющиеся анеуплоидными, подвергнуть апоптотическому воздействию, погибает лишь часть таких клеток. Другие же сестринские клетки остаются жизнеспособными (Александрова, Онищенко, 2004). Пока остается неясным, как долго эти клетки продолжают жить. Но такие жизнеспособные анеуплоидные клетки можно, безусловно, рассматривать в качестве одного из этапов озлокачествления опухолей. Таким образом, преодоление именно митотического пункта проверки без нормализации состояния клетки (например, формирование многополюсного, а не биполярного веретена, образование микроядер) может быть источником клонов клеток, генетический состав которых, а значит, и их свойства, резко отличаются от исходных родительских клеток.

Аутофагическая гибель. В качестве второго типа программированной гибели клеток в настоящее время выделяют гибель клеток, при которой в клетки запускается программа аутофагии (Ogier Denis, Codagno, 2003; Edinger, Thompson, 2004; Gozuacik, Kimchi, 2004; Levine, Klionsky, 2004). Аутофагия – это деградация органелл и цитоплазматического материала, которая происходит при участии внутриклеточных мембранных структур. При аутофагии de novo формируются специализированные структуры – аутофагосомы. Это двухмембранные образования, внутри которых помещается клеточный материал (органелла или часть цитозоля), подлежащий разрушению. При слиянии аутофагосом с лизосомами образуются аутофаголизосомы, где и происходит расщепление подлежащих уничтожению компонентов клетки. Стимулами к запуску процессов аутофагии в клетках многоклеточных животных являются: 1) отсутствие факторов роста или нехватка питательных веществ; 2) наличие в цитоплазме поврежденных органелл, например, митохондрий, пероксисом и т.д.; 3) в клеточных культурах возникновение монослоя и существование контактного торможения. При нехватке питательных соединений клетка начинает утилизировать часть своих цитозольных белков и органелл с помощью аутофагии. В результате при расщеплении этих компонентов в лизосомах или вакуолях в клетке поддерживается необходимый уровень тех соединений, которые нужны ей для жизнедеятельности. При образовании аутофагосом экспрессируются белки Apg, Aut, Cvt, функциональная роль которых в настоящее время активно изучается.

При аутофагической гибели деятельность аутофагосом и лизосом ведет к тому, что в клетке перевариваются практически все мембранные органеллы. Активированные нуклеазы фрагментируют ДНК ядра, но не на олигонуклеосомные фрагменты, как это происходит при апоптозе. Аутофагический тип гибели называют также лизосомной клеточной смертью. Аутофагическая гибель отличается следующими признаками: 1) частичная конденсация хроматина; 2) иногда пикноз ядра; 3) отсутствие фрагментации ядра и клетки на поздних стадиях гибели; 4) отсутствие деградации ДНК до нуклеосомного уровня; 5) увеличение числа аутофагосом и аутофаголизосом; 6) увеличение лизосомной активности; 7) увеличение протяженности аппарата Гольджи и иногда расширение цистерн эндоплазматического ретикулума; 8) длительная сохранность микротрубочек и промежуточных филаментов; 9) иногда возрастание проницаемости митохондрий; 10) отсутствие активации каспаз. В конечном итоге остается клеточный дебрис – остаток клетки, окруженный плазматической мембраной, который фагоцитируется макрофагами.

Программированный некроз. Длительное время некроз рассматривали лишь как вариант неспецифической гибели клетки. Фактической причиной гибели при некрозе считают резкое падение содержания АТФ в клетках до такого уровня, который не совместим с жизнью (Fiers et al., 1999; Edinger, Thompson, 2004). «Энергетическая катастрофа» может быть вызвана, например, токсинами или физическими повреждениями. Морфологическими признаками некроза является набухание клеток и их мембранных органелл, неспецифическая компактизация хроматина, вакуолизация цитоплазмы, нарушение целостности плазматической мембраны и выход содержимого клеток во внеклеточное пространство. В итоге в многоклеточном организме в области некроза развивается воспалительная реакция.

Понятие «программированный некроз» сформировалось на основании данных о том, что существует сигнальный путь инициации некроза в ответ на связывание рецепторами таких молекул как TNF, на фоне подавления апоптоза (Fiers et al., 1999). Индуцировать программу некроза можно, если активировать программу апоптоза связыванием таких лигандов как Fas, TRAIL или вызывая гиперэкспрессию проапоптотического белка Bax, и в тоже время либо ингибируя активность каспаз, либо вызывая гиперэкспрессию антиапоптотических белков. Программированный некроз в свою очередь может быть подавлен, если на клетки воздействовать антиоксидантами либо подавить активность протеинкиназы RIP (Holler et al., 2000). Интересно, что протеинкиназа RIP является одной из мишеней действия каспаз. Это означает, что инициация и осуществление апоптоза активно подавляют развитие некроза в клетках. То же относится и к PARP. Существуют данные о том, что высокий уровень активности PARP, например, при повреждениях ДНК ведет к резкому снижению уровня NAD как в ядре, так и в цитоплазме. Результатом этого является подавление гликолиза. В том случае, когда клетки обеспечиваются АТФ в значительной степени за счет гликолиза, подавление гликолиза может приводить к резкому снижению содержания АТФ, что заканчивается некрозом клетки. При апоптозе PARP является мишенью действия широкого набора эффекторных каспаз. Таким образом, механизм апоптоза направлен, в том числе, и на подавление ферментов, активность которых может приводить к запуску некроза. (Edinger, Thompson, 2004). Физиологическое значение такого противоборства между апоптозом и программированным некрозом проявляется на двух системах. На клетках, инфицированных вирусом vaccinia virus, программированный некроз может быть не только вариантом гибели в условиях подавления апоптоза, но и выполнять функцию усиления иммунных реакций в ответ на инфицирование микроорганизмами. Отрицательная связь между апоптозом и программированным некрозом прослеживается и при повреждении ДНК, вызванном химическими агентами или ионизирующим излучением. В неопухолевых клетках в этих случаях включаются пункты проверки, действующие во всех фазах интерфазы клеточного цикла и предотвращающие вступление в митоз клеток с нарушенным геномом (Rieder, Khodjakov, 1997). В случае нарушения механизмов репарации клетки погибают путем апоптоза. Однако, как оказалось, если в таких клетках с поврежденной ДНК нарушены механизмы осуществления апоптоза, что является достаточно распространенным в трансформированных клетках, клетки погибают путем программированного некроза. Физиологическое значение некроза в такой ситуации имеет двоякий смысл. С одной стороны программированная гибель клеток путем некроза в отсутствие апоптоза все же снижает риск передачи дочерним клеткам мутаций (Edinger, Thompson, 2004). С другой стороны, распад клеток при некрозе может способствовать активации иммунного ответа многоклеточного организма.

