Meioosin päävaiheiden meioosin morfologia. Meioosi seksuaalisen lisääntymisen perustana

Meioosi- menetelmä primaaristen sukusolujen epäsuoraan jakautumiseen (2p2s), sisään jonka seurauksena muodostuu haploidisia soluja (lnlc), useimmiten sukupuolisoluja.

Toisin kuin mitoosi, meioosi koostuu kahdesta peräkkäisestä solun jakautumisesta, joita kutakin edeltää interfaasi (kuva 2.53). Meioosin ensimmäistä jakoa (meioosi I) kutsutaan redukcionisti, koska tässä tapauksessa kromosomien lukumäärä puolittuu ja toinen jakautuminen (meioosi II) -yhtälö, koska sen prosessissa kromosomien lukumäärä säilyy (katso taulukko 2.5).

Interfaasi I etenee kuin mitoosin välivaihe. Meioosi I on jaettu neljään vaiheeseen: profaasi I, metafaasi I, anafaasi I ja telofaasi I. B profaasi I Tapahtuu kaksi tärkeää prosessia - konjugaatio ja ylitys. Konjugaatio- Tämä on homologisten (parillisten) kromosomien fuusioprosessi koko pituudelta. Konjugaation aikana muodostuneet kromosomiparit säilyvät metafaasin I loppuun asti.

Ylittäminen- homologisten kromosomien homologisten alueiden keskinäinen vaihto (kuva 2.54). Ristittymisen seurauksena molemmilta vanhemmilta kehon vastaanottamat kromosomit saavat uusia geeniyhdistelmiä, mikä aiheuttaa geneettisesti monimuotoisten jälkeläisten ilmaantumista. Profaasin I lopussa, kuten mitoosin profaasissa, tuma katoaa, sentriolit hajoavat solun napoihin ja ydinkalvo hajoaa.

SISÄÄNmetafaasi I kromosomiparit asettuvat riviin solun ekvaattoria pitkin, ja karan mikrotubulukset ovat kiinnittyneet sentromeereihinsä.

SISÄÄN anafaasi I Kokonaiset homologiset kromosomit, jotka koostuvat kahdesta kromatidista, hajaantuvat napoihin.

SISÄÄN telofaasi I Ydinkalvot muodostuvat kromosomiklustereiden ympärille solun napoihin, ja muodostuu nukleoleja.

Sytokineesi I varmistaa tytärsolujen sytoplasmojen erottamisen.

Meioosin I seurauksena muodostuneet tytärsolut (1n2c) ovat geneettisesti heterogeenisia, koska niiden kromosomit, jotka ovat satunnaisesti jakautuneet solun napoihin, sisältävät erilaisia ​​geenejä.

Interfaasi II hyvin lyhyt, koska siinä ei tapahdu DNA:n kaksinkertaistumista, eli ei ole S-jaksoa.

Meioosi II jaettu myös neljään vaiheeseen: profaasi II, metafaasi II, anafaasi II ja telofaasi II. SISÄÄN profaasi II samat prosessit tapahtuvat kuin profaasissa I, lukuun ottamatta konjugaatiota ja ylittämistä.

SISÄÄN metafaasi II kromosomit sijaitsevat solun päiväntasaajalla.

SISÄÄN anafaasi II kromosomit jakautuvat sentromeereistä ja kromatidit venyvät kohti napoja.

SISÄÄN telofaasi II Ydinkalvot ja nukleolit ​​muodostuvat tytärkromosomiklustereiden ympärille.

Jälkeen sytokineesi II kaikkien neljän tytärsolun geneettinen kaava - 1n1c, niillä kaikilla on kuitenkin erilainen geenisarja, mikä on seurausta äidin ja isän organismien kromosomien risteytymisestä ja satunnaisesta yhdistelmästä tytärsoluissa.

Erikoistuneiden sukusolujen eli sukusolujen muodostuminen erilaistumattomista kantasoluista.

Kun kromosomien lukumäärä vähenee meioosin seurauksena, elinkaaren aikana tapahtuu siirtymä diploidisesta vaiheesta haploidiseen vaiheeseen. Ploidisuuden palautuminen (siirtyminen haploidisesta vaiheesta diploidiseen vaiheeseen) tapahtuu seksuaalisen prosessin seurauksena.

Koska ensimmäisen, pelkistysvaiheen, profaasissa tapahtuu homologisten kromosomien parifuusio (konjugaatio), meioosin oikea kulku on mahdollista vain diploidisissa soluissa tai jopa polyploideissa (tetra-, heksaploidi jne.) . Meioosia voi esiintyä myös parittomissa polyploideissa (tri-, pentaploidisolut jne.), mutta niissä esiintyy kromosomien eroavia häiriöitä, jotka vaarantavat solun elinkyvyn tai kehittymisen, koska kromosomien parifuusiota ei kyetä varmistamaan profaasissa I. siitä monisoluinen haploidi organismi.

Sama mekanismi on interspesifisten hybridien steriiliyden taustalla. Siitä asti kun lajien väliset hybridit Solujen ytimessä eri lajeihin kuuluvien vanhempien kromosomit yhdistetään, kromosomit eivät yleensä pääse konjugoitumaan. Tämä johtaa häiriöihin kromosomien segregaatiossa meioosin aikana ja viime kädessä sukusolujen eli sukusolujen elinkyvyttömyyteen. Tietyt rajoitukset kromosomien konjugaatiolle asettavat myös kromosomimutaatiot (laajuiset deleetiot, duplikaatiot, inversiot tai translokaatiot).

Meioosin vaiheet

Meioosi koostuu kahdesta peräkkäisestä jakautumisesta, joiden välillä on lyhyt välivaihe.

