Komu pripada opis faz mejoze? Faze mejoze. Kot rezultat celotnega procesa mejoze po dveh delitvah iz ene celice nastanejo štiri haploidne celice, od katerih se vsaka razlikuje po svoji genetski zgradbi.

Bistvo mejoze- izobraževanje celice s haploidnim naborom kromosomov.

Mejoza je sestavljen iz dveh zaporednih oddelkov.

Med njimi ne dogaja replikacija DNK – zato je nabor haploiden.

Zahvaljujoč temu procesu se zgodi naslednje:

gametogeneza;
c nastanek por v rastlinah;
in variabilnosti dednih informacij

Zdaj pa si podrobneje oglejmo ta postopek.

Mejoza predstavlja 2 delitvi, ki si sledijo.

Posledično se običajno oblikujejo štiri celice(razen na primer, kjer se po prvi delitvi druga celica ne deli naprej, ampak se takoj reducira).

Tu je še ena pomembna točka: zaradi mejoze se praviloma zmanjšajo tri od štirih celic, pri čemer ostane ena, tj. naravna selekcija. To je tudi ena od nalog mejoze.

Interfaza prve divizije:

celica prehaja iz stanja 2n2c do 2n4c, saj je prišlo do replikacije DNK.

Profaza:

V prvi delitvi se zgodi pomemben proces - prečkati.

V profazi I mejoze, vsak od že zvitih bikromatidnih kromosomov, enovalentne tesen odnos z homologni njej. To se imenuje (dobro zamenjeno z konjugacija ciliatov), oz sinapsa. Par homolognih kromosomov, ki pridejo skupaj, se imenuje

Kromatida se nato prekriža s homologno (nesestrsko) kromatido na sosednjem kromosomu (s katerim se tvori dvovalenten). Kraj križanja kromatid se imenuje. Chiasmus leta 1909 odkril belgijski znanstvenik Frans Alphonse Janssens.

In potem se na mestu odlomi košček kromatide chiasmata in skoči na drugo (homologno, tj. nesestrsko) kromatido.

Zgodilo se je rekombinacija genov .

Rezultat: nekateri geni so se preselili iz enega homolognega kromosoma v drugega.

prej prečkati en homologni kromosom je vseboval gene iz materinega organizma, drugi pa iz očetovega. In potem imata oba homologna kromosoma gene tako materinega kot očetovega organizma.

Pomen prečkati To pa je: zaradi tega procesa nastajajo nove kombinacije genov, zato je več dedne variabilnosti, zato je večja verjetnost za nastanek novih lastnosti, ki so lahko koristne.

sinapsa (konjugacija) vedno pojavi med mejozo, vendar prečkati se morda ne zgodi.

Zaradi vseh teh procesov: konjugacija, crossing over profaza I je daljša od profaze II.

Metafaza

Glavna razlika med prvo delitvijo mejoze in

pri mitozi se bikromatidni kromosomi razporedijo vzdolž ekvatorja, pri prvi delitvi mejoze pa bivalenti homologni kromosomi, na vsakega od njih pa so pritrjeni vretenastih filamentov.

Anafaza

zaradi dejstva, da so se razvrstili vzdolž ekvatorja bivalenti, pride do razhajanja homolognih bikromatidnih kromosomov. Za razliko od mitoze, pri kateri se kromatide enega kromosoma ločijo.

Telofaza

Nastale celice se spremenijo iz stanja 2n4c v n2c, kako se spet razlikujejo od celic, ki nastanejo kot posledica mitoze: najprej so haploiden. Če v mitozi na koncu delitve nastanejo popolnoma enake celice, potem v prvi delitvi mejoze vsaka celica vsebuje samo en homoložni kromosom.

Napake pri ločevanju kromosomov med prvo delitvijo lahko vodijo do trisomije. To je prisotnost še enega kromosoma v enem paru homolognih kromosomov. Na primer, pri ljudeh je trisomija 21 vzrok za Downov sindrom.

Interfaza med prvo in drugo delitvijo

- zelo kratko ali pa sploh ne. Zato pred drugo divizijo ni št replikacija DNK. To je zelo pomembno, saj je druga delitev na splošno potrebna za nastanek celic haploiden z enojnimi kromatidnimi kromosomi.

Druga divizija

- poteka skoraj enako kot mitotična delitev. Vstopajo le v delitev haploiden celice z dvokromatidnimi kromosomi (n2c), od katerih je vsak poravnan vzdolž ekvatorja, niti vretena so pritrjene na centromere vsaka kromatida vsakega kromosoma v metafazaII. IN anafazaII kromatidi se ločijo. In v telofazaII se oblikujejo haploiden celice z enojnimi kromatidnimi kromosomi ( nc). To je potrebno, da se pri združitvi z drugo podobno celico (nc) oblikuje "normalen" 2n2c.

Mejoza, najpomembnejši proces celične delitve, ki se pojavi na predvečer nastanka zarodnih celic in je bil odkrit konec 19. stoletja, je dolgo ostala predmet velike pozornosti zelo ozkega kroga citologov. Molekularni biologi so nanj postali pozorni šele v 90. letih 20. stoletja. Hiter razvoj raziskav na tem področju je omogočilo delo na področju molekularne genetike modelnih objektov, pa tudi pojav novih imunocitokemičnih metod, ki so raziskovalcem omogočile priročen način za preučevanje beljakovin, vključenih v mejozo.

Pri vseh evkariontih med mejozo nastane submikroskopska struktura, imenovana sinaptonemalni kompleks(iz grškega synaptos - povezan, peta - nit). Študija molekularne organizacije tega kompleksa in njegove vloge pri mejozi je pokazala, da je potreben za rekombinacijo kromosomov in zmanjšanje njihovega števila. O tem bomo razpravljali v tem članku.

A najprej se spomnimo osnovnih podatkov o mejozi, ki je sestavljena iz dveh delov: mejoze I in mejoze II. Zaradi redukcijske delitve (mejoza I) se število kromosomov v hčerinskih celicah zmanjša za polovico v primerjavi s številom kromosomov v matični celici. To se zgodi, ker se količina DNK v kromosomih podvoji le enkrat pred mejozo I (slika 1). Dvakratno zmanjšanje števila kromosomov med tvorbo zarodnih celic omogoča med oploditvijo obnoviti prvotno (diploidno) število kromosomov in ohraniti njegovo konstantnost. To zahteva strogo ločevanje parov homolognih kromosomov med zarodnimi celicami. Ko pride do napak, pride do aneuploidije - pomanjkanja ali presežka kromosomov, to neravnovesje pa vodi v odmrtje zarodka ali hude razvojne nepravilnosti (pri človeku t.i. kromosomske bolezni).

Zgradba in funkcija sinaptonemskega kompleksa

Sinaptonemalni kompleks je sestavljen iz dveh proteinskih osi homolognih kromosomov, povezanih s proteinsko zadrgo (slika 2). Zobje zadrge so paličasti dimeri vzporedno zvitih in enako usmerjenih proteinskih molekul z dolgo vijačnico α v sredini molekule. V kvasu S. cerevisiae - to je protein Zip1, pri sesalcih in ljudeh - SCP1 (SYCP1). Ti proteini so s svojimi C-terminalnimi konci zasidrani na kromosomske osi (bočni elementi kompleksa), njihovi N-terminalni konci pa so usmerjeni drug proti drugemu, znotraj osrednjega prostora (slika 3). Na N-koncih molekul so nabiti "izbočki" - izmenični vrhovi gostote pozitivnih in negativnih nabojev aminokislin (slika 4), katerih komplementarna interakcija zagotavlja močno elektrostatično povezavo zob.

Tako imenovani osrednji prostor kompleksa (vrzel med proteinskimi osmi, napolnjena z zobmi "spojnice", široka približno 100 nm), kot tudi celoten kompleks (njegov presek je približno 150-200 nm) nista viden v običajnem svetlobnem mikroskopu, saj je celoten kompleks prikrit s kromatinom. Sinaptonemalni kompleks smo prvič opazili na ultratankih (0,8 µm debelih) odsekih rakov in mišjih testisov s transmisijskim elektronskim mikroskopom. Leta 1956 sta ga neodvisno odkrila dva ameriška raziskovalca - M. Moses in D. W. Fossett.

Zdaj se pri preučevanju kompleksa uporablja tako imenovana metoda mikroširjenja. Celice testisov (ali rastlinskih prašnikov) po hipotoničnem šoku položimo na plastično podlago, naneseno na predmetno stekelce. Vsebino razpočne celice fiksiramo s šibko raztopino formaldehida in kontrastiramo s solmi težkih kovin (najbolje - AgNO 3). Steklo pogledamo pod fazno kontrastnim mikroskopom in na podlagi posrednih dokazov izberemo celice, ki naj vsebujejo kompleks. Krog filma z želeno celico poberemo na kovinsko mrežo in postavimo v elektronski mikroskop (slika 5). Če je potrebno, pred kontrastiranjem celice obdelamo s protitelesi proti beljakovinam, ki so zanimive za raziskovalca. Ta protitelesa so označena s kalibriranimi kroglicami koloidnega zlata, ki so jasno vidna pod elektronskim mikroskopom.

Med profazo mejoze I sinaptonemski kompleks drži vzporedne homologne kromosome skoraj dokler niso zgrajeni na ekvatorju celice (metafaza I). Kromosomi so povezani s sinaptonemskim kompleksom nekaj časa (od 2 ur pri kvasovkah do 2-3 dni pri človeku), v tem času se med homolognimi kromosomi izmenjujejo homologni deli DNA – crossing over. Crossing over, ki se pojavi s frekvenco vsaj enega dogodka (običajno dveh, redkeje treh ali štirih) na par homolognih kromosomov, vključuje na desetine za mejozo specifičnih encimskih proteinov.

Molekularni mehanizem križanja in njegove genetske posledice sta dve veliki temi, ki presegata obseg te zgodbe. Ta proces nas zanima, ker so zaradi njega homologni kromosomi trdno povezani s križanimi molekulami DNA (chiasmati) in potreba po parnem zadrževanju kromosoma s pomočjo sinaptonemskega kompleksa izgine (po končanem crossing overju se kompleks izgine). Homologni kromosomi, povezani s kiazmami, se razvrstijo na ekvatorju celičnega delitvenega vretena in se razpršijo skozi niti celičnega delitvenega vretena v različne celice. Po končani mejozi se število kromosomov v hčerinskih celicah prepolovi.

Tako se struktura kromosoma radikalno spremeni šele na predvečer mejoze I. Zelo specifična intranuklearna in medkromosomska struktura - sinaptonemalni kompleks - se pojavi enkrat v življenjskem ciklu organizma za kratek čas za parno povezavo homolognih kromosomov in crossing over, nato pa se razgradi. Ti in številni drugi dogodki med mejozo na molekularni in podcelični (ultrastrukturni) ravni so zagotovljeni z delom številnih proteinov, ki opravljajo strukturne, katalitične in kinetične (motorične) funkcije.

Proteini sinaptonemskega kompleksa

Že v daljnih 70. letih smo prejeli posredne dokaze, da sinaptonemalni kompleks nastane s samosestavljanjem njegovih elementov, kar se lahko zgodi v odsotnosti kromosomov. Poskus je izvedla narava sama, mi pa smo ga lahko opazovali. Izkazalo se je, da se v prašičjih glistah v citoplazmi celic, ki se pripravljajo na mejozo I, pojavijo paketi ali "kupi" popolnoma pravilno urejenih morfoloških elementov sinaptonemskega kompleksa (čeprav v citoplazmi ni kromosomov: so v jedru ). Ker na stopnji priprave celic na mejozo v celičnih jedrih še ni sinaptonemskega kompleksa, je obstajala domneva, da je nadzor vrstnega reda mejotičnih dogodkov v tem primitivnem organizmu nepopoln. Presežek na novo sintetiziranih beljakovin v citoplazmi vodi do njihove polimerizacije in pojava strukture, ki se ne razlikuje od sinaptonemskega kompleksa. Ta hipoteza je bila potrjena šele leta 2005 zahvaljujoč delu mednarodne skupine raziskovalcev, ki delajo v Nemčiji in na Švedskem. Pokazali so, da če gen, ki kodira protein zadrge pri sesalcih (SCP1), vnesemo v somatske celice, ki rastejo na umetnem hranilnem mediju, in ga aktiviramo, potem se znotraj gojenih celic pojavi močna mreža proteinov SCP1, ki je med seboj "zapeta" na enak način. kot v osrednjem prostoru kompleksa. Tvorba plasti neprekinjenih proteinskih zadrg v celični kulturi pomeni, da je naša predvidena sposobnost kompleksnih proteinov za samosestavljanje dokazana.

V letih 1989 in 2001. Naši sodelavci v laboratoriju O. L. Kolomiets in Yu S. Fedotova so preučevali naravno "razgradnjo" sinaptonemalnih kompleksov v zadnjih fazah njihovega obstoja. Ta večstopenjski proces je bil najbolje opazen v matičnih celicah cvetnega prahu v prašnikih rži, kjer obstaja delna sinhronizacija mejoze. Izkazalo se je, da so stranski elementi kompleksa razstavljeni s postopnim "odvijanjem" proteinske supervijačnice, ki ima tri nivoje pakiranja (slika 6).

Osnova razširjenih stranskih elementov je kompleks štirih kohezinskih proteinov (iz angl. kohezija— sklopka). Na predvečer mejoze se v kromosomih pojavi specifičen kohezin protein Rec8, ki nadomesti somatski kohezin Rad21. Nato se mu pridružijo še trije drugi kohezinski proteini, ki so prav tako prisotni v somatskih celicah, vendar se namesto somatskega kohezina SMC1 pojavi za mejozo specifičen protein SMC1b (njegov N-terminus se za 50 % razlikuje od N-terminusa somatskega protein SMC1). Ta kohezinski kompleks se nahaja v kromosomu med dvema sestrskima kromatidama in ju drži skupaj. Proteini, specifični za mejozo, se vežejo na kohezinski kompleks, ki postanejo glavni proteini kromosomskih osi in jih (te osi) pretvorijo v lateralne elemente sinaptonemalnega kompleksa. Pri sesalcih sta glavna proteina sinaptonemalnega kompleksa SCP2 in SCP3 pri kvasovkah sta proteina Hop1 in Red1, protein, specifičen za mejozo, pa je Rec8.

Evolucijski paradoks beljakovin

Pri sesalcih in kvasovkah imajo proteini sinaptonemalnega kompleksa različna aminokislinska zaporedja, vendar sta njihovi sekundarni in terciarni strukturi enaki. Tako sta protein zadrge SCP1 pri sesalcih in nehomologni protein Zip1 pri kvasovkah zgrajena po enem samem načrtu. Sestavljeni so iz treh aminokislinskih domen: osrednje - α-vijačnice, ki lahko tvori vijačnico drugega reda (superzvijanje), in dveh končnih domen - globul. Tudi glavna proteina SCP2 in SCP3, ki nimata homolognosti s proteinoma Hop1 in Red1 kvasovk in očitno še premalo raziskanimi proteini kompleksa v rastlinah, gradita morfološko in funkcionalno enake strukture sinaptonemskega kompleksa. To pomeni, da je primarna struktura (zaporedje aminokislin) teh proteinov evolucijsko nevtralna lastnost.

Torej nehomologni proteini v evolucijsko oddaljenih organizmih gradijo sinaptonemski kompleks po enotnem načrtu. Za razlago tega pojava bom uporabil analogijo z gradnjo hiš iz različnih materialov, vendar po enotnem načrtu je pomembno, da imajo takšne hiše stene, strope, streho in da gradbeni materiali ustrezajo pogojem trdnosti . Prav tako tvorba sinaptonemskega kompleksa zahteva stranske elemente ("stene"), prečne filamente (zobje "zadrge") - "prekrivanje" in osrednji prostor (prostor za "kuhinjo"). Tja bi se morali prilegati "kuhinjski roboti" - kompleksi rekombinacijskih encimov, sestavljeni v tako imenovane "rekombinacijske enote".

Širina osrednjega prostora sinaptonemskega kompleksa pri kvasovkah, koruzi in človeku je približno 100 nm. To je posledica dolžine odsekov enoverižne DNA, prevlečenih z rekombinacijskim proteinom Rad51. Ta protein spada v skupino encimov (podobnih bakterijskemu rekombinacijskemu proteinu RecA), ki ohranjajo homologijo od pojava rekombinacije DNA (pred približno 3,5 milijarde let). Neizogibnost homologije rekombinacijskih proteinov v oddaljenih organizmih je določena z njihovo funkcijo: medsebojno delujejo z dvojno vijačnico DNK (enako pri bakterijah in sesalcih), jo delijo na enoverižne verige, jih prekrijejo s proteinsko prevleko, prenesejo eno verigo na homologni kromosom in tam ponovno obnovi dvojno vijačnico. Seveda večina encimov, vključenih v te procese, ohranja homologijo več kot 3 milijarde let. Nasprotno pa so sinaptonemski kompleksi, ki so se pri evkariontih pojavili po začetku mejoze (pred približno 850 milijoni let), zgrajeni iz nehomolognih proteinov... vendar je shema njihove domenske zgradbe enaka. Od kod ta diagram?

Namig je omenjeni protein Rec8, ki začne nastajati kromosomske osi v mejotskem ciklu in je prisoten v vseh proučevanih organizmih. Lahko se domneva, da so lahko gradbeni material za osi mejotskih kromosomov in stranske elemente sinaptonemalnega kompleksa kateri koli vmesni protein, ki je sposoben tvoriti vlaknato strukturo (SCP2, Hop1 itd.), V interakciji s kohezinom Rec8 in “ ki se usedajo« na njem, kot beton na kovinskem okovju.

V zadnjih letih smo zaradi težav pri izvajanju eksperimentalnega dela zaradi pomanjkanja sredstev začeli aktivno uporabljati bioinformatske metode. Zanimal nas je protein zadrge pri Drosophili. Glede na podobnost sekundarne in terciarne strukture proteinov Zip1 kvasovk in človeškega SCP1 smo domnevali, da ima protein zadrge Drosophila enako strukturo. Z delom smo začeli leta 2001, ko je bil genom Drosophile že sekvenciran in je postalo znano, da vsebuje približno 13 tisoč potencialnih genov. Kako lahko najdemo gen za beljakovino, ki jo iščemo?

Med 125 geni za mejozo, ki so bili takrat znani pri Drosophili, smo predvideli le enega kandidata za to vlogo. Dejstvo je, da genska mutacija c(3)G kromosomom odvzeta sposobnost, da se združijo v pare z "zadrgo" in vstopijo v rekombinacijo. Domnevali smo, da imajo mutanti okvarjen protein, ki tvori submikroskopske zobce sponke. Sekundarna struktura in konformacija želenega proteina morata biti podobni proteinoma Zip1 in SCP1.

Vedoč, da gen c(3)G se nahaja v Drosophili na kromosomu 3, smo v bazi podatkov za to regijo (ki obsega 700 tisoč baznih parov) iskali odprt bralni okvir, ki bi lahko kodiral podoben protein. Razumeli smo, da v odsotnosti homologije v primarni strukturi želenega proteina in proteina kvasovk njihova velikost, organizacija (treh domen) in sposobnost osrednje domene, da tvori α-vijačnico določene dolžine (približno 40 nm) mora biti podoben. To dokazuje podobnost elektronske mikroskopske slike sinaptonemskega kompleksa pri mejozi pri kvasovkah in pri drozofilah.

Pregledali smo odprte bralne okvire za skoraj 80 genov v območju iskanja. S pomočjo računalniških programov, ki omogočajo napovedovanje sekundarne strukture virtualnega proteina, njegovih fizikalno-kemijskih lastnosti in porazdelitve elektrostatičnih nabojev v molekulah, je T. M. Grishaeva našla tak bralni okvir na meji območja lokalizacije genov. c(3)G.(Japonski genetiki tega na mikroskopskem zemljevidu kromosomov niso natančno predvideli.) Izkazalo se je, da gre za gen CG1J604 po genomski karti podjetja Selera.

Ugotovili smo, da mora biti ta virtualni gen že dolgo znan gen c(3)G in kodira protein, podoben proteinu Zip1 kvasa. Kot odgovor na naše sporočilo smo prejeli elektronsko sporočilo S. Hawleyja iz ZDA. Eksperimentalno je dokazal, da gen c(3)G kodira protein, ki tvori "zadrgo" med kromosomi v mejozi pri Drosophili. Rezultati našega dela so sovpadali, vendar je eksperimentalno delo Hawleyjeve skupine trajalo približno sedem let, naše tričlansko računalniško delo pa le približno tri mesece. Članka sta bila objavljena sočasno. Leta 2003 smo objavili metodo naših računalniških iskanj in navedli primere podobnih virtualnih proteinov v drugih organizmih. To delo sedaj radi citirajo tuji kolegi in naša metoda v njihovih rokah v kombinaciji z eksperimentalnim testiranjem uspešno deluje. Tako je leta 2005 skupina angleških biologov v rastlini odkrila gen in beljakovino zob zadrge. Arabidopsis thaliana .

Za zaključek bom navedel primer še enega odkritja na področju molekularne biologije mejoze, vendar moramo začeti z mitozo. Da bi se kromatide med anafazo mitoze ločile, je treba uničiti kohezin, ki jih »zlepi skupaj«. Hidroliza kohezinov med mitozo je genetsko programiran dogodek. Toda v metafazi mejoze I, ko so homologni kromosomi nanizani na ekvatorju celice in je beljakovinsko vreteno pripravljeno, da jih potegne na poli, se hidroliza kohezinov izkaže za nemogočo. Zato sta obe kromatidi vsakega kromosoma, zlepljeni skupaj v območju kinetičnega središča kromosomov (kinetohor), usmerjeni na en pol (glej sliko 1). V poznih 90. letih prejšnjega stoletja so japonski raziskovalci, ki so proučevali mejozo pri kvasovkah, ugotovili, da so v predelu kinetohora kohezini zaščiteni z beljakovino, ki so jo poimenovali šugošin (koren tega izraza je vzet iz samurajskega besednjaka in pomeni zaščita). Zelo hitro je svetovna skupnost raziskovalcev mejoze prišla do zaključka, da podobni proteini shugoshin obstajajo v drozofilah, koruzi in drugih predmetih. Še več, geni, ki "prepovedujejo" ločevanje kromatid v mejozi I pri Drosophili, so bili znani že 10 let prej, vendar njihov proteinski produkt ni bil dešifriran. In leta 2005 je skupina ameriških raziskovalcev s kalifornijske univerze v Berkeleyju, vključno z našo rojakinjo in mojo dolgoletno sodelavko pri raziskavah mejoze I. N. Golubovskaya, poročala, da se med metafazo I mejoze v koruznih kromosomih shugoshin ZmSGO1 nahaja na obeh straneh kinetohorov. , v tem predelu pa se pojavi le, če je tam že kohezin Rec8, ki ga ščiti pred hidrolizo (vendar le v mejozi I). Ti rezultati so bili pridobljeni z uporabo fluorescenčnih protiteles proti beljakovinam in konfokalnega mikroskopa. Dodati je treba, da so japonski raziskovalci takoj poročali, da shugoshin ščiti Rec8 pred hidrolizo, če je shugoshin defosforiliran. Fosforilacija in defosforilacija ter acetilacija in deacetilacija so pomembne modifikacije, ki spremenijo lastnosti beljakovinskih molekul.

Aplikacijski vidik

Vse, kar je bilo povedano, je lepa temeljna znanost, toda ali je to znanje mogoče uporabiti v praktične namene? Lahko. Že sredi 80. let prejšnjega stoletja so britanski raziskovalci in naš laboratorij z uporabo različnih eksperimentalnih modelov dokazali, da je z mikrorazpršitvami sinaptonemalnih kompleksov mogoče identificirati dvakrat več kromosomskih preureditev (delecij, translokacij, inverzij) v primerjavi s tradicionalno metodo kromosomov. analiza v fazi metafaze (slika 7). Dejstvo je, da je sinaptonemalni kompleks skeletna struktura mejotskih kromosomov v profazi. V tem času so kromosomi približno 10-krat daljši, kar bistveno poveča ločljivost analize. Vendar pa je skoraj nemogoče preučevati zapletene profazne kromosome in toge skeletne strukture sinaptonemskega kompleksa se ne bojijo širjenja, poleg tega pa lahko elektronski mikroskop razlikuje mini aberacije, ki so nedostopne svetlobnemu mikroskopu.

Vprašali smo se: ali je mogoče ugotoviti vzrok sterilnosti pri potomcih obsevanih miši s preučevanjem ne kromosomov, temveč sinaptonemskega kompleksa? Izkazalo se je, da so pri sterilnih miših, ki so podedovale kromosomske translokacije od svojih staršev, te preureditve odkrile s pomočjo kompleksa v 100% proučevanih celic in z običajnimi metodami "metafazne" analize - le v 50% celic. Skupina španskih raziskovalcev je pregledala več kot tisoč moških, ki trpijo zaradi neplodnosti. Pri tretjini od njih predhodno ni bilo mogoče ugotoviti vzroka neplodnosti, študija sinaptonemskega kompleksa iz celic testisov teh bolnikov pa je polovici omogočila postavitev diagnoze: vzrok neplodnosti je odsotnost sinaptonemalnega kompleksa. , zaradi česar se spermatociti (prekurzorske celice sperme) ne razvijejo, tj. Podobne rezultate je dobil O. L. Kolomiets skupaj z zdravniki iz Harkova. Študija sinaptonemskega kompleksa v kombinaciji z drugimi metodami analize poveča odstotek ugotavljanja vzrokov neplodnosti pri pregledanih moških bolnikih s 17 na 30%. Nekatere angleške klinike so že v 90. letih XX. aktivno uporabljal podobne metode. Takšna diagnostika seveda zahteva visoko teoretično in praktično usposobljenost zdravnikov ter uporabo elektronskih mikroskopov. Ruski laboratoriji še niso dosegli te ravni, z izjemo Inštituta za splošno genetiko poimenovanega po. N.I. Vavilova RAS (Moskva) in Inštitut za citologijo in genetiko SB RAS (Novosibirsk).

Lahko bi mislili, da bodo intenzivne raziskave mehanizmov mejoze neizogibno pripeljale do uporabe pridobljenega znanja na tistih področjih biologije in medicine, ki so povezana s plodnostjo živih organizmov, tudi človeka. Vendar pa je zakon uporabe znanstvenih dosežkov v praksi nespremenjen: »implementirati« nekaj na silo je neuporabno. Praktiki sami morajo slediti dosežkom znanosti in jih uporabljati. To je pristop vodilnih farmacevtskih in biotehnoloških podjetij.

Od odkritja mejoze (1885) do odkritja sinaptonemskega kompleksa (1956) je minilo približno 70 let, od leta 1956 do odkritja proteinov sinaptonemskega kompleksa (1986) pa še 30. V naslednjih 20 letih smo spoznali strukturo teh proteinov, njihove kodirne gene in interakcije proteinov pri konstrukciji in delovanju sinaptonemalnih kompleksov, zlasti njihovo interakcijo z encimskimi proteini rekombinacije DNK itd., tj. več kot v prejšnjem 30-letnem obdobju opisovanja citološke študije. Za dešifriranje osnovnih molekularnih mehanizmov mejoze morda ne bo trajalo več kot dve desetletji. Za zgodovino znanosti, tako kot za zgodovino vseh civilizacij, je značilno »stiskanje časa«, čedalje večja zgoščenost dogodkov in odkritij.

Literatura:

Page S.L., Hawley R.S.// Annu. Rev. Cell Develop. Biol. 2004. V. 20. P. 525-558.
Moses M.J.//Kromosom. 2006. V. 115. P. 152-154.
Bogdanov Yu.F.//Kromosom. 1977. V. 61. P. 1-21.
OllingerR. et al.//Moll. Biol. Celica. 2005. V. 16. Str. 212-217.
Fedotova Y.S. et al. // Genom. 1989. V. 32. P. 816-823; Kolomiets O.L. in itd.// Biološke membrane. 2001. T. 18. str. 230-239.
Bogdanov Yu.F. et al. // Int. Pregled. Cytol. 2007. V. 257. P. 83-142.
Bogdanov Yu.F.// Ontogeneza. 2004. T. 35. št. 6. strani 415-423.
Grishaeva T.M. et al.// Drosophila Inform. Serv. 2001. V. 84. P. 84-89.
Page S.L., Hawley R.S.// Geni se razvijajo. 2001. V. 15. P. 3130-3143.
Bogdanov Yu.F. et al. // In Silico Biol. 2003. V. 3. Str. 173-185.
Osman K. et al. // kromosoma. 2006. V. 115. P. 212-219.
Hamant O., Golubovskaya I. et al.//Curr. Biol. 2005. V. 15. P. 948-954.
Kalikinskaya E.I. et al. // Mut. Res. 1986. V. 174. P. 59-65.
Egozcue J. et al.//Hm. Genet. 1983. V. 65. P. 185-188; Carrara R. et al.// Genet. Mol. Biol. 2004. V. 27. P. 477-482.
Bogdanov Yu.F., Kolomiets O.L. Sinaptonemalni kompleks. Indikator dinamike mejoze in variabilnosti kromosomov. M., 2007.

Mejoza

Osnovni pojmi in definicije

Mejoza je posebna metoda delitve evkariontskih celic, pri kateri se prvotno število kromosomov zmanjša za 2-krat (iz starogrškega " meyon" - manj - in od " mejoza" - zmanjšanje). Zmanjšanje števila kromosomov se pogosto imenuje zmanjšanje.

Začetno število kromosomov v mejociti(celice, ki vstopajo v mejozo) imenujemo diploidno število kromosomov (2n) Število kromosomov v celicah, ki nastanejo kot posledica mejoze, se imenuje haploidno število kromosomov (n).

Najmanjše število kromosomov v celici se imenuje osnovno število ( x). Osnovno število kromosomov v celici ustreza minimalni količini genetske informacije (minimalni količini DNK), ki jo imenujemo gen. O m. Število genov O mov v celici imenujemo gen O veliko števil (Ω). Pri večini večceličnih živali, pri vseh golosemenkah in mnogih kritosemenkah, koncept haploidije-diploidije in koncept gena O veliko številk se ujema. Na primer pri osebi n=x=23 in 2 n=2x=46.

Glavna značilnost mejoze je konjugacija(združevanje) homologni kromosomi z njihovo kasnejšo divergenco v različne celice. Mejotska porazdelitev kromosomov v hčerinske celice se imenuje segregacija kromosomov.

Kratka zgodovina odkritja mejoze

Posamezne faze mejoze pri živalih je opisal V. Flemming (1882), pri rastlinah pa E. Strasburger (1888), nato pa ruski znanstvenik V.I. Beljajev. Hkrati (1887) je A. Weissman teoretično utemeljil potrebo po mejozi kot mehanizmu za vzdrževanje konstantnega števila kromosomov. Prvi podroben opis mejoze v kunčjih jajčnih celicah je podal Winyworth (1900). Študija mejoze še vedno poteka.

Splošni potek mejoze

Tipična mejoza je sestavljena iz dveh zaporednih celičnih delitev, ki ju imenujemo mejoza I in mejoza II. Pri prvi delitvi se število kromosomov zmanjša za polovico, zato prvo mejotsko delitev imenujemo redukcionist, manj pogosto - heterotipično. Pri drugi delitvi se število kromosomov ne spremeni; ta delitev se imenuje enačen(izenačevanje), manj pogosto - homeotipsko. Izraza "mejoza" in "redukcijska delitev" se pogosto uporabljata izmenično.

Interfaza

Predmejotska interfaza se od navadne medfaze razlikuje po tem, da proces replikacije DNK ne doseže konca: približno 0,2 do 0,4 % DNK ostane nepodvojenih. Tako se celična delitev začne na sintetični stopnji celičnega cikla. Zato mejozo figurativno imenujemo prezgodnja mitoza. Vendar pa lahko na splošno domnevamo, da je v diploidni celici (2 n) Vsebnost DNK je 4 z.

V prisotnosti centriolov se ti podvojijo tako, da ima celica dva diplosoma, od katerih vsak vsebuje par centriolov.

Prva delitev mejoze (redukcijska delitev, oz mejoza I)

Bistvo redukcijske delitve je zmanjšanje števila kromosomov za polovico: iz prvotne diploidne celice nastaneta dve haploidni celici z bikromatidnimi kromosomi (vsak kromosom vključuje 2 kromatidi).

Profaza 1(profaza prve delitve) je sestavljen iz več faz:

Leptoten(stopnja tankega filamenta). Kromosomi so vidni v svetlobnem mikroskopu v obliki klobčiča tankih niti. Zgodnji leptoten, ko so kromosomske niti še zelo slabo vidne, se imenuje proleptoten.

Zigoten(faza združevanja niti). Dogajanje konjugacija homolognih kromosomov(iz lat. konjugacija– povezava, združevanje, začasna združitev). Homologni kromosomi (ali homologi) so kromosomi, ki so si med seboj podobni v morfološkem in genetskem smislu. Pri normalnih diploidnih organizmih so homologni kromosomi seznanjeni: diploidni organizem prejme en kromosom iz para od matere, drugega pa od očeta. Med konjugacijo nastanejo bivalenti. Vsak bivalent je razmeroma stabilen kompleks enega para homolognih kromosomov. Homologi se držijo blizu drug drugega zaradi beljakovin sinaptonemalni kompleksi. En sinaptonemalni kompleks lahko na eni točki poveže le dve kromatidi. Število bivalentov je enako haploidnemu številu kromosomov. V nasprotnem primeru se imenujejo bivalenti tetrade, saj vsak bivalent vključuje 4 kromatide.

Pachytena(stopnja debelega filamenta). Kromosomi so spiralizirani, njihova vzdolžna heterogenost je jasno vidna. Replikacija DNK je končana (poseben pahitenske DNK). Konci prečkati- križanje kromosomov, zaradi česar izmenjujejo dele kromatid.

Diplotena(stopnja z dvojno nitjo). Homologni kromosomi v dvovalentih se odbijajo. Povezani so na ločenih točkah, imenovanih chiasmata(iz starogrške črke χ - "chi").

Diakineza(stopnja bivalentne divergence). Posamezni bivalenti se nahajajo na obrobju jedra.

Metafaza I(metafaza prve delitve)

IN prometafaza I jedrska membrana je uničena (fragmentirana). Nastane fisijsko vreteno. Nato pride do metakineze - bivalenti se premaknejo v ekvatorialno ravnino celice.

Anafaza I(anafaza prve delitve)

Homologni kromosomi, ki sestavljajo vsak bivalent, so ločeni in vsak kromosom se premakne proti najbližjemu polu celice. Ločitev kromosomov na kromatide ne pride. Proces porazdelitve kromosomov v hčerinske celice se imenuje segregacija kromosomov.

Telofaza I(telofaza prve delitve)

Homologni bikromatidni kromosomi se popolnoma razhajajo do celičnih polov. Običajno vsaka hčerinska celica prejme en homoložni kromosom od vsakega para homologov. Nastaneta dva haploiden jedra, ki vsebujejo polovico manj kromosomov kot jedro prvotne diploidne celice. Vsako haploidno jedro vsebuje samo en kromosomski niz, kar pomeni, da je vsak kromosom predstavljen samo z enim homologom. Vsebnost DNK v hčerinskih celicah je 2 z.

V večini primerov (vendar ne vedno) telofazo I spremlja citokineza .

Interkineza

Interkineza je kratek interval med dvema mejotskima delitvama. Od interfaze se razlikuje po tem, da ne pride do replikacije DNA, podvajanja kromosomov in centriola: ti procesi so se zgodili v predmejotski interfazi in delno v profazi I.

Druga delitev mejoze (delitev enačb, oz mejoza II)

Med drugo delitvijo mejoze se število kromosomov ne zmanjša. Bistvo enačbene delitve je nastanek štirih haploidnih celic z enokromatidnimi kromosomi (vsak kromosom vsebuje eno kromatido).

Profaza II(profaza druge delitve)

Ne razlikuje se bistveno od profaze mitoze. Kromosomi so pod svetlobnim mikroskopom vidni kot tanke niti. V vsaki od hčerinskih celic se oblikuje delitveno vreteno.

Metafaza II(metafaza druge delitve)

Kromosomi se nahajajo v ekvatorialnih ravninah haploidnih celic neodvisno drug od drugega. Te ekvatorialne ravnine lahko ležijo v isti ravnini, lahko so med seboj vzporedne ali medsebojno pravokotne.

Anafaza II(anafaza druge delitve)

Kromosomi so ločeni na kromatide (kot pri mitozi). Nastali enokromatidni kromosomi se kot del anafaznih skupin premaknejo na pole celic.

Telofaza II(telofaza drugega dela)

Enokromatidni kromosomi so se popolnoma premaknili na pole celice in nastanejo jedra. Vsebnost DNK v vsaki celici postane minimalna in znaša 1 z.

Vrste mejoze in njen biološki pomen

Na splošno mejoza proizvede štiri haploidne celice iz ene diploidne celice. pri gametska mejoza iz nastalih haploidnih celic nastanejo gamete. Ta vrsta mejoze je značilna za živali. Gametična mejoza je tesno povezana z gametogeneza in oploditev. pri zigotični in mejoza spor nastale haploidne celice povzročijo spore ali zoospore. Te vrste mejoze so značilne za nižje evkarionte, glive in rastline. Mejoza spor je tesno povezana z sporogeneza. torej mejoza je citološka osnova spolnega in nespolnega (spore) razmnoževanja.

Biološki pomen mejoze je ohraniti konstantno število kromosomov v prisotnosti spolnega procesa. Poleg tega je zaradi prehoda rekombinacija– nastanek novih kombinacij dednih nagnjenj v kromosomih. Zagotavlja tudi mejoza kombinacijska spremenljivost– nastanek novih kombinacij dednih nagnjenj med nadaljnjo oploditvijo.

Potek mejoze nadzira genotip organizma, pod nadzorom spolnih hormonov (pri živalih), fitohormonov (pri rastlinah) in številnih drugih dejavnikov (na primer temperatura).

Celična delitev skozi mejozo poteka v dveh glavnih fazah: mejoza I in mejoza II. Na koncu mejotskega procesa nastanejo štiri. Preden celica, ki se deli, vstopi v mejozo, gre skozi obdobje, imenovano interfaza.

Interfaza

Faza G1: stopnji razvoja celice pred sintezo DNA. Na tej stopnji se celica, ki se pripravlja na delitev, poveča v masi.
S-faza: obdobje, v katerem se sintetizira DNK. Za večino celic ta faza traja kratek čas.
Faza G2: obdobje po sintezi DNK, vendar pred nastopom profaze. Celica še naprej sintetizira dodatne beljakovine in se povečuje.

V zadnji fazi interfaze ima celica še nukleole. obdan z jedrno membrano, celični kromosomi pa so podvojeni, vendar v obliki. Dva para, ki nastaneta iz replikacije enega para, se nahajata zunaj jedra. Na koncu interfaze vstopi celica v prvo fazo mejoze.

Mejoza I:

Profaza I

V profazi I mejoze pride do naslednjih sprememb:

Kromosomi se kondenzirajo in pritrdijo na jedrno ovojnico.
Pojavi se sinapsa (združevanje homolognih kromosomov po parih) in nastane tetrada. Vsaka tetrada je sestavljena iz štirih kromatid.
Lahko pride do genetske rekombinacije.
Kromosomi se kondenzirajo in ločijo od jedrske membrane.
Podobno se centrioli odmikajo drug od drugega, jedrska ovojnica in nukleoli pa se uničijo.
Kromosomi se začnejo seliti v metafazno (ekvatorialno) ploščo.

Na koncu profaze I celica vstopi v metafazo I.

Metafaza I

V metafazi I mejoze pride do naslednjih sprememb:

Tetrade so poravnane na metafazni plošči.
homologni kromosomi so usmerjeni proti nasprotnim polom celice.

Na koncu metafaze I celica vstopi v anafazo I.

Anafaza I

V anafazi I mejoze pride do naslednjih sprememb:

Kromosomi se premaknejo na nasprotne konce celice. Podobno kot pri mitozi kinetohori medsebojno delujejo z mikrotubuli, da premaknejo kromosome na pole celice.
Za razliko od mitoze ostanejo skupaj, potem ko se premaknejo na nasprotna pola.

Na koncu anafaze I celica vstopi v telofazo I.

Telofaza I

V telofazi I mejoze pride do naslednjih sprememb:

Vretenska vlakna še naprej premikajo homologne kromosome do polov.
Ko je gibanje končano, ima vsak pol celice haploidno število kromosomov.
V večini primerov se citokineza (delitev) pojavi sočasno s telofazo I.
Na koncu telofaze I in citokineze nastaneta dve hčerinski celici, vsaka s polovico manj kromosomov kot prvotna matična celica.
Odvisno od tipa celice se lahko med pripravo na mejozo II pojavijo različni procesi. Vendar pa se genetski material ne replicira ponovno.

Na koncu telofaze I celica vstopi v profazo II.

Mejoza II:

Profaza II

V profazi II mejoze pride do naslednjih sprememb:

Jedro in jedra se uničijo, medtem ko se pojavi fisijsko vreteno.
Kromosomi se v tej fazi ne podvajajo več.
Kromosomi se začnejo seliti na metafazno ploščo II (na ekvatorju celic).

Na koncu profaze II celice vstopijo v metafazo II.

Metafaza II

V metafazi II mejoze pride do naslednjih sprememb:

Kromosomi so poravnani na metafazni plošči II v središču celic.
Niti kinetohorov sestrskih kromatid se razhajajo proti nasprotnim polom.

Na koncu metafaze II celice vstopijo v anafazo II.

Anafaza II

V anafazi II mejoze pride do naslednjih sprememb:

Sestrske kromatide se ločijo in začnejo premikati proti nasprotnim koncem (polovom) celice. Vretenasta vlakna, ki niso povezana s kromatidami, podaljšujejo in podaljšujejo celice.
Ko so parne sestrske kromatide ločene druga od druge, se vsaka obravnava kot popoln kromosom, imenovan kromosom.
V pripravi na naslednjo stopnjo mejoze se dva celična pola med anafazo II tudi odmakneta drug od drugega. Na koncu anafaze II vsak pol vsebuje popolno zbirko kromosomov.

Po anafazi II celice vstopijo v telofazo II.

Telofaza II

V telofazi II mejoze pride do naslednjih sprememb:

Na nasprotnih polih se oblikujejo ločena jedra.
Pojavi se citokineza (delitev citoplazme in nastanek novih celic).
Na koncu mejoze II nastanejo štiri hčerinske celice. Vsaka celica ima polovico manjše število kromosomov kot prvotna matična celica.

Rezultat mejoze

Končni rezultat mejoze je proizvodnja štirih hčerinskih celic. Te celice imajo polovico manj kromosomov kot starš. Med mejozo nastajajo samo spolni deli. Drugi se delijo z mitozo. Ko se spola med oploditvijo združita, postaneta. Diploidne celice imajo celoten niz homolognih kromosomov.

Dvakrat. Poteka v dveh stopnjah (redukcijska in enačna stopnja mejoze). Mejoze ne smemo zamenjevati z gametogenezo - tvorbo specializiranih zarodnih celic ali gamet iz nediferenciranih matičnih celic.

Z zmanjšanjem števila kromosomov zaradi mejoze se v življenjskem ciklu pojavi prehod iz diploidne faze v haploidno fazo. Obnova ploidnosti (prehod iz haploidne faze v diploidno fazo) se pojavi kot posledica spolnega procesa.

Ker v profazi prve, redukcijske stopnje pride do parne fuzije (konjugacije) homolognih kromosomov, je pravilen potek mejoze možen le v diploidnih celicah ali celo v poliploidnih (tetra-, heksaploidnih itd. celicah) . Mejoza se lahko pojavi tudi v neparnih poliploidih (tri-, pentaploidnih itd. celicah), vendar pri njih zaradi nezmožnosti parne fuzije kromosomov v profazi I pride do kromosomske divergence z motnjami, ki ogrožajo sposobnost preživetja celice oz. iz njega večcelični haploidni organizem.

Isti mehanizem je osnova sterilnosti medvrstnih hibridov. Ker medvrstni hibridi v celičnem jedru združujejo kromosome staršev, ki pripadajo različnim vrstam, kromosomi običajno ne morejo stopiti v konjugacijo. To vodi do motenj v razhajanju kromosomov med mejozo in na koncu do nesposobnosti zarodnih celic ali gamet (glavno sredstvo za boj proti tej težavi je uporaba poliploidnih kromosomskih nizov, saj je v tem primeru vsak kromosom konjugiran z ustreznim kromosomom njegovega niza). Določene omejitve pri konjugaciji kromosomov povzročajo tudi kromosomske preureditve (delecije, podvajanja, inverzije ali translokacije v velikem obsegu).

Enciklopedični YouTube

1 / 5
Mejoza je sestavljena iz 2 zaporednih delitev s kratko interfazo med njima.
- Profaza I- profaza prve delitve je zelo zapletena in je sestavljena iz 5 stopenj:
- Leptoten, oz leptonema- pakiranje kromosomov, kondenzacija DNK s tvorbo kromosomov v obliki tankih niti (kromosomi se skrajšajo).
- Zigoten, oz zigonema- pride do konjugacije - povezovanja homolognih kromosomov s tvorbo struktur, sestavljenih iz dveh povezanih kromosomov, imenovanih tetrade ali bivalenti in njihovo nadaljnjo zbijanje.
- Pachytena, oz pahinem- (najdaljša stopnja) - ponekod so homologni kromosomi tesno povezani in tvorijo chiasmata. V njih pride do križanja - izmenjave odsekov med homolognimi kromosomi.
- Diplotena, oz diplomema- pride do delne dekondenzacije kromosomov, medtem ko lahko del genoma deluje, pride do procesov transkripcije (tvorba RNK), prevajanja (sinteza beljakovin); homologni kromosomi ostanejo med seboj povezani. Pri nekaterih živalih kromosomi v jajčnih celicah na tej stopnji mejotične profaze pridobijo značilno obliko kromosoma v obliki svetilke.
- Diakineza- DNK se spet maksimalno kondenzira, sintetični procesi se ustavijo, jedrska membrana se raztopi; Centrioli se razhajajo proti poloma; homologni kromosomi ostanejo med seboj povezani.
Do konca profaze I centrioli migrirajo na celične pole, nastanejo vretenasti filamenti, jedrska membrana in nukleoli pa se uničijo.
- Metafaza I- dvovalentni kromosomi se vrstijo vzdolž ekvatorja celice.
- Anafaza I- mikrotubuli se skrčijo, bivalenti se delijo in kromosomi se premaknejo proti polom. Pomembno je omeniti, da se zaradi konjugacije kromosomov v zigoteni na poli razhajajo celotni kromosomi, sestavljeni iz dveh kromatid, in ne posamezne kromatide, kot pri mitozi.
- Telofaza I
Druga delitev mejoze sledi takoj za prvo, brez izrazite interfaze: obdobja S ni, saj do replikacije DNA ne pride pred drugo delitvijo.
- Profaza II- pride do kondenzacije kromosomov, celični center se deli in produkti njegove delitve se razhajajo do polov jedra, jedrska membrana se uniči in nastane cepitveno vreteno, pravokotno na prvo vreteno.
- Metafaza II- enovalentni kromosomi (sestavljeni iz dveh kromatid) se nahajajo na "ekvatorju" (na enaki razdalji od "polov" jedra) v isti ravnini in tvorijo tako imenovano metafazno ploščo.
- Anafaza II- univalenti se delijo in kromatide se premikajo proti polom.
- Telofaza II- kromosomi despirirajo in pojavi se jedrna ovojnica.
Posledično iz ene diploidne celice nastanejo štiri haploidne celice. V primerih, ko je mejoza povezana z gametogenezo (na primer pri večceličnih živalih), med razvojem