Если проанализировать, в каких фазах клеточного цикла возможен тот или иной вариант гибели клеток, то складывается следующая картина. В отличие от апоптоза, который может запускаться в разных фазах клеточного цикла, в том числе и собственно в митозе в форме митотической катастрофы, аутофагическая гибель развивается преимущественно в непролиферирующих клетках (G0-фаза и терминальная дифференцировка). Однако если в пролиферирующих клетках подавлены механизмы апоптоза, например, инактивированы каспазы, то гибель пролиферирующих клеток осуществляется по механизму программированного некроза.

В условиях многоклеточного организма программа гибели поврежденных или закончивших свой жизненный цикл клеток может определяться следующими факторами: 1) типом и уровнем дифференцировки; 2) положением в клеточном цикле; 3) набором присутствующих в микроокружении цитокинов; 4) состоянием энергетической системы. В зависимости от программы гибели последствия могут быть различными. При аутофагической гибели или апоптозе покоящихся и терминально дифференцированных клеток их остатки удаляются макрофагами. То же происходит при апоптоза пролиферирующих интерфазных клеток. Включение программы митотической катастрофы может вести не только к гибели делящихся клеток, но и к такому явлению как цитогенетическая катастрофа (Castedo et al., 2004), которая сопровождается появлением клонов анеуплоидных клеток. Эти клетки могут ускользать от апоптоза; увеличивается риск появления клонов клеток с нарушениями контроля пролиферации и гибели, т.е. опухолевых клеток. Составляющей механизма программы некроза является энергетическая катастрофа, ведущая к разрушению клеток и, как следствие, к воспалительной реакции, масштабы которой могут определяться как числом некротизированных клеток, так и антигенными свойствами соединений, оказавшихся во внеклеточном пространстве. Следует отметить, что при определенных условиях процесс реализации одной программы гибели на каких-то этапах может сменяться другой, например, начавшаяся аутофагия может сменяться апоптозом, а апоптоз завершиться постапоптотическим некрозом. Возникло представление о существовании общей сети, связывающей разные события в клеточной цикле по типу интерактивной (Tyers, 2004). Очевидно, аналогичная общая сеть сопрягает такие процессы как дифференцировка, пролиферация и программированная гибель. Поиск ключевых узлов этой системы связи является наиболее привлекательным направлением исследований. Чем подробнее будут изучены пункты переключения одних программ на другие, тем эффективнее будет выбор стратегии химиотерапии опухолей. При этом важным моментом такой стратегии является не только уничтожение опухолевых клеток, но и предотвращение возможных отдаленных последствий используемой программы клеточной гибели.

Работа поддержана грантом РФФИ 05-04-49248

Список литературы:

1. Александрова Е., Онищенко Г.Е., 2004, Доклады РАН, 399:507-509.

2. Bras M., Queenan B., Susiin S.A. 2005, Biochemistry 70:231-239.

3. Castedo M., Perfettini J.Z., Roumier T., Andreau K., Medema R., Kroemer G. 2004, Oncogene, 23:2825-2837.

4. Chen M. and Wang J., 2002, Apoptosis, 7:313-319.

5. Edinger A.Z. and Thompson C., 2004, Curr. Opin. Cell Biol., 16:663-669.

6. Fiers W., Beyaert R., Declercq W., Vandenabeele P., 1999, Oncogene, 18:7719-7730.

7. Gozuacik D and Kimchi A., Oncogene 2004, 23:2891-2906.

8. Kerr J. F. R., Wyllie A.H., Curruie A.R., 1972. Br. J. Cancer, 26:239-257.

9. Levine B. and Klionsky D.J., 2004, Dev. Cell, 6:463-477.

10. Moreira M.E. and Barcinski M.A., 2004, An Acad. Bras. Cienc., 76:93-115.

Механизм конденсации и сегрегации хромосом в митозе

Проведено изучение интеркинеза и профазы II у сорта яровой мягкой пшеницы Мильтурум 553. Кроме того, проведен анализ характера поведения хроматид в мейозе II у полной серии моносомных линий данного сорта. Результаты цитологических наблюдений показали, что в диадах микроспор на стадии интеркинеза от межклеточной перегородки начинает формироваться центральное веретено деления. Изначально оно имеет дугообразную форму, которая, расправляясь в профазе II, занимает диаметрально противоположные стороны. В данный момент ядра каждой клетки диады прижаты к ее внешней стенке. Позже уже спирализованные хромосомы вступают во взаимодействие с центральным веретеном и при уравновешивании сил натяжения выстраиваются в экваториальной зоне. Результаты анализа поведения хроматид в мейозе II свидетельствуют о полюсной детерминации автоориентации кинетохор. В метафазе и анафазе II по характеру распределения частоты клеток с отброшенными (отстающими) хроматидами хромосомы дифференцируются по своей геномной принадлежности. При этом наблюдается тенденция нормального распределения частот по хромосомам. Все это свидетельствует о централизованном управлении процесса автоориентации.

3. Молекулярная биология клетки / Б. Албертс, Б. Брей, Дж. Льюис, М. Рэфф и др. – М. : Мир, 1987. – Т. 3. – 296 с.

5. Цитология и генетика мейоза / отв. ред. В.В. Хвостова, Ю.Ф. Богданов. – М. : Наука, 1975. - 432 с.

6. Dawe R.K. Meiotic chromosome organization and segregation in plants // Annu. Rev. Plant Physiol. Plant Mol. Biol. – 1998. – 49. – P. 371-395.

8. Paliulis L.V. Kinetochore rearrangement in meiosis II requires to the spindle / L.V. Paliulis, R.B. Nicklas // Chromosoma. – 2005. – 113 (8). – P. 440-446.

9. Wada B. Spindle membrane in meiosis of pollen mother cells of Tradescantia and in mitosis of endosperm cells of Zephyranthes / B. Wada, F. Kusunoki // Cytologia (Tokyo). – 1964. – V. 29. – P. 109-111.

Считается, что механизм перехода хромосом от одного типа деления к другому вообще, и в частности от митоза к мейозу, остается не известным [5]. Однако на основании проведенного цитологического анализа характера поведения унивалента в анафазе I мейоза у полной серии моносомных линий сорта пшеницы Мильтурум 553 было показано, что коориентация центромер детерминируется зоной исходного полюса [2]. При этом ее структурные изменения меняют ориентацию центромер (с митотического на мейотическое) одного гаплоидного набора хромосом, в то время как их гомологи сохраняют свою прежнюю митотическую ориентацию. Подобного рода манипуляции приводят в соответствие взаимное расположение плеч хромосом и тем самым обеспечивают необходимые условия для прохождения их конъюгации. После завершения синапсиса гомологи с биполярной ориентацией переходят на униполярную. Дальнейшая сегрегация хромосом осуществляется путем разведения кинетохорных нитей веретена в противоположные стороны и их встраивания в центральное веретено. Исходя из полюсной детерминации ориентации хромосом и предложенной концепции «разводящих нитей» может быть понят и механизм автоориентации хромосом в мейозе II.

Материал и методы исследования

Исследования проводили на сорте яровой мягкой пшеницы Мильтурум 553 и его полной серии моносомных линий. Потомство моносомных растений и исходного сорта высевали в теплице в сосуды и выращивали при 16-часовом освещении с 23/18 оС температурным циклом.

Фиксацию микроспороцитов осуществляли в межфазный период «выход в трубку – колошение». В качестве фиксаторов использовали смеси Ньюкомера [4] и Навашина [9]. Для этого с каждого растения брали по одному-два колоса. Цитологический анализ мейоза проводили на временных давленых ацетокарминовых препаратах с помощь светового микроскопа МБИ-3 при увеличении 20х10. По каждой линии анализировали от 10 до 15 растений. Для цитологического анализа использовались только первый и второй цветок колосков, расположенных в нижней части колоса.

Результаты исследования и их обсуждение

При мейотическом делении клеток в профазе I происходит удвоение хромосом. В результате каждая из них к началу редукционного деления состоит из двух хроматид, имеющих свои центромеры. В метафазе I и анафазе I сестринские центромеры хромосом, входящих в состав бивалентов, имеют униполярную ориентацию, которая сохраняется до начала второго мейотического деления. Следовательно, для перехода хромосом от редукционного типа деления к эквационному необходима соответствующая перестройка ориентации центромер, то есть автоориентация [6].

По данным литературных источников [1; 3], в профазе митоза на двух противоположных сторонах центромеры образуются два кинетохора, ориентированные в противоположных направлениях. Считается, что именно данное обстоятельство определяет в дальнейшем эквационное деление хромосом. Однако в работе [8] показано, что отделенные кинетохоры хроматид в мейозе II сохраняют свое расположение «бок о бок» (side-by-side) до их приложения к веретену. Это в свою очередь указывает на то, что в данном случае не положение кинетохор определяет характер их дальнейшего расхождения, а, наоборот, смена ориентации сил приложения с униполярного на биполярное определяет расположение кинетохор относительно друг друга.

В результате завершения первого мейотического деления образуются диады, которые содержат уменьшенное количество хромосом, но при этом n = 2х. На данной стадии формируется ядро, а из мембран и его оболочка. В это время хромосомы частично деконденсируются. Данный период интерпретируется еще как интеркинез. Его целесообразность, кроме как возможность дополнительного синтеза веществ, остается до конца не понятной. Однако при полюсной детерминации ориентации центромер в мейозе наличие в переходный период между двумя его стадиями интеркинеза становится не только понятным, но и просто необходимым.

После завершения первого мейотического деления в интеркинезе хромосомы не теряют своей связи с полюсной зоной, о чем свидетельствует сохранение пространственной организации расположения хромосом. Однако точки фиксации в ней остаются ориентированными по типу предыдущего редукционного деления (рис. 1 а, б).

Рис. 1. Ориентация кинетохор при редукционном (а, б) и эквационном (в, г) делении хромосом; ЗИП – зона исходного полюса; ЛДП (ЛД) – линия деления зоны исходного полюса; КНВ – кинетохорные нити веретена; Т – точки фиксации кинетохорных нитей веретена; Х – хромосомы.

Для того чтобы перевести точки фиксации центромер с униполярной ориентации на биполярную, необходимо выстроить их в зоне исходного полюса относительно линии его потенциального деления в последовательности, обеспечивающей при разведении кинетохорных нитей веретена эквационное деление хромосом (рис. 1 в, г). Для проведения подобного рода манипуляций наличие ядерной оболочки оказывается в данном случае оправданным.

Трудность изучения переходного периода от мейоза I к мейозу II заключается в том, что определяющие его периоды интеркинез и профаза II проходят достаточно быстро и уловить нужный момент оказывается не так просто. При изучении двух вышеперечисленных стадий были проанализировано более 16 тысяч диад. Однако полученные результаты дали вполне логическое построение событий, происходящих при переходе от редукционного к эквационному типу деления хромосом.

Исследования, проведенные на материале, фиксированном смесью Навашина, показали, что в диадах микроспор пшеницы в норме часто наблюдаются дугообразные светлые зоны, идущие от клеточной перегородки диады. При этом ядра оказываются прижаты к внешней оболочке ядра (рис. 2а). Характерные линии, образующие эти зоны, дают основание считать, что образование подобного рода конфигураций связано с началом формирования центрального веретена деления.

а б

К сожалению, используемая методика проводимых исследований не дает возможности достоверно определить наличие ядерной оболочки на данном этапе происходящих мейотических процессов. Тем не менее это не исключает возможности начала формирования центрального веретена деления на стадии интеркинеза. В то же время результаты дальнейших наблюдений показывают, что при демонтаже ядерных мембран и конденсации хромосом клетки диады имеют вполне оформленное центральное веретено деления (рис. 2б). При этом хромосомы также оказываются прижатыми к внешней оболочке клетки. Однако часто группы хромосом, ранее входящие в состав ядра, располагаются в зоне одного из полюсов центрального веретена. После разведения зоной исходного полюса кинетохорных нитей они встраиваются в центральное веретено и вступают с ним во взаимодействие (рис. 2в). Данный фактор приводит в движение хромосомы, которые перемещаются вдоль нитей центрального веретена. При достижении уравновешивания сил натяжения хромосомы выстраиваются в экваториальной плоскости клетки (рис. 2г).

Таким образом, предлагаемая модель механизма автоориентации хромосом при их переходе от редукционного типа деления к эквационному достаточно хорошо согласуется с результатами проведенных цитологических наблюдений за диадами микроспор. Одним из важных моментов, происходящих при этом процессе, является полюсная детерминация ориентации центромер в мейозе и тот факт, что центральное и кинетохорное веретено формируются в разном месте и до определенного периода непосредственно не связаны между собой. В одной из своих работ R. Bruce Nicklas [7] отмечает, что центральное веретено и кинетохорное формируются в разное время и в разном месте.

При переходе хромосом от редукционного типа деления к эквационному в норме они имеют две хроматиды, каждая из которых обладает своей центромерой а, следовательно, и кинетохором. Наличие двух кинетохор является определяющим моментом в прохождении правильной их полюсной ориентации при переходе хромосом от редукционного деления к эквационному. Однако несколько иначе складываются обстоятельства, когда в данном процессе участвует только один кинетохор. Подобно коориентации унивалента в профазе I, точка фиксации единичного кинетохора может быть не затронута структурными изменениями зоны исходного полюса, и тогда хроматида должна сохранять свою прежнюю униполярную ориентацию. Однако при полюсных изменениях эта точка может быть смещена в зону предстоящего раздела исходного полюса, и после разведения образовавшихся секторов в противоположные стороны хроматида будет задействована двумя полюсами центрального веретена деления. При этом исход дальнейшей сегрегации хроматиды в анафазе II будет зависеть от характера произошедшего расщепления кинетохорного пучка микротрубочек. Соответственно, в зависимости от распределения сил приложения либо она выстроится вместе с другими хромосомами в экваториальной плоскости, либо окажется вне ее зоны, либо произойдет поперечное деление ее центромеры. Проведенный статистический анализ характера поведения хроматиды по всему гаплоидному набору хромосом в мейозе II показал, что в процессе автоориентации происходит их дифференциация по геномной принадлежности (рис. 3).

