Контроль перехода метафазы в анафазу кинетохорами

Обновлено: 14.05.2024

Вскоре после того, как немецкий патофизиолог Р.Вирхов в середине XIX в. сформулировал основной принцип клеточной теории в виде афоризма Omni cellula ex cellula («Всякая клетка – из другой клетки»), было установлено, что жизнь соматической клетки протекает циклически, начинаясь с деления и делением оканчиваясь. За полтора века, прошедшие с тех пор, получено множество новых данных об особенностях деления различных клеток. Стали понятны многие процессы организации и регуляции деления, их невероятная сложность. И все большее восхищение исследователей вызывает точность, с которой происходит разделение хромосом между будущими дочерними клетками. Именно о механизмах разделения хромосом (на примере клеток животных) и пойдет речь ниже.

Клеточный цикл – это последовательность закономерно сменяющих друг друга фаз от образования клетки в результате деления до либо разделения ее на дочерние клетки в следующем акте деления, либо гибели. У эукариот клеточный цикл состоит из интерфазы и собственно деления, или митоза. Каждой из этих фаз соответствуют определенные явления и процессы, которые позволяют разделить их на более мелкие стадии. У разных организмов количество и последовательности стадий клеточного цикла различаются.

Интерфаза значительно более длительна, чем митоз (обычно занимает не менее 90% всего времени клеточного цикла), и обычно подразделяется на три периода: пресинтетический (G1), синтетический (S) и постсинтетический (G2). На стадии G2 клетка может перейти к следующему делению или к состоянию покоя (G0). Переход к делению возможен только из стадии G2, поэтому, если клетка находится в состоянии G0, для продолжения деления ей необходимо вернуться в состояние G2. Стадия G1 может продолжаться от 2 ч до нескольких недель или даже месяцев, продолжительность стадии S 6–12 ч, а стадии G2 – от получаса до нескольких часов.

Собственно непрямое деление, или митоз, состоит из стадий кариокинеза (деления ядра) и цитокинеза (деления цитоплазмы). Разделение хромосом происходит на стадии кариокинеза, поэтому рассмотрим ее подробнее.

В первой фазе митоза – профазе – хромосомы спирализуются и становятся видны в световой микроскоп в виде тонких нитей. Клеточные центры, удвоение которых происходит на стадии S, расходятся к полюсам клетки. В конце профазы ядрышки исчезают, ядерная оболочка разрушается и хромосомы выходят в цитоплазму.

Затем клетка переходит в метафазу, начало которой называют прометафазой. В прометафазе хромосомы располагаются в цитоплазме довольно беспорядочно. Формируется митотический аппарат, в состав которого входит веретено деления и центриоли. Веретено деления – это система особых структур, микротрубочек (МТ), в делящейся клетке, обеспечивающая расхождение хромосом. Затем кинетохоры (центромеры) хромосом захватываются МТ, отходящими от обоих полюсов веретена деления, и через некоторое время хромосомы выстраиваются в экваториальной плоскости клетки. В метафазе хромосомы максимально спирализованы. Центромеры хромосом располагаются в экваториальной плоскости клетки независимо друг от друга. Совокупность хромосом в экваториальной плоскости клетки образует метафазную пластинку.

Наша справка

На следующей стадии деления – в анафазе – происходит разделение хромосом на хроматиды. С этого момента каждая хроматида становится самостоятельной однохроматидной хромосомой. Сначала сестринские хроматиды расходятся к противоположным полюсам веретена деления, а сами полюса остаются неподвижными (анафаза А), а затем полюса веретена расходятся к противоположным концам клетки (анафаза В).

После этого клетка переходит в телофазу: веретено деления разрушается, хромосомы у полюсов клетки деспирализуются, вокруг них формируются ядерные оболочки. В клетке образуются два ядра, генетически идентичные исходному ядру.

С окончанием кариокинеза клетка переходит в стадию цитокинеза, на которой происходит разделение цитоплазмы и формирование мембран дочерних клеток. У животных цитокинез происходит путем «перешнуровывания» клетки. У растений цитокинез происходит иначе: в экваториальной плоскости образуются пузырьки, которые сливаются с образованием двух параллельных мембран. На этом митоз завершается, и дочерние клетки переходят в интерфазу.

Шесть стадий клеточного деления

На всех стадиях кариокинеза важнейшую роль играют МТ – их образование и пространственная ориентация, взаимодействие с кинетохорами хромосом, структурные изменения, создающие силы, необходимые для разделения хромосом, и, наконец, их разрушение. МТ входят в состав цитоскелета и играют важнейшую роль в поддержании и изменении формы клетки и направленном переносе внутриклеточных компонентов (везикул, органелл, белков и т.п.) в цитоплазме. В клетках животных несколько тысяч МТ. Все они растут из специальных образований, называемых центрами организации МТ (ЦОМТ). В клетке может быть 1–2 ЦОМТ. Исследования показали, что от центросомы отходят всего несколько десятков МТ, следовательно, МТ не обязательно связаны с центросомой. Центриоли же дают начало новым МТ, которые приходят на смену постепенно деполимеризующимся старым.

Центросома, или клеточный центр, – главный ЦОМТ и регулятор хода клеточного цикла в клетках эукариот. Центросома состоит из аморфного материала и пары центриолей – материнской и дочерней, расположенных строго определенным образом и образующих структуру, называемую диплосомой. (О структуре и функциях центросом можно прочитать, например, в журнале «Природа», 2007, №5.) Помимо участия в делении ядра, центросома играет важную роль в формировании жгутиков и ресничек. Центриоли, расположенные в ней, выполняют функцию центров организации для МТ аксонем жгутиков. У организмов, лишенных центриолей (например, у сумчатых и базидиевых грибов, покрытосеменных растений), жгутики не развиваются.

ЦОМТ могут репродуцироваться самостоятельно: новый центр образуется рядом с существующим, а затем отходит от него. До сих пор оставалось тайной, как это происходит. Но совсем недавно американские ученые, изучая экстракты центросом ооцитов моллюска Spisula solidissima, обнаружили, что центросомы содержат особые молекулы РНК. Учитывая, что центросомы имеют очень древнее происхождение и чрезвычайно консервативны, это открытие позволило предположить, что они имеют собственный генетический аппарат.

