Тема 13. 2. Митоз. Мейоз Основные этапы митоза. Центромеры, «кинетохором» . Хроматиды. Центросомы. Митотичесакое веретено. Интерфаза. Значение митоза. Мейоз и передача информации. Плоидность клеток. Стадии мейоза. Мейоз у цветкового растения. Хромосомная теория наследственности. Кроссинговер и образование хиазм. 1
Тема 13. 2. Деление клеток: митоз, мейоз Размножение клеток • Одно из важнейших положений клеточной теории: клетки не возникают de novo, а образуются путем размножения предсуществующих клеток. • Миллиарды клеток, из которых состоит организм взрослого человека, возникли в результате последовательных циклов клеточного деления, начиная от единственной клетки – зиготы, образовавшейся при слиянии яйцеклетки и сперматозоида. • Новые клетки дифференцируются и образуют различные структуры многоклеточного зародыша. Зародыш продолжает расти за счет размножения клеток и их дифференцировки, протекающих координированным образом и приводящих к развитию взрослого организма. • Скорость размножения клеток в процессе развития организма и локализация их размножения в норме находятся под строгим контролем, детерминирующим возникновение характерной формы, свойственной представителям данного вида. • Размножение клеток продолжается в течение всей жизни организма. • Недетерминированный рост растений обеспечивается непрерывным образованием новых клеток в определенных участках, таких, как верхушечная меристема, за счет которой происходит рост корней и побегов в длину, и камбий, за счет которого они увеличиваются в толщину. • У большинства животных рост детерминирован, и после достижения пропорций, присущих взрослому организму, участки активного размножения клеток, имеющиеся в разных органах и тканях, обеспечивают замещение погибших или утраченных клеток, а не увеличение общего числа клеток, имеющихся в данном организме. Лекция 14(41) 2
Тема 13. 2. Деление клеток: митоз, мейоз • Большинство клеток растений и животных не репродуцируется, хотя у них и могут сохраняться потенциальные способности к размножению, реализующиеся в соответствующих условиях. Например, развитие рубцовой ткани при заживлении ран как у растений, так и у животных связано с размножением клеток, которые в обычных условиях не делятся; развитие злокачественных новообразований представляет собой результат неконтролируемого размножения клеток, которые вышли из под контроля ограничений, действующих на них в норме. • Размножение клеток – это не просто возникновение двух клеток из одной, а образование двух клеток, которые содержат одинаковую информацию, идентичную информации, содержавшейся в исходной родительской клетке. • Процесс размножения клеток сопровождается конденсацией ядерного материала с образованием хромосом, равномерное распределение удвоившегося хромосомного материала по двум дочерним ядрам. • В клеточном делении участвует и цитоплазма, которая распределяется между дочерними клетками. • В целом удвоение клетки представляет циклический процесс – клеточный цикл, который включает две главные стадии: 1) митоз (равномерное распределение материала ядра), и 2) интерфазу – промежуток между двумя последовательными митозами, во время которого клетка готовится к делению. Лекция 14(41) 3
Тема 13. 2. Деление клеток: митоз, мейоз Митоз и деление клеток в кончике корня у растений • Размножение клеток у растений ограничено определенными участками меристемы. Осо енно б удобна для изучения митоза верхушечная меристема кончиков корешков, так как большая часть ее клеток находится в процессе деления, и в любой момент времени митоз можно наблюдать в 10 – 15% всех клеток. • На рис. показаны микрофотографии препаратов, полученных из клеток кончика корешка методом «раздавленных» препаратов и метода срезов. Обзорные микрофотографии клеток из кончиков корешков растений. А. Срезы делящихся клеток в кончике корешка лука, окрашенные железным гематоксилином для выявления хромосом, вере ена деления, клеточных стенок и т цитоплазмы; видны разные стадии — от интерфазы до телофазы. (General Biological Supply House, Inc. ) Б. Давленый препарат клеток из кончика корешка конских бобов (Vicia faba); при раздавливании расположение клеток нарушается; использован ая в данном случае окраска по Фёльгену н специ ична для хромосом и не окрашивает никаких других ф частей клеток. Лекция 14(41) 4
Тема 13. 2. Деление клеток: митоз, мейоз • Большая часть клеток кончика корешка находится в интерфазе, поскольку эта стадия обычно продолжается гораздо дольше, чем митоз. В этих клетках хорошо видно интерфазное ядро, окруженное оболочкой. Хроматин выглядит довольно гомогенным, хотя можно заметить несколько интенсивно окрашенных участков гетерохроматина (рис. ). В ядрах видны одно или несколько ядрышек, которые не окрашиваются красителями, специфичными для ДНК. • Во время интерфазы ядро и цитоплазма увеличиваются в объеме, в них происходят процессы активного синтеза. А. Электронная микрофотография клетки корневой меристемы в интерфазе; хорошо заметно темно окрашенное ядрышко, однако никаких других ясно выраженных структур не видно. Б. Интерфазное ядро из клетки корневой меристемы; светлое пятно – это ядрышко, которое не окрашивается красителями, специфичными для ДНК; видны участки конденсации гетерохроматина. Лекция 14(41) 5
Тема 13. 2. Деление клеток: митоз, мейоз • Профаза – первая стадия митоза, начинается с конденсации хроматина в виде хромосом (рис. 1, 2). • Каждая хромосома разделена в продольном направлении на две субъединицы – хроматиды, которые спирально закручены друг относительно друга. В ходе профазы хромосомы все более конденсируются, а хроматиды укорачиваются и утолщаются. • Выявляется слабо окрашенная и менее конденсированная область хромосомы – центромера, которая в каждой хромосоме расположена в определенном месте (рис. 3). Рис. 1, 2. Стадии митоза в клетках кончика корешка кон ких бобов (Vicia faba). А. с Профаза. Б. Метафаза. В. Анафаза. Г. Телофаза. Рис. 2. Стадии митоза: 1 3 профаза, 4 6 метафаза, 7 8 анафаза, 9 телофаза. Лекция 14(41) Рис. 3. Стадия поздней профазы в сперматогонии амфиумы. Каждая хромосома продольно расщеплена на две хроматиды; на местоположение центромеры указывает сужение хромосомы. . 6
Тема 13. 2. Деление клеток: митоз, мейоз • Во время профазы ядрышки соединяются с определенными участками отдельных хромосом – организаторами ядрышка, постепенно уменьшаются в размерах и «исчезают» . • Ядерная оболочка также распадается, хромосомы «освобождаются» и оказываются в цитоплазме. Во время профазы в цитоплазме, непосредственно окружающей ядро, образуется веретено деления. • Веретено двухполюсное и состоит из пучков микротрубочек, тянущихся от одного полюса к другому (рис. ). Каждая хромосома прикрепляется к нитям веретена при помощи своей центромеры. Участок центромеры, к которому прикреплены нити веретена, часто называют кинетохором. Рис. Электронные микрофотографии веретена деления в яйцах морского ежа. А. Изолированное веретено при небольшом увеличении (х2100); видны темные хромосомы, образующие метафазную пластинку, неясно различимую в середине веретена. Б. Нити веретена в виде трубочек (1), прикрепленных к хромосоме (2), при большем увеличении (х 53 000). Лекция 14(41) 7
Тема 13. 2. Деление клеток: митоз, мейоз • Вторая фаза митоза – метафаза (рис. 4 -6). Хромосомы, прикрепленные к веретену выстраиваются таким образом, что все центромеры располагаются в плоскости, находящейся на одинаковом расстоянии от обоих полюсов веретена (в экваториальной плоскости), хромосомы достигают максимальной конденсации ). • Третья стадия митоза – анафаза (рис. 7 -8). Центромеры делятся, сестринские центромеры расходятся в стороны по нитям веретена и тянут за собой сестринские хроматиды, которые, таким образом, также расходятся. В результате во время анафазы две группы хроматид (в которых каждая хроматида соответствует половине хромосомы, первоначально состоявшей из двух хроматид) движутся к противоположным полюсам. • Четвертая фаза митоза – телофаза. Центромеры доходят до полюсов веретена, (рис. 9) хроматиды (которые теперь можно рассматривать как хромосомы, состоящие из одной единицы) деконденсируются, вокруг каждой группы дочерних хромосом образуется новая ядерная оболочка, и вновь появляются ядрышки. Ядра дочерних клеток приобретают вид типичных интерфазных ядер. Лекция 14(41) 8
Тема 13. 2. Деление клеток: митоз, мейоз • Завершает клеточное деление цитокинез – образование клеточной стенки между дочерними клетками. • Сначала появляется клеточная пластинка, или фрагмопласт, формирующаяся путем скопления пузырьков из комплексов Гольджи (рис. ). Эти пузырьки, содержащие материалы, из которых впоследствии образуется клеточная стенка, сливаются друг с другом, разделяя цитоплазму на две части (подробнее см. Тему 4). • Веретено распадается и деление клетки завершается. Т. о. из одной клетки образовались две новые, в каждой из которых имеется ядро, содержащее полный набор информации, присущий клетке данного типа. Рис. Электронная микрофотография клетки кукурузы в поздней телофазе с образующейся посередине клеточной пластинкой. Лекция 14(41) 9
Тема 13. 2. Деление клеток: митоз, мейоз Митоз и деление клеток животных • Конечный результат клеточной репродукции одинаков у клеток растений и животных: образование дочерних клеток с одинаковой генетической конституцией. • Организация митотического веретена в клетках растений и животных клеток имеются различия. (рис. ). Веретено в животных клетках формируется из микротрубочек в виде лучей от центрального участка – центросомы, состоящей из двух центриолей. Эти центриоли, каждая из которых реплицируется в течение интерфазы, расходятся до тех пор, пока не выйдут за пределы ядерной оболочки и не окажутся друг против друга. • По мере того как парные центриоли расходятся, между ними протягиваются микротрубочки веретена, и в конечном счете образуется двухполюсное веретено со звездой на каждом полюсе (рис. ). Рис. Стадии деления клеток зародыша сига. А. Профаза — видно начало образования веретена. Б. Метафаза. В. Анафаза. Г. Телофаза; борозда разделяет клетку на две новые дочерние клетки. Лекция 14(41) 10
Тема 13. 2. Деление клеток: митоз, мейоз • Цитокинез животной клетки протекает несколько иначе, чем растительной. Вместо образования клеточной пластинки в животных клетках возникает борозда дробления, начинающаяся у наружных краев клетки посредине между двумя полюсами и расщепляющая клетку надвое. • В области борозды дробления отмечается высокое содержание актина, и это позволяет предполагать, что у животных клеток в движениях, происходящих при цитокинезе, важную роль играют микротрубочки. Колхицин • Для изучения морфологии хромосом можно прервать нормальное течение митоза, обработав клетку колхицином. Этот растительный алкалоид препятствует образованию митотического веретена. В таких опытах хромосомы свободно лежат в клетке и претерпевают дальнейшую конденсацию, что делает их более заметными. Лекция 14(41) 11
Тема 13. 2. Деление клеток: митоз, мейоз Рис. Метафаза в клетках кончика корешка конских бобов (Vicia faba), обработанного колхицином. Видны центромеры, а также вторичные сужения на двух длинных хромосомах. • На рис. представлены хромосомы из обработанной колхицином клетки конских бобов (Vicia faba). • Каждая хромосома обладает характерной морфологией: центромера всегда располагается в одном и том же месте и выявляется по образуемой ею перетяжке, которая делит хромосому на два плеча разной длины. Центромера обусловливает движение хромосомы. Без нее хромосома не может занять нужного положения на веретене, а хроматиды не могут разделиться. • У самой длинной из хромосом конских бобов имеется еще одна вторичная перетяжка. У этой хромосомы на месте вторичной перетяжки, представляющей собой неспирализованный участок хромосомы, находилось ядрышко до того, как оно «исчезло» . • Хромосомный набор в клетках конских бобов состоит из 12 хромосом – одной пары длинных с расположенными в середине первичными центромерами и 5 пар коротких с субтерминальными центромерами. • Для изучения хромосомных аномалий, например вызываемых излучением и некоторыми химическими веществами, используется обработка колхицином, поскольку любые изменения в хромосомном наборе легко выявить и подвергнуть анализу. Лекция 14(41) 12
Тема 13. 2. Деление клеток: митоз, мейоз Митотическое веретено • Веретено состоит из микротрубочек, обладающих двойным лучепреломлением, что указывает на их упорядоченную молекулярную организацию. На электронных микрофотографиях видно, что эти волокна представляют собой пучки микротрубочек, которые формируются во время профазы из фонда субъединиц, состоящих из белка тубулина (см. подробнее Тему 8). • У высших растений, непосредственно перед профазой, по периметру клетки образуется кольцо из микротрубочек, и появление веретена коррелирует с исчезновением этого «препрофазного» кольца. Микротрубочки веретена двух типов: 1) микротрубочки, идущие по всей длине веретена от одного полюса к другому, и 2) микротрубочки, идущие от полюсов к центромерам. Интерфаза • Во время интерфазы – периода между концом телофазы и началом следующей профазы, осуществляется вся подготовка к митозу и цитокинезу. • Для того чтобы размеры клетки оставались достаточно постоянными, в период между двумя делениями как ядро, так и цитоплазма должны расти. А для их роста необходим синтез всех тех входящих в состав клетки веществ, которые должны быть распределены между дочерними клетками. • Синтетическая активность клеток в интерфазе подтверждается тем, что при внесении в клетку радиоактивно меченных предшественников нуклеиновых кислот, белков, липидов и других соединений, предшественники эти быстро включаются в соответствующие макромолекулы. • Наиболее важные процессы, происходящие во время интерфазы: репликация ядерной ДНК и связанная с этим редупликация хромосом, в процессе которой вместо одной хроматиды возникают две идентичные хроматиды. Лекция 14(41) 13
Тема 13. 2. Деление клеток: митоз, мейоз • При первом митозе после интерфазы, в которой происходил синтез ДНК с участием радиоактивно меченного тимидина, метка была обнаружена в обеих хроматидах, т. е. обе хроматиды содержали новосинтезированную ДНК (рис. 1). • Если затем клеткам давали возможность завершить еще одну интерфазу в отсутствие радиоактивного тимидина и начать второй митоз, то меченой оказывалась лишь одна из двух образующихся хроматид. Объяснение: репликация в присутствии радиоактивного тимидина приводит к образованию двух хроматид, в каждой из которых имеется одна субъединица от исходной хроматиды и одна новая субъединица, содержащая новосинтезированную ДНК (рис. 2). Рис. 1. Радиоавтограф хромосом в первой (А) и во второй (Б) метафазе после синтеза ДНК в присутствии 3 H тимидина. В первой метафазе метка в обех хроматидах, а во второй — только одна хроматида каждой хромосомы. Лекция 14(41) Рис. 2. Схема распределения радиоактивной метки в хромосомах после синтеза ДНК в присутствии 3 Н тимидина. А. Хромосома в периоде G 1, состоящая из двух интактных субъединиц. Б. После синтеза ДНК в присутствии 3 Н тимидина каждая хроматида состоит из одной меченой и одной немеченой субъединиц. Поэтому обе хроматиды при первом митозе оказываются мечеными. В. Хромосома в периоде G 1 после первого митоза, состоящая из двух субъединиц, одна из которых меченая. Г. После синтеза ДНК в отсутствие 3 Н тимидина только одна из двух хроматид получает радиоактивную субъединицу. Поэтому лишь одна из этих двух хроматид оказывается меченой при втором митозе. 14
Тема 13. 2. Деление клеток: митоз, мейоз • Содержащиеся в хромосоме гистоны, вероятно, синтезируются во время интерфазы, каким то способом образуют комплексы с ДНК и расщепляются вместе с ней на хроматиды. • Синтез ДНК происходит не на всем протяжении интерфазы, а занимает лишь определенный интервал (S период). Промежуток времени между окончанием телофазы и началом синтеза ДНК называют G 1 пeриодом, а промежуток между завершением синтеза ДНК и наступлением профазы — G 2 периодом (рис. ) (см подробнее в Теме 13. 1) Рис. Схема митотического цикла. G 1 — пресинтетический период интерфазы; S — период синтеза ДНК; G 2 — постсинтетический период интер фазы; П, М, А и Т — профаза, метафаза, анафаза и телофаза. Лекция 14(41) 15
Тема 13. 2. Деление клеток: митоз, мейоз Значение процесса размножения клеток • Размножение клетки это часть процесса роста. Митоз, образование веретена и появление дочерних клеток только часть процесса размножения клеток. • Происходят также ассимиляция веществ извне, их разложение и ресинтез, необходимые для превращения их в новые части клетки, а также потребление энергии. • Важнейшее значение размножения клетки состоит в том, что оно обеспечивает непрерывную последовательность клеток, обладающих идентичными потенциями. • Клеточное размножение у одноклеточных организмов приводит к точному воспроизведению особей и к увеличению числа организмов данного типа. • У многоклеточных организмов клеточное деление представляет первый этап дифференцировки – морфологической и функциональной специализации клеток. Дифференцировка – это вместе с тем и первый шаг к гибели, поскольку дифференцированные клетки утрачивают способность к делению. Лекция 14(41) 16
Тема 13. 2. Деление клеток: митоз, мейоз Мейоз и передача информации • Механизмы, поддерживающие существование вида из поколения в поколение, должны обеспечивать у его представителей как сохранение определенного типа организации (непрерывность), так и известное разнообразие. • Ряд одноклеточных и большинство многоклеточных организмов размножаются половым путем: в определенный момент жизненного цикла они производят гаметы (общий термин, применяемый для обозначения половых клеток любого типа), которые спариваются, образуя одну новую клетку – так называемую зиготу, из которой развивается новая особь, наследующая свои признаки от двух родительских особей. Объединение гамет называют оплодотворением или сингамией. Лекция 14(41) 17
Тема 13. 2. Деление клеток: митоз, мейоз • Главное событие при объединении двух гамет в результате оплодотворения – это слияние гаметных ядер. • Как это отражается на числе хромосом? Клетки человека, например, содержат по 46 хромосом. Если допустить, что митоз единственный способ деления ядер, то яйцеклетка и сперматозоид человека должны были бы содержать по 46 хромосом, возникнув в результате митоза от исходной зиготы. Зигота, образовавшаяся при их слиянии, содержала бы в таком случае 92 хромосомы. Другими словами при каждом акте оплодотворения прогрессивно увеличивалась бы плоиднось клеток в ряду потомков. Этого не происходит и сохраняется постоянство числа хромосом, характерное для данного вида. Рис. Жизненный цикл животных, размножающихся половым путем. Состояние хромосом определяется процессами мейоза и оплодотвор ия. У высших растений в н результате мейоза образуются гаплоидные споры, которые, прорастая, дают гаметофитное поколение, а оно в свою очередь продуцирует яйцеклетки и спермин. • Для поддержания постоянства числа хромосом у соматических клеток, у видов с половым размножением гаметы должны содержать вдвое меньше хромосом, чем зигота и другие клетки тела (поскольку последние образуются из зиготы в результате митотического деления). Уменьшение (редукция) числа хромосом происходит путем деления особого типа, называемого мейозом. При мейозе ядро и цитоплазма делятся дважды, но хромосомы при этом реплицируются только один раз. Этот своеобразный тип деления наблюдается у эукариот, размножающихся половым путем. • Число хромосом, содержащихся в ядрах гамет, называют редуцированным или гаплоидным и обозначают буквой n; число хромосом в зиготе и во всех клетках, возникших из нее путем митоза, называют нередуцированным или диплоидным и обозначают как 2 n (рис. ). Так, яйцеклетка или сперматозоид человека содержит 23 хромосомы, а образовавшаяся в результате оплодотворения зигота имеет 46 хромосом. 18 Лекция 14(41)
Тема 13. 2. Деление клеток: митоз, мейоз • Из 46 хромосом клеток человека можно составить 23 пары (рис. 1), хромосомы каждой пары одинаковы по форме, размерам и генетическому содержанию. Хромосомы, составляющие каждую такую пару, называют гомологичными другу и негомологичными по отношению ко всем остальным хромосомам. В зиготе в каждую пару гомологических хромосом, или гомологов, входит одна хромосома, полученная от сперматозоида, и одна хромосома от яйцеклетки. • Все гомологичные хромосомы, образующие пары, сходны одна с другой, за исключением той пары хромосом, которая определяет пол. На рис. 1 показана эта пара хромосом из клетки мужчины, хотя размеры и форма Х хромосомы затрудняют ее идентификацию. • У женщины две Х хромосомы (XX), и, следовательно, ее половые хромосомы сходны и гомологичны; у мужчины в клетках хромосомы XY, которые, хотя и различаются по величине и форме, но все же достаточно гомологичны, чтобы конъюгировать в профазе мейоза (стадии мейоза рассматриваются далее). • Не у всех видов размножающихся половым путем, можно различить половые хромосомы, и система XX XY – лишь одна из многих известных систем (рис. 2). Рис. 1. Хромосомный набор в клетках мужчины. Гомологичные хромосомы расположены попарно, пронумерованы в соответствии со своими размерами и собраны в группы, имеющие буквенные обозначения. А —G. Мужской пол определяется хромосомами XY; маленькая Y хромосома располо жена справа от группы G. тогда как Х хромосома, которую трудно точ но идентифицировать, находится в числе хромосом, образующих группу С. Лекция 14(41) 19 Рис. 2. Хромосомы в сперматоцитах пустынной саранчи во время мейоза У этого насекомого пол определяется по типу ХО; видна интенсивно окрашенная непарная Х хромосома имеющая форму палочки
Тема 13. 2. Деление клеток: митоз, мейоз Рис. Схематическое изображение последовательных стадий мейоза. А. Лептонема, предшествующая конъюгации хромосом. Б. Начало конъюгации на стадии зигонемы. В. Пахинема. Г. Диплонема. Д. Метафаза I. E. Анафаза I. Ж. Телофаза I. 3. Интерфаза между двумя делениями мейоза. И. Профаза. II. К. Метафаза II. Л. Телофаза II. Для простоты на схеме изображена только одна пара гомологов. Лекция 14(41) Стадии мейоза • Мейоз – это клеточное деление довольно сложного типа, однако для него, так же как и для деления соматических клеток, митоза, характерно постоянство основных событий, происходящих в ядре, и их конечных результатов. Поэтому описание этого процесса одинаково хорошо приложимо ко всем разнообразным формам живого – к грибам, насекомым, цветковым растениям или человеку. • Кроме того, мейоз протекает в основном сходным образом у обоих полов, если не считать конечных продуктов этого деления. • Подобно митозу, мейоз делится на ряд последовательных стадий (рис. ). Профаза, однако, протекает в мейозе более медленно и, следовательно, занимает больше времени, что отражается на характере образующихся в результате мейоза клеток. 20
Тема 13. 2. Деление клеток: митоз, мейоз Стадии мейоза (продолжение) Стадии мейоза в микроспороцитах Trillium. A. Зигонема. Б. Пахинема. В. Ранняя диплонема. Г. Поздняя диплонема. Д. Диакинез. Е. Метафаза (вид с полюса). Ж. Поздняя анафаза I. 3. Метафаза II. И. Анафаза II. К. Стадия четырех микроспор. Лекция 14(41) 21
Пять стадий профазы Тема 13. 2. Деление клеток: митоз, мейоз • Первая стадия: лептонема (рис. 1 и 2). Лептотенные хромосомы отличаются от хромосом в обычной профазе митоза в двух отношениях: 1) они выглядят в продольном направлении едиными, а не двойными, хотя синтез ДНК уже произошел, и, следовательно, на самом деле они двойные; 2) они имеют более выраженную структуру, так как по всей их длине с неравномерными промежутками располагаются более плотные утолщения – хромомеры. Эти тельца не следует путать с зернистой структурой хроматина: порядок величин здесь совершенно разный – хромомеры мейотических хромосом в сотни раз крупнее хроматиновых бусинок. Рис. 1. Ядро сперматоцита амфибии Amphiuma means tridactylus на стадии лептонемы диплонемы мейоза. Гомологичные хромосомы конъюгированы в одних участках, а в других остаются разобщенными. На этой стадии мейоза хромомеры мелкие и распределены равномерно; на следующей стадии — в пахинеме — они станут крупнее и распределятся менее равномерно. Рис. 2. Электронные микрофотографии ядер сперматоцитов клопа наземника Oncopeltus. А. Лептонема. Б. Зигонема. В. Пахинема. Более плотные скопления хроматина — это половые хромосомы, которые конденсируются раньше, чем аутосомы. Препараты изготовлены особым способом, позволяющим обезвоживать образец без серьезных нарушений структуры: срезы сначала опускают на водную поверхность, а затем снимают и высушивают. Лекция 14(41) 22
Тема 13. 2. Деление клеток: митоз, мейоз • Хромомеры представляют собой участки хроматина, уплотнившиеся в результате локального сокращения, возможно, путем ассоциации с содержащимися в хромосоме белками; предполагается, что при этом находящаяся в хромомерах ДНК метаболически неактивна и не транскрибируется. (рис. 1 и 2). Рис. 1. Микроспороцит Luzula на стадии пахинемы. Видны хромомеры, распре деленные неравномерно по длине конъюгировавших гомологов. Можно заметить, что соответствующие хромомеры очень точно совпадают друг с другом. Темное тело слева — ядрышко Рис. 2. Микроспороцит томата Licopersicum esculenlum на стадии пахинемы. Видны крупные хромомеры, скопившиеся вокруг центромер конъюгировавших гомологов, и мелкие хромомеры, расположенные на концах хромосом. Лекция 14(41) 23
Тема 13. 2. Деление клеток: митоз, мейоз • Следующая стадия – зигонема. Начинается с перемещения хромосом, гомологичные хромосомы сближаются. Объединение гомологичных хромосом в пары, известное под названием конъюгации или синапсиса, начинается в одной или нескольких точках хромосом и затем распространяется по всей их длине, объединяя гомологов. • Это упорядоченный, а не случайный процесс, потому что хромомеры одного гомолога располагаются в точности против соответствующих хромомеров другого гомолога (рис. 1). По окончании процесса конъюгации ядро имеет такой вид, как если бы оно содержало гаплоидный набор хромосом. Однако каждый компонент этого набора представляет собой пару гомологичных хромосом, которую теперь называют бивалентом. На уровне разрешающей способности электронного микроскопа можно видеть, что конъюгировавшие гомологичные хромосомы образуют синаптинемалъный комплекс (рис. 2). Рис. 1. Стадия зиголемы в микроспороците лилии Lilium regale. В нижнем правом углу можно видеть как конъюгировавшие, так и неконъюгировавшие участки гомологов. Рис. 2. Электронная микрофотография синаптинемального комплекса микроспороцита Tradescantia раludosa. Темные скопления — хроматин конъюгировавших гомологов, однако интерпретация светлых и темных участков комплекса пока еще остается неясной; тем не менее синаптинемальные комплексы, несомненно, дают представление о взаимоотношениях, возникающих при конъюгации. Лекция 14(41) 24
Тема 13. 2. Деление клеток: митоз, мейоз • Следующая стадия мейоза – пахинема. У некоторых видов на этой стадии в каждом биваленте ясно различимы две спаренные хромосомы , а поскольку хромосомы продолжают укорачиваться и утолщаться путем спирализации, их становится легче отличать одну от другой. • У других видов гомологичные хромосомы сближаются так тесно, что их невозможно различить (рис. 1). В клетках кукурузы при сильном увеличении можно различить хромомеры и ядрышко, прикрепленное к определенной хромосоме (рис. 2 и 3). Рис. 1. Стадия пахинемы в сперматоците саламандры Хромомеры равномерно распределены вдоль конъюги ровавших хромосом, причем все хромосомы по видимому, завершили конъюгацию. Рис. 2. Стадия пахинемы в микроспо роците кукурузы. Хромосома 6 коньюгирова на со своим гомологом и прикреплена к ядрышку при помощи организатора ядрышка. У хромосом кукурузы в мейозе нередко можно видеть крупные хромомеры так называемые вздутия; в верхней и нижней частях рисунка хорошо видны два таких вздутия, а при помощи еще одного более крупного вздутия хромосома 6 прикрепляется к ядрышку. Рис. 3. Хромосома 6 кукурузы при несколько более сильном увеличении, чем на рис. 2. Организатор ядрышка показам стрелками. Лекция 14(41) 25
Тема 13. 2. Деление клеток: митоз, мейоз • Стадия пахинемы кончается тогда, когда силы притяжения, вызывающие конъюгацию, ослабевают и гомологичные хромосомы отходят друг от друга (рис. 1). • Это стадия диплонемы (рис. 2): каждая хромосома состоит теперь из двух ясно различимых хроматид. Следовательно, каждый бивалент слагается из четырех хроматид. • Продольное удвоение каждой из хромосом произошло до начала диплонемы, но стало очевидным лишь после того, как притяжение между гомологами прекратилось (рис. 3). Однако гомологи разделяются не полностью. Рис. 1. Начало стадии диплонемы в сперматопите аксолотля. Конъюгировавшие гомологи начинают расходиться по мере ослабления сил притяжения между ними. Рис. 2. Середина стадии диплонемы в сперматоците аксолотля. В некоторых парах гомологов видно расположение хиазм; в каждом биваленте хорошо различимы четыре хроматиды. Лекция 14(41) Рис. 3. Более поздние (по сравнению с представленными на рис. 1 и 2) стадии диплонемы. Справа видна характерная для этой стадии «пушистость» конъюгировавших хромосом, создаваемая петлями хроматина, выступающими за пределы основной сократившейся части хромосом. 26
Тема 13. 2. Деление клеток: митоз, мейоз Диплонема ( продолжение) • В одной или нескольких точках контакт между бивалентами сохраняется при помощи хиазм. Каждая хиазма образуется в результате обмена хроматином между хроматидами двух гомологов (рис. ). • Для того чтобы между двумя хроматидами мог произойти обмен хроматином, двойные спирали обеих хроматид должны быть разорваны, а затем вновь соединены. Для воссоединения разорванных концов происходит синтез новой ДНК. • Если образуется только одна хиазма, то бивалент на стадии диплонемы имеет вид креста. Если образуются две хиазмы, то бивалент имеет форму кольца; при трех и большем числе хиазм у гомологов развивается ряд петель (рис. и рис. 3 на предыдущем слайде). • В разных клетках число и примерное местоположение хиазм варьируют даже у одного и того же бивалента, но, как правило, длинные хромосомы образуют больше хиазм, чем короткие, хотя и самые короткие хромосомы, по видимому, в состоянии образовать по крайней мере одну хиазму. Рис. Один из бивалентов клетки, находящейся на стадии диплонемы. Видно положение двух возникших прежде хиазм и центромер. На представленной схеме (справа) изображены все четыре хроматиды (1) хиазмы (2) и центромеры (3). Лекция 14(41) 27
Диакинез Тема 13. 2. Деление клеток: митоз, мейоз • Следующая стадия профазы мейоза: диакинез. Между этой стадией и диплонемой трудно провести четкую границу. Во время диакинеза ядрышко отделяется от того бивалента, к которому оно было прикреплено, и исчезает, а сокращение бивалентов усиливается (рис. 1). • По мере усиления сокращения хиазмы утрачивают свое первоначальное положение и смещаются к концам хромосом. Укорочение хромосом происходит путем образования каждой хроматидой ряда витков, число которых постепенно уменьшается по мере увеличения их диаметра На рис. 2 показана спирализация хромосом традесканции. • Этот процесс ничем не отличается от укорочения хромосом во время митоза, однако при мейозе витки видны лучше. Рис. 1. Диакинез в клетках клопа наземника Oncopeltus. А. Препарат, изготовленный обычными методами окрашивания и фиксации, принятыми в световой микроскопии. Б. Электрон ная микрофотография среза Рис. 2. Спирализация хромосом традесканции. А. Уплощенная анафаза I диплоидной формы; у всех хромосом ясно видны витки. Б. Метафаза I у триплоидной формы. В. Метафаза I у тетраплоидной формы. 28 Лекция 14(41)
Тема 13. 2. Деление клеток: митоз, мейоз Метафаза I мейоза • Разрушением ядерных мембран и появлением веретена завершается профаза и начинается метафаза I мейоза. Биваленты располагаются на нитях веретена, но таким образом, что центромеры лежат при этом не на экваториальной пластинке, как при митозе, а по обе стороны и на равных расстояниях от нее (рис. 1 и 2). Рис. 1. Мейоз в клетках кукурузы. А. Метафаза 1; видно, как хромосомы вытянулись по направлению к полюсам. Б. Анафаза I; очевидно, иногда расхождение гомологичных хромосом бывает затруднено. Рис. 2. Анафаза I в клетках аксолотля. Лекция 14(41) 29
Тема 13. 2. Деление клеток: митоз, мейоз Анафаза I мейоза • Анафаза I мейоза начинается с перемещения хромосом к полюсам (рис. ). Две центромеры каждого бивалента, которые не разделились, начинают расходиться к противоположным полюсам; в результате хиазмы расщепляются и гомологи освобождаются друг от друга. • Когда движение хромосом прекращается, у каждого полюса оказывается редуцированное, или гаплоидное, число хромосом. В отличие от анафазы митоза, в которой не наблюдается продольного разделения хромосом, в анафазе мейоза каждая хромосома состоит из двух явно обособленных хроматид, соединенных только в области сестринских центромер. Рис. Метафаза I и анафаза I в клетках клопа наземника Oncopeltus. А. Вид метафазы I сбоку; конъюгация между половыми хромосомами выражена слабо. Б. Вид метафазы I с полюса; половые хромосомы находятся в центре метафазной пластинки — Х хромосома справа, а более светлая Y xpoмосома слева. В. Анафаза I. Лекция 14(41) 30
Тема 13. 2. Деление клеток: митоз, мейоз Телофаза I мейоза • В конце анафазы I мейоза образуется ядро, хромосомы раскручиваются и клетка может разделиться надвое мембранной стенкой. Наступила телофаза I мейоза. Второе деление мейоза • После интерфазы, которая у разных видов длиться разное время или вовсе отсутствует, хромосомы в каждой из двух гаплоидных клеток вступают во второе деление мейоза. • Если интерфаза отсутствует, то хромосомы из телофазы I непосредственно переходят в профазу II без существенных изменений внешнего вида (рис. ). При наличии интерфазы в телофазе образуется ядерная мембрана, хромосомы деспирализуются и наблюдается несколько более продолжительная профаза II. Рис. Анафаза I (А) и профаза II (Б) в клетках аксолотля. Можно видеть, что в промежутке между этими двумя стадиями мейоза в хромосомах не происходит существенных изменений. Лекция 14(41) 31
Тема 13. 2. Деление клеток: митоз, мейоз • Но в любом случае у хромосом, достигших метафазы II (рис. ) не отмечается существенных изменений по сравнению с тем, какими они были в прошлой анафазе, т. е. во время интерфазы не происходит репликации хромосом и центромера каждой хромосомы остается функционально единой. Рис. Анафаза I в клетке аксолотля. Хроматиды связаны только в области центромеры; здесь хромосомы несколько более компактны, чем представленные на рис. на предыдущем слайде Лекция 14(41) 32
Тема 13. 2. Деление клеток: митоз, мейоз • В каждой из двух клеток образуется веретено, и при анафазе II центромеры разделяются, а хромосомы направляются к разным полюсам (рис. ). Во время телофазы II происходит перестройка ядер; при этом образуются четыре ядра, которые расходятся по четырем отдельным клеткам, получающимся в результате сегментации цитоплазмы. • Итак, структура хромосом в продольном направлении остается неизменной, начиная со стадии диплонемы и до конца второго деления мейоза. В интерфазе, предшествующей мейозу, каждая хромосома реплицируется, но за репликацией следуют два деления. При первом делении – в анафазе I – гомологичные центромеры, а следовательно, и гомологичные хромосомы отделяются одна от другой, что приводит к редукции числа хромосом при конъюгации и образованию хиазм, которые удерживают их вместе вплоть до метафазы I. При втором делении сестринские центромеры, а следовательно, и две хроматиды каждой хромосомы расходятся. Рис. 8. 28. Анафаза II у аксолотля. А. Вид сбоку. Б. Вид с полюса. Хроматиды расходятся, после чего каждое ядро округлится и превратится (в данном случае) в ядро сперматозоида. Хромосомы различаются по размерам и по расположению центромер. Лекция 14(41) 33
Тема 13. 2. Деление клеток: митоз, мейоз Кроссинговер и образование хиазм • На стадии пахитены происходит один из важнейших процессов в мейозе – кроссинговер – взаимный обмен идентичными участками по длине гомологичных хромосом. Генетическим следствием кроссинговера является рекомбинация сцепленных генов. • Хромосома, состоящая в основном из непрерывной нити ДНК, представляет собой ряд сцепленных друг с другом генов. • Гены могут рекомбинироваться в результате кроссинговера и, следовательно, гомологичные хромосомы способны обмениваться хроматином, причем частота таких обменов должна находиться в количественной зависимости от частоты кроссинговера. • Хиазмы, которые можно видеть у бивалентов на стадии диплонемы, служат физическим доказательством того, что на предшествующих стадиях конъюгации произошел кроссинговер. • Гомологичные хромосомы обмениваются хроматином и этот обмен происходит после того, как хромосома реплицировалась, т. е. удвоилась в продольном направлении (рис. ). Рис. Генетические последствия кроссинговера. I. Образование бивалента, состоящего из отцовских (черные) и материнских (серые) гомологов ; между генами А и В и генами С и D произошел кроссинговер. II. В результате расщепления в анафазе каждая хромосома образует по две хроматиды, которые генетически неидентичны другу. III. Хроматиды разошлись, причем две из них сохранили 34 генетический состав родительских хромосом, а две другие стали генетически иными. Лекция 14(41)
Тема 13. 2. Деление клеток: митоз, мейоз Механизм кроссинговера • Обмен хроматином, происходящий при кроссинговере, означает, что спирали ДНК, таким образом, разрываются, а затем концы разрыва воссоединяются, и притом так, чтобы обеспечить рекомбинацию. • Процесс конъюгации приводит к тесному сближению между гомологичными хромосомами, создавая возможность кроссинговера, однако дальнейший ход событий неясен. Тем не менее, поскольку все события, происходящие в клетке, — это химические процессы, в которых участвуют ферменты, наиболее разумное предположение состоит в том, что кроссинговер также зависит от действия ферментов. Во всяком случае нужные для этого ферменты существую Лекция 14(41) 35
Тема 13. 2. Деление клеток: митоз, мейоз • На рис. показана схема кроссинговера, в котором участвуют только две хромосомы. • I. Две несестринские, но гомологичные хроматиды, у которых произойдет кроссинговер между двумя сцепленными генами (две другие хроматиды, не участвующие в кроссинговере, опущены). • II. Индуцированные ферментами «зарубки» (указаны стрелками) в углеводно фосфатных остовах полинуклеотидных нитей двух двойных спиралей. • III. Разделение нитей, происходящее в результате разрыва водородных связей и предшествующее воссоединению с образованием новых генетических комбинаций. • IV. Комплементарное воссоединение хроматид (участки, заключенные в квадратные скобки), при котором остаются пустоты, подлежащие заполнению, и свободные избыточные концы полинуклеотидных нитей, подлежащие отсечению. • V. Результат завершенного кроссинговера : пустоты заполнены (показано точками), свободные концы отсечены и разрывы в углеводно фосфатном остове ликвидированы. Весь этот процесс разрыва и восстановления ДНК детерминируется ферментами; он, вероятно, происходит во всех клетках, но в мейотических клетках на стадии конъюгации он приводит к кроссинговеру. Лекция 14(41) 36
Тема 13. 2. Деление клеток: митоз, мейоз • Индуцированные ферментами «зарубки» , образующиеся в отдельных нитях каждой двойной спирали, вероятно, под действием эндонуклеазы, делают возможным разделение двойных спиралей в результате разрыва водородных связей, вслед за чем происходит воссоединение. Последнее носит строго комплементарный характер, но при этом в двойной спирали, очевидно, остаются пробелы, а также свободные неспаренные нити. Неспаренные участки могут быть удалены ферментом экзонуклеазой, пробел может заполниться под действием ДНК полимеразы – фермента, который может добавлять к растущей нити нуклеотиды в комплементарном порядке, и, наконец, полинуклеотид лигаза может заполнить пробел, объединяя растущую нить со старой. Число участвующих в этом новых нуклеотидов не должно быть слишком велико, и возможно, что его обеспечивает та незначительная репликация ДНК, которая обнаружена в мейотических клетках на стадиях зигонемы и пахинемы. • Конъюгацию, ведущую к образованию синаптинемального комплекса, можно рассматривать как способ, позволяющий сблизить гомологичные хромосомы до такой степени, чтобы «зарубки» в соответствующих хроматидах могли вступить во взаимодействие друг с другом, а это в свою очередь окажет воздействие на кроссинговер, повышая частоту обмена хроматидами и обеспечивая его реципрокный характер. Лекция 14(41) 37
Тема 13. 2. Деление клеток: митоз, мейоз Особенности мейоза у цветкового растения • У некоторых цветковых растений, например, у кукурузы, в результате мейоза образуются не гаметы, а бесполые споры. Из этих спор развиваются мужские и женские гаметофиты, или гаплоидные растения, которые путем митоза продуцируют гаметы (рис. ). • Мужские цветки собраны в соцветие (метелка, или султан); мейоз происходит в спорогенной ткани пыльников. Материнские клетки пыльцы, или микроспороциты, проделывают два деления мейоза, в результате которых образуются четыре гаплоидные микроспоры. • На одном и том же растении кукурузы находятся однополые мужские и женские цветки. • Единственное ядро каждой микроспоры делится митотически, после чего в каждой микроспоре оказывается по два ядра: генеративное ядро и ядро пыльцевой трубки. • Генеративное ядро претерпевает еще одно митотическое деление, образуя два ядра спермиев, после чего микроспора созревает, превращается в трехъядерное пыльцевое зерно и освобождается (рис. ). Рис. Развитие пыльцевого зерна кукурузы. А. Четыре микроспоры, образовавшиеся в результате двух мейотических делений микроспороцита. Б. Отдельная микроспора. В. Двуядерная микроспора — ядро пыльцевой трубки и генеративное ядро образовались в результате первого деления микроспоры. Г. Зрелое пыльцевое зерно, содержащее ядро пыльцевой трубки и два спермия, возникшие в результате митотического Деления генеративного ядра (на этой стадии развития пыльцевых зерен происходит их освобождение). Д. Проросшее пыльцевое зерно; в конце пыльцевой трубки находятся ее ядро и два спермия, которые переносятся в зародышевый мешок, где они оплодотворяют яйцеклетку. Лекция 14(41) 38
Тема 13. 2. Деление клеток: митоз, мейоз • Женское соцветие, или початок, образовано из отдельных цветков; каждый цветок состоит из завязи и длинного «шелка» , представляющего собой совокупность пестиков (столбиков и рылец). Завязь содержит единственную семяпочку (рис. ). Мегаспороцит эквивалентен ооциту животных, однако в отличие от ооцита он не превращается в результате мейоза непосредственно в яйцеклетку, а образует четыре расположенные в один ряд гаплоидные мегаспоры; три из них абортивные. Четвертая мегаспора развивается в мегагаметофит, а ее единственное ядро в результате трех митотических делений дает восемь ядер. На конце, противоположном микропиле, три из этих восьми ядер образуют группу антипод, а три остаются вблизи микропиле (одно из них становится ядром яйцеклетки, а две другие – так называемые синергиды – располагаются по обе его стороны); два оставшихся ядра сливаются в центре мегагаметофита и образуют диплоидное полярное ядро. Рис. Образование зародышевого мешка в семяпочке кукурузы. А. Мегаспора, которая в результате двух мейотических делений даст тетраду клеток. Б. Три из этих клеток распадаются, а оставшаяся клетка увеличивается и образует зародышевый мешок. В — Д. В результате последовательных митотических делений гаплоидной мегаспоры образуется восемь ядер (Д), которые располагаются следующим образом: три ядра на внутреннем конце зародышевого мешка — это антиподы; три ядра на его противоположном конце — это яйцеклетка и две синергиды; два ядра остаются в центре зародышевого мешка, где они сливаются и образуют диплоидное полярное ядро. Е. При оплодотворении один спермий сливается с яйцеклеткой, в результате чего получается зигота, а другой — с полярным ядром, так что получается триплоидное ядро эндосперма. В процессе развития семяпочки ядро эдосперма многократно делится, образуя богатую питательными веществами ткань, за счет которой происходит развитие зиготы, особенно во время прорастания. Лекция 14(41) 39
Тема 13. 2. Деление клеток: митоз, мейоз • Достигнув такого состояния, семяпочка готова к оплодотворению. Зрелое пыльцевое зерно, попав на рыльце, прорастает, образуя пыльцевую трубку, по которой два его спермия достигают микропиле и через него проникают в семяпочку. • Один спермий оплодотворяет ядро яйцеклетки, в результате чего образуется диплоидная зигота, которая в конечном счете даст новое растение или спорофит. • Другой спермий сливается с полярным ядром, образуя триплоидное ядро эндосперма; из него путем многократных митотических делений и формирования клеточных стенок разовьется эндосперм – богатая питательными веществами ткань, обеспечивающая питанием зародыш на ранних стадиях развития. Таким образом, у цветковых растений происходит двойное оплодотворение, а семя представляет собой мозаику из разных тканей: диплоидного покрова семяпочки, имеющего материнское происхождение и превращающегося затем в плотную оболочку семени; диплоидной зиготы, которая происходит от слияния яйцеклетки и спермия и из которой развивается зародыш; триплоидного эндосперма, происходящего от двух материнских ядер и одного отцовского. В создании следующего поколения участвует, конечно, только зародыш. **** Итак, оплодотворение — это способ, который посредством объединения ядер яйца и сперматозоида обеспечивает сочетание генетических вкладов обеих родительских особей в одной клетке. • Благодаря митозу каждая клетка тела имеет одну и ту же генетическую конституцию. • Мейоз, в процессе которого происходит конъюгация гомологичных хромосом, обеспечивает расщепление генов по отдельным гаметам. • Мейоз, сопровождающийся конъюгацией хромосом, образование хиазм, расхождением гомологичных центромер и хромосом в анафазе I и сестринских центромер и хроматид в анафазе II, обеспечивают разнообразные сочетания генов в гаплоидных гаметах и спорах, образующихся в результате мейоза. • Процессы мейоза и оплодотворения обеспечивают возникновение не просто новых особей, а новых особей, подверженных индивидуальной изменчивости. В этом смысле мейоз сильно отличается от митоза, который приводит к возникновению клеток с одинаковыми потенциями. Лекция 14(41) 40
Тема 13. 2. Деление клеток: митоз, мейоз Дополнительная литература 1. Свенсон К. , , Уэбстер П. . Клетка, М. , Мир, 1980, 162 220 2. Ченцов Ю. С. , Общая цитология, Изд. МГУ, 1978 3. Де. Робертис Е. , Новинский В. , Саэс Ф. , Общая цитология, ИИЛ, М. , 1962 4. Хэм А. , Кормак Д. , Гистология, т. 1, М. , Мир, 1982 5. Рис Э. , Стернберг М. От клеток к атомам (Иллюстрированное введение в молекулярную биологию), М. , Мир, 1988 41