Что парализует хромосомы в профазе
Что парализует хромосомы в профазе
Спирали ДНК в ядре «упакованы» в хромосомы. Человеческая клетка содержит 46 хромосом, объединенных в 23 пары. Большинство генов, составляющих пару в гомологичных хромосомах, почти или полностью идентичны, и часто приходится слышать, что все гены в геноме человека имеют свою пару, хотя это не совсем правильно.
Наряду с ДНК в состав хромосом входит много белка, большая часть которого представлена мелкими положительно заряженными молекулами гистонов. Они образуют множество небольших, похожих на катушки структур, которые, располагаясь одна за другой, обвиваются короткими сегментами ДНК.
Эти структуры играют важную роль в регуляции активности ДНК, поскольку обеспечивают ее плотную «упаковку» и делают таким образом невозможным ее использование в качестве матрицы для синтеза новой ДНК. Существуют также регуляторные белки, которые, напротив, деконденсируют небольшие участки гистоновой упаковки ДНК, создавая таким образом возможность синтеза РНК.
Среди основных компонентов хромосом есть и негистоновые белки, которые, с одной стороны, являются структурными белками хромосом, а с другой — активаторами, ингибиторами или ферментами в составе регуляторных генетических систем.
Репликация хромосом в полном объеме начинается через несколько минут после завершения репликации ДНК. В течение этого времени вновь синтезированные цепи ДНК объединяются с белками. Две вновь образованные хромосомы до самого конца митоза остаются прикрепленными друг к другу в участке, близком к их центру и называемом центромерой. Такие разделившиеся, но не разошедшиеся хромосомы называют хроматидами.
Процесс деления материнской клетки на две дочерние называют митозом. Вслед за репликацией хромосом с образованием двух хроматид в течение 1-2 ч автоматически начинается митоз.
Одно из самых первых изменений в цитоплазме, связанных с митозом, происходит на поздних стадиях интерфазы и затрагивает центриоли.Центриоли так же, как ДНК и хромосомы, удваиваются во время интерфазы; обычно это происходит незадолго до репликации ДНК. Центриоль длиной около 0,4 мкм и диаметром около 0,15 мкм состоит из девяти параллельных триплетов— трубочек, собранных в виде цилиндра. Центриоли каждой пары лежат под прямым углом друг к другу. Пару центриолеи вместе с прилегающим к ней веществом называют центросомой.
Фазы митоза клетки
Незадолго до начала митоза обе пары центриолей начинают перемещаться в цитоплазме, отдаляясь друг от друга. Это движение обусловлено полимеризацией белка микротрубочек, которые начинают расти от одной пары центриолеи к другой и за счет этого расталкивать их к противоположным полюсам клетки. В то же время от каждой пары центриолеи начинают расти другие микротрубочки, которые увеличиваются в длину и отходят от них радиально в виде лучей, образуя на каждом полюсе клетки так называемую астросферу. Отдельные ее лучи проникают через ядерную оболочку, способствуя таким образом разделению каждой пары хроматид во время митоза. Группу микротрубочек между двумя парами центриолеи называют веретеном деления, а весь набор микротрубочек вместе с центриолями — митотическим аппаратом.
Профаза. По мере образования веретена в ядре начинается конденсация хромосом (в интерфазе они состоят из двух слабосвязанных цепей), которые благодаря этому становятся хорошо различимы.
Метафаза. Во время метафазы астросферы отдаляются друг от друга еще больше. Считается, что их движение обусловлено отходящими от них микротрубочками. Эти микротрубочки сплетаются вместе и образуют веретено, которое и отталкивает центриоли друг от друга. Полагают также, что между микротрубочками веретена располагаются молекулы мелких сократительных белков, или «моторные молекулы» (возможно, они аналогичны актину), которые обеспечивают взаимное скольжение микротрубочек в противоположных направлениях, как это происходит при мышечном сокращении. Микротрубочки, прикрепившиеся к центромерам, подтягивают хроматиды к центру клетки и выстраивают их в виде метафазной пластинки по экватору веретена.
Анафаза. Во время этой фазы две хроматиды каждой пары отрываются друг от друга в области центромеры. Все 46 пар хроматид разделяются и образуют два самостоятельных набора из 46 дочерних хромосом. Каждый набор хромосом движется к противоположным астросферам, а полюсы делящейся клетки в это время расходятся все дальше.
Что парализует хромосомы в профазе
Мейоз — уникальный для половых клеток процесс, в котором диплоидные клетки порождают гаплоидные гаметы. Мейоз состоит из одного цикла синтеза ДНК и двух циклов расхождения хромосом и деления клетки. Способные к мейозу половые клетки — первичные сперматоциты или первичные овоциты — до наступления мейоза проходят через длинную серию митозов, начиная от зиготы.
Мужские и женские гаметы имеют разные истории; и хотя последовательность событий одинаковая, синхронизация весьма различна. Два последовательных мейотических деления называются мейозом I и мейозом II. Мейоз I так же известен как редукционное деление, поскольку число хромосом уменьшается наполовину вследствие спаривания гомологов в профазе и их расхождения в разные клетки в анафазе. Х- и Y-хромосомы не являются гомологами в строгом смысле, однако имеют гомологичные сегменты на концах коротких и длинных плеч, которыми они конъюгируют в ходе мейоза I.
Мейоз I также примечателен тем, что в нем происходит генетическая рекомбинация, называемая мейотическим кроссинговером.
В ходе этого процесса обмениваются гомологичные сегменты ДНК между разными, несестринскими хроматидами пары гомологичных хромосом. Это приводит к тому, что ни одна из гамет, полученных в результате мейоза, не идентична другой. Рекомбинация — фундаментальное понятие для процесса распределения генов, ответственных за наследственные болезни.
Поскольку рекомбинация предполагает физическое взаимодействие двух гомологичных хромосом в соответствующей точке в течение мейоза I, она также определяет правильность расхождения хромосом в мейозе. Нарушения в процессе рекомбинации могут вызвать нерасхождение хромосом в ходе мейоза I, самую частую причину хромосомных аномалий типа синдрома Дауна.
Мейоз II следует за мейозом I без промежуточного удвоения ДНК. Как и при обычном митозе, хроматиды расходятся и одна хроматида каждой хромосомы переходит в дочернюю клетку.
Первое мейотическое деление (мейоз I)
Профаза I мейоза. Профаза мейоза I — сложный процесс, который серьезно отличается от митотической профазы, с важными генетическими последствиями. Выделяют несколько этапов профазы. На всех этапах хромосомы непрерывно конденсируются и становятся короче и толще.
• Лептотена. Хромосомы, уже скопированные в ходе предыдущей S фазы, становятся видимыми как нити, начинается конденсация хроматина. Две однотипных хроматиды каждой хромосомы так тесно сближаются, что их невозможно выделить.
• Зиготена. Гомологичные хромосомы начинают выстраиваться и соединяться вдоль оси. Процесс спаривания, или синапсис, обычно очень точный, так что последовательности ДНК соответствуют друг другу на протяжении всей хромосомы. Хотя молекулярная основа синапсиса не до конца понятна, электронная микроскопия показывает, что хромосомы удерживаются вместе синаптонемальным комплексом — лентообразной белоксодержащей структурой. Синаптонемальный комплекс необходим для процесса рекомбинации.
• Пахитена. Хромосомы становятся более толстыми. Синапсис завершен, и каждая пара гомологов видна как бивалент (иногда называемый тетрадой, поскольку он содержит четыре хроматиды). Пахитена — этап, в котором происходит мейотический кроссинговер.
• Диплотена. После рекомбинации синаптонемальный комплекс начинает разрушаться, и два компонента каждого бивалента начинают отделиться друг от друга. В конце концов два гомолога каждого бивалента касаются друг друга только в точках, называемых хиазмами (пересечениями). Полагают, что они обозначают точки обмена. Среднее число хиазм, наблюдаемых в сперматоцитах, — около 50, т.е. несколько на каждый бивалент.
Этот процесс называют расхождением. Таким образом, число хромосом уменьшается вдвое, и каждая клетка, полученная в результате первого деления мейоза, получает гаплоидное число хромосом. Разные биваленты расходятся независимо друг от друга и в результате исходные отцовский и материнский хромосомные комплекты сортируются в произвольных комбинациях. Возможное количество комбинаций 23 хромосом, которое может образоваться в гаметах, — 223 (более 8 млн). Фактически же вариабельность генетического материала, передающегося от родителей ребенку, значительно больше, что обеспечивается кроссинговером.
В результате этого процесса каждая хроматида обычно содержит сегменты, производные от каждой родительской хромосомной пары; на этом этапе, например, типичная хромосома 1 формируется из трех-пяти сегментов, поочередно отцовского и материнского происхождения. В процессе деления клетки может происходить много ошибок. Некоторые заканчиваются остановкой мейоза и гибелью клетки, другие ведут к неправильному расхождению хромосом в анафазе. Например, оба гомолога хромосомной пары могут переместиться к одному и тому же, а не противоположным полюсам в анафазе мейоза I. Этот патологический процесс называется нерасхождением. Телофаза I мейоза. В телофазе гаплоидные комплекты хромосом группируются в противоположных полюсах клетки.
Цитокинез. После телофазы I клетка делится на две гаплоидные дочерние клетки и входит в мейотическую интерфазу. При сперматогенезе цитоплазма более или менее одинаково делится между двумя дочерними клетками; но при овогенезе одна (вторичный овоцит) получает почти всю цитоплазму, а вторая клетка становится первым полярным тельцем. В отличие от митоза, интерфаза очень короткая, и сразу начинается второе мейотическое деление. Следует обратить внимание на существенное различие между мейотической и митотической интерфазами — отсутствие S-фазы (т.е. синтеза ДНК) между первым и вторым мейотическими делениями.
Второе мейотическое деление (мейоз II)
Второе мейотическое деление подобно обычному митозу, за исключением того, что набор хромосом, получаемый в результате мейоза II, — гаплоидный. Конечный результат мейоза — две дочерних клетки мейоза I — делятся, формируя четыре гаплоидных клетки, каждая из которых содержит 23 хромосомы. Как уже упоминалось, из-за кроссинговера в мейозе I хромосомы результирующих гамет неидентичны.
Подобно тому, как каждая родительская хромосома в паре произвольно и независимо переходит к дочерним клеткам в мейозе I, в ходе мейоза также произвольно распределяются отцовские и материнские аллели каждого гена. Тем не менее от того, в первом или втором делении мейоза произошло разделение аллелей, зависит, участвовали ли они в процессе кроссинговера в ходе первого мейотического деления.
Генетические последствия мейоза:
• Уменьшение числа хромосом от диплоидного до гаплоидного, необходимое для образования гамет.
• Сегрегация аллелей в первом и втором делении мейоза в соответствии с первым законом Менделя.
• Случайное перераспределение генетического материала в гомологичных хромосомах в соответствии со вторым законом Менделя.
• Дополнительное перераспределение генетического материала с помощью кроссинговера, значительно увеличивающее число генетических вариантов, а также играющее важную роль в процессе нормального расхождения хромосом.
Учебное видео: мейоз и его фазы
Редактор: Искандер Милевски. Дата обновления публикации: 18.3.2021
Что парализует хромосомы в профазе
Метафаза. Характерным событием для метафазы является перемещение хромосом в экваториальную плоскость веретена. Здесь они располагаются строго закономерно, образуя метафазную пластинку (при взгляде на веретено деления сбоку). Если рассматривать группу метафазных хромосом со стороны полюсов веретена, то отчетливо выступает фигура, напоминающая звезду (так называемая материнская звезда). В этот период можно определить число, форму и размеры хромосом (d-хромосом, двойных хромосом), составляющих метафазную пластинку.
К концу метафазы продольные половинки хромосом (сестринские хроматиды) обособляются на всем протяжении, кроме зоны первичной перетяжки.
Для каждого вида животных характерно строго постоянное число хромосом в соматических клетках. Для человека оно равно 46. По длине хромосом различают чередование окрашенных и неокрашенных участков. При этом каждая хромосома отличается неповторимым рисунком дифференциальной окраски. Хромосомы человека подразделяются на 7 групп по их размерам и особенностям строения (А, В, С, D, Е, F, G) и каждая хромосома имеет свой номер. Совокупность признаков строения хромосом, их размеров и числа составляет то, что называют кариотипом.
Анафаза включает процесс расхождения хромосом к полюсам делящейся клетки. Механизм движения хромосом объясняется гипотезой скользящих нитей, согласно которой состоящие из микротрубочек нити веретена, взаимодействуя друг с другом и с сократительными белками, тянут хромосомы к полюсам. Скорость движения хромосом достигает 0,2-0,5 мкм/мин, а вся анафаза продолжается 2-3 мин. Анафаза заканчивается перемещением двух идентичных наборов хромосом (s-хромосом, или одиночных хромосом) к полюсам, где они сближаются, образуя фигуры, напоминающие по внешнему виду (если смотреть со стороны полюса) звезды. Эти фигуры называют дочерними звездами.
Часть клеток может выходить из цикла репродукции и вступить на путь дифференцировки. Некоторые клетки могут выходить из клеточного цикла в G1-периоде или после S-периода и находиться в покое (Go-период). Такие покоящиеся клетки сохраняют способность к делению и могут снова входить в цикл размножения.
Что парализует хромосомы в профазе
• 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.
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.
Видео процесс и фазы митоза
Редактор: Искандер Милевски. Дата обновления публикации: 18.3.2021
На пути к разгадке тайны мейоза
Появление мейоза – особого варианта клеточного деления, в результате которого число хромосом сокращается вдвое – было одним из важнейших эволюционных «достижений» первых эукариот. Механизм мейоза сложился из комбинации готовых «блоков»: механизмов митоза, рекомбинации и репарации ДНК. Ключевым событием стало формирование синаптонемного комплекса – особой белковой структуры, обеспечивающей попарное соединение и точное «выравнивание» хромосом.
Появление эукариотической клетки было важнейшим эволюционным преобразованием (ароморфозом) в истории земной жизни (см. обзор «Происхождение эукариот» ). Одним из главных «достижений» древних эукариотических организмов стало возникновение настоящего полового процесса, то есть слияния двух гаплоидных (содержащих одинарный набор хромосом) клеток – гамет в диплоидную (содержащую двойной набор хромосом) клетку – зиготу.
Чтобы жизненный цикл эукариот, обладающих половым процессом, мог продолжаться, должен был развиться механизм, посредством которого из диплоидных клеток снова могли образовываться гаплоидные. Таким механизмом стал мейоз – особый вид клеточного деления, при котором число хромосом в дочерних клетках уменьшается вдвое по сравнению с родительской клеткой.
В статье Ю.Ф.Богданова, крупнейшего специалиста по эволюции мейоза, рассматриваются современные представления о происхождении механизмов мейотического деления у эукариот.
Общепризнано, что мейоз произошел из митоза – «обычного» клеточного деления эукариот, в результате которого число хромосом остается прежним. Происхождение митоза само по себе было замечательным ароморфозом. Мейоз, по сути дела, является модифицированной версией митоза.
В ходе митоза (а также в ходе второго деления мейоза) хромосомы вступают в метафазу поодиночке, и нити веретена деления присоединяются к каждой хромосоме с двух сторон.
Именно благодаря указанным особенностям первого деления мейоза и обеспечивается уменьшение числа хромосом: к полюсам клетки расходятся не сестринские хроматиды, а гомологичные хромосомы, по одной из каждой пары (см. схему).
Эти ключевые особенности первого деления мейоза развились на основе одного и того же ароморфоза – возникновения так называемого синаптонемного комплекса (СК).
Механизм мейоза был «собран» из готовых блоков (как это часто бывает в эволюции) – разумеется, с некоторыми модификациями и новшествами.
Одним из этих исходных блоков стал уже имевшийся к тому времени у эукариот механизм митоза, другим – механизм репарации (починки повреждений) ДНК, основанный на гомологичной рекомбинации (см.: Глазер В.М. Гомологичная генетическая рекомбинация ). Суть процесса в том, что поврежденный участок одной молекулы ДНК заменяется его неповрежденной копией, взятой из другой (гомологичной) молекулы ДНК.
Чтобы «развести» гомологичные хромосомы к разным полюсам клетки, в ходе мейоза используется веретено деления, «унаследованное» от митоза. Но чтобы распределение хромосом по дочерним клеткам прошло без ошибок, гомологичные хромосомы необходимо сначала сгруппировать попарно. Для этого используется механизм гомологичной рекомбинации, точнее, одна из деталей этого механизма – образование так называемого соединения Холлидея.
Починка разрывов ДНК – одна из основ мейоза
Механизмы репарации и рекомбинации ДНК – очень древние, они должны были возникнуть еще на заре жизни.
Становление мейоза в ходе эволюции, так же как и сам мейоз в жизненном цикле современных организмов, начинается с репарации повреждений (разрывов) ДНК. Разрывы эти в начале мейоза возникают не сами собой – их создает специальный фермент, эндонуклеаза SPO11. Этот фермент является модификацией другого белка – ДНК-топоизомеразы VI, унаследованной эукариотами от своих прокариотических предков – архей.
Клетка начинает «чинить» разорванные молекулы ДНК при помощи древнего механизма гомологичной рекомбинации. А для этого нужно объединить попарно гомологичные молекулы ДНК (чтобы использовать неповрежденные участки одной молекулы в качестве «матрицы» для исправления повреждений в другой молекуле). На этом и основано попарное объединение хромосом в профазе I мейоза.
Белковые оси хромосом
Эукариотический геном значительно больше прокариотического и содержит больше «избыточной» ДНК (различных некодирующих последовательностей, мобильных генетических элементов и др.) Большие размеры генома стимулировали «распадение» его на отдельные хромосомы (линейные, в отличие от единственной кольцевой хромосомы прокариот). Как следствие, «оказалась полезной новация в структуре хромосом – белковые оси, к которым стали крепиться петли гигантской молекулы ДНК – эукариотической хромосомы».
В клетках эукариот, делящихся путем митоза, сестринские хроматиды (образовавшиеся в результате репликации исходной молекулы ДНК) соединены посредством белков-когезинов. Чтобы хроматиды могли разойтись к полюсам клетки (в анафазе митоза), когезины должны гидролизоваться и исчезнуть из межхроматидного пространства.
Один из когезинов (Rec8) «оказался подходящим субстратом для наслоения на него других мейоз-специфичных белков», из которых в начале мейоза строятся более сложные белковые оси, или «линейные элементы», к которым ДНК крепится петлями, приобретая вид «ершика». Каждая петля содержит несколько тысяч пар нуклеотидов и крепится к линейному элементу только в одном месте, «кнопочно». Такая организация хромосомы позволяет хромосомным локусам легче находить гомологичные им локусы в хромосоме-партнере. Так обстоит дело у некоторых низших эукариот, у которых нет «классического» мейоза, характерного для более высокоорганизованных форм.
Синаптонемные комплексы. Ароморфоз.
У эукариот с классическим мейозом «бывшие линейные элементы хромосом соединяются попарно с помощью белковой «застежки-молнии» в двухосевую структуру, именуемую синаптонемным комплексом (СК)». Это обеспечивает тесное соединение гомологичных хромосом. Ю.Ф.Богданов считает появление СК важным ароморфозом. СК существует ограниченное время в течение профазы I мейоза и затем распадается. СК обнаружен у многих сотен видов – от одноклеточных водорослей, грибов и протистов до многоклеточных. Предполагается несколько возможных функций СК:
1) Организация профазной мейотической хромосомы. Благодаря СК возникает билатеральная организация пары соединившихся гомологичных хромосом. Петли хроматина располагаются по обе стороны от СК. Это позволяет точно сопоставить петли хроматина в трехмерном пространстве клеточного ядра. «По-видимому, это простейший, если не единственный, способ внести порядок и точность в процесс взаимного узнавания локусов гомологичных хромосом и обеспечить достаточную точность (гомологию) рекомбинации в мейозе.»
2) СК не только соединяет гомологичные хромосомы, но и не дает им «склеиться», удерживая их на расстоянии 70-120 нм друг от друга. В конце профазы I (стадия диплотены) СК распадается во всех локусах, кроме локусов хиазм (перекрещивания хроматид). Гомологичные хромосомы, взаимно оттолкнувшиеся во всех локусах, кроме локусов хиазм, выстраиваются на экваторе веретена деления в метафазе I. Они готовы разойтись к полюсам, как только освободятся от хиазм.
3) СК необходим для формирования хиазм. СК также не позволяет хиазмам располагаться слишком близко друг от друга. Иными словами, благодаря СК хроматиды могут «рваться» и обмениваться участками лишь в ограниченном количестве мест. Ю.Ф.Богданов оценивает это как положительное явление, поскольку «чрезмерная частота кроссинговера – не столько «благо» комбинаторики, сколько угроза стабильности адаптационно выгодных фенотипов».
Происхождение белков СК
У разных групп эукариот СК строится по единому «плану», но при этом используются совершенно разные (структурно негомологичные) белки. Это похоже на постройку домов по сходному плану (стены, крыша, окна), но из совершенно разных материалов. Материал не важен – «важно, чтобы СК выравнивал параллельно лежащие гомологичные хромосомы, сохранял между ними пространство, в котором происходит рекомбинация ДНК, и сохранял бы эти условия столь долго, сколько необходимо для завершения рекомбинации и формирования хиазм».
Сравнительный анализ структуры белков СК показал, что они возникли независимо у предков современных эукариот, давших начало разным крупным таксонам (растений, грибов, животных).
Ю.Ф.Богданов приводит убедительные доводы и экспериментальные факты, свидетельствующие о том, что структуры СК формируются путем самосборки из белковых молекул, подобно многим другим сложным молекулярным комплексам. Автор отмечает, что «самоорганизующиеся структуры могут состоять из разных белковых субъединиц и нуклеиновых кислот, как это наблюдается в отношении вирусов и рибосом». Важно, что белки, сходные по размерам и трехмерной организации, могут служить компонентами одинаковых структур у далеких друг от друга организмов даже в тех случаях, когда первичная структура (аминокислотная последовательность) этих белков сильно различается.
Почему в первом делении мейоза сестринские хроматиды не расходятся?
Итак, причина нерасхождения хроматид в мейозе I – сохранение соединяющей их когезиновой оси. В результате после первого деления мейоза «программа» клеточного деления остается как бы «не выполненной». Эта программа – в основе которой лежит древняя программа митоза – после завершения мейоза I, не останавливаясь, продолжает работать (хроматиды не разошлись, когезиновые оси не гидролизовались – значит, нужно делиться дальше). И поэтому клетки сразу же, без интерфазы и без синтеза ДНК, вступают в новое деление (мейоз II), идущее уже в точности по схеме классического митоза.
В заключительнй части статьи Ю.Ф.Богданов рассматривает ряд интересных случаев отхода некоторых организмов от схемы «классического» мейоза. Например, у самцов дрозофил (в отличие от самок) СК не образуется, и мейоз идет по примитивной схеме, характерной для некоторых архаичных эукариот (дрожжи S. pombe ). Таким образом «генетическая программа» примитивного мейоза у высших организмов не исчезает (вероятно, она просто входит в состав более сложной программы «классического» мейоза) и может вновь оказаться востребованной.
Ю. Ф. Богданов. Белковые механизмы мейоза (популярная статья в журнале «Природа»).
С фактами и теориями, касающимися происхождения мейоза, можно ознакомиться в статьях Ю.Ф.Богданова и его коллег: