Типы митозов МИТО З (от

Типы митозов

МИТО З (от греч. mitos — нить), или кариокинез, или непрямое деление — способ деления ядер клеток, обеспечивающий тождественное распределение генетического материала между дочерними клетками и преемственность хромосом в ряду клеточных поколений. Часто митозом называют процесс деления не только ядра, но и всей клетки, т. е. включают в него цитотомию.

Деление всех эукариотических клеток связано с образованием специального аппарата клеточного деления. При удвоении клеток происходят два события: расхождение реплицированных хромосом и разделение клеточного тела, цитотомия. Первая часть события у эукариот осуществляется с помощью так называемого веретена деления, состоящего из микротрубочек, а вторая часть происходит за счет участия акто-миозиновых комплексов, вызывающих образование перетяжки у клеток животного происхождения или за счет участия микротрубочек и актиновых филаментов в образовании фрагмопласта, первичной клеточной перегородки у клеток растений.

У разных групп живых организмов встречаются два типа митотического веретена: астральный и анастральный. Астральный тип веретена имеет в своих полюсах небольшие зоны схождения микротрубочек — центросомы, содержащие по паре центриолей. Для такого типа веретена характерно также наличие астральных микротрубочек (радиально отходят от полюсов, образуя вокруг них «лучистое сияние» ). Обычно подобным образом митотическое веретено устроено в клетках животных. Анастральный тип построения митотического веретена, характерный для высших растений, не имеет на полюсах звездчатых зон из астральных микротрубочек. Полярные области веретена здесь широкие, их называют полярными шапочками и они не содержат центриолей. Микротрубочки отходят здесь не от одной точки, а расходятся широким фронтом.

В образовании веретена деления у всех эукариотических клеток принимают участие два рода структур: полярные тельца (полюса) веретена и кинетохоры хромосом. Полярные тельца, или центросомы, являются центрами организации (или нуклеации) микротрубочек. От них своими «+» -концами отрастают микротрубочки, образующие пучки, тянущиеся к хромосомам. Как правило, при организации аппарата деления участвуют две центросомы, находящиеся на противоположных концах сложного, веретенообразного тела, состоящего из микротрубочек.

Второй структурой, характерной для митотического деления клеток, связывающей микротрубочки веретена с хромосомой, являются кинетохоры - специальные белковые структуры, располагающиеся в зонах центромер хромосом. Именно кинетохоры, взаимодействуя с микротрубочками, ответственны за перемещение хромосом при клеточном делении. Все эти компоненты, а именно, полярные тельца (центросомы), микротрубочки веретена и кинетохоры хромосом встречаются у всех эукариотических клеток, начиная с дрожжей и кончая млекопитающими, и обеспечивают сложный процесс расхождения реплицированных хромосом.

При делении бактериальных клеток осуществляются процессы, во многом сходные с делением эукариот: расхождение хромосом (нуклеоидов) за счет взаимодействия моторных и фибриллярных белков, образование перетяжки за счет фибриллярных белков, создающих сократимое кольцо. У бактерий в отличие от эукариот в этих процессах принимают участие совсем иные белки (процесс расхождения нуклеоидов - Muk В и Caf А, образование перетяжки - белки семейства Fts (фибриллярные термочувствительные)), но принципы организации отдельных этапов клеточного деления очень сходны.

Фазы митоза Профаза – первая фаза митоза. Хромосомы спирализуются и становятся видны в световой микроскоп в виде тонких нитей. Центриоли (если они имеются) расходятся к полюсам клетки. В конце профазы ядрышки исчезают, ядерная оболочка разрушается, и хромосомы выходят в цитоплазму.

Метафаза. Начало этой фазы называется прометафаза. В прометафазе хромосомы располагаются в цитоплазме довольно беспорядочно. Формируется митотический аппарат, в состав которого входит веретено деления и центриоли иные центры организации микротрубочек. Веретено деления (ахроматиновое веретено) – это система тубулиновых микротрубочек в делящейся клетке, обеспечивающая расхождение хромосом. В состав веретена деления входят два типа нитей: полюсные (опорные) и хромосомальные (тянущие). После формирования митотического аппарата хромосомы начинают перемещаться в экваториальную плоскость клетки; это движение хромосом называется метакинез.

В метафазе хромосомы максимально спирализованы. Центромеры хромосом располагаются в экваториальной плоскости клетки независимо друг от друга. Полюсные нити веретена деления тянутся от полюсов клетки к хромосомам, а хромосомальные – от центромер (кинетохоров) – к полюсам. Совокупность хромосом в экваториальной плоскости клетки образует метафазную пластинку.

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. При расхождении хромосомальные микротрубочки укорачиваются, а полюсные – удлиняются. При этом полюсные и хромосомальные нити скользят вдоль друга.

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 2 c.

Цитокинез. 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 интерфаза.

Интерфаза – это период между двумя клеточными делениями. В интерфазе ядро компактное, не имеет выраженной структуры, хорошо видны ядрышки. Совокупность интерфазных хромосом представляет собой хроматин. В состав хроматина входят: ДНК, белки и РНК в соотношении 1 : 1, 3 : 0, 2, а также неорганические ионы. Структура хроматина изменчива и зависит от состояния клетки. Хромосомы в интерфазе не видны, поэтому их изучение ведется электронно-микроскопическими и биохимическими методами. Интерфаза включает три стадии: пресинтетическую (G 1 – «джи-один» ), синтетическую (S – «эс» ) и постсинтетическую (G 2 – «джи-два» ). Символ G представляет собой сокращение от англ. gap – интервал; символ S – сокращение от англ. synthesis – синтез.

Пресинтетическая стадия (G 1). В основе каждой хромосомы лежит одна двуспиральная молекула ДНК. Количество ДНК в клетке на пресинтетической стадии обозначается символом 2 с (от англ. content – содержание). Клетка активно растет и нормально функционирует. Синтетическая стадия (S). Происходит самоудвоение, или репликация ДНК. При этом одни участки хромосом удваиваются раньше, а другие – позже, то есть репликация ДНК протекает асинхронно. Параллельно происходит удвоение центриолей (если они имеются). Постсинтетическая стадия (G 2). Завершается репликация ДНК. В состав каждой хромосомы входит две двойных молекулы ДНК, которые являются точной копией исходной молекулы ДНК. Количество ДНК в клетке на постсинтетической стадии обозначается символом 4 с. Синтезируются вещества, необходимые для деления клетки. В конце интерфазы процессы синтеза прекращаются. После клетка делится.

Выработка единой типологии и классификации митозов осложняется целым спектром признаков, которые в различных комбинациях создают разнообразие и неоднородность картин митотического деления. Тем не менее, в зависимости от характера преобразования ядерной оболочки, расположения центров организации микротрубочек веретена деления, а также и особенностей его строения можно выделить ряд морфологических форм митоза.

По степени деградации ядерной оболочки в процессе митоза выделяют: А). "Открытый митоз", который характеризуется полной фрагментацией ядерной оболочки. Б). "Полуоткрытый митоз", при котором ядерная оболочка фрагментируется только на полюсах, организаторы микротрубочек МВ (митотического веретена) находятся в цитоплазме, а само МВ – в Ядре. В). "Закрытый митоз": ядерная оболочка не изменяется.

По особенностям образования, строения и расположения МВ выделяют следующие формы митоза: а). Плевромитоз. Он характеризуется МВ, состоящим из двух независимых половин (полуверетен), совершающих самостоятельные передвижения. б). Ортомитоз, для которого характерно наличие типичного, двуполюсного веретена, часть нитей которого идут от полюса к полюсу (непрерывные нити), а другие – к кинетохорам дочерних хромосом. Его организующими центрами могут быть центриоли, кинетохоры и другие микротрубочковые организаторы.

Комбинации видов этих двух основных форм митоза дают другие виды митоза. Аб) Открытый ортомитоз или эумитоз. Для него характерна полная фрагментация ядерной мембраны и наличие биполярного веретена. Встречается, как правило, у многоклеточных растений и животных, а также растительных жгутиконосцев, амёб, солнечников, лабиринтовых и некоторых грегарин.

Бб) Полуоткрытый ортомитоз. В ядерной оболочке возникают полярные перфорации, через которые в ядро проникают нити веретена. Обнаружен у многих многоклеточных водорослей и низших грибов, Volvocida, Chloromonadida, у некоторых солнечников и грегарин.

Вб) Закрытый ортомитоз. Биполярное веретено образуется внутри замкнутой ядерной оболочки. Различают два подвида этого митоза. Первый подвид отмечается у корненожек и характеризуется тем, что организующие центры веретена лежат на внутренней стороне ядерной оболочки. Второй подвид, отмечаемый в микронуклеусах инфузорий, отличается отсутствием связи организующих центров с пучками микротрубочек, расположенных в Кариолимфе.

Ба) Полуоткрытый плевромитоз. В цитоплазме (т. е. вне ядра), вокруг центров организации микротрубочек возникают два независимых полуверетена, которые проходят в ядро через перфорации (бреши) в ядерной оболочке. Находясь внутри ядра сначала рядом, они затем передвигаются к противоположным полюсам ядра и "тянут" за собой по набору сестринских хромосом. У видов с крупными ядрами полуверетена могут оставаться на одной стороне ядра, несколько отойдя друг от друга. Этот тип митоза типичен для кокцидий. Он был обнаружен и других Apicomplexa (гемоспоридий и пироплазм).

Ва) Закрытый плевромитоз. Этот вид плевромитоза подразделяется на формы внутриядерную и внеядерную. Внутриядерный закрытый плевромитоз характеризуется прикреплением полуверетен изнутри к ядерной оболочке посредством электронноплотного материала. Этот подвид плевромитоза широко распространён у простейших. Для закрытого внеядерного плевромитоза характерно расположение центров организации микротрубочек веретена вне ядра. Между этими центрами в цитоплазме возникает центральное веретено. Одновременно от каждого из двух центров идут полуверетена, направляющиеся к ядерной оболочке. Хромосомы, находящиеся внутри ядра, подходят к ядерной оболочке, и к их кинетохорам присоединяются микротрубочки полуверётен. Происходит расхождение дочерних наборов хромосом к разным полюсам ядра и их изоляция (сегрегация наборов). Этот вид плевромитоза отмечен у трихомонад и гипермастигин. Подобным образом идёт митоз у динофлагеллят, но здесь центральное веретено проходит через ядро от полюса к полюсу по особым каналам, ограниченным мембраной (цитоплазматическим каналам).

Ва) Закрытый плевромитоз. Этот вид плевромитоза подразделяется на формы внутриядерную и внеядерную. Внутриядерный закрытый плевромитоз характеризуется прикреплением полуверетен изнутри к ядерной оболочке посредством электронноплотного материала. Этот подвид плевромитоза широко распространён у простейших. Для закрытого внеядерного плевромитоза характерно расположение центров организации микротрубочек веретена вне ядра. Между этими центрами в цитоплазме возникает центральное веретено. Одновременно от каждого из двух центров идут полуверетена, направляющиеся к ядерной оболочке. Хромосомы, находящиеся внутри ядра, подходят к ядерной оболочке, и к их кинетохорам присоединяются микротрубочки полуверётен. Происходит расхождение дочерних наборов хромосом к разным полюсам ядра и их изоляция (сегрегация наборов). Этот вид плевромитоза отмечен у трихомонад и гипермастигин. Подобным образом идёт митоз у динофлагеллят, но здесь центральное веретено проходит через ядро от полюса к полюсу по особым каналам, ограниченным мембраной (цитоплазматическим каналам).

По результатам деления клеток различают три типа митоза. 1. Стволовой митоз. В результате деления образуются две равноценные клетки, которые делятся дальше. Такой тип митоза наблюдается при образовании клеток крови, а также раковых клеток. 2. Асимметричный митоз (дифференцирующий митоз). Приводит к образованию двух разных клеток. Одна из них вступает в новый клеточный цикл, а вторая выходит из клеточного цикла. Такой тип митоза характерен для меристем растений. 3. Трансформирующий митоз. Обе дочерние клетки утрачивают способность к делению. Наблюдается при образовании постоянных тканей растений.

Нетипичные формы митоза 1. Амитоз — это прямое деление ядра. При этом сохраняется морфология ядра, видны ядрышко и ядерная мембрана. Хромосомы не видны, и их равномерного распределения не происходит. Ядро делится на две относительно равные части без образования митотического аппарата (системы микротрубочек, центриолей, структурированных хромосом). Если при этом деление заканчивается, возникает двухъядерная клетка. Но иногда перешнуровывается и цитоплазма. Такой вид деления существует в некоторых дифференцированных тканях (в клетках скелетной мускулатуры, кожи, соединительной ткани), а также в патологически измененных тканях. Амитоз никогда не встречается в клетках, которые нуждаются в сохранении полноценной генетической информации, — оплодотворенных яйцеклетках, клетках нормально развивающегося эмбриона. Этот способ деления не может считаться полноценным способом размножения эукариотических клеток.

2. Эндомитоз. При этом типе деления после репликации ДНК не происходит разделения хромосом на две дочерние хроматиды. Это приводит к увеличению числа хромосом в клетке иногда в десятки раз по сравнению с диплоидным набором. Так возникают полиплоидные клетки. В норме этот процесс имеет место в интенсивно функционирующих тканях, например, в печени, где полиплоидные клетки встречаются очень часто. Однако с генетической точки зрения эндомитоз представляет собой геномную соматическую мутацию. 3. Политения. Происходит кратное увеличение содержания ДНК (хромонем) в хромосомах без увеличения содержания самих хромосом. При этом количество хромонем может достигать 1000 и более, хромосомы при этом приобретают гигантские размеры. При политении выпадают все фазы митотического цикла, кроме репродукции первичных нитей ДНК. Такой тип деления наблюдается в некоторых высокоспециализированных тканях (печеночных клетках, клетках слюнных желез двукрылых насекомых). Политенные хромосомы дрозофил используются для построения цитологических карт генов в хромосомах.

Патологические митозы (по И. А. Алову): I. Фрагментация хромосом, иногда на очень мелкие глыбки (пульверизация), причем большинство фрагментов или глыбок лишено кинетохора и поэтому остаются неподвижными. II. Появление мостов при воссоединении двух фрагментов, сохранивших кинетофор. Формируется дицентрическая хромосома. Испытывая воздействия обоих митотических центров, хромосома растягивается между ними и образует мост, влияющий на течение заключительных стадий митоза, задерживая цитотомию. III. Отставание хромосом в метакинезе и при расхождении к полюсам, возникает при повреждении кинетохора. IV. Митоз колхицинового типа (К-митоз): метафазная пластинка состоит из склеенных хромосом, образующих «комки» . Кроме того, наблюдается отставание хромосом.

V. Беспорядочное рассеивание гиперспирализованных хромосом в метафазе (один из видов К-митоза). VI. Многополюсный митоз. VII. Трехгрупповая метафаза. VIII. Полая метафаза имеет вид кольца хромосом, которые собираются в метафазную пластинку, располагаются по периферии клетки. Нередко встречаются комбинированные формы патологии митоза (например, многополюсные митозы с отставанием хромосом или с мостами и т. д. ). На основе патологических митозов возникают мутации, появляются хромосомные аберрации, играющие весьма существенную роль в неопластической трансформации клеток.

V. Беспорядочное рассеивание гиперспирализованных хромосом в метафазе (один из видов К-митоза). VI. Многополюсный митоз. VII. Трехгрупповая метафаза. VIII. Полая метафаза имеет вид кольца хромосом, которые собираются в метафазную пластинку, располагаются по периферии клетки. Нередко встречаются комбинированные формы патологии митоза (например, многополюсные митозы с отставанием хромосом или с мостами и т. д. ). На основе патологических митозов возникают мутации, появляются хромосомные аберрации, играющие весьма существенную роль в неопластической трансформации клеток.

Основные регуляторы митоза Ключевыми активаторами митоза, обеспечивающими инициацию событий профазы—метафазы, являются циклин-киназные комплексы (англ. M-Cdk). Данные комплексы представляют собой гетеродимеры, состоящие из двух субъединиц: регуляторной — митотического циклина (англ. M cyclin) и каталитической — циклин-зависимой киназы (англ. Cdk — cyclin- dependent kinase). Концентрация Cdk 1 постоянна на протяжении всего клеточного цикла, поэтому активность циклин-зависимой киназы в процессе митоза зависит главным образом от её соединения с митотическим циклином. Концентрация митотических циклинов увеличивается по мере приближения к митозу и достигает максимума в метафазе. Различным таксонам свойственны различные митотические циклины.

Регуляторы активности циклин-киназ Накопление митотических циклинов начинается ещё на стадии G 2. Увеличение концентрации циклинов обеспечивается за счёт транскрипции соответствующих им генов. Новосинтезированные циклины сразу объединяются с неактивной киназой Cdk 1. Однако образующиеся при этом циклин-киназные комплексы сохраняются в неактивном состоянии до момента активации митоза. Сдерживание ативности комплексов M-Cdk 1 на протяжении фазы G 2 осуществляется благодаря ингибирующему фосфорилированию молекулы Cdk 1. За ингибирование Cdk 1 ответственна группа протеинкиназ семейства Wee 1. В итоге, к началу митоза в клетке накапливается значительное количество неактивных комплексов M-Cdk 1.

Собственно начало профазы на молекулярном уровне знаменуется резкой активацией киназных комплексов M-Cdk 1. В основе скачкообразного увеличения активности M-Cdk 1 лежат как минимум два взаимосвязанных события. Во-первых, к началу профазы приурочена активация фосфатаз семейства Cdc 25, которые освобождают комплекс M-Cdk 1 от ингибирующих фосфатных групп. Во-вторых, активированные таким образом киназы M-Cdk 1 включаются в цепочку положительной обратной связи: путём фосфорилирования они активируют собственных активаторов семейства Cdc 25 и ингибируют собственных ингибиторов семейства Wee 1. В итоге, в начале профазы наблюдается взаимосвязанное увеличение активности фосфатаз семейства Cdc 25 и циклин-киназ M-Cdk 1 на фоне параллельного снижения активности ингибиторов семейства Wee 1. Таким образом, в основу активации митоза заложен принцип положительной обратной связи. Но, несмотря на то, что уже известно об инициирующих механизмах митоза, остаётся до сих пор неясно, какой именно стимул изначально активирует Cdc 25 или Cdk 1, тем самым обеспечивая запуск цепочки положительной обратной связи

Схема активации циклин-зависимой киназы: 1 — неактивная циклин-зависимая протеинкиназа; 2 — циклин; 3 — активный циклин-киназный комплекс

Polo- и aurora-подобные киназы Помимо циклин-зависимых киназ в регуляцию митотических событий вовлечены как минимум ещё два типа киназ: polo-подобные киназы и киназы семейства aurora Polo-подобные киназы(англ. polo- like kinase, Plk) представляют собой серин-треониновые протеинкиназы, активирующиеся на начальных и инактивирующиеся на поздних стадиях митоза или в начале фазы G 1. Данные киназы вовлечены в различные митотические процессы: сборку веретена деления, функционирование кинетохора, цитокинез. Киназы семейства aurora также относятся к группе серин-треониновых протеинкиназ. У многоклеточных выделяются два основных представителя данного семейства: aurora A и aurora B. Киназа aurora A участвует в регуляции функционирования центросом и митотического веретена. Киназа aurora B участвует в регуляции процессов конденсации и разделения сестринских хроматид, а также обеспечивает присоединение кинетохоров к микротрубочкам веретена деления.

Активность основных регуляторов митоза на стадии профазы (на примере позвоночных). Синим цветом обозначен график активности ингибиторов семейства Wee 1 (Wee 1, Myt 1). Зелёным цветом обозначен график активности фосфатаз семейства Cdc 25 (Cdc 25 A, Cdc 25 C). График активности комплекса циклин B-Cdk 1 обозначен красным цветом. Отдельно фиолетовым цветом обозначен график активности фосфатазы Cdc 25 B

Активатор анафазы APCCdc 20 Комплекс, стимулирующий анафазу (англ. anaphase-promoting complex, APC), также называемый циклосома, представляет собой крупное белковое соединение, которому отводится решающая роль в активации анафазы. Функционально комплекс стимуляции анафазы представляет собой убиквитинлигазу и катализирует реакции присоединения молекул убиквитина к различным целевым белкам, которые в итоге подвергаются протеолизу. В структуре комплекса стимуляции анафазы выделяется порядка 11— 13 субъединиц. Ядро комплекса составляют: субъединица куллина (Apc 2) и RING-домен (Apc 11), к которому присоединяется убиквитин-конъюгирующий фермент (E 2). Функционирование комплекса регулируется за счёт присоединения активирующей субъединицы в нужный момент клеточного цикла.

Белок Cdc 20 (англ. cell division cycle protein 20 — «белок клеточного цикла 20» ) активирует комплекс APC при переходе делящейся клетки из метафазы в анафазу. Происходит это следующим образом. На стадии метафазы циклин-киназный комплекс M-Cdk путём фосфорилирования трансформирует ядро комплекса APC. В результате указанного конформационного изменения повышается вероятность присоединения активатора Cdc 20. В итоге, активированный комплекс APCCdc 20 обретает убиквитин-лигазную активность и убиквитинирует свои главные цели — секьюрин и митотические циклины.

Секьюрин (одна из главных мишеней APCCdc 20) представляет собой ингибирующий белок, сдерживающий в неактивном состоянии фермент сепаразу. Вследствие реакции убиквитинирования секьюрин разрушается, а высвободившаяся при этом сепараза разрушает когезин. После деградации когезина, обеспечивающего сцепление сестринских хроматид, происходит разделение и расхождение хромосом к полюсам деления клетки. Убиквитинирование и, как следствие, разрушение митотических циклинов (ещё одной важной мишени APCCdc 20) запускает цепочку отрицательной обратной связи. Выглядит это следующим образом. Циклин-киназный комплекс M-Cdk активирует убиквитин-лигазный комплекс APCCdc 20, который целенаправленно разрушает митотические циклины, что ведёт к деградации циклин-киназного комплекса M-Cdk, т. е. цепочка реакций приводит к разрушению изначального активатора этой цепочки. Но поскольку активность APCCdc 20 зависит от комплекса M-Cdk, инактивация циклин-киназы M -Cdk приводит к инактивации APCCdc 20. В итоге APCCdc 20 деактивируется к концу митоза.

Краткая история открытия митоза Впервые деление клеток (дробление яиц лягушки) наблюдали французские ученые Прево и Дюма (1824). Более подробно этот процесс описал итальянский эмбриолог М. Рускони (1826). Процесс деления ядер при дроблении яиц у морских ежей описал К. Бэр (1845). Первое описание деления клеток у водорослей выполнил Б. Дюмортье (1832). Отдельные фазы митоза наблюдали: немецкий ботаник В. Гофмейстер (1849; клетки тычиночной нити традесканции), российские ботаники Э. Руссов (1872; материнские клетки спор папоротников, хвощей, лилии) и И. Д. Чистяков (1874; споры хвоща и плауна), немецкий зоолог А. Шнейдер (1873; дробящиеся яйца плоских червей), польский ботаник Э. Страсбургер (1875; спирогира, плаун, лук).