La prima divisione della meiosi è breve. Meiosi. Fasi della meiosi. La profase II è molto breve. È caratterizzato dalla spiralizzazione dei cromosomi, dalla scomparsa della membrana nucleare e del nucleolo e dalla formazione di un fuso di fissione.

L'essenza della meiosi- formazione scolastica cellule con un corredo cromosomico aploide.

Meiosiè costituito da due divisioni successive.

Fra loro non sta succedendo replicazione del DNA – ecco perché il set è aploide.

Grazie a questo processo si verifica quanto segue:

• gametogenesi;
• c formazione dei pori nelle piante;
• e variabilità delle informazioni ereditarie

Ora diamo uno sguardo più da vicino a questo processo.

Meiosi rappresenta 2 divisioni, uno dopo l'altro.

Di conseguenza, di solito si formano quattro celle(tranne ad esempio, dove dopo la prima divisione, la seconda cella non si divide ulteriormente, ma si riduce immediatamente).

C'è un altro punto importante qui: come risultato della meiosi, di regola, tre cellule su quattro vengono ridotte, lasciandone una, cioè selezione naturale. Questo è anche uno dei compiti della meiosi.

Interfase Prima divisione:

la cella passa dallo stato da 2n2c a 2n4c, da quando è avvenuta la replicazione del DNA.

Profase:

Nella prima divisione avviene un processo importante: attraversando.

Nella profase I della meiosi, ciascuno dei cromosomi bicromatidi già contorti, monovalenti stretto rapporto con omologo a lei. Questo si chiama (ben confuso con coniugazione dei ciliati), O sinapsi. Viene chiamata una coppia di cromosomi omologhi che si uniscono

Il cromatide si incrocia poi con un cromatide omologo (non fratello) sul cromosoma vicino (con il quale si forma bivalente). Viene chiamato il luogo in cui si intersecano i cromatidi. Chiasmo scoperto nel 1909 dallo scienziato belga Frans Alphonse Janssens.

E poi un pezzo di cromatide si rompe sul posto chiasmi e salta ad un altro cromatide (omologo, cioè non fratello).

Accaduto ricombinazione genetica .

Risultato: alcuni geni sono migrati da un cromosoma omologo all'altro.

Prima attraversando un cromosoma omologo possedeva geni dell'organismo materno e il secondo di quello paterno. E poi entrambi i cromosomi omologhi possiedono i geni sia dell'organismo materno che di quello paterno.

Senso attraversando Cioè: come risultato di questo processo si formano nuove combinazioni di geni, quindi c'è più variabilità ereditaria, e quindi c'è una maggiore probabilità che emergano nuovi tratti che potrebbero essere utili.

Sinapsi (coniugazione) si verifica sempre durante la meiosi, ma attraversando potrebbe non accadere.

A causa di tutti questi processi: coniugazione, incrocio la profase I è più lunga della profase II.

Metafase

La differenza principale tra la prima divisione della meiosi e

nella mitosi i cromosomi bicromatidi si allineano lungo l'equatore e nella prima divisione della meiosi bivalenti cromosomi omologhi, a ciascuno dei quali sono attaccati filamenti del fuso.

Anafase

a causa del fatto che si allineavano lungo l'equatore bivalenti, si verifica la divergenza dei cromosomi bicromatidi omologhi. A differenza della mitosi, in cui i cromatidi di un cromosoma si separano.

Telofase

Le celle risultanti cambiano dallo stato 2n4c a n2c, come differiscono ancora dalle cellule formate a seguito della mitosi: in primo luogo, loro aploide. Se nella mitosi, alla fine della divisione, si formano cellule assolutamente identiche, nella prima divisione della meiosi ogni cellula contiene solo un cromosoma omologo.

Errori nella segregazione cromosomica durante la prima divisione possono portare alla trisomia. Cioè, la presenza di un cromosoma in più in una coppia di cromosomi omologhi. Ad esempio, negli esseri umani, la trisomia 21 è la causa della sindrome di Down.

Interfase tra la prima e la seconda divisione

- o molto breve o per niente. Pertanto, prima della seconda divisione non c'è replicazione del DNA. Questo è molto importante, poiché la seconda divisione è generalmente necessaria affinché le cellule risultino aploide con cromosomi singoli cromatidici.

Seconda divisione

- avviene quasi allo stesso modo della divisione mitotica. Entrano solo nella divisione aploide cellule con cromosomi bicromatidi (n2c), ciascuno dei quali è allineato lungo l'equatore, ai quali sono attaccati i fili del fuso centromeri ciascun cromatide di ciascun cromosoma in metafaseII. IN anafaseII i cromatidi si separano. E dentro telofaseII sono formati aploide cellule con cromosomi a singolo cromatide ( nc). Ciò è necessario affinché quando si unisce con un'altra cella simile (nc), si formi un 2n2c “normale”.

Degli organismi viventi si sa che respirano, si nutrono, si riproducono e muoiono; questa è la loro funzione biologica. Ma perché accade tutto questo? A causa dei mattoni: cellule che respirano, si nutrono, muoiono e si riproducono. Ma come avviene questo?

Sulla struttura delle cellule

La casa è fatta di mattoni, blocchi o tronchi. Allo stesso modo, un organismo può essere diviso in unità elementari: le cellule. Tutta la diversità degli esseri viventi è costituita da loro; la differenza sta solo nella loro quantità e nella loro tipologia. Sono costituiti da muscoli, tessuto osseo, pelle, tutti gli organi interni: differiscono così tanto nel loro scopo. Ma indipendentemente dalle funzioni svolte da una particolare cellula, sono tutte strutturate più o meno allo stesso modo. Prima di tutto, ogni "mattone" ha un guscio e un citoplasma con organelli situati al suo interno. Alcune cellule non hanno un nucleo, sono chiamate procariotiche, ma tutti gli organismi più o meno sviluppati sono costituiti da eucarioti, che hanno un nucleo in cui sono immagazzinate le informazioni genetiche.

Gli organelli situati nel citoplasma sono diversi e interessanti, svolgono funzioni importanti. Le cellule di origine animale comprendono il reticolo endoplasmatico, i ribosomi, i mitocondri, il complesso del Golgi, i centrioli, i lisosomi e gli elementi motori. Con il loro aiuto avvengono tutti i processi che garantiscono il funzionamento del corpo.

Attività cellulare

Come già accennato, tutti gli esseri viventi mangiano, respirano, si riproducono e muoiono. Questa affermazione vale sia per gli organismi interi, cioè persone, animali, piante, ecc., sia per le cellule. È sorprendente, ma ogni "mattone" ha la sua vita. Grazie ai suoi organelli, riceve ed elabora nutrienti, ossigeno e rimuove tutto ciò che non è necessario all'esterno. Il citoplasma stesso e il reticolo endoplasmatico svolgono una funzione di trasporto, i mitocondri sono anche responsabili della respirazione, oltre a fornire energia. Il complesso del Golgi è responsabile dell'accumulo e della rimozione dei prodotti di scarto cellulare. Anche altri organelli partecipano a processi complessi. E ad un certo punto inizia a dividersi, cioè avviene il processo di riproduzione. Vale la pena considerarlo più in dettaglio.

Processo di divisione cellulare

La riproduzione è una delle fasi di sviluppo di un organismo vivente. Lo stesso vale per le cellule. Ad un certo punto del loro ciclo vitale, entrano in uno stato in cui sono pronti a riprodursi. semplicemente si dividono in due, allungandosi, e poi formando una partizione. Questo processo è semplice e quasi completamente studiato usando l'esempio dei batteri a forma di bastoncino.

Le cose sono un po’ più complicate. Si riproducono in tre modi diversi, chiamati amitosi, mitosi e meiosi. Ciascuno di questi percorsi ha le sue caratteristiche, è inerente a un certo tipo di cellula. Amitosi

considerata la più semplice, è detta anche fissione binaria diretta. Quando ciò accade, la molecola del DNA raddoppia. Tuttavia, non viene formato un fuso di fissione, quindi questo metodo è il più efficiente dal punto di vista energetico. L'amitosi si verifica negli organismi unicellulari, mentre i tessuti degli organismi multicellulari si riproducono utilizzando altri meccanismi. Tuttavia, a volte si osserva dove l'attività mitotica è ridotta, ad esempio nei tessuti maturi.

La fissione diretta viene talvolta classificata come un tipo di mitosi, ma alcuni scienziati la considerano un meccanismo separato. Questo processo avviene abbastanza raramente anche nelle cellule vecchie. Successivamente verranno presi in considerazione la meiosi e le sue fasi, il processo di mitosi, nonché le somiglianze e le differenze di questi metodi. Rispetto alla divisione semplice, sono più complesse e perfette. Ciò è particolarmente vero per la divisione di riduzione, quindi le caratteristiche delle fasi della meiosi saranno le più dettagliate.