МТ представляет собой очень маленькую трубочку длиной несколько микрометров при наружном диаметре 25 нм. Она построена из 13 длинных «палочек» – протофиламентов, параллельных оси трубочки и расположенных по кругу. Протофиламент составлен из чередующихся глобул альфа- и бета-тубулина, причем в каждой паре таких глобул (димере тубулина) альфа-тубулин взаимодействует с бета-тубулином, а бета-тубулин – с альфа-тубулином ближайших соседних димеров, что и позволяет образоваться очень прочной цилиндрической конструкции. Как же такая конструкция может обеспечивать перемещение чего-либо внутри клетки?

Что касается органелл, белков и других компонентов клетки, то они перемещаются по МТ, прикрепляясь к белкам-моторам: динеинам и кинезинам, которые способны буквально «шагать» по МТ в определенном направлении, потребляя в качестве топлива АТФ. Хромосомы же прикрепляются к концам МТ, которые затем каким-то образом быстро растаскивают их к полюсам веретена деления.

Было известно, что длина МТ может быть постоянной, как, например, в жгутиках. Однако длина цитоплазматических МТ меняется постоянно: они то растут, то укорачиваются, могут исчезнуть совсем, потом опять начнут расти… Когда МТ в процессе роста достигает мишени, ее длина стабилизируется, но как это происходит, до сих пор не вполне ясно.

Экспериментально установлено, что МТ может находиться в трех основных состояниях: полимеризации, деполимеризации и катастрофы. Полимеризация – это присоединение одиночных молекул тубулина, находящихся в цитоплазме, к торцу трубочки (деполимеризация – обратный процесс). Альфа- и бета-субъединицы димера тубулина в цитоплазме сначала присоединяют по одной молекуле гуанозинтрифосфата (ГТФ), похожего по свойствам на АТФ, а затем уже могут присоединиться к торцу растущей МТ. Для роста МТ необходимо также наличие в цитоплазме некоторых специфических белков, присутствие ионов магния и отсутствие ионов кальция.

Пока с димером тубулина связаны две молекулы ГТФ, он находится в Т-состоянии, и при этом вся конструкция трубочки устойчива. Однако на бета-субъединице димера тубулина через некоторое время происходит гидролиз ГТФ, который превращается в гуанозиндифосфат (ГДФ), при этом весь димер переходит в D-состояние, а кольцо молекул тубулина на торце МТ становится напряженным, неустойчивым. В этом состоянии к торцу МТ уже не могут присоединиться новые димеры тубулина, и МТ переходит в состояние катастрофы. Поэтому рост МТ возможен только пока на конце МТ есть кольцо из Т-димеров тубулина, так называемая Т-шапочка. Если концентрация тубулина в цитоплазме невелика, димеры «Т-шапочки» могут успеть перейти в D-состояние, прежде чем к ним присоединятся новые Т-димеры и трубочка перейдет в состояние катастрофы.

Если при деполимеризации происходит отсоединение молекул тубулина по кольцу на торце МТ, то при катастрофе протофиламенты разъединяются, как отдельные проволочки, и стремятся закрутиться в колечки. При этом разборка МТ происходит очень быстро. Конец МТ, закрепленный в центросоме и защищенный от катастроф, называют «минус»-концом МТ, а другой конец, который либо нарастает, либо быстро разрушается – «плюс»-концом. В цитоплазме существует множество белков, которые могут взаимодействовать с тубулином в разных состояниях, влияя на скорость роста или распада МТ. Существенно, что белки-моторы умеют различать «плюс»- и «минус»-концы МТ: динеины движутся к «минус»-концу, а кинезины – к «плюс»-концу микротрубочки.

Каждой стадии митоза соответствует особое поведение МТ. Митотическое деление происходит с образованием специальной структуры – веретена деления, основой строения которого являются МТ, исходящие из двух клеточных центров, расположенных в полюсах клетки. Веретено деления состоит как бы из двух перекрывающихся в центральной части полуверетен, на концах которых находятся центросомы. В растительных клетках образование веретена деления происходит без участия центросом.Всего можно выделить три типа МТ: астральные, полюсные и кинетохорные. Кинетохорные МТ связывают центросому с кинетохором хромосомы. Они образуются в прометафазе. На стадии ранней профазы быстро растут астральные МТ, направленные радиально от каждого из двух клеточных центров. Астральные МТ тянутся от центросом к периферии клетки, их «плюс»-концы взаимодействуют с белками, закрепленными в клеточной мембране, по-видимому, с помощью динеинов, притягивающих центросомы к мембране.

В это же время появляются полюсные МТ, которые растут по направлению от одного клеточного центра к другому. Полюсные МТ имеют тенденцию объединяться в группы от двух до шести МТ (на стадии метафазы), в основном с МТ противоположного полюса. Так образуются полюсные нити, в которых МТ направлены антипараллельно, т.е. «плюс»-концами в противоположные стороны. Упомянутые выше моторные белки, взаимодействуя с антипараллельными МТ, приводят либо к стягиванию клеточных центров по направлению друг к другу или к их расталкиванию. Отсутствие или дефекты какого-либо из этих моторных белков приводят к нарушениям расхождения центросом и митоза в целом.

Кроме изменений в организации МТ, связанной с удвоением центросомы, изменяется и их динамика. Во время интерфазы МТ относительно длинные и стабильные, состояние роста длится в среднем около 10 мин. При переходе к митозу частота катастроф увеличивается примерно в 10 раз, поэтому состояние роста МТ укорачивается и становится меньше 1 мин. Эти изменения вызываются, в основном, специальными белками, контролирующими ход митоза, и приводят к тому, что МТ становятся нестабильными, быстро изменяющимися.

Благодаря тому, что на стадии прометафазы ядерная мембрана уже разрушена, МТ могут дотянуться до хромосом. Присоединение их к кинетохорам происходит случайно, при соприкосновении кинетохора с «плюс»-концом или боковой поверхностью МТ. В последнем случае (латеральное взаимодействие) хромосома начинает быстро, со скоростью 20–25 мкм/мин, двигаться к соответствующему полюсу веретена деления. Эта скорость сравнима со скоростью перемещения динеина вдоль МТ, но прямых данных об участии динеина в этом процессе пока нет. Затем латеральное взаимодействие заменяется концевым за счет разрушения МТ в кинетохоре, и длина МТ стабилизируется.

