Morphologie de la méiose des principales phases de la méiose. La méiose comme base de la reproduction sexuée

Méiose- une méthode de division indirecte des cellules germinales primaires (2p2s), dansà la suite de quoi se forment des cellules haploïdes (lnlc), le plus souvent des cellules sexuelles.

Contrairement à la mitose, la méiose consiste en deux divisions cellulaires successives, chacune précédée d'une interphase (Fig. 2.53). La première division de la méiose (méiose I) est appelée réductionniste, puisque dans ce cas le nombre de chromosomes est réduit de moitié, et la deuxième division (méiose II) -équationnelle, puisque dans son processus le nombre de chromosomes est préservé (voir tableau 2.5).

Interphase I se déroule comme une interphase de mitose. Méiose I est divisé en quatre phases : prophase I, métaphase I, anaphase I et télophase I. B prophase I Deux processus importants se produisent : la conjugaison et le croisement. Conjugaison- Il s'agit du processus de fusion de chromosomes homologues (appariés) sur toute la longueur. Les paires de chromosomes formées lors de la conjugaison sont conservées jusqu'à la fin de la métaphase I.

Traverser- échange mutuel de régions homologues de chromosomes homologues (Fig. 2.54). À la suite du croisement, les chromosomes reçus par le corps des deux parents acquièrent de nouvelles combinaisons de gènes, ce qui provoque l'apparition d'une progéniture génétiquement diversifiée. A la fin de la prophase I, comme lors de la prophase de mitose, le nucléole disparaît, les centrioles divergent vers les pôles de la cellule et la membrane nucléaire se désintègre.

DANSmétaphase I des paires de chromosomes s'alignent le long de l'équateur de la cellule et des microtubules fusiformes sont attachés à leurs centromères.

DANS anaphase I Les chromosomes homologues entiers, constitués de deux chromatides, divergent vers les pôles.

DANS télophase I Les membranes nucléaires se forment autour des amas de chromosomes aux pôles de la cellule et des nucléoles se forment.

Cytocinèse I assure la séparation des cytoplasmes des cellules filles.

Les cellules filles (1n2c) formées à la suite de la méiose I sont génétiquement hétérogènes, puisque leurs chromosomes, dispersés de manière aléatoire vers les pôles cellulaires, contiennent des gènes différents.

Interphase II très court, car le doublement de l'ADN ne s'y produit pas, c'est-à-dire qu'il n'y a pas de période S.

Méiose IIégalement divisé en quatre phases : prophase II, métaphase II, anaphase II et télophase II. DANS prophase II les mêmes processus se produisent que dans la prophase I, à l'exception de la conjugaison et du croisement.

DANS métaphase II les chromosomes sont situés le long de l’équateur de la cellule.

DANS anaphase II les chromosomes sont divisés au niveau des centromères et les chromatides sont étirées vers les pôles.

DANS télophase II Les membranes nucléaires et les nucléoles se forment autour d’amas de chromosomes filles.

Après cytokinèse II formule génétique des quatre cellules filles - 1n1c, cependant, ils possèdent tous un ensemble de gènes différent, résultat du croisement et de la combinaison aléatoire de chromosomes des organismes maternels et paternels dans les cellules filles.

Formation de cellules germinales spécialisées, ou gamètes, à partir de cellules souches indifférenciées.

Avec une diminution du nombre de chromosomes résultant de la méiose, une transition de la phase diploïde à la phase haploïde se produit au cours du cycle de vie. La restauration de la ploïdie (transition de la phase haploïde à la phase diploïde) résulte du processus sexuel.

En raison du fait que dans la prophase de la première étape de réduction, une fusion par paires (conjugaison) de chromosomes homologues se produit, le déroulement correct de la méiose n'est possible que dans les cellules diploïdes ou même dans les polyploïdes (cellules tétra-, hexaploïdes, etc.) . La méiose peut également survenir dans des polyploïdes impaires (cellules tri-, pentaploïdes, etc.), mais chez elles, en raison de l'incapacité d'assurer la fusion par paire des chromosomes en prophase I, une divergence chromosomique se produit avec des perturbations qui mettent en danger la viabilité de la cellule ou le développement. à partir de là un organisme haploïde multicellulaire.

Le même mécanisme est à l'origine de la stérilité des hybrides interspécifiques. Depuis hybrides interspécifiques Dans le noyau des cellules, les chromosomes des parents appartenant à des espèces différentes sont combinés ; les chromosomes ne peuvent généralement pas entrer en conjugaison. Cela conduit à des perturbations dans la ségrégation des chromosomes lors de la méiose et, finalement, à la non-viabilité des cellules germinales, ou gamètes. Certaines restrictions sur la conjugaison des chromosomes sont également imposées par des mutations chromosomiques (délétions, duplications, inversions ou translocations à grande échelle).

Phases de la méiose

La méiose se compose de 2 divisions consécutives avec une courte interphase entre elles.

Prophase I- la prophase de la première division est très complexe et se compose de 5 étapes :

Leptotène ou leptonème- conditionnement des chromosomes, condensation de l'ADN avec formation de chromosomes sous forme de fils fins (les chromosomes sont raccourcis).
Zygotène ou zygonème- la conjugaison se produit - la connexion de chromosomes homologues avec la formation de structures constituées de deux chromosomes connectés, appelés tétrades ou bivalents et leur compactage ultérieur.
Pachyténa ou pachynéma- (l'étape la plus longue) crossover (crossover), échange de sections entre chromosomes homologues ; les chromosomes homologues restent connectés les uns aux autres.
Diplotène ou diplonème- une décondensation partielle des chromosomes se produit, alors qu'une partie du génome peut fonctionner, les processus de transcription (formation d'ARN), de traduction (synthèse de protéines) se produisent ; les chromosomes homologues restent connectés les uns aux autres. Chez certains animaux, les chromosomes des ovocytes à ce stade de la prophase méiotique acquièrent la forme caractéristique des chromosomes en forme de lampe.
Diakinésie- L'ADN se condense à nouveau au maximum, les processus de synthèse s'arrêtent, la membrane nucléaire se dissout ; Les centrioles divergent vers les pôles ; les chromosomes homologues restent connectés les uns aux autres.

À la fin de la Prophase I, les centrioles migrent vers les pôles cellulaires, des filaments fusiformes se forment, la membrane nucléaire et les nucléoles sont détruits.

Métaphase I- les chromosomes bivalents s'alignent le long de l'équateur de la cellule.
Anaphase I- les microtubules se contractent, les bivalents se divisent et les chromosomes se déplacent vers les pôles. Il est important de noter qu'en raison de la conjugaison des chromosomes dans le zygotène, des chromosomes entiers, constitués chacun de deux chromatides, divergent vers les pôles, et non des chromatides individuelles, comme dans la mitose.
Télophase I

La deuxième division de la méiose suit immédiatement la première, sans interphase prononcée : il n'y a pas de période S, puisque la réplication de l'ADN n'a pas lieu avant la deuxième division.

Prophase II- la condensation des chromosomes se produit, le centre cellulaire se divise et les produits de sa division se dispersent vers les pôles du noyau, la membrane nucléaire est détruite et un fuseau de fission se forme.
Métaphase II- les chromosomes univalents (constitués chacun de deux chromatides) sont situés à « l'équateur » (à égale distance des « pôles » du noyau) dans le même plan, formant la plaque dite métaphase.
Anaphase II- les univalents se divisent et les chromatides se déplacent vers les pôles.
Télophase II- les chromosomes déspirent et une enveloppe nucléaire apparaît.

Signification

Dans les organismes qui se reproduisent sexuellement, le doublement du nombre de chromosomes à chaque génération est empêché, car lors de la formation des cellules germinales par méiose, le nombre de chromosomes est réduit.
La méiose crée la possibilité de l'émergence de nouvelles combinaisons de gènes (variabilité combinatoire), à mesure que se forment des gamètes génétiquement différents.
Une réduction du nombre de chromosomes conduit à la formation de « gamètes purs » portant un seul allèle du locus correspondant.
La localisation des bivalents de la plaque équatoriale du fuseau en métaphase 1 et des chromosomes en métaphase 2 est déterminée aléatoirement. La divergence ultérieure des chromosomes en anaphase conduit à la formation de nouvelles combinaisons d'allèles dans les gamètes. La ségrégation indépendante des chromosomes est à la base de la troisième loi de Mendel.

Remarques

Littérature

Babynin E.V. Mécanisme moléculaire de la recombinaison homologue dans la méiose : origine et signification biologique. Cytologie, 2007, 49, N 3, 182-193.
Alexandre Markov. En route pour résoudre le mystère de la méiose. D'après l'article : Yu. F. Bogdanov. Evolution de la méiose chez les eucaryotes unicellulaires et multicellulaires. Aromorphose au niveau cellulaire. Revue biologie générale, Volume 69, 2008. N° 2, mars-avril. Page 102-117
« Variation et évolution de la méiose » - Yu. F. Bogdanov, 2003
Biologie : Manuels pour les candidats aux universités : En 2 volumes T.1.-B63 2e éd., révisé. et supplémentaire - M.:RIA " Nouvelle vague" : Editeur Oumerenkov, 2011.-500 p.

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2010.:

Synonymes Les phases individuelles de la méiose chez les animaux ont été décrites par V. Flemming (1882) et chez les plantes par E. Strasburger (1888), puis par le scientifique russe V.I. Belyaev. Dans le même temps (1887), A. Weissman étayait théoriquement la nécessité de la méiose comme mécanisme de maintien nombre constant chromosomes. D'abord description détaillée

la méiose dans les ovocytes de lapin a été donnée par Winiworth (1900). L'étude de la méiose est toujours en cours. Signification biologique

méiose

La signification biologique de la méiose est de maintenir un nombre constant de chromosomes en présence du processus sexuel. De plus, à la suite du croisement, une recombinaison se produit - l'apparition de nouvelles combinaisons d'inclinations héréditaires dans les chromosomes. La méiose fournit également une variabilité combinatoire - l'émergence de nouvelles combinaisons d'inclinations héréditaires au cours d'une fécondation ultérieure.

Le déroulement de la méiose est contrôlé par le génotype de l'organisme, sous le contrôle des hormones sexuelles (chez les animaux), des phytohormones (chez les plantes) et de nombreux autres facteurs (par exemple, la température).

La méiose (chez les plantes supérieures) se produit à la veille de la floraison et conduit à la formation d'un gamétophyte haploïde, dans lequel se forment ensuite des gamètes. La méiose est le processus de division cellulaire le plus important qui se produit à la veille de la formation des cellules germinales et a été découvert en fin XIX V., est restée l'objet d'une attention particulière d'un cercle très restreint de cytologues. Il n'a attiré l'attention des biologistes moléculaires que dans les années 90 du 20e siècle. Le développement rapide de la recherche dans ce domaine a été facilité par les travaux sur la génétique moléculaire des objets modèles, ainsi que par l'émergence de nouvelles méthodes immunocytochimiques, mises entre les mains des chercheurs moyen pratiqueétudier les protéines impliquées dans la méiose.

Chez tous les eucaryotes, lors de la méiose, une structure submicroscopique se forme, appelée complexe synaptonémique(du grec synaptos - connecté, peta - fil). Une étude de l'organisation moléculaire de ce complexe et de son rôle dans la méiose a montré qu'il est nécessaire à la recombinaison des chromosomes et à la réduction de leur nombre. Ceci sera discuté dans cet article.

Mais d’abord, rappelons les informations de base sur la méiose, qui se compose de deux divisions : la méiose I et la méiose II. À la suite de la division par réduction (méiose I), le nombre de chromosomes dans les cellules filles est réduit de moitié par rapport au nombre de chromosomes dans la cellule mère. Cela se produit parce que la quantité d’ADN dans les chromosomes ne double qu’une seule fois avant la méiose I (Figure 1). Une réduction de deux fois du nombre de chromosomes lors de la formation des cellules germinales permet, lors de la fécondation, de restaurer le nombre initial (diploïde) de chromosomes et de maintenir sa constance. Cela nécessite une séparation stricte des paires de chromosomes homologues entre les cellules germinales. Lorsque des erreurs se produisent, une aneuploïdie se produit - un manque ou un excès de chromosomes, et ce déséquilibre entraîne la mort de l'embryon ou de graves anomalies du développement (chez l'homme, ce qu'on appelle les maladies chromosomiques).

Structure et fonction du complexe synaptonémique

Le complexe synaptonémique est constitué de deux axes protéiques de chromosomes homologues reliés par une fermeture éclair protéique (Fig. 2). Les dents de la fermeture éclair sont des dimères en forme de bâtonnets de molécules protéiques pliées parallèlement et orientées de manière identique avec une longue hélice α au milieu de la molécule. Dans la levure S. cerevisiae - il s'agit de la protéine Zip1, chez les mammifères et les humains - SCP1 (SYCP1). Ces protéines sont ancrées par leurs extrémités C-terminales aux axes chromosomiques (éléments latéraux du complexe), et leurs extrémités N-terminales sont dirigées l'une vers l'autre, à l'intérieur de l'espace central (Fig. 3). Aux extrémités N des molécules se trouvent des « éperons » chargés – des pics alternés de densités positives et négatives. charges négatives acides aminés (Fig. 4), interaction complémentaire qui fournit une forte connexion électrostatique entre les dents.

L'espace dit central du complexe (l'espace entre les axes protéiques, rempli de dents « de fixation », d'environ 100 nm de large), ainsi que l'ensemble du complexe (sa section transversale est d'environ 150-200 nm) ne sont pas visible au microscope optique conventionnel, puisque l’ensemble du complexe est masqué par la chromatine. Pour la première fois, le complexe synaptonémique a été observé sur des coupes ultrafines (0,8 microns d'épaisseur) des testicules. écrevisse et des souris à l'aide d'un microscope électronique à transmission. Il a été découvert en 1956 indépendamment par deux chercheurs américains - M. Moses et D. W. Fossett.

Désormais, lors de l'étude du complexe, la méthode dite de micro-étalement est utilisée. Des cellules de testicules (ou anthères végétales) après choc hypotonique sont déposées sur un substrat plastique appliqué sur une lame de verre. Le contenu de la cellule éclatée est fixé avec une solution faible de formaldéhyde et contrasté avec des sels métaux lourds(le meilleur de tous - AgNO 3). Le verre est observé au microscope à contraste de phase et les cellules qui doivent contenir le complexe sont sélectionnées sur la base de preuves indirectes. Un cercle de film contenant la cellule souhaitée est prélevé sur un treillis métallique et placé au microscope électronique (Fig. 5). Si nécessaire, avant d'effectuer le contraste, les cellules sont traitées avec des anticorps dirigés contre des protéines intéressantes pour le chercheur. Ces anticorps sont marqués avec des billes d’or colloïdal calibrées, clairement visibles au microscope électronique.