• Profaasi I- Ensimmäisen jaon profaasi on erittäin monimutkainen ja koostuu viidestä vaiheesta:

• Leptoteeni tai leptonema- kromosomien pakkaus, DNA:n kondensaatio kromosomien muodostuksella ohuiden lankojen muodossa (kromosomit lyhennetään).
• Tsygoteeni tai zygonema- tapahtuu konjugaatio - homologisten kromosomien yhdistäminen kahdesta toisiinsa yhdistetystä kromosomista koostuvien rakenteiden muodostumiseen, joita kutsutaan tetradeiksi tai bivalentteiksi, ja niiden tiivistyminen edelleen.
• Pachytena tai pakyneema- (pisin vaihe) crossing over (crossover), osien vaihto homologisten kromosomien välillä; Homologiset kromosomit pysyvät yhteydessä toisiinsa.
• Diplotena tai diplonema- kromosomien osittainen dekondensaatio tapahtuu, kun taas osa genomista voi toimia, tapahtuu transkriptio (RNA:n muodostuminen), translaatio (proteiinisynteesi) prosesseja; Homologiset kromosomit pysyvät yhteydessä toisiinsa. Joillakin eläimillä oosyyttien kromosomit saavat tässä meioottisen profaasin vaiheessa tyypillisen lampunharjan kromosomimuodon.
• Diakineesi- DNA tiivistyy taas maksimiin, synteettiset prosessit pysähtyvät, ydinkalvo liukenee; Centriolit eroavat napoja kohti; Homologiset kromosomit pysyvät yhteydessä toisiinsa.

Profaasi I:n loppuun mennessä sentriolit siirtyvät solunapoihin, muodostuu karafilamentteja, tumakalvo ja nukleolit ​​tuhoutuvat

• Metafaasi I- bivalenttiset kromosomit asettuvat riviin solun päiväntasaajaa pitkin.
• Anafaasi I- mikrotubulukset supistuvat, kaksiarvoiset aineet jakautuvat ja kromosomit siirtyvät kohti napoja. On tärkeää huomata, että tsygoteenissa olevien kromosomien konjugoinnista johtuen kokonaiset kromosomit, jotka koostuvat kahdesta kromatidista kumpikin, hajaantuvat napoihin eivätkä yksittäisiin kromatideihin, kuten mitoosissa.
• Telofaasi I

Meioosin toinen jakautuminen seuraa välittömästi ensimmäisen jälkeen, ilman selvää välivaihetta: S-jaksoa ei ole, koska DNA:n replikaatiota ei tapahdu ennen toista jakautumista.

• Profaasi II- tapahtuu kromosomien kondensaatiota, solukeskus jakautuu ja sen jakautumistuotteet leviävät ytimen napoille, ydinkalvo tuhoutuu ja muodostuu fissiokara.
• Metafaasi II- yksiarvoiset kromosomit (kukin kahdesta kromatidista koostuvat) sijaitsevat "ekvaattorilla" (samalla etäisyydellä ytimen "navoista") samassa tasossa, muodostaen niin kutsutun metafaasilevyn.
• Anafaasi II- univalentit jakautuvat ja kromatidit liikkuvat kohti napoja.
• Telofaasi II- kromosomit hajoavat ja ydinvaippa ilmestyy.

Merkitys

• Sukupuolisesti lisääntyvissä organismeissa kromosomien lukumäärän kaksinkertaistuminen kussakin sukupolvessa estetään, koska sukusolujen muodostumisen aikana meioosin kautta kromosomien lukumäärä vähenee.
• Meioosi luo mahdollisuuden uusien geeniyhdistelmien syntymiseen (kombinaatiivinen vaihtelu), kun muodostuu geneettisesti erilaisia ​​sukusoluja.
• Kromosomien määrän väheneminen johtaa "puhtaiden sukusolujen" muodostumiseen, joissa on vain yksi alleeli vastaavasta lokuksesta.
• Karan ekvatoriaalisen levyn bivalenttien sijainti metafaasissa 1 ja kromosomien sijainti metafaasissa 2 määritetään satunnaisesti. Myöhempi kromosomien poikkeaminen anafaasissa johtaa uusien alleeliyhdistelmien muodostumiseen sukusoluissa. Kromosomien itsenäinen erottelu on Mendelin kolmannen lain perusta.

Huomautuksia

Kirjallisuus

• Babynin E.V. Homologisen rekombinaation molekyylimekanismi meioosissa: alkuperä ja biologinen merkitys. Cytology, 2007, 49, N 3, 182-193.
• Aleksanteri Markov. Matkalla meioosin mysteerin ratkaisemiseen. Artikkelin mukaan: Yu. F. Bogdanov. Meioosin evoluutio yksisoluisissa ja monisoluisissa eukaryooteissa. Aromorfoosi solutasolla. Aikakauslehti yleinen biologia, osa 69, 2008. nro 2, maalis-huhtikuu. Sivu 102-117
• "Meioosin vaihtelu ja evoluutio" - Yu. F. Bogdanov, 2003
• Biologia: Käsikirjoja yliopistoihin hakijoille: 2 nidettä T.1.-B63 2. painos, tarkistettu. ja muut - M.:RIA " Uusi aalto": Kustantaja Umerenkov, 2011.-500 s.

Wikimedia Foundation. 2010.

Eläinten meioosin yksittäiset vaiheet kuvaili V. Flemming (1882), kasveissa E. Strasburger (1888) ja sitten venäläinen tiedemies V. I. Beljajev. Samaan aikaan (1887) A. Weissman perusteli teoreettisesti meioosin tarvetta ylläpitomekanismina. vakio numero kromosomit. Ensimmäinen Yksityiskohtainen kuvaus meioosin kanin munasoluissa antoi Winiworth (1900). Meioosin tutkimus on edelleen kesken.

Biologinen merkitys meioosi

Meioosin biologinen merkitys on ylläpitää jatkuvaa kromosomien määrää seksuaalisen prosessin läsnä ollessa. Lisäksi ylityksen seurauksena tapahtuu rekombinaatio - uusien perinnöllisten taipumusten yhdistelmien ilmaantuminen kromosomeihin. Meioosi tarjoaa myös kombinatiivista vaihtelua - uusien perinnöllisten taipumusyhdistelmien syntymistä lisähedelmöityksen aikana.