Кинетохор представляет собой трехслойную структуру, видимую на микрофотографиях как два темных слоя, разделенных светлым промежутком. Он имеет длину 0,3–0,6 мкм и толщину около 0,1 мкм. Один темный слой кинетохора связан с центромерой, другой – с МТ. К кинетохору могут быть прикреплены и МТ, не связанные с центросомой (в растительных и некоторых других клетках веретено деления образуется вообще без центросом). Полярность присоединения таких МТ та же: «плюс»-конец присоединен к кинетохору, а «минус»-конец находится вблизи полюса веретена. Такие МТ более стабильны, чем МТ, заканчивающиеся в полюсах веретена деления.

Направленный транспорт белков внутри клетки

В начале митоза кинетохоры хромосом расположены несимметрично относительно полюсов веретена деления, поэтому они быстрее захватываются МТ, идущими из ближайшего полюса. Однако до тех пор, пока сестринский кинетохор не будет захвачен МТ, идущей от другого полюса, и пара хромосом не будет расположена по экватору веретена деления, митоз не перейдет к следующей стадии – анафазе. Это обеспечивают специальные белки, входящие в состав системы контрольных точек митоза. Таких контрольных точек в клеточном цикле несколько. Только если предыдущая стадия митоза завершена нормально, они вырабатывают сигнал готовности к продолжению митоза.

К каждому их двух кинетохоров сестринских хроматид прикрепляется по 10–40 МТ, образующих кинетохорную нить. При этом скорость присоединения МТ к кинетохорам возрастает к концу метафазы примерно в 10 раз по сравнению с прометафазой. Это объясняется тем, что уже присоединившиеся к кинетохору МТ облегчают присоединение следующих МТ. Такой процесс называется кооперативным.

Нарушения митоза. При различных патологических процессах нормальное течение митоза нарушается. Выделяют 3 основных вида патологии:

1) повреждения хромосом (набухание, склеивание, фрагментация, образование мостов, повреждения центромеров, отставание отдельных хромосом при движении, нарушение их спирализации и деспирализации, раннее разъединение хроматид, образование микроядер;

2) повреждения митотического аппарата (задержка митоза в метафазе, многополюсный, моноцентрический и асимметричный митоз, трёхгрупповая и полая метафазы);

3) нарушения цитотомии.

Основная функция веретена деления – это обеспечение правильного разделения сестринских хроматид. Для направленного движения таких больших структур, как хроматиды, необходимо действие на них значительных сил. Эксперименты показывают, что существуют несколько типов таких сил.

Сила первого типа возникает за счет непрерывного наращивания «плюс»-конца МТ и деполимеризации «минус»-конца. Эти процессы (при равенстве их скоростей) приводят к тому, что димеры тубулина непрерывно перемещаются в сторону «минус»-конца, а длина трубочки при этом не меняется. Если заблокировать присоединение тубулина на «плюс»-конце МТ (добавлением таксола), то разборка МТ в центросомах все равно продолжается и центросомы начинают двигаться по направлению к хромосомам со скоростью, определяемой скоростью деполимеризации МТ. Определение скорости перемещения тубулина по таким МТ показало, что возникающая при этом сила обеспечивает до 25% скорости движения хромосом к полюсу веретена деления в анафазе. В изолированном из яйца лягушки митотическом веретене движение хромосом полностью обеспечивается этой силой.

Силы второго типа («полярный ветер») действуют на участки хроматид, не связанные с кинетохором. Экспериментально показано, что после отрезания плеч хромосом от центромеры они начинают двигаться к экватору веретена деления со скоростью около 2 мкм/мин и в конце концов занимают положение между полюсами веретена деления. Скорее всего, эти силы обусловлены взаимодействием связанных с хроматином белков-моторов (типа кинезина) с МТ.

Наконец, сила третьего типа – это сила, с которой кинетохорная нить тянет хромосому к полюсу веретена деления. Это главная сила, обеспечивающая расхождение хромосом в анафазе. Она имеет, по-видимому, несколько составляющих. Во-первых, в состав кинетохора входят моторные белки (динеин), которые могут взаимодействовать с боковой поверхностью МТ и вызывать перемещение кинетохора в сторону центросомы. Во-вторых, в кинетохоре имеются белки, которые способны существенно влиять на скорость роста или разрушения МТ в зависимости от сигналов системы контрольной точки, белки которой также находятся в кинетохоре. После прохождения контрольной точки и перехода клетки в анафазу скорость деполимеризации МТ в кинетохоре резко возрастает. В результате МТ начинает быстро сокращаться, развивая необходимую для движения хромосомы к полюсу силу. Кроме того, натяжение кинетохорных нитей возрастает даже при постоянной их длине за счет расхождения антипараллельных участков полюсных МТ и, как результат, увеличения их длины. Сила, генерируемая за счет этого процесса, тем меньше, чем больше длина полюсных МТ: упругость МТ конечна, поэтому при увеличении длины они начинают изгибаться, и сила, раздвигающая полюсы веретена деления, уменьшается. Следовательно, чем дальше друг от друга находятся полюсы веретена деления, тем меньше расталкивающая их сила.

Баланс перечисленных выше сил приводит сначала к выстраиванию хромосом по экватору веретена деления, а затем, как следствие изменения баланса, к их расхождению к полюсам. Надо отметить, что баланс этот динамический, а не статический, поэтому даже при стабильном расположении хромосом в плоскости экватора веретена деления, они постоянно смещаются то к одному полюсу, то к другому. Скорость таких колебательных движений – 2–3 мкм/мин. Пока точной модели этих колебаний нет.

Кратко суммируем сказанное выше. Важнейшей задачей митоза является правильное разделение сестринских хромосом, которое осуществляется с помощью веретена деления. Веретено деления образуется МТ, с которыми взаимодействуют белки-моторы (динеины и кинезины), кинетохоры, центриоли, мембранные белки. Белки-моторы могут связываться с белками различных внутриклеточных структур (например, с хроматином) и обеспечивают их перемещение по МТ в одну или другую сторону, осуществляемое за счет энергии гидролиза АТФ. Перемещение хромосом обеспечивается как за счет взаимодействия МТ с белками-моторами, так и за счет процессов роста или распада МТ. При этом именно соотношение скоростей последних двух процессов, регулируемое белками системы контрольных точек, обеспечивает, в основном, и выстраивание хромосом в экваториальной плоскости, и расхождение их к полюсам веретена деления.

