Meioosi põhifaaside meioosi morfoloogia. Meioos kui sugulise paljunemise alus

Meioos- see on primaarsete sugurakkude kaudse jagunemise meetod (2p2s), sisse mille tulemusena moodustuvad haploidsed rakud (lnlc), kõige sagedamini sugu.

Erinevalt mitoosist koosneb meioos kahest järjestikusest rakkude jagunemisest, millest igaühele eelneb interfaas (joonis 2.53). Meioosi esimest jagunemist (meioosi I) nimetatakse vähendamine, kuna sel juhul väheneb kromosoomide arv poole võrra ja teine ​​jagunemine (meioos II)-võrrand, kuna selle käigus säilib kromosoomide arv (vt tabel 2.5).

I interfaas kulgeb sarnaselt mitoosi interfaasiga. Meioos I jaguneb neljaks faasiks: profaas I, metafaas I, anafaas I ja telofaas I. profaas I toimub kaks peamist protsessi – konjugatsioon ja üleminek. Konjugatsioon- see on homoloogsete (paaritud) kromosoomide liitmise protsess kogu pikkuses. Konjugatsiooni käigus tekkinud kromosoomipaarid säilivad kuni metafaasi I lõpuni.

Üleminek- homoloogsete kromosoomide homoloogsete piirkondade vastastikune vahetus (joon. 2.54). Ülekandmise tulemusena omandavad mõlemalt vanemalt organismi saadud kromosoomid uued geenikombinatsioonid, mis toob kaasa geneetiliselt mitmekesiste järglaste ilmumise. Profaasi I lõpus, nagu ka mitoosi profaasis, kaob tuum, tsentrioolid lahknevad raku pooluste suunas ja tuumaümbris laguneb.

ATmetafaas I kromosoomipaarid reastuvad piki raku ekvaatorit, nende tsentromeeride külge on kinnitatud spindli mikrotuubulid.

AT anafaas I kahest kromatiidist koosnevad terved homoloogsed kromosoomid lahknevad poolustele.

AT telofaas I kromosoomide klastrite ümber raku poolustes tekivad tuumamembraanid, moodustuvad tuumakesed.

Tsütokinees I tagab tütarrakkude tsütoplasmade jagunemise.

Meioosi I (1n2c) tulemusena tekkinud tütarrakud on geneetiliselt heterogeensed, kuna nende kromosoomid, mis on juhuslikult raku poolustele hajutatud, sisaldavad ebavõrdseid geene.

II faas väga lühike, kuna selles DNA kahekordistumist ei toimu, st S-perioodi pole.

Meioos II samuti jagatud neljaks faasiks: II faas, II metafaas, II anafaas ja II telofaas. AT profaas II toimuvad samad protsessid, mis I profaasis, välja arvatud konjugatsioon ja üleminek.

AT metafaas II Kromosoomid asuvad piki raku ekvaatorit.

AT anafaas II Kromosoomid lõhenevad tsentromeeril ja kromatiidid venivad pooluste suunas.

AT telofaas II Tütarkromosoomide klastrite ümber moodustuvad tuumamembraanid ja nukleoolid.

Pärast tsütokinees II kõigi nelja tütarraku geneetiline valem - 1n1c, neil kõigil on aga erinev geenide komplekt, mis tuleneb ema- ja isakromosoomide ristumisest ja juhuslikust kombinatsioonist tütarrakkudes.

Spetsiaalsete sugurakkude ehk sugurakkude moodustumine diferentseerumata tüvirakkudest.

Kromosoomide arvu vähenemisega meioosi tagajärjel toimub elutsüklis üleminek diploidsest faasist haploidsesse faasi. Seksuaalprotsessi tulemusena toimub ploidsuse taastumine (üleminek haploidsest diploidsesse faasi).

Tulenevalt asjaolust, et homoloogsete kromosoomide esimese, redutseerimise, etapi, paarisulandumise (konjugatsiooni) profaasis on meioosi õige kulg võimalik ainult diploidsetes rakkudes või isegi polüploidsetes (tetra-, heksaploidsetes jt ​​rakkudes). ). Meioos võib esineda ka paaritutes polüploidides (tri-, pentaploidsed jt rakud), kuid neis, kuna profaasis I ei ole võimalik tagada kromosoomide paarisliitmist, tekib kromosoomide lahknemine koos häiretega, mis ohustavad raku elujõulisust või raku elujõulisust. arenedes sellest välja mitmerakuline haploidne organism.

Sama mehhanism on liikidevaheliste hübriidide steriilsuse aluseks. Kuna liikidevahelised hübriidid ühendavad raku tuumas erinevatesse liikidesse kuuluvate vanemate kromosoome, ei saa kromosoomid tavaliselt konjugeerida. See põhjustab häireid kromosoomide lahknemises meioosi ajal ja lõpuks sugurakkude või sugurakkude elujõuetuseni. Kromosomaalsed mutatsioonid (suured deletsioonid, dubleerimised, inversioonid või translokatsioonid) seavad teatud piirangud ka kromosoomide konjugatsioonile.

Meioosi faasid

Meioos koosneb kahest järjestikusest jagunemisest, mille vahel on lühike vahefaas.

