Prva podjela mejoze je kratka. Mejoza. Faze mejoze. Profaza II je veoma kratka. Karakterizira ga spiralizacija hromozoma, nestanak nuklearne membrane i nukleola, te formiranje fisijskog vretena.

Suština mejoze- obrazovanje ćelije sa haploidnim skupom 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.

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 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 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 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.

Za žive organizme poznato je da dišu, hrane se, razmnožavaju i umiru; to je njihova biološka funkcija. Ali zašto se sve ovo dešava? Zbog cigli - ćelija koje također dišu, hrane se, umiru i razmnožavaju se. Ali kako se to događa?

O strukturi ćelija

Kuća je građena od cigle, blokova ili brvana. Isto tako, organizam se može podijeliti na elementarne jedinice - ćelije. Čitava raznolikost živih bića se sastoji od njih; razlika je samo u njihovoj količini i vrsti. Sastoje se od mišića, koštanog tkiva, kože, svih unutrašnjih organa - toliko se razlikuju po svojoj namjeni. Ali bez obzira na to koje funkcije određena ćelija obavlja, sve su strukturirane približno isto. Prije svega, svaka "cigla" ima ljusku i citoplazmu u kojoj se nalaze organele. Neke ćelije nemaju jezgro, zovu se prokariotske, ali svi manje ili više razvijeni organizmi sastoje se od eukariota, koji imaju jezgro u kojem se pohranjuju genetske informacije.

Organele koje se nalaze u citoplazmi su raznolike i zanimljive, obavljaju važne funkcije. Ćelije životinjskog porijekla uključuju endoplazmatski retikulum, ribozome, mitohondrije, Golgijev kompleks, centriole, lizozome i motorne elemente. Uz njihovu pomoć odvijaju se svi procesi koji osiguravaju funkcioniranje tijela.

Aktivnost ćelije

Kao što je već spomenuto, sva živa bića jedu, dišu, razmnožavaju se i umiru. Ova tvrdnja vrijedi kako za cijele organizme, odnosno ljude, životinje, biljke itd., tako i za ćelije. Neverovatno, ali svaka "cigla" ima svoj život. Zbog svojih organela prima i prerađuje hranljive materije, kiseonik i uklanja sve nepotrebno van. Sama citoplazma i endoplazmatski retikulum obavljaju transportnu funkciju, mitohondrije su također odgovorne za disanje, kao i davanje energije. Golgijev kompleks je odgovoran za akumulaciju i uklanjanje otpadnih produkata stanica. U složenim procesima učestvuju i druge organele. I u određenoj fazi počinje se dijeliti, odnosno dolazi do procesa reprodukcije. Vrijedi detaljnije razmotriti.

Proces ćelijske diobe

Reprodukcija je jedna od faza razvoja živog organizma. Isto važi i za ćelije. U određenoj fazi svog životnog ciklusa ulaze u stanje u kojem su spremni za reprodukciju. oni se jednostavno dijele na dva dijela, produžujući, a zatim formirajući pregradu. Ovaj proces je jednostavan i gotovo potpuno proučavan na primjeru štapićastih bakterija.

Stvari su malo komplikovanije. Razmnožavaju se na tri različita načina, nazvana amitoza, mitoza i mejoza. Svaki od ovih puteva ima svoje karakteristike, svojstven je određenoj vrsti ćelije. Amitoza

smatra se najjednostavnijim, naziva se i direktna binarna fisija. Kada se to dogodi, molekul DNK se udvostručuje. Međutim, fisijsko vreteno se ne formira, pa je ova metoda energetski najefikasnija. Amitoza se javlja kod jednoćelijskih organizama, dok se tkiva višećelijskih organizama razmnožavaju drugim mehanizmima. Međutim, ponekad se zapaža gdje je mitotička aktivnost smanjena, na primjer, u zrelim tkivima.

Direktna fisija se ponekad razlikuje kao vrsta mitoze, ali neki naučnici to smatraju zasebnim mehanizmom. Ovaj proces se javlja prilično rijetko čak iu starim ćelijama. Zatim će se razmotriti mejoza i njene faze, proces mitoze, kao i sličnosti i razlike ovih metoda. U poređenju s jednostavnom podjelom, one su složenije i savršenije. Ovo posebno vrijedi za redukcijsku diobu, pa će karakteristike faza mejoze biti najdetaljnije.

Važnu ulogu u diobi stanica igraju centriole - posebne organele, obično smještene uz Golgijev kompleks. Svaka takva struktura sastoji se od 27 mikrotubula, grupisanih u grupe od po tri. Cijela konstrukcija je cilindričnog oblika. Centriole su direktno uključene u formiranje vretena ćelijske diobe tokom procesa indirektne diobe, o čemu će biti riječi kasnije.

Mitoza

Životni vijek ćelija varira. Neki žive nekoliko dana, a neki se mogu svrstati u dugovječne, jer se njihova potpuna promjena događa vrlo rijetko. I skoro sve ove ćelije se razmnožavaju mitozom. Za većinu njih u prosjeku prođe 10-24 sata između perioda podjele. Sama mitoza traje kratak vremenski period - kod životinja otprilike 0,5-1

sat, a za biljke oko 2-3. Ovaj mehanizam osigurava rast stanične populacije i reprodukciju jedinica identičnih po svom genetskom sadržaju. Tako se održava kontinuitet generacija na osnovnom nivou. U ovom slučaju, broj hromozoma ostaje nepromijenjen. Ovaj mehanizam je najčešći tip reprodukcije eukariotskih ćelija.