Хотя непосредственно измерить силы, действующие со стороны МТ на хромосомы, не представляется возможным, многие детали молекулярных механизмов этих процессов позволят выяснить их адекватные модели. В последнее время стали появляться модели, связывающие биохимические и механические процессы в ходе митоза, но решающее слово, как всегда, остается за экспериментальными исследованиями, которые еще предстоит выполнить.

Контроль перехода метафазы в анафазу кинетохорами

• Существует точка контроля, предотвращающая наступление анафазы до того момента, как все кинетохоры прикрепятся к митотическому веретену
• Неприкрепившиеся кинетохоры продуцируют сигнал, который не позволяет анафазе начаться
• Точка контроля проверяет количество микротрубочек, прикрепленных к кинетохору
• Когда все кинетохоры в клетке правильно прикрепились к веретену, происходит активация анафазного промоторного комплекса (АРС)
• Активация АРС приводит к деструкции белков, удерживающих сестринские хроматиды вместе

Расхождение хроматид служит визуальным показателем завершения клеткой метафазы и перехода ее в анафазу. Наряду с разрушением оболочки ядра, это наиболее выраженное видимое изменение, происходящее на протяжении жизненного цикла клетки. Так же как и разрушение ядерной оболочки, расхождение хроматид представляет собой необратимый процесс.

Если расхождение сестринских хроматид происходит до момента прикрепления всех хромосом к обоим полюсам веретена, то часто клетка становится анеуплоидной. Для предотвращения этого в клетке существует точка контроля, в которой проверяется прикрепление кинетохоров к веретену при митозе. Неприкрепленные или слабо прикрепленные кинетохоры, которые могут свидетельствовать о неполноте процесса сборки веретена, продуцируют сигнал, который задерживает наступление анафазы до момента исправления ошибок, — сигнал «ожидания анафазы».

Мы знаем, что такой сигнал существует, поскольку обычно анафаза не наступает, пока клетка содержит хотя бы одну хромосому в моноориентации. Однако анафаза наступает сразу, если с помощью лазерного микропучка разрушить неприкрепившийся кинетохор этой хромосомы. Сигнал продуцирутся автоматически, как только присходит разрушение ядерной оболочки, поскольку кинетохоры высвободившихся хромосом все оказываются неприкрепленными. Поэтому сигнал постоянно присутствует до тех пор, пока последний кинетохор не прикрепится к веретену.

Эта точка называется точкой контроля прикрепления кинетохоров, или точкой контроля за сборкой веретена. Она обеспечивает гарантию того, что в подавляющем большинстве случаев произошла правильная сегрегация хромосом. Однако при этом не обеспечивается контроль над возможностью ошибочного прикрепления одного кинетохора к двум полюсам (т. е. в случае меротелической ориентации).

Невозможность обнаружения этого дефекта означает, что иногда анафаза наступает до того, как ошибка будет исправлена. Хотя ошибки сегрегации хромосом, как правило, редки, они все-таки возникают с частотой одна ошибка на каждые 10 000 делений. Имеющиеся данные позволяют предполагать, что меротелическое прикрепление является основной причиной образования анеуплоидных клеток.

Схема эксперимента, иллюстрирующего, что неприкрепленный кинетохор генерирует сигнал, который предотвращает наступление анафазы.
Наверху — клетка, остановленная в прометафазе. Вскоре после инактивации компонентов неприкрепившегося кинетохора с помощью ультратонкого лазерного луча наступает анафаза.

В точке контроля сборки веретена проверяется, сколько микротрубочек прикрепилось к кинетохору. Если их слишком мало, то кинетохор генерирует сигнал ожидания анафазы. Этот сигнал выключается, когда количество микротрубочек, прикрепленных к кинетохору, превышает критическую величину. Поскольку натяжение на кинетохоре стабилизирует его и способствует накоплению микротрубочек, точка контроля оказывается чувствительной к натяжению на кинетохоре. Максимальное натяжение развивается, когда сестринские кинетохоры присоединяются к противоположным полюсам, так что при проверке количества микротрубочек на кинетохорах в точке контроля косвенным образом оценивается, насколько правильно прикреплены к веретену все хромосомы.

При разрушении микротрубочек веретена с помощью химических соединений, точка контроля сборки веретена остается активной в течение продолжительного времени. Постоянное присутствие сигнала при воздействии на клетку таких соединений было использовано для отбора мутантов дрожжей, дефектных по генам, необходимым для функционирования точки контроля. Были идентифицированы гены, кодирующие три белка Mad (mitosis arrest deficient) и три белка Bub (budding uninhibited by benzamidazole). У этих белков есть гомологи в клетках позвоночных и человека. Если блокировать активность этих белков, то в обход точки контроля быстро наступает анафаза.

В митозе некоторые из этих белков, включая BubR1 и Mad2, постоянно то появляются на неприкрепленных кинетохорах, то отщепляются от них, но не обнаруживаются на прикрепленных кинетохорах.

Критическим событием, которое инициирует анафазу, обеспечивающую расхождение сестринских хроматид, является активация большого макромолекулярного комплекса, известного как анафазный промоторный комплекс. Функция этого комплекса заключается в отборе белков, которые необходимо разрушить, и это достигается путем добавления к ним молекул убиквитина. Последний играет роль маркера, который позволяет протеолитическим системам клетки (протеосомам) узнавать белок и деградировать его. Однако анафазный промоторный комплекс не может функционировать в изолированном виде.

Для него необходим кофактор, определяющий, какие белки необходимо разрушить и в какое время. Наступление анафазы предполагает, что анафазный промоторный комплекс активируется кофактором Cdc20. В точке контроля сборки веретена происходит ингибирование активности Cdc20, которая, в свою очередь, не позволяет комплексу узнавать белок секурин с тем, чтобы не допустить его разрушения. Разрушение секурина приводит к деструкции склеивающих хромосомальных белков, которые скрепляют реплицированные хроматиды.

Каким образом кинетохор и компоненты механизма точки контроля влияют на белок Cdc20, пока неизвестно. Вопрос заключается в том, каким образом сигнал передается от кинетохора на веретено, в котором находится анафазный промоторный комплекс. Согласно одной точке зрения, на кинетохоре образуется комплекс, состоящий из белков Mad2, BubR1, и Cdc20, который затем высвобождается.

Другая возможность заключается в том, что неприкрепленные кинетохоры связываются и активируют один или несколько белков, участвующих в процессах контроля, а затем высвобождают активированные белки в область веретена, где они образуют комплексы с Cdc20, который предотвращает их от активности АРС. Хотя неизвестно, где образуются комплексы между Cdc20 и компонентами системы контроля, очевидно, что они образуются постоянно, пока существуют неприкрепившиеся кинетохоры.

Однако комплексы существуют недолго, так что при прикреплении последнего кинетохора ингибирующий эффект более не проявляется. Каким образом сигнал ожидания анафазы, который подается последним неприкрепившимся кинетохором, преобразуется в доступную для всего веретена форму, еще предстоит выяснить.

Редактор: Искандер Милевски. Дата обновления публикации: 18.3.2021

• На всех стадиях митоза на прикрепленных кинетохорах действуют силы, направленные к полюсам

• Нити кинетохоров закрепляются около полюсов

• Прикрепление может зависеть от матрикса веретена, содержащего белок NuMA и несколько моторных белков

• Нити кинетохоров изменяют свою длину при добавлении к концам или отщеплении от них тубулиновых субъединиц

• При изменении длины нитей кинетохоры и полюса могут оставаться прикрепленными к их концам

Вопрос «Как движутся хромосомы?» возник с момента открытия митоза. В 1880 г. Флемминг сформулировал проблему, написав: «Мы не знаем, что служит непосредственной причиной движения или изменения локализации нитей ядерной структуры: сами нити, нечто вне их, или и то, и другое» (говоря современным языком, «нити» Флемминга — это конденсированные хромосомы, а «ядерная фигура» — митотическое веретено).

Сейчас мы знаем, что сила, направленная к полюсам веретена, начинает действовать на кинетохор, как только последний прикрепился к веретену. Мы также знаем, что эта сила действует на всех фазах митоза и что ее эффект всегда реализуется по одному и тому же механизму. Таким образом, движение хромосомы к полюсам в прометафазе при конгрессии происходит по тому же механизму, который обусловливает ее движение к полюсу в анафазе.

Для того чтобы хромосомы могли двигаться под действием силы, приложенной к кинетохорам, их нити должны быть определенным образом закреплены. Без этого хромосомы оставались бы на одном месте и вращались вокруг микротрубочек, вместо того чтобы двигаться по ним к полюсам. В экспериментах с использованием микроманипуляторов с помощью тонкой стеклянной иглы можно перемещать отдельные хромосомы.

В веретене белок NuMA образует разветвленную сеть — матрикс, который окружает микротрубочки и способствует их закреплению и организации на полюсах.
Связанные с матриксом моторы, вероятно, обеспечивают там динамику микротрубочек, в том числе оттягивание к ним нитей кинетохора.
На вставке представлена иммунофлуоресцентная фотография метафазной клетки.
Белок NuMA окрашен красным цветом, хромосомы — синим.

Оказалось, что хромосому трудно отодвинуть от полюса, однако сравнительно легко переместить в боковых направлениях. Это позволяет сделать вывод о том, что кинетохорные микротрубочки наиболее прочно прикрепляются к полюсам веретена своими минус-концами.

Все микротрубочки веретена, в том числе входящие в состав нити кинетохора, окружены матриксом веретена. В прикреплении нити кинетохора участвуют белки матрикса веретена. Одним из основных компонентов матрикса является белок NuMA, который играет важную роль в поддержании структурной целостности веретена. Содержание NuMA в веретене зависит от плотности микротрубочек.

Как показано на рисунке, плотность микротрубочек в направлении от полюсов к экватору постепенно убывает. Таким образом, NuMA в основном сконцентрирован у полюсов. Матрикс также содержит моторные белки микротрубочек Eg5 и HSET, которые представляют собой кинезиноподобные белки. Белок HSET проявляет необычное свойства, поскольку, так же как и цитоплазматический динеин, движется в направлении минус-концов микротрубочек веретена.

Поэтому он также накапливается у полюсов веретена. Согласно современной модели, описывающей прикрепление кинетохорных микротрубочек, эти моторные белки связаны с NuMA, который окружает микротрубочки вблизи от минус-конца. Будучи связанными с NuMA, моторы также взаимодействуют со стенками микротрубочек, создавая усилие, противодействующее их движению, и служат эффективной связкой.

Когда кинетохор отодвигается от полюса, как это периодически происходит при конгрессии, должна происходить элонгация его нити. Аналогичным образом, когда он движется к полюсу, нить укорачивается.

Удлинение микротрубочек нити кинетохора происходит за счет добавления со стороны кинетохора субъединиц тубулина. При укорачивании микротрубочек наблюдается потеря субъединиц тубулина как со стороны кинетохора, так и на полюсах. В обоих случаях, для того чтобы оставаться постоянно прикрепленным к пучку, в процессе добавления или потери субъединиц кинетохор должен каким-то образом удерживаться на концах микротрубочек.

Прикрепление другого конца нити к полюсу также должно иметь сложную организацию, с тем чтобы обеспечить потерю субъединиц, происходящую при ее укорачивании. Механизмы процессов, происходящих на концах нити, остаются невыясненными. Возможно, что прикрепление обоих концов определяется, главным образом, белковыми моторами. Предполагается, что связывание с кинетохором происходит с участием кинезиноподобного белка, CENP-E, представляющего собой моторный белок, связывающийся с плюс-концами микротрубочек, а также белков центромеры, которые способствуют укорачиванию плюс-концов микротрубочек.

Для перемещения по веретену биориентированной хромосомы требуется одновременный и скоординированный рост и укорачивание ее двух кинетохоровых нитей.
Изменение длины нитей происходит за счет добавления или потери тубулиновых субъединиц.

Митоз и мейоз

С момента появления клетки и до ее смерти в результате апоптоза (программируемой клеточной гибели) непрерывно продолжается жизненный цикл клетки.

Здесь и в дальнейшем мы будем пользоваться генетической формулой клетки, где "n" - число хромосом, а "c" - число ДНК (хроматид). Напомню, что в состав каждой хромосомы может входить как одна молекула ДНК (одна хроматида) (nc), либо две (n2c).

Клеточный цикл включает в себя несколько этапов: деление (митоз), постмитотический (пресинтетический), синтетический, постсинтетический (премитотический) период. Три последних периода составляют интерфазу - подготовку к делению клетки.

₁

Интенсивно образуются органоиды (рибосомы и другие), синтезируется белки, АТФ и все виды РНК, ферменты, клетка растет.

Длится 6-10 часов. Важнейшее событие этого периода - удвоение ДНК, вследствие которого к концу синтетического периода каждая хромосома состоит из двух хроматид. Происходит удвоение центриолей (репликация центриолей). Активно синтезируются структурные белки ДНК - гистоны.

Короткий, длится 2-6 часов. Это время клетка тратит на подготовку к последующему процессу - делению клетки, синтезируются белки (тубулин для веретена деления) и АТФ, делятся митохондрии и хлоропласты.

Митоз (греч. μίτος - нить)

Митоз является непрямым способом деления клетки, наиболее распространенным среди эукариотических организмов. По продолжительности занимает около 1 часа. К митозу клетка готовится в период интерфазы путем синтеза белков, АТФ и удвоения молекулы ДНК в синтетическом периоде.

Митоз состоит из 4 фаз, которые мы далее детально рассмотрим: профаза, метафаза, анафаза, телофаза. Напомню, что клетка вступает в митоз с уже удвоенным (в синтетическом периоде) количеством ДНК. Мы рассмотрим митоз на примере клетки с набором хромосом и ДНК 2n4c.

Бесформенный хроматин в ядре начинает собираться в четкие оформленные структуры - хромосомы - происходит это за счет спирализации ДНК (вспомните мой пример ассоциации хромосомы с мотком ниток)
Оболочка ядра распадается, хромосомы оказываются в цитоплазме клетки
Центриоли перемещаются к полюсам клетки, образуются центры веретена деления

ДНК максимально спирализована в хромосомы, которые располагаются на экваторе клетки. Каждая хромосома состоит из двух хроматид, соединенных центромерой (кинетохором). Нити веретена деления прикрепляются к центромерам хромосом (если точнее, прикрепляются к кинетохору центромеры).

Самая короткая фаза митоза. Хромосомы, состоящие из двух хроматид, распадаются на отдельные хроматиды. Нити веретена деления тянут хроматиды (синоним - дочерние хромосомы) к полюсам клетки.

Начинается процесс деспирализации ДНК, хромосомы исчезают и становятся хроматином (вспомните ассоциацию про раскрученный моток ниток)
Появляется ядерная оболочка, формируется ядро
Разрушаются нити веретена деления

В телофазе происходит деление цитоплазмы - цитокинез (цитотомия), в результате которого образуются две дочерние клетки с набором 2n2c. В клетках животных цитокинез осуществляется стягиванием цитоплазмы, в клетках растений - формированием плотной клеточной стенки (которая растет изнутри кнаружи).

Образовавшиеся в телофазе дочерние клетки 2n2c вступают в постмитотический период. Затем в синтетический период, где происходит удвоение ДНК, после чего каждая хромосома состоит из двух хроматид - 2n4c. Клетка с набором 2n4c и попадает в профазу митоза. Так замыкается клеточный цикл.

В результате митоза образуются дочерние клетки - генетические копии (клоны) материнской.
Митоз является универсальным способом бесполого размножения, регенерации и протекает одинаково у всех эукариот (ядерных организмов).
Универсальность митоза служит очередным доказательством единства всего органического мира.

Попробуйте самостоятельно вспомнить фазы митоза и описать события, которые в них происходят. Особенное внимание уделите состоянию хромосом, подчеркните сколько в них содержится молекул ДНК (хроматид).

Мейоз

Мейоз (от греч. μείωσις — уменьшение), или редукционное деление клетки - способ деления клетки, при котором наследственный материал в них (число хромосом) уменьшается вдвое. Мейоз происходит в ходе образования половых клеток (гамет) у животных и спор у растений.

В результате мейоза из диплоидных клеток (2n) получаются гаплоидные (n). Мейоз состоит из двух последовательных делений, между которыми практически отсутствует пауза. Удвоение ДНК перед мейозом происходит в синтетическом периоде интерфазы (как и при митозе).

Как уже было сказано, мейоз состоит из двух делений: мейоза I (редукционного) и мейоза II (эквационного). Первое деление называют редукционным (лат. reductio - уменьшение), так как к его окончанию число хромосом уменьшается вдвое. Второе деление - эквационное (лат. aequatio — уравнивание) очень похоже на митоз.

Помимо типичных для профазы процессов (спирализация ДНК в хромосомы, разрушение ядерной оболочки, движение центриолей к полюсам клетки) в профазе мейоза I происходят два важнейших процесса: конъюгация и кроссинговер.

Конъюгация (лат. conjugatio — соединение) - сближение гомологичных хромосом друг с другом. Гомологичными хромосомами называются такие, которые соответствуют друг другу по размерам, форме и строению. В результате конъюгации образуются комплексы, состоящие из двух хромосом - биваленты (лат. bi - двойной и valens - сильный).

После конъюгации становится возможен следующий процесс - кроссинговер (от англ. crossing over — пересечение), в ходе которого происходит обмен участками между гомологичными хромосомами.

Кроссинговер является важнейшим процессом, в ходе которого возникают рекомбинации генов, что создает уникальный материал для эволюции, последующего естественного отбора. Кроссинговер приводит к генетическому разнообразию потомства.

Биваленты (комплексы из двух хромосом) выстраиваются по экватору клетки. Формируется веретено деления, нити которого крепятся к центромере (кинетохору) каждой хромосомы, составляющей бивалент.

Нити веретена деления сокращаются, вследствие чего биваленты распадаются на отдельные хромосомы, которые и притягиваются к полюсам клетки. В результате у каждого полюса формируется гаплоидный набор будущей клетки - n2c, за счет чего мейоз I и называется редукционным делением.

Происходит цитокинез - деление цитоплазмы. Формируются две клетки с гаплоидным набором хромосом. Очень короткая интерфаза после мейоза I сменяется новым делением - мейозом II.

Мейоз II весьма напоминает митоз по всем фазам, поэтому если вы что-то подзабыли: поищите в теме про митоз. Главное отличие мейоза II от мейоза I в том, что в анафазе мейоза II к полюсам клетки расходятся не хромосомы, а хроматиды (дочерние хромосомы).

В результате мейоза I и мейоза II мы получили из диплоидной клетки 2n4c гаплоидную клетку - nc. В этом и состоит сущность мейоза - образование гаплоидных (половых) клеток. Вспомнить набор хромосом и ДНК в различных фазах мейоза нам еще предстоит, когда будем изучать гаметогенез, в результате которого образуются сперматозоиды и яйцеклетки - половые клетки (гаметы).

Сейчас мы возьмем клетку, в которой 4 хромосомы. Попытайтесь самостоятельно описать фазы и этапы, через которые она пройдет в ходе мейоза. Проговорите и осмыслите набор хромосом в каждой фазе.

Помните, что до мейоза происходит удвоение ДНК в синтетическом периоде. Из-за этого уже в начале мейоза вы видите их увеличенное число - 2n4c (4 хромосомы, 8 молекул ДНК). Я понимаю, что хочется написать 4n8c, однако это неправильная запись!) Ведь наша исходная клетка диплоидна (2n), а не тетраплоидна (4n) ;)

Поддерживает постоянное число хромосом во всех поколениях, предотвращает удвоение числа хромосом
Благодаря кроссинговеру возникают новые комбинации генов, обеспечивается генетическое разнообразие состава гамет
Потомство с новыми признаками - материал для эволюции, который проходит естественный отбор

Бинарное деление надвое

Митоз и мейоз возможен только у эукариот, а как же быть прокариотам - бактериям? Они изобрели несколько другой способ и делятся бинарным делением надвое. Оно встречается не только у бактерий, но и у ряда ядерных организмов: амебы, инфузории, эвглены зеленой.

При благоприятных условиях бактерии делятся каждые 20 минут. В случае, если условия не столь благоприятны, то больше времени уходит на рост и развитие, накопление питательных веществ. Интервалы между делениями становятся длиннее.

Амитоз (от греч. ἀ - частица отрицания и μίτος - нить)

Способ прямого деления клетки, при котором не происходит образования веретена деления и равномерного распределения хромосом. Клетки делятся напрямую путем перетяжки, наследственный материал распределяется "как кому повезет" - случайным образом.

Амитоз встречается в раковых (опухолевых) клетках, воспалительно измененных, в старых клетках.

Данная статья написана Беллевичем Юрием Сергеевичем и является его интеллектуальной собственностью. Копирование, распространение (в том числе путем копирования на другие сайты и ресурсы в Интернете) или любое иное использование информации и объектов без предварительного согласия правообладателя преследуется по закону. Для получения материалов статьи и разрешения их использования, обратитесь, пожалуйста, к Беллевичу Юрию.

• Кинетохоры связывают микротрубочки посредством механизма поиска-захвата. Этот механизм использует динамическую нестабильность микротрубочек. Механизм поиска-захвата обеспечивает процессу сборки веретена большую гибкость

• Захват микротрубочки приводит к движению кинетохора по направлению к полюсу. Это способствует захвату дополнительных микротрубочек и служит началом формирования пучка кинетохорных микротрубочек

• Обычно один из сестринских кинетохоров захватывает микротрубочку и формирует нить раньше другого

• Для образования нити существенной является способность кинетохора стабилизировать ассоциированные микротрубочки

• Кинетохоры, находящиеся в натянутом состоянии, гораздо более эффективно стабилизируют микротрубочки, чем свободные кинетохоры

Для прикрепления хромосомы к веретену необходимо, чтобы каждый ее кинетохор прикрепился к микротрубочке от одной из двух центросом. Каким образом микротрубочки звездчатых структур и кинетохоры находят друг друга? Этот вопрос представляет для клетки существенную пространственную проблему, которая должна быть решена с максимальной точностью. Хромосомы очень велики, и скорость их спонтанного перемещения крайне низка.

Таким образом, за счет движения кинетохора решить ее невозможно. Поэтому существует неподвижная мишень, которую должны найти микротрубочки. При этом на одной чаше весов оказывается точность сегрегации хромосом, а на другой размер кинетохоров, который крайне мал, плюс необходимость того, что все 92 кинетохора (в случае клеток человека) должны найти микротрубочки и присоединиться к ним. Ситуация осложняется еще и тем, что, когда начинается митоз, локализация кинетохоров является совершенно непредсказуемой.

После разрушения оболочки ядра хромосомы распределяются по цитоплазме, причем их положение и ориентация от клетки к клетке и от деления к делению являются различными. Веретено должно сформироваться правильно, вне зависимости от того, как располагаются хромосомы. Очевидно, что механизм, позволяющий найти микротрубочки и присоединить их к кинетохорам, должен отличаться крайней гибкостью и исключительной надежностью.

Все эти проблемы решаются за счет динамических свойств, которыми обладают микротрубочки веретена. Вскоре после начала митоза две центросомы модифицируются таким образом, что они приобретают способность нуклеировать гораздо больше микротрубочек, чем в интерфазе. Примерно в это же время микротрубочки становятся более динамичными. Катастрофы становятся более частыми, а укорачивающиеся микротрубочки спасаются в редких случаях и чаще разрушаются.

Наступившие изменения создают такое положение, при котором большое количество микротрубочек постоянно полимеризуется в произвольном направлении от каждой из двух центросом, а затем, если они не были стабилизированы, разрушается и полностью исчезает. Потерянные микротрубочки замещаются другими, растущими в других направлениях. Такой динамичный поиск микротрубочек, незадолго до наступления процесса сборки веретена, показан на видеофрагменте. В результате после разрушения ядерной оболочки все содержимое клетки постоянно зондируется растущими концами микротрубочек.

Первый кадр видеосъемки, показывающий живую клетку организма птицы, экспрессирующую белок ЕВ1, который содержит флуоресцентный зонд.
Белок связывается с растущим концом микротрубочки. Каждая белая точка представляет собой растущий конец микротрубочки.
Ядро видно как слегка затемненная область, расположенная между двумя центромерами и немного левее.

В этих условиях вопрос встречи астральных микротрубочек с каждым кинетохором составляет вопрос времени. Этот механизм поиска-захвата обеспечивает прикрепление всех кинетохоров к микротрубочкам и позволяет образоваться веретену независимо от положения и ориентации хромосом в начале митоза.

Когда растущая микротрубочка встречает кинетохор, ее захватывают белковые моторы, находящиеся в короне. В одних случаях кинетохор прикрепляется к стенке микротрубочки, в других — непосредственно прикрепляется к ее плюс-концу. В любом случае кинетохор немедленно начинает быстро двигаться вдоль микротрубочки по направлению к полюсу. В результате, в том же направлении за кинетохором транспортируется хромосома. В определенный момент времени, кинетохор, который вначале был прикреплен к боковой стороне микротрубочки, присоединяется к плюс-концу другой микротрубочки звездчатой структуры.

Движение кинетохора в направлении полюса при его прикреплении к веретену ориентировано таким образом, что он обращен к полюсу передней стороной. Продолжая такое движение к полюсу, кинетохор захватывает больше микротрубочек, начиная процесс формирования нити кинетохора. Поскольку, когда происходит захват новых трубочек, кинетохор обращен к полюсу, большинство их прикрепляются своими концами к пластинке кинетохора и прекращают свой рост. Процесс постепенного образования нити кинетохора в раннем митозе, показан на рисунке ниже.

Из-за случайного характера механизма поиска-захвата сестринские кинетохоры редко одновременно прикрепляются к образующемуся веретену. После прикрепления первого кинетохора хромосома становится моноориентированной. Другой кинетохор остается свободным до тех пор, пока он не захватит микротрубочку, растущую от дальнего полюса. Когда это произошло, хромосома становится биориентированной. и формируется нить кинетохора, соединяющая хромосому с этим полюсом. Ориентирование в двух направлениях представляет собой единственный вид ориентации, который гарантирует, что в анафазе две хроматиды реплицированной хромосомы разойдутся к противоположным полюсам.

Когда хромосома ориентирована в двух направлениях, она начинает двигаться по направлению к середине веретена. При этом два кинетохора функционируют по-разному: один должен двигаться к тому полюсу, к которому он прикреплен, укорачивая нить кинетохора, в то время как другой — от полюса с удлинением нити. Поскольку ориентация в двух направлениях существенна для контроля точности распределения хромосом, в клеточном цикле существует контрольная точка, проверяющая правильность прикрепления сестринских кинетохоров.

Кинетохоры меняют свойства микротрубочек, к которым они прикрепляются. Эта первичная ассоциация хромосомы с микротрубочкой существенно влияет на тип ее связи с полностью сформированным митотическим веретеном. Наиболее важное проявление эффекта взаимодействия микротрубочки с прикрепленным кинетохором заключается в увеличении продолжительности ее существования. Полупериод существования микротрубочек, связанных с кинетохором, составляет около пяти минут, в то время как для остальных микротрубочек веретена он обычно составляет менее одной минуты. Увеличение стабильности приводит к накоплению микротрубочек с кинетохорами и к формированию кинетохорных пучков.

Однако микротрубочки проявляют свою динамичную природу даже в составе кинетохоровых пучков. Так, иногда от кинетохора отделяются и теряются отдельные микротрубочки, и в то же время прикрепляются новые.

Количество микротрубочек, которые в конечном счете способны прикрепиться к кинетохору, зависит от величины кинетохора и от соотношения между скоростью прикрепления микротрубочки и ее динамики. Чем больше кинетохор, тем к большему количеству микротрубочек он способен прикрепиться. У клеток высших животных кинетохоры обычно способны связывать от 20 до 40 микротрубочек, однако нити кинетохора могут содержать их меньше из-за постоянно происходящих процессов диссоциации и реассоциации микротрубочек.

Что определяет диссоциацию микротрубочек от кинетохора? Существуют убедительные доказательства, что это отчасти связано со степенью натяжения, существующего между кинетохором и связанной с ним центромерой. Например, если при образовании веретена, для продвижения центромеры хромосомы, ориентированной в двух направлениях, к одному из полюсов используется тонкая игла, то количество микротрубочек, прикрепленных к кинетохору и направленных к этому полюсу, увеличивается. Очевидно, что натяжение каким-то образом способствует стабилизации (и, таким образом, накоплению) микротрубочек на кинетохоре.

Смысл такого влияния натяжения заключается в том, что оно обеспечивает способ селективной стабилизации правильного прикрепления хромосомы к веретену: сестринские кинетохоры будут под максимальным натяжением — и их микротрубочки будут обладать максимальной стабильностью — когда они присоединены к противоположному полюсу и движутся к нему, т. е. когда они правильно ориентированы для успешного митоза.

Динамичные микротрубочки ищут кинетохоры по всей клетке.
При этом они растут и укорачиваются в различных направлениях от центросомы. Те, которые нашли кинетохор, захватываются им и стабилизируются.
Такой механизм поиска-захвата сборки веретена позоляет формировать его независимо от формы клетки или от положения хромосом в начале процесса. Первый кадр видеосъемки, демонстрирующий присоединение кинетохора к микротрубочке и последующее движение хромосомы к полюсу. Кадры видеосъемки, иллюстрирующие, каким образом микротрубочки присоединяются к хромосомам и образуют фибриллы веретена. Последовательные кадры съемки клеток,
сделанной в световом микроскопе, показывающие разрушение ядерной оболочки и первый контакт хромосом с микроторубочками, растущими от полюсов.
Сразу после разрушения ядерной оболочки несколько хромосом располагаются у одного полюса таким образом,
что кинетохор ориентируется в направлении на него. Остальные хромосомы или остаются в свободном состоянии,
или уже оказываются прикрепившимися к обоим полюсам и продвинулись к середине веретена. Иммунофлуоресцентная микрофотография клетки в прометафазе. Окрашивание.
Многие хромосомы уже прикрепились к обоим полюсам и переместились к центру веретена, однако некоторые — включая отмеченные стрелками — еще связаны только с одним полюсом.
Заметна их V-образная форма и близкое расположение к полюсам. Фотография центромеры и кинетохоров моноориентированной хромосомы, сделанная в электронном микроскопе.
Хромосома такая же, как представленные на рисунках ниже.
Справа к кинетохору прикреплен пучок микротрубочек, расположенных параллельно; другой кинетохор свободен. Кадры видеосъемки, показывающие захват микротрубочек моноориентированными хромосомами и их последующее перемещение к центру веретена.

Читайте также: