Мейоз морфология основных фаз мейоза. Определение и виды мейоза

Мейоз — важнейший процесс клеточного деления, происходящего накануне формирования половых клеток и открытый еще в конце XIX в., долгое время оставался предметом пристального внимания весьма узкого круга цитологов. Он попал в поле зрения молекулярных биологов лишь в 90-х годах XX в. Бурному развитию исследований в этой области способствовали работы по молекулярной генетике модельных объектов, а также появление новых иммуноцитохимических методов, которые дали в руки исследователей удобный способ изучения белков, участвующих в мейозе .

У всех эукариот во время мейоза формируется субмикроскопическая структура, получившая название синаптонемный комплекс (от греч. synaptos — соединенный, пета — нить). Исследование молекулярной организации этого комплекса и его роли в мейозе показало, что он нужен для рекомбинации хромосом и редукции их числа. Об этом и пойдет речь в данной статье.

Но сначала напомним основные сведения о мейозе, состоящем из двух делений: мейоза I и мейоза II. В результате редукционного деления (мейоза I) число хромосом в дочерних клетках уменьшается в два раза по сравнению с набором хромосом родительской клетки. Это происходит потому, что количество ДНК в хромосомах удваивается только один раз перед мейозом I (рис. 1). Двукратная редукция числа хромосом в ходе формирования половых клеток позволяет при оплодотворении восстановить исходное (диплоидное) число хромосом и сохранить его постоянство. Для этого необходимо строгое разделение пар гомологичных хромосом между половыми клетками. При ошибках возникает анеуплоидия — нехватка или избыток хромосом, и этот дисбаланс приводит к гибели зародыша или тяжелым аномалиям развития (у человека к так называемым хромосомным болезням).

Структура и функция синаптонемного комплекса

Синаптонемный комплекс представляет собой две белковые оси гомологичных хромосом, соединяющихся с помощью белковой «застежки-молнии» (рис. 2). Зубцы «застежки» — это палочковидные димеры из параллельно уложенных и одинаково ориентированных белковых молекул с длинной α-спиралью в середине молекулы. У дрожжей S. cerevisiae — это белок Zip1, у млекопитающих и человека — SCP1 (SYCP1). Эти белки своими С-концами закреплены на хромосомных осях (латеральных элементах комплекса), а N-концами направлены навстречу друг другу, внутрь центрального пространства (рис. 3). На N-концах молекул находятся заряженные «шпоры» — чередующиеся пики плотностей положительных и отрицательных зарядов аминокислот (рис. 4), комплементарное взаимодействие которых обеспечивает прочную электростатическую связь зубцов.

Так называемое центральное пространство комплекса (щель между белковыми осями, заполненная зубцами «застежки», шириной около 100 нм), как и весь комплекс (его сечение — порядка 150-200 нм) в обычном световом микроскопе не видны, поскольку весь комплекс замаскирован хроматином. Впервые синаптонемный комплекс увидели на ультратонких (толщиной 0,8 мкм) срезах семенников речного рака и мыши с помощью просвечивающего электронного микроскопа. Его обнаружили в 1956 г. независимо друг от друга два американских исследователя — М. Мозес и Д. В. Фоссет .

Теперь при исследовании комплекса используют так называемый метод микроспредирования. Клетки семенников (или пыльников растений) после гипотонического шока помещают на пластиковую подложку, нанесенную на предметное стекло. Содержимое лопнувшей клетки фиксируется слабым раствором формальдегида и контрастируется солями тяжелых металлов (лучше всего — AgNО 3). Стекло просматривают в фазовоконтрастном микроскопе и по косвенным признакам выбирают клетки, которые должны содержать комплекс. Кружочек пленки с нужной клеткой подхватывают на металлическую сеточку и помещают ее в электронный микроскоп (рис. 5). По необходимости перед контрастированием клетки обрабатывают антителами к интересующим исследователя белкам. Эти антитела метят калиброванными гранулами коллоидного золота, которые хорошо видны в электронном микроскопе.

В ходе профазы мейоза I синаптонемный комплекс удерживает параллельно расположенные гомологичные хромосомы почти до момента их построения на экваторе клетки (метафаза I). Хромосомы соединяются с помощью синаптонемного комплекса на некоторое время (от 2 ч у дрожжей до 2-3 сут. у человека), в течение которого между гомологичными хромосомами совершается обмен гомологичными участками ДНК — кроссинговер . В кроссинговере, происходящем с частотой не менее одного события (чаще — два, реже три или четыре) на пару гомологичных хромосом, участвуют десятки специфичных для мейоза белков-ферментов.

Молекулярный механизм кроссинговера и его генетические последствия — это две большие темы, выходящие за рамки задач данного рассказа. Нас этот процесс интересует потому, что в результате него гомологичные хромосомы прочно связываются перекрещенными молекулами ДНК (хиазмами) и необходимость попарного удержания хромосомы с помощью синаптонемного комплекса отпадает (после завершения кроссинговера комплекс исчезает). Гомологичные хромосомы, соединенные хиазмами, выстраиваются на экваторе веретена клеточного деления и расходятся с помощью нитей веретена клеточного деления в разные клетки. После завершения мейоза число хромосом в дочерних клетках уменьшается вдвое.

Итак, только накануне мейоза I структура хромосом радикально меняется. Очень специфическая внутриядерная и межхромосомная структура — синаптонемный комплекс — возникает один раз в жизненном цикле организма на короткое время для попарного соединения гомологичных хромосом и кроссинговера, а затем демонтируется. Эти и многие другие события в ходе мейоза на молекулярном и субклеточном (ультраструктурном) уровнях обеспечиваются работой многочисленных белков, выполняющих структурные, каталитические и кинетические (моторные) функции.

Белки синаптонемного комплекса

Еще в далекие 70-е годы мы получили косвенные доказательства того, что синаптонемный комплекс формируется путем самосборки его элементов, которая может происходить и в отсутствие хромосом. Эксперимент поставила сама природа, а нам удалось его наблюдать. Оказалось, что у свиной аскариды в цитоплазме клеток, готовящихся к мейозу I, появляются пакеты или «штабеля» абсолютно правильно уложенных морфологических элементов синаптонемного комплекса (хотя в цитоплазме нет хромосом: они — в ядре). Поскольку на стадии подготовки клеток к мейозу в клеточных ядрах еще нет синаптонемного комплекса, появилось предположение о несовершенстве контроля очередности событий мейоза у этого примитивного организма. Избыток новосинтезированных белков в цитоплазме приводит к их полимеризации и возникновению структуры, не отличающейся от синаптонемного комплекса . Эта гипотеза получила подтверждение только в 2005 г. благодаря работе интернациональной группы исследователей, работающих в Германии и Швеции. Они показали, что если ген, кодирующий белок зубцов «застежки-молнии» млекопитающих (SCP1), внедрить в соматические клетки, растущие на искусственной питательной среде, и активировать его, то внутри культивируемых клеток возникает мощная сеть из белков SCP1, «застегнутых» между собой так же, как в центральном пространстве комплекса. Формирование слоя из сплошных белковых «застежек-молний» в культуре клеток означает, что предсказанная нами способность белков комплекса к самосборке доказана .

В 1989 и в 2001 гг. сотрудники нашей лаборатории О. Л. Коломиец и Ю. С. Федотова исследовали естественный «демонтаж» синаптонемных комплексов на завершающих этапах их существования. Этот многоэтапный процесс лучше всего удалось проследить на материнских клетках пыльцы в пыльниках ржи, где есть частичная синхронность мейоза . Выяснилось, что латеральные элементы комплекса демонтируются путем постепенного «раскручивания» белковой суперспирали, имеющей три уровня упаковки (рис. 6).

Основа протяженных латеральных элементов — комплекс из четырех белков когезинов (от англ. cohesion — сцепление). Накануне мейоза в хромосомах появляется специфичный белок когезин Rec8, который заменяет соматический когезин Rad21. Затем к нему присоединяются три других белка-когезина, присутствующие и в соматических клетках, но вместо соматического когезина SMC1 появляется специфический для мейоза белок SMC1b (его N-конец на 50% отличается от N-конца соматического белка SMC1). Этот когезиновый комплекс располагается внутри хромосомы между двумя сестринскими хроматидами, удерживая их вместе. С комплексом когезинов связываются мейоз-специфичные белки, которые становятся мажорными белками хромосомных осей и превращают их (эти оси) в латеральные элементы синаптонемного комплекса . У млекопитающих мажорные белки синаптонемного комплекса — SCP2 и SCP3, у дрожжей белки Hop1 и Red1, а мейоз-специфичный белок — Rec8.

Эволюционный парадокс белков

У млекопитающих и дрожжей белки синаптонемного комплекса имеют разные аминокислотные последовательности, но их вторичная и третичная структуры одинаковы. Так, белок «застежки-молнии» SCP1 у млекопитающих и негомологичный ему белок Zip1 у дрожжей построены по единому плану. Они состоят из трех аминокислотных доменов: центральный — α-спираль, способная к формированию спирали второго порядка (суперспирализации), и два концевых домена — глобулы. Мажорные белки SCP2 и SCP3, не имеющие никакой гомологии с белками Hop1 и Red1 дрожжей и, видимо, с еще недостаточно изученными белками комплекса у растений, также строят морфологически и функционально одинаковые структуры синаптонемного комплекса . Это значит, что первичная структура (последовательность аминокислот) этих белков — эволюционно нейтральный признак.

Итак, негомологичные белки у эволюционно далеких организмов строят синаптонемный комплекс по единому плану. Объясняя этот феномен, воспользуюсь аналогией со строительством домов из разных материалов, но по единому плану Важно, чтобы в таких домах были стены, перекрытия, крыша и чтобы строительные материалы соответствовали условиям прочности. Равным образом, при формировании синаптонемного комплекса необходимы латеральные элементы («стены»), поперечные филаменты (зубцы «застежки-молнии») — «перекрытия» и центральное пространство (помещение для «кухни»). Там должны поместиться «кухонные роботы» — комплексы ферментов рекомбинации, собранные в так называемые «рекомбинационные узелки».

Ширина центрального пространства синаптонемного комплекса у дрожжей, кукурузы и человека составляет примерно 100 нм. Это обусловлено длиной односпиральных участков ДНК, покрытых белком рекомбинации Rad51. Этот белок относится к группе ферментов (подобных бактериальному белку рекомбинации RecA), которые сохраняют гомологию со времен появления рекомбинации молекул ДНК (примерно 3,5 млрд лет назад). Неизбежность гомологии белков рекомбинации у далеких организмов определяется их функцией: они взаимодействуют с двойной спиралью ДНК (одинаковой у бактерий и млекопитающих), разделяя ее на односпиральные нити, покрывают их белковым чехлом, переносят одну нить в гомологичную хромосому и там снова восстанавливают двойную спираль. Естественно, что большинство ферментов, участвующих в этих процессах, сохраняют гомологию более 3 млрд лет. В противоположность им синаптонемные комплексы, появившиеся у эукариот после возникновения мейоза (около 850 млн лет назад), построены из негомологичных белков... но схема их доменного строения одинакова. Откуда взялась эта схема?

Подсказкой служит упомянутый белок Rec8, с которого начинается формирование хромосомных осей в цикле мейоза и который есть у всех изученных организмов. Можно предположить, что строительным материалом для осей мейотических хромосом и латеральных элементов синаптонемного комплекса могут быть любые итермедиатные белки, которые способны образовывать волокнистую структуру (SCP2, Hop1 и др.), взаимодействовать с когезином Rec8 и «осаждаться» на нем, как бетон на металлической арматуре.

В последние годы, испытывая трудности в проведении экспериментальной работы из-за недостаточного финансирования, мы стали активно использовать методы биоинформатики. Нас интересовал белок «застежки-молнии» у дрозофилы. Учитывая сходство вторичной и третичной структур белков Zip1 дрожжей и SCP1 человека, мы предположили, что белок «застежки-молнии» у дрозофилы имеет такое же строение. Мы приступили к работе в 2001 г., когда геном дрозофилы уже был секвенирован и стало известно, что в нем имеется примерно 13 тыс. потенциальных генов. Как же найти ген для искомого нами белка?

Среди 125 известных к тому времени генов мейоза у дрозофилы мы предвидели лишь одного кандидата на эту роль. Дело в том, что мутация гена c(3)G лишала хромосомы способности соединяться попарно с помощью «застежки-молнии» и вступать в рекомбинацию. Мы предположили, что у мутантов дефектен белок, формирующий субмикроскопические зубцы «застежки». Вторичная структура и конформация искомого белка должна быть аналогична белкам Zip1 и SCP1.

Зная, что ген c(3)G находится у дрозофилы в хромосоме 3, мы искали в базе данных об этом районе (составляющем 700 тыс. пар нуклеотидов) такую открытую рамку считывания, которая могла бы кодировать похожий белок. Мы понимали, что при отсутствии гомологии в первичной структуре искомого белка и дрожжевого их размер, организация (из трех доменов) и способность центрального домена формировать α-спираль определенной длины (около 40 нм) должны быть аналогичными. Об этом говорило сходство электронно-микроскопической картины синаптонемного комплекса в мейозе у дрожжей и у дрозофилы.

Просмотрели открытые рамки считывания почти для 80 генов в районе поиска. С помощью компьютерных программ, позволяющих прогнозировать вторичную структуру виртуального белка, его физико-химические свойства и распределение электростатических зарядов в молекулах, Т. М. Гришаева нашла такую рамку считывания на границе зоны локализации гена c(3)G. (Это не очень точно предсказали японские генетики на микроскопической карте хромосом.) Им оказался ген CG1J604 по геномной карте компании «Селера».

Мы заключили, что этот виртуальный ген должен быть давно известным геном c(3)G и кодировать белок, аналогичный белку Zip1 дрожжей. В ответ на наше сообщение мы получили электронное письмо из США от С. Хоули. Он экспериментально доказал, что ген c(3)G кодирует белок, формирующий «застежку-молнию» между хромосомами в мейозе у дрозофилы . Результаты наших работ совпали, но экспериментальная работа группы Хоули заняла около семи лет, а наша компьютерная работа силами трех человек — лишь около трех месяцев. Статьи вышли из печати одновременно. В 2003 г. мы опубликовали метод наших компьютерных поисков и привели примеры аналогичных виртуальных белков у других организмов . Эту работу сейчас охотно цитируют зарубежные коллеги, и наш метод успешно работает в их руках в сочетании с экспериментальной проверкой. Так, в 2005 г. группа английских биологов обнаружила ген и белок зубцов «застежки-молнии» у растения Arabidopsis thaliana .

В заключение приведу пример еще одной находки в области молекулярной биологии мейоза, но надо начать с митоза. Для того чтобы в анафазе митоза хроматиды разошлись, нужно разрушить «склеивающий» их когезин. Гидролиз когезинов во время митоза — это генетически программируемое событие. А вот в метафазе мейоза I, когда гомологичные хромосомы выстроены на экваторе клетки и белковое веретено готово растащить их к полюсам, гидролиз когезинов оказывается невозможным. Именно поэтому обе хроматиды каждой хромосомы, склеенные между собой в области кинетического центра хромосом (кинетохора), направляются к одному полюсу (см. рис. 1). В конце 90-х годов японские исследователи, изучая мейоз у дрожжей, установили, что в районе кинетохора когезины защищены белком, названным ими шугошином (корень этого термина взят из лексикона самураев и означает защиту). Очень быстро мировое сообщество исследователей мейоза пришло к выводу, что аналогичные белки-шугошины есть у дрозофилы, у кукурузы и у других объектов. При этом гены, «запрещающие» разъединение хроматид в мейозе I у дрозофилы, были известны лет за 10 до этого, но их белковый продукт не был расшифрован. А в 2005 г. группа американских исследователей из Калифорнийского университета в Беркли, среди которых и наша соотечественница и моя давняя коллега по исследованию мейоза И. Н. Голубовская, сообщила, что во время метафазы I мейоза в хромосомах кукурузы шугошин ZmSGO1 расположен по обе стороны от кинетохоров, причем появляется он в этом районе только в том случае, если там уже есть когезин Rec8, которого он и защищает от гидролиза (но только в мейозе I). Эти результаты получены с помощью флюоресцирующих антител к белкам и конфокального микроскопа . Остается добавить, что японские исследователи тут же сообщили, что шугошин защищает Rec8 от гидролиза, если шугошин дефосфорилирован. Фосфорилирование и дефосфорилирование, так же как ацетилирование и деацетилирование, — важные модификации, меняющие свойства белковых молекул.

Прикладной аспект

Все рассказанное — красивая фундаментальная наука, а можно ли использовать эти знания в практических целях? Можно. Еще в середине 80-х годов британские исследователи и наша лаборатория на разных экспериментальных моделях доказали, что, используя микроспреды синаптонемных комплексов, можно выявить в два раза больше хромосомных перестроек (делеций, транслокаций, инверсий) по сравнению с традиционным методом анализа хромосом на стадии метафазы (рис. 7). Дело в том, что синаптонемный комплекс — скелетная структура мейотических хромосом в профазе. В это время хромосомы примерно в 10 раз длиннее, что значительно повышает разрешающую способность анализа. Однако исследовать запутанные в клубок профазные хромосомы практически невозможно, а жесткие скелетные структуры си-наптонемного комплекса не боятся распластывания, и, кроме того, электронный микроскоп способен различать миниаберрации, недоступные световому микроскопу.

Мы задались вопросом: можно ли установить причину стерильности потомства облученных мышей, изучая не хромосомы, а синаптонемный комплекс? Оказалось, что у стерильных мышей, унаследовавших от родителей хромосомные транслокации, эти перестройки выявляются с помощью комплекса в 100% исследуемых клеток, а при обычных методах «метафазного» анализа — лишь в 50% клеток . Группа испанских исследователей обследовала более 1 тыс. мужчин, страдающих бесплодием. У трети из них причину бесплодия ранее не удавалось установить, а изучение синаптонемного комплекса из клеток семенников этих пациентов позволило половине из них поставить диагноз: причина бесплодия в отсутствии синаптонемного комплекса, из-за чего сперматоциты (клетки-предшественники сперматозоидов) не развиваются, т. е. наблюдался «арест» процесса мейоза и всего сперматогенеза . Аналогичные результаты получены О. Л. Коломиец совместно с врачами из Харькова. Исследование синаптонемного комплекса в сочетании с другими методами анализа повышает процент выявления причин бесплодия у обследованных пациентов-мужчин с 17 до 30% . Некоторые английские клиники уже в 90-х годах XX в. активно использовали подобные методы. Такая диагностика, конечно, требует высокой теоретической и практической квалификации врачей и использования электронных микроскопов. Российские лаборатории еще не достигли такого уровня, за исключением Института общей генетики им. Н. И. Вавилова РАН (Москва) и Института цитологии и генетики СО РАН (Новосибирск).

Можно думать, что интенсивные исследования механизмов мейоза неизбежно приведут к применению полученных знаний в тех областях биологии и медицины, которые связаны с фертильностью живых организмов, включая человека. Однако закон применения научных достижений на практике неизменен: «внедрять» что-либо силой — бесполезно. Практики сами должны следить за достижениями науки и использовать их. Именно такой подход применяют передовые фармакологические и биотехнологические фирмы.

От открытия мейоза (1885) до открытия синаптонемного комплекса (1956) прошло примерно 70 лет, а с 1956 г. до открытия белков синаптонемного комплекса (1986) — еще 30. За последующие 20 лет мы узнали структуру этих белков, кодирующие их гены, взаимодействие белков при построении и работе синаптонемных комплексов, в частности, их взаимодействие с белками-ферментами рекомбинации ДНК и т. д., т. е. больше, чем за предшествующий 30-летний период описательных цитологических исследований. Возможно, для расшифровки основных молекулярных механизмов мейоза потребуется не более двух десятков лет. История науки, как и всей цивилизации, характеризуется «сжатием времени», нарастающим уплотнением событий и открытий.

Литература:

1. Page S.L., Hawley R.S. // Annu. Rev. Cell Develop. Biol. 2004. V. 20. P. 525-558.
2. Moses M.J. //Chromosoma. 2006. V. 115. P. 152-154.
3. Bogdanov Yu.F. // Chromosoma. 1977. V. 61. P. 1-21.
4. OllingerR. et al. //Moll. Biol. Cell. 2005. V. 16. P. 212-217.
5. Fedotova Y.S. et al. // Genome. 1989. V. 32. P. 816-823; Коломиец О.Л. и др. // Биологические мембраны. 2001. Т. 18. С. 230-239.
6. Bogdanov Yu.F. et al. // Int. Review. Cytol. 2007. V. 257. P. 83-142.
7. Богданов Ю.Ф. // Онтогенез. 2004. T. 35. №6. C. 415-423.
8. Grishaeva T.M. et al. // Drosophila Inform. Serv. 2001. V. 84. P. 84-89.
9. Page S.L., Hawley R.S. // Genes Develop. 2001. V. 15. P. 3130-3143.
10. Bogdanov Yu.F. et al. // In Silico Biol. 2003. V. 3. P. 173-185.
11. Osman K. et al. // Chromosoma. 2006. V. 115. P. 212-219.
12. Hamant O., Golubovskaya I. et al. // Curr. Biol. 2005. V. 15. P. 948-954.
13. Kalikinskaya E.I. et al. // Mut. Res. 1986. V. 174. P. 59-65.
14. Egozcue J. et al. // Hum. Genet. 1983. V. 65. P. 185-188; Carrara R. et al. // Genet. Mol. Biol. 2004. V. 27. P. 477-482.
15. Богданов Ю.Ф., Коломиец О.Л. Синаптонемный комплекс. Индикатор динамики мейоза и изменчивости хромосом. М., 2007.

Мейозом называется особый способ деления эукариотических клеток, при котором исходное число хромосом уменьшается в 2 раза (от древнегреч. «мейон» – меньше – и от «мейозис» – уменьшение).

Отдельные фазы мейоза у животных описал В. Флемминг (1882), а у растений – Э.Страсбургер (1888), а затем российский ученый В.И. Беляев. В это же время (1887) А. Вайсман теоретически обосновал необходимость мейоза как механизма поддержания постоянного числа хромосом. Первое подробное описание мейоза в ооцитах кролика дал Уиниуортер (1900).

Хотя мейоз открыт более 100 лет назад, но изучение мейоза продолжается до сих пор. Интерес к мейозу резко возрос в конце 60-х годов, когда выяс­нилось, что одни и те же контролируемые генами ферменты могут принимать участие во многих процессах, связанных с ДНК. В по­следнее время ряд биологов развивают оригинальную идею: мейоз у высших организмов служит гарантом стабильности генетического материала, ибо в процессе мейоза, когда пары хромосом-гомологов тесно соприкасаются, происходит проверка нитей ДНК на точность и восстановление повреждений, затрагивающих сразу обе нити. Изучение мейоза связало методы и интересы двух наук: цитологии и генетики. Это привело к рождению новой ветки знания - цитогенетики, тесно соприкасающейся ныне с молекулярной биологией и генной инженерией.

Биологическое значение мейоза заключается в следующих процессах:

1.Благодаря редукции числа хромосом в результате мейоза в ряду поколений при половом размножении обеспечива­ется постоянство числа хромосом.

2.Независимое распределение хромосом в анафазе первого деления обеспечивает рекомбинацию генов, относящих­ся к разным группам сцепления (находящихся в разных хромосомах). Мейотическое распределение хромосом по дочерним клеткам называется сегрегацией хромосом.

3.Кроссинговер в профазе I мейоза обеспечивает рекомбинацию генов, относящихся к одной группе сцепления (находящихся в одной хромосоме).

4. Случайное сочетание гамет при оплодотворении вместе с вышеперечисленными процессами способствует генети­ческой изменчивости.

5. В процессе мейоза происходит еще одно существенное явление. Это процесс активации синтеза РНК (или транскрип­ционной деятельности хромосом) в ходе профазы (диплотены), связанный с формированием хромосом типа «ламповых щеток» (обнаружены у животных и некоторых растений).

Эта ревер­сия профазы к интерфазному состоянию (при митозе только в интерфазе идет синтез и-РНК) является специфической харак­теристикой мейоза как особого типа деления клеток.

Следует отметить, что у простейших наблюдается значительное разнообразие процессов мейоза.

В соответствии с положением в жизненном цикле различают три типа мейоза:

Зиготны й (исходный) мейоз происходит в зиготе, т.е. непосредственно после оплодотворения. Он характерен для организмов, в жизненном цикле которых преобладает гаплоидная фаза (аскомицеты, бизидиомицеты, некото­рые водоросли, споровики и др.).

Гаметный (терминальный) мейоз происходит во время формирования гамет. Он наблюдается у многоклеточных животных (в т.ч. у человека), а также среди простейших и некоторых низших растений, в жизненном цикле которых преобладает диплоидная фаза.

Промежуточный (споровый) мейоз протекает во время спорообразования у высших растений, включаясь между стадиями спорофита (растения) и гаметофита (пыльца, зародышевый мешок).

Таким образом, мейоз - это форма ядерного деления, сопро­вождающаяся уменьшением числа хромосом с диплоидного до гаплоидного и изменением генетического материала. Результат мейоза - образование клеток с гаплоидным набором хромосом (половых клеток).

Продол­жительность мейоза может отличаться в зависимости от вида растений и животных (табл. 1).

Таблица 1. Продолжительность мейоза у различных видов растений

Типичный мейоз состоит из двух последовательных клеточных делений, которые соответственно называются мейоз I и мейоз II. В первом делении происходит уменьшение числа хромосом в два раза, поэтому первое мейотическое деление называют редукционным , реже – гетеротипным . Во втором делении число хромосом не изменяется; такое деление называют эквационным (уравнивающим), реже – гомеотипным . Выражения «мейоз» и «редукционное деление» часто используют как синонимы.

Исходное число хромосом в мейоцитах (клетках, вступающих в мейоз) называется диплоидным хромосомным числом (2n) Число хромосом в клетках, образовавшихся в результате мейоза, называется гаплоидным хромосомным числом (n). Минимальное число хромосом в клетке называется основным числом (x). Основному числу хромосом в клетке соответствует и минимальный объем генетической информации (минимальный объем ДНК), который называется геном.

Количество геномов в клетке называется геномным числом (n). У большинства многоклеточных животных, у всех голосеменных и многих покрытосеменных растений понятие гаплоидности–диплоидности и понятие геномного числа совпадают. Например, у человека n=x=23 и 2n=2x=46.

Морфология мейоза - характеристика фаз

Интерфаза

Предмейотическая интерфаза отличается от обычной интерфазы тем, что процесс репликации ДНК не доходит до конца: примерно 0,2...0,4 % ДНК остается неудвоенной. Таким образом, деление клетки начинается на синтетической стадии клеточного цикла. Поэтому мейоз образно называют преждевременным митозом. Однако в целом, можно считать, что в диплоидной клетке (2n) содержание ДНК составляет 4с.

При наличии центриолей происходит их удвоение таким образом, что в клетке имеется две диплосомы, каждая из которых содержит пару центриолей.

Первое деление мейоза

ДНК прошла репликацию. Начитается профаза I, самая продолжительная стадия мейоза.

Стадия профазы I подразделяется на следующие стадии:

лептотена - стадия тонких нитей;

зиготена - стадия двойных нитей;

пахитена - стадия толстых нитей;

диплотена - кроссинговер;

диакинез - исчезновение ядерной оболочки и ядрышка.

В ранней профазе (лептотене) происходит подготовка к ко­нъюгации хромосом. Хромосомы уже удвоены, но сестринские хроматиды в них еще неразличимы. Хромосомы начинают упа­ковываться (спирализоваться).

В отличие от профазы митоза, где хромосомы расположены по мембране ядра конец в конец и, упа­ковываясь, притягиваются к мембране, лептотенные хромосомы своими теломерными участками (концами) располагаются в одном из полюсов ядра, образуя фигуру «букета» у животных и сжатие в клубок «синезис» - у растений. Такое расположение или ориентации в ядре позволяет хромосомам быстрее и легче осуществлять конъюгацию гомологичных локусов хромосом (рис. 1).

Центральное событие - таинствен­ный процесс узнавания гомологичных хромосом и их попарное сближение друг с другом происходит в зиготене профазы I. При конъюгации (сближении) гомологичных хромосом происходит образование пар - бивалентов и хромосомы заметно укорачиваются. С этого момента начинается формирование синаптонемного комплекса (СК). Формирование синаптонемного комплекса и синопсис хромосом - синонимы.

Рис. 1. Стадия профазы

В ходе следующей стадии профазы I – пахитене между гомологичными хромосомами усивается тесное соприкосновение, которое и называется синапсисом (от греч. synopsis - соединение, связь). Хромосомы в этой стадии сильно спирализованы, что делает возможным наблюдение их под микроскопом.

В ходе синапсиса гомологи переплетаются, т.е. конъюгируют. Конъюгирующие биваленты связаны хиазмами. Каждый бивалент состоит из двух хромосом и четырех хроматид, где каждая хромосома пришла от своего родителя. При образовании синапсиса (СК), происходит обмен участками между гомологичными хроматидами. Этот процесс, называемый кроссинговером, приводит к тому, что хроматиды теперь имеют иной состав генов.

Синаптонемный комплекс (СК) в пахитене достигает наибольшего развития и в этот период представляет собой лентовидную структуру, располагающуюся в пространстве между параллельно лежащими гомологичными хромосомами. СК состоит из двух параллельных латеральных элементов, сформированных плотно уложенными белками и менее плотного центрального элемента, протягивающегося между ними (рис. 2).

Рис. 2. Схема синаптонемного комлекса

Каждый латеральный элемент формируется парой сестринских хроматид в виде продольной оси лептотенной хромосомы и до того, как становится частью СК, носит название осевого элемента. Боковые петли хроматина лежат вне СК, окружая его со всех сторон.

Развитие СК в процессе мейоза :

лептотена-структура хромосом, вступивших в лептотену, сразу же оказывается необычной: в каждом гомологе наблюдается продольный тяж, идущий по оси хромосом на всем ее протяжении;

зиготена - на этой стадии осевые тяжи гомологов сближаются, при этом концы осевых тяжей, прикрепленных к ядерной мембране, как бы скользят по ее внутренней поверхности навстречу друг к другу;

пахитена. Наибольшее развитие СК достигает в пахитене, когда все элементы его приобретают максимальную плотность, а хроматин - вид плотной сплошной «шубы» вокруг него.

Функции СК:

1.Полностью развитый синаптонемный комплекс необходим для нормального удержания гомологов в биваленте так долго, как это необходимо для осуществления кроссинговера и закладки хиазм. Хромосомы соединяются с помощью синаптонемного комплекса на некоторое время (от 2 ч у дрожжей до 2–3 сут. у человека), в течение которого между гомологичными хромосомами совершается обмен гомологичными участками ДНК - кроссинговер (от англ, crossing over - образование перекреста).

2.Предотвращение слишком прочного соединения гомологов и удержание их на определенном расстоянии, сохранение их индивидуальности, создание возможности оттолкнуться в диплотене и разойтись в анафазе.

Процесс кроссинговера связан с работой определенных ферментов, которые при образовании хиазм между сестринскими хроматидами, «разрезают» их в месте перекреста с последующим воссоединением образовавшихся фрагментов. В большинстве случаев указанные процессы не приводят к каким-либо нарушениям в генетической структуре гомологичных хромосом, т.е. происходит правильное соединение фрагментов хроматид и восстановление их первоначального строения.

Однако, возможен и другой (более редкий) вариант событий, который связан с ошибочным воссоединением фрагментов разрезанных структур. При этом происходит взаимный обмен участками генетического материала между конъюгирующими хроматидами (генетическая рекомбинация).

На рис. 3 приведена упрощенная схема некоторых возможных вариантов одиночного либо двойного кроссинговера с участием двух хроматид из пары гомологичных хромосом. Необходимо подчеркнуть, что кроссинговер представляет собой случайное событие, которое с той или иной вероятностью может возникнуть на любом участке (либо на двух и большем числе участков) гомологичных хромосом. Следовательно, на этапе созревания гамет эукариотического организма в профазе первого деления мейоза действует универсальный принцип случайного (свободного) комбинирования (рекомбинации) генетического материала гомологичных хромосом.

В цитологических исследованиях синапсиса в последние два десятилетия важную роль играет метод распластывания профазных мейотических клеток животных и растений под действием гипотонического раствора. Метод вошел в цитогенетику после работ Мозеса и сыграл такую же роль, какую в свое время сыграл метод приготовления «давленых» препаратов для исследования метафазных хромосом, избавив цитогенетиков от микротомных срезов.

Метод Мозеса и его модификации стали более удобными, чем анализ СК на ультратонких срезах. Этот метод был положен в основу исследований мейоза и постепенно охватил вопросы генного контроля мейоза у животных и растений.

Рис. 3. Отдельные варианты одиночного и двойного кроссинговера с участием двух хроматид: 1 исходные хроматиды и вариант без кроссинговера; 2 одиночный кроссинговер на участке А В и кроссоверные хроматиды; 3 одиночный кроссинговер на участке В-С и кроссоверные хроматиды; 4 двойной кроссинговер и кроссоверные хроматиды нескольких разных участках на основе гомологичности генетического материала этих участков. Полагают, что с каждой стороны в процессе конъюгации могут участвовать либо одна из двух сестринских хроматид соответствующей хромосомы либо обе хроматиды.

В диппотене гомологичные хромосомы после спаривания и кроссинговера начинают отталкиваться друг от друга. Процесс отталкивания начинается с центромер. Расхождению гомологов препятствуют хиазмы - место соединения несестринских хроматид, возникших в результате перекреста. По мере расхождения хроматид некоторые хиазмы смещаются к концу плеча хромосомы. Обычно перекрестов бы­вает несколько, и чем длиннее хромосомы, тем их больше, поэтому в диплотене, как правило, несколько хиазм в одном биваленте.

В стадии диакинеза происходит уменьшение числа хиазм. Биваленты располагаются по периферии ядра. Ядрышко растворяется, мембрана разрушается и начинается переход к метафазе I. На протяжении всей профазы сохраняется ядрышко и ядерная оболочка. Перед профазой в период синтетического периода интерфазы происходит репликация ДНК и репродукция хромосом. Однако полностью этот синтез не заканчивается: ДНК синтезируется на 99,8%, а белки - на 75%. Синтез ДНК заканчивается в пахитене, белков - в диплотене.

В метафазе I становится заметной веретеновидная структура, образуемая микротрубочками. В ходе мейоза к центромерам хромосом каждого бивалента прикрепляются отдельные микрокрубочки. Затем пары хромосом перемещаются в экваториальную плоскость клетки, где выстраиваются в случайном порядке. Центромеры гомологичных хромосом располагаются в противоположных сторонах от экваториальной плоскости; в метафазе митоза, напротив, центромеры отдельных хромосом располагаются в экваториальной плоскости.

В метафазе I биваленты располагаются в центре клетки, в зоне экваториальной пластинки (рис. 4).

Рис. 4. Стадии мейоза: профаза I - метафаза I

Анафаза начинается с расхождения гомологичных хромосом и движения их в направлении полюсов. У хромосом без центромера крепления не может существовать. В анафазе митоза цент­ромеры делятся и идентичные хроматиды расходятся. В анафазе I мейоза центромеры не делятся, хроматиды остаются вместе, а разъединяются гомологичные хромосомы. Однако из-за обмена фрагментами в результате кроссинговера хроматиды не идентич­ны, как в начале мейоза. В анафазе I конъюгирующие гомологи расходятся к полюсам.

В дочерних клетках число хромосом вдвое меньше (гаплоидный набор), при этом масса ДНК уменьшается также вдвое и хромосомы остаются дихроматидными. Точное расхождение гомологичных пар к противоположным полюсам лежит в основе редукции их числа.

В телофазе I происходит сосредоточение хромосом у по­люсов, некоторая их деконденсация, за счет чего спирализация хромосом ослабевает, они удлиняются и снова становятся не­различимыми (рис. 5). По мере того как телофаза постепенно переходит в интерфазу, из эндоплазматического ретикулума возникает ядерная оболочка (в том числе и из фрагментов оболочки ядра материнской клетки), а также клеточная пере­городка. Наконец вновь образуется ядрышко и возобновляется синтез белка.

Рис. 5. Стадии мейоза: анафаза I - телофаза I

В интеркинезе образуются ядра, в каждой из которых находится n дихроматидных хромосом.

Особенность второго деления мейоза состоит, прежде всего, в том, что в интерфазе II не происходит удвоения хроматина, поэтому каждая клетка, вступающая в профазу II, сохраняет прежнее соотношение n2с.

Второе деление мейоза

В период второго деления мейоза сестринские хроматиды каждой хромосомы расходятся к полюсам. Поскольку в про­фазе I мог произойти кроссинговер и сестринские хроматиды могли стать неидентичными, то принято говорить, что второе деление протекает по типу митоза, однако это не настоящий митоз, при котором в норме дочерние клетки содержат хромо­сомы идентичные по форме и набору генов.

В начале второго мейотического деления хроматиды все еще связаны центромерами. Это деление похоже на митоз: если в телофазе I образовалась ядерная оболочка, то теперь она раз­рушается, и к концу короткой профазы II исчезает ядрышко.

Рис. 6. Стадии мейоза: профаза II-метафаза II

В метафазе II снова можно увидеть веретено и хромосомы, состоящие из двух хроматид. Хромосомы прикрепляются цент­ромерами к нитям веретена и выстраиваются в экваториальной плоскости (рис. 6). В анафазе II центромеры делятся и расходятся, а сестринские хроматиды, ставшие теперь хромосомами, движутся к противоположным полюсам. В телофазе II образуются новые ядерные оболочки и ядрышки, сжатие хромосом ослабевает и в интерфазном ядре они становятся невидимыми (рис. 7).

Рис. 7. Стадии мейоза: анафаза II - телофаза II

Завершается мейоз формированием гаплоидных клеток - гаметы, тетрады спор - потомков исходной клетки с редукционным вдвое (гаплоидным) набором хромосом и гаплоидной массой ДНК (исходная клетка 2n, 4с, - споры, гаметы - n, с).

Общая схема распределения хромосом гомологичной пары и содержащихся в них двух пар различающихся аллельных генов во время двух делений мейоза приведена на рис.8. Как видно из этой схемы, возможны два принципиально разных варианта такого распределения. Первый (более вероятный) вариант связан с образованием двух типов генетически различающихся гамет с хромосомами, не претерпевшими кроссинговеров на участках, где локализованы рассматриваемые гены. Такие гаметы принято называть некроссоверными. При втором (менее вероятном) варианте наряду с некроссоверными возникают также кроссоверные гаметы как результат генетического обмена (генетической рекомбинации) в участках гомологичных хромосом, расположенных между локусами двух неаллельных генов.

Рис. 8. Два варианта распределения хромосом гомологичной пары и содержащихся в них неаллельных генов как результат двух делений мейоза

Николай Мушкамбаров, докт. биол. наук

Человечество стареет, а ведь каждому хочется жить не просто долго, но и без тех болезней, которые приходят с возрастом. За последние полвека появилось множество «революционных» теорий старения, почти каждая из которых предлагает верный и надёжный способ замедлить или даже остановить время. Каждый год - новые сенсации, новые открытия и новые заявления, обнадёживающие и многообещающие. Пептидные биорегуляторы, эликсир долголетия, живительные ионы, или антиоксидант SkQ. Беги в аптеку, плати и живи, согласно вложенной инструкции, до 100-120 лет! В какой мере можно доверять сенсационным открытиям и в чём состоит «правда о старении»?

Профессор Н. Н. Мушкамбаров. Фото Андрея Афанасьева.

Август Вейсман (1834-1914) - немецкий зоолог и эволюционист. Создал теорию, согласно которой наследственные признаки сохраняются и передаются через нестареющую зародышевую плазму.

Леонард Хейфлик - американский микробиолог. В 1960-е годы обнаружил, что в лабораторных условиях клетки человека и животных могут делиться лишь ограниченное число раз.

Алексей Матвеевич Оловников - российский биохимик. Для объяснения экспериментов Хейфлика в 1971 году выдвинул гипотезу об укорачивании концевых участков хромосом (теломер) при каждом делении клетки.

Наука и жизнь // Иллюстрации

Элизабет Блэкбёрн и Кэрол Грейдер - американские биологи. В 1985 году открыли фермент теломеразу. Механизм действия теломеразы - повторяющееся кодирование новых нуклеотидных последовательностей на концевых участках теломер и восстановление их исходной дл

Бенджамин Гомперц (1779-1865) - британский математик. Предложил функцию, описывающую статистику смертности человека в зависимости от возраста. Эта функция использовалась для оценки рисков при страховании жизни.

Книга М. М. Виленчика «Биологические основы старения и долголетия», изданная в 1976 году, была одной из первых научно-популярных книг на тему старения и пользовалась огромным успехом.

Схема мейоза (на примере пары гомологичных хромосом). В профазе первого деления мейоза хромосомы удваиваются; затем гомологичные хромосомы конъюгируют друг с другом и, сохраняя свою активность, вступают в кроссинговер.

На вопросы специального корреспондента журнала «Наука и жизнь» Наталии Лесковой отвечает доктор биологических наук, профессор кафедры гистологии Московского государственного медицинского университета им. И. М. Сеченова Николай Мушкамбаров.

Николай Николаевич, вы резко критикуете многие получившие широкую известность положения современной геронтологии. Пожалуйста, обрисуйте объекты вашей критики.

Объектов хоть отбавляй! Например, сейчас модно ссылаться на Вейсмана чуть ли не как на истину в последней инстанции. Это знаменитый биолог, который ещё в XIX веке постулировал, что старение возникло в эволюции не сразу, а лишь на каком-то её этапе как приспособительное явление. Отсюда сделали вывод, что должны быть нестареющие виды: в первую очередь наиболее примитивные организмы. При этом как-то забывают, что если они не стареют, то у них должна быть 100%-ная репарация ДНК. Это у самых-то примитивных! Как-то не вяжется одно с другим.

Есть миф, связанный с именем другого известного биолога - Леонарда Хейфлика. С шестидесятых годов прошлого века научный мир пребывает в уверенности, что соматическим клеткам человека положен предел в 50 делений, и такой лимит в биологии называют «пределом Хейфлика». Лет двадцать назад выделили стволовые клетки, способные якобы к неограниченному числу делений. И этот миф (50 у всех и бесконечность у стволовых клеток) сохраняется в умах и поныне. На самом же деле и стволовые клетки, как выясняется, стареют (то есть бесконечность отменяется), и совсем непонятно, откуда вести отсчёт этих самых 50 делений. Настолько непонятно, что, скорее всего, какого-то одного лимита делений, универсального для всех делящихся клеток человека, не существует.

- Ну а теломерная теория старения? Она тоже вызывает у вас недоверие?

Это самый популярный миф. Согласно этой теории, весь механизм старения сводится к тому, что в делящихся клетках отсутствует фермент теломераза, удлиняющий концы хромосом (эти концы называются теломерами), и потому при каждом делении происходит укорочение теломер на 50-100 нуклеотидных пар ДНК. Фермент теломераза действительно существует, и его открытие отмечено Нобелевской премией 2009 года. И феномен укорочения хромосом в делящихся клетках, лишённых теломеразы, тоже не вызывает сомнения (хотя обусловлен немного не той причиной, на которую указывал автор теломерной теории Алексей Оловников). Но сводить к этому феномену старение - всё равно, что заменить сложнейшую партитуру симфонии нотами стука по барабану. Неслучайно в 2003 году А. Оловников публично от своей теории отказался, заменив на так называемую редумерную теорию (тоже, кстати, не бесспорную). Но до сих пор даже в медицинских вузах в курсе биологии излагают теломерную теорию в качестве последнего достижения научной мысли. Это, конечно, абсурд.

Ещё один пример - из статистики смертности. Главная формула этой статистики - уравнение Гомперца, предложенное в 1825 году, или, с поправочным членом, уравнение Гомперца-Мейкема (1860 г.). В этих уравнениях соответственно есть два и три коэффициента, причём значения коэффициентов сильно варьируют для разных популяций людей. И вот, оказывается, изменения коэффициентов каждого уравнения коррелируют друг с другом. На основании чего формулируются глобальные, общемировые закономерности: так называемая корреляция Стрелера-Милдвана и сменивший её на этом посту компенсационный эффект смертности - гипотеза супругов Гавриловых.

Я же составил небольшую модель для условной популяции людей и с её помощью убедился, что все эти закономерности, скорее всего, артефакт. Дело в том, что небольшая погрешность в определении одного коэффициента создаёт резкое отклонение от истинного значения другого коэффициента. А это воспринимается (в полулогарифмических координатах) как биологически значимая корреляция и служит посылом для глубокомысленных заключений.

- Уверены ли вы в своей правоте, говоря об артефакте?

Конечно, нет! Учёным вообще вредно быть в чём-то абсолютно уверенными, хотя таких примеров предостаточно. Но я сделал всё, что в силах, чтобы проверить обратное: то, что корреляции не артефакт. И вот убедиться в этом обратном мне не удалось. Так что пока на основании личного, очень скромного по масштабу, анализа у меня больше оснований считать, что названные корреляции всё-таки искусственные. Они отражают погрешности метода, а не биологические закономерности.

А как вы оцениваете заявления о том, что в природе существует огромное количество нестареющих организмов и их список год от года растёт?

Увы, популярные теории о том, что существуют как нестареющие клетки, так и нестареющие организмы, лишены достаточных оснований. Действительно, с каждым годом круг «нестареющих» животных неумолимо расширяется. Вначале это были практически только одноклеточные, затем к ним добавили низших многоклеточных (гидр, моллюсков, морских ежей и др.). А теперь появились горячие головы, которые «обнаруживают» отдельные нестареющие виды даже среди рыб, рептилий и птиц. Так пойдёт - скоро доберутся и до млекопитающих и установят, например, что и слоны тоже не стареют, а погибают просто из-за избыточной массы тела!

- Вы убеждены, что нестареющих животных нет?

Я убеждён не в том, что таких животных нет (хотя и склоняюсь к этому), а в том, что нет ни единого вида животных, для которых отсутствие старения было бы доказано абсолютно надёжно. В отношении же клеток человека (равно как клеток и прочих представителей животного мира) степень уверенности, пожалуй, ещё выше: и стволовые, и половые, и даже опухолевые клетки, в принципе, стареют. Уж куда как бесспорно нестареющими считались стволовые клетки, - а теперь появляются экспериментальные работы, доказывающие противное.

- На чём основывается такая уверенность? Вы сами проводили соответствующие эксперименты?

Вообще говоря, очень давно, в 1977-1980 годах, я пытался подступиться к проблеме старения в экспериментах на мышах. Но не очень надёжные результаты (хотя вроде бы и подтверждающие исходное предположение) убедили, что лучше всё-таки заниматься не экспериментом, а анализом. И вот один из итогов этого анализа - концепция «Анерем», или амейотическая теория старения. Она включает шесть тезисов (если хотите, постулатов), из которых один (самый первый) - чисто моё творчество, а остальные сформулированы на основании уже имевшихся в литературе представлений. Ну и, конечно, важно, что все эти тезисы составили в целом достаточно чёткую картину.

Так вот, именно амейотическая концепция, если её придерживаться, исключает возможность существования и нестареющих клеток в многоклеточных организмах, и нестареющих организмов (начиная с одноклеточных). При этом, конечно, я отдаю себе отчёт, что все тезисы концепции - пока ещё гипотезы. Но они представляются гораздо более обоснованными, чем прочие взгляды.

Значит, ваша концепция вроде тестера, с помощью которого можно оценить, условно говоря, истинность тех или иных предположений? В таком случае расскажите о ней подробнее.

Постараюсь сделать это максимально доступно. Само название концепции («Анерем») представляет собой аббревиатуру от слов автокатализ, нестабильность, репарация, мейоз. Тезис первый. Помните, прежде было очень известно определение жизни по Энгельсу: «Жизнь есть способ существования белковых тел»? Я пересмотрел это определение и дал своё, которое и составило первый тезис: «Жизнь есть способ автокаталитического умножения ДНК (реже РНК) в природе». Это значит, что движущая сила и возникновения жизни, и последующей её эволюции - это неукротимое стремление нуклеиновых кислот к бесконечному самовоспроизведению. По существу, любой организм - усовершенствованная в эволюции биомашина, предназначенная для эффективного сохранения и умножения содержащегося в нём генома с последующим эффективным распространением его копий в окружающей среде.

- Непривычно ощущать себя биомашиной…

Ничего, ощущение пройдёт, а функция, простите, останется. Тезис второй: «Нестабильность генома - центральный элемент старения». Именно так понимают старение большинство здравомыслящих учёных на Западе, да и у нас. Дело в том, что, при всех своих замечательных способностях, нуклеиновые кислоты подвержены повреждающему воздействию множества факторов - свободных радикалов, активных форм кислорода и т.д. И хотя в эволюции было создано немало защитных систем (таких, как антиоксидантная система), в нитях ДНК постоянно возникают многочисленные повреждения. Для их обнаружения и исправления существует ещё одна защитная система - репарации (восстановления) ДНК. Следующий тезис, третий, - это фильтр, который отсеивает всё «нестареющее»: «Репарация генома в митотических и постмитотических клетках не является полной». То есть любая система репарации в указанных клетках не обеспечивает 100%-ного исправления всех возникающих дефектов ДНК. А это и означает всеобщий характер старения.

- Но если всё и вся стареет, то как же вообще поддерживается жизнь на Земле?

Вот-вот, этим вопросом заинтересовался и я в 1977 году. И нашёл, как мне показалось, свой собственный, хотя и лежащий на поверхности, ответ. А через 25 лет, в 2002-м, перебирая свои старые книги, понял, что гипотеза эта вовсе не моя, а я о ней читал за год до того в книге М. М. Виленчика, благополучно забыл и потом вспомнил, но воспринял как свою собственную. Вот такие причуды памяти. Но, в конце концов, важна суть дела, а не амбиции первооткрывателя.

Суть же формулируется тезисом четвёртым: «Эффективная репарация может быть достигнута только в мейозе (или в его упрощённом варианте - эндомиксисе) - при конъюгации (слиянии) хромосом». Что такое мейоз, все вроде бы проходили в школе, но, к сожалению, этого не знают порой даже наши студенты-медики. Напоминаю: мейоз - это последнее двукратное деление при образовании половых клеток - сперматозоидов и яйцеклеток. Кстати, по секрету сообщу: у женщин яйцеклеток не образуется. У них второе мейотическое деление (на стадии ооцита II - развития женской половой клетки) не может происходить самостоятельно - без помощи сперматозоида. Потому что клетка куда-то «затеряла» свои центриоли (тельца в клетке, участвующие в делении): только что (при предыдущем делении) были, а теперь вот куда-то делись. И требуется непременно оплодотворение ооцита II, чтобы сперматозоид привнёс свои центриоли и спас положение. Я это рассматриваю как типичные «женские штучки». Так что второе деление мейоза в конце концов происходит, но образующаяся в результате клетка - это уже не яйцеклетка, а зигота.

Мы увлеклись «женскими штучками» и не прояснили, каким же образом достигается полная репарация ДНК в мейозе.

Первому делению мейоза предшествует очень длительная профаза: в мужском гаметогенезе она продолжается целый месяц, а в женском - до нескольких десятков лет! В это время гомологичные хромосомы сближаются друг с другом и в таком состоянии пребывают почти всё время профазы.

При этом резко активируются ферменты, разрезающие и сшивающие нити ДНК. Считалось, что это необходимо только для кроссинговера - обмена хромосом своими участками, что увеличивает генетическую вариабельность вида. Действительно, «папины» и «мамины» гены, до сих пор распределённые в каждой паре гомологичных (одинаковых структурно) хромосом по разным хромосомам, после кроссинговера оказываются перемешанными.

Но М. М. Виленчик, а вслед за ним и я, обратил внимание на то, что ферменты кроссинговера уж очень напоминают ферменты репарации ДНК, при которой, вырезая повреждённые участки, тоже надо разрывать и сшивать нити ДНК. То есть одновременно с кроссинговером, вероятно, осуществляется суперрепарация ДНК. Можно представить и другие механизмы капитального «ремонта» генов в ходе мейоза. Так или иначе, при этом происходит радикальное (точнее, полное) «омоложение» клеток, отчего зрелые половые клетки начинают отсчёт времени как бы с нуля. Если же что-то не получилось, то в клетке срабатывают датчики самоконтроля за состоянием собственной ДНК и запускается процесс апоптоза - само-
убийства клетки.

- Значит, в природе омоложение происходит только у созревающих половых клеток?

Совершенно верно. Но этого вполне достаточно для обеспечения бессмертия вида - на фоне, увы, неотвратимой смертности всех индивидов. Ведь половые клетки - и только они! - тот единственный материальный субстрат родительских организмов, из которого зарождается новая жизнь - жизнь потомства.

И о том, что этот механизм касается лишь половых клеток, идёт речь в двух оставшихся тезисах концепции, которые расставляют все точки над i. Тезис пятый: «Мейоз улучшает состояние генома только последующих поколений (сразу нескольких поколений у простых организмов и лишь одного у всех прочих)». Тезис шестой: «Отсюда следуют неотвратимость старения индивидуумов (особей) и относительное бессмертие вида в целом».

- А что, мейоз есть у всех видов животных?

Он должен быть у всех видов животных - согласно концепции «Анерем», если она окажется верной. Действительно, концепция исходит из всеобщности не только старения, но и мейоза. Я тщательно исследовал этот вопрос по литературным данным. Конечно, у достаточно развитых животных - у рыб и «выше» - имеется только половой способ размножения, который подразумевает и наличие мейоза. Кроме того, существуют огромные секторы и флоры и фауны, в которых распространены смешанные типы размножения. Это означает, что у них чередуются более или менее продолжительные акты бесполого размножения (например, митотические деления, спорообразование, почкование, фрагментация и т.д.) и единичные акты полового или квазиполового размножения. Существенная черта квазиполового процесса (так называемого эндомиксиса) состоит в том, что здесь тоже происходит соединение структурно одинаковых хромосом из отцовского и материнского набора (конъюгация гомологичных хромосом), хотя оно и не завершается их расхождением по разным клеткам.

Таким образом, при смешанном размножении несколько поколений организмов живут, как бы постепенно старея (подобно тому, как у более сложных животных стареют митотически делящиеся клетки), а затем половой процесс возвращает отдельные организмы к «нулевому» возрасту и обес-
печивает безбедную жизнь ещё нескольким поколениям. И наконец, считается, что ряд простых животных размножается только бесполым путём. Но в их отношении у меня остаётся некоторое сомнение: не просмотрели ли у этих организмов в длинной череде бесполых размножений чего-нибудь похожего на мейоз или эндомиксис (самооплодотворение)?

Получается, что развиваемая вами концепция ставит крест на всех мечтах продлить человеческую жизнь. Ведь обычные (неполовые) клетки обречены стареть и стареть?

Нет, крест я не ставлю. Во-первых, потому, что для нас гораздо важней не сам факт старения, а скорость этого процесса. А воздействовать на скорость старения можно многими средствами. Какие-то из них известны, какие-то (как ионы Скулачёва) - в стадии исследования, какие-то будут открыты позже.

Во-вторых, не исключено, что со временем удастся инициировать некоторые процессы мейоза и в соматических клетках - например, в стволовых и неделящихся. Я имею в виду те процессы, которые восстанавливают состояние генома: это, видимо, конъюгация гомологичных хромосом, кроссинговер или что-то более тонкое и пока неизвестное. Не вижу причин, по которым это было бы в принципе невозможно. В линиях половых клеток в мейоз вступают, в общем, такие же по структуре клетки, как и многие прочие. Причём и после конъюгации хромосом в последних сохраняется активность соответствующих генов. Однако для реализации этого проекта надо предварительно полностью определить гены, ответственные за разные аспекты мейоза, и установить способы целенаправленного воздействия на них. Это, конечно, весьма фантастический проект. Однако разве не казалось фантастикой вчера многое из того, что мы имеем сегодня?!

Мейоз (от греч.мейозис – уменьшение) – это особый тип деления эукариотических клеток, при котором после однократного удвоения ДНК клеткаделится дважды , и из одной диплоидной клетки образуются 4 гаплоидные. Состоит из 2-х последовательных делений (обозначаютсяIиII); каждое из них, подобно митозу, включает 4 фазы (профазу, метафазу, анафазу, телофазу) и цитокинез.

Фазы мейоза:

Профаза I , она сложная, делится на 5 стадий:

1. Лептонема (от греч.leptos – тонкий,nema – нить) – хромосомы спирализуются и становятся видны как тонкие нити. Каждая гомологичная хромосома уже реплицирована на 99,9% и состоит из двух сестринских хроматид, связанных между собой в районе центромеры. Содержание генетического материала –2 n 2 xp 4 c . Хромосомы с помощью белковых скоплений (прикрепительных дисков ) закреплены обоими концами на внутренней мембране ядерной оболочки. Ядерная оболочка сохраняется, ядрышко видно.

2. Зигонема (от греч.zygon – парный) – гомологичные диплоидные хромосомы устремляются друг к другу и соединяются сначала в области центромеры, а затем – по всей длине (конъюгация ). Образуютсябиваленты (от лат.bi – двойной,valens – сильный), илитетрады хроматид. Число бивалентов соответствует гаплоидному набору хромосом, содержание генетического материала можно записать как1 n 4 xp 8 c . Каждая хромосома в одном биваленте происходит либо от отца, либо от матери.Половые хромосомы располагаются около внутренней ядерной мембраны. Эта область называетсяполовым пузырьком.

Между гомологичными хромосомами в каждом биваленте образуются специализированные синаптонемальные комплексы (от греч.synapsis – связь, соединение), которые представляют собой белковые структуры. При большом увеличении в комплексе видны две параллельные белковые нити толщиной 10 нм каждая, соединенные тонкими поперечными полосами размерами около 7 нм, по обе стороны от них лежат хромосомы в виде множества петель.

В центре комплекса проходит осевой элемент толщиной 20 – 40 нм. Синаптонемальный комплекс сравнивают сверевочной лестницей , стороны которой образованы гомологичными хромосомами. Более точное сравнение –застежка типа «молния» .

К концу зигонемы каждая пара гомологичных хромосом связана между собой с помощью синаптонемальных комплексов. Лишь половые хромосомы XиYконъюгируют не полностью, т. к. они неполностью гомологичны.

3. В пахинеме (от греч.pahys – толстый) биваленты укорачиваются и утолщаются. Между хроматидами материнского и отцовского происхождения в нескольких местах возникают соединения –хиазмы (от греч.chiazma – перекрест). В области каждой хиазмы формируется комплекс белков, участвующих врекомбинации (d~ 90 нм), и происходит обмен соответствующих участков гомологичных хромосом – от отцовской к материнской и наоборот. Этот процесс называюткросссинговером (от англ.с rossing - over – перекресток). В каждом биваленте человека, например, кроссинговер происходит в двух – трех участках.

4. В диплонеме (от греч.diploos – двойной) синаптонемальные комплексы распадаются, и гомологичные хромосомы каждого бивалентаотодвигаются друг от друга , но связь между ними сохраняется в зонах хиазм.

5. Диакинез (от греч.diakinein – проходить через). В диакинезе завершается конденсация хромосом, они отделяются от ядерной оболочки, но гомологичные хромосомы продолжают еще оставаться связанными между собой концевыми участками, а сестринские хроматиды каждой хромосомы – центромерами. Биваленты приобретают причудливую формуколец, крестов, восьмерок и т. д. В это время разрушаются ядерная оболочка и ядрышки. Реплицированные центриоли направляются к полюсам, к центромерам хромосом прикрепляются нити веретена деления.

В целом профаза мейоза очень длительна. При развитии спермиев она может длиться несколько суток, а при развитии яйцеклеток – в течение многих лет.

Метафаза I напоминает аналогичную стадию митоза. Хромосомы устанавливаются в экваториальной плоскости, образуя метафазную пластинку. В отличие от митоза, микротрубочки веретена прикрепляются к центромере каждой хромосомы лишь с одной стороны (со стороны полюса), а центромеры гомологичных хромосом расположены по обеим сторонам экватора. Связь между хромосомами с помощью хиазм продолжает сохраняться.

В анафазе I хиазмы распадаются, гомологичные хромосомы отделяются друг от друга и расходятся к полюсам.Центромеры этих хромосом, однако, в отличие от анафазы митоза,не реплицируются , а значит, сестринские хроматиды не расходятся. Расхождение хромосом носитслучайный характер . Содержание генетической информации становится1 n 2 xp 4 c у каждого полюса клетки, а в целом в клетке –2(1 n 2 xp 4 c ) .

В телофазе I , как и при митозе, формируются ядерные оболочки и ядрышки, образуется и углубляетсяборозда деления. Затем происходитцитокинез . В отличие от митоза, деспирализации хромосом не происходит.

В результате мейоза Iобразуются 2 дочерние клетки, содержащие гаплоидный набор хромосом; при этом каждая хромосома имеет 2 генетически отличные (рекомбинантные) хроматиды:1 n 2 xp 4 c . Следовательно, в результате мейозаIпроисходитредукция (уменьшение вдвое) числа хромосом, откуда и название первого деления –редукционное .

После окончания мейоза Iнаступает короткий промежуток -интеркинез , в течение которого не происходит репликации ДНК и удвоения хроматид.

Профаза II недлительна, и конъюгации хромосом при этом не наступает.

В метафазе II хромосомы выстраиваются в плоскости экватора.

В анафазе II ДНК в области центромеры реплицируется, как это происходит и в анафазе митоза, хроматиды расходятся к полюсам.

Послетелофазы II ицитокинеза II образуются дочерние клетки с содержанием генетического материала в каждой –1 n 1 xp 2 c . В целом, второе деление называетсяэквационным (уравнительным).

Итак, в результате двух последовательных делений мейоза образуются 4 клетки, каждая из которых несет гаплоидный набор хромосом.

Образованием специализированных половых клеток , или гамет , из недифференцированных стволовых .

С уменьшением числа хромосом в результате мейоза в жизненном цикле происходит переход от диплоидной фазы к гаплоидной. Восстановление плоидности (переход от гаплоидной фазы к диплоидной) происходит в результате полового процесса .

В связи с тем, что в профазе первого, редукционного, этапа происходит попарное слияние (конъюгация) гомологичных хромосом, правильное протекание мейоза возможно только в диплоидных клетках или в чётных полиплоидах (тетра-, гексаплоидных и т. п. клетках). Мейоз может происходить и в нечётных полиплоидах (три-, пентаплоидных и т. п. клетках), но в них, из-за невозможности обеспечить попарное слияние хромосом в профазе I, расхождение хромосом происходит с нарушениями, которые ставят под угрозу жизнеспособность клетки или развивающегося из неё многоклеточного гаплоидного организма.

Этот же механизм лежит в основе стерильности межвидовых гибридов . Поскольку у межвидовых гибридов в ядре клеток сочетаются хромосомы родителей, относящихся к различным видам, хромосомы обычно не могут вступить в конъюгацию. Это приводит к нарушениям в расхождении хромосом при мейозе и, в конечном счете, к нежизнеспособности половых клеток, или гамет . Определенные ограничения на конъюгацию хромосом накладывают и хромосомные мутации (масштабные делеции, дупликации, инверсии или транслокации).

Фазы мейоза

Мейоз состоит из 2 последовательных делений с короткой интерфазой между ними.

• Профаза I - профаза первого деления очень сложная и состоит из 5 стадий:

• Лептотена или лептонема - упаковка хромосом, конденсация ДНК с образованием хромосом в виде тонких нитей (хромосомы укорачиваются).
• Зиготена или зигонема - происходит конъюгация - соединение гомологичных хромосом с образованием структур, состоящих из двух соединённых хромосом, называемых тетрадами или бивалентами и их дальнейшая компактизация.
• Пахитена или пахинема - (самая длительная стадия) кроссинговер (перекрест), обмен участками между гомологичными хромосомами; гомологичные хромосомы остаются соединенными между собой.
• Диплотена или диплонема - происходит частичная деконденсация хромосом, при этом часть генома может работать, происходят процессы транскрипции (образование РНК), трансляции (синтез белка); гомологичные хромосомы остаются соединёнными между собой. У некоторых животных в ооцитах хромосомы на этой стадии профазы мейоза приобретают характерную форму хромосом типа ламповых щёток .
• Диакинез - ДНК снова максимально конденсируется, синтетические процессы прекращаются, растворяется ядерная оболочка; центриоли расходятся к полюсам; гомологичные хромосомы остаются соединёнными между собой.

К концу Профазы I центриоли мигрируют к полюсам клетки, формируются нити веретена деления, разрушаются ядерная мембрана и ядрышки

• Метафаза I - бивалентные хромосомы выстраиваются вдоль экватора клетки.
• Анафаза I - микротрубочки сокращаются, биваленты делятся и хромосомы расходятся к полюсам. Важно отметить, что, из-за конъюгации хромосом в зиготене, к полюсам расходятся целые хромосомы, состоящие из двух хроматид каждая, а не отдельные хроматиды, как в митозе .
• Телофаза I

Второе деление мейоза следует непосредственно за первым, без выраженной интерфазы: S-период отсутствует, поскольку перед вторым делением не происходит репликации ДНК.

• Профаза II - происходит конденсация хромосом, клеточный центр делится и продукты его деления расходятся к полюсам ядра, разрушается ядерная оболочка, образуется веретено деления.
• Метафаза II - унивалентные хромосомы (состоящие из двух хроматид каждая) располагаются на «экваторе» (на равном расстоянии от «полюсов» ядра) в одной плоскости, образуя так называемую метафазную пластинку.
• Анафаза II - униваленты делятся и хроматиды расходятся к полюсам.
• Телофаза II - хромосомы деспирализуются и появляется ядерная оболочка.

Значение

• У организмов, размножающихся половым путем, предотвращается удвоение числа хромосом в каждом поколении, так как при образовании половых клеток мейозом происходит редукция числа хромосом.
• Мейоз создает возможность для возникновения новых комбинаций генов (комбинативная изменчивость), так как происходит образование генетически различных гамет.
• Редукция числа хромосом приводит к образованию "чистых гамет", несущих только один аллель соответствующего локуса.
• Расположение бивалентов экваториальной пластинки веретена деления в метафазе 1 и хромосом в метафазе 2 определяется случайным образом. Последующее расхождение хромосом в анафазе приводит к образованию новых комбинаций аллелей в гаметах. Независимое расхождение хромосом лежит в основе третьего закона Менделя .

Примечания

Литература

• Бабынин Э. В. Молекулярный механизм гомологичной рекомбинации в мейозе: происхождение и биологическое значение . Цитология, 2007, 49, N 3, 182-193.
• Александр Марков. На пути к разгадке тайны мейоза . По статье: Ю. Ф. Богданов. Эволюция мейоза одноклеточных и многоклеточных эукариот. Ароморфоз на клеточном уровне. Журнал общей биологии, Том 69, 2008. № 2, Март-Апрель. Стр. 102-117
• «Variation and evolution of meiosis» - Ю. Ф. Богданов, 2003
• Биология:Пособия для поступающих в вузы: В 2 т. Т.1.-Б63 2-е изд., испр. и доп.-М.:РИА «Новая волна»: Издатель Умеренков,2011.-500с.

Wikimedia Foundation . 2010 .