Značaj ove vrste podjele je veliki – ovaj proces pomaže tkivima da rastu i regeneriraju se, zbog čega dolazi do razvoja cijelog organizma. Osim toga, mitoza je ta koja je u osnovi aseksualne reprodukcije. I još jedna funkcija je kretanje ćelija i zamjena već zastarjelih. Stoga je netačno pretpostaviti da je, budući da su faze mejoze složenije, njena uloga mnogo veća. Oba ova procesa obavljaju različite funkcije i na svoj su način važni i nezamjenjivi.

Mitoza se sastoji od nekoliko faza koje se razlikuju po svojim morfološkim karakteristikama. Stanje u kojem je stanica spremna za indirektnu diobu naziva se interfaza, a sam proces je podijeljen u još 5 faza koje treba detaljnije razmotriti.

Faze mitoze

Dok je u interfazi, ćelija se priprema za podelu: DNK i proteini se sintetišu. Ova faza se dijeli na još nekoliko, tokom kojih dolazi do rasta cjelokupne strukture i udvostručavanja hromozoma. Ćelija ostaje u ovom stanju do 90% svog čitavog životnog ciklusa.

Preostalih 10% zauzima sama podjela koja je podijeljena u 5 faza. Tokom mitoze biljnih ćelija oslobađa se i preprofaza, koja u svim ostalim slučajevima izostaje. Formiraju se nove strukture, jezgro se pomiče u centar. Formira se predprofazna traka koja označava očekivano mjesto buduće podjele.

U svim ostalim stanicama proces mitoze se odvija na sljedeći način:

Tabela 1

Nakon što je podjela genetske informacije završena, dolazi do citokineze ili citotomije. Ovaj izraz se odnosi na formiranje tijela kćeri iz majčinog tijela. U ovom slučaju, organele su u pravilu podijeljene na pola, iako su mogući izuzeci; formira se septum. Citokineza se ne izdvaja u posebnu fazu, već se po pravilu posmatra u okviru telofaze.

Dakle, najzanimljiviji procesi uključuju hromozome, koji nose genetske informacije. Šta su oni i zašto su toliko važni?

O hromozomima

Čak i bez imalo pojma o genetici, ljudi su znali da mnoge kvalitete potomstva zavise od roditelja. Razvojem biologije postalo je očito da se informacije o određenom organizmu pohranjuju u svakoj ćeliji, a dio se prenosi na buduće generacije.

Krajem 19. stoljeća otkriveni su hromozomi - strukture koje se sastoje od dugačkog

DNK molekule. To je postalo moguće sa poboljšanjem mikroskopa, a čak i sada se oni mogu vidjeti samo u periodu podjele. Najčešće se otkriće pripisuje njemačkom naučniku W. Flemingu, koji ne samo da je pojednostavio sve što je proučavano prije njega, već je dao i svoj doprinos: bio je jedan od prvih koji je proučavao ćelijsku strukturu, mejozu i njene faze, i takođe uveo pojam "mitoza". Sam koncept "hromozoma" predložio je nešto kasnije drugi naučnik - njemački histolog G. Waldeyer.

Struktura hromozoma kada su jasno vidljivi prilično je jednostavna - to su dvije hromatide povezane u sredini centromerom. To je specifična sekvenca nukleotida i igra važnu ulogu u procesu reprodukcije ćelije. Na kraju krajeva, kromosom po izgledu u profazi i metafazi, kada se najbolje vidi, podsjeća na slovo X.

1900. godine otkriveni su principi koji opisuju prenošenje nasljednih karakteristika. Tada je konačno postalo jasno da su hromozomi upravo ono kroz šta se prenosi genetska informacija. Nakon toga, naučnici su izveli niz eksperimenata koji su to dokazali. A onda je predmet proučavanja bio uticaj koji deoba ćelija ima na njih.

Mejoza

Za razliku od mitoze, ovaj mehanizam u konačnici dovodi do stvaranja dvije ćelije sa setom hromozoma koji je 2 puta manji od originalnog. Dakle, proces mejoze služi kao prijelaz iz diploidne faze u haploidnu fazu, a prvenstveno

Govorimo o diobi jezgra, i drugo, o diobi cijele ćelije. Obnavljanje punog seta hromozoma nastaje kao rezultat dalje fuzije gameta. Zbog smanjenja broja hromozoma, ova metoda se definira i kao redukcijska dioba stanica.

Mejozu i njene faze proučavali su poznati naučnici kao što su V. Fleming, E. Strasburger, V. I. Belyaev i drugi. Proučavanje ovog procesa u stanicama i biljaka i životinja još uvijek traje - toliko je složen. U početku se ovaj proces smatrao varijantom mitoze, ali je gotovo odmah nakon otkrića identificiran kao poseban mehanizam. Karakteristike mejoze i njen teorijski značaj prvi je dovoljno opisao August Weissmann davne 1887. Od tada je proučavanje procesa redukcijske podjele uvelike uznapredovalo, ali izvučeni zaključci još uvijek nisu opovrgnuti.