• Profaas I- esimese jaotuse profaas on väga keeruline ja koosneb viiest etapist:

• Leptotena või leptoneem- kromosoomide pakkimine, DNA kondenseerumine kromosoomide moodustumisega peenikeste niitide kujul (kromosoomid lühenevad).
• Sügoteen või zygonema- toimub konjugatsioon - homoloogsete kromosoomide ühendamine kahest ühendatud kromosoomist koosnevate struktuuride moodustumisega, mida nimetatakse tetraadideks või bivalentseteks, ja nende edasine tihendamine.
• Pachytene või pachinema- (pikim staadium) ristumine (crossover), kohtade vahetus homoloogsete kromosoomide vahel; homoloogsed kromosoomid jäävad üksteisega seotuks.
• Diploteen või diplomeema- toimub kromosoomide osaline dekondensatsioon, samas kui osa genoomist saab töötada, toimuvad transkriptsiooniprotsessid (RNA moodustumine), translatsioon (valgu süntees); homoloogsed kromosoomid jäävad üksteisega seotuks. Mõnel loomal omandavad munarakkude kromosoomid selles meiootilise profaasi staadiumis lambiharja kromosoomidele iseloomuliku kuju.
• diakinees- DNA taas kondenseerub nii palju kui võimalik, sünteetilised protsessid peatuvad, tuuma ümbris lahustub; tsentrioolid lahknevad pooluste suunas; homoloogsed kromosoomid jäävad üksteisega seotuks.

Profaasi I lõpuks migreeruvad tsentrioolid raku poolustele, moodustuvad spindlikiud, tuumamembraan ja tuumad hävivad.

• Metafaas I- kahevalentsed kromosoomid reastuvad piki raku ekvaatorit.
• Anafaas I- mikrotuubulid tõmbuvad kokku, bivalentsid jagunevad ja kromosoomid lahknevad pooluste suunas. Oluline on märkida, et kromosoomide konjugatsiooni tõttu zygoteenis lahknevad pooluste suunas terved kromosoomid, mis koosnevad kahest kromatiidist, mitte üksikud kromatiidid, nagu mitoosi korral.
• Telofaas I

Meioosi teine ​​jagunemine järgneb vahetult pärast esimest, ilma väljendunud interfaasita: S-perioodi pole, kuna enne teist jagunemist DNA replikatsiooni ei toimu.

• Profaas II- toimub kromosoomide kondenseerumine, rakukeskus jaguneb ja selle jagunemisproduktid lahknevad tuuma poolustele, tuumaümbris hävib, moodustub lõhustumise spindel.
• II metafaas- ühevalentsed kromosoomid (koosnevad kumbki kahest kromatiidist) asuvad "ekvaatoril" (tuuma "poolustest" võrdsel kaugusel) samal tasapinnal, moodustades nn metafaasiplaadi.
• Anafaas II- univalendid jagunevad ja kromatiidid lahknevad pooluste suunas.
• Telofaas II Kromosoomid despiraliseerivad ja ilmub tuumamembraan.

Tähendus

• Sugulisel teel paljunevates organismides välditakse kromosoomide arvu kahekordistumist igas põlvkonnas, kuna sugurakkude moodustumise ajal meioosi teel toimub kromosoomide arvu vähenemine.
• Meioos loob võimaluse uute geenikombinatsioonide tekkeks (kombinatiivne varieeruvus), kuna tekivad geneetiliselt erinevad sugurakud.
• Kromosoomide arvu vähenemine viib "puhaste sugurakkude" moodustumiseni, mis kannavad ainult ühte vastava lookuse alleeli.
• Spindli ekvatoriaalplaadi bivalentide asukoht metafaasis 1 ja kromosoomide asukoht metafaasis 2 määratakse juhuslikult. Järgnev kromosoomide lahknemine anafaasis põhjustab sugurakkudes uute alleelide kombinatsioonide moodustumist. Kromosoomide iseseisev eraldamine on Mendeli kolmanda seaduse keskmes.

Märkmed

Kirjandus

• Babynin E. V. Homoloogilise rekombinatsiooni molekulaarne mehhanism meioosis: päritolu ja bioloogiline tähtsus. Cytology, 2007, 49, N 3, 182-193.
• Aleksander Markov. Teel meioosi saladuse lahtiharutamise poole. Artikli järgi: Yu. F. Bogdanov. Meioosi areng ühe- ja mitmerakulistes eukarüootides. Aromorfoos raku tasandil. Journal of General Biology, 69. kd, 2008. nr 2, märts-aprill. Lehekülg 102-117
• "Meioosi variatsioon ja areng" - Yu. F. Bogdanov, 2003
• Bioloogia: Toetused ülikoolidesse sisseastujatele: 2 köites T.1.-B63 2. tr., Parandatud. ja täiendav - M .: RIA "Uus laine": Kirjastaja Umerenkov, 2011.-500.

Wikimedia sihtasutus. 2010 .

Meioosi eraldi faase loomadel kirjeldas V. Flemming (1882) ja taimedes - E. Strasburger (1888) ja seejärel vene teadlane V.I. Beljajev. Samal ajal (1887) põhjendas A. Weissman teoreetiliselt meioosi kui konstantse kromosoomide arvu säilitamise mehhanismi vajadust. Esimese üksikasjaliku meioosi kirjelduse küüliku munarakkudes andis Winiworth (1900). Meioosi uurimine alles käib.

Meioosi bioloogiline tähtsus

Meioosi bioloogiline tähtsus on säilitada konstantne arv kromosoome seksuaalse protsessi juuresolekul. Lisaks toimub ületamise tulemusena rekombinatsioon - kromosoomides ilmnevad uued pärilike kalduvuste kombinatsioonid. Meioos annab ka kombinatiivse varieeruvuse – uute pärilike kalduvuste kombinatsioonide tekkimist edasise viljastamise käigus.

