Mejoza je metoda diobe stanica kod eukariota koja proizvodi haploidne stanice. To se razlikuje od mejoze do mitoze, koja proizvodi diploidne stanice.

Osim toga, mejoza se javlja u dvije uzastopne podjele, koje se nazivaju prva (mejoza I) i druga (mejoza II), respektivno. Već nakon prve diobe ćelije sadrže jedan, odnosno haploidni, skup hromozoma. Stoga se često naziva prva podjela redukcionistički. Iako se ponekad termin “redukciona podjela” koristi u odnosu na cjelokupnu mejozu.

Druga podjela se zove equational a mehanizam njegovog nastanka je sličan mitozi. U mejozi II, sestrinske hromatide kreću se prema polovima ćelije.

Mejozi, kao i mitozi, u interfazi prethodi sinteza DNK - replikacija, nakon čega se svaki hromozom već sastoji od dvije hromatide, koje se nazivaju sestrinskim hromatidama. Ne postoji sinteza DNK između prve i druge podjele.

Ako se kao rezultat mitoze formiraju dvije ćelije, onda kao rezultat mejoze - 4. Međutim, ako tijelo proizvodi jaja, onda ostaje samo jedna ćelija, koja u sebi ima koncentrisane hranjive tvari.

Količina DNK prije prve podjele obično se označava kao 2n 4c. Ovdje n označava hromozome, c – hromatide. To znači da svaki hromozom ima homologni par (2n), dok se u isto vrijeme svaki hromozom sastoji od dvije hromatide. Uzimajući u obzir prisustvo homolognog hromozoma, dobijaju se četiri hromatide (4c).

Nakon prve i prije druge diobe, količina DNK u svakoj od dvije kćerke ćelije se smanjuje na 1n 2c. To jest, homologni hromozomi se raspršuju u različite ćelije, ali se i dalje sastoje od dve hromatide.

Nakon druge diobe formiraju se četiri ćelije sa skupom 1n 1c, odnosno svaka sadrži samo jedan hromozom iz para homolognih i sastoji se od samo jedne hromatide.

Ispod je detaljan opis prve i druge mejotičke podjele. Oznaka faza je ista kao u mitozi: profaza, metafaza, anafaza, telofaza. Međutim, procesi koji se odvijaju u ovim fazama, posebno u profazi I, su nešto drugačiji.

Mejoza I

Profaza I

Ovo je obično najduža i najsloženija faza mejoze. Traje mnogo duže nego tokom mitoze. To je zbog činjenice da se u ovom trenutku homologni hromozomi približavaju i razmjenjuju dijelove DNK (dolazi do konjugacije i križanja).

Konjugacija- proces povezivanja homolognih hromozoma. Prelazak- razmjena identičnih regija između homolognih hromozoma. Nesestrinske hromatide homolognih hromozoma mogu da razmenjuju ekvivalentne delove. Na mjestima gdje se takva razmjena dešava, tzv chiasma.

Upareni homologni hromozomi se nazivaju bivalenti, ili sveske. Veza traje do anafaze I i osigurana je centromerama između sestrinskih hromatida i hijazmama između nesestrinskih hromatida.

U profazi dolazi do spiralizacije hromozoma, tako da do kraja faze hromozomi dobijaju svoj karakterističan oblik i veličinu.

U kasnijim fazama profaze I, nuklearni omotač se raspada u vezikule i jezgre nestaju. Mejotičko vreteno počinje da se formira. Formiraju se tri tipa mikrotubula vretena. Neki su pričvršćeni za kinetohore, drugi - za cijevi koje rastu iz suprotnog pola (struktura djeluje kao odstojnici). Drugi formiraju zvjezdastu strukturu i pričvršćuju se na membranski kostur, služeći kao oslonac.

Centrosomi sa centriolima divergiraju prema polovima. Mikrotubule prodiru u područje bivše jezgre i vežu se za kinetohore smještene u centromernom području hromozoma. U ovom slučaju, kinetohori sestrinskih hromatida se spajaju i djeluju kao jedna jedinica, što omogućava da se hromatide jednog hromozoma ne odvajaju i da se potom zajedno pomiču do jednog od polova ćelije.

Metafaza I

Fisijsko vreteno je konačno formirano. Parovi homolognih hromozoma nalaze se u ekvatorijalnoj ravni. Oni se poredaju jedan naspram drugog duž ekvatora ćelije tako da je ekvatorijalna ravan između parova homolognih hromozoma.

Anafaza I

Homologni hromozomi se odvajaju i kreću na različite polove ćelije. Zbog križanja do kojeg je došlo tokom profaze, njihove hromatide više nisu identične jedna drugoj.

Telofaza I

Jezgra su vraćena. Hromozomi se despiriraju u tanki hromatin. Ćelija se deli na dva dela. Kod životinja, invaginacija membrane. Biljke formiraju ćelijski zid.

Mejoza II

Interfaza između dvije mejotičke podjele naziva se interkineza, veoma je kratak. Za razliku od interfaze, duplikacija DNK ne dolazi. Zapravo, već je udvostručen, samo svaka od dvije ćelije sadrži jedan od homolognih hromozoma. Mejoza II se javlja istovremeno u dvije ćelije nastale nakon mejoze I. Dijagram ispod prikazuje podjelu samo jedne od dvije ćelije.

Profaza II

Kratko. Jezgra i nukleoli ponovo nestaju, a hromatide se spirale. Vreteno počinje da se formira.

Metafaza II

Svaki hromozom, koji se sastoji od dvije hromatide, vezan je za dvije niti vretena. Jedan konac sa jednog pola, drugi sa drugog. Centromere se sastoje od dva odvojena kinetohora. Metafazna ploča se formira u ravni koja je okomita na ekvator metafaze I. To jest, ako se matična ćelija u mejozi I podijeli duž, tada će se dvije ćelije podijeliti poprijeko.

Anafaza II

Protein koji veže sestrinske hromatide se odvaja i one se kreću na različite polove. Sada se sestrinske hromatide nazivaju sestrinskim hromozomima.

Telofaza II

Slično telofazi I. Dolazi do despiralizacije hromozoma, vreteno nestaje, formiraju se jezgra i jezgre i dolazi do citokineze.