Un ruolo importante nella divisione cellulare è svolto dai centrioli, organelli speciali, solitamente situati vicino al complesso del Golgi. Ciascuna di queste strutture è composta da 27 microtubuli, raggruppati in gruppi di tre. L'intera struttura è di forma cilindrica. I centrioli sono direttamente coinvolti nella formazione del fuso di divisione cellulare durante il processo di divisione indiretta, di cui parleremo più avanti.

Mitosi

La durata della vita delle cellule varia. Alcuni vivono un paio di giorni, altri possono essere classificati come fegati lunghi, poiché il loro cambiamento completo avviene molto raramente. E quasi tutte queste cellule si riproducono attraverso la mitosi. Per la maggior parte di essi, tra i periodi di divisione passano in media 10-24 ore. La mitosi stessa richiede un breve periodo di tempo: negli animali circa 0,5-1

ora e per le piante circa 2-3. Questo meccanismo garantisce la crescita della popolazione cellulare e la riproduzione di unità identiche nel loro contenuto genetico. È così che viene mantenuta la continuità delle generazioni a livello elementare. In questo caso, il numero di cromosomi rimane invariato. Questo meccanismo è il tipo più comune di riproduzione delle cellule eucariotiche.

L'importanza di questo tipo di divisione è grande: questo processo aiuta i tessuti a crescere e rigenerarsi, grazie ai quali avviene lo sviluppo dell'intero organismo. Inoltre, è la mitosi alla base della riproduzione asessuata. E un'altra funzione è lo spostamento delle cellule e la sostituzione di quelle già obsolete. Pertanto, non è corretto presumere che, poiché le fasi della meiosi sono più complesse, il suo ruolo sia molto più elevato. Entrambi questi processi svolgono funzioni diverse e sono importanti e insostituibili a modo loro.

La mitosi è composta da diverse fasi che differiscono nelle loro caratteristiche morfologiche. Lo stato in cui la cellula è pronta per la divisione indiretta è chiamato interfase e il processo stesso è suddiviso in altre 5 fasi, che devono essere considerate più in dettaglio.

Fasi della mitosi

Durante l'interfase la cellula si prepara a dividersi: vengono sintetizzati DNA e proteine. Questa fase è divisa in molte altre, durante le quali avviene la crescita dell'intera struttura e il raddoppio dei cromosomi. La cellula rimane in questo stato fino al 90% del suo intero ciclo di vita.

Il restante 10% è occupato dalla divisione stessa, suddivisa in 5 fasi. Durante la mitosi delle cellule vegetali viene rilasciata anche la preprofase, che è assente in tutti gli altri casi. Si formano nuove strutture, il nucleo si sposta al centro. Si forma un nastro preprofase, che segna il sito previsto della futura divisione.

In tutte le altre cellule, il processo di mitosi procede come segue:

Tabella 1

Una volta completata la divisione delle informazioni genetiche, avviene la citocinesi o citotomia. Questo termine si riferisce alla formazione dei corpi delle cellule figlie dal corpo della madre. In questo caso, gli organelli, di regola, sono divisi a metà, anche se sono possibili eccezioni, si forma un setto. La citocinesi non è separata in una fase separata; di norma è considerata nell'ambito della telofase.

Quindi, i processi più interessanti coinvolgono i cromosomi, che trasportano informazioni genetiche. Cosa sono e perché sono così importanti?

A proposito di cromosomi

Anche senza la minima idea della genetica, le persone sapevano che molte qualità della prole dipendono dai genitori. Con lo sviluppo della biologia, è diventato ovvio che le informazioni su un particolare organismo sono immagazzinate in ogni cellula e parte di esse viene trasmessa alle generazioni future.

Alla fine del 19 ° secolo furono scoperti i cromosomi: strutture costituite da un lungo

Molecole di DNA. Ciò è diventato possibile con il miglioramento dei microscopi, che ancora oggi possono essere visti solo durante il periodo della divisione. Molto spesso, la scoperta è attribuita allo scienziato tedesco W. Fleming, che non solo ha semplificato tutto ciò che era stato studiato prima di lui, ma ha anche dato il proprio contributo: è stato uno dei primi a studiare la struttura cellulare, la meiosi e le sue fasi, e ha anche introdotto il termine “mitosi”. Il concetto stesso di "cromosoma" fu proposto poco dopo da un altro scienziato, l'istologo tedesco G. Waldeyer.

La struttura dei cromosomi quando sono chiaramente visibili è abbastanza semplice: sono due cromatidi collegati al centro da un centromero. È una sequenza nucleotidica specifica e svolge un ruolo importante nel processo di riproduzione cellulare. In definitiva, il cromosoma in apparenza in profase e metafase, quando può essere visto meglio, assomiglia alla lettera X.

Nel 1900 furono scoperti i principi che descrivono la trasmissione dei caratteri ereditari. Poi è diventato finalmente chiaro che i cromosomi sono esattamente ciò attraverso cui vengono trasmesse le informazioni genetiche. Successivamente, gli scienziati hanno condotto una serie di esperimenti per dimostrarlo. E poi l'oggetto dello studio è stata l'influenza che ha su di loro la divisione cellulare.

Meiosi

A differenza della mitosi, questo meccanismo alla fine porta alla formazione di due cellule con un corredo di cromosomi 2 volte inferiore a quello originale. Pertanto, il processo di meiosi funge da transizione dalla fase diploide alla fase aploide e principalmente

Stiamo parlando della divisione del nucleo e, in secondo luogo, della divisione dell'intera cellula. Il ripristino dell'intero set di cromosomi avviene a seguito dell'ulteriore fusione dei gameti. A causa della riduzione del numero di cromosomi, questo metodo viene definito anche divisione cellulare ridotta.

La meiosi e le sue fasi furono studiate da scienziati famosi come V. Fleming, E. Strasburger, V. I. Belyaev e altri. Lo studio di questo processo nelle cellule sia vegetali che animali è ancora in corso: è così complesso. Inizialmente, questo processo era considerato una variante della mitosi, ma quasi subito dopo la sua scoperta fu identificato come un meccanismo separato. Le caratteristiche della meiosi e il suo significato teorico furono descritti per la prima volta in modo esaustivo da August Weissmann nel 1887. Da allora, lo studio del processo di riduzione della divisione ha fatto grandi progressi, ma le conclusioni tratte non sono state ancora confutate.

La meiosi non deve essere confusa con la gametogenesi, sebbene entrambi i processi siano strettamente correlati. Entrambi i meccanismi sono coinvolti nella formazione delle cellule germinali, ma tra loro esistono numerose differenze importanti. La meiosi avviene in due fasi di divisione, ciascuna delle quali consiste di 4 fasi principali, con una breve pausa tra di loro. La durata dell'intero processo dipende dalla quantità di DNA nel nucleo e dalla struttura dell'organizzazione cromosomica. In generale, è molto più lungo rispetto alla mitosi.

A proposito, uno dei motivi principali della significativa diversità delle specie è la meiosi. Come risultato della divisione di riduzione, l'insieme dei cromosomi viene diviso in due, in modo che appaiano nuove combinazioni di geni, che aumentano potenzialmente l'adattabilità e l'adattabilità degli organismi, che alla fine ricevono determinati insiemi di caratteristiche e qualità.

Fasi della meiosi

Come già accennato, la divisione cellulare di riduzione è convenzionalmente divisa in due fasi. Ciascuna di queste fasi è divisa in altre 4. E la prima fase della meiosi - profase I, a sua volta, è divisa in altre 5 fasi separate. Man mano che lo studio di questo processo continua, altri potrebbero essere identificati in futuro. Ora si distinguono le seguenti fasi della meiosi:

Tavolo 2

Quindi è ovvio che le fasi di divisione della meiosi sono molto più complesse del processo di mitosi. Ma, come già accennato, ciò non toglie nulla al ruolo biologico della divisione indiretta, poiché svolgono funzioni diverse.

A proposito, la meiosi e le sue fasi si osservano anche in alcuni protozoi. Tuttavia, di norma, include solo una divisione. Si presume che questa forma a uno stadio si sia successivamente sviluppata nella moderna forma a due stadi.

Differenze e somiglianze tra mitosi e meiosi

A prima vista, sembra che le differenze tra questi due processi siano evidenti, perché si tratta di meccanismi completamente diversi. Tuttavia, dopo un'analisi più approfondita, si scopre che le differenze tra mitosi e meiosi non sono così globali; alla fine portano alla formazione di nuove cellule.

