Ппп. Биология 7. 10. Суточные ритмы митоза
 Скачать 29.59 Kb.
|
|
10. Суточные ритмы митоза Выражением регуляции митоза в связи с взаимодействием организма и среды служит суточный ритм деления клеток. В большинстве органов ночных животных максимум митоза отмечается утром, а минимум — в ночное время. У дневных животных и человека отмечается обратная динамика суточного ритма. Суточный ритм митоза — следствие цепной реакции, в которую вовлекаются ритмические изменения внешней среды (освещённость, температура, режим питания и др.), ритм функциональной активности клеток и изменения процессов обмена веществ. 11. Нарушение фаз митоза. Патологические изменения в клетках Идея о том, что опухолевый рост представляет собой биологическую проблему, возникла давно. В разное время эта идея наполнялась различным конкретным содержанием. В частности, высказывались предположения, что рак — это следствие дерепрессии клеточного генома в связи с потерей хромосомами гистонов, а онкогенез, как явление, можно рассматривать в качестве побочного эффекта «противостояния» клеток процессу старения. В настоящее время распространение получила точка зрения, также связывающая онкотрансформацию с изменениями клеточного генома. Предположительно, путь к опухолевому перерождению клетки представляет собой перестройку генома, а не единичную мутацию определенного гена. Действительно, известны опухоли, удовлетворяющие понятию «моногенная наследственная болезнь», например, ретинобластома (retina: средневеков. латин., rete — сеть, самая внутренняя оболочка глаза; греч., blastos — почка, росток, побег, завязь; греч., ŏma —опухоль). Это злокачественное новообразование сетчатки с аутосомно-доминантным типом наследования. К развитию ретиинобластомы приводят точковые мутации в гене RB1 (13q14.1). С другой стороны, названная опухоль развивается при транслокациях между хромосомами Х и 13, причем место разрыва приходится на участок хромосомы 13, не имеющий отношения к месту расположения названного выше гена, а находящийся от него за несколько миллионов пар нуклеотидов — 13q12–q13. При этом допускается, что в случае транслокаций речь тоже идет об инактивации гена RB1, но не вследствие его мутации, а в результате разобщения областей промотора и энхансера. Рассмотренный пример возвращает нас к идее, что онкотрансформация как самостоятельная траектория жизненного цикла соматической клетки связана с изменениями в геноме, причем затрагивающими конкретные системы генетической регуляции состояния клеток, в частности, связанные с их пролиферацией. Подсчитано, что к онкогенезу у человека из общего числа примерно в 20-25-30-35 тыс. имеют отношение 120–150 генов. Далеко не все они являются структурными (транскрибируемыми и транслируемыми, то есть кодирующими аминокислотные последовательности полипептидов) в понимании классической генетики. Многие из них выполняют регуляторные, сервисные и/или конценсусные функции. Факторами, провоцирующими превращение клеток в опухолевые, являются мутагены окружающей среды, такие, как промышленные и сельскохозяйственные яды, табачный дым. Согласно современным взглядам, онкогенез — многоступенчатый процесс. Единичной мутации в протоонкогене или гене-супрессоре онкотрансформации достаточно для инициации клеточного роста, который через ряд стадий, связанных с закономерными изменениями в геномах клеток растущей популяции, может приобрести черты злокачественного (рис. 3-9). Таким образом, в случае клеточной онкотрансформации речь идет о геномных изменениях, затрагивающих генетические системы регуляции существенных составляющих клеточного цикла, прежде всего, процессов пролиферации и апоптоза. Это дает основание рассматривать онкогенез, воспринимаемый как биологический в своей основе феномен, в связи с организацией жизненного цикла эукариотической клетки многоклеточного организма. Дополнительный аргумент заключается в том, что, согласно новейшим данным, опухолевые клетки постоянно циркулируют в кровотоке, причем, если их количество не превышает 0,5 млн, то ситуация оценивается как онкологически спокойная. При количестве клеток в диапазоне от 0,5 млн до 1 трлн. ситуация оценивается как настораживающая — предрак. На обеих названных стадиях какие-либо признаки наличия злокачественной опухоли в организме существующими диагностическими методами не выявляются. Опухоль диагностируется и становится предметом профессионального внимания врачей, если количество клеток превышает 1 трлн. Предположительно при достаточно низком числе соответствующих клеток в организме (не выше 1 трлн.) с ними справляется иммунная система 12. Амитоз-характеристика, механизмы, значение Наряду с непрямым делением или митозом существует прямое деление - амитоз. Встречается прямое деление у прокариот, а также в больных, поврежденных (злокачественные опухоли) и некоторых специализированных эукариотических клетках (у растений в эндосперме, у животных - в печени, хрящах, роговице глаза, скелетных мышцах, фиброцитах, эпителии мочевого пузыря и т.д.). Нередко амитоз инициируется повреждением тканей разными агентами. При амитозе происходит разделение ядра путем перетяжки или путем образования перегородки без сложной перестройки наследственного материала, и затем деление цитоплазмы. Часто амитоз может не сопровождаться плазматомией и приводит лишь к увеличению числа ядер в клетке. Такой амитоз приводит к образованию многоядерных клеток опухолей. Вопросы полноценности амитоза как способа деления ядер, состояния хромосомного аппарата при амитозе и возможности смены амитоза митозом до настоящего времени не решены. 13. Мейоз, характеристика, биологическое значение Основное событие стадии созревания — мейоз, способ образования половых клеток, который состоит из двух последовательных быстро происходящих друг за другом митотических делений — редукционного и эквационного. Мейоз (рис. 6-4) решает две важные задачи. Во-первых, образуются клетки (гаметы) с гаплоидным набором хромосом. Этот результат достигается благодаря тому, что два деления мейоза происходят при однократной репликации ДНК. До настоящего времени нет полной ясности, к какой из стадий гаметогенеза следует отнести эту репликацию: происходит ли она в завершающей фазе стадии роста или в самом начале стадии созревания, непосредственно перед профазой 1-го деления мейоза или даже во время профазы. С одной стороны, есть мнение, что ово(оо)цит I-го порядка, завершив цитоплазматические преобразования стадии роста, сразу же вступает в профазу первого деления стадии созревания. С другой стороны, ряд эмбриологов относят предмейотическую репликацию ДНК к началу профазы первого деления мейоза. Нельзя исключить, что репликация ДНК, начавшись на стадии роста, завершается в начале стадии созревания. Во-вторых, в профазе и анафазе первого деления мейоза заложены механизмы генотипической комбинативной изменчивости, что делает гаметы генотипически отличными от клеток-предшественниц половых клеток, а также в целом от соматических клеток обоих родителей. Мейоз (от греч. meiosis–уменьшение) – это особый вид деления клеток, в результате которого формируются половые клетки (гаметы), содержащие гаплоидное количество хромосом и наследственного материала. Он происходит в половых железах. Мейоз состоит из двух делений, следующих друг за другом. Первое мейотическое деление (I) – редукционное, когда происходит редукция (сокращение) количества хромосом в два раза. Второе мейотическое деление (II) – эквационное, оно аналогично митозу. Каждое деление, в свою очередь, состоит из ряда последовательных фаз: профаза, метафаза, анафаза, телофаза. Первому делению предшествует интерфаза, где происходит редупликация ДНК. Биологическое значение мейоза. 1) Происходит редукция числа хромосом и наследственного материала, что обусловливает формирование половых клеток с гаплоидным набором хромосом и ДНК (nc). При последующем оплодотворении, когда осуществляется слияние 2 гамет, организм нового поколения будет иметь диплоидное количество хромосом и диплоидное количество ДНК, что обеспечивает постоянство кариотипа в ряду поколений у организмов данного биологического вида. 2) При мейозе происходит перекомбинация генетического материала. Новые комбинации генов возникают в результате случайного расхождения хромосом (независимое распределение) и обмена генетическим материалом между гомологичными хромосомами (кроссинговер). 3) Мейоз - один из ключевых механизмов наследственности и наследственной изменчивости будущего потомства 14. Первое деление мейоза Вступая в первое деление (редукционное) стадии созревания, клетки имеют диплоидный набор хромосом, но увеличенное вдвое количество ДНК — 2n4с. Так же, как в обычном митозе, в профазе названного деления происходит компактизация (спирализация) материала хромосом. Вместе с тем, в отличие от обычного митоза в нем наблюдается попарное сближение (конъюгация) гомологичных хромосом, которые тесно контактируют друг с другом взаимосоответствующими (гомологичными) участками. Результат конъюгации — образование пар хромосом или бивалентов, число которых n. Поскольку каждая хромосома, вступающая в мейоз, состоит из двух хроматид, то бивалент представлен четырьмя биспиралями ДНК — n4с. В профазе I мейоза отмечается формирование веретена деления. К концу профазы степень спирализации хромосом в бивалентах возрастает и они укорачиваются. Профаза первого деления мейоза занимает в сравнении с профазой обычного митоза больше времени. В ней выделяют несколько стадий. Лептотена — хромосомы начинают процесс спирализации и становятся видимыми в микроскоп как тонкие и достаточно длинные нитчатые структуры. Зиготена — соответствует началу конъюгации гомологичных хромосом, объединяемых в биваленты особыми структурами — синаптонемальными комплексами (рис. 6-5). Если не все гомологичные хромосомы конъюгируют и остаются неспаренные хромосомы вне бивалентов, клетка гибнет апоптозом. Рис. 6-5 Образование бивалентов конъюгирующими гомологичными хромосомами в зиготене профазы I мейоза. 1 — центромера. Пахитена — на фоне продолжающейся спирализации хромосом и их укорочения гомологичные хромосомы осуществляют кроссинговер или перекрест, заключающийся в обмене взаимосоответствующими (гомологичными) участками. Кроссинговер обеспечивает перекомбинацию отцовских и материнских аллелей в группах сцепления (гомологичных хромосомах). Перекрест может происходить в различных местах хромосом, в связи с чем кроссинговер в каждом конкретном случае приводит к обмену разными участками генетического материала. Возможно образование нескольких перекрестов между двумя хроматидами (рис. 6-6) или обмен взаимосоответствующими фрагментами происходит между более чем двумя хроматидами бивалента (рис. 6-7). Все это повышает эффективность кроссинговера как механизма генотипической комбинативной изменчивости. Рис. 6-6. Многократный кроссинговер между гомологичными хромосомами (схема). А — Е, а — е: локусы хромосом. Рис. 6-7. Множественный обмен участками между четырьмя хроматидами в пахитене профазы I мейоза (схема). В кроссинговере могут участвовать все четыре хроматиды бивалента; латинскими буквами обозначены мутантные аллели, знаком «+» — аллели дикого типа (нормальные). Диплотена — гомологичные хромосомы начинают отдаляться друг от друга в первую очередь в области центромер, но сохраняют связь в местах произошедшего кроссинговера — хиазмы. Можно говорить о продольном расщеплении конъюгировавших гомологичных хромосом по всей их длине. В итоге каждая пара хромосом воспринимается как комплекс из четырех структур-хроматид (дочерних хромосом) — тетрада (рис. 6-8). Рис. 6-8. Диплотена в профазе I мейоза кузнечика. Диакинез — завершает профазу первого деления мейоза; гомологичные хромосомы остаются в составе бивалентов (тетрад), однако их связь ограничивается только отдельными точками хиазм (рис. 6-8). Сами биваленты приобретают форму колец, восьмерок, крестов. Рис. 6-9. Диакинез в профаз I мейоза человека. Стрелками показаны хиазмы. В период диакинеза прохождение клетками-предшественницами гамет редукционного деления приостанавливается (согласно более ранним представлениям, это происходит уже в диплотене), в связи с чем этот период называют стационарным. Деление возобновляется и завершается в случае овуляции яйцеклетки (см. здесь же ниже) и ее оплодотворения. Несмотря на характеристику периода диакинеза как стационарного, в нем активно происходят синтетические процессы. Эти процессы относятся к прогенезу (предзародышевому периоду онтогенеза), поскольку результаты этих процессов в виде синтезируемых молекул и образуемых структур необходимы, в основном, для ранних стадий развития зародыша. Во-первых, речь идет об амплификации ДНК, которая заключается в образовании многочисленных копий генов рибосомных РНК — малой (18S) и большой (28S) субъединиц. Копии, став самостоятельными, преобразуются морфологически в ядрышки числом до нескольких тысяч. В таких ядрышках образуются субъединицы рибосом, которые используются для организации биосинтеза белков клетками зародыша. По завершении своей функции эти ядрышки перемещаются в цитоплазму и там разрушаются. В диакинезе амплифицируются также гены 5S рибосомных РНК и тРНК. Эти РНК нарабатываются в необходимых (то есть больших) количествах «впрок» для белковых синтезов тоже в эмбриогенезе. Благодаря амплификации генов время «наработки» требуемого для ранних стадий эмбриогенеза количества, например, рибосом у африканской шпорцевой лягушки (Xenopus laevis) сокращается с 500 лет до 3 мес. Во-вторых, в период диакинеза профазы I мейоза хромосомы приобретают вид «ламповых щеток» (см. 2.4.3.4-а), чем обеспечивается образование «впрок» для нужд зародыша определенного набора и(м)РНК. Описанные процессы наиболее полно изучены на бесхвостых амфибиях (лягушка), для которых характерна относительно поздняя (стадия гаструлы) активизация собственного генома. У млекопитающих, например, полное биоинформационное обеспечение процессов эмбриогенеза за счет функционально-генетической активности (транскрипции) собственных генов отмечается, начиная со стадии 8 бластомеров. В метафазе первого деления мейоза завершается формирование веретена деления. Нити этого веретена, связанные с центромерами гомологичных хромосом, направлены к разным полюсам. Такое положение нитей обеспечивает закономерную ориентацию бивалентов в плоскости экватора веретена деления. В анафазе первого деления мейоза благодаря ослаблению связей между гомологичными хромосомами в бивалентах и закономерной ориентации бивалентов в метафазной пластинке гомологи каждого бивалента расходятся к разным полюсам клетки. При этом гомологичные хромосомы отцовского и материнского происхождения каждой пары расходятся независимо друг от друга. В результате на полюсах клеток по завершении анафазы I стадии созревания мейоза собираются «случайные» ассоциации гомологичных хромосом отцовского и материнского происхождения. Независимое расхождение к полюсам в анафазе редукционного деления хромосом отцовского и материнского происхождения разных бивалентов представляет собой, наряду с кроссинговером, еще один эффективный механизм генотипической комбинативной изменчивости. В этом случае происходит перекомбинация целых групп сцепления, причем с уже измененным в сравнении с хромосомами родителей вследствие прошедшего кроссинговера набором аллелей. Благодаря особенностям анафазы, в результате телофазы первого деления мейоза образуются гаплоидные клетки. Однако хромосомы в таких клетках представлены двумя хроматидами, то есть содержат две биспирали ДНК — n2с. Мейоз: 1) I деление: Профаза первого деления занимает 90% мейоза и включает несколько стадий: лептотена, зиготена, пахитена, диплотена, диакинез. Лептотена - характеризуется спирализацией хромосом, хромосомы имеют вид длинных и тонких нитей, собранных в ядре в виде рыхлого клубка. Зиготена - происходит конъюгация (попарное соединение) гомологичных хромосом между собой, образование синаптонимального комплекса. Он состоит из двух боковых элементов, образованных белковыми осевыми нитями гомологичных хромосом, и белков, соединяющих эти боковые элементы. Кнаружи от боковых элементов ДНК сестринских хроматид образуют многочисленные петли. Пары конъюгировавших гомологичных хромосом называются бивалентами. Пахитена - гомологичные хромосомы, соединенные в биваленты укорачиваются и утолщаются. Каждый бивалент состоит из четырех хроматид, образуя тетрады. В области синаптонимального комплекса формируются рекомбинационные узелки. В их области находятся ферменты рекомбинации, обеспечивающие кроссинговер - обмен одинаковыми участками между гомологичными хромосомами. Диплотена - начинается разделение конъюгированных хромосом (разрушение синаптонимального комплекса). Процесс расхождения начинается с отталкивания центромерных участков гомологичных хромосом. При этом хромосомы все еще соединены между собой в нескольких точках (области рекомбинационных узелков). Эти точки называются хиазмами (от греч. chiasma - перекрест). Диакинез - гомологичные хромосомы расходятся, но остаются связаны в области узелков. Хиазмы удерживают друг около друга гомологичные хромосомы до анафазы 1 мейоза. Хромосомы сильно утолщаются и укорачиваются, растворяется ядерная оболочка, исчезает ядрышко, образуется веретено деления. Особенностью мейоза в овогенезе является наличие специальной стадии - диктиотены (между диплотеной и диакинезом, длится от 12 до 50 лет), отсутствующей в сперматогенезе. Хромосомы образуют боковые петли или “ламповые щетки”, прекращают какие-либо структурные изменения на многие годы. Метафаза I. Биваленты выстраиваются в экваториальной плоскости, образуя метафазную пластинку. Анафаза I. Хиазмы разрушаются и гомологичные хромосомы из бивалента расходятся к полюсам. Телофаза I. Образуются 2 клетки. Затем следует короткая Интерфаза II. Эта стадия наблюдается только в животных клетках. Отсутствует синтетический период (S), то есть репликации ДНК не происходит. Процессы, происходящие во втором делении мейоза, по своему механизму сходны с процессами, происходящими в митозе. 15. Второе деление мейоза Второе (эквационное) деление стадии созревания мейоза проходит без репликации ДНК и дает клетки с гаплоидным набором хромосом (к полюсам расходятся отдельные хроматиды), каждая из которых содержит одну биспираль ДНК — nc. Особенность стадии созревания ово(оо)генеза в сравнении с одноименной стадией сперматогенеза заключается в ассиметричном характере обоих мейотических делений. В результате в ово(оо)генезе из одного ово(оо)цита I-го порядка образуется одна функционально полноценная яйцеклетка и три так называемых редукционных или полярных тельца (одно — вследствие асимметричного деления яйцеклетки и два — вследствие симметричного деления редукционного тельца, возникшего при первом делении стадии созревания). Это мелкие клетки, которые гибнут (но см. 4.3.7.1). По завершении первого деления мейоза и отделения первого полярного тельца клетка, которая даст зрелую яйцеклетку, приобретает название ово(оо)цит II-го порядка. Асимметричность делений способствует сохранению в одной женской гамете всего запаса питательных и иных, необходимых для развития нового организма, веществ. По завершении стадии созревания сперматогенеза образуются четыре клетки, каждая из которых даст полноценный сперматозоид — nc. Стадия созревания сперматогенеза завершается образованием клеток, называемых сперматидами. Сперматиды, чтобы стать функционально зрелыми сперматозоидами, проходят стадию формирования. На этой стадии хроматин уплотняется, изменяются форма и размеры ядра, формируется аппарат активного движения клетки — жгутик, образуется акросома (у представителей некоторых видов), перестраивается митохондриальный аппарат клетки, она теряет некоторую часть цитоплазмы. Гаметогенез — высокопродуктивный процесс. За период половой жизни мужчина производит порядка 500 млрд сперматозоидов. На 5-ом месяце внутриутробного развития в половой железе женского организма насчитывается 6–7 млн клеток-предшественниц яйцеклеток. К началу репродуктивного периода (постнатальный онтогенез) в яичниках присутствует примерно 100 000 ово(оо)цитов I-го порядка. От момента полового созревания женского организма до прекращения гаметогенеза (менопауза) в яичниках созревает 400–500 клеток-предшественниц яйцеклеток, готовых к оплодотворению. На протяжении репродуктивного периода постнатального онтогенеза в яичниках женщины под влиянием лютеинизирующего гормона гипофиза ежемесячно, как правило, одна женская гамета покидает яичник (овуляция — разрыв зрелого граафового пузырька; яйцеклетка сначала попадает в свободную брюшную полость, а затем в маточную трубу, где может произойти оплодотворение) и, будучи оплодотворенной, возобновляет мейоз. Виды, размножающиеся половым путем, характеризуются типичной структурой жизненного цикла, в котором происходит чередование гаплоидной и диплоидной фаз (см. 4.3.7.1 и рис. 4-47). 16. Генетические аспекты мейоза а) I деление: - пресинтетический (G1) период интерфазы – 2n2c; - синтетический (S) период интерфазы – 2n4c (после удвоения); - постсинтетический (G2) период интерфазы – 2n4c; - профаза – n4c; - метафаза – n4c; - анафаза – 2n4c (по n2c у каждого полюса клетки); - телофаза – n2c. б) II деление: - профаза – n2c; - метафаза – n2c; - анафаза – 2n2c; - телофаза – nc. 17. Отличительные особенности мейоза от митоза Митоз Мейоз Сходство 1. Имеют одинаковые фазы деления. 2. Перед митозом и мейозом в синтетическом периоде интерфазы происходит редупликация (удвоение) ДНК, образование двухро- матидных хромосом (число хромосом 2n, молекул ДНК 4с) Различия 1. Одно деление Два сменяющих дуг друга деления 2. Кроссинговер не происходит Гомологичные хромосомы конъю-гируют с образованием бивалентов, между гомологичными хромосомами происходит кроссинговер 3. В анафазу к полюсам рас-ходятся сестринские хрома- тиды В анафазе I мейотического деления к полюсам расходятся гомологичные хромосомы 4. В период интерфазы перед каждым делением происходит удвоение молекулы ДНК Между I-м и II-м делением в период интерфазы не происходит удвоение молекулы ДНК 5. Образуется 2 дочерние клетки с диплоидным набором хромосом и ДНК (2n2c) Образуется 4 клетки с гаплоидным набором хромосом и ДНК (nc |