Pendant la prophase de la méiose I, le complexe synaptonémique contient des chromosomes homologues parallèles presque jusqu'à ce qu'ils soient construits à l'équateur de la cellule (métaphase I). Les chromosomes sont connectés à l'aide du complexe synaptonémique pendant un certain temps (de 2 heures chez la levure à 2-3 jours chez l'homme), pendant lequel des sections homologues d'ADN sont échangées entre chromosomes homologues - croisements. Le croisement, qui se produit avec une fréquence d'au moins un événement (généralement deux, moins souvent trois ou quatre) par paire de chromosomes homologues, implique des dizaines de protéines enzymatiques spécifiques à la méiose.

Le mécanisme moléculaire du croisement et ses conséquences génétiques sont deux grands sujets qui dépassent le cadre de cette histoire. Nous sommes intéressés par ce processus car, grâce à lui, les chromosomes homologues sont fermement reliés par des molécules d'ADN croisées (chiasmes) et le besoin de rétention par paire du chromosome à l'aide du complexe synaptonémique disparaît (une fois le croisement terminé, le le complexe disparaît). Les chromosomes homologues, reliés par des chiasmas, s'alignent à l'équateur du fuseau de division cellulaire et se dispersent à travers les fils du fuseau de division cellulaire dans différentes cellules. Une fois la méiose terminée, le nombre de chromosomes dans les cellules filles est réduit de moitié.

Ainsi, ce n'est qu'à la veille de la méiose que la structure des chromosomes change radicalement. Une structure intranucléaire et interchromosomique très spécifique, le complexe synaptonémique, apparaît une fois par mois. cycle de vie organisme pendant une courte période pour la connexion par paire de chromosomes homologues et le croisement, puis démantelé. Ces événements et bien d'autres au cours de la méiose aux niveaux moléculaire et subcellulaire (ultrastructural) sont assurés par le travail de nombreuses protéines qui remplissent des fonctions structurelles, catalytiques et cinétiques (motrices).

Protéines du complexe synaptonémique

Dans les années 70 lointaines, nous avons reçu preuve circonstancielle que le complexe synaptonémique est formé par l'auto-assemblage de ses éléments, qui peut se produire en l'absence de chromosomes. L'expérience a été réalisée par la nature elle-même et nous avons pu l'observer. Il s'est avéré que chez l'ascaris du porc, dans le cytoplasme des cellules se préparant à la méiose I, apparaissent des paquets ou des « piles » d'éléments morphologiques absolument correctement disposés du complexe synaptonémique (bien qu'il n'y ait pas de chromosomes dans le cytoplasme : ils sont dans le noyau ). Puisqu'au stade de la préparation des cellules pour la méiose, il n'y a toujours pas de complexe synaptonémique dans les noyaux cellulaires, on a émis l'hypothèse d'un contrôle imparfait de l'ordre des événements méiotiques dans cet organisme primitif. Un excès de protéines nouvellement synthétisées dans le cytoplasme conduit à leur polymérisation et à l'apparition d'une structure non différente du complexe synaptonémique. Cette hypothèse n'a été confirmée qu'en 2005 grâce aux travaux d'un groupe international de chercheurs travaillant en Allemagne et en Suède. Ils ont montré que si le gène codant pour la protéine de fermeture à glissière des mammifères (SCP1) était introduit dans des cellules somatiques poussant sur des substrats artificiels, milieu nutritif, et l'activez, alors un puissant réseau de protéines SCP1 apparaît à l'intérieur des cellules en culture, « boutonnées » entre elles de la même manière que dans l'espace central du complexe. La formation d’une couche de fermetures éclair continues de protéines dans la culture cellulaire signifie que notre capacité prévue des protéines complexes à s’auto-assembler a été prouvée.

En 1989 et 2001. Nos employés de laboratoire, O. L. Kolomiets et Yu S. Fedotova, ont étudié le « démantèlement » naturel des complexes synaptonémiques aux dernières étapes de leur existence. Ce processus en plusieurs étapes a été mieux observé dans les cellules mères du pollen des anthères du seigle, où il existe une synchronisation partielle de la méiose. Il s'est avéré que les éléments latéraux du complexe sont démantelés par un « déroulement » progressif de la superhélice protéique, qui comporte trois niveaux d'emballage (Fig. 6).

La base des éléments latéraux étendus est un complexe de quatre protéines cohésines (de l'anglais. cohésion- embrayage). A la veille de la méiose, une protéine cohésine spécifique, Rec8, apparaît dans les chromosomes, qui remplace la cohésine somatique Rad21. Ensuite, elle est rejointe par trois autres protéines cohésine, qui sont également présentes dans les cellules somatiques, mais à la place de la cohésine somatique SMC1, la protéine spécifique de la méiose SMC1b apparaît (son extrémité N est différente de 50 % de l'extrémité N de la protéine somatique). protéine SMC1). Ce complexe de cohésine est situé dans le chromosome entre deux chromatides sœurs, les maintenant ensemble. Les protéines spécifiques à la méiose se lient au complexe cohésine, qui deviennent des protéines majeures des axes chromosomiques et les convertissent (ces axes) en éléments latéraux du complexe synaptonémique. Chez les mammifères, les principales protéines du complexe synaptonémique sont SCP2 et SCP3, chez la levure, les protéines sont Hop1 et Red1 et la protéine spécifique à la méiose est Rec8.

Le paradoxe évolutif des protéines

Chez les mammifères et la levure, les protéines du complexe synaptonémique ont des séquences d'acides aminés différentes, mais leurs structures secondaires et tertiaires sont les mêmes. Ainsi, la protéine zipper SCP1 chez les mammifères et la protéine non homologue Zip1 chez la levure sont construites selon un plan unique. Ils sont constitués de trois domaines d'acides aminés : un domaine central - une hélice α, capable de former une hélice de second ordre (superenroulement) et deux domaines terminaux - des globules. Les protéines majeures SCP2 et SCP3, qui n'ont aucune homologie avec les protéines Hop1 et Red1 de levure et, apparemment, avec les protéines encore insuffisamment étudiées du complexe chez les plantes, construisent également des structures morphologiquement et fonctionnellement identiques du complexe synaptonémique. Cela signifie que la structure primaire (séquence d’acides aminés) de ces protéines est une caractéristique neutre sur le plan évolutif.

Ainsi, les protéines non homologues d’organismes évolutifs éloignés construisent le complexe synaptonémique selon un plan unique. Pour expliquer ce phénomène, j'utiliserai une analogie avec la construction de maisons de différents matériaux, mais selon un plan unique, il est important que ces maisons aient des murs, des planchers, un toit et que les matériaux de construction répondent aux conditions de résistance. De même, la formation du complexe synaptonémique nécessite des éléments latéraux (« murs »), des filaments transversaux (dents « fermeture éclair »), des « chevauchements » et un espace central (espace pour la « cuisine »). Des « robots de cuisine » devraient s’y installer – des complexes d’enzymes de recombinaison assemblés dans ce que l’on appelle des « unités de recombinaison ».

La largeur de l'espace central du complexe synaptonémique chez la levure, le maïs et l'homme est d'environ 100 nm. Cela est dû à la longueur des sections d’ADN simple brin recouvertes de la protéine de recombinaison Rad51. Cette protéine appartient à un groupe d'enzymes (similaires à la protéine de recombinaison bactérienne RecA) qui ont conservé leur homologie depuis l'avènement de la recombinaison de l'ADN (il y a environ 3,5 milliards d'années). Le caractère inévitable de l'homologie des protéines de recombinaison dans les organismes distants est déterminé par leur fonction : elles interagissent avec la double hélice de l'ADN (la même chez les bactéries et les mammifères), la divisant en brins simple brin, les recouvrent d'une enveloppe protéique, en transfèrent une brin au chromosome homologue et là encore restaurer la double hélice. Naturellement, la plupart des enzymes impliquées dans ces processus conservent leur homologie pendant plus de 3 milliards d’années. En revanche, les complexes synaptonémiques, apparus chez les eucaryotes après le début de la méiose (il y a environ 850 millions d'années), sont construits à partir de protéines non homologues... mais le schéma de leur structure de domaine est le même. D'où vient ce schéma ?

Un indice est la protéine Rec8 mentionnée, qui commence la formation des axes chromosomiques dans le cycle méiotique et qui est présente dans tous les organismes étudiés. On peut supposer que matériau de construction pour les axes des chromosomes méiotiques et les éléments latéraux du complexe synaptonémique, il peut y avoir n'importe quelle protéine intermédiaire capable de former une structure fibreuse (SCP2, Hop1, etc.), d'interagir avec la cohésine Rec8 et de « précipiter » dessus, comme du béton sur renfort métallique.

DANS dernières années Ayant éprouvé des difficultés à mener des travaux expérimentaux en raison d'un financement insuffisant, nous avons commencé à utiliser activement les méthodes bioinformatiques. Nous nous sommes intéressés à la protéine zipper chez la drosophile. Compte tenu de la similitude des structures secondaires et tertiaires des protéines Zip1 de levure et de SCP1 humain, nous avons émis l'hypothèse que la protéine zipper de drosophile a la même structure. Nous avons commencé nos travaux en 2001, lorsque le génome de la drosophile avait déjà été séquencé et que l'on s'est rendu compte qu'il contenait environ 13 000 gènes potentiels. Comment pouvons-nous trouver le gène de la protéine que nous recherchons ?

Parmi les 125 gènes de méiose connus à cette époque chez la drosophile, nous n'avions prévu qu'un seul candidat pour ce rôle. Le fait est que la mutation génétique c(3)G les chromosomes privés de la capacité de se joindre par paires à l'aide d'une « fermeture éclair » et d'entrer en recombinaison. Nous avons émis l’hypothèse que les mutants possèdent une protéine défectueuse qui forme les dents submicroscopiques de l’attache. La structure secondaire et la conformation de la protéine souhaitée doivent être similaires à celles des protéines Zip1 et SCP1.

Sachant que le gène c(3)G est située chez la drosophile sur le chromosome 3, nous avons recherché dans la base de données cette région (comprenant 700 000 paires de bases) pour trouver un cadre de lecture ouvert qui pourrait coder pour une protéine similaire. Nous avons compris qu'en l'absence d'homologie dans la structure primaire de la protéine recherchée et de la protéine de levure, leur taille, leur organisation (de trois domaines) et la capacité du domaine central à former une hélice α d'une certaine longueur (environ 40 nm) devrait être similaire. Ceci a été mis en évidence par la similitude de l'image au microscope électronique du complexe synaptonémique dans la méiose chez la levure et chez la drosophile.

Nous avons examiné des cadres de lecture ouverts pour près de 80 gènes dans la zone de recherche. En utilisant programmes informatiques, permettant de prédire la structure secondaire d'une protéine virtuelle, son propriétés physiques et chimiques et la répartition des charges électrostatiques dans les molécules, T. M. Grishaeva a trouvé un tel cadre de lecture à la frontière de la zone de localisation des gènes c(3)G.(Cela n'a pas été prédit avec beaucoup de précision par les généticiens japonais sur une carte microscopique des chromosomes.) Il s'est avéré qu'il s'agissait d'un gène CG1J604 selon la carte génomique de la société Selera.

Nous avons conclu que ce gène virtuel devait être un gène connu depuis longtemps c(3)G et code pour une protéine similaire à la protéine Zip1 de levure. En réponse à notre message, nous avons reçu un email des États-Unis de S. Hawley. Il a prouvé expérimentalement que le gène c(3)G code pour une protéine qui forme une « fermeture éclair » entre les chromosomes lors de la méiose chez la drosophile. Les résultats de notre travail ont coïncidé, mais le travail expérimental du groupe de Hawley a duré environ sept ans, et notre travail informatique à trois n'a duré qu'environ trois mois. Les articles ont été publiés simultanément. En 2003, nous avons publié la méthode de nos recherches informatiques et donné des exemples de protéines virtuelles similaires dans d'autres organismes. Ce travail est désormais facilement cité par des collègues étrangers, et notre méthode fonctionne avec succès entre leurs mains en combinaison avec des tests expérimentaux. Ainsi, en 2005, un groupe de biologistes anglais a découvert le gène et la protéine des dents de fermeture éclair dans la plante. Arabidopsis thaliana .

En conclusion, je donnerai un exemple d'une autre découverte dans le domaine de la biologie moléculaire de la méiose, mais il faut commencer par la mitose. Pour que les chromatides se séparent en anaphase de mitose, la cohésine qui « les colle ensemble » doit être détruite. L'hydrolyse des cohésines pendant la mitose est un événement génétiquement programmé. Mais dans la métaphase de la méiose I, lorsque les chromosomes homologues sont alignés à l'équateur de la cellule et que le fuseau protéique est prêt à les tirer vers les pôles, l'hydrolyse des cohésines s'avère impossible. C'est pourquoi les deux chromatides de chaque chromosome, collées ensemble dans la région du centre cinétique des chromosomes (kinétochore), sont dirigées vers un pôle (voir Fig. 1). À la fin des années 90, des chercheurs japonais, étudiant la méiose chez la levure, ont découvert que dans la région des kinétochores, les cohésines sont protégées par une protéine qu'ils ont appelée shugoshin (la racine de ce terme est tirée du vocabulaire des samouraïs et signifie protection). Très rapide communauté mondiale Les chercheurs sur la méiose sont arrivés à la conclusion que des protéines shugoshin similaires existent chez la drosophile, le maïs et d'autres objets. De plus, les gènes qui « interdisent » la séparation des chromatides lors de la méiose I chez la drosophile étaient connus 10 ans plus tôt, mais leur produit protéique n'a pas été déchiffré. Et en 2005, un groupe de chercheurs américains de l'Université de Californie à Berkeley, dont notre compatriote et mon collègue de longue date dans la recherche sur la méiose I.N Golubovskaya, a rapporté que pendant la métaphase I de la méiose dans les chromosomes du maïs, le shugoshin ZmSGO1 est situé des deux côtés des kinétochores. , et il n'apparaît dans cette région que s'il y a déjà de la cohésine Rec8, qu'il protège de l'hydrolyse (mais uniquement lors de la méiose I). Ces résultats ont été obtenus en utilisant des anticorps fluorescents dirigés contre des protéines et un microscope confocal. Reste à ajouter que des chercheurs japonais ont immédiatement rapporté que le shugoshin protège Rec8 de l'hydrolyse si le shugoshin est déphosphorylé. La phosphorylation et la déphosphorylation, ainsi que l'acétylation et la désacétylation, sont des modifications importantes qui modifient les propriétés des molécules protéiques.

Aspect applicatif

Tout ce qui a été dit est une belle science fondamentale, mais est-il possible d'utiliser ces connaissances dans objectifs pratiques? Peut. Au milieu des années 80, des chercheurs britanniques et notre laboratoire, à l'aide de divers modèles expérimentaux, ont prouvé qu'en utilisant des micro-étalements de complexes synaptonémiques, il est possible d'identifier deux fois plus de réarrangements chromosomiques (délétions, translocations, inversions) qu'avec méthode traditionnelle analyse des chromosomes au stade métaphase (Fig. 7). Le fait est que le complexe synaptonémique est la structure squelettique des chromosomes méiotiques en prophase. A cette époque, les chromosomes sont environ 10 fois plus longs, ce qui augmente considérablement la résolution de l'analyse. Cependant, il est presque impossible d'étudier les chromosomes de prophase enchevêtrés en boule, et les structures squelettiques rigides du complexe synaptonémique n'ont pas peur de se propager, et, de plus, un microscope électronique est capable de distinguer des mini-aberrations inaccessibles à un microscope optique.

Nous nous sommes demandés : est-il possible d'établir la cause de la stérilité chez la progéniture de souris irradiées en étudiant non pas les chromosomes, mais le complexe synaptonémique ? Il s'est avéré que chez les souris stériles ayant hérité des translocations chromosomiques de leurs parents, ces réarrangements sont détectés à l'aide du complexe dans 100 % des cellules étudiées, et avec les méthodes conventionnelles d'analyse « métaphase » - seulement dans 50 % des cellules. Un groupe de chercheurs espagnols a examiné plus de mille hommes souffrant d'infertilité. Chez un tiers d'entre eux, la cause de l'infertilité n'a pu être établie au préalable, et l'étude du complexe synaptonémique à partir des cellules testiculaires de ces patients a permis à la moitié d'entre eux de poser un diagnostic : la cause de l'infertilité est l'absence du complexe synaptonémique. , c'est pourquoi les spermatocytes (cellules précurseurs du sperme) ne se développent pas, c'est-à-dire qu'un « arrêt » du processus de méiose et toute la spermatogenèse ont été observés. Des résultats similaires ont été obtenus par O. L. Kolomiets en collaboration avec des médecins de Kharkov. L'étude du complexe synaptonémique en combinaison avec d'autres méthodes d'analyse augmente le pourcentage d'identification des causes de l'infertilité chez les patients masculins examinés de 17 à 30 %. Certaines cliniques anglaises déjà dans les années 90 du XXe siècle. activement utilisé des méthodes similaires. De tels diagnostics nécessitent bien entendu des qualifications théoriques et pratiques élevées des médecins et l'utilisation de microscopes électroniques. Les laboratoires russes n'ont pas encore atteint ce niveau, à l'exception de l'Institut de génétique générale du nom. N.I. Vavilov RAS (Moscou) et l'Institut de cytologie et de génétique SB RAS (Novossibirsk).

On pourrait penser qu'une recherche intensive sur les mécanismes de la méiose conduira inévitablement à l'application des connaissances acquises dans les domaines de la biologie et de la médecine associés à la fertilité des organismes vivants, y compris l'homme. Cependant, la loi d'application réalisations scientifiques dans la pratique est inchangé : « mettre en œuvre » quelque chose par la force ne sert à rien. Les praticiens eux-mêmes doivent suivre les réalisations de la science et les utiliser. C’est l’approche adoptée par les grandes entreprises pharmaceutiques et biotechnologiques.

De la découverte de la méiose (1885) à la découverte du complexe synaptonémique (1956), environ 70 ans se sont écoulés, et de 1956 à la découverte des protéines du complexe synaptonémique (1986) - 30 autres. Au cours des 20 années suivantes, nous appris la structure de ces protéines, leurs gènes codants et les interactions des protéines dans la construction et le fonctionnement des complexes synaptonémiques, en particulier leur interaction avec les protéines enzymatiques de recombinaison de l'ADN, etc., c'est-à-dire plus que dans la période descriptive précédente de 30 ans études cytologiques. Cela ne prendra peut-être pas plus de deux décennies pour déchiffrer les mécanismes moléculaires fondamentaux de la méiose. L’histoire des sciences, comme celle de toute civilisation, se caractérise par une « compression du temps », un tassement croissant des événements et des découvertes.

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Méiose(grec méiose - diminution, diminution) ou division de réduction. À la suite de la méiose, le nombre de chromosomes diminue, c'est-à-dire à partir d'un ensemble diploïde de chromosomes (2n), un ensemble haploïde (n) est formé.

Méiose se compose de 2 divisions consécutives :
La première division est appelée réduction ou diminutif.
La division II est appelée équationnelle ou égalisatrice, c'est-à-dire se déroule selon le type de mitose (ce qui signifie que le nombre de chromosomes dans les cellules mère et fille reste le même).

La signification biologique de la méiose est qu'à partir d'une cellule mère dotée d'un ensemble diploïde de chromosomes, quatre cellules haploïdes se forment, ainsi le nombre de chromosomes est réduit de moitié et la quantité d'ADN est réduite de quatre fois. À la suite de cette division, des cellules sexuelles (gamètes) se forment chez les animaux et des spores chez les plantes.

Les phases sont appelées de la même manière que dans la mitose, et avant le début de la méiose, la cellule passe également par une interphase.

La prophase I est la phase la plus longue et est classiquement divisée en 5 étapes :
1) Leptonème (leptotène)– ou le stade des fils fins. Les chromosomes sont en spirale, un chromosome est constitué de 2 chromatides et sur les brins encore minces de chromatides, des épaississements ou des amas de chromatine sont visibles, appelés chromomères.
2) Zygonema (zygotène, grec fusion de threads) - étape de threads appariés. A ce stade, les chromosomes homologues (de forme et de taille identiques) se réunissent par paires, ils s'attirent et adhèrent les uns aux autres sur toute la longueur, c'est-à-dire conjugué dans la région des chromomères. C'est similaire à une fermeture à glissière. Une paire de chromosomes homologues est appelée bivalents. Le nombre de bivalents est égal à l’ensemble haploïde de chromosomes.
3) Pachynéma (pachytène, grec épais) – stade de filaments épais. Une spirale supplémentaire des chromosomes se produit. Ensuite, chaque chromosome homologue est divisé dans le sens longitudinal et il devient clairement visible que chaque chromosome est constitué de deux chromatides. Ces structures sont appelées tétrades, c'est-à-dire 4 chromatides. A ce moment, un croisement se produit, c'est-à-dire échange de régions homologues de chromatides.
4) Diplonème (diplotène)– étape de doubles fils. Les chromosomes homologues commencent à se repousser, à s'éloigner les uns des autres, mais maintiennent leur relation à l'aide de ponts - les chiasmes, ce sont les endroits où se produiront les croisements. À chaque jonction des chromatides (c'est-à-dire le chiasma), des sections de chromatides sont échangées. Les chromosomes s'enroulent en spirale et se raccourcissent.
5) Diakinésie– étape de doubles fils isolés. A ce stade, les chromosomes sont complètement condensés et intensément colorés. La membrane nucléaire et les nucléoles sont détruits. Les centrioles se déplacent vers les pôles cellulaires et forment des filaments fusiformes. L'ensemble chromosomique de la prophase I est 2n4c.
Ainsi, dans la prophase I :
1. conjugaison de chromosomes homologues ;
2. formation de bivalents ou tétrades ;
3. traverser.

Selon la conjugaison des chromatides, il peut y avoir différents types croisement : 1 – correct ou incorrect ; 2 – égal ou inégal ; 3 – cytologique ou efficace ; 4 – simple ou multiple.

Métaphase I – la spiralisation des chromosomes atteint son maximum. Les bivalents s’alignent le long de l’équateur de la cellule, formant une plaque métaphasique. Les brins du fuseau sont attachés aux centromères des chromosomes homologues. Les bivalents se retrouvent connectés à différents pôles de la cellule.
L'ensemble chromosomique de la métaphase I est - 2n4c.

Anaphase I - les centromères des chromosomes ne se divisent pas ; la phase commence par la division des chiasmes. Des chromosomes entiers, et non des chromatides, se dispersent vers les pôles de la cellule. Un seul chromosome homologue sur une paire pénètre dans les cellules filles, c'est-à-dire ils sont redistribués aléatoirement. Il s'avère qu'à chaque pôle se trouve un ensemble de chromosomes - 1n2c, et en général l'ensemble de chromosomes de l'anaphase I est - 2n4c.

Télophase I – aux pôles de la cellule se trouvent des chromosomes entiers, constitués de 2 chromatides, mais leur nombre est devenu 2 fois moindre. Chez les animaux et certaines plantes, les chromatides déspirent. Une membrane nucléaire se forme autour d'eux à chaque pôle.
Vient ensuite la cytokinèse
. L'ensemble chromosomique de cellules formé après la première division est - n2c.

Il n'y a pas de période S entre les divisions I et II et la réplication de l'ADN ne se produit pas, car les chromosomes sont déjà dupliqués et sont constitués de chromatides sœurs, c'est pourquoi l'interphase II est appelée interkinésie - c'est-à-dire il y a un mouvement entre deux divisions.

La prophase II est très courte et se déroule sans aucun changement particulier ; si l'enveloppe nucléaire n'est pas formée dans la télophase I, alors des filaments fusiformes se forment immédiatement.

Métaphase II - les chromosomes s'alignent le long de l'équateur. Les filaments du fuseau sont attachés aux centromères des chromosomes.
L'ensemble chromosomique de la métaphase II est - n2c.

Anaphase II - les centromères se divisent et les filaments du fuseau déplacent les chromatides vers différents pôles. Les chromatides sœurs sont appelées chromosomes filles (ou les chromatides mères seront des chromosomes filles).
L'ensemble chromosomique de l'anaphase II est - 2n2c.

Télophase II - les chromosomes déspirent, s'étirent et sont alors difficilement distinguables. Des membranes nucléaires et des nucléoles se forment. La télophase II se termine par la cytokinèse.
Le chromosome défini après la télophase II est – nc.

Schéma de division méiotique