Рис. 3. Гистограммы распределения частоты клеток с отстающими хроматидами на разных стадиях мейотического деления по хромосомам геномов А, В и D

Как следует из вышесказанного, источником присутствия отдельных хроматид во втором мейотическом делении является продольное расщепление унивалента в анафазе I. В среднем по серии моносомных линий доля клеток в анафазе I с эквационным делением унивалента составила 29,75%, а их количество с отброшенными хроматидами в метафазе II – 13,56%. Разница между двумя этими показателями оказалась равной 16,19%. Следовательно, можно предположить, что в 16,19% случаев от всех изученных клеток хроматиды в метафазе II располагались вместе с другими хромосомами в экваториальной зоне.

Как уже отмечалось ранее, полученное содержание клеток в метафазе II с отброшенными хроматидами отражает лишь общую закономерность анализируемого генотипа. Конкретное же их содержание существенно варьировало по моносомным линиям. При этом коэффициент парной корреляции между частотой биполярного типа поведения унивалента в анафазе I и наличием клеток с отброшенными хроматидами в метафазе II в среднем по серии моносомных линий составил 0,23. Однако этот показатель существенно менялся в пределах хромосом одного генома (рис. 3). Так, по геному А - r = 0,16, геному В - r = 0,27, геному D - r = 0,95.

Для метафазы II оказалось характерным проявление некоторой закономерности распределения частоты клеток с отброшенными хроматидами. Так, по геному А просматривается два уровня кривых распределения (рис. 3а). К первому можно отнести хромосомы 1А, 3А и 5А, ко второму – 2А, 4А, 6А и 7А. По геномам В и D в состав аналогичного ряда входят все 7 хромосом каждого из них (рис. 3 б, в). При этом характер распределения частот по хромосомам в обоих случаях оказался близок к кривой нормального распределения.

Ситуация с хроматидами во втором мейотическом делении существенно меняется в анафазе II. Количество клеток с отстающими хроматидами по сравнению с метафазой II резко возрастает. При этом их уровень почти достигает частоты продольного расщепления в анафазе I (27,36% против 29,75%). Однако характер варьирования данного признака также дифференцируется по геномам. Как видно из рисунков 3а и 3б, в пределах хромосом геномов А и В оно имело несколько хаотичное проявление. Однако при этом доля клеток с отстающими хроматидами в анафазе II достаточно тесно коррелировала с частотой эквационного деления унивалента в анафазе I. Их частные коэффициенты составили по геному А 0,92, геному В – 0,91. Соответственно между анафазой и метафазой второго деления - -0,04 и 0,38.

Весьма своеобразно проявились частота образования хроматид по хромосомам генома D в мейозе I и их поведение в мейозе II (рис. 3в). Прежде всего, при попарном сравнении наблюдалась тесная корреляционная зависимость между тремя анализируемыми фазами мейоза. Их коэффициенты находились в пределах 0,92 – 0,95. При этом для хромосом генома D по каждой из рассматриваемых фаз мейоза оказалась специфичной тенденция проявления характера варьирования частот по типу нормального распределения (рис. 3в).

При сопоставлении гистограмм, представленных на рисунке 3, видно, что своего рода упорядоченность поведения хроматид идет в возрастающем порядке от генома А к геному D. Подобного рода дифференциация может быть связана с особенностями эволюции мягкой пшеницы как вида, где к геному А были привнесены хромосомы генома В, а потом и генома D.

Таким образом, результаты исследований, проведенные на диадах микроспор, показали, что центральное веретено и кинетохорное формируются независимо друг от друга. В момент формирования центрального веретена деления ядра оказываются прижатыми к внешней оболочке ядра. При этом они могут быть перемещены к одному из противоположных полюсов центрального веретена, откуда начинается взаимодействие кинетохорных нитей с центральными и продольное перемещение хромосом до уравновешивания альтернативных сил натяжения и выравнивания их в экваториальной плоскости. Анализ характера поведения хроматид во втором мейотическом делении показал, что по частоте клеток с отброшенной или отстающей хроматидой существует определенная упорядоченность. При этом хромосомы дифференцируются по их геномной принадлежности. Подобного рода упорядоченность возможна только при наличии определенной централизации управления данным процессом. Таким образом, на основании проведенных исследований есть все основания считать, что автоориентация хромосом в мейозе II детерминируется зоной исходного полюса, которая обеспечивала их расхождение при эквационном делении.

Рецензенты:

Плотникова Л.Я., д.б.н., профессор кафедры селекции, генетики и физиологии растений ОмГАУ, г. Омск.

Евдокимов М.Г., д.с.-х.н., заведующий лабораторией селекции твердой пшеницы ФГБНУ «СИБНИИСХ», г. Омск.

Митоз, механизм движения хромосом в этом процессе.

Интерфазные деконденсированные и уже редуплицированные хромосомы переходят в компактную форму митотических хромосом, образуется специальный аппарат, участвующий в сегрегации и переносе хромосом (ахроматиновый митотический аппарат), хромосомы расходятся к противоположным полюсам клетки и происходит деление тела клетки (цитокинез, цитотомия). У клеток, вступивших в цикл деления, фаза собственно митоза, непрямого деления, занимает, относительно короткое время, всего около 0,1 времени клеточного цикла. При дроблении яйцеклеток весь клеточный период, включая митоз, может быть меньше часа. Процесс непрямого деления клеток принято подразделять на несколько основных фаз: профаза, метафаза, анафаза, телофаза. Единственная фаза, которая имеет реальное начало, это анафаза - начало движения хромосом к полюсам. Длительность отдельных фаз митоза различна: наиболее короткая по времени анафаза. Зная время митоза, можно рассчитать длительность отдельных фаз по проценту их встречаемости среди делящихся клеток.

Профаза. В нее входят клетки из G₂-периода интерфазы, и они после репликации в S-периоде содержат удвоенное количество ДНК (4с). В начале профазы в ядре начинают выявляться тонкие нити – профазные хромосомы. Это результат процесса конденсации хромосом, который совпадает с падением их транскрипционной активности. По мере прохождения профазы хромосомы укорачиваются и утолщаются, что связано со спирализацией исходных тонких профазных хромосом. Необходимо подчеркнуть, что на ранней профазе каждая хромосома представляется одиночной структурой, в которой в микроскоп не видно подразделения на более низкие уровни. И число таких первичных хромосом равно степени плоидности исходной клетки в G₁-периоде. Профазные хромосомы двойные, только на ранней профазе две дочерние хромосомы – хроматиды так тесно объединены, что в световой микроскоп хромосомы кажутся одинарными. Таким образом, число хроматид (4n) в профазе точно соответствует количеству ДНК (4с). По мере прохождения профазы хроматиды каждая в отдельности укорачиваются и утолщаются и, одновременно деспирализуясь одна относительно другой, лежат уже параллельно друг другу. Параллельно конденсации хромосом происходит исчезновение, дезинтеграция ядрышек в результате конденсации и инактивации рибосомных цистронов в зоне ядрышковых организаторов. Одновременно с этим в средней профазе начинается разрушение ядерной оболочки: исчезают ядерные поры, оболочка распадается сначала на фрагменты, а потом на мелкие мембранные пузырьки. Меняются в это время и структуры, связанные с синтезом белка. Происходит уменьшение количества гранулярного эндоплазматического ретикулума, он распадается на короткие цистерны и вакуоли, количество рибосом на его мембранах резко падает. Значительно (до 25%) редуцируется число полисом как на мембранах, так и в гиалоплазме, что определяет общее падение синтеза белка в делящихся клетках. Второе важнейшее событие при митозе тоже происходит во время профазы – это образование веретена деления. Образование веретена в профазе может проходить разными путями: с участием центриолей и без них. Без центриолей веретено деления образуется у клеток высших растений и некоторых простейших. У простейших и низших грибов образование веретена может происходить внутри ядра; в этом случае ядерная оболочка во время митоза не разрушается (закрытый митоз). При этом ведущее значение здесь отводится центриолям. В профазе уже репродуцировавшиеся в S-периоде центриоли начинают расходиться к противоположным концам клетки, где будут в будущем формироваться полюса веретена. К каждому полюсу отходит по двойной центриоли, диплосоме. По мере расхождения диплосом между ними начинают формироваться микротрубочки, отходящие от периферических участков одной из центриолей каждой диплосомы (центродесмальные нити). Диплосомы расходятся на большие расстояния и к моменту исчезновения ядерной оболочки уже лежат на противоположных полюсах. В ранней профазе в центромерных участках конденсирующихся профазных хромосом начинают хорошо выявляться кинетохоры. Это специализированные участки на поверхности хромосом, с которыми связываются микротрубочки веретена. На каждую хроматиду приходится по одному кинетохору. Так что ранняя, профазная хромосома имеет в зоне центромеры два кинетохора, расположенные на двух противоположных латеральных поверхностях хромосомы, т. е. на двух различных хроматидах. Профаза завершается распадом ядерной оболочки и смешением кариоплазмы (ядерного сока) с цитоплазмой.

Метафаза часто занимает около трети времени всего митоза. Во время метафазы завершается формирование веретена деления, а хромосомы выстраиваются в экваториальной плоскости веретена. Раннюю метафазу называют прометафазой или метакинезом. В это время хромосомы разбросаны в центральной части клетки, располагаясь в зоне бывшего ядра. Они еще никак не ориентированы и расположены без особого порядка. По мере прохождения метафазы все хромосомы собираются в центральной экваториальной части веретена, образуя так называемую метафазную пластинку. В поздней метафазе хромосомы перестают двигаться, они строго лежат в одной плоскости на равных расстояниях друг от друга. Если на такую метафазную клетку посмотреть со стороны полюса, то можно видеть, что хромосомы располагаются так, что их центромерные участки обращены к центру веретена, а плечи – к периферии. Такое расположение хромосом носит название «материнской звезды» и характерно для клеток животных. У растений часто в метафазе хромосомы лежат в экваториальной плоскости веретена без строгого порядка. К концу метафазы завершается процесс обособления друг от друга сестринских хроматид. Их плечи лежат параллельно друг другу, между ними хорошо видна их разделяющая щель. Последним местом, где контакт между хроматидами сохраняется, является центромера. Если на стадии метафазы остановить течение митоза, разрушить клетки и изучать выделенные хромосомы, то они представлены в виде Х-образных тел: это пара хроматид, сцепленных в центромерном районе. В электронном микроскопе видно, что в зоне центромеры происходит как бы перекрест или спутывание элементарных хромосомных фибрилл ДНП. Интересно, что вплоть до самого конца метафазы хроматиды во всех хромосомах остаются связанными в центромерных участках. Анафаза начинается внезапно, что хорошо можно наблюдать при витальном исследовании. Хромосомы все вдруг теряют центромерные связки и синхронно начинают удаляться друг от друга по направлению к противоположным полюсам клетки.

Анафаза – самая короткая стадия митоза (несколько ,% от всего времени), но за это время происходит целый ряд событий. Главными из них являются сегрегация двух идентичных наборов хромосом и транспорт их в противоположные концы клетки. При движении хромосом они меняют свою ориентацию и часто принимают V-образную форму. Вершина их направлена в сторону полюсов деления, а плечи как бы откинуты к центру веретена. Если перед анафазой произошел разрыв плеча хромосомы, то во время анафазы он не будет участвовать в движении хромосом и останется в центральной зоне. Именно центромерный участок вместе с кинетохором отвечает каким-то образом за движение хромосомы. У некоторых высших растений (ожика) нет выраженной центромерной перетяжки и волокна, веретена контактируют со многими точками на поверхности хромосом (полицентрические хромосомы). В этом случае хромосомы располагаются поперек волокон веретена. Движение хромосом складывается из двух процессов: расхождение их по направлению к полюсам и дополнительное расхождение самих полюсов. Эти типы движения не всегда следуют один за другим; они могут происходить и одновременно.

Телофаза начинается с остановки хромосом (ранняя телофаза, поздняя анафаза) и кончается началом реконструкции нового интерфазного ядра (ранний G-период) и разделением исходной клетки на две дочерние (цитокинез). В ранней телофазе хромосомы, не меняя своей ориентации (центромерные участки – к полюсу, теломерные – к центру веретена), начинают деконденсироваться и увеличиваться в объеме. В местах их контактов с мембранными пузырьками цитоплазмы начинает строиться новая ядерная оболочка, которая раньше всего образуется на латеральных поверхностях хромосом и позже – в центромерных и теломерных участках. После замыкания ядерной оболочки начинается формирование новых ядрышек. Клетка переходит в G₁-период. В телофазе начинается и заканчивается процесс разрушения митотического аппарата. Он идет от полюсов к экватору бывшей клетки; именно в средней части веретена микротрубочки сохраняются дольше всего. Главное событие телофазы – разделение клеточного тела, цитотомия или цитокинез. У растений деление клетки происходит путем внутриклеточного образования клеточной перегородки, а у клеток животных путем перетяжки, впячивания плазматической мембраны внутрь клетки. Митоз не всегда заканчивается разделением тела клетки. В большинстве случаев закладка перетяжки при делении клеток животных происходит строго в экваториальной плоскости веретена. Считается, что митотический аппарат (веретено вместе с хромосомами) детерминирует место появления клеточной перетяжки. Вопрос, за счет каких процессов происходит деление тела клетки, решить еще до конца нельзя. Здесь существуют две возможности, две гипотезы. Одна из них предполагает, что деление клетки происходит за счет растяжения мембраны клетки. Большее обоснование имеет гипотеза «сократимого кольца». При этом считается, что в кортикальном, подмембранном слое располагаются сократимые элементы типа мышечных фибрилл, ориентированные циркулярно в зоне экватора клетки. Сокращение такого кольца приведет к впячиванию плазматической мембраны в области этого кольца, что завершится разделением клетки надвое. Интересно, что образование клеточной перетяжки зависит от присутствия АТФ. Итак, при митозе главными действующими структурами являются хромосомы, аппарат веретена, плазматическая мембрана. Однако митоз – это процесс деления целой клетки, поэтому все ее' компоненты участвуют в событиях митоза. Система цистерн и каналов эндоплазматического ретикулума резко редуцируется во время митоза, она распадается на разрозненные вакуоли и небольшие цистерны. Аппарат Гольджи распадается на отдельные диктиосомы. По мере развития митотического веретена мембранные элементы цитоплазмы и органоиды все больше оттесняются к периферии клетки, так как ее центральная часть становится занятой огромным количеством достаточно тесно расположенных микротрубочек. В метафазе цитоплазматические мембраны, митохондрии, пластиды, лизосомы оказываются локализованными или в полярных зонах клеток, или по их периферии, как бы обрамляя веретено деления. Они встречаются также между пучками микротрубочек и в середине веретена. Там же обнаруживается значительное количество рибосом, вероятно, -пассивно по- павших в эти участки.При делении клетки пополам происходит пассивное распределение органоидов по дочерним клеткам. Есть лишь одиночные наблюдения о сочетании деления нитчатых митохондрий с цитотомией; обычно мелкие митохондрии, так же как пластиды и диктосомы, случайно и относительно равномерно распределяются во время митоза. Часто разнообразные патологические изменения клеток являются результатом нарушения тех или иных фаз митоза. При повреждениях хромосом могут возникать различные изменения их структур или поведения. Так, может нарушиться спирализация хромосом (например, при действии аналогов нуклеотидов), фрагментация и «пульверизация» хромосом при некоторых вирусных заражениях, хромосомные и хроматидные мосты при лучевых поражениях, набухание и слипание хромосом и др. При повреждении митотического аппарата (действие холода или агентов, вызывающих деполимеризацию тубулинов) может произойти задержка митоза в метафазе, рассеивание хромосом. При нарушениях репродукции центриолей могут возникать многополюсные и асимметричные митозы и т. д. Нарушения цитомии могут приводить к появлению гигантских ядер или многоядерных клеток.

Митоз

Митоза , что греческий MITOS означает «нить» ( имеется в виду внешний вид хромосом в микроскопии), относится к хромосомным событий в делении клеток в эукариотов . Это несексуальная / бесполая дупликация (в отличие от мейоза ). Это деление материнской клетки на две генетически идентичные дочерние клетки.

Он также обозначает очень специфическую стадию жизненного цикла эукариотических клеток , называемую « клеточным циклом », которая представляет собой стадию дупликации каждой хромосомы материнской клетки и их равного распределения в каждой из двух дочерних клеток. Таким образом, каждое «детское ядро» получает полную копию генома «материнского» организма. Дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК) реплицируется с помощью ДНК - полимеразы , когда он находится в форме хроматина (эквивалент к месту хромосомы) в интерфазе клеточного цикла.

Клеточный цикл делится на несколько этапов:

Фаза G ₁ , первая (самая продолжительная) фаза роста, называемая временным интервалом или промежутком.
S-фаза, во время которой реплицируется генетический материал ,
Фаза G ₂ , которая является второй фазой роста клеток.
Фаза М, собственно митоза,

G ₀ или так называемая фаза покоя соответствует выходу из цикла, обычно это происходит вместо G ₁ и не является частью клеточного цикла.

Механизмы митоза у большинства эукариот очень похожи , с небольшими вариациями. В прокариоты не имеют ядра и имеют только одну хромосому без центромеры , так что они не разделяют митозом говорить, но раскол двоичная, третичный, несколько или почкованием.

Обычная ячейка «запрограммирована» на деление ограниченное количество раз, от 50 до 70 раз, это число называется пределом Хейфлика .

Резюме

Фазы митоза

Митоз является непрерывным феноменом, но для облегчения понимания его развития биологи описали пять стадий митоза характеристик , которые являются профазы , то прометафазы , то метафазы , то анафазе и телофазы . Митоз длится от 1 до 4 часов.

Некоторые авторы рассматривают прометафазу как часть профазы, а не как отдельную фазу.

Профаза

ДНК организована в более острые и более острые нити. На этом этапе генетический материал ( ДНК ), который обычно присутствует в ядре в виде хроматина, конденсируется в очень упорядоченные и индивидуализированные структуры, называемые хромосомами . Действительно, белки, называемые гистоном H1 , прикреплены к ДНК насквозь. Однако во время профазы эти гистоны H1 фосфорилируются (с помощью MPF), что вызывает усиленное скручивание ДНК, которое, кажется, «конденсируется». В ядрышко распадается. Поскольку генетический материал был продублирован до начала митоза, в каждой клетке будет две идентичных копии генотипа . Таким образом, на этом этапе хромосомы состоят из двух сестринских хроматид, несущих одинаковую генетическую информацию. Каждый из них также содержит фрагмент ДНК, называемый центромерой, который играет важную роль в сегрегации хромосом. Две хроматиды одной хромосомы сцеплены на уровне центромерной области. Белок под названием когезин действует как клей и объединяет две хроматиды одной хромосомы.

Второй важной органеллой профазы является центросома , первоначально состоящая из двух центриолей для клеток животных (за исключением тех, которые утратили свою митотическую способность, таких как большинство нервных клеток, которые не содержат их, и раковые клетки, которые могут содержать больше). ; центросомы растительных клеток содержат только одну). Как и в случае с хромосомами, центросома дуплицировалась до начала профазы (в 4 центриолях). 4 центриоли разделяются во время профазы , образуя две центросомы, каждая из которых мигрирует к полюсу клетки. Цитоскелет из микротрубочек перестраивают для формирования митотического веретена , биполярную структуры , которая проходит между двумя центросомами , но остается за пределы сердечника. За счет роста микротрубочек удлиняется митотическое веретено, которое растягивает ядро клетки .

Мы можем думать о микротрубочках как о полюсах или рельсах в клетке. Некоторые эукариотические клетки , особенно клетки растений, лишены центриоли .

Прометафаза

Некоторые авторы рассматривают прометафазу как часть профазы , а не как отдельную фазу. Причем не во всех эукариотических клетках .

Во время прометафазы ядерная оболочка распадается на пузырьки, инициируя открытый митоз . Ядерная оболочка восстановится в конце митоза. (У некоторых протистов ядерная оболочка остается неповрежденной. Тогда происходит закрытый митоз ).

Специализированные белковые комплексы: кинетохоры , образуются на уровне центромер. Некоторые микротрубочки прикрепляются к кинетохорам. Тогда они будут называться кинетохорическими микротрубочками. Микротрубочки, прикрепленные только к центросомам, называются полярными микротрубочками. Микротрубочки, которые не являются частью митотического веретена, образуют звезду и называются астральными микротрубочками. Постепенно каждая хромосома видит каждую свою хроматиду, связанную с полюсом через микротрубочки. Из-за этих напряжений хромосомы начинают возбужденно двигаться.

Метафаза

Вторая фаза митоза, после профазы, это сбор хромосом, сконденсированных на экваторе клетки , с образованием метафазной (или экваториальной) пластинки . Напряжения, которым подвергается каждый из кинетохор хромосомы, постепенно уравновешиваются, и они выравниваются в плоскости, расположенной на полпути между двумя полюсами. Замечено, что хромосомы выровнены в соответствии с их центромерой. Считается, что кинетохоры, не прикрепленные к микротрубочкам, генерируют сигнал для предотвращения преждевременной стадии анафазы, если все хромосомы не выровнены. Этот сигнал создает контрольную точку митотического веретена (en) .

Анафаза

Анафаза очень быстрая фаза мейоза и митоза , где хроматиды отделить и мигрируют к противоположным полюсам клетки. Хромосомные нити, на которых были прикреплены центромеры клеток, обрываются, и каждая хроматида движется к полюсу клетки.

Во время этой фазы после определенного сигнала, который соответствует 10-кратному увеличению внутриклеточной концентрации кальция и инактивации MPF (протеолиз циклина B MPF), сестринские хроматиды резко разделяются. Затем микротрубочки «тянут» их в направлении полюса, к которому они прикреплены. Хроматиды быстро мигрируют со скоростью около 1 мкм / мин. Есть две категории путешествий: анафаза А и анафаза Б.

Во время анафазы А хроматиды фактически движутся к полюсу укорачивающихся кинетохорных микротрубочек, поскольку они деполимеризуются на своем + конце по мере продвижения кинетохора. Фактически, кинетохоры не только позволяют «прикрепить» хроматиду к микротрубочкам, но и транспортировать их по микротрубочкам. На уровне кинетохор существуют молекулярные «двигатели» (типа динеина ), использующие АТФ, которые позволяют буксировать хроматиды по микротрубочкам, которые сами остаются фиксированными.

Во время анафазы B полярные микротрубочки удлиняются, а полюса митотического веретена отдаляются друг от друга, увлекая за собой хроматиды.

Телофаза

Термин «телофаза» происходит от греческого « телос », что означает «конец». Это 4- я фаза митоза.

В течение этого периода :

полярные микротрубочки будут сохраняться на своем + конце с образованием межзональных микротрубочек, которые исчезнут во время самой терминальной фазы телофазы, цитодиереза, который соответствует терминальному делению двух дочерних клеток.
Кинетохорные микротрубочки исчезают.
В сестринские хроматиды начинают decondens.
Ядерная оболочка, а также ядрышки начинают преобразовываться при метабиозе.

Цитодиерез

Цитодиерез, также называемый цитокинезом или цитокинезом , является частью телофазы > (даже если некоторые авторы считают его внешним по отношению к митозу) , и его механизм неодинаков в клетках животных и растений.

В клетках животных делительная бороздка образуется в плоскости, перпендикулярной оси митотического веретена, и разделяет клетку пополам. Он действительно может начать формироваться из анафазы. Расщепление происходит из-за сократительного кольца, которое состоит в основном из актина и миозина (миозина II). Сократительное кольцо состоит из актиновых нитей диаметром от 5 до 7 нм, расположенных концентрически. Миозин и α-актинин демонстрируются иммунофлуоресценцией .

Именно взаимодействия между актином и миозином сократительного кольца являются источником сил, вызывающих сокращение кольца и разделение родительской цитоплазмы путем удушения. Это сужение осуществляется центростремительно. Разделительная бороздка сужается, образуя промежуточное тело, образующее узкий проход между двумя дочерними клетками и содержащий остальную часть митотического веретена. В конечном итоге это полностью исчезнет, и две дочерние клетки полностью разделятся. Кроме того, ядерная оболочка и ядрышки завершают восстановление, и интерфазное радиальное расположение микротрубочек, зарождаемых центросомой , реформируется.

В конце цитокинеза две дочерние клетки соединяются только мостом, в середине которого сферический отросток, центральное тело, определяет будущее дочерних клеток. Клетка, которая ее унаследует, будет продолжать делиться (она остается стволовой), а другая будет дифференцироваться в клетки определенного типа.

В растительной клетке цитодиерезис сильно отличается из-за наличия жесткой стенки (разделенной на первичную стенку, целлюлозную, и примитивную стенку, грудную клетку, которые в целом образуют грудную целлюлозную стенку). Это осуществляется путем строительства новой стенки, фрагмопласта , который проще назвать промежуточным телом между двумя дочерними клетками. Эта новая стенка развивается центробежно: везикулы Голгана, содержащие пропектин, накапливаются от центра клетки к периферии, затем эти пузырьки сливаются, образуя фрагмопласт, который соединяется с первичной стенкой материнской клетки, вызывая ее деление на две дочерние клетки. Первичная стенка и мембрана двух дочерних клеток затем реформируются на уровне этого разделения, и фрагмопласт дифференцируется в среднюю пластинку или примитивную стенку.

Последствия ошибок

Ошибки могут возникать при образовании новых клеток: процесс действительно может пойти не так (следует отметить, что организм взрослого человека состоит из нескольких десятков тысяч миллиардов клеток и что каждый день миллиард клеток должен обновляться посредством деление клеток). И когда эти митотические ошибки происходят во время первых клеточных делений зиготы , они могут иметь особенно разрушительные последствия.

Примеры митотических ошибок:

Феномен нерасхождения : две хроматиды хромосомы не разделяются во время анафазы. Одна дочерняя клетка получит хромосому с двойной хроматидой, а другая - не получит. Тогда одна из дочерних клеток будет иметь трисомию, а другая - моносомию , что является случаем анеуплоидии .
Делеция, транслокация, инверсия, дупликация хромосом:

Митоз - это травматический процесс. Клетка претерпевает значительные изменения в своей ультраструктуре, ее органеллы распадаются и реформируются через несколько часов, а хромосомы постоянно замещаются микротрубочками . Иногда хромосомы могут быть повреждены. Плечо хромосомы может быть сломано, а затем фрагмент теряется, вызывая делецию . Фрагмент может быть неправильно прикреплен к другой негомологичной хромосоме, вызывая транслокацию . Его можно повторно прикрепить к исходной хромосоме, но в обратном порядке, что приведет к инверсии . Или это может быть ошибочно принято за отдельную хромосому, вызывающую хромосомную дупликацию . Эффект от этих аномалий зависит от конкретного характера ошибки. Иногда не может быть никаких последствий , иногда это может привести к раку или даже к смерти тела .

Чтобы избежать этих ошибок, многие контрольные точки (in) , в частности в конце фазы G1 или G2, блокируют ход цикла при обнаружении аномалии (повреждение ДНК, неполная репликация ДНК, хромосомы, не прикрепленные к митотическому веретену) : как только деление остановлено, включается механизм исправления ошибок, и если этот механизм не происходит, запускается запрограммированная гибель клеток .

Примером заболевания, вызванного делецией, затрагивающей терминальную часть короткого плеча хромосомы 5, является синдром кошачьего крика . При этом заболевании ребенок издает крики, похожие на мяуканье, имеет микроцефалию, вызывающую, в частности, выраженную умственную отсталость, и имеет лицо характерной лунной формы.

Мейоз и митоз

Митоз и мейоз различаются по ряду пунктов, но также имеют сходство (механизмы разделения хромосом и т. Д.). Митоз соответствует бесполому размножению клеток, а мейоз - прелюдии к половому размножению. Посредством мейоза каждый родитель производит разные гаметы, которым суждено встретиться. Многие типы клеток способны к митозу, но только клетки репродуктивных органов, гонады ( яичники и семенники ) осуществляют мейоз. Начиная с клетки, в конце митоза есть две генетически идентичные клетки, в то время как в конце мейоза есть четыре клетки, которые чаще всего генетически различны и, следовательно, уникальны.

Митоз растений

Основные различия между митозом растений и митозом животных заключаются в отсутствии центриолей у растений (за исключением водорослей и некоторых гамет), наличии стенки, которая приводит к определенному цитодиерезису, ее роли в постэмбриональном развитии и ее гормональной регуляции. Митоз растений все еще плохо изучен, в частности, способ, которым митотическое веретено может формироваться в отсутствие центриолей и центросом (но на уровне каждого полюса в начале профазы есть цитоплазматическая конденсация, называемая полярной шапкой, которая испускает излучение который сформирует митотическое веретено в конце профазы). Итак, разница в том, что для животной клетки во время митоза на уровне полюсов у нас есть астры, исходящие из центриолей, а для растительной клетки - полярные шапки, возникающие в результате конденсации цитоплазмы. Тем не менее, митотические события сильно связаны с перестройками цитоскелета.

Цитодиерезис: разделение дочерних клеток происходит путем образования новой грудной клеточки в экваториальной плоскости клетки. Этот план определяется расположением определенных белков в начале митоза. В конце телофазы микротрубочки образуют пластинку на экваториальном уровне, это фрагмопласт . Пузырьки мембран, происходящие из аппарата Гольджи, и предшественники компонентов стенки вступают в ассоциацию с ним.

Роль в развитии: у одноклеточных организмов наличие питательных веществ в среде является основным регулирующим фактором митоза, который фактически зависит от размера клетки. У многоклеточных организмов деления происходят только в меристемах , и регуляция клеточного цикла меристематических клеток (как и снабжение питательными веществами) зависит от сигналов, генерируемых соматическими клетками (в фазе G ₀ , то есть в состоянии покоя, который не разделяет): это вопрос социального контроля. Формирование тканей и органов происходит только на уровне меристем путем накопления клеток (мерезиса).

Поскольку мерезис имеет место только в меристемах, при повреждении или разрушении соматической клетки она не заменяется, в отличие от животного царства. В результате у растений нет такого строгого плана организации, как у животных, происходит образование новых органов и старение старых. Еще одно отличие состоит в том, что у растений апоптоз не очень важен в формировании органов.

Гормональная регуляция: сигнал к дифференцировке передается незрелым клеткам зрелыми клетками. Сигналами могут быть непептидные гормоны ( ауксин , цитокинины , этилен , абсцизовая кислота , брассиностероиды ), липоолигосахариды ( нод-фактор ), пептиды ( системин ). Реакция на гормоны варьируется в зависимости от ткани. Он вмешивается через гены MAPK (киназы каскадов MAPK), запуская накопление циклинов, необходимых для перехода в фазу S.

Ауксин и цитокинины вместе играют важную роль в митозе. Экзогенная поставка ауксина необходима для меристем, которые могут быть самодостаточными цитокининами. Если один из двух гормонов отсутствует на достаточном уровне, митоз не происходит. Ауксин активирует экспрессию генов SAUR (ответ 2-5 мин) и AUX / IAA (ответ 5-60 мин). Он особенно действует на вторичные меристемы (в основном камбий). Цитокинины стимулируют разделение хромосом и цитокинез, вызывает накопление циклинов и активировать cdc25 фосфатаз , который активирует cdc2 циклин киназа дефосфорилирования тирозина 15. Они необходимы для инициации клеточного цикла, а также для его прогрессирования.

АБК подавляет митоз в ответ на водный стресс, индуцируя синтез ICK, ингибитора cdk-циклина, в меристематических тканях. Брассиностероиды и гиббереллины способствуют митозу. Гиббереллины стимулируют пролиферацию интеркалярных меристем (однодольных) и корковых и эпидермальных тканей, нечувствительных к ауксину, за счет увеличения экспрессии гистона H3 и циклина 1.

Нод-фактор вызывает клубенькование в присутствии бактерий Rhizobium.

В ответ на стресс растение замедляет рост своих органов, замедляя клеточный цикл, что снижает скорость митоза и окончательный размер новых органов (они содержат меньше клеток). Этот эффект сильнее в корнях, чем в листьях. Ответ на водный и солевой стресс происходит через АБК, которая увеличивает экспрессию ICK1, который взаимодействует с CDKA и ингибирует активность киназы гистона H1. Кроме того, циклинкиназа cdc2 дезактивируется путем фосфорилирования (фосфорилирование cdc2 считается основным элементом в сокращении деления клеток в ответ на стресс). Другой посланник стресса - жасмонат , участвующий в реакции на травмы, патогены и синтез стенок растений, который нейтрализует активность цитокининов и подавляет деление клеток. Чувствительность клеток к жасмонату зависит от фазы цикла (больше в G ₁ ).

Сигналы окружающей среды влияют на рост и деление клеток. Это одна из форм адаптации растения к изменениям окружающей среды. Покоящиеся клетки (G ₀ ) могут иногда под влиянием гормональных (ауксин), пищевых или экологических (свет) факторов возвращаться в фазу G _1, чтобы начать цикл деления. Это поддержание митотической способности покоящихся клеток позволяет достичь ресурсов окружающей среды (света и минералов).

Поддержание трех геномов: помимо генома ядра и митохондрий, растения должны реплицировать геном хлоропластов. Репликация геномов органелл происходит только в меристемах и примордиальных органах. Когда клетка быстро делится, количество геномов на органеллу сильно увеличивается. Когда скорость деления замедляется, репликация геномов прекращается, и количество органелл на клетку увеличивается на одно деление, пока не останется только один или два генома на органеллу.

Читайте также: