Морфологические изменения клетки в митозе

Обновлено: 04.05.2024

Митоз (от древнегреч. «митос» – нить) является универсальным способом деления эукариотических клеток. Иногда митоз называют непрямым делением.

Митоз включает кариокинез (деление ядра) и цитокинез (деление цитоплазмы). Кариокинез включает ряд фаз: профазу, метафазу, анафазу и телофазу.

Профаза – первая фаза митоза. Хромосомы спирализуются и становятся видны в световой микроскоп в виде тонких нитей. В конце профазы ядрышки исчезают, ядерная оболочка разрушается, и хромосомы выходят в цитоплазму.

Метафаза. Формируется митотический аппарат, в состав которого входит веретено деления (ахроматиновое веретено) и центриоли или иные центры организации микротрубочек. Хромосомы располагаются в экваториальной плоскости клетки, образуя метафазную пластинку.

В метафазе хромосомы максимально спирализованы. Каждая хромосома состоит из двух продольных субъединиц – хроматид. Обе хроматиды совершенно идентичны. В основе каждой хроматиды лежит одна молекула ДНК. Конечные участки хроматид называются теломеры. Хроматиды связаны между собой в области первичной перетяжки, которая называется центромера.

Метафазная хромосома состоит из двух продольных субъединиц – хроматид, связанных между собой в области первичной перетяжки – центромеры. Обе хроматиды несут совершенно идентичный набор генов (разумеется, при отсутствии мутаций). Центромера делит хромосому на два плеча: короткое – р и длинное – q (это номенклатура хромосом человека; у мушки дрозофилы различают плечи L – левое и R – правое).

Анафаза. Происходит разделение хромосом на хроматиды. С этого момента каждая хроматида становится самостоятельной однохроматидной хромосомой, в основе которой лежит одна молекула ДНК. Однохроматидные хромосомы в составе анафазных групп расходятся к полюсам клетки.

Телофаза. Веретено деления разрушается. Хромосомы у полюсов клетки деспирализуются, вокруг них формируются ядерные оболочки. В клетке образуются два ядра, генетически идентичные исходному ядру. Содержание ДНК в дочерних ядрах становится равным 2c.

Телофаза (окончание кариокинеза) сопровождается цитокинезом. В цитокинезе 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 наступает очередная интерфаза.

Интерфаза – это период между двумя клеточными делениями. В интерфазе ядро компактное, не имеет выраженной структуры, хорошо видны ядрышки; хромосомы в большинстве случаев не видны. Интерфаза включает три стадии: пресинтетическую (обозначается символом G1 – «джи-один»), синтетическую (S – «эс») и постсинтетическую (G2 – «джи-два»).

На пресинтетической стадии в основе каждой хромосомы лежит одна двуспиральная молекула ДНК. Количество ДНК в диплоидной клетке на этой стадии обозначается символом 2с. Клетка активно растет.

На синтетической стадии происходит репликация ДНК. Параллельно удваиваются центриоли (если они имеются).

На постсинтетической стадии репликация ДНК уже завершена. В состав каждой хромосомы входит две двуспиральные молекулы ДНК, которые являются точной копией исходной молекулы ДНК. На этой стадии количество ДНК в диплоидной клетке обозначается символом 4с. Синтезируются вещества, необходимые для деления клетки. После этого вновь происходит митоз.

Таким образом, митоз – это циклический (повторяющийся) процесс, важнейшим моментом которого является расщепление каждой хромосомы на две дочерние хромосомы и их распределение по двум вновь образующимся клеткам. Интервал между завершением митоза в исходной клетке и завершением митоза в ее дочерней клетке называется клеточный цикл. Полный клеточный цикл включает интерфазу и собственно митоз.

Биологическое значение митоза. В ходе митоза образуется две клетки с идентичными хромосомными наборами. При митозе полностью сохраняется объем и качество исходной наследственной информации. Успех митоза не зависит от числа хромосом в клетках. Поэтому именно митоз является основой индивидуального развития многоклеточных организмов. Кроме того, митоз является цитологической основой вегетативного размножения у грибов и растений и бесполого размножения у животных.