Mejozu ne treba brkati sa gametogenezom, iako su oba procesa usko povezana. Oba mehanizma su uključena u formiranje zametnih ćelija, ali postoji niz ozbiljnih razlika između njih. Mejoza se javlja u dvije faze diobe, od kojih se svaka sastoji od 4 glavne faze, sa kratkim prekidom između njih. Trajanje cijelog procesa ovisi o količini DNK u jezgru i strukturi hromozomske organizacije. Generalno, mnogo je duže u poređenju sa mitozom.

Inače, jedan od glavnih razloga za značajnu raznolikost vrsta je mejoza. Kao rezultat redukcijske diobe, skup hromozoma se dijeli na dva, tako da se pojavljuju nove kombinacije gena, prvenstveno potencijalno povećavajući prilagodljivost i prilagodljivost organizama, koji u konačnici dobijaju određene skupove karakteristika i kvaliteta.

Faze mejoze

Kao što je već spomenuto, redukcijska podjela ćelija konvencionalno se dijeli u dvije faze. Svaka od ovih faza je podijeljena na još 4. A prva faza mejoze - profaza I, zauzvrat, podijeljena je na još 5 odvojenih faza. Kako se proučavanje ovog procesa nastavlja, u budućnosti se mogu identifikovati i drugi. Sada se razlikuju sljedeće faze mejoze:

tabela 2

Dakle, očigledno je da su faze diobe mejoze mnogo složenije od procesa mitoze. Ali, kao što je već spomenuto, to ne umanjuje biološku ulogu indirektne podjele, budući da one obavljaju različite funkcije.

Inače, mejoza i njene faze se također primjećuju kod nekih protozoa. Međutim, u pravilu uključuje samo jednu podjelu. Pretpostavlja se da se ova jednostepena forma kasnije razvila u modernu dvostepenu formu.

Razlike i sličnosti između mitoze i mejoze

Na prvi pogled se čini da su razlike između ova dva procesa očigledne, jer se radi o potpuno različitim mehanizmima. Međutim, dubljom analizom pokazuje se da razlike između mitoze i mejoze nisu toliko globalne, već na kraju dovode do stvaranja novih ćelija.

Prije svega, vrijedno je razgovarati o tome šta je zajedničko ovim mehanizmima. U stvari, postoje samo dvije slučajnosti: u istom slijedu faza, a takođe i u činjenici da

Replikacija DNK događa se prije oba tipa podjele. Iako, što se tiče mejoze, ovaj proces nije u potpunosti završen prije početka profaze I, završavajući u jednoj od prvih podfaza. I iako je slijed faza sličan, u suštini se događaji koji se u njima dešavaju ne poklapaju u potpunosti. Dakle, sličnosti između mitoze i mejoze nisu toliko.

Mnogo je više razlika. Prije svega, mitoza se javlja u dok je mejoza usko povezana s formiranjem zametnih stanica i sporogenezom. U samim fazama procesi se ne poklapaju u potpunosti. Na primjer, ukrštanje u mitozi se dešava tokom interfaze, a ne uvijek. U drugom slučaju, ovaj proces uključuje anafazu mejoze. Rekombinacija gena u indirektnoj diobi obično se ne događa, što znači da ne igra nikakvu ulogu u evolucijskom razvoju organizma i održavanju intraspecifične raznolikosti. Broj ćelija nastalih mitozom je dvije, a genetski su identične majčinim i imaju diploidni skup hromozoma. Prilikom podjele redukcije sve je drugačije. Rezultat mejoze je 4 različit od majčinog. Osim toga, oba mehanizma se značajno razlikuju u trajanju, a to nije samo zbog razlike u broju faza podjele, već i zbog trajanja svake faze. Na primjer, prva profaza mejoze traje mnogo duže, jer u to vrijeme dolazi do konjugacije hromozoma i križanja. Zbog toga se dalje dijeli na nekoliko faza.

Općenito, sličnosti između mitoze i mejoze su prilično male u poređenju s njihovim razlikama jedna od druge. Gotovo je nemoguće zbuniti ove procese. Stoga je sada pomalo iznenađujuće da se redukcijska podjela ranije smatrala vrstom mitoze.

Posljedice mejoze

Kao što je već spomenuto, nakon završetka procesa redukcijske diobe umjesto matične ćelije sa diploidnim setom hromozoma formiraju se četiri haploidna. A ako govorimo o razlikama između mitoze i mejoze, ovo je najznačajnije. Obnavljanje potrebne količine, kada su zametne ćelije u pitanju, dolazi nakon oplodnje. Dakle, sa svakom novom generacijom broj hromozoma se ne udvostručuje.

Osim toga, tokom mejoze nastaje tokom procesa reprodukcije, to dovodi do održavanja intraspecifične raznolikosti. Dakle, činjenica da se čak i braća i sestre ponekad jako razlikuju jedni od drugih je upravo rezultat mejoze.

Inače, sterilnost nekih hibrida u životinjskom svijetu također je problem redukcijske diobe. Činjenica je da kromosomi roditelja koji pripadaju različitim vrstama ne mogu ući u konjugaciju, što znači da je proces formiranja punopravnih održivih zametnih stanica nemoguć. Dakle, mejoza je u osnovi evolucijskog razvoja životinja, biljaka i drugih organizama.

Mejoza se javlja u ćelijama organizama koji se seksualno razmnožavaju.

Biološko značenje fenomena određeno je novim skupom karakteristika kod potomaka.

U ovom radu razmotrićemo suštinu ovog procesa i, radi jasnoće, predstavićemo ga na slici, sagledaćemo redosled i trajanje deobe zametnih ćelija, a takođe ćemo saznati sličnosti i razlike između mitoza i mejoza.

Šta je mejoza

Proces praćen formiranjem četiri ćelije sa jednim hromozomskim setom iz jednog originalnog.

Genetske informacije svake novoformirane ćelije odgovaraju polovini skupa somatskih ćelija.

Faze mejoze

Mejotička podjela uključuje dvije faze, koje se sastoje od po četiri faze.

Prva divizija

Uključuje profazu I, metafazu I, anafazu I i telofazu I.

Profaza I

U ovoj fazi formiraju se dvije ćelije sa polovinom skupa genetskih informacija. Profaza prve podjele uključuje nekoliko faza. Prethodi joj predmejotička interfaza, tokom koje dolazi do replikacije DNK.

Zatim dolazi do kondenzacije, formiranja dugih tankih filamenata sa osom proteina tokom leptotena. Ova nit je pričvršćena za nuklearnu membranu uz pomoć terminalnih nastavaka - pričvrsnih diskova. Polovice dupliciranih hromozoma (hromatide) se još ne mogu razlikovati. Kada se pregledaju, izgledaju kao monolitne strukture.

Slijedi faza zigotena. Homolozi se spajaju i formiraju bivalente, čiji broj odgovara jednom broju hromozoma. Proces konjugacije (povezivanja) odvija se između parova koji su slični u genetskom i morfološkom aspektu. Štaviše, interakcija počinje od krajeva, šireći se duž tijela kromosoma. Kompleks homologa povezanih proteinskom komponentom - bivalentnom ili tetradom.

Spiralizacija se dešava tokom faze debelog filamenta, pahitena. Ovdje je umnožavanje DNK već u potpunosti završeno i počinje crossover. Ovo je razmjena homolognih regija. Kao rezultat, formiraju se povezani geni sa novim genetskim informacijama. Transkripcija se odvija paralelno. Aktiviraju se gusti dijelovi DNK - hromomeri, što dovodi do promjene strukture hromozoma poput "četkica lampe".

Homologni hromozomi se kondenzuju, skraćuju i divergiraju (osim spojnih tačaka - chiasmata). Ovo je faza u biologiji diplotena ili diktiotena. Kromosomi u ovoj fazi su bogati RNK, koja se sintetizira u istim područjima. Po svojstvima, ovo drugo je blisko informativnom.

Konačno, bivalenti se raspršuju na periferiju jezgra. Potonji se skraćuju, gube svoje jezgre i postaju kompaktni, nisu povezani s nuklearnim omotačem. Ovaj proces se naziva dijakineza (prijelaz na diobu stanica).

Metafaza I

Zatim se bivalenti pomiču prema centralnoj osi ćelije. Od svake centromere protežu se vretena podjele, svaka centromera je jednako udaljena od oba pola. Male amplitudne pokrete niti drže ih u ovom položaju.

Anafaza I

Hromozomi, izgrađeni od dvije hromatide, odvojeni. Rekombinacija se javlja sa smanjenjem genetske raznolikosti (zbog odsustva homologa u setu gena koji se nalaze u lokusima (regijama).

Telofaza I

Suština faze je divergencija hromatida sa njihovim centromerama prema suprotnim dijelovima ćelije. U životinjskoj ćeliji dolazi do diobe citoplazme, u biljnoj ćeliji dolazi do formiranja ćelijskog zida.

Druga divizija

Nakon interfaze prve podjele, ćelija je spremna za drugu fazu.

Profaza II

Što je telofaza duža, to je kraće trajanje profaze. Kromatide se poredaju duž ćelije, formirajući pravi ugao sa svojim osama u odnosu na niti prve mejotičke podjele. U ovoj fazi se skraćuju i zgušnjavaju, a jezgre se raspadaju.

Metafaza II

Centromere se opet nalaze u ekvatorijalnoj ravni.

Anafaza II

Kromatide se odvajaju jedna od druge, krećući se prema polovima. Sada se zovu hromozomi.

Telofaza II

Despiralizacija, rastezanje formiranih hromozoma, nestanak vretena, udvostručavanje centriola. Haploidno jezgro je okruženo nuklearnom membranom. Formiraju se četiri nove ćelije.

Tabela poređenja između mitoze i mejoze

Karakteristike i razlike su ukratko i jasno prikazane u tabeli.

Prikazani podaci su dijagram razlika, a sličnosti se svode na iste faze, reduplikaciju DNK i helikalizaciju prije početka ćelijskog ciklusa.