Meioosi kulg on organismi genotüübi kontrolli all, suguhormoonide (loomadel), fütohormoonide (taimedel) ja paljude muude tegurite (näiteks temperatuur) kontrolli all.

Meioos (kõrgematel taimedel) toimub õitsemise eelõhtul ja viib haploidse gametofüüdi moodustumiseni, milles hiljem moodustuvad sugurakud.

Meioos, kõige olulisem rakkude jagunemise protsess, mis toimub sugurakkude moodustumise eelõhtul ja avastati 19. sajandi lõpus, on pikka aega olnud väga kitsa tsütoloogide ringi tähelepanu all. See jõudis molekulaarbioloogide tähelepanu alla alles 1990. aastatel. Selle valdkonna uuringute kiirele arengule aitasid kaasa töö mudelobjektide molekulaargeneetikaga, aga ka uute immunotsütokeemiliste meetodite esilekerkimine, mis andis teadlastele mugava võimaluse meioosiga seotud valkude uurimiseks.

Kõigis eukarüootides moodustub meioosi käigus submikroskoopiline struktuur, nn sünaptonemaalne kompleks(kreeka keelest synaptos - ühendatud, peta - niit). Selle kompleksi molekulaarse korralduse ja meioosi rolli uurimine näitas, et see on vajalik kromosoomide rekombinatsiooniks ja nende arvu vähendamiseks. Seda arutatakse selles artiklis.

Kuid kõigepealt tuletagem meelde põhiteavet meioosi kohta, mis koosneb kahest jaotusest: meioosist I ja meioosist II. Redutseeritava jagunemise (meioos I) tulemusena väheneb tütarrakkude kromosoomide arv võrreldes vanemraku kromosoomide kogumiga poole võrra. Seda seetõttu, et DNA hulk kromosoomides kahekordistub enne I meioosi (joonis 1). Kromosoomide arvu kahekordne vähendamine sugurakkude moodustumisel võimaldab taastada kromosoomide esialgse (diploidse) arvu viljastamise ajal ja säilitada selle püsivust. See nõuab homoloogsete kromosoomide paaride ranget eraldamist sugurakkude vahel. Vigadega tekib aneuploidsus - kromosoomide puudumine või liig ning see tasakaalustamatus põhjustab embrüo surma või tõsiseid arenguanomaaliaid (inimestel nn kromosoomihaigused).

Sünaptonemaalse kompleksi struktuur ja funktsioon

Sünaptonemaalne kompleks koosneb kahest valgulise tõmblukuga ühendatud homoloogsete kromosoomide valguteljest (joonis 2). Tõmblukuharud on paralleelselt asetsevate ja identse orientatsiooniga valgumolekulide vardakujulised dimeerid, mille molekuli keskel on pikk α-heeliks. Pärm S. cerevisiae - see on Zip1 valk, imetajatel ja inimestel on see SCP1 (SYCP1). Need valgud on kinnitatud C-otstega kromosoomi telgede külge (kompleksi külgmised elemendid), samas kui nende N-otsad on suunatud üksteise poole, keskruumi sees (joonis 3). Molekulide N-otsas on laetud "spursid" - aminohapete positiivsete ja negatiivsete laengute tiheduse vahelduvad piigid (joon. 4), mille komplementaarne interaktsioon tagab hammaste tugeva elektrostaatilise ühenduse.

Kompleksi nn keskruum (vahe valgutelgede vahel, mis on täidetud "kinnitusvahendi" hammastega, laius umbes 100 nm), samuti kogu kompleks (selle ristlõige on umbes 150-200 nm) ei ole tavalises valgusmikroskoobis nähtavad, kuna kogu kompleks on varjatud kromatiiniga. Esimest korda nähti sünaptonemaalset kompleksi vähide ja hiirte munandite üliõhukestel (0,8 µm paksustel) lõikudel, kasutadesi. Selle avastasid 1956. aastal iseseisvalt kaks Ameerika teadlast – M. Moses ja D. V. Fossett.

Nüüd kasutatakse kompleksi uurimisel nn mikrospreading meetodit. Munandirakud (või taimede tolmukad) asetatakse pärast hüpotoonset šokki plastsubstraadile, mis on asetatud klaasklaasile. Lõhkeraku sisu fikseeritakse formaldehüüdi nõrga lahusega ja kontrasteeritakse raskmetallide sooladega (kõige parem - AgNO 3). Klaasi uuritakse faasikontrastmikroskoobiga ja kaudsete märkide järgi valitakse välja rakud, mis peaksid kompleksi sisaldama. Soovitud rakuga kilering võetakse metallvõrgule ja asetatakse elektronmikroskoobi (joonis 5). Vajadusel töödeldakse enne kontrastset rakke uurijale huvipakkuvate valkude vastaste antikehadega. Need antikehad on märgistatud kalibreeritud kolloidsete kuldsete helmestega, mis on elektronmikroskoobi all selgelt nähtavad.

Meioosi I profaasi ajal säilitab sünaptonemaalne kompleks paralleelsed homoloogsed kromosoomid peaaegu seni, kuni need on ehitatud raku ekvaatorile (metafaas I). Kromosoomid ühendatakse sünaptonemaalse kompleksi abil mõnda aega (alates 2 tunnist pärmis kuni 2-3 päevani inimesel), mille jooksul homoloogsete kromosoomide vahel toimub homoloogsete DNA piirkondade vahetus – ristumine. Ristumisel, mis toimub sagedusega vähemalt üks sündmus (sagedamini kaks, harvem kolm või neli) homoloogsete kromosoomide paari kohta, osalevad kümned meioosispetsiifilised ensüümvalgud.