Značenje mejoze

U višećelijskom organizmu samo se polne ćelije dijele mejozom. Stoga je glavni značaj mejoze sigurnostmehanizamAseksualna reprodukcija,pri kojoj broj hromozoma u vrsti ostaje konstantan.

Drugo značenje mejoze je rekombinacija genetske informacije koja se javlja u profazi I, odnosno kombinativna varijabilnost. Nove kombinacije alela nastaju u dva slučaja. 1. Kada dođe do crossingovera, odnosno, nesestrinske hromatide homolognih hromozoma razmjenjuju dijelove. 2. Sa nezavisnom divergencijom hromozoma do polova u obe mejotičke deobe. Drugim riječima, svaki hromozom se može pojaviti u jednoj ćeliji u bilo kojoj kombinaciji s drugim kromosomima koji mu nisu homologni.

Već nakon mejoze I, ćelije sadrže različite genetske informacije. Nakon druge podjele, sve četiri ćelije se razlikuju jedna od druge. Ovo je važna razlika između mejoze i mitoze, koja proizvodi genetski identične ćelije.

Ukrštanje i nasumična divergencija hromozoma i hromatida u anafazi I i II stvaraju nove kombinacije gena i su jednood uzroka nasljedne varijabilnosti organizama, zahvaljujući kojoj je moguća evolucija živih organizama.

Podjela ćelije putem mejoze odvija se u dvije glavne faze: mejoza I i mejoza II. Na kraju mejotičkog procesa formiraju se četiri. Prije nego što ćelija koja se dijeli uđe u mejozu, prolazi kroz period koji se naziva interfaza.

Interfaza

• Faza G1: faza razvoja ćelije prije sinteze DNK. U ovoj fazi, ćelija, koja se priprema za podelu, povećava se u masi.
• S-faza: period tokom kojeg se DNK sintetiše. Za većinu ćelija ova faza traje kratak vremenski period.
• Faza G2: period nakon sinteze DNK, ali prije početka profaze. Ćelija nastavlja sintetizirati dodatne proteine ​​i povećava se u veličini.

U posljednjoj fazi interfaze, stanica još uvijek ima jezgre. okruženi nuklearnom membranom, a ćelijski hromozomi su duplicirani, ali su u obliku. Dva para, nastala replikacijom jednog para, nalaze se izvan jezgra. Na kraju interfaze, ćelija ulazi u prvu fazu mejoze.

mejoza I:

Profaza I

U profazi I mejoze javljaju se sljedeće promjene:

• Kromosomi se kondenziraju i vežu za nuklearni omotač.
• Nastaje sinapsa (parno spajanje homolognih hromozoma) i formira se tetrada. Svaka tetrada se sastoji od četiri hromatide.
• Može doći do genetske rekombinacije.
• Kromosomi se kondenziraju i odvajaju od nuklearne membrane.
• Slično, centriole migriraju jedna od druge, a nuklearni omotač i nukleoli su uništeni.
• Kromosomi počinju migraciju na metafaznu (ekvatorijalnu) ploču.

Na kraju profaze I, ćelija ulazi u metafazu I.

Metafaza I

U metafazi I mejoze javljaju se sljedeće promjene:

• Tetrade su poređane na metafaznoj ploči.
• homologni hromozomi su orijentisani na suprotne polove ćelije.

Na kraju metafaze I, ćelija ulazi u anafazu I.

Anafaza I

U anafazi I mejoze se javljaju sljedeće promjene:

• Hromozomi se kreću na suprotne krajeve ćelije. Slično mitozi, kinetohori stupaju u interakciju s mikrotubulama kako bi pomjerili hromozome do polova ćelije.
• Za razliku od mitoze, oni ostaju zajedno nakon prelaska na suprotne polove.

Na kraju anafaze I, ćelija ulazi u telofazu I.

Telofaza I

U telofazi I mejoze javljaju se sljedeće promjene:

• Vlakna vretena nastavljaju pomicati homologne hromozome do polova.
• Kada se kretanje završi, svaki pol ćelije ima haploidni broj hromozoma.
• U većini slučajeva, citokineza (podjela) se događa istovremeno s telofazom I.
• Na kraju telofaze I i citokineze nastaju dvije kćerke ćelije, svaka sa polovinom broja hromozoma od originalne roditeljske ćelije.
• Ovisno o tipu ćelije, mogu se pojaviti različiti procesi u pripremi za mejozu II. Međutim, genetski materijal se ne replicira ponovo.

Na kraju telofaze I, ćelija ulazi u profazu II.

Mejoza II:

Profaza II

U profazi II mejoze javljaju se sljedeće promjene:

• Jezgra i jezgra se uništavaju dok se pojavljuje fisijsko vreteno.
• U ovoj fazi se hromozomi više ne repliciraju.
• Kromosomi počinju migrirati u metafaznu ploču II (na ekvatoru stanica).

Na kraju profaze II ćelije ulaze u metafazu II.

Metafaza II

U metafazi II mejoze javljaju se sljedeće promjene:

• Kromosomi se nižu na metafaznoj ploči II u centru ćelije.
• Kinetohorne niti sestrinskih hromatida divergiraju na suprotne polove.

Na kraju metafaze II ćelije ulaze u anafazu II.

Anafaza II

U anafazi II mejoze javljaju se sljedeće promjene:

• Sestrinske hromatide se odvajaju i počinju da se kreću na suprotne krajeve (polove) ćelije. Vlakna vretena koja nisu povezana sa hromatidama izdužuju i produžavaju ćelije.
• Jednom kada se uparene sestrinske hromatide odvoje jedna od druge, svaka se smatra kompletnim hromozomom, koji se naziva hromozom.
• U pripremi za sljedeću fazu mejoze, dva ćelijska pola se također udaljavaju jedan od drugog tokom anafaze II. Na kraju anafaze II, svaki pol sadrži kompletnu kompilaciju hromozoma.

Nakon anafaze II, stanice ulaze u telofazu II.

Telofaza II

U telofazi II mejoze javljaju se sljedeće promjene:

• Odvojena jezgra se formiraju na suprotnim polovima.
• Dolazi do citokineze (podjela citoplazme i stvaranje novih stanica).
• Na kraju mejoze II nastaju četiri ćelije kćeri. Svaka ćelija ima upola manji broj hromozoma od originalne roditeljske ćelije.

Rezultat mejoze

Krajnji rezultat mejoze je proizvodnja četiri kćeri ćelije. Ove ćelije imaju upola manje hromozoma od roditelja. Tokom mejoze nastaju samo polni dijelovi. Drugi se dijele mitozom. Kada se polovi ujedine tokom oplodnje, postaju . Diploidne ćelije imaju pun skup homolognih hromozoma.

Suština mejoze- obrazovanje ćelije sa haploidnim setom hromozoma.

Mejoza sastoji se od dvije uzastopne podjele.

Između njih ne dešava se DNK replikacija – zato je skup haploidan.

Zahvaljujući ovom procesu dolazi do sljedećeg:

• gametogeneza;
• c formiranje pora u biljkama;
• i varijabilnost nasljednih informacija

Sada pogledajmo detaljnije ovaj proces.

Mejoza predstavlja 2 divizije, prate jedni druge.

Kao rezultat toga, obično se formiraju četiri ćelije(osim na primjer, gdje se nakon prve diobe druga ćelija ne dijeli dalje, već se odmah smanjuje).

Ovdje postoji još jedna važna stvar: kao rezultat mejoze, u pravilu se smanjuju tri od četiri ćelije, ostavljajući jednu, tj. prirodna selekcija. Ovo je također jedan od zadataka mejoze.

Interfaza prva divizija:

ćelija prelazi iz stanja 2n2c do 2n4c, pošto je došlo do replikacije DNK.

profaza:

U prvoj podeli dešava se važan proces - prelazeći preko.

U profazi I mejoze, svaki od već uvrnutih bihromatidnih hromozoma, univalents blizak odnos sa homologno njoj. Ovo se zove (dobro zbunjen sa konjugacija cilijata), ili sinapse. Par homolognih hromozoma koji se spajaju se nazivaju

Kromatida tada prelazi s homolognom (ne-sestrinskom) hromatidom na susjednom hromozomu (sa kojim se formira dvovalentan). Mjesto gdje se hromatide ukrštaju naziva se. Chiasmus otkrio je 1909. belgijski naučnik Frans Alphonse Janssens.

A onda se komadić hromatide odlomi na mjestu chiasmata i skače na drugu (homolognu, tj. nesestrinsku) hromatidu.

Desilo se rekombinacija gena .

Rezultat: neki geni su migrirali sa jednog homolognog hromozoma na drugi.

Prije prelazeći preko jedan homologni hromozom je imao gene iz majčinog organizma, a drugi iz očevog. I tada oba homologna hromozoma posjeduju gene i majčinog i očinskog organizma.

Značenje prelazeći preko Ovo je: kao rezultat ovog procesa formiraju se nove kombinacije gena, pa postoji veća nasljedna varijabilnost, a samim tim i veća vjerovatnoća pojave novih osobina koje mogu biti korisne.

sinapsa (konjugacija) uvijek se javlja tokom mejoze, ali prelazeći preko možda se neće dogoditi.

Zbog svih ovih procesa: konjugacija, ukrštanje profaza I je duža od profaze II.

Metafaza

Glavna razlika između prve podjele mejoze i

u mitozi, bihromatidni hromozomi se poredaju duž ekvatora, au prvoj podeli mejoze bivalenti homolognih hromozoma, od kojih je svaki vezan vretenasti filamenti.

Anafaza

zbog činjenice da su se poredali duž ekvatora bivalenti, dolazi do divergencije homolognih bihromatidnih hromozoma. Za razliku od mitoze, u kojoj se hromatide jednog hromozoma razdvajaju.

Telofaza

Rezultirajuće ćelije prelaze iz 2n4c stanja u n2c, kako se opet razlikuju od ćelija nastalih kao rezultat mitoze: prvo, one haploidni. Ako se u mitozi, na kraju diobe, formiraju apsolutno identične stanice, onda u prvoj diobi mejoze svaka stanica sadrži samo jedan homologni kromosom.

Greške u segregaciji hromozoma tokom prve podjele mogu dovesti do trisomije. Odnosno, prisustvo još jednog hromozoma u jednom paru homolognih hromozoma. Na primjer, kod ljudi, trisomija 21 je uzrok Downovog sindroma.

Interfaza između prve i druge divizije

- ili vrlo kratko ili nikako. Dakle, prije druge divizije nema DNK replikacija. Ovo je veoma važno, jer je druga podela generalno neophodna da bi se ćelije ispostavile haploidni sa jednohromatidnim hromozomima.

Druga divizija

- javlja se skoro isto kao i mitotička podjela. Oni samo ulaze u podjelu haploidnićelije sa dvohromatidnim hromozomima (n2c), od kojih je svaki poređan duž ekvatora, niti vretena su pričvršćene za centromere svaka hromatida svakog hromozoma u metafazaII. IN anafazaII hromatide odvojene. I unutra telofazaII se formiraju haploidnićelije sa pojedinačnim hromatidnim hromozomima ( nc). Ovo je neophodno kako bi se pri spajanju s drugom sličnom ćelijom (nc) formirao "normalan" 2n2c.

Mejoza, najvažniji proces diobe ćelija koji se javlja uoči formiranja zametnih ćelija, a otkriven je krajem 19. stoljeća, dugo je ostao predmet pomne pažnje vrlo uskog kruga citologa. Na njega su došli molekularni biolozi tek 90-ih godina 20. veka. Brzi razvoj istraživanja u ovoj oblasti bio je olakšan radom na molekularnoj genetici modelnih objekata, kao i pojavom novih imunocitokemijskih metoda, koje su istraživačima dale pogodan način za proučavanje proteina uključenih u mejozu.

Kod svih eukariota, tokom mejoze, formira se submikroskopska struktura tzv sinaptonemski kompleks(od grčkog synaptos - spojen, peta - konac). Proučavanje molekularne organizacije ovog kompleksa i njegove uloge u mejozi pokazalo je da je on potreban za rekombinaciju hromozoma i smanjenje njihovog broja. O tome će biti riječi u ovom članku.

Ali prvo, podsjetimo se osnovnih podataka o mejozi, koja se sastoji od dvije podjele: mejoze I i mejoze II. Kao rezultat redukcijske diobe (mejoza I), broj hromozoma u ćelijama kćeri smanjen je za polovinu u odnosu na broj hromozoma u matičnoj ćeliji. To se događa zato što se količina DNK u hromozomima udvostručuje samo jednom prije mejoze I (slika 1). Dvostruko smanjenje broja hromozoma tokom formiranja zametnih ćelija omogućava da se tokom oplodnje vrati originalni (diploidni) broj hromozoma i održi njegova konstantnost. Ovo zahtijeva strogo razdvajanje parova homolognih hromozoma između zametnih ćelija. Kada dođe do grešaka, dolazi do aneuploidije – manjka ili viška hromozoma, a ta neravnoteža dovodi do odumiranja embrija ili teških razvojnih abnormalnosti (kod ljudi tzv. hromozomske bolesti).

Struktura i funkcija sinaptonemskog kompleksa

Sinaptonemski kompleks sastoji se od dvije proteinske osi homolognih hromozoma povezanih proteinskim patent zatvaračem (slika 2). Zubi patentnog zatvarača su štapićasti dimeri paralelno presavijenih i identično orijentiranih proteinskih molekula s dugom α-heliksom u sredini molekula. U kvascu S. cerevisiae - ovo je protein Zip1, kod sisara i ljudi - SCP1 (SYCP1). Ovi proteini su usidreni svojim C-terminalnim krajevima za hromozomske ose (lateralni elementi kompleksa), a njihovi N-terminalni krajevi su usmereni jedan prema drugom, unutar centralnog prostora (slika 3). Na N-krajevima molekula nalaze se nabijene „mamuze“ - naizmjenični vrhovi gustoće pozitivnih i negativnih naboja aminokiselina (slika 4), čija komplementarna interakcija osigurava snažnu elektrostatičku vezu zuba.

Takozvani centralni prostor kompleksa (jaz između osovina proteina, ispunjen zupcima "pričvršćivača", širine oko 100 nm), kao i čitav kompleks (njegov poprečni presjek je oko 150-200 nm) nisu vidljivo u konvencionalnom svjetlosnom mikroskopu, budući da je cijeli kompleks maskiran hromatinom. Po prvi put, sinaptonemski kompleks je uočen na ultratankim (0,8 µm debljine) presecima testisa rakova i miševa pomoću transmisionog elektronskog mikroskopa. Otkrila su ga 1956. nezavisno dva američka istraživača - M. Moses i D. W. Fossett.

Sada, pri proučavanju kompleksa, koristi se takozvana metoda mikroširenja. Ćelije testisa (ili biljnih prašnika) nakon hipotoničnog šoka stavljaju se na plastičnu podlogu nanesenu na staklo. Sadržaj ćelije praska je fiksiran slabom otopinom formaldehida i suprotstavljen solima teških metala (najbolje - AgNO 3). Staklo se posmatra pod faznim kontrastnim mikroskopom, a ćelije koje bi trebalo da sadrže kompleks se biraju na osnovu indirektnih dokaza. Krug filma sa željenom ćelijom pokupi se na metalnu mrežu i stavi u elektronski mikroskop (slika 5). Ako je potrebno, prije kontrastiranja, ćelije se tretiraju antitijelima na proteine ​​od interesa za istraživača. Ova antitijela su označena kalibriranim koloidnim zlatnim perlama, koje su jasno vidljive pod elektronskim mikroskopom.

Tokom profaze mejoze I, sinaptonemski kompleks drži paralelne homologne hromozome skoro sve dok se ne izgrade na ekvatoru ćelije (metafaza I). Kromosomi se povezuju pomoću sinaptonemskog kompleksa neko vrijeme (od 2 sata kod kvasca do 2-3 dana kod ljudi), tokom kojeg se homologni dijelovi DNK razmjenjuju između homolognih hromozoma - crossing over. Crossing over, koji se dešava sa učestalošću od najmanje jednog događaja (obično dva, rjeđe tri ili četiri) po paru homolognih hromozoma, uključuje desetine enzimskih proteina specifičnih za mejozu.

Molekularni mehanizam križanja i njegove genetske posljedice dvije su velike teme izvan okvira ove priče. Zainteresovani smo za ovaj proces jer su kao rezultat toga homologni hromozomi čvrsto povezani ukrštenim molekulama DNK (chiasmata) i nestaje potreba za parnim zadržavanjem hromozoma uz pomoć sinaptonemskog kompleksa (nakon što se krosing završi, kompleks nestaje). Homologni hromozomi, povezani hijazmama, nižu se na ekvatoru vretena ćelijske deobe i raspršuju se kroz niti vretena ćelijske deobe u različite ćelije. Nakon što se mejoza završi, broj hromozoma u ćelijama kćeri se prepolovi.

Dakle, samo uoči mejoze I struktura hromozoma se radikalno mijenja. Vrlo specifična intranuklearna i interhromozomska struktura - sinaptonemski kompleks - pojavljuje se jednom u životnom ciklusu organizma na kratko vrijeme radi parnog povezivanja homolognih hromozoma i krosinga, a zatim se demontira. Ova i mnoga druga dešavanja tokom mejoze na molekularnom i supćelijskom (ultrastrukturnom) nivou obezbeđuju se radom brojnih proteina koji obavljaju strukturne, katalitičke i kinetičke (motorne) funkcije.

Proteini sinaptonemskog kompleksa

Još dalekih 70-ih godina dobili smo indirektne dokaze da sinaptonemski kompleks nastaje samosastavljanjem njegovih elemenata, što se može dogoditi u odsustvu hromozoma. Eksperiment je izvela sama priroda, a mi smo ga mogli posmatrati. Ispostavilo se da se kod svinjskog okruglog crva, u citoplazmi stanica koje se pripremaju za mejozu I, pojavljuju paketi ili „gomile“ apsolutno pravilno raspoređenih morfoloških elemenata sinaptonemskog kompleksa (iako u citoplazmi nema hromozoma: oni su u jezgru ). Budući da u fazi pripreme stanica za mejozu još uvijek nema sinaptonemskog kompleksa u ćelijskim jezgrama, postojala je pretpostavka da je kontrola redoslijeda mejotičkih događaja u ovom primitivnom organizmu nesavršena. Višak novosintetiziranih proteina u citoplazmi dovodi do njihove polimerizacije i pojave strukture koja se ne razlikuje od sinaptonemskog kompleksa. Ova hipoteza je potvrđena tek 2005. godine zahvaljujući radu međunarodne grupe istraživača koji rade u Njemačkoj i Švedskoj. Oni su pokazali da ako se gen koji kodira protein patent zatvarača sisara (SCP1) unese u somatske stanice koje rastu na umjetnom hranljivom mediju i aktivira se, tada se unutar kultiviranih stanica pojavljuje moćna mreža proteina SCP1, "zakopčana" između sebe na isti način. kao u centralnom prostoru kompleksa. Formiranje sloja neprekidnih proteinskih zatvarača u ćelijskoj kulturi znači da je dokazana naša predviđena sposobnost kompleksnih proteina da se samosastavljaju.

Godine 1989. i 2001. Naši zaposleni u laboratoriji O. L. Kolomiets i Yu. S. Fedotova proučavali su prirodno „demontažu“ sinaptonemskih kompleksa u završnoj fazi njihovog postojanja. Ovaj višestepeni proces najbolje je uočen u matičnim ćelijama polena u prašnicima raži, gde postoji delimična sinhronizacija mejoze. Pokazalo se da se bočni elementi kompleksa demontiraju postepenim „odmotavanjem“ proteinske superheliksa, koji ima tri nivoa pakovanja (slika 6).

Osnova proširenih bočnih elemenata je kompleks od četiri kohezinska proteina (iz engleskog. kohezija— kvačilo). Uoči mejoze u hromozomima se pojavljuje specifični kohezinski protein Rec8, koji zamjenjuje somatski kohezin Rad21. Zatim mu se pridružuju još tri kohezinska proteina, koja su također prisutna u somatskim stanicama, ali umjesto somatskog kohezina SMC1 pojavljuje se protein specifičan za mejozu SMC1b (njegov N-terminus se 50% razlikuje od N-kraja somatskog SMC1 protein). Ovaj kohezinski kompleks nalazi se unutar hromozoma između dvije sestrinske hromatide, držeći ih zajedno. Proteini specifični za mejozu vezuju se za kohezinski kompleks, koji postaju glavni proteini kromosomskih osa i pretvaraju ih (te ose) u bočne elemente sinaptonemskog kompleksa. Kod sisara su glavni proteini sinaptonemskog kompleksa SCP2 i SCP3; kod kvasca su proteini Hop1 i Red1, a protein specifičan za mejozu je Rec8.

Evolucijski paradoks proteina

Kod sisara i kvasca, proteini sinaptonemskog kompleksa imaju različite sekvence aminokiselina, ali su njihove sekundarne i tercijarne strukture iste. Tako su protein patent zatvarača SCP1 kod sisara i nehomologni protein Zip1 u kvascu izgrađeni prema jednom planu. Sastoje se od tri aminokiselinske domene: centralnog - α-heliksa, sposobnog za formiranje spirale drugog reda (supercoiling), i dva terminalna domena - globule. Glavni proteini SCP2 i SCP3, koji nemaju homologiju sa Hop1 i Red1 proteinima kvasca i, po svemu sudeći, sa još uvek nedovoljno proučenim proteinima kompleksa u biljkama, takođe grade morfološki i funkcionalno identične strukture sinaptonemskog kompleksa. To znači da je primarna struktura (sekvenca aminokiselina) ovih proteina evolucijski neutralna karakteristika.

Dakle, nehomologni proteini u evolucijski udaljenim organizmima grade sinaptonemski kompleks prema jednom planu. Da objasnim ovu pojavu koristiću analogiju sa gradnjom kuća od različitih materijala, ali po jednom planu.Važno je da takve kuće imaju zidove, plafone, krov i da građevinski materijali ispunjavaju uslove čvrstoće. . Jednako tako, za formiranje sinaptonemskog kompleksa potrebni su bočni elementi („zidovi“), poprečni filamenti (zubi „zatvarač“) — „preklapanje“ i centralni prostor (prostorija za „kuhinju“). Tu bi trebali stati “kuhinjski roboti” – kompleksi rekombinacijskih enzima sastavljeni u takozvane “rekombinacijske jedinice”.

Širina centralnog prostora sinaptonemskog kompleksa kod kvasca, kukuruza i ljudi iznosi približno 100 nm. To je zbog dužine jednolančanih dijelova DNK obloženih rekombinacijskim proteinom Rad51. Ovaj protein pripada grupi enzima (slično proteinu bakterijske rekombinacije RecA) koji su zadržali homologiju od pojave rekombinacije DNK (prije otprilike 3,5 milijardi godina). Neminovnost homologije rekombinacijskih proteina u udaljenim organizmima određena je njihovom funkcijom: oni stupaju u interakciju s dvostrukom spiralom DNK (isto kod bakterija i sisara), dijeleći je na jednolančane niti, pokrivaju ih proteinskim omotačem, prenose jedan lanac do homolognog hromozoma i tamo ponovo uspostaviti dvostruku spiralu. Naravno, većina enzima uključenih u ove procese održava homologiju više od 3 milijarde godina. Nasuprot tome, sinaptonemski kompleksi, koji su se pojavili kod eukariota nakon početka mejoze (prije oko 850 miliona godina), izgrađeni su od nehomolognih proteina... ali shema njihove strukture domena je ista. Odakle je došao ovaj dijagram?

Trag je spomenuti protein Rec8, koji započinje formiranje kromosomskih osa u mejotičkom ciklusu i koji je prisutan u svim proučavanim organizmima. Može se pretpostaviti da građevinski materijal za osi mejotičkih hromozoma i bočne elemente sinaptonemskog kompleksa mogu biti bilo koji intermedijarni protein koji je u stanju da formira vlaknastu strukturu (SCP2, Hop1, itd.), u interakciji sa kohezinom Rec8 i " taloženje” na njemu, kao beton na metalnoj armaturi

Posljednjih godina, doživljavajući poteškoće u izvođenju eksperimentalnog rada zbog nedovoljnog financiranja, počeli smo aktivno koristiti bioinformatičke metode. Zanimao nas je protein patent zatvarača u Drosophili. S obzirom na sličnost sekundarnih i tercijarnih struktura Zip1 proteina kvasca i humanog SCP1, pretpostavili smo da protein zipper Drosophila ima istu strukturu. Počeli smo sa radom 2001. godine, kada je genom drozofile već bio sekvenciran i postalo poznato da sadrži oko 13 hiljada potencijalnih gena. Kako možemo pronaći gen za protein koji tražimo?

Među 125 gena mejoze poznatih u to vrijeme u Drosophili, predvidjeli smo samo jednog kandidata za ovu ulogu. Činjenica je da je mutacija gena c(3)G lišeni hromozoma sposobnosti da se spajaju u parove pomoću „rajsferšlusa“ i ulaze u rekombinaciju. Pretpostavili smo da mutanti imaju defektan protein koji formira submikroskopske zube zatvarača. Sekundarna struktura i konformacija željenog proteina treba da bude slična Zip1 i SCP1 proteinima.

Znajući da je gen c(3)G se nalazi u Drosophili na hromozomu 3, pretražili smo bazu podataka za ovu regiju (koja se sastoji od 700 hiljada parova baza) za otvoreni okvir za čitanje koji bi mogao kodirati sličan protein. Shvatili smo da u odsustvu homologije u primarnoj strukturi željenog proteina i proteina kvasca, njihova veličina, organizacija (tri domena) i sposobnost centralnog domena da formira α-helix određene dužine (oko 40 nm) bi trebao biti sličan. O tome svjedoči sličnost elektronsko mikroskopske slike sinaptonemskog kompleksa u mejozi kod kvasca i kod drozofile.

Pogledali smo otvorene okvire za čitanje za skoro 80 gena u području pretraživanja. Koristeći kompjuterske programe koji omogućavaju predviđanje sekundarne strukture virtuelnog proteina, njegovih fizičko-hemijskih svojstava i raspodjele elektrostatičkih naboja u molekulima, T. M. Grishaeva je pronašla takav okvir čitanja na granici zone lokalizacije gena. c(3)G.(Japanski genetičari ovo nisu baš precizno predvideli na mikroskopskoj mapi hromozoma.) Ispostavilo se da je to gen CG1J604 prema genomskoj mapi kompanije Selera.

Zaključili smo da ovaj virtuelni gen mora biti odavno poznat gen c(3)G i kodira protein sličan Zip1 proteinu kvasca. Kao odgovor na našu poruku, primili smo e-mail iz SAD od S. Hawleya. Eksperimentalno je dokazao da gen c(3)G kodira protein koji formira "zatvarač" između hromozoma u mejozi u Drosophila. Rezultati našeg rada su se poklopili, ali eksperimentalni rad Hawleyeve grupe trajao je oko sedam godina, a naš rad na kompjuteru od tri osobe samo oko tri mjeseca. Članci su objavljeni istovremeno. 2003. godine objavili smo metodu našeg kompjuterskog pretraživanja i dali primjere sličnih virtuelnih proteina u drugim organizmima. Ovaj rad sada rado citiraju strane kolege, a naša metoda uspješno funkcionira u njihovim rukama u kombinaciji s eksperimentalnim testiranjem. Tako je 2005. godine grupa engleskih biologa otkrila gen i protein rajsferšlusa u biljci Arabidopsis thaliana .

U zaključku ću dati primjer još jednog otkrića u području molekularne biologije mejoze, ali moramo početi s mitozom. Da bi se hromatide razdvojile tokom anafaze mitoze, kohezin koji ih "lepi zajedno" mora biti uništen. Hidroliza kohezina tokom mitoze je genetski programiran događaj. Ali u metafazi mejoze I, kada su homologni hromozomi poređani na ekvatoru ćelije i proteinsko vreteno je spremno da ih povuče do polova, ispostavlja se da je hidroliza kohezina nemoguća. Zbog toga su obje hromatide svakog hromozoma, zalijepljene zajedno u području kinetičkog centra hromozoma (kinetohora), usmjerene na jedan pol (vidi sliku 1). Kasnih 90-ih, japanski istraživači, proučavajući mejozu u kvascu, otkrili su da su u kinetohorskoj regiji kohezini zaštićeni proteinom koji su nazvali šugošin (korijen ovog pojma je preuzet iz samurajskog rječnika i znači zaštita). Vrlo brzo je globalna zajednica istraživača mejoze došla do zaključka da slični šugošin proteini postoje u drozofili, kukuruzu i drugim objektima. Štaviše, geni koji "zabranjuju" razdvajanje hromatida u mejozi I kod Drosophile bili su poznati 10 godina ranije, ali njihov proteinski proizvod nije dešifrovan. A 2005. godine grupa američkih istraživača sa Kalifornijskog univerziteta u Berkliju, uključujući našeg sunarodnjaka i mog dugogodišnjeg kolegu u istraživanju mejoze I. N. Golubovskaya, izvijestila je da se tokom metafaze I mejoze u hromozomima kukuruza, šugošin ZmSGO1 nalazi na obje strane kinetohora. , a pojavljuje se u ovoj regiji samo ako tamo već postoji kohezin Rec8, koji štiti od hidrolize (ali samo u mejozi I). Ovi rezultati su dobiveni korištenjem fluorescentnih antitijela na proteine ​​i konfokalnog mikroskopa. Ostaje da se doda da su japanski istraživači odmah izvijestili da šugošin štiti Rec8 od hidrolize ako je šugošin defosforiliran. Fosforilacija i defosforilacija, kao i acetilacija i deacetilacija, važne su modifikacije koje mijenjaju svojstva proteinskih molekula.

Aspekt primjene

Sve što je rečeno je prelijepa fundamentalna nauka, ali da li je to znanje moguće iskoristiti u praktične svrhe? Može. Još sredinom 80-ih, britanski istraživači i naša laboratorija, koristeći različite eksperimentalne modele, dokazali su da je korištenjem mikrorasprostiranja sinaptonemskih kompleksa moguće identificirati dvostruko više kromosomskih preuređivanja (delecija, translokacija, inverzija) u odnosu na tradicionalnu metodu hromozoma. analiza u fazi metafaze (slika 7). Činjenica je da je sinaptonemski kompleks skeletna struktura mejotskih hromozoma u profazi. U ovom trenutku hromozomi su otprilike 10 puta duži, što značajno povećava rezoluciju analize. Međutim, gotovo je nemoguće proučavati zamršene profazne hromozome, a krute skeletne strukture sinaptonemskog kompleksa se ne boje širenja, a osim toga, elektronski mikroskop može razlikovati mini-aberacije koje su nedostupne svjetlosnom mikroskopu.

Pitali smo se: da li je moguće utvrditi uzrok steriliteta kod potomaka ozračenih miševa proučavanjem ne hromozoma, već sinaptonemskog kompleksa? Pokazalo se da se kod sterilnih miševa koji su naslijedili kromosomske translokacije od svojih roditelja, ova preraspodjela detektiraju pomoću kompleksa u 100% proučavanih stanica, a konvencionalnim metodama analize "metafaze" - samo u 50% stanica. Grupa španskih istraživača ispitala je više od hiljadu muškaraca koji pate od neplodnosti. Kod trećine njih uzrok neplodnosti ranije nije mogao biti utvrđen, a proučavanje sinaptonemskog kompleksa iz stanica testisa ovih pacijenata omogućilo je polovini njih da postavi dijagnozu: uzrok neplodnosti je odsustvo sinaptonemskog kompleksa. , zbog čega se spermatociti (prekursorske ćelije spermatozoida) ne razvijaju, odnosno uočeno je „zaustavljanje“ procesa mejoze i sve spermatogeneze. Slične rezultate dobio je O. L. Kolomiets zajedno sa ljekarima iz Harkova. Proučavanje sinaptonemskog kompleksa u kombinaciji s drugim metodama analize povećava postotak identifikacije uzroka neplodnosti kod pregledanih muških pacijenata sa 17 na 30%. Neke engleske klinike već 90-ih godina XX veka. aktivno koristili slične metode. Takva dijagnostika, naravno, zahtijeva visoke teorijske i praktične kvalifikacije ljekara i upotrebu elektronskih mikroskopa. Ruske laboratorije još nisu dostigle ovaj nivo, sa izuzetkom Instituta za opštu genetiku nazvanog po. N.I. Vavilova RAS (Moskva) i Institut za citologiju i genetiku SB RAS (Novosibirsk).

Moglo bi se pomisliti da će intenzivno istraživanje mehanizama mejoze neminovno dovesti do primjene stečenog znanja u onim područjima biologije i medicine koja su povezana s plodnošću živih organizama, uključujući i čovjeka. Međutim, zakon primjene naučnih dostignuća u praksi je nepromijenjen: “primjenjivanje” nečega na silu je beskorisno. I sami praktičari moraju pratiti dostignuća nauke i koristiti ih. Ovo je pristup koji su usvojile vodeće farmaceutske i biotehnološke firme.

Od otkrića mejoze (1885) do otkrića sinaptonemskog kompleksa (1956) prošlo je otprilike 70 godina, a od 1956 do otkrića proteina sinaptonemskog kompleksa (1986) - još 30. U narednih 20 godina mi smo naučio strukturu ovih proteina, njihove gene koji kodiraju i interakcije proteina u izgradnji i radu sinaptonemskih kompleksa, posebno njihovu interakciju sa proteinima enzima rekombinacije DNK, itd., tj. više nego u prethodnom 30-godišnjem periodu deskriptivnog citološke studije. Možda će biti potrebno najviše dvije decenije da se dešifruju osnovni molekularni mehanizmi mejoze. Istoriju nauke, kao i istoriju cele civilizacije, karakteriše „komprimovanje vremena“, sve veće sažimanje događaja i otkrića.

književnost:

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. // Genom. 1989. V. 32. P. 816-823; Kolomiets O.L. i sl.// Biološke membrane. 2001. T. 18. str. 230-239.
6. Bogdanov Yu.F. et al. // Int. Pregled. Cytol. 2007. V. 257. P. 83-142.
7. Bogdanov Yu.F.// Ontogenija. 2004. T. 35. br. 6. str. 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. // hromozom. 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. Bogdanov Yu.F., Kolomiets O.L. Sinaptonemski kompleks. Indikator dinamike mejoze i varijabilnosti hromozoma. M., 2007.

Meioms (od starogrčkog meYashchuit - redukcija) ili redukcijska dioba ćelije - podjela jezgra eukariotske stanice s prepolovljenjem broja kromosoma. Javlja se u dva stupnja (redukcioni i ekvacionalni stadijum mejoze). Mejozu ne treba brkati sa gametogenezom – stvaranjem specijalizovanih zametnih ćelija, ili gameta, od nediferenciranih matičnih ćelija.

Sa smanjenjem broja hromozoma kao rezultat mejoze, u životnom ciklusu dolazi do prijelaza iz diploidne faze u haploidnu fazu. Obnavljanje ploidnosti (prelazak iz haploidne faze u diploidnu fazu) nastaje kao rezultat seksualnog procesa.

Zbog činjenice da u profazi prvog, redukcionog stadijuma dolazi do parne fuzije (konjugacije) homolognih hromozoma, ispravan tok mejoze je moguć samo u diploidnim ćelijama ili u čak i poliploidima (tetra-, heksaploidnim itd. ćelijama) . Mejoza se može javiti i u neparnim poliploidima (tri-, pentaploidne i dr. ćelije), ali kod njih, zbog nemogućnosti obezbeđivanja parne fuzije hromozoma u profazi I, dolazi do divergencije hromozoma uz poremećaje koji ugrožavaju vitalnost ćelije ili razvoj iz nje višećelijski haploidni organizam.

Isti mehanizam leži u osnovi sterilnosti međuvrstnih hibrida. Pošto interspecifični hibridi kombinuju hromozome roditelja koji pripadaju različitim vrstama u ćelijskom jezgru, hromozomi obično ne mogu ući u konjugaciju. To dovodi do poremećaja u divergenciji hromozoma tokom mejoze i, na kraju, do neviabilnosti zametnih ćelija, odnosno gameta (glavni način borbe protiv ovog problema je upotreba poliploidnih hromozomskih skupova, jer je u ovom slučaju svaki hromozom konjugiran sa odgovarajućim hromozomom svog skupa). Određena ograničenja na konjugaciju hromozoma također su nametnuta kromosomskim preuređivanjem (velike delecije, duplikacije, inverzije ili translokacije).

Tokom mejoze, ne samo da se broj hromozoma smanjuje na haploidni broj, već se dešava izuzetno važan genetski proces – razmjena sekcija između homolognih hromozoma, proces koji se naziva crossing over.

Postoji nekoliko vrsta mejoze. Kod zigota (karakteristično za askomicete, bazimicete, neke alge, sporozoe, itd.), za koje u životnom ciklusu prevladava haploidna faza, spajaju se dvije ćelije - gamete, formirajući zigotu sa dvostrukim (diploidnim) skupom hromozoma. U ovom obliku, diploidna zigota (spora u mirovanju) započinje mejozu, dijeli se dva puta i formiraju se četiri haploidne stanice koje nastavljaju da se razmnožavaju.

Mejoza tipa spore javlja se u višim biljkama, čije ćelije imaju diploidni skup hromozoma. U ovom slučaju, u reproduktivnim organima biljaka, haploidne stanice nastale nakon mejoze dijele se još nekoliko puta. Druga vrsta mejoze, gametska, javlja se tokom sazrevanja gameta - prekursora zrelih zametnih ćelija. Nalazi se kod višećelijskih životinja, među nekim nižim biljkama.

U slučaju gametske mejoze, tokom razvoja organizma, tipično je da se odvoje klonovi zametnih ćelija, koji će se naknadno diferencirati u zametne ćelije. I samo će ćelije ovih klonova proći kroz mejozu nakon sazrijevanja i pretvoriti se u zametne stanice. Shodno tome, sve stanice višećelijskih životinjskih organizama u razvoju mogu se podijeliti u dvije grupe: somatske - od kojih će se formirati ćelije svih tkiva i organa, i germinativne, iz kojih će nastati zametne stanice.

Ovo oslobađanje zametnih ćelija (gonocita) obično se dešava rano u embrionalnom razvoju. Dakle, određivanje gonocita u rakova Kiklopa događa se već pri prvoj diobi zigota: jedna od dvije stanice daje zametne stanice. Kod okruglih crva se zametne ćelije ili ćelije „germinativnog trakta“ (A. Weisman) oslobađaju u stadijumu 16 blastomera, kod Drosophile - u fazi blastociste, kod ljudi - primarne zametne ćelije (gonoblasti) se pojavljuju u 3. nedelji embrionalni razvoj u zidu žumančane vrećice u kaudalnom dijelu embriona.

Faze mejoze

Mejoza se sastoji od 2 uzastopne diobe sa kratkom međufazom između njih.

• · Profaza I - profaza prve podjele je vrlo složena i sastoji se od 5 faza:
• · Leptoten ili leptonema - pakovanje hromozoma, kondenzacija DNK sa formiranjem hromozoma u obliku tankih niti (hromozomi se skraćuju).
• · Zigotena ili zigonema - dolazi do konjugacije - spajanja homolognih hromozoma sa formiranjem struktura koje se sastoje od dva povezana hromozoma, nazvana tetrade ili bivalenti i njihovo dalje zbijanje.
• · Pahitena ili pahinema -- (najduža faza) -- na nekim mestima su homologni hromozomi čvrsto povezani, formirajući hijazme. U njima se događa križanje - razmjena sekcija između homolognih hromozoma.
• · Diplotena ili diplonema - dolazi do delimične dekondenzacije hromozoma, dok deo genoma može da radi, dešavaju se procesi transkripcije (formiranje RNK), translacije (sinteza proteina); homologni hromozomi ostaju međusobno povezani. Kod nekih životinja, hromozomi u oocitima u ovoj fazi mejotske profaze dobijaju karakterističan oblik hromozoma lampe.
• · Diakineza - DNK se ponovo maksimalno kondenzuje, sintetički procesi se zaustavljaju, nuklearna membrana se rastvara; Centriole se razilaze prema polovima; homologni hromozomi ostaju međusobno povezani.

Do kraja profaze I centriole migriraju na polove ćelije, formiraju se vretenasti filamenti, uništavaju se nuklearna membrana i jezgre.

• · Metafaza I - bivalentni hromozomi se poredaju duž ekvatora ćelije.
• · Anafaza I - mikrotubule se skupljaju, bivalenti se dijele i hromozomi se kreću prema polovima. Važno je napomenuti da, zbog konjugacije hromozoma u zigotenu, cijeli hromozomi, koji se sastoje od po dvije hromatide, divergiraju do polova, a ne pojedinačne hromatide, kao u mitozi.
• · Telofaza I - hromozomi se despiriraju i pojavljuje se nuklearna ovojnica.

Druga dioba mejoze slijedi odmah nakon prve, bez izražene interfaze: nema S perioda, jer se replikacija DNK ne događa prije druge diobe.

• · Profaza II – dolazi do kondenzacije hromozoma, ćelijski centar se deli i proizvodi njegove deobe divergiraju do polova jezgra, nuklearna membrana je uništena i formira se fisiono vreteno, okomito na prvo vreteno.
• · Metafaza II – univalentni hromozomi (sastoje se od po dve hromatide) nalaze se na „ekvatoru“ (na jednakoj udaljenosti od „polova“ jezgra) u istoj ravni, formirajući takozvanu metafaznu ploču.
• · Anafaza II - univalenti se dijele i hromatide se kreću na polove.
• · Telofaza II - hromozomi se despiriraju i pojavljuje se nuklearna ovojnica.

Kao rezultat, četiri haploidne ćelije se formiraju od jedne diploidne ćelije. U slučajevima kada je mejoza povezana s gametogenezom (na primjer, kod višećelijskih životinja), tokom razvoja jaja, prva i druga podjela mejoze su oštro neujednačene. Kao rezultat, formira se jedno haploidno jaje i tri takozvana redukcijska tijela (abortivni derivati ​​prve i druge podjele).