Meioosin päävaiheiden meioosin morfologia. Meioosin määritelmä ja tyypit

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" - aminohappojen positiivisten ja negatiivisten varausten tiheyden vuorottelevia huippuja (kuva 4), joiden komplementaarinen vuorovaikutus varmistaa hampaiden vahvan sähköstaattisen yhteyden.

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. Ensimmäistä kertaa synaptonemaalinen kompleksi havaittiin erittäin ohuilla (0,8 µm paksuilla) rapujen ja hiiren kivesten osillala. 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 - ilmestyy kerran organismin elinkaareen lyhyeksi ajaksi homologisten kromosomien pareittain yhdistämiseksi ja risteytykseksi, 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

Kaukaisella 70-luvulla saimme epäsuoraa näyttöä siitä, 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 rakentamiseen eri materiaaleista, mutta yhden suunnitelman mukaan.On tärkeää, että tällaisissa taloissa on seinät, katot, 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 meioottisten kromosomien akseleiden ja synaptonemaalisen kompleksin lateraalisten elementtien rakennusmateriaalina voi olla mitä tahansa väliproteiinia, joka kykenee muodostamaan kuiturakenteen (SCP2, Hop1 jne.), joka on vuorovaikutuksessa kohesiini Rec8:n ja " saostumassa” sen päälle, kuten betoni metalliosien päälle

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 tietokoneohjelmia, jotka mahdollistavat virtuaalisen proteiinin sekundaarirakenteen, sen fysikaalis-kemiallisten ominaisuuksien ja sähköstaattisten varausten jakautumisen ennustamisen 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 on erityinen menetelmä eukaryoottisten solujen jakamiseen, jossa alkuperäinen kromosomien lukumäärä vähenee 2 kertaa (muinaisesta kreikkalaisesta "meionista" - vähemmän - ja "meioosista" - väheneminen).

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 mekanismina kromosomien vakiomäärän ylläpitämiseksi. Ensimmäinen Yksityiskohtainen kuvaus meioosin kanin munasoluissa antoi Winiworth (1900).

Vaikka meioosi löydettiin yli 100 vuotta sitten, meioosin tutkimus on edelleen kesken. Kiinnostus meioosiin lisääntyi dramaattisesti 1960-luvun lopulla, kun kävi selväksi, että samat geeniohjatut entsyymit saattoivat olla mukana monissa DNA:han liittyvissä prosesseissa. Viime aikoina useat biologit ovat kehittäneet alkuperäistä ideaa: korkeampien organismien meioosi toimii geneettisen materiaalin stabiilisuuden takaajana, koska meioosiprosessissa, kun homologikromosomiparit ovat läheisessä kosketuksessa, DNA-säikeet tarkistetaan. tarkkuus ja vauriot, jotka vaikuttavat molempiin säikeisiin, palautetaan. Meioosin tutkimus yhdisti kahden tieteen, sytologian ja genetiikan, menetelmät ja kiinnostuksen kohteet. Tämä johti synnytykseen uusi haara tieto - sytogenetiikka, joka liittyy nyt läheisesti molekyylibiologiaan ja geenitekniikkaan.

Meioosin biologinen merkitys piilee seuraavissa prosesseissa:

1. Kromosomien lukumäärän vähenemisen ansiosta meioosin seurauksena useissa sukupolvissa seksuaalisen lisääntymisen aikana kromosomien lukumäärän pysyvyys varmistetaan.

2. Kromosomien itsenäinen jakautuminen ensimmäisen jakautumisen anafaasissa varmistaa geenien rekombinaation eri ryhmiä sidos (sijaitsee eri kromosomeissa). Kromosomien meioottista jakautumista tytärsoluihin kutsutaan kromosomien segregaatioksi.

3. Ristikkäisyys meioosin I-profaasissa varmistaa samaan kytkentäryhmään (samassa kromosomissa sijaitsevien) kuuluvien geenien rekombinaation.

4. Sukusolujen satunnainen yhdistelmä hedelmöityksen aikana yhdessä yllä olevien prosessien kanssa edistää geneettistä vaihtelua.

5. Meioosiprosessin aikana tapahtuu toinen merkittävä ilmiö. Tämä on RNA-synteesin (tai kromosomien transkription aktiivisuuden) aktivoitumisprosessi profaasin (diploteenin) aikana, joka liittyy lampunharjakromosomien muodostumiseen (löytyy eläimistä ja joistakin kasveista).

Tämä profaasin palautuminen interfaasitilaan (mitoosin aikana mRNA-synteesi tapahtuu vain interfaasissa) on meioosin spesifinen ominaisuus solunjakautumisen erityistyyppinä.

On huomattava, että alkueläimillä on merkittävä valikoima meioottisia prosesseja.

Niiden aseman mukaan elinkaaressa erotetaan kolme meioosityyppiä:

Tsygoottinen th (alku)meioosi tapahtuu tsygootissa, ts. heti hedelmöityksen jälkeen. Se on ominaista organismeille, joiden elinkaaressa haploidinen vaihe on vallitseva (askomykeetit, bisidiomykeetit, jotkut levät, itiöeläimet jne.).

Gametic(terminaalinen) meioosi tapahtuu sukusolujen muodostumisen aikana. Sitä havaitaan monisoluisilla eläimillä (mukaan lukien ihmisillä), samoin kuin alkueläimillä ja joillakin alemmilla kasveilla, joiden elinkaaressa diploidifaasi on hallitseva.

Keskitason(itiö) meioosi tapahtuu itiöinnin aikana korkeammissa kasveissa, mukaan lukien sporofyytti (kasvi) ja gametofyytti (siitepöly, alkiopussi) vaiheiden välillä.

Siten meioosi on tuman jakautumisen muoto, johon liittyy kromosomien lukumäärän väheneminen diploidista haploidiksi ja muutos geneettisessä materiaalissa. Meioosin seurauksena muodostuu soluja, joissa on haploidinen kromosomisarja (sukupuolisolut).

Meioosin kesto voi vaihdella kasvi- ja eläintyypistä riippuen (taulukko 1).

Taulukko 1. Meioosin kesto eri kasvilajeissa

Tyypillinen meioosi koostuu kahdesta peräkkäisestä solun jakautumisesta, joita kutsutaan vastaavasti meioosiksi I ja meioosiksi II. Ensimmäisessä jakautumisessa kromosomien määrä vähenee puoleen, joten ensimmäinen meioottinen jakautuminen on ns. redukcionisti, ei niin usein - heterotyyppinen. Toisessa jaossa kromosomien lukumäärä ei muutu; tätä jakoa kutsutaan yhtälö(tasoitus), harvemmin - homeotyyppinen. Ilmaisuja "meioosi" ja "pelkistysjako" käytetään usein vaihtokelpoisina.