Ületamise molekulaarne mehhanism ja selle geneetilised tagajärjed on kaks suurt teemat, mis jäävad selle loo ulatusest välja. Meid huvitab see protsess, kuna selle tulemusena seovad homoloogsed kromosoomid tugevalt ristunud DNA molekulidega (chiasmata) ja kaob vajadus kromosoomi paarikaupa säilitamise järele sünaptonemaalse kompleksi abil (üle ristumise järel kaob kompleks kaob). Kiasmaatidega ühendatud homoloogsed kromosoomid joonduvad raku jagunemisspindli ekvaatoril ja lahknevad rakujagunemisspindli niitide abil erinevatesse rakkudesse. Pärast meioosi lõppu väheneb kromosoomide arv tütarrakkudes poole võrra.

Niisiis, alles I meioosi eelõhtul muutub kromosoomide struktuur radikaalselt. Väga spetsiifiline tuumasisene ja kromosoomidevaheline struktuur – sünaptonemaalne kompleks – esineb organismi elutsüklis korra lühiajaliselt homoloogsete kromosoomide sidumiseks ja ristumiseks ning seejärel lammutatakse. Neid ja paljusid teisi meioosi sündmusi molekulaarsel ja subtsellulaarsel (ultrastruktuursel) tasemel tagab arvukate valkude töö, mis täidavad struktuurseid, katalüütilisi ja kineetilisi (motoorseid) funktsioone.

Sünaptonemaalse kompleksi valgud

Kaugetel 1970ndatel saime kaudseid tõendeid selle kohta, et sünaptonemaalne kompleks moodustub selle elementide iseseisvumisel, mis võib tekkida isegi kromosoomide puudumisel. Eksperimendi määras loodus ise ja meil õnnestus seda jälgida. Selgus, et I meioosiks valmistuvate sigade ümarussirakkude tsütoplasmas ilmuvad sünaptonemaalse kompleksi absoluutselt õigesti virnastatud morfoloogiliste elementide paketid ehk “virnad” (kuigi tsütoplasmas pole kromosoome: need on tuumas). Kuna raku tuumades meioosiks ettevalmistamise staadiumis ikka veel sünaptonemaalset kompleksi ei ole, ilmnes oletus, et meiootiliste sündmuste järjekorra kontroll selles primitiivses organismis on ebatäiuslik. Äsja sünteesitud valkude liig tsütoplasmas põhjustab nende polümerisatsiooni ja struktuuri, mis ei erine sünaptonemaalsest kompleksist. See hüpotees leidis kinnitust alles 2005. aastal tänu Saksamaal ja Rootsis tegutseva rahvusvahelise teadlaste rühma tööle. Nad näitasid, et kui imetajate tõmbluku valku (SCP1) kodeeriv geen viiakse kunstlikul toitainekeskkonnal kasvavatesse somaatilistesse rakkudesse ja aktiveeritakse, siis kultiveeritud rakkude sees tekib võimas SCP1 valkude võrgustik, mis on samamoodi omavahel "tõmblukuga". nagu kompleksi keskses ruumis. Pidevate valgu "tõmblukkude" kihi moodustumine rakukultuuris tähendab, et kompleksi valkude võime isekoosneda, mida me ennustasime, on tõestatud.

1989. ja 2001. aastal Meie laboritöötajad O. L. Kolomiets ja Yu. S. Fedotova uurisid sünaptonemaalsete komplekside loomulikku “demonteerimist” nende eksisteerimise lõppfaasis. Seda mitmeastmelist protsessi on kõige paremini täheldatud rukki tolmukate õietolmu emarakkudes, kus toimub osaline meioosi sünkroonsus. Selgus, et kompleksi külgmised elemendid demonteeritakse valgu superspiraali järkjärgulise “lahti kerimisega”, millel on kolm pakendamistasandit (joonis 6).

Laiendatud külgmiste elementide aluseks on nelja kohesiini valgu kompleks (inglise keelest. ühtekuuluvus- käepide). Meioosi eelõhtul ilmub kromosoomidesse spetsiifiline Rec8 kohesiini valk, mis asendab somaatilist kohesiini Rad21. Seejärel liituvad sellega veel kolm kohesiini valku, mis on olemas ka somaatilistes rakkudes, kuid somaatilise kohesiini SMC1 asemel ilmub meioosispetsiifiline valk SMC1b (selle N-ots erineb 50% somaatilise kohesiini N-otsast). SMC1 valk). See kohesiinikompleks asub kromosoomis kahe õdekromatiidi vahel, hoides neid koos. Meioosispetsiifilised valgud seonduvad kohesiinikompleksiga, millest saavad kromosoomitelgede peamised valgud ja mis muudavad need (need teljed) sünaptonemaalse kompleksi lateraalseteks elementideks. Imetajatel on sünaptonemaalse kompleksi peamised valgud SCP2 ja SCP3, pärmis Hop1 ja Red1 valgud ning meioosispetsiifiline valk Rec8.

Valkude evolutsiooniline paradoks

Imetajatel ja pärmseentel on sünaptonemaalse kompleksi valgud erineva aminohappejärjestusega, kuid nende sekundaarne ja tertsiaarne struktuur on samad. Seega on tõmblukuvalk SCP1 imetajatel ja mittehomoloogne valk Zip1 pärmis üles ehitatud ühe plaani järgi. Need koosnevad kolmest aminohappedomeenist: keskne on α-heeliks, mis on võimeline moodustama teist järku heeliksi (superkeerdumine), ja kaks terminaalset domeeni on gloobulid. Peamised valgud SCP2 ja SCP3, millel puudub homoloogia pärmi Hop1 ja Red1 valkudega ning ilmselt veel ebapiisavalt uuritud kompleksi valkudega taimedes, loovad samuti sünaptonemaalse kompleksi morfoloogiliselt ja funktsionaalselt identsed struktuurid. See tähendab, et nende valkude esmane struktuur (aminohapete järjestus) on evolutsiooniliselt neutraalne tunnus.

Niisiis, mittehomoloogsed valgud evolutsiooniliselt kaugetes organismides loovad sünaptonemaalse kompleksi ühe plaani järgi. Seda nähtust selgitades kasutan analoogiat majade ehitamisega erinevatest materjalidest, kuid ühtse plaani järgi.Tähtis on, et sellistel majadel oleksid seinad, laed, katus ning ehitusmaterjalid vastaksid tugevustingimustele. Samamoodi on sünaptonemaalse kompleksi moodustamiseks vaja külgmisi elemente ("seinad"), põikisuunalisi filamente ("tõmbluku hambad") - "katted" ja keskne ruum (ruum "köögi jaoks"). Sinna peaksid sobima “köögirobotid” – nn rekombinatsioonisõlmedeks kokku pandud rekombinatsiooniensüümide kompleksid.

Sünaptonemaalse kompleksi keskruumi laius pärmis, maisis ja inimestel on ligikaudu 100 nm. See on tingitud Rad51 rekombinatsioonivalguga kaetud üheahelaliste DNA piirkondade pikkusest. See valk kuulub ensüümide rühma (sarnaselt bakteriaalse rekombinatsioonivalguga RecA), mis on säilitanud homoloogia alates DNA rekombinatsiooni tulekust (umbes 3,5 miljardit aastat tagasi). Rekombinatsioonivalkude homoloogia paratamatuse kaugetes organismides määrab nende funktsioon: nad interakteeruvad DNA kaksikheeliksiga (sama bakteritel ja imetajatel), jagades selle üksikuteks ahelateks, katavad need valgukestaga, kannavad ühe ahela üle homoloogse kromosoomi ja taastavad seal taas kaksikheeliksi. Loomulikult säilitab enamik nendes protsessides osalevatest ensüümidest oma homoloogiat rohkem kui 3 miljardit aastat. Seevastu sünaptonemaalsed kompleksid, mis tekkisid eukarüootides pärast meioosi algust (umbes 850 miljonit aastat tagasi), on ehitatud mittehomoloogsetest valkudest ... kuid nende domeenistruktuuri skeem on sama. Kust see skeem tuli?

Vihjeks on mainitud Rec8 valk, mis alustab kromosoomitelgede moodustumist meiootilises tsüklis ja mida leidub kõigis uuritud organismides. Võib eeldada, et meiootiliste kromosoomide telgede ja sünaptonemaalse kompleksi külgmiste elementide ehitusmaterjaliks võivad olla mis tahes vahevalgud, mis on võimelised moodustama kiulist struktuuri (SCP2, Hop1 jne), interakteeruvad Rec8 kohesiiniga ja "asuge" sellele, nagu betoon metallliitmike külge.

Viimastel aastatel ebapiisava rahastuse tõttu katsetööde tegemisel raskustes asusime aktiivselt kasutama bioinformaatika meetodeid. Meid huvitas Drosophila tõmbluku valk. Arvestades pärmi Zip1 valkude ja inimese SCP1 sekundaarsete ja tertsiaarsete struktuuride sarnasust, oletasime, et Drosophila tõmblukuvalgul on sama struktuur. Alustasime tööd 2001. aastal, kui Drosophila genoom oli juba sekveneeritud ja sai teada, et see sisaldab ligikaudu 13 000 potentsiaalset geeni. Kuidas leida otsitava valgu geen?

Drosophilas selleks ajaks tuntud 125 meioosigeeni hulgas nägime selle rolli jaoks ette ainult ühte kandidaati. Fakt on see, et geeni mutatsioon c(3)G jätsid kromosoomid ilma võimalusest "tõmbluku" abil paarikaupa ühendada ja rekombinatsiooni astuda. Hüpoteesisime, et mutantidel on defektne valk, mis moodustab "kinnitusvahendi" submikroskoopilised hambad. Soovitud valgu sekundaarne struktuur ja konformatsioon peaksid olema sarnased Zip1 ja SCP1 valkudega.

Teades, et geen c(3)G asub Drosophilas 3. kromosoomis, otsisime selle piirkonna andmebaasist (mis sisaldab 700 kb) avatud lugemisraami, mis võiks kodeerida sarnast valku. Saime aru, et soovitud valgu ja pärmi primaarstruktuuri homoloogia puudumisel on nende suurus, korraldus (kolmest domeenist koosnev) ja tsentraalse domeeni võime moodustada teatud pikkusega (umbes 40 nm) α-heeliksit. peaks olema sarnane. Seda tõestas sünaptonemaalse kompleksi elektronmikroskoopilise pildi sarnasus meioosis pärmi ja Drosophila puhul.

Avatud lugemisraamid skanniti otsingualal ligi 80 geeni jaoks. Kasutades arvutiprogramme, mis võimaldavad ennustada virtuaalse valgu sekundaarstruktuuri, selle füüsikalis-keemilisi omadusi ja elektrostaatiliste laengute jaotumist molekulides, leidis T. M. Grišajeva sellise lugemisraami geeni lokaliseerimise tsooni piirilt. c(3)G.(Jaapani geneetikud ei ennustanud seda kromosoomide mikroskoopilisel kaardil väga täpselt.) Selgus, et see oli geen. CG1J604 Celera firma genoomikaardi järgi.

Jõudsime järeldusele, et see virtuaalne geen peab olema ammu tuntud geen c(3)G ja kodeerivad pärmi Zip1 valguga sarnast valku. Vastuseks meie sõnumile saime USA-st S. Hawley meili. Ta tõestas seda eksperimentaalselt c(3)G kodeerib valku, mis moodustab Drosophilas meioosi ajal kromosoomide vahele "tõmbluku". Meie töö tulemused langesid kokku, kuid Hawley rühma eksperimentaalne töö kestis umbes seitse aastat ja meie arvutitöö kolme inimesega võttis aega vaid umbes kolm kuud. Artiklid läksid samal ajal trükist välja. 2003. aastal avaldasime oma arvutiotsingu meetodi ja tõime näiteid sarnaste virtuaalsete valkude kohta teistes organismides. Seda tööd viitavad nüüd välismaised kolleegid ja meie meetod töötab edukalt nende käes koos eksperimentaalse kontrollimisega. Nii avastas rühm inglise biolooge 2005. aastal taimest tõmbluku hammaste geeni ja valgu. Arabidopsis thaliana .

Kokkuvõtteks toon näite ühest teisest leiust meioosi molekulaarbioloogia vallas, kuid alustada tuleb mitoosist. Selleks, et kromatiidid saaksid mitoosi anafaasis eralduda, on vaja hävitada kohesiin, mis neid omavahel “liimib”. Kohesiinide hüdrolüüs mitoosi ajal on geneetiliselt programmeeritud sündmus. Kuid meioosi I metafaasis, kui homoloogsed kromosoomid on reastatud raku ekvaatoril ja valguvõll on valmis need poolustele tõmbama, on kohesiinide hüdrolüüs võimatu. Seetõttu lähevad iga kromosoomi mõlemad kromatiidid, mis on kromosoomide kineetilise keskpunkti (kinetokoor) piirkonnas kokku liimitud, samale poolusele (vt joonis 1). 1990. aastate lõpus leidsid Jaapani teadlased, kes uurisid pärmseente meioosi, et kinetokoori piirkonnas kaitseb kohesiine valk, mida nad nimetasid shugoshiniks (selle termini juur on võetud samuraide leksikonist ja tähendab kaitset). Maailma meioosiuurijate kogukond jõudis väga kiiresti järeldusele, et Drosophilal, maisil ja muudel objektidel on sarnased šugosiini valgud. Samas olid geenid, mis Drosophilas I meioosis kromatiidide eraldumist "keelavad" juba 10 aastat varem, kuid nende valguprodukti ei dešifreeritud. Ja aastal 2005, rühm Ameerika teadlasi California ülikoolist Berkeleys, sealhulgas meie kaasmaalane ja minu kauaaegne kolleeg meioosi I.N. kinetokooride uurimisel, ja see ilmneb selles piirkonnas ainult siis, kui seal on juba Rec8 kohesiin, mida see kaitseb. hüdrolüüsist (aga ainult I meioosi korral). Need tulemused saadi valkude fluorestseeruvate antikehade ja konfokaalse mikroskoobi abil. Jääb veel lisada, et Jaapani teadlased teatasid kohe, et šugošin kaitses Rec8 hüdrolüüsi eest, kui šugošiini defosforüüliti. Fosforüülimine ja defosforüülimine, aga ka atsetüülimine ja deatsetüülimine on olulised modifikatsioonid, mis muudavad valgumolekulide omadusi.

Rakenduslik aspekt

Kõik räägitud on ilus fundamentaalteadus, aga kas neid teadmisi saab kasutada ka praktilistel eesmärkidel? Saab. Veel 1980. aastate keskel tõestasid Briti teadlased ja meie labor erinevate eksperimentaalsete mudelite abil, et sünaptonemaalsete komplekside mikrospreade abil on võimalik tuvastada kaks korda rohkem kromosoomide ümberkorraldusi (deletsioonid, translokatsioonid, inversioonid) võrreldes traditsioonilise analüüsimeetodiga. kromosoomid metafaasi staadiumis (joonis 7). Fakt on see, et sünaptonemaalne kompleks on profaasis olevate meiootiliste kromosoomide skeleti struktuur. Sel ajal on kromosoomid umbes 10 korda pikemad, mis suurendab oluliselt analüüsi eraldusvõimet. Mähisesse takerdunud profaasi kromosoome on aga praktiliselt võimatu uurida ning sünaptonemaalse kompleksi jäigad skeletistruktuurid ei karda levimist ning lisaks suudab elektronmikroskoop eristada valgusmikroskoobile kättesaamatuid miniaberratsioone. .

Esitasime endale küsimuse: kas kiiritatud hiirte järglaste steriilsuse põhjust on võimalik kindlaks teha, uurides mitte kromosoome, vaid sünaptonemaalset kompleksi? Selgus, et steriilsetel hiirtel, kes pärisid kromosomaalsed translokatsioonid oma vanematelt, tuvastatakse need ümberkorraldused kompleksi abil 100% uuritavatest rakkudest ja tavapäraste "metafaasi" analüüsi meetoditega - ainult 50% rakkudest. Hispaania teadlaste rühm uuris enam kui tuhat viljatuse all kannatavat meest. Neist kolmandikul ei suudetud viljatuse põhjust eelnevalt kindlaks teha ja nende patsientide munandite rakkudest pärineva sünaptonemaalse kompleksi uurimine võimaldas pooltel neist panna diagnoosi: viljatuse põhjuseks on viljatuse puudumine. sünaptonemaalne kompleks, mistõttu spermatotsüüdid (spermatosoidide eellasrakud) ei arene, st ei arene.. st toimus meioosi protsessi ja kogu spermatogeneesi "seiskamine". Sarnased tulemused saavutas OL Kolomiets koos Harkovi arstidega. Sünaptonemaalse kompleksi uurimine koos teiste analüüsimeetoditega suurendab uuritud meespatsientidel viljatuse põhjuste avastamise protsenti 17-lt 30%-le. Mõned Inglismaa kliinikud juba XX sajandi 90ndatel. kasutas neid meetodeid laialdaselt. Selline diagnostika eeldab muidugi arstide kõrgeid teoreetilisi ja praktilisi oskusi ning elektronmikroskoobi kasutamist. Venemaa laborid pole veel sellisele tasemele jõudnud, kui Üldgeneetika Instituut välja arvata. N. I. Vavilov Venemaa Teaduste Akadeemia Siberi filiaali Tsütoloogia ja Geneetika Instituut (Novosibirsk).

Võib arvata, et meioosi mehhanismide intensiivsed uuringud toovad paratamatult kaasa omandatud teadmiste rakendamise nendes bioloogia ja meditsiini valdkondades, mis on seotud elusorganismide, sealhulgas inimese viljakusega. Teadussaavutuste praktikas rakendamise seadus on aga muutumatu: midagi jõuga “ellu viia” on kasutu. Praktikud ise peavad järgima teaduse saavutusi ja neid kasutama. Seda lähenemisviisi kasutavad juhtivad farmaatsia- ja biotehnoloogiaettevõtted.

Meioosi avastamisest (1885) kuni sünaptonemaalse kompleksi avastamiseni (1956) möödus ligikaudu 70 aastat ja aastast 1956 kuni sünaptonemaalse kompleksi valkude avastamiseni (1986) veel 30 aastat. Järgmise 20 aasta jooksul , õppisime nende valkude struktuuri, neid kodeerivaid geene, interaktsioonivalke sünaptonemaalsete komplekside ehitamisel ja toimimisel, eelkõige nende koostoimet DNA rekombinatsiooni valk-ensüümidega jne, st rohkem kui viimase 30 aasta jooksul. kirjeldavate tsütoloogiliste uuringute periood. Võimalik, et meioosi peamiste molekulaarsete mehhanismide dešifreerimiseks kulub mitte rohkem kui kaks aastakümmet. Teaduse, aga ka kogu tsivilisatsiooni ajalugu iseloomustab "aja kokkusurumine", sündmuste ja avastuste üha tihenev tihenemine.

Kirjandus:

1. Lehekülg S.L., Hawley R.S.// Anna. Rev. Rakkude arendamine. Biol. 2004. V. 20. Lk 525-558.
2. Moses M.J.//Kromosoom. 2006. V. 115. Lk 152-154.
3. Bogdanov Yu.F.// Kromosoom. 1977. V. 61. Lk 1-21.
4. OllingerR. et al.//Moll. Biol. kamber. 2005. V. 16. Lk 212-217.
5. Fedotova Y.S. et al. // Genoom. 1989. V. 32. Lk 816-823; Kolomiets O.L. ja jne.// Bioloogilised membraanid. 2001. T. 18. S. 230-239.
6. Bogdanov Yu.F. et al. // Int. arvustus. Cytol. 2007. V. 257. Lk 83-142.
7. Bogdanov Yu.F.// Ontogenees. 2004. T. 35. nr 6. C. 415-423.
8. Grišajeva T.M. et al.// Drosophila Inform. Serv. 2001. V. 84. Lk 84-89.
9. Lehekülg S.L., Hawley R.S.// Geenid arenevad. 2001. V. 15. Lk 3130-3143.
10. Bogdanov Yu.F. et al. // Väljaandes Silico Biol. 2003. V. 3. Lk 173-185.
11. Osman K. et al. // Kromosoom. 2006. V. 115. Lk 212-219.
12. Hamant O., Golubovskaja I. et al.// Curr. Biol. 2005. V. 15. Lk 948-954.
13. Kalikinskaja E.I. et al. // Mut. Res. 1986. V. 174. Lk 59-65.
14. Egozcue J. et al.// Hum. Genet. 1983. V. 65. Lk 185-188; Carrara R. et al.// Genet. Mol. Biol. 2004. V. 27. Lk 477-482.
15. Bogdanov Yu.F., Kolomiets O.L. sünaptonemaalne kompleks. Meioosi dünaamika ja kromosoomide varieeruvuse näitaja. M., 2007.

Meioos(Kreeka meioos – vähenemine, vähenemine) ehk reduktsioonijaotus. Meioosi tagajärjel toimub kromosoomide arvu vähenemine, s.o. diploidsest kromosoomide komplektist (2p) moodustub haploidne komplekt (n).

Meioos koosneb kahest järjestikusest osakonnast:
I jagamist nimetatakse redutseerimiseks või deminutiiviks.
II jagamist nimetatakse võrrandiks ehk võrdsustavaks, s.t. läheb vastavalt mitoosi tüübile (mis tähendab, et kromosoomide arv ema- ja tütarrakkudes jääb samaks).

Meioosi bioloogiline tähendus seisneb selles, et ühest diploidse kromosoomikomplektiga emarakust moodustub neli haploidset rakku, mistõttu kromosoomide arv väheneb poole võrra ja DNA hulk on neli korda suurem. Selle jagunemise tulemusena tekivad loomadel sugurakud (sugurakud) ja taimedes eosed.

Faase nimetatakse samamoodi nagu mitoosis ja enne meioosi algust läbib rakk ka interfaasi.

Profaas I on pikim faas ja see jaguneb tavapäraselt 5 etapiks:
1) Leptonema (leptoten)- või õhukeste niitide staadium. Toimub kromosoomide spiraliseerumine, kromosoom koosneb 2 kromatiidist, kromatiidide veel õhukestel niitidel on nähtavad kromatiini paksenemised või klombid, mida nimetatakse kromomeerideks.
2) Zygonema (sügoteen, kreeka keel niitide ühendamine) - paarislõngade etapp. Selles etapis lähenevad homoloogsed kromosoomid üksteisele paarikaupa (kujult ja suuruselt on identsed), neid tõmmatakse ja rakendatakse üksteisele kogu pikkuses, s.t. konjugaat kromomeeride piirkonnas. See näeb välja nagu lukuga lukk. Homoloogiliste kromosoomide paari nimetatakse kahevalentseks. Bivalentide arv on võrdne haploidse kromosoomide komplektiga.
3) Pachinema (pahhüteen, kreeka keel paks) - paksude niitide staadium. Kromosoomide spiraliseerumine toimub veelgi. Seejärel lõheneb iga homoloogne kromosoom pikisuunas ja on selgelt näha, et iga kromosoom koosneb kahest kromatiidist, selliseid struktuure nimetatakse tetraadideks, s.t. 4 kromatiidi. Sel ajal toimub üleminek, st. kromatiidide homoloogsete piirkondade vahetus.
4) Diploneem (diploteen)- topeltkiudude etapp. Homoloogsed kromosoomid hakkavad tõrjuma, eemalduma üksteisest, kuid jäävad omavahel seotuks sildade abil - kiasm, need on kohad, kus toimub üleminek. Igas kromatiidiühenduses (st chiasmis) vahetatakse kromatiidisegmente. Kromosoomid keerduvad ja lühenevad.
5) Diakinees- isoleeritud topeltkiudude etapp. Selles etapis on kromosoomid täielikult tihendatud ja intensiivselt värvitud. Tuumaümbris ja tuumad hävivad. Tsentrioolid liiguvad raku poolustele ja moodustavad spindli kiude. Profaasi I kromosoomikomplekt on - 2n4c.
Seega toimub I profaasis järgmine:
1. homoloogsete kromosoomide konjugatsioon;
2. kahevalentsete või tetraadide moodustumine;
3. ülesõit.

Olenevalt kromatiidide konjugatsioonist võib olla erinevat tüüpi ristamisi: 1 - õige või vale; 2 - võrdne või ebavõrdne; 3 - tsütoloogiline või efektiivne; 4 - ühe- või mitmekordne.

Metafaas I - kromosoomide spiraliseerumine saavutab maksimumi. Bivalentsid reastuvad piki raku ekvaatorit, moodustades metafaasiplaadi. Spindli keermed on kinnitatud homoloogsete kromosoomide tsentromeeride külge. Bivalentsid on ühendatud raku erinevate poolustega.
Metafaasi I kromosoomikomplekt on - 2n4c.

Anafaas I – kromosoomide tsentromeerid ei jagune, faas algab chiasmata jagunemisega. Terved kromosoomid, mitte kromatiidid, lahknevad raku poolustele. Tütarrakkudesse satub vaid üks homoloogsete kromosoomide paarist, s.o. jaotatakse juhuslikult ümber. Igal poolusel selgub, et seal on kromosoomide komplekt - 1n2c ja üldiselt on anafaasi I kromosoomikomplekt - 2n4c.

Telofaas I - raku poolustel on terved kromosoomid, mis koosnevad 2 kromatiidist, kuid nende arv on 2 korda väiksem. Loomadel ja mõnedel taimedel on kromatiidid despiraliseeritud. Nende ümber moodustub iga pooluse juures tuumamembraan.
Siis tuleb tsütokinees
. Pärast esimest jagunemist moodustunud rakkude kromosoomikomplekt on - n2c.

I ja II jaotuse vahel puudub S-periood ning DNA replikatsioon ei toimu, sest kromosoomid on juba kahekordistunud ja koosnevad sõsarkromatiididest, seetõttu nimetatakse II interfaasi interkineesiks – st. liikudes kahe divisjoni vahel.

Profaas II on väga lühike ja kulgeb ilma eriliste muutusteta, kui telofaasis I tuumamembraani ei teki, siis tekivad kohe spindlikiud.

Metafaas II – kromosoomid reastuvad piki ekvaatorit. Spindli kiud on kinnitatud kromosoomide tsentromeeride külge.
II metafaasi kromosoomikomplekt on - n2c.

Anafaas II - tsentromeerid jagunevad ja spindli kiud eraldavad kromatiidid erinevatele poolustele. Õdekromatiide nimetatakse tütarkromosoomideks (või emakromatiide nimetatakse tütarkromosoomideks).
Anafaasi II kromosoomikomplekt on - 2n2c.

Telofaas II – kromosoomid despiraliseerivad, venivad ja on siis halvasti eristatavad. Moodustuvad tuumamembraanid, tuumakesed. Telofaas II lõpeb tsütokineesiga.
Kromosoomikomplekt pärast telofaasi II on - nc.

Meiootilise jagunemise skeem