Meioosin kulkua säätelee organismin genotyyppi, sukupuolihormonien (eläimissä), fytohormonien (kasveissa) ja monien muiden tekijöiden (esimerkiksi lämpötila) hallinnassa.

Meioosi (korkeammissa kasveissa) tapahtuu kukinnan aattona ja johtaa haploidisen gametofyytin muodostumiseen, jossa sukusolut muodostuvat myöhemmin.

Meioosi on tärkein solunjakautumisprosessi, joka tapahtuu sukusolujen muodostumisen aattona ja joka löydettiin jo vuonna myöhään XIX V., pitkään aikaan jäi hyvin kapeaan sytologien piiriin. Se tuli molekyylibiologien tietoon vasta 1900-luvun 90-luvulla. Tämän alan tutkimuksen nopeaa kehitystä helpotti työ malliesineiden molekyyligenetiikan parissa sekä uusien immunosytokemiallisten menetelmien ilmaantuminen, jotka tuovat tutkijoiden käsiin. kätevä tapa meioosiin osallistuvien proteiinien tutkiminen.

Kaikissa eukaryooteissa meioosin aikana muodostuu submikroskooppinen rakenne, ns synaptonemaalinen kompleksi(kreikan sanasta synaptos - yhdistetty, peta - lanka). Tutkimus tämän kompleksin molekyyliorganisaatiosta ja sen roolista meioosissa osoitti, että sitä tarvitaan kromosomien rekombinaatioon ja niiden lukumäärän vähentämiseen. Tästä keskustellaan tässä artikkelissa.

Mutta ensin muistetaan perustiedot meioosista, joka koostuu kahdesta jaosta: meioosi I ja meioosi II. Pelkistysjakauman (meioosi I) seurauksena tytärsolujen kromosomien määrä vähenee puoleen verrattuna emosolun kromosomien määrään. Tämä johtuu siitä, että DNA:n määrä kromosomeissa kaksinkertaistuu vain kerran ennen meioosia I (kuva 1). Kromosomien lukumäärän kaksinkertainen vähentäminen sukusolujen muodostumisen aikana mahdollistaa hedelmöityksen aikana alkuperäisen (diploidisen) kromosomien määrän palauttamisen ja sen pysyvyyden säilyttämisen. Tämä edellyttää homologisten kromosomien parien tiukkaa erottamista sukusolujen välillä. Kun virheitä tapahtuu, tapahtuu aneuploidia - kromosomien puute tai ylimäärä, ja tämä epätasapaino johtaa alkion kuolemaan tai vakaviin kehityshäiriöihin (ihmisillä ns. kromosomisairauksia).

Synaptonemaalisen kompleksin rakenne ja toiminta

Synaptonemaalinen kompleksi koostuu kahdesta homologisten kromosomien proteiiniakselista, jotka on yhdistetty proteiinivetoketjulla (kuva 2). Vetoketjuhampaat ovat sauvan muotoisia dimeerejä, jotka koostuvat yhdensuuntaisesti taitetuista ja identtisesti suuntautuneista proteiinimolekyyleistä, joissa on pitkä α-heliksi molekyylin keskellä. Hiivassa S. cerevisiae - tämä on Zip1-proteiini nisäkkäillä ja ihmisillä - SCP1 (SYCP1). Nämä proteiinit on ankkuroitu C-terminaalisista päistään kromosomaalisiin akseleihin (kompleksin lateraalisiin elementteihin) ja niiden N-päät on suunnattu toisiaan kohti, keskusavaruuden sisällä (kuvio 3). Molekyylien N-päässä on varautuneita "kannuja" - positiivisen ja negatiivisen tiheyden vuorottelevia huippuja. negatiiviset varaukset aminohapot (kuva 4), täydentävää vuorovaikutusta joka tarjoaa vahvan sähköstaattisen yhteyden hampaiden välille.

Kompleksin ns. keskusavaruus (proteiiniakselien välinen rako, täytetty "kiinnitys"hampailla, noin 100 nm leveä), samoin kuin koko kompleksi (sen poikkileikkaus noin 150-200 nm) eivät ole näkyvät tavanomaisessa valomikroskoopissa, koska koko kompleksi on kromatiinin peitossa. Synaptonemaalinen kompleksi nähtiin ensimmäistä kertaa ultraohuilla (0,8 µm paksuilla) kivesten osilla rapuja ja hiiret käyttäena. Sen löysivät vuonna 1956 itsenäisesti kaksi amerikkalaista tutkijaa - M. Moses ja D. W. Fossett.

Nyt kompleksia tutkittaessa käytetään niin kutsuttua mikrolevitysmenetelmää. Kivessolut (tai kasvien ponnet) asetetaan hypotonisen shokin jälkeen muovisubstraatille, joka on levitetty lasilevylle. Purkauskennon sisältö kiinnitetään heikolla formaldehydiliuoksella ja kontrastoidaan suoloilla raskasmetallit(Paras kaikista - AgNO 3). Lasia tarkastellaan faasikontrastimikroskoopilla ja solut, joiden tulisi sisältää kompleksi, valitaan epäsuorien todisteiden perusteella. Kalvoympyrä, jossa on haluttu kenno, poimitaan metalliverkolle ja asetetaan elektronimikroskooppiin (kuva 5). Tarvittaessa soluja käsitellään ennen kontrastia vasta-aineilla tutkijaa kiinnostaville proteiineille. Nämä vasta-aineet on leimattu kalibroiduilla kolloidisilla kultahelmillä, jotka näkyvät selvästi elektronimikroskoopissa.

Meioosin I profaasin aikana synaptonemaalisessa kompleksissa on rinnakkaisia ​​homologisia kromosomeja melkein kunnes ne rakennetaan solun päiväntasaajalle (metafaasi I). Kromosomit yhdistetään käyttämällä synaptonemaalista kompleksia jonkin aikaa (2 tunnista hiivassa 2-3 päivään ihmisellä), jonka aikana homologisia DNA-osia vaihdetaan homologisten kromosomien välillä - ristiin. Crossing over, joka tapahtuu vähintään yhden tapahtuman taajuudella (yleensä kaksi, harvemmin kolme tai neljä) homologista kromosomiparia kohti, sisältää kymmeniä meioosispesifisiä entsyymiproteiineja.

Ylityksen molekyylimekanismi ja sen geneettiset seuraukset ovat kaksi suurta aihetta tämän tarinan ulkopuolella. Olemme kiinnostuneita tästä prosessista, koska sen seurauksena homologiset kromosomit yhdistyvät tiukasti ristikkäisillä DNA-molekyyleillä (chiasmata) ja tarve kromosomien parittaiselle säilyttämiselle synaptonemaalisen kompleksin avulla katoaa (kun risteytys on päättynyt, kompleksi katoaa). Homologiset kromosomit, joita yhdistävät chiasmata, asettuvat solunjakautumiskaran päiväntasaajalle ja hajaantuvat solunjakautumiskaran säikeiden kautta eri soluihin. Kun meioosi on päättynyt, kromosomien määrä tytärsoluissa puolittuu.

Joten vain meioosin I aattona kromosomirakenne muuttuu radikaalisti. Hyvin spesifinen intranukleaarinen ja kromosomien välinen rakenne – synaptonemaalinen kompleksi – esiintyy kerran joka elinkaari organismia lyhyen aikaa homologisten kromosomien pariliittämiseksi ja risteyttämiseksi, minkä jälkeen se puretaan. Nämä ja monet muut tapahtumat meioosin aikana molekyyli- ja subsellulaarisella (ultrarakenteellisella) tasolla varmistetaan lukuisten rakenteellisia, katalyyttisiä ja kineettisiä (motorisia) toimintoja suorittavien proteiinien työllä.

Synaptonemaalisen kompleksin proteiinit

Takaisin kaukaisella 70-luvulla saimme asiaan liittyvä todiste että synaptonemaalinen kompleksi muodostuu sen elementtien itsensä kokoamisesta, mikä voi tapahtua kromosomien puuttuessa. Kokeen teki luonto itse, ja pystyimme tarkkailemaan sitä. Kävi ilmi, että sian sukkulamatossa meioosi I:een valmistautuvien solujen sytoplasmassa ilmaantuu pakkauksia tai "pinoja" täysin oikein järjestettyjä synaptonemaalisen kompleksin morfologisia elementtejä (vaikka sytoplasmassa ei ole kromosomeja: ne ovat tumassa ). Koska solujen meioosin valmisteluvaiheessa soluytimissä ei vielä ole synaptonemaalista kompleksia, oletettiin, että meioottisten tapahtumien järjestyksen hallinta tässä primitiivisessä organismissa on epätäydellinen. Äskettäin syntetisoitujen proteiinien ylimäärä sytoplasmassa johtaa niiden polymeroitumiseen ja sellaisen rakenteen ilmestymiseen, joka ei eroa synaptonemaalisesta kompleksista. Tämä hypoteesi vahvistui vasta vuonna 2005 Saksassa ja Ruotsissa työskentelevän kansainvälisen tutkijaryhmän työn ansiosta. He osoittivat, että jos nisäkkään vetoketjuproteiinia (SCP1) koodaava geeni vietiin keinotekoisilla soluilla kasvaviin somaattisiin soluihin. ravintoalusta, ja aktivoi se, silloin viljeltyjen solujen sisään ilmestyy voimakas SCP1-proteiinien verkosto, joka on "napitettu" yhteen samalla tavalla kuin kompleksin keskustilassa. Jatkuvien proteiinivetoketjujen kerroksen muodostuminen soluviljelmässä tarkoittaa, että ennustettu kompleksisten proteiinien kykymme kokoontua itsestään on todistettu.

Vuosina 1989 ja 2001. Laboratoriotyöntekijämme O. L. Kolomiets ja Yu S. Fedotova tutkivat synaptonemaalisten kompleksien luonnollista "purkamista" niiden olemassaolon loppuvaiheessa. Tämä monivaiheinen prosessi havaittiin parhaiten ruisponnen siitepölyn emosoluissa, joissa on meioosin osittainen synkronointi. Kävi ilmi, että kompleksin sivuelementit puretaan asteittain "purkamalla" proteiinisuperheliksiä, jolla on kolme pakkaustasoa (kuva 6).

Laajennettujen lateraalisten elementtien perusta on neljän kohesiiniproteiinin kompleksi (englannista. yhteenkuuluvuutta- kytkin). Meioosin aattona kromosomeihin ilmestyy spesifinen kohesiiniproteiini Rec8, joka korvaa somaattisen kohesiinin Rad21:n. Sitten siihen liittyy kolme muuta kohesiiniproteiinia, joita on myös somaattisissa soluissa, mutta somaattisen kohesiinin SMC1 sijasta ilmaantuu meioosispesifinen proteiini SMC1b (sen N-pää eroaa 50 % somaattisen solun N-päästä SMC1-proteiini). Tämä kohesiinikompleksi sijaitsee kromosomissa kahden sisarkromatidin välissä pitäen ne yhdessä. Meioosispesifiset proteiinit sitoutuvat kohesiinikompleksiin, joista tulee kromosomaalisten akselien pääproteiineja ja muuttavat ne (nämä akselit) synaptonemaalisen kompleksin sivuelementeiksi. Nisäkkäillä synaptonemaalisen kompleksin pääproteiinit ovat SCP2 ja SCP3, hiivassa proteiinit ovat Hop1 ja Red1 ja meioosispesifinen proteiini on Rec8.

Proteiinien evoluution paradoksi

Nisäkkäissä ja hiivassa synaptonemaalisen kompleksin proteiineilla on erilaiset aminohapposekvenssit, mutta niiden sekundaari- ja tertiäärinen rakenne ovat samat. Siten vetoketjuproteiini SCP1 nisäkkäissä ja ei-homologinen proteiini Zip1 hiivassa rakennetaan yhden suunnitelman mukaan. Ne koostuvat kolmesta aminohappodomeenista: keskusalueesta - α-kierteestä, joka pystyy muodostamaan toisen asteen kierteen (supercoiling), ja kahdesta terminaalisesta domeenista - pallosista. Tärkeimmät proteiinit SCP2 ja SCP3, joilla ei ole homologiaa hiivan Hop1- ja Red1-proteiinien ja ilmeisesti vielä riittämättömästi tutkittujen kompleksin proteiinien kanssa kasveissa, rakentavat myös morfologisesti ja toiminnallisesti identtisiä synaptonemaalisen kompleksin rakenteita. Tämä tarkoittaa, että näiden proteiinien primäärirakenne (aminohapposekvenssi) on evoluutionaalisesti neutraali piirre.

Joten, ei-homologiset proteiinit evoluutionaalisesti etäisissä organismeissa rakentavat synaptonemaalisen kompleksin yhden suunnitelman mukaisesti. Tämän ilmiön selittämiseksi käytän analogiaa talojen rakentamisen kanssa erilaisia ​​materiaaleja On tärkeää, että tällaisissa taloissa on seinät, lattiat, katto ja että rakennusmateriaalit täyttävät lujuusehdot. Samoin synaptonemaalisen kompleksin muodostuminen vaatii sivuelementtejä ("seinät"), poikittaisia ​​filamentteja ("vetoketjuhampaat") - "päällekkäisyyttä" ja keskustilaa (tilaa "keittiölle"). "Keittiörobottien" pitäisi sopia sinne - rekombinaatioentsyymien komplekseja, jotka on koottu niin kutsutuiksi "rekombinaatioyksiköiksi".

Hiivassa, maississa ja ihmisissä synaptonemaalisen kompleksin keskusavaruuden leveys on noin 100 nm. Tämä johtuu rekombinaatioproteiinilla Rad51 päällystettyjen yksijuosteisten DNA-osien pituudesta. Tämä proteiini kuuluu ryhmään entsyymejä (samanlainen kuin bakteerien rekombinaatioproteiini RecA), jotka ovat säilyttäneet homologian DNA-rekombinaation ilmaantumisen jälkeen (noin 3,5 miljardia vuotta sitten). Rekombinaatioproteiinien homologian väistämättömyys kaukaisissa organismeissa määräytyy niiden toiminnan perusteella: ne ovat vuorovaikutuksessa DNA:n kaksoiskierteen kanssa (sama bakteereissa ja nisäkkäissä) jakaen sen yksijuosteisiksi säikeiksi, peittävät ne proteiinikuorella, siirtävät yhden nauha homologiseen kromosomiin ja palauttaa siellä kaksoiskierteen. Luonnollisesti useimmat näihin prosesseihin osallistuvat entsyymit säilyttävät homologian yli 3 miljardia vuotta. Sitä vastoin synaptonemaaliset kompleksit, jotka ilmestyivät eukaryooteissa meioosin alkamisen jälkeen (noin 850 miljoonaa vuotta sitten), on rakennettu ei-homologisista proteiineista... mutta niiden domeenirakenteen kaavio on sama. Mistä tämä kaavio on peräisin?

Vihje on mainittu Rec8-proteiini, joka aloittaa kromosomaalisten akselien muodostumisen meioottisessa syklissä ja jota on kaikissa tutkituissa organismeissa. Voidaan olettaa, että rakennusmateriaali meioottisten kromosomien akseleilla ja synaptonemaalisen kompleksin lateraalisilla elementeillä voi olla mitä tahansa väliproteiineja, jotka pystyvät muodostamaan kuiturakenteen (SCP2, Hop1 jne.), jotka ovat vuorovaikutuksessa kohesiini Rec8:n kanssa ja "saostuvat" sen päälle, kuten betoni metallivahvikkeessa.

SISÄÄN viime vuodet Kokeellisten töiden tekemisen vaikeututtua riittämättömän rahoituksen vuoksi aloimme aktiivisesti käyttää bioinformatiikan menetelmiä. Olimme kiinnostuneita Drosophilan vetoketjuproteiinista. Ottaen huomioon hiivan Zip1-proteiinien ja ihmisen SCP1:n sekundääristen ja tertiääristen rakenteiden samankaltaisuuden, oletimme, että Drosophilan vetoketjuproteiinilla on sama rakenne. Aloitimme työmme vuonna 2001, jolloin Drosophilan genomi oli jo sekvensoitu ja tiedettiin, että se sisältää noin 13 tuhatta potentiaalista geeniä. Kuinka löydämme etsimämme proteiinin geenin?

Drosophilassa tuolloin tunnetuista 125 meioosigeenistä ennustimme vain yhden ehdokkaan tähän rooliin. Tosiasia on, että geenimutaatio c(3)G heiltä riistettyjen kromosomien kyky liittyä pareittain "vetoketjun" avulla ja ryhtyä rekombinaatioon. Oletimme, että mutanteissa on viallinen proteiini, joka muodostaa kiinnittimen submikroskooppiset hampaat. Halutun proteiinin sekundaarirakenteen ja konformaation tulisi olla samanlainen kuin Zip1- ja SCP1-proteiineilla.

Tietäen, että geeni c(3)G sijaitsee Drosophilassa kromosomissa 3, etsimme tämän alueen tietokannasta (joka sisältää 700 tuhatta emäsparia) avoimen lukukehyksen löytämiseksi, joka voisi koodata samanlaista proteiinia. Ymmärsimme, että koska halutun proteiinin ja hiivaproteiinin primäärirakenteessa ei ole homologiaa, niiden koko, organisaatio (kolmen domeenin) ja keskusdomeenin kyky muodostaa tietynpituinen (noin 40) a-heliksi nm) pitäisi olla samanlainen. Tämän osoitti synaptonemaalisen kompleksin elektronimikroskooppisen kuvan samankaltaisuus meioosissa hiivassa ja Drosophilassa.

Tarkastelimme avoimia lukukehyksiä lähes 80 geenille hakualueella. Käyttämällä tietokoneohjelmat, jonka avulla voidaan ennustaa virtuaalisen proteiinin sekundaarirakenne, sen fysikaalis-kemialliset ominaisuudet ja sähköstaattisten varausten jakautuminen molekyyleissä, T. M. Grishaeva löysi tällaisen lukukehyksen geenin lokalisointivyöhykkeen rajalta c(3)G.(Japanilaiset geneetikot eivät ennustaneet tätä kovin tarkasti kromosomien mikroskooppisella kartalla.) Se osoittautui geeniksi CG1J604 Selera-yhtiön genomikartan mukaan.

Päätimme, että tämän virtuaalisen geenin on oltava pitkään tunnettu geeni c(3)G ja koodaa proteiinia, joka on samanlainen kuin hiivan Zip1-proteiini. Vastauksena viestiimme saimme sähköpostin Yhdysvalloista S. Hawleylta. Hän osoitti kokeellisesti, että geeni c(3)G koodaa proteiinia, joka muodostaa "vetoketjun" kromosomien väliin meioosissa Drosophilassa. Työmme tulokset osuivat yhteen, mutta Hawleyn ryhmän kokeellinen työ kesti noin seitsemän vuotta ja kolmen hengen tietokonetyömme vain noin kolme kuukautta. Artikkelit julkaistiin samanaikaisesti. Vuonna 2003 julkaisimme tietokonehakumme menetelmän ja annoimme esimerkkejä vastaavista virtuaaliproteiineista muissa organismeissa. Ulkomaiset kollegat lainaavat nyt tätä työtä, ja menetelmämme toimii menestyksekkäästi heidän käsissään yhdessä kokeellisen testauksen kanssa. Niinpä vuonna 2005 ryhmä englantilaisia ​​biologeja löysi kasvista vetoketjun hampaiden geenin ja proteiinin. Arabidopsis thaliana .

Lopuksi annan esimerkin toisesta löydöstä meioosin molekyylibiologian alalla, mutta meidän on aloitettava mitoosista. Jotta kromatidit erottuisivat mitoosin anafaasissa, kohesiini, joka "liimaa ne yhteen", on tuhottava. Kohesiinien hydrolyysi mitoosin aikana on geneettisesti ohjelmoitu tapahtuma. Mutta meioosin I metafaasissa, kun homologiset kromosomit ovat rivissä solun päiväntasaajalla ja proteiinikara on valmis vetämään ne napoihin, kohesiinien hydrolyysi osoittautuu mahdottomaksi. Tästä syystä kunkin kromosomin molemmat kromatidit, jotka on liimattu yhteen kromosomien kineettisen keskuksen alueella (kinetokore), ohjataan yhteen napaan (ks. kuva 1). 90-luvun lopulla japanilaiset tutkijat, jotka tutkivat meioosia hiivassa, havaitsivat, että kinetochore-alueella kohesiineja suojaa proteiini, jota he kutsuivat shugoshiniksi (tämän termin juuri on otettu samuraiden sanastosta ja tarkoittaa suojaa). Erittäin nopea globaali yhteisö meioosin tutkijat tulivat siihen tulokseen, että samanlaisia ​​shugoshin-proteiineja on Drosophilassa, maississa ja muissa esineissä. Lisäksi geenit, jotka "estävät" kromatidien erottamisen Drosophilan meioosissa I, tunnettiin 10 vuotta aikaisemmin, mutta niiden proteiinituotetta ei purettu. Ja vuonna 2005 joukko amerikkalaisia ​​tutkijoita Kalifornian yliopistosta Berkeleystä, mukaan lukien maanmieheni ja pitkäaikainen kollegani meioositutkimuksessa I. N. Golubovskaya, raportoi, että maissin kromosomien meioosin metafaasin I aikana shugoshin ZmSGO1 sijaitsee kinetokoorien molemmilla puolilla. , ja se esiintyy tällä alueella vain, jos siellä on jo kohesiini Rec8, jota se suojaa hydrolyysiltä (mutta vain meioosissa I). Nämä tulokset saatiin käyttämällä fluoresoivia vasta-aineita proteiineille ja konfokaalimikroskooppia. On vielä lisättävä, että japanilaiset tutkijat ilmoittivat välittömästi, että shugoshin suojaa Rec8:aa hydrolyysiltä, ​​jos shugoshin defosforyloituu. Fosforylaatio ja defosforylaatio sekä asetylaatio ja deasetylaatio ovat tärkeitä modifikaatioita, jotka muuttavat proteiinimolekyylien ominaisuuksia.

Sovellusnäkökohta

Kaikki sanottu on kaunista perustiedettä, mutta onko tätä tietoa mahdollista käyttää käytännön tarkoituksiin? Voi. Jo 80-luvun puolivälissä brittiläiset tutkijat ja laboratoriomme osoittivat erilaisilla kokeellisilla malleilla, että synaptonemaalisten kompleksien mikrolevityksiä käyttämällä on mahdollista tunnistaa kaksi kertaa enemmän kromosomien uudelleenjärjestelyjä (deleetioita, translokaatioita, inversioita) verrattuna perinteinen menetelmä kromosomien analyysi metafaasivaiheessa (kuvio 7). Tosiasia on, että synaptonemaalinen kompleksi on meioottisten kromosomien luustorakenne profaasissa. Tällä hetkellä kromosomit ovat noin 10 kertaa pidempiä, mikä lisää merkittävästi analyysin resoluutiota. Sotkeutuneita profaasikromosomeja on kuitenkin lähes mahdotonta tutkia, eivätkä synaptonemaalisen kompleksin jäykät luurankorakenteet pelkää leviämistä, ja lisäksi elektronimikroskoopilla voidaan erottaa minipoikkeamat, joihin valomikroskoopilla ei päästä käsiksi.

Kysyimme itseltämme: onko mahdollista selvittää säteilytettyjen hiirten jälkeläisten hedelmättömyyden syy tutkimalla ei kromosomeja, vaan synaptonemaalista kompleksia? Kävi ilmi, että steriileillä hiirillä, jotka ovat perineet kromosomaaliset translokaatiot vanhemmiltaan, nämä uudelleenjärjestelyt havaitaan kompleksin avulla 100 prosentissa tutkituista soluista ja tavanomaisilla "metafaasi"-analyysimenetelmillä - vain 50 prosentissa soluista. Ryhmä espanjalaisia ​​tutkijoita tutki yli tuhat hedelmättömyydestä kärsivää miestä. Kolmannella heistä hedelmättömyyden syytä ei voitu selvittää aiemmin, ja näiden potilaiden kivessoluista peräisin olevan synaptonemaalisen kompleksin tutkiminen antoi puolet heistä tehdä diagnoosin: hedelmättömyyden syy on synaptonemaalisen kompleksin puuttuminen. , minkä vuoksi spermatosyytit (sperman esiastesolut) eivät kehity, eli havaittiin meioosiprosessin ja kaiken spermatogeneesin "pysähtyminen". Samanlaisia ​​tuloksia sai O. L. Kolomiets yhdessä Kharkovin lääkäreiden kanssa. Synaptonemaalisen kompleksin tutkimus yhdessä muiden analyysimenetelmien kanssa lisää hedelmättömyyden syiden tunnistamisprosenttia tutkituilla miespotilailla 17 prosentista 30 prosenttiin. Jotkut englantilaiset klinikat jo XX vuosisadan 90-luvulla. käyttänyt aktiivisesti vastaavia menetelmiä. Tällainen diagnostiikka vaatii tietysti korkeaa teoreettista ja käytännön pätevyyttä lääkäreiltä ja elektronimikroskooppien käyttöä. Venäläiset laboratoriot eivät ole vielä saavuttaneet tätä tasoa, lukuun ottamatta nimettyä yleisgenetiikan instituuttia. N.I. Vavilova RAS (Moskova) ja Sytologian ja genetiikan instituutti SB RAS (Novosibirsk).

Voisi ajatella, että intensiivinen meioosin mekanismien tutkimus johtaa väistämättä hankitun tiedon soveltamiseen niillä biologian ja lääketieteen aloilla, jotka liittyvät elävien organismien, mukaan lukien ihmisen, hedelmällisyyteen. Kuitenkin soveltamislaki tieteellisiä saavutuksia käytännössä on ennallaan: jonkin väkisin "toteuttaminen" on hyödytöntä. Toimijoiden on itse seurattava tieteen saavutuksia ja käytettävä niitä. Tämä on johtavien lääke- ja bioteknologiayritysten omaksuma lähestymistapa.

Meioosin löytämisestä (1885) synaptonemaalisen kompleksin löytämiseen (1956) kului noin 70 vuotta ja vuodesta 1956 synaptonemaalisen kompleksin proteiinien löytämiseen (1986) - vielä 30 vuotta. Seuraavien 20 vuoden aikana me oppinut näiden proteiinien rakenteen, niitä koodaavia geenejä ja proteiinien vuorovaikutusta synaptonemaalisten kompleksien rakentamisessa ja toiminnassa, erityisesti niiden vuorovaikutusta DNA-jne. kanssa, eli enemmän kuin edellisellä 30 vuoden kuvausjaksolla sytologiset tutkimukset. Meioosin perusmolekyylimekanismien tulkitseminen voi kestää enintään kaksi vuosikymmentä. Tieteen historialle, kuten koko sivilisaation historialle, on ominaista "ajan tiivistyminen", tapahtumien ja löytöjen lisääntyvä tiivistyminen.

Kirjallisuus:

1. Sivu S.L., Hawley R.S.// Annu. Rev. Solujen kehitys. Biol. 2004. V. 20. P. 525-558.
2. Moses M.J.//Kromosoma. 2006. V. 115. S. 152-154.
3. Bogdanov Yu.F.//Kromosoma. 1977. V. 61. S. 1-21.
4. OllingerR. et ai.//Moll. Biol. Cell. 2005. V. 16. S. 212-217.
5. Fedotova Y.S. et ai. // Perimä. 1989. V. 32. P. 816-823; Kolomiets O.L. jne.// Biologiset kalvot. 2001. T. 18. s. 230-239.
6. Bogdanov Yu.F. et ai. // Int. Arvostelu. Cytol. 2007. V. 257. S. 83-142.
7. Bogdanov Yu.F.// Ontogeny. 2004. T. 35. Nro 6. s. 415-423.
8. Grishaeva T.M. et ai.// Drosophila Inform. Serv. 2001. V. 84. P. 84-89.
9. Sivu S.L., Hawley R.S.// Genes Develop. 2001. V. 15. P. 3130-3143.
10. Bogdanov Yu.F. et ai. // Julkaisussa Silico Biol. 2003. V. 3. S. 173-185.
11. Osman K. et ai. // Kromosoma. 2006. V. 115. S. 212-219.
12. Hamant O., Golubovskaya I. et ai.//Virta. Biol. 2005. V. 15. P. 948-954.
13. Kalikinskaya E.I. et ai. // Mut. Res. 1986. V. 174. S. 59-65.
14. Egozcue J. et ai.//Hyräillä. Genet. 1983. V. 65. P. 185-188; Carrara R. et ai.// Genet. Mol. Biol. 2004. V. 27. P. 477-482.
15. Bogdanov Yu.F., Kolomiets O.L. Synaptonemaalinen kompleksi. Meioosin dynamiikan ja kromosomien vaihtelun indikaattori. M., 2007.

Meioosi(Kreikan meioosi - väheneminen, väheneminen) tai pelkistysjako. Meioosin seurauksena kromosomien määrä vähenee, ts. diploidisesta kromosomijoukosta (2n) muodostuu haploidisarja (n).

Meioosi koostuu kahdesta peräkkäisestä divisioonasta:
Ensimmäistä jakoa kutsutaan vähentämiseksi tai deminutiiviksi.
II-jakoa kutsutaan yhtälöksi tai tasoitavaksi, ts. etenee mitoosityypin mukaan (mikä tarkoittaa, että kromosomien lukumäärä emo- ja tytärsoluissa pysyy samana).

Meioosin biologinen merkitys on, että yhdestä emosolusta, jossa on diploidinen kromosomisarja, muodostuu neljä haploidista solua, jolloin kromosomien määrä vähenee puoleen ja DNA:n määrä nelinkertaistuu. Tämän jakautumisen seurauksena eläimissä muodostuu sukusoluja (sukusoluja) ja kasveissa itiöitä.

Vaiheet ovat samoja kuin mitoosissa, ja ennen meioosin alkamista solu käy myös interfaasin läpi.

Prophase I on pisin vaihe ja se on perinteisesti jaettu viiteen vaiheeseen:
1) Leptonema (leptoteeni)– tai ohuiden lankojen vaihe. Kromosomit ovat spiraalimaisia, kromosomi koostuu kahdesta kromatidista, ja kromatidien vielä ohuissa säikeissä on näkyvissä paksunnuksia tai kromatiinipaakkuja, joita kutsutaan kromomeereiksi.
2) Tsygonema (tsygoteeni, kreikkalainen lankojen yhdistäminen) - parillisten säikeiden vaihe. Tässä vaiheessa homologiset (muodoltaan ja kooltaan identtiset) kromosomit kokoontuvat pareittain, ne vetävät puoleensa ja tarttuvat toisiinsa koko pituudelta, ts. konjugaatti kromomeerialueella. Se on samanlainen kuin vetoketjullinen lukko. Homologista kromosomiparia kutsutaan bivalentteiksi. Bivalenttien lukumäärä on yhtä suuri kuin haploidinen kromosomien joukko.
3) Pakyneema (pakyteeni, Kreikka paksu) – paksujen filamenttien vaihe. Kromosomien spiralisoitumista tapahtuu edelleen. Sitten kukin homologinen kromosomi halkeaa pitkittäissuunnassa ja tulee selvästi näkyviin, että jokainen kromosomi koostuu kahdesta kromatidista; tällaisia ​​rakenteita kutsutaan tetradeiksi, ts. 4 kromatidia. Tällä hetkellä tapahtuu ylitys, ts. kromatidien homologisten alueiden vaihto.
4) Diploneema (diploteeni)– kaksoislankavaihe. Homologiset kromosomit alkavat hylätä toisiaan, siirtyä pois toisistaan, mutta säilyttävät suhteensa siltojen avulla - chiasmata, nämä ovat paikkoja, joissa ylitys tapahtuu. Jokaisessa kromatidiliitoksessa (eli chiasmassa) kromatidien osia vaihdetaan. Kromosomit kiertyvät ja lyhenevät.
5) Diakineesi– eristettyjen kaksoislankojen vaihe. Tässä vaiheessa kromosomit ovat täysin tiivistyneet ja värjäytyneet voimakkaasti. Ydinkalvo ja nukleolit ​​tuhoutuvat. Sentriolit siirtyvät solun napoihin ja muodostavat karafilamentteja. Profaasin I kromosomisarja on 2n4c.
Eli profaasissa I:
1. homologisten kromosomien konjugaatio;
2. bivalenttien tai tetradien muodostuminen;
3. ylittäminen.

Kromatidien konjugaatiosta riippuen voi olla erilaisia ylittäminen: 1 – oikein tai väärin; 2 – yhtä suuri tai eriarvoinen; 3 – sytologinen tai tehokas; 4 – yksi tai useampi.

Metafaasi I - kromosomien spiralisoituminen saavuttaa maksiminsa. Kaksiarvoiset aineet asettuvat linjaan solun päiväntasaajaa pitkin muodostaen metafaasilevyn. Karan säikeet ovat kiinnittyneet homologisten kromosomien sentromeereihin. Bivalentit ovat yhteydessä solun eri napoihin.
Metafaasin I kromosomisarja on -2n4c.

Anafaasi I - kromosomien sentromeerit eivät jakautu; vaihe alkaa chiasmatan jakautumisesta. Kokonaiset kromosomit, eivät kromatidit, hajaantuvat solun napoihin. Vain yksi homologisista kromosomeista pääsee tytärsoluihin, ts. ne jaetaan satunnaisesti uudelleen. Osoittautuu, että jokaisessa navassa on joukko kromosomeja - 1n2c, ja yleensä anafaasin I kromosomisarja on - 2n4c.

Telofaasi I - solun navoissa on kokonaisia ​​kromosomeja, jotka koostuvat 2 kromatidista, mutta niiden lukumäärä on 2 kertaa pienempi. Eläimissä ja joissakin kasveissa kromatidit hajoavat. Niiden ympärille muodostuu jokaiseen napaan ydinkalvo.
Sitten tulee sytokineesi
. Ensimmäisen jakautumisen jälkeen muodostunut solujen kromosomijoukko on - n2c.

Division I ja II välillä ei ole S-jaksoa eikä DNA:n replikaatiota tapahdu, koska kromosomit ovat jo päällekkäisiä ja koostuvat sisarkromatideista, joten interfaasi II on nimeltään interkinesis - ts. kahden divisioonan välillä tapahtuu liikettä.

Profaasi II on hyvin lyhyt ja etenee ilman erityisiä muutoksia; jos ydinvaippa ei muodostu telofaasissa I, muodostuu välittömästi karafilamentteja.

Metafaasi II - kromosomit asettuvat linjaan päiväntasaajaa pitkin. Karan filamentit ovat kiinnittyneet kromosomien sentromeereihin.
Metafaasin II kromosomisarja on -n2c.

Anafaasi II - sentromeerit jakautuvat ja karafilamentit siirtävät kromatidit eri napoihin. Sisarkromatideja kutsutaan tytärkromosomeiksi (tai äitikromatideiksi tulee tytärkromosomeja).
Anafaasi II:n kromosomisarja on -2n2c.

Telofaasi II - kromosomit venyvät, venyvät ja ovat sitten huonosti erotettavissa. Ydinkalvot ja nukleolit ​​muodostuvat. Telofaasi II päättyy sytokineesiin.
Telofaasi II:n jälkeen asetettu kromosomi on – nc.

Meioottinen jakokaavio