Meiosyyttien (meioosiin siirtyvien solujen) kromosomien alkulukua kutsutaan diploidiseksi kromosomiluvuksi (2n). Meioosin seurauksena muodostuneiden solujen kromosomien lukumäärää kutsutaan haploidiseksi kromosomiluvuksi (n). Kromosomien vähimmäismäärää solussa kutsutaan ydinluvuksi (x). Solun kromosomien perusmäärä vastaa geneettisen tiedon vähimmäismäärää (minimimäärä DNA:ta), jota kutsutaan genomiksi.

Genomien lukumäärää solussa kutsutaan genomiluvuksi (n). Useimmissa monisoluisissa eläimissä, kaikissa sinisiemenisissa ja monissa koppisiemenisissa, haploidia-diploidian käsite ja genomiluvun käsite yhtyvät. Esimerkiksi henkilöllä on n=x=23 ja 2n=2x=46.

Meioosin morfologia - vaiheiden ominaisuudet

Interfaasi

Premeioottinen interfaasi eroaa normaalista interfaasista siinä, että DNA:n replikaatioprosessi ei pääty loppuun: noin 0,2...0,4 % DNA:sta jää päällekkäin. Siten solun jakautuminen alkaa solusyklin synteettisessä vaiheessa. Siksi meioosia kutsutaan kuvaannollisesti ennenaikaiseksi mitoosiksi. Yleisesti voidaan kuitenkin olettaa, että diploidisessa solussa (2n) DNA-pitoisuus on 4c.

Sentriolien läsnä ollessa ne kaksinkertaistuvat siten, että solussa on kaksi diplosomia, joista jokainen sisältää parin sentrioleja.

Ensimmäinen meioottinen jakautuminen

DNA on käynyt läpi replikaation. Profaasi I, meioosin pisin vaihe, alkaa.

Profaasi I on jaettu seuraaviin vaiheisiin:

leptoteeni - ohuiden filamenttien vaihe;

tsygoteeni - kaksoislankojen vaihe;

pakyteeni - paksujen filamenttien vaihe;

diploteeni - ylitys;

diakineesi - ydinkalvon ja tuman katoaminen.

Varhaisessa profaasissa (leptoteeni) tapahtuu valmistautuminen kromosomikonjugaatioon. Kromosomit on jo monistettu, mutta niissä olevia sisarkromatideja ei silti voida erottaa. Kromosomit alkavat pakata (kiertyä).

Toisin kuin mitoosin profaasi, jossa kromosomit sijaitsevat päistä päähän ydinkalvoa pitkin ja pakattuna vetäytyvät kalvoon, leptoteenikromosomit telomeeriosien (päiden) kanssa sijaitsevat yhdessä ytimen napoista muodostaen " kimppu" hahmo eläimissä ja puristettu palloksi " synesis" - kasveissa. Tämä järjestely tai orientaatio ytimessä mahdollistaa kromosomien nopeamman ja helpomman suorittaa homologisten kromosomaalisten lokusten konjugaation (kuvio 1).

Keskeisenä tapahtumana on salaperäinen homologisten kromosomien tunnistusprosessi ja niiden pareittainen lähestyminen toisiaan tapahtuu profaasin I tsygoteenissa. Homologisten kromosomien konjugoinnin (yhteen saamisen) aikana muodostuu pareja - bivalentteja ja kromosomit lyhenevät huomattavasti. Tästä hetkestä lähtien synaptonemaalisen kompleksin (SC) muodostuminen alkaa. Synaptonemaalisen kompleksin muodostuminen ja kromosomien synopsis ovat synonyymejä.

Riisi. 1. Profaasivaihe

Profaasin I seuraavassa vaiheessa - pakyteeni homologisten kromosomien välillä on läheinen kontakti, jota kutsutaan synapsiksi (kreikan synopsis - yhteys, yhteys). Kromosomit ovat tässä vaiheessa erittäin spiraalistuneet, mikä mahdollistaa niiden tarkkailun mikroskoopilla.

Synapsin aikana homologit kietoutuvat yhteen, ts. konjugaatti. Konjugoivat kaksiarvoiset aineet yhdistetään chiasmatalla. Jokainen bivalentti koostuu kahdesta kromosomista ja neljästä kromatidista, joissa jokainen kromosomi on peräisin vanhemmalta. Synapsin (SC) muodostumisen aikana tapahtuu alueiden vaihtoa homologisten kromatidien välillä. Tämä prosessi, jota kutsutaan crossing overiksi, johtaa siihen, että kromatideilla on nyt erilainen geenikoostumus.

Synaptonemaalinen kompleksi (SC) saavuttaa suurimman kehittymisensä pakyteenissa ja tänä aikana se on nauhamainen rakenne, joka sijaitsee rinnakkaisten homologisten kromosomien välisessä tilassa. SC koostuu kahdesta rinnakkaisesta lateraalisesta elementistä, jotka muodostuvat tiheästi pakautuneista proteiineista ja vähemmän tiheästä keskuselementistä, joka ulottuu niiden väliin (kuvio 2).

Riisi. 2. Synaptonemaalisen kompleksin kaavio

Jokainen lateraalinen elementti muodostuu sisarkromatidiparista leptoteenikromosomin pituusakselin muodossa, ja ennen kuin siitä tulee osa SC:tä, sitä kutsutaan aksiaalielementiksi. Kromatiinin lateraaliset silmukat sijaitsevat SC:n ulkopuolella ja ympäröivät sitä kaikilta puolilta.

SC-kehitys meioosin aikana:

leptoteeni - leptoteeniin päässeiden kromosomien rakenne osoittautuu välittömästi epätavalliseksi: jokaisessa homologissa on pitkittäinen juoste, joka kulkee kromosomiakselia pitkin koko pituudeltaan;

tsygoteeni - tässä vaiheessa homologien aksiaaliset säikeet tulevat lähemmäksi toisiaan, kun taas ydinkalvoon kiinnittyneiden aksiaalisten säikeiden päät näyttävät liukuvan sitä pitkin sisäpinta toisiaan kohtaan;

pakyteeni. Suurin kehitys SC saavuttaa pakyteenin, kun kaikki sen alkuaineet saavuttavat maksimitiheyden, ja kromatiini on eräänlainen tiheä jatkuva "pinnoite" sen ympärillä.

SC:n toiminnot:

1. Täysin kehittynyt synaptonemaalinen kompleksi on välttämätön homologien normaalille säilyttämiselle bivalentissa niin kauan kuin se on tarpeen risteykseen ja chiasmatan muodostumiseen. Kromosomit yhdistetään synaptonemaalisella kompleksilla jonkin aikaa (hiivassa 2 tunnista 2–3 vuorokauteen ihmisellä), jonka aikana homologisia DNA-osia vaihdetaan homologisten kromosomien välillä - crossing over (englanniksi crossing over - ristin muodostus) .

2. Homologien liian vahvan yhteyden estäminen ja niiden pitäminen tietyllä etäisyydellä, yksilöllisyyden säilyttäminen, mahdollisuuden työntämiseen diploteenissa ja hajaantumiseen anafaasissa luominen.

Ylitysprosessi liittyy tiettyjen entsyymien työhön, jotka kun chiasmatat muodostuvat sisarkromatidien väliin, "leikkaavat" ne risteytyskohdassa, minkä jälkeen tuloksena olevat fragmentit yhdistyvät uudelleen. Useimmissa tapauksissa nämä prosessit eivät johda häiriöihin homologisten kromosomien geneettisessä rakenteessa, ts. kromatidifragmenttien oikea kytkentä tapahtuu ja niiden alkuperäinen rakenne palautuu.

Kuitenkin myös toinen (harvinainen) versio tapahtumista on mahdollinen, joka liittyy leikattujen rakenteiden fragmenttien virheelliseen yhdistämiseen. Tässä tapauksessa konjugoivien kromatidien välillä tapahtuu geneettisen materiaalin osien keskinäistä vaihtoa (geneettinen rekombinaatio).

Kuvassa 3 esittää yksinkertaistetun kaavion joistakin mahdollisia vaihtoehtoja yksi- tai kaksinkertainen risteytys, jossa on kaksi kromatidia homologisesta kromosomiparista. On korostettava, että ylittäminen on satunnainen tapahtuma, joka vaihtelevalla todennäköisyydellä voi esiintyä missä tahansa homologisten kromosomien kohdassa (tai kahdessa tai useammassa kohdassa). Näin ollen eukaryoottisen organismin sukusolujen kypsymisvaiheessa meioosin ensimmäisen jakautumisen profaasissa toimii homologisten kromosomien geneettisen materiaalin satunnaisen (vapaan) yhdistelmän (rekombinaation) universaali periaate.

Synapsin sytologisissa tutkimuksissa kahden viime vuosikymmenen aikana tärkeä rooli on ollut menetelmällä eläinten ja kasvien profaasimeioottisten solujen levittämiseksi hypotonisen liuoksen vaikutuksesta. Menetelmä tuli sytogenetiikkaan Mooseksen työn jälkeen ja sillä oli sama rooli kuin "puristettujen" tutkimusvalmisteiden valmistusmenetelmällä. metafaasikromosomit, säästää sytogenetiikkaa mikrotomileikkeiltä.

Moses-menetelmästä ja sen modifikaatioista on tullut kätevämpi kuin SC-analyysi ultraohuilla leikkeillä. Tämä menetelmä oli perusta meioosin tutkimuksille ja käsitti vähitellen eläinten ja kasvien meioosin geenikontrollin kysymyksiä.

Riisi. 3. Erilliset variantit kerta- ja kaksoisristeyttämisestä, joissa on kaksi kromatidia: 1 alkuperäinen kromatidi ja variantti ilman risteytystä; 2 yksittäistä ylitystä alueella A B ja risteytyskromatideja; 3 yksittäistä ylitystä jakso B-C ja crossover-kromatidit; 4 kaksoisristeytys- ja crossover-kromatidit useilla eri alueilla perustuen näiden alueiden geneettisen materiaalin homologiaan. Uskotaan, että kummallakin puolella joko toinen vastaavan kromosomin kahdesta sisarkromatidista tai molemmat kromatidit voivat osallistua konjugaatioprosessiin.

Dippoteenissa homologiset kromosomit alkavat hylkiä toisiaan pariutumisen ja risteytyksen jälkeen. Repulsioprosessi alkaa sentromeeristä. Homologien eroamista estää chiasmata - risteytymisestä aiheutuva ei-sisarkromatidien liitoskohta. Kun kromatidit eroavat toisistaan, jotkut chiasmatat siirtyvät kohti kromosomin varren päätä. Yleensä risteyksiä on useita, ja mitä pidemmät kromosomit ovat, sitä enemmän niitä, joten diploteenissa on yleensä useita chiasmataa yhdessä bivalentissa.

Diakineesivaiheen aikana chiasmaattien määrä vähenee. Bivalentit sijaitsevat ytimen reunalla. Tuma hajoaa, kalvo tuhoutuu ja siirtyminen metafaasiin I. Profaasin ajan tuma ja ydinvaippa säilyvät. Ennen profaasia, interfaasin synteettisen ajanjakson aikana, tapahtuu DNA:n replikaatio ja kromosomien lisääntyminen. Tämä synteesi ei kuitenkaan lopu kokonaan: DNA:ta syntetisoituu 99,8 % ja proteiineja 75 %. DNA-synteesi päättyy pakyteeniin, proteiinisynteesi diploteeniin.

Metafaasissa I mikrotubulusten muodostama karan muotoinen rakenne tulee havaittavaksi. Meioosin aikana yksittäiset mikrotubulukset kiinnittyvät kunkin bivalentin kromosomien sentromeereihin. Sitten kromosomiparit siirtyvät solun ekvatoriaaliselle tasolle, missä ne on järjestetty satunnaiseen järjestykseen. Homologisten kromosomien sentromeerit sijaitsevat ekvatoriaalisen tason vastakkaisilla puolilla; mitoosin metafaasissa päinvastoin yksittäisten kromosomien sentromeerit sijaitsevat ekvatoriaalisessa tasossa.

Metafaasissa I kaksiarvoiset aineet sijaitsevat solun keskellä, päiväntasaajan levyn alueella (kuva 4).

Riisi. 4. Meioosin vaiheet: profaasi I - metafaasi I

Anafaasi alkaa homologisten kromosomien hajoamisesta ja niiden liikkeestä kohti napoja. Kromosomeissa, joissa ei ole sentromeeriä, kiinnitystä ei voi olla olemassa. Mitoosin anafaasissa sentromeerit jakautuvat ja identtiset kromatidit erottuvat. Meioosin anafaasissa I sentromeerit eivät jakautu, kromatidit pysyvät yhdessä ja homologiset kromosomit erottuvat. Kuitenkin johtuen fragmenttien vaihdosta risteytyksen seurauksena, kromatidit eivät ole identtisiä, kuten meioosin alussa. Anafaasissa I konjugoivat homologit liikkuvat kohti napoja.

Tytärsoluissa kromosomien lukumäärä on puolet suurempi (haploidijoukko), kun taas DNA:n massa pienenee puoleen ja kromosomit pysyvät dikromatidisina. Homologisten parien tarkka poikkeaminen vastakkaisiin navoihin on niiden lukumäärän vähenemisen taustalla.

Telofaasissa I kromosomit keskittyvät napoihin ja läpikäyvät jonkin verran dekondensaatiota, minkä seurauksena kromosomien spiralisoituminen heikkenee, ne pitenevät ja muuttuvat taas erottamattomiksi (kuva 5). Kun telofaasi siirtyy vähitellen interfaasiin, ydinvaippa (mukaan lukien emosolun ydinkalvon fragmentit) sekä solun väliseinä ilmaantuu endoplasmisesta retikulumista. Lopulta tuma muodostuu uudelleen ja proteiinisynteesi jatkuu.

Riisi. 5. Meioosin vaiheet: anafaasi I - telofaasi I

Interkineesissä muodostuu ytimiä, joista jokainen sisältää n dikromatidikromosomia.

Meioosin toisen jakautumisen erikoisuus on ensinnäkin se, että interfaasi II:ssa kromatiinin kaksinkertaistumista ei tapahdu, joten jokainen profaasi II:een siirtyvä solu säilyttää saman n2c-suhteen.

Toinen meioottinen jako

Meioosin toisen jakautumisen aikana kunkin kromosomin sisarkromatidit liikkuvat kohti napoja. Koska risteytys voi tapahtua profaasissa I ja sisarkromatidit voivat muuttua epäidenttisiksi, on tapana sanoa, että toinen jakautuminen tapahtuu mitoosina, mutta tämä ei ole oikea mitoosi, jossa normaalisti tytärsolut sisältävät kromosomeja, jotka ovat identtisiä. joukko geenejä.

Toisen meioottisen jakautumisen alussa kromatidit ovat edelleen yhdistetty sentromeereillä. Tämä jakautuminen on samanlainen kuin mitoosi: jos ydinkalvo muodostui telofaasissa I, nyt se tuhoutuu, ja lyhyen profaasin II lopussa nukleolus katoaa.

Riisi. 6. Meioosin vaiheet: profaasi II-metafaasi II

Metafaasissa II voidaan jälleen nähdä kara ja kromosomit, jotka koostuvat kahdesta kromatidista. Kromosomit kiinnittyvät sentromeerien avulla karan kierteisiin ja asettuvat ekvatoriaaliseen tasoon (kuva 6). Anafaasissa II sentromeerit jakautuvat ja erottuvat, ja sisarkromatidit, nyt kromosomeja, siirtyvät vastakkaisille navoille. Telofaasissa II muodostuu uusia tumakalvoja ja nukleoleja, kromosomien puristuminen heikkenee ja ne muuttuvat näkymättömiksi interfaasitumassa (kuva 7).

Riisi. 7. Meioosin vaiheet: anafaasi II - telofaasi II

Meioosi päättyy haploidisten solujen muodostumiseen - sukusolut, itiötetradit - alkuperäisen solun jälkeläiset, joissa on puolitettu (haploidi) kromosomisarja ja haploidinen DNA-massa (alkuperäinen solu 2n, 4c, - itiöt, sukusolut - n, c) .

Yleinen kaavio homologisen parin kromosomien jakautumisesta ja niiden sisältämistä kahdesta eroparista alleeliset geenit kahden meioottisen jakautumisen aikana on esitetty kuvassa 8. Kuten tästä kaaviosta voidaan nähdä, mahdollisia on periaatteessa kaksi erilaisia ​​vaihtoehtoja tällainen jakelu. Ensimmäinen (todennäköisempi) vaihtoehto liittyy kahden tyyppisten geneettisesti erilaisten sukusolujen muodostumiseen, joissa on kromosomeja, jotka eivät ole läpikäyneet risteytystä alueilla, joilla kyseiset geenit sijaitsevat. Tällaisia ​​sukusoluja kutsutaan yleensä ei-crossoveriksi. Toisessa (vähemmän todennäköisemmässä) vaihtoehdossa ei-risteytyssukusolujen ohella risteytyssukusoluja syntyy myös geneettisen vaihdon (geneettinen rekombinaatio) seurauksena homologisten kromosomien osissa, jotka sijaitsevat kahden ei-alleelisen geenin lokusten välissä.

Riisi. 8. Kaksi muunnelmaa homologisen parin kromosomien jakautumisesta ja niiden sisältämät ei-alleeliset geenit kahden meioottisen jakautumisen seurauksena

Nikolai Mushkambarov, tohtori biol. tieteet

Ihmiskunta ikääntyy, mutta kaikki haluavat elää paitsi kauan, myös ilman niitä sairauksia, jotka tulevat iän myötä. Viimeisen puolen vuosisadan aikana on syntynyt monia "vallankumouksellisia" ikääntymisen teorioita, joista lähes kaikki tarjoavat varman ja luotettavan tavan hidastaa tai jopa pysäyttää aikaa. Joka vuosi tulee uusia tuntemuksia, uusia löytöjä ja uusia lausuntoja, rohkaisevia ja lupaavia. Peptidibioregulaattorit, pitkäikäisyyden eliksiiri, elämää antavat ionit tai antioksidantti SkQ. Juokse apteekkiin, maksa ja elä mukana tulleiden ohjeiden mukaan 100-120-vuotiaaksi asti! Missä määrin voit luottaa sensaatiomaisiin löytöihin ja mikä on "totuus ikääntymisestä"?

Professori N. N. Mushkambarov. Kuva Andrei Afanasjev.

August Weismann (1834-1914) - saksalainen eläintieteilijä ja evolutionisti. Loi teorian, jonka mukaan perinnölliset ominaisuudet säilyvät ja välittyvät iättömän ituplasman kautta.

Leonard Hayflick on yhdysvaltalainen mikrobiologi. 1960-luvulla hän havaitsi, että laboratorio-olosuhteissa ihmisen ja eläimen solut voivat jakautua vain rajoitetun määrän kertoja.

Aleksei Matvejevitš Olovnikov on venäläinen biokemisti. Selittääkseen Hayflickin kokeita vuonna 1971 hän esitti hypoteesin kromosomien (telomeerien) pääteosien lyhentämisestä jokaisen solun jakautumisen yhteydessä.

Tiede ja elämä // Kuvituksia

Elizabeth Blackburn ja Carol Greider ovat amerikkalaisia ​​biologeja. Vuonna 1985 löydettiin telomeraasientsyymi. Telomeraasin vaikutusmekanismi on uusien nukleotidisekvenssien toistuva koodaaminen telomeerien terminaalisissa osissa ja niiden alkuperäisen palauttaminen

Benjamin Gompertz (1779-1865) - brittiläinen matemaatikko. Hän ehdotti funktiota, joka kuvaa ihmisten kuolleisuustilastoja iästä riippuen. Tällä toiminnolla arvioitiin henkivakuutuksen riskejä.

M. M. Vilenchikin vuonna 1976 julkaistu kirja ”Ikääntymisen ja pitkäikäisyyden biologinen perusta” oli yksi ensimmäisistä populaaritieteellisistä ikääntymistä käsittelevistä kirjoista ja sai valtavan menestyksen.

Meioosin kaavio (käyttämällä esimerkkiä homologisista kromosomeista). Meioosin ensimmäisen jakautumisen profaasissa kromosomit monistuvat; sitten homologiset kromosomit konjugoituvat keskenään ja jatkavat aktiivisuutensa säilyttäen risteytymistä.

Biologisten tieteiden tohtori, Moskovan osavaltion lääketieteellisen yliopiston histologian osaston professori, joka on nimetty N.V. I. M. Sechenov Nikolai Mushkambarov.

Nikolai Nikolajevitš, kritisoit jyrkästi monia modernin gerontologian tunnettuja määräyksiä. Ole hyvä ja hahmottele kritiikkisi kohteet.

Esineitä on enemmän kuin tarpeeksi! Esimerkiksi Weismaniin on nykyään muotia viitata melkein lopullisena totuutena. Tämä on kuuluisa biologi, joka jo 1800-luvulla oletti, että ikääntyminen ei ilmennyt heti evoluutiossa, vaan vasta jossain vaiheessa mukautuvana ilmiönä. Tästä he päättelivät, että täytyy olla ei-ikääntyviä lajeja: ensinnäkin alkeellisimpia organismeja. Samalla he jotenkin unohtavat, että jos he eivät vanhene, heillä on oltava 100-prosenttinen DNA-korjaus. Tämä on yksi alkeellisimmista! Jotenkin toinen ei sovi yhteen.

Toisen kuuluisan biologin Leonard Hayflickin nimeen liittyy myytti. Viime vuosisadan kuusikymmentäluvulta lähtien tieteellinen maailma on varma, että ihmisen somaattisten solujen raja on 50 jakautumista, ja tällaista rajaa biologiassa kutsutaan "Hayflick-rajaksi". Noin kaksikymmentä vuotta sitten eristettiin kantasoluja, joiden oletettiin pystyvän rajattomaan määrään jakautumista. Ja tämä myytti (50 kaikille ja ääretön kantasoluille) on edelleen mielessä. Itse asiassa kantasolut, kuten käy ilmi, vanhenevat (eli äärettömyys poistetaan), eikä ole ollenkaan selvää, mistä nämä 50 jakautumista lasketaan. On niin epäselvää, että todennäköisimmin ei ole olemassa yhtä jakautumisrajaa, joka olisi universaali kaikille jakautuville ihmissoluille.

- Entä ikääntymisen telomeerinen teoria? Tekeekö hän sinusta myös epäluottamusta?

Tämä on suosituin myytti. Tämän teorian mukaan koko ikääntymismekanismi johtuu siitä, että jakautuvista soluista puuttuu telomeraasientsyymi, joka pidentää kromosomien päitä (näitä päitä kutsutaan telomeereiksi), ja siksi telomeerit lyhenevät jokaisella jakautumisella 50:llä. 100 DNA-nukleotidiparia. Telomeraasientsyymi on olemassa, ja sen löytö palkittiin vuoden 2009 Nobel-palkinnolla. Ja kromosomien lyhenemisen ilmiö jakautuvissa soluissa, joista puuttuu telomeraasi, on myös kiistaton (vaikka se johtuu hieman eri syystä kuin telomeeriteorian kirjoittajan Aleksei Olovnikovin mainitsema). Mutta ikääntymisen vähentäminen tähän ilmiöön on sama asia kuin monimutkaisimman sinfoniapartituurin korvaaminen rummun lyönnin nuoteilla. Ei ole sattumaa, että A. Olovnikov hylkäsi teoriansa julkisesti vuonna 2003 ja korvasi sen niin kutsutulla redumeeriteorialla (joka muuten ei ole kiistaton). Mutta vielä nykyäänkin, jopa lääketieteellisissä yliopistoissa, biologian kursseilla esitellään telomeeriteoria tieteellisen ajattelun uusimpana saavutuksena. Tämä on tietysti absurdia.

Toinen esimerkki on kuolleisuustilastoista. Pääkaava tästä tilastosta on vuonna 1825 ehdotettu Gompertzin yhtälö tai korjaustermillä Gompertz-Makemin yhtälö (1860). Näillä yhtälöillä on kaksi ja kolme kerrointa, ja kertoimien arvot vaihtelevat suuresti eri väestöryhmien välillä. Ja käy ilmi, että kunkin yhtälön kertoimien muutokset korreloivat keskenään. Sen perusteella muotoillaan globaaleja, maailmanlaajuisia kaavoja: ns. Strehler-Mildvan-korrelaatio ja sen tässä postauksessa korvannut kuolleisuuden kompensoiva vaikutus - Gavrilov-puolisoiden hypoteesi.

Kokosin pienen mallin ehdolliselle ihmisjoukolle ja sen avulla vakuuttuin, että kaikki nämä kuviot ovat mitä todennäköisimmin artefakteja. Tosiasia on, että pieni virhe yhden kertoimen määrittämisessä luo jyrkän poikkeaman toisen kertoimen todellisesta arvosta. Ja tämä nähdään (puolilogaritmisina koordinaatteina) biologisesti merkittävänä korrelaationa ja toimii lupauksena harkittuille johtopäätöksille.

- Oletko varma, että olet oikeassa puhuessasi esineestä?

Ei tietenkään! Yleisesti ottaen tiedemiesten on haitallista olla täysin varmoja jostakin, vaikka tällaisia ​​esimerkkejä on paljon. Mutta tein parhaani varmistaakseni päinvastaisen: että korrelaatiot eivät ole artefakti. Enkä pystynyt vahvistamaan tätä päinvastaista. Joten toistaiseksi henkilökohtaisen, hyvin vaatimattoman mittakaavan analyysin perusteella minulla on enemmän syytä uskoa, että nimetyt korrelaatiot ovat edelleen keinotekoisia. Ne heijastavat menetelmän virheitä eivätkä biologisia malleja.

Miten arvioit väitteitä, joiden mukaan luonnossa on valtava määrä ei-ikääntyviä organismeja ja niiden luettelo kasvaa vuosi vuodelta?

Valitettavasti suositut teoriat, joiden mukaan on olemassa sekä ei-ikääntyviä soluja että ei-ikääntyviä organismeja, eivät ole riittäviä todisteita. Itse asiassa joka vuosi "iättömien" eläinten piiri laajenee väistämättä. Aluksi nämä olivat käytännössä vain yksisoluisia organismeja, sitten niihin lisättiin alempia monisoluisia organismeja (hydrat, nilviäiset, merisiilit jne.). Ja nyt on ilmaantunut kuumia päitä, jotka "löytävät" tiettyjä iättömiä lajeja jopa kalojen, matelijoiden ja lintujen joukosta. Niin se menee - pian he pääsevät nisäkkäisiin ja toteavat esimerkiksi, että norsut eivät myöskään vanhene, vaan kuolevat yksinkertaisesti ylipainon vuoksi!

- Oletko varma, ettei ole olemassa iäkkäitä eläimiä?

En ole vakuuttunut siitä, että tällaisia ​​eläimiä ei ole (vaikka olen taipuvainen tekemään niin), mutta että ei ole yhtään eläinlajia, jonka ikääntymisen puuttuminen on todistettu täysin luotettavasti. Ihmissolujen (sekä solujen ja muiden eläinmaailman edustajien) suhteen luottamusaste on ehkä vielä korkeampi: kantasolut, sukusolut ja jopa kasvainsolut periaatteessa ikääntyvät. Kantasoluja pidettiin kiistatta ikääntymättöminä, mutta nyt ilmestyy kokeellista työtä, joka osoittaa päinvastaista.

- Mihin tämä luottamus perustuu? Oletko itse tehnyt tarvittavat kokeet?

Yleisesti ottaen, hyvin kauan sitten, vuosina 1977-1980, yritin lähestyä ikääntymisen ongelmaa hiirillä tehdyissä kokeissa. Mutta eivät kovin luotettavat tulokset (vaikka ne näyttivät vahvistavan alkuperäisen oletuksen) vakuuttivat, että oli parempi tehdä analyysi kuin kokeilu. Ja tässä on yksi tämän analyysin tuloksista - "Aneremin" käsite tai ikääntymisen ameioottinen teoria. Se sisältää kuusi teesiä (jos haluatte, postulaattia), joista yksi (erittäin ensimmäinen) on puhtaasti minun työtäni ja loput on muotoiltu kirjallisuudessa jo olemassa olevien ajatusten pohjalta. Ja tietysti on tärkeää, että kaikki nämä opinnäytetyöt muodostavat melko selkeän kokonaiskuvan.

Joten ameioottinen käsite, jos sitä noudatetaan, sulkee pois mahdollisuuden, että soluissa ei ole ikääntyviä soluja. monisoluiset organismit, ja ei-ikääntyvät organismit (alkaen yksisoluisista organismeista). Samalla olen tietysti tietoinen siitä, että kaikki käsitteen teesit ovat edelleen hypoteeseja. Mutta ne näyttävät paljon järkevämmiltä kuin muut näkemykset.

Konseptisi on siis kuin testaaja, jonka avulla voit suhteellisesti arvioida tiettyjen oletusten todenperäisyyttä? Kerro meille tässä tapauksessa lisää.

Yritän tehdä tästä mahdollisimman helposti saatavilla. Itse käsitteen nimi ("Anerem") on lyhenne sanoista autokatalyysi, epävakaus, korjaus, meioosi. Väitöskirja yksi. Muistatko, että Engelsin määritelmä elämästä oli aiemmin hyvin tunnettu: "Elämä on proteiinikappaleiden olemassaolon tapa"? Tarkistin tätä määritelmää ja annoin oman, joka muodosti ensimmäisen opinnäytetyön: "Elämä on menetelmä DNA:n (harvemmin RNA:n) autokatalyyttiseen lisääntymiseen luonnossa." Se tarkoittaa sitä liikkeellepaneva voima ja elämän syntyminen ja sen myöhempi evoluutio on nukleiinihappojen lannistumaton halu loputtomaan itsensä lisääntymiseen. Pohjimmiltaan mikä tahansa organismi on evoluutionaalisesti parannettu biokone, joka on suunniteltu tehokkaasti säilyttämään ja moninkertaistamaan sen sisältämä genomi, minkä jälkeen sen kopioiden tehokas jakautuminen ympäristöön.

- On epätavallista tuntea olevansa biokone...

Ei mitään, tunne menee ohi, mutta toiminto, anteeksi, säilyy. Väitöskirja kaksi: "Genomin epävakaus on keskeinen osa ikääntymistä." Juuri tällä tavalla useimmat länsimaiset tiedemiehet ja myös täällä ymmärtävät ikääntymisen. Tosiasia on, että kaikista hänen upeista kyvyistään nukleiinihapot ovat alttiina monien tekijöiden haitallisille vaikutuksille - vapaat radikaalit, reaktiiviset happilajit jne. Ja vaikka evoluution aikana on luotu monia suojajärjestelmiä (kuten antioksidanttijärjestelmä), DNA-säikeissä tapahtuu jatkuvasti lukuisia vaurioita. Niiden havaitsemiseksi ja korjaamiseksi on olemassa toinen suojajärjestelmä - DNA:n korjaaminen (restauraatio). Seuraava opinnäytetyö, kolmas, on suodatin, joka suodattaa pois kaiken "ei-ikääntymisen": "Genomin korjaus mitoottisissa ja postmitoottisissa soluissa ei ole valmis." Toisin sanoen mikään korjausjärjestelmä näissä soluissa ei tarjoa 100-prosenttista korjausta kaikista esiintyvistä DNA-virheistä. Ja tämä tarkoittaa ikääntymisen yleismaailmallista luonnetta.

- Mutta jos kaikki ja kaikki vanhenevat, niin miten elämää ylläpidetään maan päällä?

No, kiinnostuin tästä aiheesta vuonna 1977. Ja löysin, kuten minusta näytti, oman vastaukseni, vaikka se makasi pinnalla. Ja 25 vuotta myöhemmin, vuonna 2002, selaillessani vanhoja kirjojani tajusin, että tämä hypoteesi ei ollut ollenkaan minun, vaan olin lukenut siitä vuotta aiemmin M. M. Vilenchikin kirjasta, onneksi unohtanut ja sitten muistanut, mutta tajusin sen kuin omasi. Nämä ovat muistin omituisia piirteitä. Mutta loppujen lopuksi tärkeintä on asian ydin, ei löytäjän tavoitteet.

Olennainen on muotoiltu neljännessä teesissä: "Tehokas korjaus voidaan saavuttaa vain meioosissa (tai sen yksinkertaistetussa versiossa - endomixis) - kromosomien konjugaation (fuusion) aikana." Kaikki näyttävät oppineen, mitä meioosi on koulussa, mutta valitettavasti jopa lääketieteen opiskelijamme eivät joskus tiedä tätä. Muistutan teitä: meioosi on viimeinen kaksinkertainen jakautuminen sukusolujen - siittiöiden ja munasolujen - muodostumisessa. Muuten, kerron sinulle salaisuuden: naiset eivät muodosta munia. Niissä toinen meioottinen jakautuminen (oosyytti II -vaiheessa - naisen lisääntymissolun kehitys) ei voi tapahtua itsenäisesti - ilman siittiön apua. Koska solu on "kadottanut" sentriolinsa (jakautumiseen osallistuvat solut) jonnekin: ne olivat juuri siellä (edellisen jakautumisen aikana), mutta nyt ne ovat kadonneet jonnekin. Ja munasolun II hedelmöittäminen on ehdottoman välttämätöntä, jotta siittiö tuo sentriolinsa sisään ja pelastaisi tilanteen. Näen tämän tyypillisinä "naisasiana". Joten lopulta tapahtuu toinen meioottinen jakautuminen, mutta tuloksena oleva solu ei ole enää muna, vaan tsygootti.

Me innostuimme "naispuolisista asioista" emmekä selventäneet, kuinka täydellinen DNA:n korjaus saavutetaan meioosissa.

Meioosin ensimmäistä jakautumista edeltää erittäin pitkä ennuste: miesten gametogeneesissä se kestää koko kuukauden ja naisten gametogeneesissä jopa useita vuosikymmeniä! Tällä hetkellä homologiset kromosomit tulevat lähemmäksi toisiaan ja pysyvät tässä tilassa melkein koko profaasin ajan.

Samaan aikaan entsyymit aktivoituvat voimakkaasti, leikkaamalla ja ompelemalla DNA-säikeitä. Uskottiin, että tämä oli tarpeen vain ylittämistä varten - kromosomien vaihtoa niiden osissa, mikä lisää lajien geneettistä vaihtelua. Itse asiassa "isän" ja "äidin" geenit, jotka ovat edelleen jakautuneet jokaiseen homologiseen (rakenteellisesti identtiseen) kromosomipariin eri kromosomeissa, osoittautuvat sekoittuneiksi risteytyksen jälkeen.

Mutta M. M. Vilenchik ja hänen jälkeensä minä kiinnittivät huomion siihen, että entsyymien risteytys on hyvin samankaltaista kuin DNA:n korjausentsyymit, joissa vaurioituneita alueita leikkaamalla on myös tarpeen katkaista ja ommella DNA-säikeitä. Eli DNA:n superkorjaus tapahtuu todennäköisesti samanaikaisesti ylityksen kanssa. Voidaan kuvitella muita meioosin aikana tapahtuvia geenien suuren "korjauksen" mekanismeja. Tavalla tai toisella, tässä tapauksessa tapahtuu radikaalia (tarkemmin sanottuna täydellistä) solujen "nuorentumista", minkä vuoksi kypsät sukusolut alkavat laskea aikaa kuin tyhjästä. Jos jokin ei toimi, solussa laukeaa omaa DNA:n tilaa tarkkailevat sensorit ja apoptoosiprosessi alkaa - itse-
tappaa solun.

- Luonnossa siis nuorentuminen tapahtuu vain kypsyvissä sukusoluissa?

Aivan oikeassa. Mutta tämä riittää varmistamaan lajin kuolemattomuuden - valitettavasti kaikkien yksilöiden väistämättömän kuolleisuuden taustalla. Loppujen lopuksi sukupuolisolut ovat ainoita! - vanhempien organismien ainoa aineellinen substraatti, josta syntyy uutta elämää - jälkeläisten elämä.

Ja sitä tosiasiaa, että tämä mekanismi koskee vain sukusoluja, käsitellään käsitteen kahdessa jäljellä olevassa teesissä, joissa on kaikki i:t. Teesi viisi: "Meioosi parantaa genomin tilaa vain seuraavilla sukupolvilla (useita sukupolvia kerralla yksinkertaisissa organismeissa ja vain yksi kaikissa muissa)." Teesi kuusi: "Tästä seuraa yksilöiden (yksilöjen) ikääntymisen väistämättömyys ja lajin suhteellinen kuolemattomuus kokonaisuutena."

- Mitä, meioosia esiintyy kaikissa eläinlajeissa?

Sen pitäisi olla kaikissa eläinlajeissa - Anerem-konseptin mukaan, jos se osoittautuu oikeaksi. Itse asiassa käsite perustuu paitsi ikääntymisen, myös meioosin universaalisuuteen. Tutkin asiaa perusteellisesti kirjallisuusaineiston avulla. Tietysti riittävän kehittyneissä eläimissä - kaloissa ja "korkeammissa" - on vain seksuaalinen lisääntymismenetelmä, mikä tarkoittaa myös meioosin esiintymistä. Lisäksi on olemassa valtavia sekä kasviston että eläimistön sektoreita, joilla seka lisääntyminen on yleistä. Tämä tarkoittaa, että ne vuorottelevat enemmän tai vähemmän pitkittyneitä suvuttoman lisääntymisen tekoja (esimerkiksi mitoottinen jakautuminen, itiöityminen, orastuminen, pirstoutuminen jne.) ja yksittäisiä seksuaalisen tai näennäisseksuaalisen lisääntymisen tekoja. Kvasiseksuaalisen prosessin (ns. endomixis) olennainen piirre on, että tässäkin tapahtuu rakenteellisesti identtisten kromosomien yhdistäminen isän ja äidin joukosta (homologisten kromosomien konjugaatio), vaikka se ei päätykään niiden syntymiseen. hajoaminen eri soluihin.

Siten seka lisääntymisessä useat sukupolvet organismeja elävät ikään kuin vähitellen ikääntyen (samalla tavalla kuin mitoottisesti jakautuvat solut vanhenevat monimutkaisemmissa eläimissä), ja sitten sukupuoliprosessi palauttaa yksittäiset organismit "nolla"-ikään ja tarjoaa
tarjoaa mukavan elämän vielä useille sukupolville. Lopuksi useiden yksinkertaisten eläinten uskotaan lisääntyvän vain aseksuaalisesti. Mutta niiden suhteen minulla on edelleen epäilyksiä: onko nämä organismit jääneet huomiotta pitkässä sarjassa suvuton lisääntyminen jotain meioosia tai endomixia (itsehedelmöitys)?

Osoittautuu, että kehittämäsi konsepti tekee lopun kaikista haaveista ihmiselämän pidentämisestä. Loppujen lopuksi tavalliset (ei-reproduktiiviset) solut on tuomittu vanhenemaan ja vanhentumaan?

Ei, en laita ristiä. Ensinnäkin siksi, että meille paljon tärkeämpää ei ole itse ikääntyminen, vaan tämän prosessin nopeus. Ja voit vaikuttaa ikääntymisnopeuteen monin tavoin. Osa niistä tunnetaan, osa (kuten Skulachevin ionit) on tutkimusvaiheessa, osa löydetään myöhemmin.

Toiseksi on mahdollista, että ajan myötä on mahdollista käynnistää joitain meioottisia prosesseja somaattisissa soluissa - esimerkiksi kantasoluissa ja jakautumattomissa soluissa. Tarkoitan niitä prosesseja, jotka palauttavat genomin tilan: tämä on ilmeisesti homologisten kromosomien konjugaatiota, risteytymistä tai jotain hienovaraisempaa ja vielä tuntematonta. En näe mitään syytä, miksi tämä olisi periaatteessa mahdotonta. Sukusolulinjoissa meioosiin tulevat solut, jotka ovat rakenteeltaan yleensä samanlaisia ​​kuin monet muut. Lisäksi jopa kromosomien konjugaation jälkeen vastaavien geenien aktiivisuus säilyy jälkimmäisessä. Tämän projektin toteuttamiseksi on kuitenkin ensin tunnistettava täysin meioosin eri puolista vastuussa olevat geenit ja löydettävä tapoja kohdistaa ne. Tämä on tietysti erittäin upea projekti. Mutta eikö suuri osa siitä, mitä meillä on tänään, tuntunut eilen fantastiselta?!

Meioosi (kreikasta meioosi- pelkistyminen) on erityinen eukaryoottisolujen jakautumisen tyyppi, jossa DNA:n yhden kaksinkertaistumisen jälkeen solu jaettuna kahdesti , ja yhdestä diploidisesta solusta muodostuu 4 haploidia. Koostuu kahdesta peräkkäisestä divisioonasta (nimetty I ja II); jokainen niistä, kuten mitoosi, sisältää 4 vaihetta (profaasi, metafaasi, anafaasi, telofaasi) ja sytokineesi.

Meioosin vaiheet:

Prophase minä , se on monimutkainen, jaettu 5 vaiheeseen:

1. Leptonema (kreikasta leptos- ohut, nema– lanka) – kromosomit kiertyvät ja tulevat näkyviin ohuina lankoina. Jokainen homologinen kromosomi on jo replikoitunut 99,9-prosenttisesti ja koostuu kahdesta sisarkromatidista, jotka on liitetty toisiinsa sentromeerissä. Geneettisen materiaalin sisältö - 2 n 2 xp 4 c. Kromosomit proteiiniklustereiden avulla ( kiinnityslevyt ) on kiinnitetty molemmista päistä ydinvaipan sisäkalvoon. Ydinvaippa on säilynyt, ydin on näkyvissä.

2. Zygonema (kreikasta zygon – parillinen) – homologiset diploidikromosomit ryntäävät toisiaan kohti ja yhdistyvät ensin sentromeerialueella ja sitten koko pituudelta ( konjugaatio ). Muodostuvat bivalentteja (alkaen lat. bi - kaksinkertainen, valens– vahva), tai tetradit kromatidi. Bivalenttien lukumäärä vastaa haploidista kromosomijoukkoa, geneettisen materiaalin sisältö voidaan kirjoittaa muodossa 1 n 4 xp 8 c. Jokainen yhden bivalentin kromosomi tulee joko isältä tai äidiltä. Sukupuolikromosomit sijaitsee lähellä ydinkalvoa. Tätä aluetta kutsutaan sukupuolielinten rakkula.

Homologisten kromosomien välillä kussakin bivalentissa, erikoistunut synaptonemaaliset kompleksit (kreikasta synapsis– sidos, yhteys), jotka ovat proteiinirakenteita. Suurella suurennuksella kompleksissa näkyy kaksi rinnakkaista proteiinilankaa, kumpikin 10 nm paksu, ja niitä yhdistää ohuet, noin 7 nm:n poikittaiset raidat, joiden molemmilla puolilla on kromosomeja monien silmukoiden muodossa.

Kompleksin keskustassa on aksiaalinen elementti paksuus 20-40 nm. Synaptonemaalista kompleksia verrataan köysitikkaat , jonka sivut muodostuvat homologisista kromosomeista. Tarkempi vertailu - vetoketju .

Tsygoneeman loppuun mennessä jokainen homologinen kromosomipari on kytketty toisiinsa synaptonemaalisten kompleksien avulla. Vain sukupuolikromosomit X ja Y eivät konjugoidu täysin, koska ne eivät ole täysin homologisia.

3. B pachyneme (kreikasta pahys– paksu) kaksiarvoiset aineet lyhentävät ja paksunevat. Äidistä ja isästä peräisin olevien kromatidien välillä syntyy yhteyksiä useissa paikoissa - chiasmata (kreikasta.c hiazma- risti). Jokaisen chiasmin alueella on mukana proteiinikompleksi rekombinaatio (d~ 90 nm), ja homologisten kromosomien vastaavien osien vaihto tapahtuu - isältä äidille ja päinvastoin. Tätä prosessia kutsutaan crossover (englannista Kanssarossing- yli– risteys). Esimerkiksi kussakin ihmisen bivalentissa ylitys tapahtuu kahdella tai kolmella alueella.

4. B diplonema (kreikasta diploos– kaksois) synaptonemaaliset kompleksit hajoavat ja jokaisen bivalentin homologiset kromosomit siirtyä pois toisistaan, mutta niiden välinen yhteys säilyy chiasmata-vyöhykkeillä.

5. Diakineesi (kreikasta diakineiini- kulkea läpi). Diakineesissa kromosomien kondensaatio on valmis, ne erotetaan ydinkalvosta, mutta homologiset kromosomit pysyvät edelleen kytkettyinä toisiinsa terminaalisilla osilla ja kunkin kromosomin sisarkromatidit sentromeereillä. Bivalentit saavat oudon muodon renkaat, ristit, kahdeksat jne. Tällä hetkellä ydinkalvo ja nukleolit ​​tuhoutuvat. Replikoidut sentriolit ohjataan napoihin, ja karan säikeet kiinnittyvät kromosomien sentromeereihin.

Yleensä meioottinen profaasi on hyvin pitkä. Kun siittiöt kehittyvät, se voi kestää useita päiviä, ja kun munasolut kehittyvät, se voi kestää useita vuosia.

Metafaasi minä muistuttaa samanlaista mitoosivaihetta. Kromosomit on asennettu ekvatoriaaliseen tasoon muodostaen metafaasilevyn. Toisin kuin mitoosi, karan mikrotubulukset ovat kiinnittyneet kunkin kromosomin sentromeeriin vain toisella puolella (napapuolella), ja homologisten kromosomien sentromeerit sijaitsevat päiväntasaajan molemmilla puolilla. Kromosomien välinen yhteys chiasmatan avulla säilyy edelleen.

SISÄÄN anafaasi minä chiasmata hajoaa, homologiset kromosomit eroavat toisistaan ​​ja hajaantuvat napoihin. Sentromeerit näistä kromosomeista, toisin kuin mitoosin anafaasi, ei kopioida, mikä tarkoittaa, että sisarkromatidit eivät erotu. Kromosomierottelu on satunnainen luonne. Geneettisen tiedon sisältö muuttuu 1 n 2 xp 4 c solun jokaisessa navassa ja solussa kokonaisuudessaan - 2(1 n 2 xp 4 c) .

SISÄÄN telofaasi minä , kuten mitoosissa, muodostuu, muodostuu ja syvenee ydinkalvoja ja nukleoleja halkeamisvao. Sitten se tapahtuu sytokineesi . Toisin kuin mitoosissa, kromosomien hajoamista ei tapahdu.

Meioosin I seurauksena muodostuu 2 tytärsolua, jotka sisältävät haploidisen kromosomisarjan; Jokaisessa kromosomissa on 2 geneettisesti erilaista (rekombinanttia) kromatidia: 1 n 2 xp 4 c. Siksi meioosin seurauksena I tapahtuu vähentäminen (puolittaa) kromosomien lukumäärän, mistä tulee ensimmäisen jaon nimi - vähentäminen .

Meioosin I päättymisen jälkeen on lyhyt aika - interkineesi , jonka aikana DNA:n replikaatiota ja kromatidin monistumista ei tapahdu.

Prophase II ei kestä kauan, eikä kromosomikonjugaatiota tapahdu.

SISÄÄN metafaasi II kromosomit asettuvat ekvatoriaaliseen tasoon.

SISÄÄN anafaasi II Sentromeerialueen DNA replikoituu, kuten tapahtuu mitoosin anafaasissa, kromatidit liikkuvat kohti napoja.

Jälkeen telofaasit II Ja sytokineesi II muodostuu tytärsoluja, jotka sisältävät geneettistä materiaalia jokaisessa - 1 n 1 xp 2 c. Yleensä toista divisioonaa kutsutaan yhtälö (tasoitus).

Joten kahden peräkkäisen meioottisen jakautumisen seurauksena muodostuu 4 solua, joista jokainen kantaa haploidisen kromosomisarjan.

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. Koska lajien väliset hybridit yhdistävät solutumassa eri lajeihin kuuluvien vanhempien kromosomeja, kromosomit eivät yleensä pääse konjugaatioon. 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.