Biološki značaj mejoze

Koja je uloga mejoze:

1. Daje nove kombinacije gena zbog ukrštanja.
2. Podržava kombinativnu varijabilnost. Mejoza je izvor novih osobina u populaciji.
3. Održava konstantan broj hromozoma.

Zaključak

Mejoza je složen biološki proces tokom kojeg se formiraju četiri ćelije, sa novim karakteristikama koje se dobijaju kao rezultat ukrštanja.

Nikolaj Muškambarov, dr. biol. nauke

Čovječanstvo stari, ali svi žele živjeti ne samo dugo, već i bez onih bolesti koje dolaze s godinama. U proteklih pola stoljeća pojavile su se mnoge “revolucionarne” teorije starenja, od kojih gotovo sve nude siguran i pouzdan način da se vrijeme uspori ili čak zaustavi. Svake godine postoje nove senzacije, nova otkrića i nove izjave, ohrabrujuće i obećavajuće. Bioregulatori peptida, eliksir dugovječnosti, joni koji daju život, ili antioksidans SkQ. Trči u apoteku, plati i živi, ​​prema priloženim uputama, do svoje 100-120 godina! U kojoj mjeri možete vjerovati senzacionalnim otkrićima i koja je "istina o starenju"?

Profesor N. N. Mushkambarov. Fotografija Andrey Afanasyev.

August Weismann (1834-1914) - njemački zoolog i evolucionista. Stvorio teoriju prema kojoj se nasljedne karakteristike čuvaju i prenose kroz germplazmu koja ne stari.

Leonard Hayflick je američki mikrobiolog. Šezdesetih godina prošlog stoljeća otkrio je da se u laboratorijskim uvjetima ljudske i životinjske stanice mogu podijeliti samo ograničen broj puta.

Aleksej Matvejevič Olovnikov je ruski biohemičar. Da bi objasnio Hayflickove eksperimente 1971. godine, iznio je hipotezu o skraćivanju krajnjih dijelova hromozoma (telomera) sa svakom diobom stanice.

Nauka i život // Ilustracije

Elizabeth Blackburn i Carol Greider su američke biolozi. 1985. godine otkriven je enzim telomeraza. Mehanizam djelovanja telomeraze je ponavljano kodiranje novih nukleotidnih sekvenci na terminalnim dijelovima telomera i obnavljanje njihovog originalnog

Benjamin Gompertz (1779-1865) - britanski matematičar. Predložio je funkciju koja opisuje statistiku ljudske smrtnosti ovisno o dobi. Ova funkcija je korištena za procjenu rizika u životnom osiguranju.

Knjiga M. M. Vilenčika „Biološke osnove starenja i dugovečnosti“, objavljena 1976. godine, bila je jedna od prvih naučnopopularnih knjiga na temu starenja i doživela je ogroman uspeh.

Shema mejoze (na primjeru para homolognih hromozoma). U profazi prve podjele mejoze, hromozomi se udvostručuju; zatim se homologni hromozomi međusobno konjugiraju i, zadržavajući svoju aktivnost, ulaze u crossing.

Doktor bioloških nauka, profesor Odeljenja za histologiju Moskovskog državnog medicinskog univerziteta po imenu N.V. I. M. Sečenov Nikolaj Muškambarov.

Nikolaje Nikolajeviču, oštro kritikujete mnoge poznate odredbe moderne gerontologije. Molimo vas da navedete objekte vaše kritike.

Ima više nego dovoljno objekata! Na primjer, sada je moderno spominjati Weismana gotovo kao konačnu istinu. Ovo je poznati biolog koji je još u 19. veku pretpostavio da starenje nije nastalo odmah u evoluciji, već tek u nekoj fazi kao adaptivni fenomen. Iz ovoga su zaključili da moraju postojati vrste koje ne stare: prije svega, najprimitivniji organizmi. Istovremeno, nekako zaboravljaju da ako ne stare, onda moraju imati 100% popravku DNK. Ovo je među najprimitivnijima! Nekako se jedno s drugim ne uklapa.

Postoji mit povezan s imenom još jednog poznatog biologa - Leonarda Hayflicka. Od šezdesetih godina prošlog vijeka, naučni svijet je uvjeren da ljudske somatske ćelije imaju granicu od 50 dioba, a takva granica u biologiji se naziva "Hayflickova granica". Prije dvadesetak godina izolovane su matične ćelije koje su navodno bile sposobne za neograničen broj dioba. I ovaj mit (50 za svakoga i beskonačno za matične ćelije) opstaje u glavama do danas. Zapravo, matične ćelije, kako se ispostavilo, stare (odnosno, beskonačnost je ukinuta) i uopće nije jasno gdje izbrojati ovih 50 podjela. Toliko je nejasno da, najvjerovatnije, ne postoji jedinstvena granica diobe koja je univerzalna za sve ljudske ćelije koje se dijele.

- Pa, šta je sa telomernom teorijom starenja? Da li vas ona takođe čini nepoverljivim?

Ovo je najpopularniji mit. Prema ovoj teoriji, čitav mehanizam starenja svodi se na to da ćelijama koje se dijele nedostaje enzim telomeraza, koji produžuje krajeve hromozoma (ovi krajevi se nazivaju telomeri), pa se, pri svakoj diobi, telomeri skraćuju za 50- 100 DNK nukleotidnih parova. Enzim telomeraza postoji, a njegovo otkriće je nagrađeno Nobelovom nagradom 2009. I fenomen skraćivanja hromozoma u ćelijama koje se dele bez telomeraze je takođe van sumnje (iako je to zbog malo drugačijeg razloga od onoga na koji je ukazao autor teorije telomera, Aleksej Olovnikov). Ali svesti starenje na ovaj fenomen isto je kao zamijeniti najsloženiju simfonijsku partituru notama udaranja u bubanj. Nije slučajno da je 2003. godine A. Olovnikov javno napustio svoju teoriju, zamenivši je takozvanom redumeričkom teorijom (također, inače, neosporna). Ali čak i danas, čak i na medicinskim univerzitetima, kursevi biologije predstavljaju teoriju telomera kao najnovije dostignuće naučne misli. Ovo je, naravno, apsurdno.

Drugi primjer dolazi iz statistike smrtnosti. Glavna formula za ovu statistiku je Gompertzova jednačina, predložena 1825. godine, ili, sa terminom korekcije, Gompertz-Makemova jednačina (1860.). Ove jednadžbe imaju dva odnosno tri koeficijenta, a vrijednosti koeficijenata jako variraju među različitim populacijama ljudi. I ispostavilo se da promjene u koeficijentima svake jednadžbe međusobno koreliraju. Na osnovu kojih se formulišu globalni, svetski obrasci: takozvana Strehler-Mildvan korelacija i kompenzacioni efekat mortaliteta koji ju je zamenio u ovom postu - hipoteza supružnika Gavrilov.

Sastavio sam mali model za uslovnu populaciju ljudi i uz njegovu pomoć sam se uvjerio da su svi ovi obrasci najvjerovatnije artefakt. Činjenica je da mala greška u određivanju jednog koeficijenta stvara oštro odstupanje od prave vrijednosti drugog koeficijenta. I to se percipira (u polulogaritamskim koordinatama) kao biološki značajna korelacija i služi kao obećanje za promišljene zaključke.

- Jeste li sigurni da ste u pravu kada govorite o artefaktu?

Naravno da ne! Općenito, štetno je da naučnici u nešto budu potpuno sigurni, iako takvih primjera ima na pretek. Ali dao sam sve od sebe da potvrdim suprotno: da korelacije nisu artefakt. A ovo suprotno nisam mogao da potvrdim. Tako da za sada, na osnovu lične, vrlo skromne analize, imam više razloga da vjerujem da su navedene korelacije još uvijek umjetne. Oni odražavaju greške metode, a ne biološke obrasce.

Kako ocjenjujete tvrdnje da u prirodi postoji ogroman broj organizama koji ne stare i da se njihova lista iz godine u godinu povećava?

Nažalost, popularnim teorijama da postoje i ćelije koje ne stare i organizmi koji ne stare nemaju dovoljno dokaza. Zaista, svake godine se krug "bezvremenih" životinja neumoljivo širi. U početku su to bili praktično samo jednoćelijski organizmi, a zatim su im dodani niži višećelijski organizmi (hidre, mekušci, morski ježevi itd.). A sada su se pojavile usijane glave koje "otkrivaju" određene neprolazne vrste čak i među ribama, gmazovima i pticama. Tako će ići - uskoro će doći do sisara i ustanoviti, na primjer, da slonovi također ne stare, već umiru jednostavno zbog viška tjelesne težine!

- Da li ste ubeđeni da ne postoje stare životinje?

Nisam uvjeren da takvih životinja nema (iako sam tome sklon), ali da ne postoji niti jedna vrsta životinje za koju je apsolutno pouzdano dokazano odsustvo starenja. Što se tiče ljudskih ćelija (kao i ćelija i drugih predstavnika životinjskog sveta), stepen poverenja je možda i veći: matične ćelije, zametne ćelije, pa čak i ćelije tumora, u principu, stare. Smatralo se da su matične ćelije neosporno stare, ali sada se pojavljuje eksperimentalni rad koji dokazuje suprotno.

- Na čemu se zasniva ovo samopouzdanje? Jeste li sami izvršili relevantne eksperimente?

Uopšteno govoreći, davno, 1977-1980, pokušao sam da pristupim problemu starenja u eksperimentima na miševima. Ali ne baš pouzdani rezultati (iako se činilo da potvrđuju početnu pretpostavku) uvjerili su da je bolje raditi analizu nego eksperimentirati. I evo jednog od rezultata ove analize - koncepta "Anerema", ili ameiotičke teorije starenja. Uključuje šest teza (postulata, ako želite), od kojih je jedna (prva) čisto moje djelo, a ostale su formulirane na osnovu ideja koje već postoje u literaturi. I, naravno, važno je da sve ove teze formiraju prilično jasnu sliku u cjelini.

Dakle, upravo ameiotički koncept, ako se pridržava, isključuje mogućnost postojanja i ćelija koje ne stare u višećelijskim organizmima i neostarećih organizama (počevši od jednoćelijskih). Istovremeno, naravno, svjestan sam da su sve teze koncepta i dalje hipoteze. Ali izgledaju mnogo razumnije od drugih stavova.

Dakle, vaš koncept je poput testera, uz pomoć kojeg možete ocijeniti, relativno govoreći, istinitost određenih pretpostavki? U ovom slučaju, recite nam više o tome.

Pokušat ću ovo učiniti što je moguće dostupnijim. Sam naziv koncepta (“Anerem”) je skraćenica za riječi autokataliza, nestabilnost, popravak, mejoza. Teza prva. Sjećate li se da je Engelsova definicija života ranije bila vrlo poznata: „Život je način postojanja proteinskih tijela“? Revidirao sam ovu definiciju i dao svoju, koja je činila prvu tezu: “Život je metoda autokatalitičkog umnožavanja DNK (rjeđe RNK) u prirodi.” To znači da je pokretačka snaga i za nastanak života i za njegovu kasniju evoluciju nesalomiva želja nukleinskih kiselina za beskrajnom samoreproduciranjem. U suštini, svaki organizam je evolucijski poboljšana biomašina, dizajnirana da efikasno sačuva i umnožava genom koji sadrži, praćen efikasnom distribucijom njegovih kopija u okolini.

- Neobično je osjećati se kao biomašina...

Ništa, senzacija će proći, ali funkcija, izvinite, ostaje. Druga teza: "Nestabilnost genoma je centralni element starenja." Upravo tako većina razumnih naučnika na Zapadu, ai kod nas, shvataju starenje. Činjenica je da su nukleinske kiseline, uz sve svoje izuzetne sposobnosti, osjetljive na štetno djelovanje mnogih faktora - slobodnih radikala, reaktivnih vrsta kisika itd. I iako su mnogi zaštitni sistemi stvoreni evolucijom (kao što je antioksidativni sistem), brojna oštećenja se konstantno javljaju u lancima DNK. Za njihovo otkrivanje i ispravljanje postoji još jedan zaštitni sistem - DNK reparacija (restauracija). Sljedeća teza, treća, je filter koji filtrira sve što je “ne-starenje”: “Popravka genoma u mitotičkim i postmitotskim stanicama nije potpuna.” Odnosno, bilo koji sistem popravke u ovim ćelijama ne obezbeđuje 100% korekciju svih DNK defekata koji se javljaju. A to znači univerzalnu prirodu starenja.

- Ali ako sve i svi stari, kako se onda održava život na Zemlji?

Pa, zainteresovao sam se za ovo pitanje 1977. godine. I našao sam, kako mi se činilo, svoj odgovor, iako je ležao na površini. I 25 godina kasnije, 2002., pregledavajući svoje stare knjige, shvatio sam da ova hipoteza uopšte nije moja, ali sam o njoj godinu dana ranije čitao u knjizi M. M. Vilenčika, srećno zaboravio, a zatim se setio, ali je primetio kao svoj. Ovo su čudovišta pamćenja. Ali na kraju, bitna je suština stvari, a ne ambicije otkrivača.

Suštinu formuliše četvrta teza: „Efektivno popravljanje se može postići samo u mejozi (ili u njenoj pojednostavljenoj verziji - endomiksisu) - tokom konjugacije (fuzije) hromozoma." Čini se da su svi naučili šta je mejoza u školi, ali, nažalost, ponekad ni naši studenti medicine to ne znaju. Da vas podsjetim: mejoza je posljednja dvostruka podjela u formiranju zametnih stanica - spermatozoida i jajašca. Usput, odat ću vam tajnu: žene ne formiraju jajašca. Kod njih se druga mejotička dioba (u fazi oocita II - razvoj ženske reproduktivne stanice) ne može odvijati samostalno - bez pomoći spermatozoida. Zato što je ćelija negdje "izgubila" svoje centriole (tijela u ćeliji uključena u diobu): oni su samo bili tu (tokom prethodne diobe), ali sada su negdje nestali. A oplodnja jajne ćelije II je apsolutno neophodna da bi sperma donela svoje centriole i spasila situaciju. Ovo vidim kao tipične „ženske stvari“. Dakle, na kraju dolazi do druge mejotičke diobe, ali rezultirajuća stanica više nije jaje, već zigota.

Zanijele smo se “ženskim stvarima” i nismo razjasnile kako se potpuna popravka DNK postiže u mejozi.

Prvoj diobi mejoze prethodi vrlo duga profaza: u muškoj gametogenezi ona traje cijeli mjesec, a u ženskoj gametogenezi i do nekoliko decenija! U ovom trenutku, homologni hromozomi se približavaju jedan drugom i ostaju u tom stanju gotovo cijelo vrijeme profaze.

U isto vrijeme, enzimi se oštro aktiviraju, režu i spajaju lance DNK. Vjerovalo se da je to potrebno samo za crossing - razmjenu hromozoma u njihovim dijelovima, što povećava genetsku varijabilnost vrste. Zaista, ispostavilo se da su "očevi" i "majčini" geni, koji su još uvijek raspoređeni u svakom paru homolognih (strukturno identičnih) kromosoma na različitim kromosomima, pomiješani nakon križanja.

Ali M. M. Vilenchik, a nakon njega i ja, skrenuo je pažnju na činjenicu da su enzimi crossing over-a vrlo slični enzimima za popravku DNK, kod kojih je izrezivanjem oštećenih područja potrebno i kidanje i spajanje lanaca DNK. Odnosno, superpopravka DNK se vjerovatno dešava istovremeno sa prelaskom. Mogu se zamisliti i drugi mehanizmi velike "popravke" gena tokom mejoze. Na ovaj ili onaj način, u ovom slučaju dolazi do radikalnog (tačnije, potpunog) "podmlađivanja" stanica, zbog čega zrele zametne stanice počinju računati vrijeme kao od nule. Ako nešto ne uspije, tada se u ćeliji pokreću samonadzorni senzori za stanje vlastite DNK i počinje proces apoptoze - samo-
ubijanje ćelije.

- Dakle, u prirodi se podmlađivanje dešava samo u sazrevanju zametnih ćelija?

Apsolutno u pravu. Ali to je sasvim dovoljno da se osigura besmrtnost vrste - na pozadini, nažalost, neizbježne smrtnosti svih pojedinaca. Uostalom, jedine su polne ćelije! - jedini materijalni supstrat roditeljskih organizama iz kojeg se rađa novi život - život potomaka.

A činjenica da se ovaj mehanizam odnosi samo na zametne stanice raspravlja se u dvije preostale teze koncepta, koje stavljaju tačke na sva i. Peta teza: “Mejoza poboljšava stanje genoma samo u narednim generacijama (nekoliko generacija odjednom u jednostavnim organizmima i samo jedna u svim ostalim).” Šesta teza: „Odavde slijedi neminovnost starenja pojedinaca (pojedinaca) i relativna besmrtnost vrste u cjelini.“

- Šta, mejoza se javlja kod svih životinjskih vrsta?

Trebao bi biti prisutan u svim životinjskim vrstama - prema konceptu Anerem, ako se pokaže da je točan. Zaista, koncept se zasniva na univerzalnosti ne samo starenja, već i mejoze. Detaljno sam istražio ovo pitanje koristeći literaturne podatke. Naravno, u dovoljno razvijenim životinjama - ribama i "višim" - postoji samo seksualni način razmnožavanja, što podrazumijeva i prisustvo mejoze. Osim toga, postoje ogromni sektori i flore i faune u kojima su uobičajeni mješoviti tipovi reprodukcije. To znači da se izmjenjuju manje ili više produženi činovi aseksualne reprodukcije (na primjer, mitotičke podjele, sporulacija, pupljenje, fragmentacija, itd.) i pojedinačni činovi seksualne ili kvaziseksualne reprodukcije. Bitna karakteristika kvaziseksualnog procesa (tzv. endomiksis) je da i ovdje dolazi do spajanja strukturno identičnih hromozoma iz očinskog i majčinskog skupa (konjugacija homolognih hromozoma), iako se ne završava njihovim divergencije u različite ćelije.

Tako, uz mješovitu reprodukciju, živi nekoliko generacija organizama, kao da postupno stare (slično kako stare ćelije mitotički dijeljene kod složenijih životinja), a zatim polni proces vraća pojedinačne organizme u „nultu” starost i osigurava
pruža ugodan život još nekoliko generacija. Konačno, za brojne jednostavne životinje se vjeruje da se razmnožavaju samo aseksualno. Ali u vezi s njima, još uvijek sumnjam: da li ti organizmi u dugoj seriji aseksualne reprodukcije nisu vidjeli nešto slično mejozi ili endomiksisu (samooplodnji)?

Ispostavilo se da koncept koji razvijate stavlja tačku na sve snove o produženju ljudskog života. Uostalom, obične (nereproduktivne) ćelije su osuđene da stare i stare?

Ne, ne stavljam krst. Prvo, zato što za nas nije mnogo važnija sama činjenica starenja, već brzina ovog procesa. A na brzinu starenja možete utjecati na mnogo načina. Neki od njih su poznati, neki (poput Skulačevih jona) su u fazi istraživanja, neki će biti otkriveni kasnije.

Drugo, moguće je da će s vremenom biti moguće pokrenuti neke mejotske procese u somatskim stanicama - na primjer, u matičnim i ćelijama koje se ne dijele. Mislim na one procese koji obnavljaju stanje genoma: ovo je očigledno konjugacija homolognih hromozoma, križanje ili nešto suptilnije i još uvijek nepoznato. Ne vidim razlog zašto bi to u principu bilo nemoguće. U linijama zametnih stanica, u mejozu ulaze stanice koje su općenito iste strukture kao i mnoge druge. Štaviše, čak i nakon konjugacije hromozoma, aktivnost odgovarajućih gena ostaje u potonjem. Međutim, za implementaciju ovog projekta potrebno je prvo u potpunosti identificirati gene odgovorne za različite aspekte mejoze i uspostaviti načine njihovog ciljanja. Ovo je, naravno, veoma fantastičan projekat. Međutim, zar mnogo toga što imamo danas nije izgledalo fantastično juče?!

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.