Innanzitutto vale la pena parlare di cosa hanno in comune questi meccanismi. In effetti, ci sono solo due coincidenze: nella stessa sequenza di fasi, e anche nel fatto che

La replicazione del DNA avviene prima di entrambi i tipi di divisione. Sebbene, come per la meiosi, questo processo non si completa completamente prima dell'inizio della profase I, terminando in una delle prime sottofasi. E sebbene la sequenza delle fasi sia simile, in sostanza, gli eventi che si verificano in esse non coincidono completamente. Quindi le somiglianze tra mitosi e meiosi non sono molte.

Ci sono molte più differenze. Innanzitutto, la mitosi avviene mentre la meiosi è strettamente correlata alla formazione delle cellule germinali e alla sporogenesi. Nelle fasi stesse, i processi non coincidono completamente. Ad esempio, il crossover nella mitosi avviene durante l'interfase e non sempre. Nel secondo caso, questo processo comporta l'anafase della meiosi. La ricombinazione dei geni nella divisione indiretta di solito non avviene, il che significa che non gioca alcun ruolo nello sviluppo evolutivo dell'organismo e nel mantenimento della diversità intraspecifica. Il numero di cellule risultanti dalla mitosi è due, sono geneticamente identiche alla madre e hanno un corredo diploide di cromosomi. Durante la divisione di riduzione tutto è diverso. Il risultato della meiosi è 4 diverso da quello materno. Inoltre, entrambi i meccanismi differiscono significativamente nella durata, e ciò è dovuto non solo alla differenza nel numero di fasi di divisione, ma anche alla durata di ciascuna fase. Ad esempio, la prima profase della meiosi dura molto più a lungo, perché in questo momento avvengono la coniugazione dei cromosomi e il crossover. Ecco perché è ulteriormente suddiviso in più fasi.

In generale, le somiglianze tra mitosi e meiosi sono piuttosto minori rispetto alle differenze reciproche. È quasi impossibile confondere questi processi. Pertanto, ora è piuttosto sorprendente che la divisione per riduzione fosse precedentemente considerata un tipo di mitosi.

Conseguenze della meiosi

Come già accennato, dopo la fine del processo di divisione di riduzione, invece della cellula madre con un corredo diploide di cromosomi, si formano quattro aploidi. E se parliamo delle differenze tra mitosi e meiosi, questa è la più significativa. Il ripristino della quantità necessaria, quando si tratta di cellule germinali, avviene dopo la fecondazione. Pertanto, con ogni nuova generazione il numero di cromosomi non raddoppia.

Inoltre, durante la meiosi si verifica durante il processo di riproduzione, ciò porta al mantenimento della diversità intraspecifica. Quindi il fatto che anche i fratelli siano talvolta molto diversi tra loro è proprio il risultato della meiosi.

A proposito, anche la sterilità di alcuni ibridi nel mondo animale è un problema di divisione riduttiva. Il fatto è che i cromosomi di genitori appartenenti a specie diverse non possono entrare in coniugazione, il che significa che il processo di formazione di cellule germinali vitali a tutti gli effetti è impossibile. Pertanto, è la meiosi che è alla base dello sviluppo evolutivo di animali, piante e altri organismi.

La meiosi si verifica nelle cellule degli organismi che si riproducono sessualmente.

Il significato biologico del fenomeno è determinato da un nuovo insieme di caratteristiche nei discendenti.

In questo lavoro considereremo l'essenza di questo processo e, per chiarezza, lo presenteremo nella figura, esamineremo la sequenza e la durata della divisione delle cellule germinali e scopriremo anche le somiglianze e le differenze tra mitosi e meiosi.

Cos'è la meiosi

Un processo accompagnato dalla formazione di quattro cellule con un unico cromosoma impostato da uno originale.

L'informazione genetica di ciascuna cellula neoformata corrisponde alla metà dell'insieme delle cellule somatiche.

Fasi della meiosi

La divisione meiotica prevede due fasi, composte da quattro fasi ciascuna.

Prima divisione

Comprende profase I, metafase I, anafase I e telofase I.

Profase I

In questa fase si formano due cellule con metà dell'insieme di informazioni genetiche. La profase della prima divisione comprende diverse fasi. È preceduto dall'interfase pre-meiotica, durante la quale avviene la replicazione del DNA.

Successivamente si verifica la condensazione, la formazione di filamenti lunghi e sottili con un asse proteico durante il leptotene. Questo filo è attaccato alla membrana nucleare con l'aiuto di estensioni terminali - dischi di fissaggio. Le metà dei cromosomi duplicati (cromatidi) non sono ancora distinguibili. Quando esaminati, sembrano strutture monolitiche.

Poi arriva la fase dello zigotene. Gli omologhi si fondono per formare bivalenti, il cui numero corrisponde a un singolo numero di cromosomi. Il processo di coniugazione (connessione) viene effettuato tra coppie simili negli aspetti genetici e morfologici. Inoltre, l'interazione inizia dalle estremità, diffondendosi lungo i corpi cromosomici. Un complesso di omologhi legati da una componente proteica – bivalente o tetrade.

La spiralizzazione avviene durante la fase del filamento spesso, il pachitene. Qui la duplicazione del DNA è già stata completata completamente e inizia il crossover. Questo è uno scambio di regioni omologhe. Di conseguenza, si formano geni collegati con nuove informazioni genetiche. La trascrizione avviene in parallelo. Vengono attivate sezioni dense di DNA - i cromomeri - che portano ad un cambiamento nella struttura dei cromosomi come "spazzole di lampada".

I cromosomi omologhi si condensano, si accorciano e divergono (ad eccezione dei punti di connessione - chiasmi). Questa è una fase nella biologia del diplotene o dictyoten. I cromosomi in questa fase sono ricchi di RNA, che viene sintetizzato nelle stesse aree. In termini di proprietà, quest'ultimo è vicino a quello informativo.

Infine i bivalenti si disperdono alla periferia del nucleo. Questi ultimi si accorciano, perdono i nucleoli e diventano compatti, non associati all'involucro nucleare. Questo processo è chiamato diacinesi (la transizione alla divisione cellulare).

Metafase I

Successivamente, i bivalenti si spostano verso l'asse centrale della cellula. I fusi di divisione si estendono da ciascun centromero, ciascun centromero è equidistante da entrambi i poli. Piccoli movimenti di ampiezza dei fili li mantengono in questa posizione.

Anafase I

I cromosomi, formati da due cromatidi, si separano. La ricombinazione avviene con una diminuzione della diversità genetica (a causa dell'assenza di omologhi nell'insieme di geni situati nei loci (regioni).

Telofase I

L'essenza della fase è la divergenza dei cromatidi con i loro centromeri verso le parti opposte della cellula. In una cellula animale avviene la divisione citoplasmatica, in una cellula vegetale avviene la formazione di una parete cellulare.

Seconda divisione

Dopo l'interfase della prima divisione, la cellula è pronta per la seconda fase.

Profase II

Più lunga è la telofase, minore è la durata della profase. I cromatidi si allineano lungo la cellula, formando un angolo retto con i loro assi rispetto ai fili della prima divisione meiotica. In questa fase si accorciano e si ispessiscono e i nucleoli subiscono la disintegrazione.

Metafase II

I centromeri si trovano nuovamente sul piano equatoriale.

Anafase II

I cromatidi si separano gli uni dagli altri, spostandosi verso i poli. Ora si chiamano cromosomi.

Telofase II

Despiralizzazione, allungamento dei cromosomi formati, scomparsa del fuso, raddoppio dei centrioli. Il nucleo aploide è circondato da una membrana nucleare. Si formano quattro nuove cellule.

Tabella comparativa tra mitosi e meiosi

Le caratteristiche e le differenze sono presentate brevemente e chiaramente nella tabella.

I dati presentati sono un diagramma delle differenze e le somiglianze si riducono alle stesse fasi, la duplicazione e l'elicizzazione del DNA prima dell'inizio del ciclo cellulare.

Significato biologico della meiosi

Qual è il ruolo della meiosi:

1. Fornisce nuove combinazioni di geni dovute al crossover.
2. Supporta la variabilità combinatoria. La meiosi è una fonte di nuovi tratti in una popolazione.
3. Mantiene un numero costante di cromosomi.

Conclusione

La meiosi è un processo biologico complesso durante il quale si formano quattro cellule, con nuove caratteristiche ottenute come risultato dell'incrocio.

Nikolaj Mushkambarov, il Dott. biol. scienze

L'umanità sta invecchiando, ma tutti vogliono vivere non solo a lungo, ma anche senza quelle malattie che derivano dall'età. Nell’ultimo mezzo secolo sono emerse molte teorie “rivoluzionarie” sull’invecchiamento, quasi tutte offrono un modo sicuro e affidabile per rallentare o addirittura fermare il tempo. Ogni anno ci sono nuove sensazioni, nuove scoperte e nuove affermazioni, incoraggianti e promettenti. Bioregolatori peptidici, elisir di longevità, ioni vivificanti o SkQ antiossidante. Corri in farmacia, paga e vivi, secondo le istruzioni incluse, fino a 100-120 anni! Fino a che punto ci si può fidare delle scoperte sensazionali e qual è la “verità sull’invecchiamento”?

Il professor N. N. Mushkambarov. Foto di Andrey Afanasyev.

August Weismann (1834-1914) - zoologo ed evoluzionista tedesco. Ha creato una teoria secondo la quale le caratteristiche ereditarie vengono preservate e trasmesse attraverso il germoplasma senza età.

Leonard Hayflick è un microbiologo americano. Negli anni '60 scoprì che in condizioni di laboratorio le cellule umane e animali possono dividersi solo un numero limitato di volte.

Alexey Matveevich Olovnikov è un biochimico russo. Per spiegare gli esperimenti di Hayflick nel 1971, avanzò un'ipotesi sull'accorciamento delle sezioni terminali dei cromosomi (telomeri) ad ogni divisione cellulare.

Scienza e vita // Illustrazioni

Elizabeth Blackburn e Carol Greider sono biologi americane. Nel 1985 fu scoperto l'enzima telomerasi. Il meccanismo d'azione della telomerasi è la codifica ripetuta di nuove sequenze nucleotidiche nelle sezioni terminali dei telomeri e il ripristino della loro originaria

Benjamin Gompertz (1779-1865) - matematico britannico. Ha proposto una funzione che descrive le statistiche sulla mortalità umana in base all'età. Questa funzione è stata utilizzata per valutare i rischi nelle assicurazioni sulla vita.

Il libro di M. M. Vilenchik “Le basi biologiche dell'invecchiamento e della longevità”, pubblicato nel 1976, è stato uno dei primi libri scientifici divulgativi sul tema dell'invecchiamento e ha avuto un enorme successo.

Schema della meiosi (usando l'esempio di una coppia di cromosomi omologhi). Nella profase della prima divisione della meiosi i cromosomi raddoppiano; quindi i cromosomi omologhi si coniugano tra loro e, pur mantenendo la loro attività, entrano in crossover.

Dottore in Scienze Biologiche, Professore del Dipartimento di Istologia dell'Università Medica Statale di Mosca intitolato a N.V. I. M. Sechenov Nikolay Mushkambarov.

Nikolai Nikolaevich, critichi aspramente molte note disposizioni della gerontologia moderna. Per favore delinea gli oggetti della tua critica.

Ci sono oggetti più che sufficienti! Ad esempio, oggi è di moda riferirsi a Weisman quasi come alla verità ultima. Si tratta di un famoso biologo che, già nel XIX secolo, postulò che l'invecchiamento non si è verificato immediatamente nell'evoluzione, ma solo ad un certo punto come fenomeno adattivo. Da ciò hanno concluso che devono esistere specie che non invecchiano: prima di tutto, gli organismi più primitivi. Allo stesso tempo, in qualche modo dimenticano che se non invecchiano, devono avere una riparazione del DNA al 100%. Questo è tra i più primitivi! In qualche modo l’uno non si adatta all’altro.

C'è un mito associato al nome di un altro famoso biologo: Leonard Hayflick. Dagli anni Sessanta del secolo scorso, il mondo scientifico è fiducioso che le cellule somatiche umane abbiano un limite di 50 divisioni, e tale limite in biologia è chiamato "limite di Hayflick". Circa vent'anni fa furono isolate cellule staminali presumibilmente capaci di un numero illimitato di divisioni. E questo mito (50 per tutti e infinito per le cellule staminali) persiste ancora oggi nelle menti. In effetti, le cellule staminali, a quanto pare, invecchiano (cioè l'infinito viene abolito) e non è affatto chiaro dove contare proprio queste 50 divisioni. È così poco chiaro che, molto probabilmente, non esiste un unico limite di divisione universale per tutte le cellule umane in divisione.

- E che dire della teoria dell'invecchiamento dei telomeri? Ti rende anche diffidente?

Questo è il mito più popolare. Secondo questa teoria, l'intero meccanismo dell'invecchiamento si riduce al fatto che le cellule in divisione mancano dell'enzima telomerasi, che allunga le estremità dei cromosomi (queste estremità sono chiamate telomeri), e quindi, ad ogni divisione, i telomeri si accorciano di 50- 100 coppie di nucleotidi del DNA. L’enzima telomerasi esiste e la sua scoperta è stata premiata con il Premio Nobel nel 2009. E anche il fenomeno dell'accorciamento dei cromosomi nelle cellule in divisione prive di telomerasi è fuori dubbio (anche se è dovuto a una ragione leggermente diversa da quella sottolineata dall'autore della teoria dei telomeri, Alexey Olovnikov). Ma ridurre l'invecchiamento a questo fenomeno equivale a sostituire la partitura sinfonica più complessa con note di percussione su un tamburo. Non è un caso che nel 2003 A. Olovnikov abbia abbandonato pubblicamente la sua teoria, sostituendola con la cosiddetta teoria redumerica (anch'essa, tra l'altro, non indiscutibile). Ma ancora oggi, anche nelle università di medicina, i corsi di biologia presentano la teoria dei telomeri come l’ultima conquista del pensiero scientifico. Questo è, ovviamente, assurdo.

Un altro esempio viene dalle statistiche sulla mortalità. La formula principale di questa statistica è l'equazione di Gompertz, proposta nel 1825, o, con un termine di correzione, l'equazione di Gompertz-Makem (1860). Queste equazioni hanno rispettivamente due e tre coefficienti e i valori dei coefficienti variano notevolmente tra le diverse popolazioni di persone. E si scopre che i cambiamenti nei coefficienti di ciascuna equazione sono correlati tra loro. Sulla base dei quali vengono formulati modelli globali e mondiali: la cosiddetta correlazione Strehler-Mildvan e l'effetto compensatorio della mortalità che l'ha sostituita in questo post - l'ipotesi dei coniugi Gavrilov.

Ho compilato un piccolo modello per una popolazione condizionale di persone e con il suo aiuto mi sono convinto che tutti questi modelli sono molto probabilmente un artefatto. Il fatto è che un piccolo errore nella determinazione di un coefficiente crea una brusca deviazione dal valore reale di un altro coefficiente. E questo è percepito (in coordinate semi-logaritmiche) come una correlazione biologicamente significativa e serve come promessa per conclusioni ponderate.

- Sei sicuro di avere ragione quando parli del manufatto?

Ovviamente no! In generale, è dannoso per gli scienziati essere assolutamente sicuri di qualcosa, sebbene ci siano molti esempi del genere. Ma ho fatto del mio meglio per verificare il contrario: che le correlazioni non sono un artefatto. E non ho potuto verificare questo contrario. Quindi per ora, sulla base di un’analisi personale, di scala molto modesta, ho più motivi per credere che le correlazioni citate siano ancora artificiali. Riflettono gli errori del metodo e non i modelli biologici.

Come valuti le affermazioni secondo cui in natura esiste un numero enorme di organismi che non invecchiano e il loro elenco cresce di anno in anno?

Purtroppo, le teorie popolari secondo cui esistono sia cellule che organismi che non invecchiano mancano di prove sufficienti. Ogni anno, infatti, la cerchia degli animali “senza età” si allarga inesorabilmente. All'inizio si trattava praticamente solo di organismi unicellulari, poi ad essi furono aggiunti organismi pluricellulari inferiori (idra, molluschi, ricci di mare, ecc.). E ora sono comparse teste calde che “scoprono” certe specie senza età anche tra pesci, rettili e uccelli. Così andrà: presto arriveranno ai mammiferi e stabiliranno, ad esempio, che anche gli elefanti non invecchiano, ma muoiono semplicemente a causa dell'eccesso di peso corporeo!

- Sei convinto che non esistano animali senza età?

Non sono convinto che non esistano animali del genere (anche se sono propenso a crederlo), ma che non esiste una sola specie animale per la quale l'assenza di invecchiamento sia stata dimostrata in modo assolutamente affidabile. Per quanto riguarda le cellule umane (così come le cellule e altri rappresentanti del mondo animale), il grado di fiducia è forse ancora più elevato: le cellule staminali, le cellule germinali e persino le cellule tumorali, in linea di principio, invecchiano. Le cellule staminali erano considerate indiscutibilmente senza età, ma ora appaiono lavori sperimentali che dimostrano il contrario.

- Su cosa si basa questa fiducia? Hai effettuato tu stesso gli esperimenti rilevanti?

In generale, molto tempo fa, nel 1977-1980, ho cercato di affrontare il problema dell'invecchiamento in esperimenti sui topi. Ma i risultati poco attendibili (anche se sembravano confermare l’ipotesi iniziale) convinsero che fosse meglio fare analisi piuttosto che sperimentazione. Ed ecco uno dei risultati di questa analisi: il concetto di “Anerem”, o teoria ameiotica dell'invecchiamento. Comprende sei tesi (postulati, se volete), di cui una (la primissima) è puramente opera mia, e le restanti sono formulate sulla base di idee già esistenti in letteratura. E, naturalmente, è importante che tutte queste tesi formino un quadro abbastanza chiaro nel loro insieme.

Quindi è il concetto ameiotico, se rispettato, che esclude la possibilità dell'esistenza sia di cellule non invecchianti negli organismi multicellulari, sia di organismi non invecchianti (a cominciare da quelli unicellulari). Allo stesso tempo, ovviamente, sono consapevole che tutte le tesi concettuali sono ancora ipotesi. Ma sembrano molto più ragionevoli di altri punti di vista.

Quindi, il tuo concetto è come un tester, con l'aiuto del quale puoi valutare, relativamente parlando, la verità di determinati presupposti? In questo caso, dicci di più a riguardo.

Cercherò di renderlo il più accessibile possibile. Il nome stesso del concetto (“Anerem”) è un'abbreviazione delle parole autocatalisi, instabilità, riparazione, meiosi. Tesi uno. Ricordi che la definizione di vita di Engels era precedentemente molto nota: "La vita è il modo di esistere dei corpi proteici"? Ho rivisto questa definizione e ne ho data una mia, che costituisce la prima tesi: “La vita è un metodo di moltiplicazione autocatalitica del DNA (meno comunemente RNA) in natura”. Ciò significa che la forza trainante sia dell'emergere della vita che della sua successiva evoluzione è l'indomabile desiderio degli acidi nucleici di un'autoriproduzione infinita. In sostanza, qualsiasi organismo è una biomacchina evolutivamente migliorata, progettata per preservare e moltiplicare efficacemente il genoma che contiene, seguito dall'effettiva distribuzione delle sue copie nell'ambiente.

- È insolito sentirsi una biomacchina...

Niente, la sensazione passerà, ma la funzione, scusatemi, resterà. Tesi due: “L’instabilità del genoma è un elemento centrale dell’invecchiamento”. Questo è esattamente il modo in cui gli scienziati più sensati in Occidente, e anche qui, intendono l’invecchiamento. Il fatto è che, nonostante tutte le loro straordinarie capacità, gli acidi nucleici sono suscettibili agli effetti dannosi di molti fattori: radicali liberi, specie reattive dell'ossigeno, ecc. E sebbene nel corso dell’evoluzione siano stati creati molti sistemi protettivi (come il sistema antiossidante), nei filamenti del DNA si verificano costantemente numerosi danni. Per rilevarli e correggerli, esiste un altro sistema protettivo: la riparazione (restauro) del DNA. La tesi successiva, la terza, è un filtro che filtra tutto ciò che non invecchia: “La riparazione del genoma nelle cellule mitotiche e post-mitotiche non è completa”. Cioè, qualsiasi sistema di riparazione in queste cellule non fornisce la correzione del 100% di tutti i difetti del DNA che si verificano. E questo significa la natura universale dell’invecchiamento.

- Ma se tutto e tutti invecchiano, come si mantiene la vita sulla Terra?

Ebbene, mi sono interessato a questo problema nel 1977. E ho trovato, come mi sembrava, la mia risposta, sebbene giacesse in superficie. E 25 anni dopo, nel 2002, sfogliando i miei vecchi libri, mi sono reso conto che questa ipotesi non era affatto mia, ma l'avevo letta un anno prima nel libro di M. M. Vilenchik, felicemente dimenticata e poi ricordata, ma l'ho percepita come tuo. Queste sono le stranezze della memoria. Ma alla fine ciò che conta è l'essenza della questione, non le ambizioni dello scopritore.

L'essenza è formulata dalla quarta tesi: "Una riparazione efficace può essere ottenuta solo nella meiosi (o nella sua versione semplificata - endomixis) - durante la coniugazione (fusione) dei cromosomi". Sembra che tutti abbiano imparato cos'è la meiosi a scuola, ma sfortunatamente a volte anche i nostri studenti di medicina non lo sanno. Lascia che te lo ricordi: la meiosi è l'ultima doppia divisione nella formazione delle cellule germinali: sperma e uova. A proposito, ti svelo un segreto: le donne non formano le uova. In essi, la seconda divisione meiotica (allo stadio dell'ovocita II - lo sviluppo della cellula riproduttiva femminile) non può avvenire in modo indipendente, senza l'aiuto dello sperma. Perché la cellula ha “perso” da qualche parte i suoi centrioli (corpi della cellula coinvolti nella divisione): erano semplicemente lì (durante la divisione precedente), ma ora non ci sono più. E la fecondazione dell'ovocita II è assolutamente necessaria affinché lo sperma possa introdurre i suoi centrioli e salvare la situazione. Le vedo come tipiche “cose da donne”. Quindi alla fine avviene la seconda divisione meiotica, ma la cellula risultante non è più un uovo, ma uno zigote.

Ci siamo lasciati trasportare dalle "cose ​​​​femminili" e non abbiamo chiarito come si ottiene la riparazione completa del DNA nella meiosi.

La prima divisione della meiosi è preceduta da una profase molto lunga: nella gametogenesi maschile dura un mese intero e nella gametogenesi femminile dura fino a diversi decenni! In questo momento, i cromosomi omologhi si avvicinano l'uno all'altro e rimangono in questo stato quasi tutto il tempo della profase.

Allo stesso tempo, gli enzimi vengono attivati ​​bruscamente, tagliando e cucendo filamenti di DNA. Si credeva che ciò fosse necessario solo per l'incrocio: lo scambio di cromosomi nelle loro sezioni, che aumenta la variabilità genetica della specie. In effetti, i geni del “padre” e della “madre”, che sono ancora distribuiti in ciascuna coppia di cromosomi omologhi (strutturalmente identici) su cromosomi diversi, risultano mescolati dopo l'incrocio.

Ma M. M. Vilenchik, e dopo di lui io, abbiamo attirato l'attenzione sul fatto che gli enzimi di crossover sono molto simili agli enzimi di riparazione del DNA, in cui, tagliando le aree danneggiate, è anche necessario rompere e ricucire i filamenti di DNA. Cioè, la super-riparazione del DNA probabilmente avviene contemporaneamente al crossover. Si possono immaginare altri meccanismi di maggiore “riparazione” dei geni durante la meiosi. In un modo o nell'altro, in questo caso, si verifica un "ringiovanimento" radicale (più precisamente, completo) delle cellule, motivo per cui le cellule germinali mature iniziano a contare il tempo come da zero. Se qualcosa non funziona, nella cellula vengono attivati ​​i sensori di automonitoraggio dello stato del proprio DNA e inizia il processo di apoptosi - auto-
uccidendo la cellula.

- Quindi in natura il ringiovanimento avviene solo nelle cellule germinali in maturazione?

Assolutamente giusto. Ma questo è abbastanza per garantire l'immortalità della specie, sullo sfondo, ahimè, dell'inevitabile mortalità di tutti gli individui. Dopotutto, le cellule sessuali sono le uniche! - l'unico substrato materiale degli organismi genitori da cui nasce la nuova vita - la vita della prole.

E il fatto che questo meccanismo riguardi solo le cellule germinali è discusso nelle due rimanenti tesi del concetto, che punteggiano tutte le i. Tesi quinta: “La meiosi migliora lo stato del genoma solo nelle generazioni successive (più generazioni contemporaneamente negli organismi semplici e solo una in tutti gli altri).” Tesi sesta: “Da qui consegue l’inevitabilità dell’invecchiamento degli individui (individui) e la relativa immortalità della specie nel suo insieme”.

- Cosa, la meiosi avviene in tutte le specie animali?

Dovrebbe essere presente in tutte le specie animali - secondo il concetto di Anerem, se risultasse corretto. In effetti, il concetto si basa sull'universalità non solo dell'invecchiamento, ma anche della meiosi. Ho studiato a fondo questo problema utilizzando i dati della letteratura. Naturalmente, negli animali sufficientemente sviluppati - pesci e quelli "superiori" - esiste solo un metodo di riproduzione sessuale, che implica anche la presenza della meiosi. Inoltre, vi sono vasti settori sia della flora che della fauna in cui sono comuni tipi di riproduzione misti. Ciò significa che alternano atti più o meno prolungati di riproduzione asessuata (ad esempio divisioni mitotiche, sporulazione, gemmazione, frammentazione, ecc.) e atti singoli di riproduzione sessuale o quasi-sessuale. Una caratteristica essenziale del processo quasi-sessuale (la cosiddetta endomixi) è che anche qui avviene l'unione di cromosomi strutturalmente identici dell'insieme paterno e materno (coniugazione di cromosomi omologhi), sebbene non si concluda con il loro processo divergenza in cellule diverse.

Pertanto, con la riproduzione mista, diverse generazioni di organismi vivono, come se invecchiassero gradualmente (simile a come invecchiano le cellule che si dividono mitoticamente negli animali più complessi), e quindi il processo sessuale riporta i singoli organismi all'età "zero" e fornisce
offre una vita confortevole per molte altre generazioni. Infine, si ritiene che un certo numero di animali semplici si riproducano solo asessualmente. Ma nei loro confronti ho ancora qualche dubbio: questi organismi, in una lunga serie di riproduzione asessuata, non hanno visto qualcosa di simile alla meiosi o all'endomixi (autofecondazione)?

Si scopre che il concetto che stai sviluppando mette fine a tutti i sogni di prolungare la vita umana. Dopotutto, le cellule ordinarie (non riproduttive) sono destinate a invecchiare sempre di più?

No, non sto mettendo una croce. Innanzitutto perché ciò che per noi è molto più importante non è il fatto stesso dell’invecchiamento, ma la velocità di questo processo. E si può influenzare il tasso di invecchiamento in molti modi. Alcuni di essi sono noti, altri (come gli ioni di Skulachev) sono in fase di ricerca, altri verranno scoperti in seguito.

In secondo luogo, è possibile che col tempo sia possibile avviare alcuni processi meiotici nelle cellule somatiche, ad esempio nelle cellule staminali e non in divisione. Intendo quei processi che ripristinano lo stato del genoma: si tratta evidentemente della coniugazione di cromosomi omologhi, del crossover, o di qualcosa di più sottile e ancora sconosciuto. Non vedo alcuna ragione per cui ciò sarebbe impossibile in linea di principio. Nelle linee cellulari germinali, la meiosi viene effettuata da cellule che, in generale, hanno la stessa struttura di molte altre. Inoltre, anche dopo la coniugazione dei cromosomi, in questi ultimi rimane l'attività dei geni corrispondenti. Tuttavia, per realizzare questo progetto, è necessario prima identificare completamente i geni responsabili dei vari aspetti della meiosi e stabilire modi per colpirli. Questo è, ovviamente, un progetto davvero fantastico. Tuttavia, molto di ciò che abbiamo oggi non sembrava fantastico ieri?!

La meiosi, il processo più importante di divisione cellulare che avviene alla vigilia della formazione delle cellule germinali e fu scoperto alla fine del XIX secolo, è rimasta a lungo oggetto di grande attenzione da parte di una cerchia molto ristretta di citologi. È venuto a conoscenza dei biologi molecolari solo negli anni '90 del XX secolo. Il rapido sviluppo della ricerca in questo settore è stato facilitato dal lavoro sulla genetica molecolare degli oggetti modello, nonché dall'emergere di nuovi metodi immunocitochimici, che hanno fornito ai ricercatori un modo conveniente per studiare le proteine ​​coinvolte nella meiosi.

In tutti gli eucarioti, durante la meiosi, si forma una struttura submicroscopica, chiamata complesso sinaptonemico(dal greco synaptos - connesso, peta - filo). Uno studio sull'organizzazione molecolare di questo complesso e sul suo ruolo nella meiosi ha dimostrato che è necessario per la ricombinazione dei cromosomi e la riduzione del loro numero. Questo sarà discusso in questo articolo.

Ma prima ricordiamo le informazioni di base sulla meiosi, che consiste di due divisioni: meiosi I e meiosi II. Come risultato della divisione di riduzione (meiosi I), il numero di cromosomi nelle cellule figlie viene ridotto della metà rispetto al numero di cromosomi nella cellula madre. Ciò si verifica perché la quantità di DNA nei cromosomi raddoppia solo una volta prima della meiosi I (Figura 1). Una duplice riduzione del numero di cromosomi durante la formazione delle cellule germinali consente, durante la fecondazione, di ripristinare il numero originale (diploide) di cromosomi e di mantenerne la costanza. Ciò richiede una rigorosa separazione delle coppie di cromosomi omologhi tra le cellule germinali. Quando si verificano errori, si verifica un'aneuploidia, una mancanza o un eccesso di cromosomi, e questo squilibrio porta alla morte dell'embrione o a gravi anomalie dello sviluppo (nell'uomo, le cosiddette malattie cromosomiche).

Struttura e funzione del complesso sinaptonemico

Il complesso sinaptonemico è costituito da due assi proteici di cromosomi omologhi collegati da una cerniera proteica (Fig. 2). I denti della cerniera sono dimeri a forma di bastoncino di molecole proteiche piegate parallelamente e orientate in modo identico con una lunga α-elica al centro della molecola. Nel lievito S. cerevisiae - questa è la proteina Zip1, nei mammiferi e nell'uomo - SCP1 (SYCP1). Queste proteine ​​sono ancorate con le loro estremità C-terminali agli assi cromosomici (elementi laterali del complesso), e le loro estremità N-terminali sono dirette l'una verso l'altra, all'interno dello spazio centrale (Fig. 3). Agli N-terminali delle molecole ci sono "speroni" carichi - picchi alternati delle densità di cariche positive e negative degli amminoacidi (Fig. 4), la cui interazione complementare garantisce una forte connessione elettrostatica dei denti.

Il cosiddetto spazio centrale del complesso (lo spazio tra gli assi proteici, pieno di denti "di fissaggio", largo circa 100 nm), così come l'intero complesso (la sua sezione trasversale è di circa 150-200 nm) non lo sono visibile al microscopio ottico convenzionale, poiché l'intero complesso è mascherato dalla cromatina. Per la prima volta, il complesso sinaptonemico è stato osservato su sezioni ultrasottili (0,8 µm di spessore) di testicoli di gamberi e topi utilizzando un microscopio elettronico a trasmissione. Fu scoperto nel 1956 indipendentemente da due ricercatori americani: M. Moses e D. W. Fossett.

Ora, quando si studia il complesso, viene utilizzato il cosiddetto metodo di microspreading. Le cellule dei testicoli (o antere vegetali) dopo lo shock ipotonico vengono posizionate su un substrato di plastica applicato su un vetrino. Il contenuto della cella scoppiata viene fissato con una soluzione debole di formaldeide e contrastato con sali di metalli pesanti (meglio di tutti - AgNO 3). Il vetro viene osservato al microscopio a contrasto di fase e le cellule che dovrebbero contenere il complesso vengono selezionate sulla base di prove indirette. Un cerchio di pellicola con la cellula desiderata viene prelevato su una rete metallica e posto in un microscopio elettronico (Fig. 5). Se necessario, prima del contrasto, le cellule vengono trattate con anticorpi contro le proteine ​​di interesse del ricercatore. Questi anticorpi sono etichettati con sfere di oro colloidale calibrate, chiaramente visibili al microscopio elettronico.

Durante la profase della meiosi I, il complesso sinaptonemico mantiene cromosomi omologhi paralleli quasi finché non vengono costruiti all'equatore della cellula (metafase I). I cromosomi vengono collegati utilizzando il complesso sinaptonemico per un certo tempo (da 2 ore nel lievito a 2-3 giorni nell'uomo), durante il quale sezioni omologhe di DNA vengono scambiate tra cromosomi omologhi - attraversando. Il crossover, che avviene con una frequenza di almeno un evento (solitamente due, meno spesso tre o quattro) per coppia di cromosomi omologhi, coinvolge dozzine di proteine ​​enzimatiche specifiche della meiosi.

Il meccanismo molecolare del crossover e le sue conseguenze genetiche sono due grandi argomenti che vanno oltre lo scopo di questa storia. Questo processo ci interessa perché, come risultato di esso, i cromosomi omologhi sono saldamente collegati da molecole di DNA incrociate (chiasmi) e scompare la necessità di trattenere a coppie i cromosomi con l'aiuto del complesso sinaptonemico (una volta completato l'incrocio, il il complesso scompare). I cromosomi omologhi, collegati da chiasmi, si allineano all'equatore del fuso di divisione cellulare e si disperdono attraverso i fili del fuso di divisione cellulare in cellule diverse. Una volta completata la meiosi, il numero di cromosomi nelle cellule figlie viene dimezzato.

Quindi, solo alla vigilia della meiosi I, la struttura dei cromosomi cambia radicalmente. Una struttura intranucleare e intercromosomica molto specifica - il complesso sinaptonemico - appare una volta nel ciclo vitale di un organismo per un breve periodo per la connessione a coppie di cromosomi omologhi e l'incrocio, e poi viene smantellata. Questi e molti altri eventi durante la meiosi a livello molecolare e subcellulare (ultrastrutturale) sono assicurati dal lavoro di numerose proteine ​​che svolgono funzioni strutturali, catalitiche e cinetiche (motrici).

Proteine ​​del complesso sinaptonemico

Nei lontani anni '70, abbiamo ricevuto prove indirette che il complesso sinaptonemico è formato dall'autoassemblaggio dei suoi elementi, che può avvenire in assenza di cromosomi. L'esperimento è stato condotto dalla natura stessa e abbiamo potuto osservarlo. Si è scoperto che nell'ascaride del maiale, nel citoplasma delle cellule che si preparano alla meiosi I, compaiono pacchetti o "pile" di elementi morfologici del complesso sinaptonemico disposti in modo assolutamente corretto (sebbene non ci siano cromosomi nel citoplasma: sono nel nucleo ). Poiché nella fase di preparazione delle cellule per la meiosi non è ancora presente alcun complesso sinaptonemico nei nuclei cellulari, si presumeva che il controllo dell'ordine degli eventi meiotici in questo organismo primitivo fosse imperfetto. Un eccesso di proteine ​​di nuova sintesi nel citoplasma porta alla loro polimerizzazione e alla comparsa di una struttura non diversa dal complesso sinaptonemico. Questa ipotesi è stata confermata solo nel 2005 grazie al lavoro di un gruppo internazionale di ricercatori operanti in Germania e Svezia. Hanno dimostrato che se il gene che codifica per la proteina della cerniera dei mammiferi (SCP1) viene introdotto nelle cellule somatiche che crescono su un mezzo nutritivo artificiale e attivato, allora una potente rete di proteine ​​SCP1 appare all'interno delle cellule in coltura, "compresse" tra loro allo stesso modo. come nello spazio centrale del complesso. La formazione di uno strato di cerniere proteiche continue nella coltura cellulare significa che è stata dimostrata la capacità prevista delle proteine ​​complesse di autoassemblarsi.

Nel 1989 e nel 2001. I nostri collaboratori di laboratorio O. L. Kolomiets e Yu. S. Fedotova hanno studiato il naturale “smantellamento” dei complessi sinaptonemici nelle fasi finali della loro esistenza. Questo processo a più stadi è stato osservato meglio nelle cellule madri del polline nelle antere di segale, dove esiste una parziale sincronia della meiosi. Si è scoperto che gli elementi laterali del complesso vengono smantellati mediante il graduale “svolgimento” della superelica proteica, che ha tre livelli di confezionamento (Fig. 6).

La base degli elementi laterali estesi è un complesso di quattro proteine ​​di coesione (dall'inglese. coesione- frizione). Alla vigilia della meiosi, nei cromosomi compare una specifica proteina di coesione, Rec8, che sostituisce la coesione somatica Rad21. Successivamente viene unita da altre tre proteine ​​di coesione, che sono presenti anche nelle cellule somatiche, ma al posto della coesione somatica SMC1 appare la proteina specifica della meiosi SMC1b (il suo terminale N è diverso del 50% dal terminale N delle cellule somatiche). proteina SMC1). Questo complesso di coesione si trova all'interno del cromosoma tra due cromatidi fratelli, tenendoli insieme. Le proteine ​​specifiche della meiosi si legano al complesso di coesione, che diventa le proteine ​​principali degli assi cromosomici e li converte (questi assi) in elementi laterali del complesso sinaptonemico. Nei mammiferi, le principali proteine ​​del complesso sinaptonemico sono SCP2 e SCP3; nel lievito, le proteine ​​sono Hop1 e Red1, e la proteina specifica della meiosi è Rec8.

Il paradosso evolutivo delle proteine

Nei mammiferi e nel lievito, le proteine ​​del complesso sinaptonemico hanno sequenze aminoacidiche diverse, ma le loro strutture secondaria e terziaria sono le stesse. Pertanto, la proteina cerniera SCP1 nei mammiferi e la proteina non omologa Zip1 nel lievito sono costruite secondo un unico piano. Sono costituiti da tre domini amminoacidici: uno centrale - un'α-elica, capace di formare un'elica di secondo ordine (superavvolgimento) e due domini terminali - globuli. Le proteine ​​principali SCP2 e SCP3, che non hanno omologia con le proteine ​​Hop1 e Red1 del lievito e, apparentemente, con le proteine ​​del complesso ancora insufficientemente studiate nelle piante, costruiscono anche strutture morfologicamente e funzionalmente identiche del complesso sinaptonemale. Ciò significa che la struttura primaria (sequenza aminoacidica) di queste proteine ​​è una caratteristica evolutivamente neutra.

Quindi, proteine ​​​​non omologhe in organismi evolutivamente distanti costruiscono il complesso sinaptonemico secondo un unico piano. Per spiegare questo fenomeno, userò un'analogia con la costruzione di case con materiali diversi, ma secondo un unico piano. È importante che tali case abbiano pareti, soffitti, un tetto e che i materiali da costruzione soddisfino le condizioni di resistenza . Allo stesso modo, la formazione del complesso sinaptonemico richiede elementi laterali (“pareti”), filamenti trasversali (denti “cerniera”) – “sovrapposizione” e uno spazio centrale (spazio per la “cucina”). Qui dovrebbero adattarsi i “robot da cucina”: complessi di enzimi di ricombinazione assemblati nelle cosiddette “unità di ricombinazione”.

La larghezza dello spazio centrale del complesso sinaptonemico nel lievito, nel mais e nell'uomo è di circa 100 nm. Ciò è dovuto alla lunghezza delle sezioni di DNA a filamento singolo rivestite con la proteina di ricombinazione Rad51. Questa proteina appartiene ad un gruppo di enzimi (simili alla proteina di ricombinazione batterica RecA) che hanno mantenuto l'omologia dall'avvento della ricombinazione del DNA (circa 3,5 miliardi di anni fa). L'inevitabilità dell'omologia delle proteine ​​di ricombinazione in organismi distanti è determinata dalla loro funzione: interagiscono con la doppia elica del DNA (la stessa nei batteri e nei mammiferi), dividendola in filamenti a filamento singolo, li ricoprono con una copertura proteica, ne trasferiscono uno legarsi al cromosoma omologo e lì ripristinare nuovamente la doppia elica. Naturalmente la maggior parte degli enzimi coinvolti in questi processi mantengono l’omologia per più di 3 miliardi di anni. Al contrario, i complessi sinaptonemici, comparsi negli eucarioti dopo l'inizio della meiosi (circa 850 milioni di anni fa), sono costituiti da proteine ​​non omologhe... ma lo schema della struttura dei loro domini è lo stesso. Da dove viene questo diagramma?

Un indizio è la citata proteina Rec8, che dà inizio alla formazione degli assi cromosomici nel ciclo meiotico e che è presente in tutti gli organismi studiati. Si può presumere che il materiale da costruzione per gli assi dei cromosomi meiotici e gli elementi laterali del complesso sinaptonemale possa essere qualsiasi proteina intermedia in grado di formare una struttura fibrosa (SCP2, Hop1, ecc.), Interagendo con la coesione Rec8 e “ precipitando” su di esso, come il cemento su raccordi metallici

Negli ultimi anni, incontrando difficoltà nello svolgimento del lavoro sperimentale a causa di finanziamenti insufficienti, abbiamo iniziato a utilizzare attivamente metodi bioinformatici. Eravamo interessati alla proteina cerniera della Drosophila. Data la somiglianza delle strutture secondarie e terziarie delle proteine ​​Zip1 del lievito e dell'SCP1 umano, abbiamo ipotizzato che la proteina Zipper della Drosophila abbia la stessa struttura. Abbiamo iniziato il nostro lavoro nel 2001, quando il genoma della Drosophila era già stato sequenziato e si sapeva che conteneva circa 13mila geni potenziali. Come possiamo trovare il gene della proteina che stiamo cercando?

Tra i 125 geni della meiosi conosciuti a quel tempo in Drosophila, prevedevamo un solo candidato per questo ruolo. Il fatto è che la mutazione genetica c(3)G i cromosomi privati ​​della capacità di unirsi in coppia utilizzando una “cerniera” ed entrare in ricombinazione. Abbiamo ipotizzato che i mutanti abbiano una proteina difettosa che forma i denti submicroscopici dell'elemento di fissaggio. La struttura secondaria e la conformazione della proteina desiderata dovrebbero essere simili alle proteine ​​Zip1 e SCP1.

Sapendo che il gene c(3)G si trova nella Drosophila sul cromosoma 3, abbiamo cercato nel database di questa regione (che comprende 700mila paia di basi) un open reading frame che potesse codificare una proteina simile. Abbiamo capito che in assenza di omologia nella struttura primaria della proteina desiderata e della proteina del lievito, la loro dimensione, organizzazione (di tre domini) e la capacità del dominio centrale di formare un'α-elica di una certa lunghezza (circa 40 nm) dovrebbe essere simile. Ciò è stato evidenziato dalla somiglianza dell'immagine al microscopio elettronico del complesso sinaptonemico nella meiosi nel lievito e nella Drosophila.

Abbiamo esaminato i frame di lettura aperti per quasi 80 geni nell'area di ricerca. Utilizzando programmi per computer che consentono di prevedere la struttura secondaria di una proteina virtuale, le sue proprietà fisico-chimiche e la distribuzione delle cariche elettrostatiche nelle molecole, T. M. Grishaeva ha trovato un tale quadro di lettura al confine della zona di localizzazione del gene c(3)G.(Ciò non era stato previsto in modo molto accurato dai genetisti giapponesi su una mappa microscopica dei cromosomi.) Si rivelò essere un gene CG1J604 secondo la mappa genomica dell'azienda Selera.

Abbiamo concluso che questo gene virtuale deve essere un gene noto da tempo c(3)G e codifica per una proteina simile alla proteina Zip1 del lievito. In risposta al nostro messaggio, abbiamo ricevuto un'e-mail dagli Stati Uniti da S. Hawley. Ha dimostrato sperimentalmente che il gene c(3)G codifica per una proteina che forma una "cerniera" tra i cromosomi nella meiosi nella Drosophila. I risultati del nostro lavoro coincidevano, ma il lavoro sperimentale del gruppo di Hawley durò circa sette anni e il nostro lavoro al computer da parte di tre persone durò solo circa tre mesi. Gli articoli furono pubblicati simultaneamente. Nel 2003 abbiamo pubblicato il metodo delle nostre ricerche al computer e fornito esempi di proteine ​​virtuali simili in altri organismi. Questo lavoro è ora citato facilmente dai colleghi stranieri e il nostro metodo funziona con successo nelle loro mani in combinazione con test sperimentali. Così, nel 2005, un gruppo di biologi inglesi ha scoperto il gene e la proteina dei denti della cerniera nella pianta Arabidopsis thaliana .

In conclusione, darò un esempio di un'altra scoperta nel campo della biologia molecolare della meiosi, ma dobbiamo iniziare con la mitosi. Affinché i cromatidi si separino durante l'anafase della mitosi, la coesione che li “incolla insieme” deve essere distrutta. L'idrolisi delle coesine durante la mitosi è un evento geneticamente programmato. Ma nella metafase della meiosi I, quando i cromosomi omologhi sono allineati all'equatore della cellula e il fuso proteico è pronto a trascinarli verso i poli, l'idrolisi delle coesine risulta impossibile. Questo è il motivo per cui entrambi i cromatidi di ciascun cromosoma, incollati insieme nella regione del centro cinetico dei cromosomi (cinetocore), sono diretti verso un polo (vedi Fig. 1). Alla fine degli anni '90, i ricercatori giapponesi, studiando la meiosi nel lievito, scoprirono che nella regione del cinetocore le coesine sono protette da una proteina che chiamarono shugoshin (la radice di questo termine è presa dal vocabolario dei samurai e significa protezione). Molto rapidamente, la comunità globale di ricercatori sulla meiosi è giunta alla conclusione che proteine ​​shugoshin simili esistono nella Drosophila, nel mais e in altri oggetti. Inoltre, i geni che “proibiscono” la separazione dei cromatidi nella meiosi I nella Drosophila erano noti 10 anni prima, ma il loro prodotto proteico non era stato decifrato. E nel 2005, un gruppo di ricercatori americani dell'Università della California a Berkeley, tra cui il nostro connazionale e mio collega di lunga data nella ricerca sulla meiosi I. N. Golubovskaya, ha riferito che durante la metafase I della meiosi nei cromosomi del mais, shugoshin ZmSGO1 si trova su entrambi i lati dei cinetocori , e appare in questa regione solo se è già presente la coesione Rec8, che protegge dall'idrolisi (ma solo nella meiosi I). Questi risultati sono stati ottenuti utilizzando anticorpi fluorescenti contro le proteine ​​e un microscopio confocale. Resta da aggiungere che i ricercatori giapponesi hanno subito riferito che shugoshin protegge Rec8 dall'idrolisi se shugoshin viene defosforilato. La fosforilazione e la defosforilazione, così come l'acetilazione e la deacetilazione, sono importanti modifiche che modificano le proprietà delle molecole proteiche.

Aspetto applicativo

Tutto ciò che è stato detto è una bellissima scienza fondamentale, ma è possibile utilizzare questa conoscenza per scopi pratici? Potere. Già a metà degli anni '80, ricercatori britannici e il nostro laboratorio, utilizzando vari modelli sperimentali, hanno dimostrato che utilizzando microdiffusioni di complessi sinaptonemali è possibile identificare il doppio dei riarrangiamenti cromosomici (delezioni, traslocazioni, inversioni) rispetto al metodo tradizionale dell'analisi cromosomica analisi in fase metafase (Fig. 7). Il fatto è che il complesso sinaptonemico è la struttura scheletrica dei cromosomi meiotici in profase. In questo momento, i cromosomi sono circa 10 volte più lunghi, il che aumenta significativamente la risoluzione dell'analisi. Tuttavia, è quasi impossibile studiare i cromosomi profase aggrovigliati e le rigide strutture scheletriche del complesso sinaptonemico non hanno paura di diffondersi e, inoltre, un microscopio elettronico è in grado di distinguere mini-aberrazioni inaccessibili al microscopio ottico.

Ci siamo chiesti: è possibile stabilire la causa della sterilità nella prole di topi irradiati studiando non i cromosomi, ma il complesso sinaptonemico? Si è scoperto che nei topi sterili che hanno ereditato le traslocazioni cromosomiche dai loro genitori, questi riarrangiamenti vengono rilevati utilizzando il complesso nel 100% delle cellule studiate e con metodi convenzionali di analisi "metafase" - solo nel 50% delle cellule. Un gruppo di ricercatori spagnoli ha esaminato più di mille uomini affetti da infertilità. In un terzo di loro, la causa dell'infertilità non poteva essere stabilita in precedenza, e lo studio del complesso sinaptonemico delle cellule testicolari di questi pazienti ha permesso alla metà di loro di fare una diagnosi: la causa dell'infertilità è l'assenza del complesso sinaptonemico. , motivo per cui gli spermatociti (cellule precursori dello sperma) non si sviluppano, cioè è stato osservato un "arresto" del processo di meiosi e di tutta la spermatogenesi. Risultati simili sono stati ottenuti da O. L. Kolomiets insieme ai medici di Kharkov. Lo studio del complesso sinaptonemico in combinazione con altri metodi di analisi aumenta la percentuale di identificazione delle cause di infertilità nei pazienti maschi esaminati dal 17 al 30%. Alcune cliniche inglesi già negli anni '90 del XX secolo. utilizzato attivamente metodi simili. Tale diagnostica, ovviamente, richiede elevate qualifiche teoriche e pratiche da parte dei medici e l'uso di microscopi elettronici. I laboratori russi non hanno ancora raggiunto questo livello, ad eccezione dell'omonimo Istituto di genetica generale. N.I. Vavilova RAS (Mosca) e l'Istituto di citologia e genetica SB RAS (Novosibirsk).

Si potrebbe pensare che la ricerca intensiva sui meccanismi della meiosi porterà inevitabilmente all'applicazione delle conoscenze acquisite in quei settori della biologia e della medicina associati alla fertilità degli organismi viventi, compreso l'uomo. Tuttavia, la legge sull'applicazione pratica dei risultati scientifici è invariata: "implementare" qualcosa con la forza è inutile. I professionisti stessi devono seguire i risultati della scienza e usarli. Questo è l’approccio adottato dalle principali aziende farmaceutiche e biotecnologiche.

Dalla scoperta della meiosi (1885) alla scoperta del complesso sinaptonemico (1956) sono trascorsi circa 70 anni, e dal 1956 alla scoperta delle proteine ​​del complesso sinaptonemico (1986) altri 30. Nei successivi 20 anni, appreso la struttura di queste proteine, i loro geni codificanti e le proteine ​​di interazione nella costruzione e nel funzionamento dei complessi sinaptonemali, in particolare, la loro interazione con le proteine ​​enzimatiche di ricombinazione del DNA, ecc., cioè più che nel precedente periodo di 30 anni di descrizione studi citologici. Potrebbero essere necessari non più di due decenni per decifrare i meccanismi molecolari di base della meiosi. La storia della scienza, come quella di ogni civiltà, è caratterizzata dalla “compressione del tempo”, da una crescente compattazione di eventi e scoperte.

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