Мейоз – осуществляется в клетках организмов, размножающихся половым путем.

Биологический смысл явления определяется новым набором признаков у потомков.

В данной работе рассмотрим сущность этого процесса и для наглядности представим его на рисунке, посмотрим последовательность и продолжительность деления половых клеток, а так же узнаем, в чем сходство и отличие митоза и мейоза.

Что такое мейоз

Процесс, сопровождающийся образованием четырех клеток с одинарным хромосомным набором из одной исходной.

Генетическая информация каждой новообразованной соответствует половине набора соматической клетки.

Фазы мейоза

Мейотичекое деление включает два этапа, состоящие из четырех фаз каждое.

Первое деление

Включает профазу I, метафазу I, анафазу I и телофазу I.

Профаза I

На данном этапе образуются две клетки с половинным набором генетической информации. Профаза первого деления включает несколько стадий. Ей предшествует предмейотическая интерфаза, во время которой идет репликация ДНК.

Затем происходит конденсация, образование длинных тонких нитей с протеиновой осью во время лептотены. Данная нить прикрепляется к мембране ядра с помощью концевых расширений – прикрепительных дисков. Половинки удвоенных хромосом (хроматиды) еще не различимы. При исследовании имеют вид монолитных структур.

Далее наступает стадия зиготены. Гомологи сливаются с образованием бивалентов, число которых соответствует одинарному числу хромосом. Процесс конъюгации (соединения) осуществляется между парными, сходными в генетическом и морфологическом аспекте. Причем взаимодействие начинается с концов, распространяясь вдоль тел хромосом. Комплекс из гомологов, связанных белковым компонентом – бивалент или тетрада.

Спирализация происходит во время стадии толстых нитей – пахитены. Здесь уже удвоение ДНК выполнено полностью, начинается кроссинговер. Это обмен участками гомологов. В результате формируются сцепленные гены с новой генетической информацией. Параллельно протекает транскрипция. Плотные участки ДНК – хромомеры — активируются, что приводит к изменению структуры хромосом по типу «ламповых щеток».

Гомологичные хромосомы конденсируются, укорачиваются, расходятся (исключая точки соединения — хиазмы). Это стадия в биологии диплотена или диктиотена. Хромосомы на данном этапе богаты РНК, которая синтезируется на этих же участках. По свойствам последняя близка к информационной.

Наконец, биваленты расходятся к периферии ядра. Последние укорачиваются, теряют ядрышки, становятся компактными, не связанными с ядерной оболочкой. Это процесс носит название диакинеза (перехода к делению клетки).

Метафаза I

Далее биваленты перемещаются к центральной оси клетки. От каждой центромеры отходят веретена деления, каждая центромера равноудалена от обоих полюсов. Небольшие по амплитуде движения нитей удерживают их в данном положении.

Анафаза I

Хромосомы, построенные из двух хроматид, расходятся. Происходит перекомбинация с уменьшением генетического разнообразия (в связи с отсутствием в наборе генов, расположенных в локусах (участках) гомологов).

Телофаза I

Суть фазы состоит в расхождении хроматид с их центромерами к противоположным участкам клетки. В животной клетке происходит цитоплазматическое деление, в растительной – образование клеточной стенки.

Второе деление

После интерфазы первого деления клетка готова ко второму этапу.

Профаза II

Чем длиннее телофаза, тем короче длительность профазы. Хроматиды выстраиваются вдоль клетки, образуя своими осями прямой угол относительно нитей первого мейотического деления. В эту стадию они укорачиваются и утолщаются, ядрышки подвергаются распаду.

Метафаза II

Центромеры вновь расположены в экваториальной плоскости.

Анафаза II

Хроматиды отделяются друг от друга, перемещаясь к полюсам. Теперь они носят название хромосом.

Телофаза II

Деспирализация, растяжение образованных хромосом, исчезновение веретена деления, удвоение центриолей. Гаплоидное ядро окружается ядерной мембраной. Формируются четыре новые клетки.

Таблица сравнения митоза и мейоза

Кратко и понятно особенности и отличия представлены в таблице.

Представленные данные – схема отличий, а сходства сводятся к одинаковым фазам, редупликации ДНК и спирализации перед началом клеточного цикла.

Биологическое значение мейоза

Какова же роль мейоза:

1. Дает новые сочетания генов вследствие кроссинговера.
2. Поддерживает комбинативную изменчивость. Мейоз – источник новых признаков в популяции.
3. Удерживает постоянное количество хромосом.

Заключение

Мейоз — сложный биологический процесс, в ходе которого образуются четыре клетки, с новыми признаками, полученными в результате кроссинговера.

Мейоз (от греч.мейозис – уменьшение) – это особый тип деления эукариотических клеток, при котором после однократного удвоения ДНК клеткаделится дважды , и из одной диплоидной клетки образуются 4 гаплоидные. Состоит из 2-х последовательных делений (обозначаютсяIиII); каждое из них, подобно митозу, включает 4 фазы (профазу, метафазу, анафазу, телофазу) и цитокинез.

Фазы мейоза:

Профаза I , она сложная, делится на 5 стадий:

1. Лептонема (от греч.leptos – тонкий,nema – нить) – хромосомы спирализуются и становятся видны как тонкие нити. Каждая гомологичная хромосома уже реплицирована на 99,9% и состоит из двух сестринских хроматид, связанных между собой в районе центромеры. Содержание генетического материала –2 n 2 xp 4 c . Хромосомы с помощью белковых скоплений (прикрепительных дисков ) закреплены обоими концами на внутренней мембране ядерной оболочки. Ядерная оболочка сохраняется, ядрышко видно.

2. Зигонема (от греч.zygon – парный) – гомологичные диплоидные хромосомы устремляются друг к другу и соединяются сначала в области центромеры, а затем – по всей длине (конъюгация ). Образуютсябиваленты (от лат.bi – двойной,valens – сильный), илитетрады хроматид. Число бивалентов соответствует гаплоидному набору хромосом, содержание генетического материала можно записать как1 n 4 xp 8 c . Каждая хромосома в одном биваленте происходит либо от отца, либо от матери.Половые хромосомы располагаются около внутренней ядерной мембраны. Эта область называетсяполовым пузырьком.

Между гомологичными хромосомами в каждом биваленте образуются специализированные синаптонемальные комплексы (от греч.synapsis – связь, соединение), которые представляют собой белковые структуры. При большом увеличении в комплексе видны две параллельные белковые нити толщиной 10 нм каждая, соединенные тонкими поперечными полосами размерами около 7 нм, по обе стороны от них лежат хромосомы в виде множества петель.

В центре комплекса проходит осевой элемент толщиной 20 – 40 нм. Синаптонемальный комплекс сравнивают сверевочной лестницей , стороны которой образованы гомологичными хромосомами. Более точное сравнение –застежка типа «молния» .

К концу зигонемы каждая пара гомологичных хромосом связана между собой с помощью синаптонемальных комплексов. Лишь половые хромосомы XиYконъюгируют не полностью, т. к. они неполностью гомологичны.

3. В пахинеме (от греч.pahys – толстый) биваленты укорачиваются и утолщаются. Между хроматидами материнского и отцовского происхождения в нескольких местах возникают соединения –хиазмы (от греч.chiazma – перекрест). В области каждой хиазмы формируется комплекс белков, участвующих врекомбинации (d~ 90 нм), и происходит обмен соответствующих участков гомологичных хромосом – от отцовской к материнской и наоборот. Этот процесс называюткросссинговером (от англ.с rossing - over – перекресток). В каждом биваленте человека, например, кроссинговер происходит в двух – трех участках.

4. В диплонеме (от греч.diploos – двойной) синаптонемальные комплексы распадаются, и гомологичные хромосомы каждого бивалентаотодвигаются друг от друга , но связь между ними сохраняется в зонах хиазм.

5. Диакинез (от греч.diakinein – проходить через). В диакинезе завершается конденсация хромосом, они отделяются от ядерной оболочки, но гомологичные хромосомы продолжают еще оставаться связанными между собой концевыми участками, а сестринские хроматиды каждой хромосомы – центромерами. Биваленты приобретают причудливую формуколец, крестов, восьмерок и т. д. В это время разрушаются ядерная оболочка и ядрышки. Реплицированные центриоли направляются к полюсам, к центромерам хромосом прикрепляются нити веретена деления.

В целом профаза мейоза очень длительна. При развитии спермиев она может длиться несколько суток, а при развитии яйцеклеток – в течение многих лет.

Метафаза I напоминает аналогичную стадию митоза. Хромосомы устанавливаются в экваториальной плоскости, образуя метафазную пластинку. В отличие от митоза, микротрубочки веретена прикрепляются к центромере каждой хромосомы лишь с одной стороны (со стороны полюса), а центромеры гомологичных хромосом расположены по обеим сторонам экватора. Связь между хромосомами с помощью хиазм продолжает сохраняться.

В анафазе I хиазмы распадаются, гомологичные хромосомы отделяются друг от друга и расходятся к полюсам.Центромеры этих хромосом, однако, в отличие от анафазы митоза,не реплицируются , а значит, сестринские хроматиды не расходятся. Расхождение хромосом носитслучайный характер . Содержание генетической информации становится1 n 2 xp 4 c у каждого полюса клетки, а в целом в клетке –2(1 n 2 xp 4 c ) .

В телофазе I , как и при митозе, формируются ядерные оболочки и ядрышки, образуется и углубляетсяборозда деления. Затем происходитцитокинез . В отличие от митоза, деспирализации хромосом не происходит.

В результате мейоза Iобразуются 2 дочерние клетки, содержащие гаплоидный набор хромосом; при этом каждая хромосома имеет 2 генетически отличные (рекомбинантные) хроматиды:1 n 2 xp 4 c . Следовательно, в результате мейозаIпроисходитредукция (уменьшение вдвое) числа хромосом, откуда и название первого деления –редукционное .

После окончания мейоза Iнаступает короткий промежуток -интеркинез , в течение которого не происходит репликации ДНК и удвоения хроматид.

Профаза II недлительна, и конъюгации хромосом при этом не наступает.

В метафазе II хромосомы выстраиваются в плоскости экватора.

В анафазе II ДНК в области центромеры реплицируется, как это происходит и в анафазе митоза, хроматиды расходятся к полюсам.

Послетелофазы II ицитокинеза II образуются дочерние клетки с содержанием генетического материала в каждой –1 n 1 xp 2 c . В целом, второе деление называетсяэквационным (уравнительным).

Итак, в результате двух последовательных делений мейоза образуются 4 клетки, каждая из которых несет гаплоидный набор хромосом.

Сущность мейоза — образование клеток с гаплоидным набором хромосом .

Мейоз состоит из двух последовательных делений.

Между ними не происходит репликации ДНК – поэтому и набор гаплоидный.

Благодаря этому процессу происходит:

• гаметогенез;
• с порообразование у растений;
• и зменчивость наследственной информации

Теперь давайте поподробнее рассмотрим этот процесс.

Мейоз представляет собой 2 деления , следующих друг за другом.

В результате чего образуются как правило четыре клетки (за исключением например, где после первого деления, вторая клетка дальше не делится, а редуцируется сразу).

Здесь еще один важный момент: в результате мейоза как правило три клетки из четырех редуцируются, остается одна, то есть происходит естественный отбор . Это тоже одна из задач мейоза.

Интерфаза первого деления :

клетка переходит из состояния 2n2c в 2n4c , так как произошла репликация ДНК.

Профаза:

В первом делении происходит важный процесс – кроссинговер .

В профазе I мейоза , каждая из уже скрученных двухроматидных хромосом, унивалентов тесно сближается с гомологичной ей. Это называется (ну путать с конъюгацией инфузорий ), или синапсис . Пара сблизившихся гомологичных хромосом называется

Затем хроматида перекрещивается с гомологичной (несестренской) хроматидой на соседней хромосоме (с которой образован бивалент ). Места скрещивания хроматид называется . Хиазмы открыл в 1909 году бельгийский ученый Франс Альфонс Янсенс.

А потом кусочек хроматиды отрывается в месте хиазмы и перескакивает на другую (гомологичную т.е. несестренскую) хроматиду.

Произошла рекомбинация генов .

Результат: часть генов перекочевало с одной гомологичной хромосомы на другую.

До кроссинговера одна гомологичная хромосома обладала генами от материнского организма, а вторая от отцовского. А после обе гомологичные хромосомы обладают генами как материнского так и отцовского организма.

Значение кроссинговера таково: в результате этого процесса образуются новые комбинации генов, следовательно больше наследственная изменчивость, следовательно больше вероятность появления новых признаков, которые могут оказаться полезными.

Синапсис (конъюгация) при мейозе происходит всегда, а вот кроссинговер может и не произойти.

Из-за этих всех процессов: конъюгация, кроссинговер профаза I более продолжительна, чем профаза II.

Метафаза

Основное отличие первого деления мейоза от

в митозе по экватору выстраиваются двухроматидные хромосомы, а в первом делении мейоза биваленты гомологичных хромосом, к каждой из которых прикрепляются нити веретена деления .

Анафаза

из-за того, что по экватору выстроились биваленты , происходит расхождение гомологичных двухроматидных хромосом. В отличии от митоза , в котором расходятся хроматиды одной хромосомы.

Телофаза

Образовавшиеся клетки из состояния 2n4c становятся n2c , чем опять таки отличаются от клеток, образовавшихся в результате митоза : во-первых, они гаплоидны . Если в митозе по завершении деления образуются абсолютно идентичные клетки, то то в первом делении мейоза каждая клетка содержит только одну гомологичную хромосому.

Ошибки расхождения хромосом при первом деления могут повлечь за собой трисомию. То есть наличие в одной паре гомологичных хромосом еще одной хромосомы. Например у человека трисомия по 21 является причиной Синдрома Дауна.

Интерфаза между первым и вторым делением

— либо очень короткая, либо ее нет вовсе. Поэтому перед вторым делением не происходит репликация ДНК . Это очень важно, так как второе деление вообще нужно для того, чтобы клетки получились гаплоидные с однохроматидными хромосомами.

Второе деление

– происходит почти так же как митотическое деление. Только в деление вступают гаплоидные клетки с двухроматидными хромосомами (n2c), каждая из которых выстраивается по экватору, нити веретена деления прикрепляются к центромерам каждой хроматиды каждой хромосомы в метафазе II. В анафазе II хроматиды расходятся. И в телофазе II образуются гаплоидные клетки с однохроматидными хромосомами (nc ). Это необходимо, чтобы при слиянии с другой такой же клеткой (nc) образовалась «нормальная» 2n2c.

Мейоз — важнейший процесс клеточного деления, происходящего накануне формирования половых клеток и открытый еще в конце XIX в., долгое время оставался предметом пристального внимания весьма узкого круга цитологов. Он попал в поле зрения молекулярных биологов лишь в 90-х годах XX в. Бурному развитию исследований в этой области способствовали работы по молекулярной генетике модельных объектов, а также появление новых иммуноцитохимических методов, которые дали в руки исследователей удобный способ изучения белков, участвующих в мейозе .

У всех эукариот во время мейоза формируется субмикроскопическая структура, получившая название синаптонемный комплекс (от греч. synaptos — соединенный, пета — нить). Исследование молекулярной организации этого комплекса и его роли в мейозе показало, что он нужен для рекомбинации хромосом и редукции их числа. Об этом и пойдет речь в данной статье.

Но сначала напомним основные сведения о мейозе, состоящем из двух делений: мейоза I и мейоза II. В результате редукционного деления (мейоза I) число хромосом в дочерних клетках уменьшается в два раза по сравнению с набором хромосом родительской клетки. Это происходит потому, что количество ДНК в хромосомах удваивается только один раз перед мейозом I (рис. 1). Двукратная редукция числа хромосом в ходе формирования половых клеток позволяет при оплодотворении восстановить исходное (диплоидное) число хромосом и сохранить его постоянство. Для этого необходимо строгое разделение пар гомологичных хромосом между половыми клетками. При ошибках возникает анеуплоидия — нехватка или избыток хромосом, и этот дисбаланс приводит к гибели зародыша или тяжелым аномалиям развития (у человека к так называемым хромосомным болезням).

Структура и функция синаптонемного комплекса

Синаптонемный комплекс представляет собой две белковые оси гомологичных хромосом, соединяющихся с помощью белковой «застежки-молнии» (рис. 2). Зубцы «застежки» — это палочковидные димеры из параллельно уложенных и одинаково ориентированных белковых молекул с длинной α-спиралью в середине молекулы. У дрожжей S. cerevisiae — это белок Zip1, у млекопитающих и человека — SCP1 (SYCP1). Эти белки своими С-концами закреплены на хромосомных осях (латеральных элементах комплекса), а N-концами направлены навстречу друг другу, внутрь центрального пространства (рис. 3). На N-концах молекул находятся заряженные «шпоры» — чередующиеся пики плотностей положительных и отрицательных зарядов аминокислот (рис. 4), комплементарное взаимодействие которых обеспечивает прочную электростатическую связь зубцов.

Так называемое центральное пространство комплекса (щель между белковыми осями, заполненная зубцами «застежки», шириной около 100 нм), как и весь комплекс (его сечение — порядка 150-200 нм) в обычном световом микроскопе не видны, поскольку весь комплекс замаскирован хроматином. Впервые синаптонемный комплекс увидели на ультратонких (толщиной 0,8 мкм) срезах семенников речного рака и мыши с помощью просвечивающего электронного микроскопа. Его обнаружили в 1956 г. независимо друг от друга два американских исследователя — М. Мозес и Д. В. Фоссет .

Теперь при исследовании комплекса используют так называемый метод микроспредирования. Клетки семенников (или пыльников растений) после гипотонического шока помещают на пластиковую подложку, нанесенную на предметное стекло. Содержимое лопнувшей клетки фиксируется слабым раствором формальдегида и контрастируется солями тяжелых металлов (лучше всего — AgNО 3). Стекло просматривают в фазовоконтрастном микроскопе и по косвенным признакам выбирают клетки, которые должны содержать комплекс. Кружочек пленки с нужной клеткой подхватывают на металлическую сеточку и помещают ее в электронный микроскоп (рис. 5). По необходимости перед контрастированием клетки обрабатывают антителами к интересующим исследователя белкам. Эти антитела метят калиброванными гранулами коллоидного золота, которые хорошо видны в электронном микроскопе.

В ходе профазы мейоза I синаптонемный комплекс удерживает параллельно расположенные гомологичные хромосомы почти до момента их построения на экваторе клетки (метафаза I). Хромосомы соединяются с помощью синаптонемного комплекса на некоторое время (от 2 ч у дрожжей до 2-3 сут. у человека), в течение которого между гомологичными хромосомами совершается обмен гомологичными участками ДНК — кроссинговер . В кроссинговере, происходящем с частотой не менее одного события (чаще — два, реже три или четыре) на пару гомологичных хромосом, участвуют десятки специфичных для мейоза белков-ферментов.

Молекулярный механизм кроссинговера и его генетические последствия — это две большие темы, выходящие за рамки задач данного рассказа. Нас этот процесс интересует потому, что в результате него гомологичные хромосомы прочно связываются перекрещенными молекулами ДНК (хиазмами) и необходимость попарного удержания хромосомы с помощью синаптонемного комплекса отпадает (после завершения кроссинговера комплекс исчезает). Гомологичные хромосомы, соединенные хиазмами, выстраиваются на экваторе веретена клеточного деления и расходятся с помощью нитей веретена клеточного деления в разные клетки. После завершения мейоза число хромосом в дочерних клетках уменьшается вдвое.

Итак, только накануне мейоза I структура хромосом радикально меняется. Очень специфическая внутриядерная и межхромосомная структура — синаптонемный комплекс — возникает один раз в жизненном цикле организма на короткое время для попарного соединения гомологичных хромосом и кроссинговера, а затем демонтируется. Эти и многие другие события в ходе мейоза на молекулярном и субклеточном (ультраструктурном) уровнях обеспечиваются работой многочисленных белков, выполняющих структурные, каталитические и кинетические (моторные) функции.

Белки синаптонемного комплекса

Еще в далекие 70-е годы мы получили косвенные доказательства того, что синаптонемный комплекс формируется путем самосборки его элементов, которая может происходить и в отсутствие хромосом. Эксперимент поставила сама природа, а нам удалось его наблюдать. Оказалось, что у свиной аскариды в цитоплазме клеток, готовящихся к мейозу I, появляются пакеты или «штабеля» абсолютно правильно уложенных морфологических элементов синаптонемного комплекса (хотя в цитоплазме нет хромосом: они — в ядре). Поскольку на стадии подготовки клеток к мейозу в клеточных ядрах еще нет синаптонемного комплекса, появилось предположение о несовершенстве контроля очередности событий мейоза у этого примитивного организма. Избыток новосинтезированных белков в цитоплазме приводит к их полимеризации и возникновению структуры, не отличающейся от синаптонемного комплекса . Эта гипотеза получила подтверждение только в 2005 г. благодаря работе интернациональной группы исследователей, работающих в Германии и Швеции. Они показали, что если ген, кодирующий белок зубцов «застежки-молнии» млекопитающих (SCP1), внедрить в соматические клетки, растущие на искусственной питательной среде, и активировать его, то внутри культивируемых клеток возникает мощная сеть из белков SCP1, «застегнутых» между собой так же, как в центральном пространстве комплекса. Формирование слоя из сплошных белковых «застежек-молний» в культуре клеток означает, что предсказанная нами способность белков комплекса к самосборке доказана .

В 1989 и в 2001 гг. сотрудники нашей лаборатории О. Л. Коломиец и Ю. С. Федотова исследовали естественный «демонтаж» синаптонемных комплексов на завершающих этапах их существования. Этот многоэтапный процесс лучше всего удалось проследить на материнских клетках пыльцы в пыльниках ржи, где есть частичная синхронность мейоза . Выяснилось, что латеральные элементы комплекса демонтируются путем постепенного «раскручивания» белковой суперспирали, имеющей три уровня упаковки (рис. 6).

Основа протяженных латеральных элементов — комплекс из четырех белков когезинов (от англ. cohesion — сцепление). Накануне мейоза в хромосомах появляется специфичный белок когезин Rec8, который заменяет соматический когезин Rad21. Затем к нему присоединяются три других белка-когезина, присутствующие и в соматических клетках, но вместо соматического когезина SMC1 появляется специфический для мейоза белок SMC1b (его N-конец на 50% отличается от N-конца соматического белка SMC1). Этот когезиновый комплекс располагается внутри хромосомы между двумя сестринскими хроматидами, удерживая их вместе. С комплексом когезинов связываются мейоз-специфичные белки, которые становятся мажорными белками хромосомных осей и превращают их (эти оси) в латеральные элементы синаптонемного комплекса . У млекопитающих мажорные белки синаптонемного комплекса — SCP2 и SCP3, у дрожжей белки Hop1 и Red1, а мейоз-специфичный белок — Rec8.

Эволюционный парадокс белков

У млекопитающих и дрожжей белки синаптонемного комплекса имеют разные аминокислотные последовательности, но их вторичная и третичная структуры одинаковы. Так, белок «застежки-молнии» SCP1 у млекопитающих и негомологичный ему белок Zip1 у дрожжей построены по единому плану. Они состоят из трех аминокислотных доменов: центральный — α-спираль, способная к формированию спирали второго порядка (суперспирализации), и два концевых домена — глобулы. Мажорные белки SCP2 и SCP3, не имеющие никакой гомологии с белками Hop1 и Red1 дрожжей и, видимо, с еще недостаточно изученными белками комплекса у растений, также строят морфологически и функционально одинаковые структуры синаптонемного комплекса . Это значит, что первичная структура (последовательность аминокислот) этих белков — эволюционно нейтральный признак.

Итак, негомологичные белки у эволюционно далеких организмов строят синаптонемный комплекс по единому плану. Объясняя этот феномен, воспользуюсь аналогией со строительством домов из разных материалов, но по единому плану Важно, чтобы в таких домах были стены, перекрытия, крыша и чтобы строительные материалы соответствовали условиям прочности. Равным образом, при формировании синаптонемного комплекса необходимы латеральные элементы («стены»), поперечные филаменты (зубцы «застежки-молнии») — «перекрытия» и центральное пространство (помещение для «кухни»). Там должны поместиться «кухонные роботы» — комплексы ферментов рекомбинации, собранные в так называемые «рекомбинационные узелки».

Ширина центрального пространства синаптонемного комплекса у дрожжей, кукурузы и человека составляет примерно 100 нм. Это обусловлено длиной односпиральных участков ДНК, покрытых белком рекомбинации Rad51. Этот белок относится к группе ферментов (подобных бактериальному белку рекомбинации RecA), которые сохраняют гомологию со времен появления рекомбинации молекул ДНК (примерно 3,5 млрд лет назад). Неизбежность гомологии белков рекомбинации у далеких организмов определяется их функцией: они взаимодействуют с двойной спиралью ДНК (одинаковой у бактерий и млекопитающих), разделяя ее на односпиральные нити, покрывают их белковым чехлом, переносят одну нить в гомологичную хромосому и там снова восстанавливают двойную спираль. Естественно, что большинство ферментов, участвующих в этих процессах, сохраняют гомологию более 3 млрд лет. В противоположность им синаптонемные комплексы, появившиеся у эукариот после возникновения мейоза (около 850 млн лет назад), построены из негомологичных белков... но схема их доменного строения одинакова. Откуда взялась эта схема?

Подсказкой служит упомянутый белок Rec8, с которого начинается формирование хромосомных осей в цикле мейоза и который есть у всех изученных организмов. Можно предположить, что строительным материалом для осей мейотических хромосом и латеральных элементов синаптонемного комплекса могут быть любые итермедиатные белки, которые способны образовывать волокнистую структуру (SCP2, Hop1 и др.), взаимодействовать с когезином Rec8 и «осаждаться» на нем, как бетон на металлической арматуре.

В последние годы, испытывая трудности в проведении экспериментальной работы из-за недостаточного финансирования, мы стали активно использовать методы биоинформатики. Нас интересовал белок «застежки-молнии» у дрозофилы. Учитывая сходство вторичной и третичной структур белков Zip1 дрожжей и SCP1 человека, мы предположили, что белок «застежки-молнии» у дрозофилы имеет такое же строение. Мы приступили к работе в 2001 г., когда геном дрозофилы уже был секвенирован и стало известно, что в нем имеется примерно 13 тыс. потенциальных генов. Как же найти ген для искомого нами белка?

Среди 125 известных к тому времени генов мейоза у дрозофилы мы предвидели лишь одного кандидата на эту роль. Дело в том, что мутация гена c(3)G лишала хромосомы способности соединяться попарно с помощью «застежки-молнии» и вступать в рекомбинацию. Мы предположили, что у мутантов дефектен белок, формирующий субмикроскопические зубцы «застежки». Вторичная структура и конформация искомого белка должна быть аналогична белкам Zip1 и SCP1.

Зная, что ген c(3)G находится у дрозофилы в хромосоме 3, мы искали в базе данных об этом районе (составляющем 700 тыс. пар нуклеотидов) такую открытую рамку считывания, которая могла бы кодировать похожий белок. Мы понимали, что при отсутствии гомологии в первичной структуре искомого белка и дрожжевого их размер, организация (из трех доменов) и способность центрального домена формировать α-спираль определенной длины (около 40 нм) должны быть аналогичными. Об этом говорило сходство электронно-микроскопической картины синаптонемного комплекса в мейозе у дрожжей и у дрозофилы.

Просмотрели открытые рамки считывания почти для 80 генов в районе поиска. С помощью компьютерных программ, позволяющих прогнозировать вторичную структуру виртуального белка, его физико-химические свойства и распределение электростатических зарядов в молекулах, Т. М. Гришаева нашла такую рамку считывания на границе зоны локализации гена c(3)G. (Это не очень точно предсказали японские генетики на микроскопической карте хромосом.) Им оказался ген CG1J604 по геномной карте компании «Селера».

Мы заключили, что этот виртуальный ген должен быть давно известным геном c(3)G и кодировать белок, аналогичный белку Zip1 дрожжей. В ответ на наше сообщение мы получили электронное письмо из США от С. Хоули. Он экспериментально доказал, что ген c(3)G кодирует белок, формирующий «застежку-молнию» между хромосомами в мейозе у дрозофилы . Результаты наших работ совпали, но экспериментальная работа группы Хоули заняла около семи лет, а наша компьютерная работа силами трех человек — лишь около трех месяцев. Статьи вышли из печати одновременно. В 2003 г. мы опубликовали метод наших компьютерных поисков и привели примеры аналогичных виртуальных белков у других организмов . Эту работу сейчас охотно цитируют зарубежные коллеги, и наш метод успешно работает в их руках в сочетании с экспериментальной проверкой. Так, в 2005 г. группа английских биологов обнаружила ген и белок зубцов «застежки-молнии» у растения Arabidopsis thaliana .

В заключение приведу пример еще одной находки в области молекулярной биологии мейоза, но надо начать с митоза. Для того чтобы в анафазе митоза хроматиды разошлись, нужно разрушить «склеивающий» их когезин. Гидролиз когезинов во время митоза — это генетически программируемое событие. А вот в метафазе мейоза I, когда гомологичные хромосомы выстроены на экваторе клетки и белковое веретено готово растащить их к полюсам, гидролиз когезинов оказывается невозможным. Именно поэтому обе хроматиды каждой хромосомы, склеенные между собой в области кинетического центра хромосом (кинетохора), направляются к одному полюсу (см. рис. 1). В конце 90-х годов японские исследователи, изучая мейоз у дрожжей, установили, что в районе кинетохора когезины защищены белком, названным ими шугошином (корень этого термина взят из лексикона самураев и означает защиту). Очень быстро мировое сообщество исследователей мейоза пришло к выводу, что аналогичные белки-шугошины есть у дрозофилы, у кукурузы и у других объектов. При этом гены, «запрещающие» разъединение хроматид в мейозе I у дрозофилы, были известны лет за 10 до этого, но их белковый продукт не был расшифрован. А в 2005 г. группа американских исследователей из Калифорнийского университета в Беркли, среди которых и наша соотечественница и моя давняя коллега по исследованию мейоза И. Н. Голубовская, сообщила, что во время метафазы I мейоза в хромосомах кукурузы шугошин ZmSGO1 расположен по обе стороны от кинетохоров, причем появляется он в этом районе только в том случае, если там уже есть когезин Rec8, которого он и защищает от гидролиза (но только в мейозе I). Эти результаты получены с помощью флюоресцирующих антител к белкам и конфокального микроскопа . Остается добавить, что японские исследователи тут же сообщили, что шугошин защищает Rec8 от гидролиза, если шугошин дефосфорилирован. Фосфорилирование и дефосфорилирование, так же как ацетилирование и деацетилирование, — важные модификации, меняющие свойства белковых молекул.

Прикладной аспект

Все рассказанное — красивая фундаментальная наука, а можно ли использовать эти знания в практических целях? Можно. Еще в середине 80-х годов британские исследователи и наша лаборатория на разных экспериментальных моделях доказали, что, используя микроспреды синаптонемных комплексов, можно выявить в два раза больше хромосомных перестроек (делеций, транслокаций, инверсий) по сравнению с традиционным методом анализа хромосом на стадии метафазы (рис. 7). Дело в том, что синаптонемный комплекс — скелетная структура мейотических хромосом в профазе. В это время хромосомы примерно в 10 раз длиннее, что значительно повышает разрешающую способность анализа. Однако исследовать запутанные в клубок профазные хромосомы практически невозможно, а жесткие скелетные структуры си-наптонемного комплекса не боятся распластывания, и, кроме того, электронный микроскоп способен различать миниаберрации, недоступные световому микроскопу.

Мы задались вопросом: можно ли установить причину стерильности потомства облученных мышей, изучая не хромосомы, а синаптонемный комплекс? Оказалось, что у стерильных мышей, унаследовавших от родителей хромосомные транслокации, эти перестройки выявляются с помощью комплекса в 100% исследуемых клеток, а при обычных методах «метафазного» анализа — лишь в 50% клеток . Группа испанских исследователей обследовала более 1 тыс. мужчин, страдающих бесплодием. У трети из них причину бесплодия ранее не удавалось установить, а изучение синаптонемного комплекса из клеток семенников этих пациентов позволило половине из них поставить диагноз: причина бесплодия в отсутствии синаптонемного комплекса, из-за чего сперматоциты (клетки-предшественники сперматозоидов) не развиваются, т. е. наблюдался «арест» процесса мейоза и всего сперматогенеза . Аналогичные результаты получены О. Л. Коломиец совместно с врачами из Харькова. Исследование синаптонемного комплекса в сочетании с другими методами анализа повышает процент выявления причин бесплодия у обследованных пациентов-мужчин с 17 до 30% . Некоторые английские клиники уже в 90-х годах XX в. активно использовали подобные методы. Такая диагностика, конечно, требует высокой теоретической и практической квалификации врачей и использования электронных микроскопов. Российские лаборатории еще не достигли такого уровня, за исключением Института общей генетики им. Н. И. Вавилова РАН (Москва) и Института цитологии и генетики СО РАН (Новосибирск).

Можно думать, что интенсивные исследования механизмов мейоза неизбежно приведут к применению полученных знаний в тех областях биологии и медицины, которые связаны с фертильностью живых организмов, включая человека. Однако закон применения научных достижений на практике неизменен: «внедрять» что-либо силой — бесполезно. Практики сами должны следить за достижениями науки и использовать их. Именно такой подход применяют передовые фармакологические и биотехнологические фирмы.

От открытия мейоза (1885) до открытия синаптонемного комплекса (1956) прошло примерно 70 лет, а с 1956 г. до открытия белков синаптонемного комплекса (1986) — еще 30. За последующие 20 лет мы узнали структуру этих белков, кодирующие их гены, взаимодействие белков при построении и работе синаптонемных комплексов, в частности, их взаимодействие с белками-ферментами рекомбинации ДНК и т. д., т. е. больше, чем за предшествующий 30-летний период описательных цитологических исследований. Возможно, для расшифровки основных молекулярных механизмов мейоза потребуется не более двух десятков лет. История науки, как и всей цивилизации, характеризуется «сжатием времени», нарастающим уплотнением событий и открытий.

Литература:

1. Page S.L., Hawley R.S. // Annu. Rev. Cell Develop. Biol. 2004. V. 20. P. 525-558.
2. Moses M.J. //Chromosoma. 2006. V. 115. P. 152-154.
3. Bogdanov Yu.F. // Chromosoma. 1977. V. 61. P. 1-21.
4. OllingerR. et al. //Moll. Biol. Cell. 2005. V. 16. P. 212-217.
5. Fedotova Y.S. et al. // Genome. 1989. V. 32. P. 816-823; Коломиец О.Л. и др. // Биологические мембраны. 2001. Т. 18. С. 230-239.
6. Bogdanov Yu.F. et al. // Int. Review. Cytol. 2007. V. 257. P. 83-142.
7. Богданов Ю.Ф. // Онтогенез. 2004. T. 35. №6. C. 415-423.
8. Grishaeva T.M. et al. // Drosophila Inform. Serv. 2001. V. 84. P. 84-89.
9. Page S.L., Hawley R.S. // Genes Develop. 2001. V. 15. P. 3130-3143.
10. Bogdanov Yu.F. et al. // In Silico Biol. 2003. V. 3. P. 173-185.
11. Osman K. et al. // Chromosoma. 2006. V. 115. P. 212-219.
12. Hamant O., Golubovskaya I. et al. // Curr. Biol. 2005. V. 15. P. 948-954.
13. Kalikinskaya E.I. et al. // Mut. Res. 1986. V. 174. P. 59-65.
14. Egozcue J. et al. // Hum. Genet. 1983. V. 65. P. 185-188; Carrara R. et al. // Genet. Mol. Biol. 2004. V. 27. P. 477-482.
15. Богданов Ю.Ф., Коломиец О.Л. Синаптонемный комплекс. Индикатор динамики мейоза и изменчивости хромосом. М., 2007.

Мейоз

Основные понятия и определения

Мейозом называется особый способ деления эукариотических клеток, при котором исходное число хромосом уменьшается в 2 раза (от древнегреч. «мейон » – меньше – и от «мейозис » – уменьшение). Часто уменьшение числа хромосом называется редукцией .

Исходное число хромосом в мейоцитах (клетках, вступающих в мейоз) называется диплоидным хромосомным числом (2n ) Число хромосом в клетках, образовавшихся в результате мейоза, называется гаплоидным хромосомным числом (n ).

Минимальное число хромосом в клетке называется основным числом (x ). Основному числу хромосом в клетке соответствует и минимальный объем генетической информации (минимальный объем ДНК), который называется гено м. Количество гено мов в клетке называется гено мным числом (Ω). У большинства многоклеточных животных, у всех голосеменных и многих покрытосеменных растений понятие гаплоидности–диплоидности и понятие гено много числа совпадают. Например, у человека n =x =23 и 2n =2x =46.

Главной особенностью мейоза является конъюгация (спаривание) гомологичных хромосом с последующим расхождением их в разные клетки. Мейотическое распределение хромосом по дочерним клеткам называется сегрегацией хромосом .

Краткая история открытия мейоза

Отдельные фазы мейоза у животных описал В. Флемминг (1882), а у растений – Э.Страсбургер (1888), а затем российский ученый В.И. Беляев. В это же время (1887) А. Вайсман теоретически обосновал необходимость мейоза как механизма поддержания постоянного числа хромосом. Первое подробное описание мейоза в ооцитах кролика дал Уиниуортер (1900). Изучение мейоза продолжается до сих пор.

Общий ход мейоза

Типичный мейоз состоит из двух последовательных клеточных делений, которые соответственно называются мейоз I и мейоз II . В первом делении происходит уменьшение числа хромосом в два раза, поэтому первое мейотическое деление называют редукционным , реже – гетеротипным . Во втором делении число хромосом не изменяется; такое деление называют эквационным (уравнивающим), реже – гомеотипным . Выражения «мейоз» и «редукционное деление» часто используют как синонимы.

Интерфаза

Предмейотическая интерфаза отличается от обычной интерфазы тем, что процесс репликации ДНК не доходит до конца: примерно 0,2...0,4 % ДНК остается неудвоенной. Таким образом, деление клетки начинается на синтетической стадии клеточного цикла. Поэтому мейоз образно называют преждевременным митозом. Однако в целом, можно считать, что в диплоидной клетке (2n ) содержание ДНК составляет 4с .

При наличии центриолей происходит их удвоение таким образом, что в клетке имеется две диплосомы, каждая из которых содержит пару центриолей.

Первое деление мейоза (редукционное деление , или мейоз I)

Сущность редукционного деления заключается в уменьшении числа хромосом в два раза: из исходной диплоидной клетки образуется две гаплоидные клетки с двухроматидными хромосомами (в состав каждой хромосомы входит 2 хроматиды).

Профаза 1 (профаза первого деления) состоит из ряда стадий:

Лептотена (стадия тонких нитей). Хромосомы видны в световой микроскоп в виде клубка тонких нитей. Раннюю лептотену, когда нити хромосом видны еще очень плохо, называют пролептотена .

Зиготена (стадия сливающихся нитей). Происходит конъюгация гомологичных хромосом (от лат. conjugatio – соединение, спаривание, временное слияние). Гомологичные хромосомы (или гомологи) – это хромосомы, сходные между собой в морфологическом и генетическом отношении. У нормальных диплоидных организмов гомологичные хромосомы – парные: одну хромосому из пары диплоидный организм получает от матери, а другую – от отца. При конъюгации образуются биваленты . Каждый бивалент – это относительно устойчивый комплекс из одной пары гомологичных хромосом. Гомологи удерживаются друг около друга с помощью белковых синаптонемальных комплексов . Один синаптонемальный комплекс может связывать только две хроматиды в одной точке. Количество бивалентов равно гаплоидному числу хромосом. Иначе биваленты называются тетрады , так как в состав каждого бивалента входит 4 хроматиды.

Пахитена (стадия толстых нитей). Хромосомы спирализуются, хорошо видна их продольная неоднородность. Завершается репликация ДНК (образуется особая пахитенная ДНК ). Завершается кроссинговер – перекрест хромосом, в результате которого они обмениваются участками хроматид.

Диплотена (стадия двойных нитей). Гомологичные хромосомы в бивалентах отталкиваются друг от друга. Они соединены в отдельных точках, которые называются хиазмы (от древнегреч. буквы χ – «хи»).

Диакинез (стадия расхождения бивалентов). Отдельные биваленты располагаются на периферии ядра.

Метафаза I (метафаза первого деления)

В прометафазе I ядерная оболочка разрушается (фрагментируется). Формируется веретено деления. Далее происходит метакинез – биваленты перемещаются в экваториальную плоскость клетки.

Анафаза I (анафаза первого деления)

Гомологичные хромосомы, входящие в состав каждого бивалента, разъединяются, и каждая хромосома движется в сторону ближайшего полюса клетки. Разъединения хромосом на хроматиды не происходит. Процесс распределения хромосом по дочерним клеткам называется сегрегация хромосом .

Телофаза I (телофаза первого деления)

Гомологичные двухроматидные хромосомы полностью расходятся к полюсам клетки. В норме каждая дочерняя клетка получает одну гомологичную хромосому из каждой пары гомологов. Формируются два гаплоидных ядра, которые содержат в два раза меньше хромосом, чем ядро исходной диплоидной клетки. Каждое гаплоидное ядро содержит только один хромосомный набор, то есть каждая хромосома представлена только одним гомологом. Содержание ДНК в дочерних клетках составляет 2с .

В большинстве случаев (но не всегда) телофаза I сопровождается цитокинезом .

Интеркинез

Интеркинез – это короткий промежуток между двумя мейотическими делениями. Отличается от интерфазы тем, что не происходит репликации ДНК, удвоения хромосом и удвоения центриолей: эти процессы произошли в предмейотической интерфазе и, частично, в профазе I.

Второе деление мейоза (эквационное деление , или мейоз II)

В ходе второго деления мейоза уменьшения числа хромосом не происходит. Сущность эквационного деления заключается в образовании четырех гаплоидных клеток с однохроматидными хромосомами (в состав каждой хромосомы входит одна хроматида).

Профаза II (профаза второго деления)

Не отличается существенно от профазы митоза. Хромосомы видны в световой микроскоп в виде тонких нитей. В каждой из дочерних клеток формируется веретено деления.

Метафаза II (метафаза второго деления)

Хромосомы располагаются в экваториальных плоскостях гаплоидных клеток независимо друг от друга. Эти экваториальные плоскости могут лежать в одной плоскости, могут быть параллельны друг другу или взаимно перпендикулярны.

Анафаза II (анафаза второго деления)

Хромосомы разделяются на хроматиды (как при митозе). Получившиеся однохроматидные хромосомы в составе анафазных групп перемещаются к полюсам клеток.

Телофаза II (телофаза второго деления)

Однохроматидные хромосомы полностью переместились к полюсам клетки, формируются ядра. Содержание ДНК в каждой из клеток становится минимальным и составляет 1с .

Типы мейоза и его биологическое значение

В общем случае в результате мейоза из одной диплоидной клетки образуется четыре гаплоидные клетки. При гаметном мейозе из образовавшихся гаплоидных клеток образуются гаметы. Этот тип мейоза характерен для животных. Гаметный мейоз тесно связан с гаметогенезом и оплодотворением . При зиготном и споровом мейозе образовавшиеся гаплоидные клетки дают начало спорам или зооспорам. Эти типы мейоза характерны для низших эукариот, грибов и растений. Споровый мейоз тесно связан со спорогенезом . Таким образом, мейоз – это цитологическая основа полового и бесполого (спорового) размножения .

Биологическое значение мейоза заключается в поддержании постоянства числа хромосом при наличии полового процесса. Кроме того, вследствие кроссинговера происходит рекомбинация – появление новых сочетаний наследственных задатков в хромосомах. Мейоз обеспечивает также комбинативную изменчивость – появление новых сочетаний наследственных задатков при дальнейшем оплодотворении.

Ход мейоза находится под контролем генотипа организма, под контролем половых гормонов (у животных), фитогормонов (у растений) и множества иных факторов (например, температуры).