Морфологические изменения клетки в митозе

Характеристика фаз митоза

• Митоз проходит через несколько фаз, которые характеризуются по локализации и поведению хромосом

• Некоторые переходы между фазами соответствуют событиям клеточного цикла и представляют собой необратимые переходы

Митоз происходит при завершении двух отдельных и несхожих процессов. В ходе первого процесса, который иногда называется кариокинез (греч. karyo — ядро; kinesis — деление), реплицированные хромосомы распределяются по двум отдельным дочерним ядрам. При втором процессе, называемом цитокинез, цитоплазма разделяется между этими двумя ядрами и образуются две отдельных дочерних клетки. Исторически деление ядра подразделяется на несколько фаз, в зависимости от структуры и положения хромосом.

Подразделение на фазы столь сложного события, как митоз, полезно, поскольку при некоторых переходах в клетке происходят необратимые изменения. Большинство этих изменений связано с активацией или инактивацией определенных ферментов. Иногда изменения могут сопровождаться деструкцией специфических белков, играющих важную роль в делении. Рассматривать митоз как серию событий полезно еще и потому, что хромосомы и веретено между фазами меняют свое поведение. Это позволяет предполагать, что для каждой фазы существует свой специфический молекулярный механизм. При подробном рассмотрении фаз митоза мы будем пользоваться рисунком ниже.

Первым видимым признаком наступающего деления является появление в ядре конденсированных хромосом. Это начало фазы митоза, называемой профазой. У холоднокровных, клетки которых содержат большие хромосомы (например, саламандры, кузнечик), профаза продолжается несколько часов; у теплокровных с небольшими хромосомами (например, мышь, человек) она длится менее 15 мин. В определенный момент профазы в клетке происходят биохимические изменения, которые переводят ее в состояние коммитированное к митозу. До момента достижения точки необратимости, конденсацию хромосом можно прервать физическими или химическими воздействиями, повреждающими клетку.

Профаза обычно характеризуется появлением центросом. Во многих клетках, в цитоплазме, становятся видимы две органеллы в виде небольших точек, окруженных светлым участком Как мы увидим позже, центросомы играют важную роль в образовании веретена: они не только определяют его полюса, но и участвуют в нуклеации микротрубочки, из которых создается эта структура.

Клетки вступают в митоз при фосфорилировании одних белков и дефосфорилировании других. Эти процессы обеспечивают ферменты, называемые киназы и фосфатазы. Наиболее важной для митоза является киназный комплекс циклин B/CDK1. Этот комплекс служит основным регулятором деления, поскольку при введении его в клетку индуцируется митоз. (За открытие этого комплекса и исследования механизмов его регуляции в 2001 г. была присуждена Нобелевская премия по физиологии и медицине.) К концу профазы циклин B/CDK1 накапливается в ядре в неактивной форме. Вскоре после этого в ядро начинает поступать другой фермент, cdc25 фосфатаза, которая активирует циклин B/CDK1.

Активированный комплекс фосфорилирует многие ядерные белки, включая те, которые обеспечивают структурную целостность окружающей ядро оболочки. В результате, эти белки теряют связь с ядерной мембраной, вызывают набухание ядра и разрыв окружающей его оболочки.

Разрыв ядерной оболочки знаменует собой начало следующей фазы митоза — прометафазы. В течение этой фазы хромосомы взаимодействуют с двумя центросомами и связанными с ними микротрубочками, образуя веретено. По мере присоединения хромосом к веретену, они совершают серию сложных движений, которые называются конгрессия. При конгрессии хромосомы движутся по направлению к полюсам веретена и от них. Каждая хромосома движется независимо, вначале к одному полюсу, затем к другому, часто до окончания движения несколько раз меняя направление.

В конце концов эти движения приводят к конгрегации всех хромосом в плоскости или в «пластинке» на экваторе веретена на полпути между полюсами. Для большинства клеток прометафаза представляет собой наиболее продолжительную фазу митоза, поскольку она продолжается до тех пор, пока все хромосомы не расположатся на экваторе. Это может занимать от нескольких минут в эмбриональных клетках до нескольких часов в сильно уплощенных клетках ткани.

Когда все хромосомы собрались на экваторе веретена, считается, что клетка переходит в метафазу митоза. В зависимости от типа клеток продолжительность метафазы может различаться. Любопытно, что сложная цепочка событий, приводящих клетку к метафазе, носит обратимый характер. Если разрушить веретено в метафазных или прометафазных клетках, обработав их токсическими веществами (например, колцемидом или нокодазолом), или подвергнуть действию низких температур или повышенного давления, вызывающих деполимеризацию микротрубочек, то при последующем реформировании структуры, как только токсические воздействия прекращаются, хромосомы повторяют процесс конгрессии. Разрушение веретена в метафазе предотвращает продвижение клетки по циклу и часто используется в экспериментальных целях для получения клеток, «заблокированных в метафазе».

Фактически эти клетки находятся в прометафазе, так как их конденсированные хромосомы распределены по цитоплазме.

Метафаза заканчивается, когда две сестринские хро-матиды каждой хромосомы начинают разделяться, и начинается анафаза митоза. Хотя каждая хромосома реплицируется до митоза, две ее хроматиды обычно становятся видимы лишь незадолго до окончания метафазы. В видеозаписи процесс разделения хроматид выглядит как моментальный и происходящий во всех хромосомах одновременно. В действительности он продолжается несколько минут и для разных хромосом длится в течение различного времени. Разделение хроматид в начале анафазы представляет еще одну точку необратимости в митозе: она совпадает с разрушением «склеивающих» белков, скрепляющих хроматиды, и основной регуляторной киназы, которая вызывает вступление клетки в митоз.

После разделения сестринских хроматид они расходятся к полюсам веретена. Это движение обеспечивается комбинацией двух различных механизмов. В анафазе А расстояние между каждой хроматидой и полюсом, к которому она присоединена, сокращается. В то же время расходятся сами два полюса веретена, растаскивая присоединенные к ним группы хромосом. Этот процесс носит название элонгация веретена или анафаза В. По мере расхождения двух групп хромосом, веретено начинает разрушаться и между ними образуются новые структуры, которые в клетках животных называются структурами межзональной области.

Заключительная фаза митоза, телофаза (от греч. telo — конец), начинается, когда хромосомы формируют ядра у полюсов. В случаях, когда при наступлении телофазы соседние анафазные хромосомы не соприкасаются между собой (как в больших клетках), каждая хромосома образует собственное маленькое ядро. Затем они сливаются, образуя одно крупное ядро. В телофазе также начинаются события, в результате которых клетка делится на две. Вначале на поверхности клетки, в той же плоскости, в которой в метафазе выстраиваются хромосомы, образуется перетяжка. В этом положении перетяжка располагается посередине между двумя новыми ядрами и опоясывает экваториальную область.

После образования перетяжка постепенно сжимается, разделяя клетку на две примерно равных части в процессе цитокинеза. По мере сжатия перетяжки, межзональные структуры собираются вместе, образуя прочную связку, которая называется остаточным тельцем. Это последняя структура, соединяющая две клетки. События, происходящие в телофазе, требуют активации комплекса циклин B/CDK1 и свидетельствуют о том, что клетка выходит из митоза.

Рассматривая митоз как последовательность событий и исследуя фотографии живых или зафиксированных препаратов клеток, может показаться, что он является статичным дискретным процессом. На самом деле, однако, митоз представляет собой непрерывный и высокодинамичный процесс. В полной мере в этом можно убедиться при видеосъемке делящихся клеток. Первый кадр такой съемки представлен на рисунке ниже.

На верхнем рисунке изображено только ядро. На остальных представлена вся клетка.
После образования веретена два его полюса располагаются в центре прозрачной области цитоплазмы в верхнем левом и нижнем правом участках клетки. Последовательность событий мейоза включает два клеточных деления.
При первом делении происходит разделение гомологичных хромосом,
при втором разделяются индивидуальные хроматиды (каждой хромосомы).
При митозе происходит только разделение хроматид.

Видео процесс и фазы митоза

Редактор: Искандер Милевски. Дата обновления публикации: 18.3.2021

• При вступлении клетки в митоз сильно меняется структура ядра и цитоскелета

• В прохождении таких событий митоза, как разрыв ядерной оболочки, конденсация и сегрегация хромосом, сборка веретена и цитокинез, необходимо участие митотических киназ

Мы рассмотрели свойства представителей четырех семейств протеинкиназ, которые необходимы для инициации митоза и прохождения клетки через эту стадию цикла. Какие функции выполняют эти киназы в митозе?

Пока современные исследования только пытаются дать ответ на этот вопрос. Вхождение клетки в митоз сопровождается множеством морфологических и биохимических изменений, и все они происходят с участием киназ. В данной статье мы рассмотрим основные события митоза, которые находятся под контролем этих киназ. Приведем известные примеры роли киназ в конкретных процессах и обсудим общие свойства этих ферментов.

Одним из наиболее существенных изменений, наступающих в клетках эукариот при митозе, является разрушение барьера между ядром и цитоплазмой. При этом происходит разрушение ядерной оболочки и диссоциация ядерной ламины, структуры, придающей жесткость клеточному ядру.

Основные изменения происходят в структуре цитоскелета при вступлении клетки в митоз. К числу их относится образование митотического веретена. В течение всего клеточного цикла в клетке присутствуют микротрубочки, которые представляют собой полимеры, состоящие из димеров а- и b-тубулина. В интерфазе, центросома (аналог полярного тельца веретена у дрожжей) организует микротрубочки в длинные цитоплазматические филаменты.

Эти филаменты в митозе разбираются, центросомы расходятся (они дуплицировались в клеточном цикле раньше), и между ними образуется биполярное веретено, состоящее из микротрубочек.

Хромосомы присоединяются к концам микротрубочек веретена и затем связываются с центросомами. Место прикрепления микротрубочек к хромосоме называется кинетохором. Поскольку каждая сестринская хроматида имеет свой кинетохор, который связывается с микротрубочками, исходящими из противоположно расположенных центросом, в митозе происходит равномерная сегрегация сестринских хроматид.

Звездообразные (астральные) структуры микротрубочек вокруг каждой центросомы также образуются в митозе и взаимодействуют с клеточным кортексом. Эти структуры помогают позиционированию центросом, которые, в свою очередь, определяют ориентацию митотического веретена в клетке. В большинстве клеток плоскость деления задается положением веретена, и ее можно изменить, сдвинув его от центра.

Это происходит в определенные моменты развития многоклеточных организмов. При этом образуются дочерние клетки с неодинаковым составом и с разной дальнейшей судьбой.

К двум другим важным структурам, образующимся в митозе, относятся центральное веретено и остаточное тельце. Центральное веретено представляет собой просто середину веретена. В анафазе оно состоит из чередующихся концов микротрубочек, прикрепленных к противоположным центросомам. Эти микротрубочки не контактируют с кинетохорами, а связываются вместе антипараллельно. Остаточное тельце образуется из остатков центрального веретена в цитокинезе. Так же как и центросома, остаточное тельце содержит множество сигнальных молекул.

Ядерная ламина, состоящая из филаментных белков ламина А и В, подстилает ядерную оболочку в интерфазе.
ДНК хромосом находится в деконденсированном состоянии; ЭПР тубулярного характера и связан с ядерной оболочкой.
При наступлении митоза, ламин фосфорилируется киназой Cdk, что приводит к деградации ядерной ламины и оболочки ядра.
ЭПР также изменяет свое состояние, распадаясь на везикулы.
Происходит конденсация хромосом, и область их кинетохоров прикрепляется к микротрубочкам веретена, выходящим из центросом.
Происходит ошаривание самой клетки.

Во время митоза происходят также сильные изменения актинового цитоскелета. Актин представляет собой важнейший компонент цитоскелета, который в интерфазной клетке организован в цитоплазматические волокна. После вхождения клетки в митоз актин концентрируется в медиальной области клетки для подготовки к цитокинезу и образует борозду деления или кольцо цитокинеза.

Борозда деления состоит не только из актина, но содержит более 50 разных белков, которые регулируют образование актиновых нитей, их сборку, подвижность и оборот и активность которых определяет инвагинацию борозды деления.

Как можно ожидать, четыре основных киназы митоза участвуют во многих аспектах морфологических изменений клетки и реорганизации цитоскелета. Классическим примером является CDK, участвующая в разрушении ядерной оболочки. Ядерная ламина состоит из двух белков, ламина А и ламина В. Ламин А содержит сайты фосфорилирования, которое происходит с участием Cdk1 киназы.

Как показано экспериментально, мутации по этим сайтам, приводящие к образованию нефосфорилируемых остатков Ала, препятствуют диссоциации ламины. Таким образом, в результате этих исследований была установлена роль Cdk1 в одном из ранних событий митоза. На рисунке ниже представлена схема регуляции состояния ядерной ламины с участием Cdk1.

Протеинкиназы в митозе выполняют несколько функций, и они обнаружены во многих частях клетки. Одним из важных мест их локализации служат центросомы. Наряду с выполняемой ими ролью центров организации микротрубочек, центросомы являются сигнальными центрами, в которых накапливаются регуляторы клеточного цикла и их субстраты. Таким образом, сигналы клеточного цикла могут быстро интегрироваться, генерируя соответствующий морфологический ответ.

На центросомах локализованы все представители семейства Cdk1-циклина, Plk, Aurora и NIMA Исследования на моделях с выключенными функциями киназ показали, что они регулируют дупликацию и расхождение центросом. Более того, на центросомах были идентифицированы субстраты каждой киназы.

Например, Aurora А участвует в функционировании центросом и в их изменениях, обеспечивающих нуклеацию микротрубочек (созревание центросом) и сборку веретена. Также Aurora А направляет в центросому факторы, которые играют критическую роль в нуклеации микротрубочек.

Aurora А служит примером динамической локализации ферментов, которая свойственна большинству протеинкиназ митоза. Вместе, по меньшей мере, с тремя другими белками, а именно INCENP, Survivin и Borealin, Aurora В в анафазе мигрирует с кинетохора в центр веретена и затем в область расположения остаточного тельца в делящихся клетках. Из-за своей характерной миграции с хромосом в середину веретена эти белки получили название белки-пассажиры хромосом.

В отсутствие любого компонента комплекса, хромосомы надлежащим образом не конденсируются, не выравниваются в метафазной пластинке и не связываются с обеими центросомами.

Ключевой функцией Aurora В и других белков-пас-сажиров, расположенных на кинетохорах, является удаление связей между кинетохором и микротрубочками веретена, которые не приводят к развитию напряжений на обоих кинетохорах, т. е. удаление прикреплений, не являющихся биполярным. Вместе с тем, клетки с отсутствующими функциями какого-либо из белков пассажиров не вступают в цитокинез, поскольку киназа Aurora В необходима для организации центрального веретена и борозды деления.

Хотя расположение Plks и Cdk1 отличается от такового для Aurora В, локализация этих белков в митозе также носит динамический характер, обеспечивающий их взаимодействие с соответствующими мишенями.

Поскольку протеинкиназы играют критическую роль в митозе и цитокинезе, для идентификации их субстратов были использованы различные методы. Таким образом, удается понять молекулярные механизмы митоза. Особенно много внимания уделяется поиску субстратов комплекса Cdk1-циклин. Одним из специфических свойств микротрубочек, которое особенно проявляется в митозе, является быстрая скорость их роста и диссоциации. Это свойство обозначается термином динамическая нестабильность.

Динамическая нестабильность микротрубочек и свойства их моторных белков играют важную роль в процессе сегрегации хромосом. Cdk1 регулирует свойства митотического веретена, фосфорилируя молекулярные моторы, связанные с микротрубочками. К числу субстратов этой киназы также относятся белки, управляющие процессом конденсации хромосом, а также фрагментацией и компартментализацией аппарата Гольджи.

Суммируя изложенные сведения о вхождении клетки в митоз, и о самом процессе митоза, отметим, что в ядре и цитоплазме клеток эукариот при этом происходят различные морфологические изменения. Большинство этих изменений вызваны фосфорилированием соответствующих белков киназами митоза. Примерами являются разборка ядерной ламины, конденсация хромосом, реорганизация актинового цитоскелета, сборка и разборка митотического веретена и компартментализация аппарата Гольджи.

• При подготовке к расхождению хромосомы конденсируются и мигрируют к центру митотического веретена

• Хромосомы прикрепляются к микротрубочкам, выходящим из противоположных полюсов веретена, с помощью специальных участков, называемых кинетохорами

• Разрываются связи, соединяющие сестринские хроматиды вместе, и происходит их разделение

• Происходит расхождение изолированных сестринских хроматид, что предшествует цитокинезу

Как отмечалось выше, у большинства клеток одним из характерных признаков вступления в митоз является конденсация хромосом. Генетический материал интерфазных клеток упакован не так плотно как в митозе, и в процессе сегрегации хромосом важную роль играет его реорганизация с образованием компактных структур высшего порядка. Как достигается эта компактизация и каким образом она регулируется?

В конденсации хромосом участвует мультибелковый комплекс, который называется конденсин. Этот комплекс состоит из двух суперспирализованных белковых молекул, содержащих АТФазные домены и, в силу исторических причин, относящихся к семейству SMC-белков. Предполагается, что субъединицы конденсина могут «прогуливаться» по ДНК, скрепляя вместе ее различные участки. В состав конденсинового комплекса также входят другие белки, которые, наряду с SMC белками, вызывают в ДНК конформационные и топологические изменения, приводящие к компактизации.

Доступ конденсинового комплекса к хромосоме тщательно контролируется. Комплекс связывается с хромосомой только во время митоза. В клетках сливающихся дрожжей, у которых не разрушается ядерная оболочка, конденсин физически отделен от хромосом, будучи заключен в пределах цитоплазмы. Фосфорилирование одной из субъединиц конденсина под действием Cdk1, происходящее в митозе, вызывает миграцию комплекса в ядро. У Xenopus Cdk1, вероятно, активирует процесс суперспирализации, происходящий при действии конденсина.

О процессе конденсации хромосом также говорят и другие изменения связанных с ними белков, например фосфорилирование гистонов Н1 и Н3. Известно, что фосфорилирование гистона Н3 происходит с участием киназ Aurora. Фактически, фосфорилирование этого гистона в митозе обычно служит показателем активности киназы Aurora.

Образование связей между сестринскими хроматидами представляет собой процесс, родственный конденсации хромосом. При репликации в S-фазе каждая пара хроматид связывается между собой и находится в связанном состоянии до момента разделения при переходе от метафазы к анафазе. Каким образом и когда устанавливаются связи между хроматидами и как они разрываются в анафазе?

Так же как и конденсиновый комплекс, когезиновый комплекс формирует и поддерживает связи между сестринскими хроматидами, начиная от момента репликации ДНК и до начала их сегрегации. Этот комплекс состоит из двух SMC-белков, которые напоминают SMC-белки конденсина, хотя и отличаются от них, и трех дополнительных белков, Scc1, Scc3 и Pds5, также необходимых для его функционирования.

До наступления метафазы одна из протеаз, под названием сепараза, находится в связанном с секурином состоянии и не проявляет активности.
В метафазе, при действии АРС, секурин подвергается протеолизу, и таким образом происходит деблокирование сепаразы.
После этого активная сепараза расщепляет когезин, что вызывает разделение сестринских хроматид.

Предполагалось, что когезиновый комплекс скрепляет сестринские хроматиды наподобие застежки «молния». Однако недавно было показано, что SMC-белки и субъединица Scc1 обвивают сестринские хроматиды, скрепляя их. Подробности механизма этого скрепления сейчас исследуются.

Предложено два механизма разрушения связей между хроматидами. Согласно одному механизму, в профазе, с плечей хромосомы удаляется большая часть когезина, а связанный с центромерой комплекс остается на месте. Этот первый этап удаления когезина запускается Plk1, которая фосфорилирует Scc1. В то же время связанная с центромерой Scc1 когезиновая субъединица подвергается протеолизу. Если модель скрепления хроматид за счет их обвивания субъединицей Scc1 правильна, то расщепление этой субъединицы должно приводить к раскрытию обвивающего кольца и к физическому разделению сестринских хроматид. Во всяком случае, каким бы ни был механизм скрепления хроматид, очевидно, что разрушение Scc1 вызывает их диссоциацию и обеспечивает наступление анафазы.

Сепараза представляет собой сайт-специфическую протеазу, которая расщепляет Scc1 и вызывает разделение хроматид. В течение большей части клеточного цикла, сепараза поддерживается в неактивном состоянии, находясь в комплексе с другим белком, секурином. При переходе из метафазы в анафазу секурин подвергается убиквитинилированию и атакуется протеазами. При разрушении секурина высвобождается сепараза (также известная под названием сепарин), которая разрушает Scc1.

Процессы, происходящие при разделении хроматид, представлены на рисунке ниже. Таким образом, в этой простой модели ключевым процессом, запускающим сегрегацию хромосом, является протеолиз секурина. В связи с этим возникает интересный вопрос: каким образом регулируется деградация секурина?

Секурин отбирается для деградации при его взаимодействии с ЕЗ-убиквитинлигазой, известной под названием анафазный промоторный комплекс (АРС). Этот комплекс узнает белки, содержащие короткие последовательности, называемые деструктивными и/или KEN доменами (D boxes или KEN boxes). При добавлении этих последовательностей, содержащих около девяти аминокислот, в структуру белков, последние проибретают способность к деградации под действием АРС.

В отличие от SCF, для того чтобы субстрат был узнан АРС, не требуется его предварительного фосфорилирования. У почкующихся дрожжей существенная функция АРС состоит в деградации циклинов и секурина, хотя для этого комплекса известно также много других мишеней.

АРС проявляет активность только в митозе и G1-периоде, когда он предотвращает накопление циклинов и секурина. Как регулируется активность АРС? Во-первых, связывание адаптерных белков (Cdc20 и Cdh1 — обозначаемых как APC cdc20 APC cdh1 ) с APC обеспечивает значительную степень субстратной специфичности комплекса. Адаптерные белки способны связываться с АРС лишь в митозе и G1-периоде цикла. Во-вторых, активность АРС регулируется при специфическом фосфорилировании некоторых из его 13 субъединиц и адаптерных белков.

В фосфорилировании и активации АРС участвуют Cdkl и Plk1. В-третьих, активность АРС может контролироваться сигнальной системой, которая следит за прикреплением хромосом, а также точкой, контролирующей сборку веретена (SAC). Столь многочисленные уровни регуляции гарантируют, что АРС активируется только в митозе и запускает протеолиз секурина и циклина, активирует сепаразу, расщепляет когезин, и, наконец, вызывает разделение сестринских хроматид. В G1-периоде АРС сохраняет свою активность с тем, чтобы поддерживать активность Cdk1 на низком уровне. Низкая активность этой киназы позволяет сформироваться pre-RC, необходимому для следующего раунда репликации ДНК. Схема процессов активации АРС представлена на рисунке ниже.

Когда после разрыва связи сестринские хроматиды отделились друг от друга, они расходятся к противоположным полюсам клетки под действием микротрубочек веретена. Когда хромосомы разошлись и активность Cdk1 снизилась, наступает цитокинез.

Подводя итоги изложенному выше, подчеркнем, что конденсация хромосом происходит с участием белкового комплекса, который называется конденсин, и что сестринские хроматиды удерживаются вместе когезиновым комплексом до тех пор, пока не произойдет их разделение в анафазе. Разрыв связей между хроматидами требует расщепления когезина под действием протеазы, сепаразы. Для активации сепаразы необходим протеолиз ее ингибитора, секурина, который происходит с участием АРС по убиквитиновому механизму.

В интерфазе АРС убиквитин лигаза неактивна.
При наступлении митоза Cdk1 фосфорилирует АРС и он связывается с активатором, Cdc20.
Затем Cdc20 АРС узнает субстраты, например секурин, обеспечивая необратимое прохождение клетки по фазам митоза.
Позже в митозе АРС связывается с активатором Cdh1 и мобилизует другие субстраты, необходимые для выхода из митоза. Первый видеокадр, показывающий хромосомы в начальных стадиях митоза.

Сперматогенез и овогенез

Гаметогенезом называют процесс образования половых клеток (гамет). Этот процесс происходит у мужских и женских особей в гонадах (половых железах), представленных семенниками (яичками) и яичниками.

Гаметы (n) образуются в результате мейоза из клеток-предшественников (2n, как у соматических клеток). Половые клетки гаплоидны, то есть имеют в два раза меньшее число хромосом, чем клетки-предшественники. Мужская (n) и женская (n) гаметы, сливаясь друг с другом в процессе оплодотворения, образуют зиготу (2n).

Таким образом, за счет гаплоидности гамет (в результате мейоза) поддерживается постоянное количество хромосом в ряду поколений, не происходит их удвоения.

Процессы сперматогенеза и овогенеза (оогенеза) требуют нашего более детального изучения.

Сперматогенез (греч. sperma – семя + genesis – зарождение)

В ходе фазы размножения диплоидные сперматогенные клетки (2n2c) многократно делятся митозом, в результате образуются сперматогонии (2n2c) - стволовые клетки. Часть сперматогоний вступает в последующее митотическое деление, образуя такие же сперматогонии (2n2c).

Половые клетки в этой фазе называются сперматоцитами I порядка, они теряют способность к митотическому делению.

В этот период клетка растет, увеличивается количество органоидов и цитоплазмы. Происходит подготовка к мейозу, который начинается в следующей фазе - созревания.

На фазу роста приходится S-период: происходит удвоение ДНК, в результате чего набор хромосом сперматоцита I порядка становится (2n4c).

Происходит первое деление мейоза (мейоз I). В результате из сперматоцитов I порядка (2n4c) образуются сперматоциты II порядка (n2c). Между мейозом I и мейозом II практически отсутствует интерфаза, поэтому сперматоциты II порядка (n2c) сразу же вступают в мейоз II, в результате которого образуются сперматиды (nc).

Итак, в фазу созревания происходят первое и второе деления мейоза, которые приводят к тому, что образовавшаяся клетка - сперматида - имеет гаплоидный набор хромосом (nc).

В этой фазе у каждой сперматиды отрастает жгутик, после чего они получают полное право называться сперматозоидами. У основания жгутика концентрируются митохондрии - "энергетические станции клетки", которые всегда будут готовы предоставить АТФ для его активной работы.

Овогенез, или оогенез (греч. ōón — яйцо + genesis – зарождение)

Оогенезом называют процесс формирования женских гамет (половых клеток) - яйцеклеток. Он активируется в женском организме в период полового созревания (под действием женских половых гормонов) и длится до менопаузы (45-55 лет).

В результате многократных делений клеток яичника образуются стволовые клетки - овогонии (2n2c).

Половые клетки в этой фазе называются ооцитами I порядка, они теряют способность к митотическому делению.

В овогенезе эта фаза отличается более длительной продолжительностью, по сравнению с такой же фазой в сперматогенезе. Клетки накапливают большой запас питательных веществ. В этот период происходит удвоение ДНК в S-периоде - набор хромосом и ДНК ооцитов I порядка становится 2n4c.

Ооциты I порядка (2n4c) вступают в первое деление мейоза, в результате которого образуются ооциты II порядка (n2c) и первое полярное (направительное) тельце, которое не несет большой функциональной значимости и подвергается дегенерации.

Второе деление мейоза начинается только после взаимодействия овоцита II порядка (n2c) со сперматозоидом. В результате этого образуется яйцеклетка (nc) и второе полярное тельце, которое также подвергается дегенерации.

Строго говоря, при овуляции из яичников выходит не "яйцеклетка", а ооцит II порядка, который ждет встречи со сперматозоидом для продолжения деления и развития будущего зародыша. Если такого взаимодействия не происходит, то яйцеклетка подвергается дегенерации.

Оплодотворение

Оплодотворение - ключевой процесс полового размножения, обусловленный слиянием сперматозоида и яйцеклетки. После оплодотворения в результате ряда стадий образуется эмбрион.

Сперматозоид (nc) обладает положительным химическим таксисом к яйцеклетке (nc). Оплодотворение - слияние сперматозоида с яйцеклеткой и образование зиготы (2n2c).

При внутреннем оплодотворении сперматозоид сливается с яйцеклеткой в женских половых путях, куда самец вводит семенную жидкость со сперматозоидами.

При внешнем оплодотворении сперматозоид сливается с яйцеклеткой вне половых путей самки, например, у двустворчатых моллюсков оплодотворение происходит в мантийной полости самки.

Внешнее оплодотворение характерно для рыб, земноводных, моллюсков. Внутреннее - для пресмыкающихся, птиц и млекопитающих.

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.

Читайте также: