Изменения наследственного материала в митотическом цикле
По двум главным событиям митотического цикла в нем выделяют репродуктивную и разделительную фазы, соответствующие интерфазе и митозу классической цитологии.
В начальный отрезок интерфазы — в постмитотический (пресинтетический или G,) период, вслед за митозом восстанавливаются черты организации интерфазной клетки, завершается формирование ядрышка. Из цитоплазмы в ядро поступает значительное (до 90%) количество белка. В цитоплазме, параллельно реорганизации ультраструктуры, интенсифицируется синтез белка, что способствует увеличению массы клетки. Если дочерней клетке предстоит вступить в митотический цикл, синтезы приобретают направленный характер: образуется запас предшественников ДНК, ферменты, катализирующие реакцию редупликации, синтезируется белок, включающий эту реакцию. Таким образом, осуществляются процессы подготовки следующего периода интерфазы — синтетического.
В синтетическом или S периоде удваивается количество наследственного материала клетки. За малыми исключениями редупликация ДНК осуществляется полуконсервативным способом. Он заключается в расхождении биспирали ДНК на 2 молекулы с последующим синтезом возле каждой из них комплементарной молекулы. В результате возникают 2 идентичные биспирали. Молекулы ДНК, комплементарные материнским, образуются фрагментами по длине хромосомы, асинхронно в разных участках одной хромосомы, а также в разных хромосомах. Такие фрагменты составляют единицы репликации или репликоны. Затем фрагменты новообразованной ДНК «сшиваются» в одну макромолекулу. В клетке млекопитающего содержится более 20 000 репликонов, причем количество их меняется в онтогенезе. Участки хромосом, в которых начинается синтез ДНК, называют точками инициации. Возможно, ими являются точки прикрепления интерфазных хромосом к внутренней мембране ядерной оболочки. Можно думать, что ДНК отдельных фракций, о которых речь шла выше, редуплицируется в строго определенной части S-периода, например большая часть генов рРНК удваивает ДНК в начале его. Редупликация запускается поступающим в ядро из цитоплазмы сигналом, природа которого не выяснена. Синтезу ДНК в репликоне предшествует синтез РНК. Скорость редупликации составляет 0,2—2 мкм/мин. Она возрастает к концу синтетического периода. В клетке, прошедшей S-период интерфазы, хромосомы содержат удвоенное количество наследственного материала. Наряду с ДНК в синтетическом периоде интенсивно образуется РНК и белок, а количество гистонов точно удваивается. Около 10% ДНК животной клетки находится в митохондриях. Незначительная часть митохондриальной ДНК редуплицируется в синтетическом, тогда как основная — в постсинтетическом периоде интерфазы.
Отрезок времени от окончания синтетического периода до начала митоза занимает предмитотический (постсинтетический) или G2-период интерфазы. Он характеризуется интенсивным синтезом РНК и особенно белка. В итоге завершается удвоение массы цитоплазмы по сравнению с началом интерфазы, что необходимо для перехода клетки в период митоза. Часть образуемых белков (тубулины) используется в дальнейшем для построения микротрубочек веретена деления. Синтетический и предмитотический (постсинтетический) периоды связаны с митозом непосредственно. Это позволяет выделить их в особый период интерфазы — препрофазу.
Митоз делят на 4 фазы: профазу, метафазу, анафазу и телофазу.
Наряду с реорганизацией морфологии и упорядоченными перемещениями хромосом обязательным для разделительной фазы цикла является построение митотического аппарата. Он состоит из системы микротрубочек, которые образуют ахроматиновое веретено или веретено деления, и структур, поляризующих митоз. В клетках млекопитающих и человека роль поляризующих структур выполняют центриоли.
Митотический аппарат обеспечивает направленное перемещение дочерних хромосом в анафазе. Для этого необходим контакт микротрубочек со специализированными участками хромосом — центромерами (кинетохорами). При разрушении центромер в эксперименте расхождения хромосом к полюсам клетки не происходит. Природа сил, обеспечивающих расхождение, не известна. Предположительно в основе функционирования митотического аппарата лежит механохимическая система, аналогичная обнаруженной в поперечнополосатой мышце. Она включает сократимые белки и фермент, катализирующий расщепление АТФ для обеспечения процесса энергией.
Данные генетики и цитологии указывают на сохранение структурной индивидуальности хромосом в клеточном цикле. Есть свидетельства в пользу упорядоченного размещения хромосом в объеме интерфазного ядра. Особенности взаиморасположения хромосом могут иметь функциональное значение. Так, пространственная близость в клетках человека хромосом 13, 14, 15, 21 и 22 пар, содержащих гены рРНК, объясняется, по-видимому, их участием в формировании ядрышка и образования рибосом. Есть указания на то, что в клетках разных типов расположение хромосом неодинаково.
На основе митотического цикла возник ряд механизмов, с помощью которых в том или ином органе количество наследственного материала может быть увеличено при сохранении постоянства числа клеток. Так, удвоение ДНК иногда не сопровождается разделением цитоплазмы.» Поскольку механизм такого удвоения идентичен механизму редупликации ДНК в митотическом цикле, и оно сопровождается кратным увеличением числа хромосом, это явление получило название эндомитоза. С генетической точки зрения результат эндомитоза следует рассматривать как геномную соматическую мутацию, о чем будет сказано ниже. Политения заключается в увеличении содержания ДНК в отдельных хромосомах при сохранении их диплоидного числа. И эндомитоз, и политения приводят к образованию полиплоидных клеток, отличающихся кратным увеличением объема наследственного материала. Таким образом, в таких клетках в отличие от диплоидных гены повторены более чем 2 раза. Пропорционально увеличению генов увеличивается масса клеток, что, в свою очередь, повышает функциональные возможности органа.
Наряду с непрямым делением или митозом существует прямое деление клеток — амитоз. Последний заключается в разделении ядра путем перетяжки без сложной перестройки наследственного материала в виде конденсации хромосом и их точного распределения между дочерними клетками с помощью митотического аппарата. Предполагают, хотя это строго не доказано, что вслед за ядром делится цитоплазма. Обычно амитоз рассматривают как неполноценное деление, происходящее вследствие отсутствия механизма закономерного и точного разделения ДНК. Измерения показали, что на двуядерной стадии предполагаемого амитотического деления ядра содержат, как правило, равное и кратное гаплоидному набору хромосом количество ДНК. Это снимает вопрос об их генетической неравнозначности. Исследование с помощью современных методов показало, что все двуядерные клетки в печени мелких грызунов появляются в результате незавершенного митоза. Бытовавшая ранее точка зрения, согласно которой двуядерные печеночные клетки образуются вследствие амитотической перешнуровки ядер, не подтверждается. Применение современных методов исследования в отношении клеток других органов и тканей даст ответ, существуют ли митоз и амитоз как 2 самостоятельных способа клеточного размножения.
Митоз (реже: кариокинез или непрямое деление) — деление ядра эукариотической клетки с сохранением числа хромосом. В отличие от мейоза, митотическое деление протекает без осложнений в клетках любой плоидности, поскольку не включает как необходимый этап конъюгацию гомологичных хромосом в профазе.
Фазы митоза
Митоз — лишь одна из частей клеточного цикла, но он достаточно сложен, и в его составе, в свою очередь, были выделены пять фаз: профаза, прометафаза, метофаза, анафаза и телофаза. Удвоение хромосом и центриолей (в клетках животных) происходит еще в ходе интерфазы. В результате этого, в митоз хромосомы вступают уже удвоенными, напоминающими букву X (идентичные копии материнской хромосомы соединены друг с другом в области центромеры).
В профазе происходит конденсация гомологичных (парных) хромосом и начинается формирование веретена деления. В клетках животных начинается расхождение пары центриолей (полюсов веретена).
Прометафаза начинается с разрушения ядерной оболочки. Хромосомы начинают двигаться и их кинетохоры вступают в контакт с микротрубочками веретена деления, а полюса продолжают расхождение друг от друга. К концу прометафазы формируется веретено деления.
В метафазе движения хромосом почти полностью замирают, и кинетохоры хромосом располагаются на «экваторе» (на равном расстоянии от «полюсов» ядра) в одной плоскости, образуя так называемую метафазную пластинку. Важно отметить, что они остаются в таком положении в течение довольно длительного времени. В это время в клетке происходят существенные перестройки, которые «разрешают» последующее расхождение хромосом. Обычно в связи с этим метафаза — наиболее удобное время для подсчета хромосомных чисел.
В анафазе хромосомы делятся (соединение в районе центромеры разрушается) и расходятся к полюсам деления. Параллельно полюса веретена также расходятся друг от друга.
В телофазе происходит разрушение веретена деления и образование ядерной оболочки вокруг двух групп хромосом, которые деконденсируются и образуют дочерние ядра.
Варианты митоза
Следует отметить, что в разных группах живых организмов митоз протекает несколько по-разному. Описанный выше вариант митоза называется открытый ортомитоз (ядерная оболочка разрушается, веретено деления прямое, поскольку продукты деления клеточного центра располагаюся на противоположных полюсах ядра). Характерен для многоклеточных животных, многоклеточных растений и ряда простейших.
В некоторых группах простейших продукты деления клеточного центра в анафазе не достигают противоположных сторон ядра, в результате чего микротрубочки веретена деления располагаются под углом, напоминая букву V (такой вариант деления получил название плевромитоз). В ряде случаев митоз происходит без разрушения ядерной оболочки (закрытый митоз — например, митоз микронуклеусов инфузорий, динофлагеллят, эвгленовых, многих групп грибов). Иногда в ядерной оболочке при митозе образуются крупные отверстия, через которые в ядро заходят нити веретена, но в целом ядерная оболочка сохраняется (полузакрытый митоз, например, у хламидомонады). Среди закрытых митозов встречаются варианты с внутриядерным и с внеядерным веретеном деления (к последним относится митоз динофлагеллят и некоторых других групп жгутиконосцев). Наконец, клеточный центр может содержать центриоли (как, например, у животных) или не содержать их (как, например, у цветковых растений). Соответственно, различают также центриолярный и ацентриолярный митоз.
Пролиферация клеток (от лат. proles — отпрыск, потомство и fero — несу) — разрастание ткани организма путём новообразования и размножения клеток (образования новых клеток). Механизм пролиферации отличается от других механизмов изменения объема клетки (ок) (например, отёк, апоптоз).
Мейоз.
Центральным событием гаметогенеза является мейоз. Это способ клеточного размножения, обусловливающий возникновение гаплоидных клеток. В мейозе наблюдается также перераспределение (рекомбинация) наследственного материала между гомологичными хромосомами, устанавливаются разные соотношения хромосом отцовского и материнского происхождения в гаплоидных наборах гамет.
Мейоз состоит из двух последовательных делений, которым предшествует однократная редупликация ДНК. Важная особенность профазы первого мейотического деления заключается в синапсисе или пространственном объединении гомологичных хромосом, образовании между ними хиазм и обмене гомологичными (взаимосоответствующими) участками. Своеобразие анафазы первого деления мейоза состоит в случайном расхождении гомологов из каждой пары хромосом. Рассмотрим последовательность событий мейоза в процессе овогенеза у человека.
Цитогенетический результат мейоза, который заключается в образовании гаплоидных клеток и рекомбинации наследственного материала, зависит от особенностей первого деления. В профазе этого деления выделяют ряд стадий. В лептотене (а) происходит спирализация хромосом диплоидного набора ооцита в плотные, интенсивно окрашиваемые тельца. К концу названной стадии степень спирализации снижается. Хромосомы, образующие в совокупности клубок, имеют вид нитей с утолщениями по длине. В последующей стадии — зиготене (б) — гомологичные хромосомы спирализуются, сближаются по длине и образуют пары. Происходит синапсис хромосом. Число пар равно гаплоидному. В стадии пахитены (в) в ооцитах видны попарно расположенные гомологичные хромосомы или биваленты, причем каждая хромосома образована двумя хроматидами. Таким образом, комплекс из пары гомологичных хромосом (бивалент) представлен четырьмя морфологическими структурами (хроматидами). Поэтому его называют тетрадой. На этой стадии отмечается дальнейшая спирализация и особенно тесный контакт между хроматидами. Видимо, в пахитене. осуществляется кроссинговер — реципрокный (взаимный) обмен, генетическим материалом между спаренными хромосомами. В диплотене (г) гомологичные хромосомы частично деспирализуются и несколько отходят друг от друга. Вместе с тем они сохраняют взаимосвязь при помощи мостиков — хиазм, которые служат структурным выражением кроссинговера, имевшего место в предыдущую стадию.
Особенностью мейоза в оогенезе является наличие специальной стадии — диктиотены, отсутствующей в сперматогенезе. На этой стадии, достигаемой у человека еще в эмбриогенезе, хромосомы, приняв особую морфологическую форму «ламповых щеток», прекращают какие-либо дальнейшие структурные изменения на многие годы. По достижении женским организмом репродуктивного возраста под влиянием лютеинизирующего гормона гипофиза, как правило, один ооцит ежемесячно возобновляет мейоз. Он проходит завершающую стадию профазы первого деления — диакинез (д). На этой стадии хромосомы высоко спирализованы, ядерная оболочка и ядрышко исчезают, образуется веретено деления. В метафазе (е) первого деления гомологичные хромосомы, сгруппированные в биваленты, располагаются в плоскости экватора клетки. В этой фазе может быть определено число хиазм. В среднем в ооците женщины их насчитывается 42—50. Существует мнение, что у человека кроссинговер происходит в оогенезе чаще, чем в сперматогенезе, однако это предположение требует подтверждения. В анафазе (ж) первого деления к полюсам расходятся не дочерние хроматиды гомологичных хромосом, как в митозе, а непосредственно гомологичные хромосомы. Таким образом, на полюсах клетки собирается по одной из гомологичных хромосом каждой пары. Так как они состоят из двух хроматид, их называют диадами. В процессе цитотомии в телофазе (з) первого деления образуется первое редукционное (направительное, полярное) тельце. Оно содержит полный гаплоидный комплект хромосом, но погибает. Вторая клетка, также гаплоидная, продолжает оогенез.
Интерфаза (и) между двумя делениями редуцирована. Второе деление мейоза фактически начинается с метафазы (к). Хромосомы на этой стадии оогенеза представлены диадами. Это деление завершается после овуляции, т. е. выхода ооцита из яичника в женские половые пути, и для его завершения необходимо, чтобы произошло оплодотворение клетки сперматозоидом.
В анафазе (л) второго деления к полюсам клетки расходятся дочерние хроматиды, из которых на более ранних стадиях состоят диады. В последующей телофазе (м) отделяется второе редукционное тельце, которое погибает. Гаплоидные наборы хромосом яйцеклетки и оплодотворившего ее сперматозоида объединяются в диплоидном наборе хромосом зиготы.
Таким образом, рекомбинация генетического материала между гомологичными хромосомами происходит в пахитене, а рекомбинация отцовских и материнских хромосом — в анафазе первого деления мейоза. В анафазе этого деления образуются гаплоидные клетки.
ГАМЕТОГЕНЕЗ
Гаметогенез — процесс образования яйцеклеток (оогенез) и сперматозоидов (сперматогенез) — подразделяется на ряд стадий.
Диплоидные клетки, из которых образуются гаметы, называются сперматогониями и овогониями. Стадия размножения сводится к серии последовательных митотических делений сперматогоний и овогоний, в результате чего их количество существенно возрастает. Сперматогоний размножаются на протяжении всего периода половой зрелости мужской особи. Размножение овогоний приурочено главным образом к периоду эмбриогенеза. В женском организме этот процесс наиболее интенсивно протекает между 3-м и 7-м месяцами эмбриогенеза и завершается на 3-м году жизни. Н а стадии роста происходит увеличение клеточных размеров и превращение мужских и женских половых клеток в сперматоциты и овоциты 1 порядка, причем последние достигают больших размеров, чем первые. Основными событиями стадии созревания являются два последовательных деления — редукционное и эквационное, представляющее собой обычный митоз. После первого деления образуются сперматоциты и овоциты II порядка, имеющие редуцированное вдвое число хромосом, а после второго — сперматиды и зрелая яйцеклетка. В результате делений на стадии созревания каждый сперматоцит II порядка дает 4 сперматиды, тогда как каждый овоцит II порядка — 1 полноценную яйцеклетку и З редукционных тельца, которые в размножении не участвуют. Благодаря этому в женской гамете концентрируется максимальное количество питательного материала желтка. Процесс сперматогенеза завершается стадией формирования или спермиогенеза. Ядра сперматид уплотняются вследствие гиперспирализации хромосом, которые становятся функционально инертными. Пластинчатый комплекс перемешается к одному из полюсов ядра, образуя акросому, играющую большую роль в оплодотворении. Центриоли занимают место у противоположного полюса ядра, причем от одной из них отрастает жгутик, у основания которого в виде спирального чехлика концентрируются митохондрии. На этой стадии почти вся цитоплазма сперматиды отторгается, так что головка зрелого сперматозоида практически лишена ее.
Центральным событием гаметогенеза является мейоз. Это способ клеточного размножения, обусловливающий возникновение гаплоидных клеток. В мейозе наблюдается также перераспределение (рекомбинация) наследственного материала между гомологичными хромосомами, устанавливаются разные соотношения хромосом отцовского и материнского происхождения в гаплоидных наборах гамет.
Последние стадии оогенеза воспроизводятся и вне организма женщины в искусственной питательной среде. Это позволило осуществить зачатие человека «в пробирке». Перед овуляцией хирургическим путем яйцо извлекается из яичника и переносится в среду со сперматозоидами. Возникающая в результате оплодотворения зигота, будучи помешена в подходящую среду, осуществляет дробления. На стадии 8—16 бластомеров зародыш переносится в матку женщины-реципиента. Число успешных опытов такого рода в последнее время возрастает.
В сперматогенезе происходят сходные цитогенетические события — рекомбинация генетического материала путем кроссинговера и независимого расхождения гомологичных хромосом в анафазе первого деления, а также образование гаплоидных клеток. Так как сперматогенез начинается в организме, достигшем половой зрелости, закономерно отсутствие стадии диктиотены. Вместе с тем хорошо выражен период формирования, когда мужская половая клетка приобретает свою окончательную структуру.
Гаметогенез отличается высокой производительностью. За время половой жизни мужчина продуцирует не менее 500 млрд. сперматозоидов. На пятом месяце эмбриогенеза в зачатке женской половой клеток-предшественниц яйцеклеток, в яичниках обнаруживается полового созревания до прекращения гаметогенеза в яичниках созревает 300-400 яйцеклеток.
Гаметы (от греч. γᾰμετή — жена, γᾰμέτης — муж) — репродуктивные клетки, имеющие гаплоидный (одинарный) набор хромосом и участвующие в гаметном, в частности, половом размножении. При слиянии двух гамет в половом процессе образуется зигота, развивающаяся в особь (или группу особей) с наследственными признаками обоих родительских организмов, продуцировавших гаметы.
У некоторых видов возможно и развитие в организм одиночной гаметы (неоплодотворённой яйцеклетки) — партеногенез.
Морфология гамет и типы гаметогамии
Морфология гамет различных видов достаточно разнообразна, при этом продуцируемые гаметы могут отличаться как по хромосомному набору (при гетерогаметности вида), величине и подвижности (способности к самостоятельному передвижению), при этом гаметный диморфизм у различных видов варьирует в широких пределах — от отсутствия диморфизма в виде изогамии до своего крайнего проявления в форме оогамии.
Изогамия
Если сливающиеся гаметы морфологически не отличаются друг от друга величиной, строением и хромосомным набором, то их называют изогаметами, или бесполыми гаметами. Такие гаметы подвижны, могут нести жгутики или быть амёбовидными. Изогамия типична для многих водорослей.
Анизогамия (гетерогамия)
Гаметы, способные к слиянию, различаются по размерам, подвижные микрогаметы несут жгутики, макрогаметы могут быть как подвижны (многие водоросли), так и неподвижны (лишённые жгутиков макрогаметы многих протистов).
Оогамия
Сперматозоид и яйцеклетка.
Способные к слиянию гаметы одного биологического вида резко различаются по размерам и подвижности на два типа: мужские гаметы малого размера и крупные неподвижные женские гаметы — яйцеклетки. Различие размера гамет обусловлено тем, что яйцеклетки содержат запас питательных веществ, достаточный для обеспечения нескольких первых делений зиготы при её развитии в зародыш.
Мужские гаметы — сперматозоиды животных и многих растений подвижны и и обычно несут один или несколько жгутиков, исключением являются лишённные жгутиков мужские гаметы семенных растений — спермии, которые доставляются к яйцеклетке при прорастании пыльцевой трубки, а также безжгутиковые сперматозоиды (спермии) нематод и членистоногих.
Хотя сперматозоиды несут митохондрии, при оогамии от мужской гаметы к зиготе переходит только ядерная ДНК, митохондриальная ДНК (а в случае растений и пластидная ДНК) обычно наследуется зиготой только от яйцеклетки.