Првата поделба на мејозата е кратка. Мејоза. Фази на мејоза. Профазата II е многу кратка. Се карактеризира со спирализирање на хромозомите, исчезнување на нуклеарната мембрана и јадрото и формирање на вретено на фисија.

Суштината на мејозата- образование клетки со хаплоиден сет на хромозоми.

Мејозасе состои од две последователни поделби.

Помеѓу нив не се случува репликација на ДНК – затоа комплетот е хаплоиден.

Благодарение на овој процес, се случува следново:

• гаметогенеза;
• в формирање на пори кај растенијата;
• и варијабилност на наследни информации

Сега да го разгледаме овој процес подетално.

Мејозапретставува 2 дивизии, следејќи се еден по друг.

Како резултат на тоа, тие обично се формираат четири клетки(освен на пример, каде што по првата поделба, втората ќелија не се дели понатаму, туку веднаш се намалува).

Тука има уште една важна точка: како резултат на мејозата, по правило, три од четири клетки се намалуваат, оставајќи една, т.е. природна селекција. Ова е исто така една од задачите на мејозата.

Интерфаза прва дивизија:

клетката преминува од состојбата 2n2c до 2n4c, бидејќи се случи репликација на ДНК.

Профаза:

Во првата поделба, се случува важен процес - преминување преку.

Во профаза I на мејозата, секој од веќе извртените бихроматидни хромозоми, едновалентиблиска врска со хомологнина неа. Ова се нарекува (добро помешано со конјугација на цилијати), или синапсис. Пар хомологни хромозоми кои се спојуваат се нарекува

Хроматидот потоа се вкрстува со хомологен (не-сестрински) хроматид на соседниот хромозом (со кој е формиран бивалентен). Местото каде што се вкрстуваат хроматидите се нарекува. Хиазмооткриен во 1909 година од белгискиот научник Франс Алфонс Јансенс.

И тогаш парче хроматид се откинува на своето место хијазматаи скока на друга (хомологна, т.е. не-сестринска) хроматид.

Се случи генска рекомбинација .

Резултат: некои гени мигрирале од еден хомолог во друг хромозом.

Пред преминување прекуеден хомологен хромозом поседувал гени од мајчиниот организам, а вториот од татковскиот. И тогаш и двата хомологни хромозоми ги поседуваат гените и на мајчиниот и на татковскиот организам.

Значење преминување преку Ова е: како резултат на овој процес, се формираат нови комбинации на гени, затоа има поголема наследна варијабилност и затоа постои поголема веројатност за појава на нови особини кои можат да бидат корисни.

Синапсис (конјугација)секогаш се јавува за време на мејозата, но преминување прекуможе да не се случи.

Поради сите овие процеси: конјугација, вкрстувањепрофазата I е подолга од профазата II.

Метафаза

Главната разлика помеѓу првата поделба на мејозата и

во митозата, бихроматидните хромозоми се редат долж екваторот и во првата поделба на мејозата бивалентнихомологни хромозоми, за секој од нив се прикачени филаменти на вретеното.

Анафаза

поради фактот што се наредени покрај екваторот бивалентни, се јавува дивергенција на хомологните бихроматидни хромозоми. За разлика од митозата, во која хроматидите на еден хромозом се одвојуваат.

Телофаза

Добиените ќелии се менуваат од состојбата 2n4c во n2c, како повторно се разликуваат од клетките формирани како резултат на митоза: прво, тие хаплоиден. Ако при митозата, на крајот на делбата, се формираат апсолутно идентични клетки, тогаш во првата поделба на мејозата, секоја клетка содржи само еден хомологен хромозом.

Грешките во сегрегацијата на хромозомите за време на првата поделба може да доведат до трисомија. Односно присуство на уште еден хромозом во еден пар хомологни хромозоми. На пример, кај луѓето, трисомија 21 е причина за Даунов синдром.

Интерфаза помеѓу првата и втората поделба

- или многу кратко или воопшто не. Затоа, пред втората поделба нема репликација на ДНК. Ова е многу важно, бидејќи втората поделба е генерално неопходна за да се појават клетките хаплоиденсо единечни хроматидни хромозоми.

Втора дивизија

- се јавува речиси исто како митотичната поделба. Влегуваат само во поделба хаплоиденклетки со дво-хроматидни хромозоми (n2c), од кои секоја е порамнета по екваторот, нишките на вретеното се прикачени на центромерисекој хроматид на секој хромозом во метафазаII.ВО анафазаIIхроматидите се одвојуваат. И во телофазаIIсе формираат хаплоиденклетки со единечни хроматидни хромозоми ( nc). Ова е неопходно така што при спојување со друга слична ќелија (nc), се формира „нормален“ 2n2c.

За живите организми се знае дека дишат, се хранат, се размножуваат и умираат; тоа е нивната биолошка функција. Но, зошто сето ова се случува? Поради циглите - клетки кои исто така дишат, се хранат, умираат и се размножуваат. Но, како се случува ова?

За структурата на клетките

Куќата е направена од тули, блокови или трупци. Исто така, еден организам може да се подели на елементарни единици - клетки. Целата разновидност на живите суштества се состои од нив, разликата лежи само во нивната количина и типови. Тие се состојат од мускули, коскено ткиво, кожа, сите внатрешни органи - толку многу се разликуваат во нивната намена. Но, без оглед на функциите што ги извршува одредена клетка, сите тие се структурирани приближно исто. Како прво, секоја „тула“ има школка и цитоплазма со органели лоцирани во неа. Некои клетки немаат јадро, тие се нарекуваат прокариотски, но сите повеќе или помалку развиени организми се состојат од еукариоти, кои имаат јадро во кое се чуваат генетските информации.

Органелите лоцирани во цитоплазмата се разновидни и интересни, тие вршат важни функции. Клетките од животинско потекло вклучуваат ендоплазматичен ретикулум, рибозоми, митохондрии, комплекс Голџи, центриоли, лизозоми и моторни елементи. Со нивна помош се одвиваат сите процеси кои обезбедуваат функционирање на телото.

Активност на клетките

Како што веќе споменавме, сите живи суштества јадат, дишат, се размножуваат и умираат. Оваа изјава е точна и за цели организми, односно луѓе, животни, растенија итн., и за клетките. Неверојатно е, но секоја „цигла“ има свој живот. Поради своите органели прима и обработува хранливи материи, кислород и отстранува се што е непотребно надвор. Самата цитоплазма и ендоплазматскиот ретикулум вршат транспортна функција, митохондриите се исто така одговорни за дишењето, како и за обезбедување на енергија. Комплексот Голџи е одговорен за акумулација и отстранување на отпадните производи од клетките. Други органели исто така учествуваат во сложени процеси. И во одредена фаза почнува да се дели, односно се јавува процесот на репродукција. Вреди да се разгледа подетално.

Процес на клеточна делба

Репродукцијата е една од фазите на развој на живиот организам. Истото важи и за клетките. Во одредена фаза од нивниот животен циклус, тие влегуваат во состојба во која се подготвени за репродукција. тие едноставно се делат на два дела, издолжувајќи, а потоа формирајќи партиција. Овој процес е едноставен и речиси целосно проучен користејќи го примерот на бактерии во облик на прачка.

Работите се малку покомплицирани. Тие се репродуцираат на три различни начини, наречени амитоза, митоза и мејоза. Секоја од овие патишта има свои карактеристики, таа е вродена во одреден тип на клетка. Амитоза

се смета за наједноставна, се нарекува и директна бинарна фисија. Кога ќе се појави, молекулата на ДНК се удвојува. Сепак, вретеното на фисија не е формирано, така што овој метод е енергетски најефикасен. Амитоза се јавува кај едноклеточни организми, додека ткивата на повеќеклеточните организми се репродуцираат со помош на други механизми. Сепак, понекогаш се забележува каде митотичната активност е намалена, на пример, во зрелите ткива.

Директната фисија понекогаш се разликува како вид на митоза, но некои научници ја сметаат за посебен механизам. Овој процес се случува доста ретко дури и во старите клетки. Следно, ќе се разгледаат мејозата и нејзините фази, процесот на митоза, како и сличностите и разликите на овие методи. Во споредба со едноставната поделба, тие се покомплексни и посовршени. Ова е особено точно за редукциската поделба, така што карактеристиките на фазите на мејозата ќе бидат најдетални.

Важна улога во клеточната делба играат центриоли - специјални органели, обично лоцирани веднаш до комплексот Голџи. Секоја таква структура се состои од 27 микротубули, групирани во групи од по три. Целата структура има цилиндрична форма. Центриолите се директно вклучени во формирањето на вретеното на клеточната делба за време на процесот на индиректна поделба, за што ќе се дискутира подоцна.

Митоза

Животниот век на клетките варира. Некои живеат неколку дена, а некои може да се класифицираат како долги, бидејќи нивната целосна промена се случува многу ретко. И речиси сите овие клетки се репродуцираат преку митоза. За повеќето од нив, во просек поминуваат 10-24 часа помеѓу периодите на делење. Самата митоза трае краток временски период - кај животните приближно 0,5-1

час, а за растенијата околу 2-3. Овој механизам обезбедува раст на клеточната популација и репродукција на единици идентични во нивната генетска содржина. Така се одржува континуитетот на генерациите на елементарно ниво. Во овој случај, бројот на хромозоми останува непроменет. Овој механизам е најчестиот тип на репродукција на еукариотските клетки.

Значењето на овој тип на поделба е големо - овој процес им помага на ткивата да растат и регенерираат, поради што настанува развојот на целиот организам. Покрај тоа, митозата е основата на бесполовата репродукција. И уште една функција е движењето на клетките и замена на веќе застарените. Затоа, не е точно да се претпостави дека бидејќи фазите на мејозата се посложени, нејзината улога е многу поголема. И двата од овие процеси извршуваат различни функции и се важни и незаменливи на свој начин.

Митозата се состои од неколку фази кои се разликуваат по нивните морфолошки карактеристики. Состојбата во која клетката е подготвена за индиректна делба се нарекува интерфаза, а самиот процес е поделен на уште 5 фази, кои треба подетално да се разгледаат.

Фази на митоза

Додека е во интерфаза, клетката се подготвува да се подели: ДНК и протеините се синтетизираат. Оваа фаза е поделена на уште неколку, при што се јавува раст на целата структура и удвојување на хромозомите. Клетката останува во оваа состојба до 90% од целиот свој животен циклус.

Останатите 10% се окупирани од самата поделба, која е поделена на 5 фази. При митоза на растителните клетки се ослободува и препрофаза, која во сите други случаи ја нема. Се формираат нови структури, јадрото се движи кон центарот. Формирана е предпрофазна лента, означувајќи го очекуваното место на идната поделба.

Во сите други клетки, процесот на митоза се одвива на следниов начин:

Табела 1

По завршувањето на поделбата на генетските информации, се јавува цитокинеза или цитотомија. Овој термин се однесува на формирање на ќерки клеточни тела од телото на мајката. Во овој случај, органелите, како по правило, се поделени на половина, иако се можни исклучоци; се формира септум. Цитокинезата не е поделена во посебна фаза, по правило се смета во рамките на телофазата.

Значи, најинтересните процеси вклучуваат хромозоми, кои носат генетски информации. Кои се тие и зошто се толку важни?

За хромозомите

Дури и без најмала идеја за генетиката, луѓето знаеја дека многу квалитети на потомството зависат од родителите. Со развојот на биологијата, стана очигледно дека информациите за одреден организам се складираат во секоја клетка, а дел од нив се пренесуваат на идните генерации.

На крајот на 19 век, откриени се хромозоми - структури кои се состојат од долга

ДНК молекули. Тоа стана возможно со подобрувањето на микроскопите, а и сега тие можат да се видат само во периодот на поделба. Најчесто, откритието му се припишува на германскиот научник В. Флеминг, кој не само што рационализирал сè што било проучувано пред него, туку и дал свој придонес: тој бил еден од првите што ја проучувал клеточната структура, мејозата и нејзините фази. и го воведе терминот „митоза“. Самиот концепт на „хромозом“ беше предложен малку подоцна од друг научник - германскиот хистолог Г. Валдеер.

Структурата на хромозомите кога се јасно видливи е прилично едноставна - тие се два хроматиди поврзани во средината со центромер. Тоа е специфична нуклеотидна секвенца и игра важна улога во процесот на репродукција на клетките. На крајот на краиштата, хромозомот по изглед во профаза и метафаза, кога најдобро може да се види, наликува на буквата X.

Во 1900 година беа откриени принципите кои го опишуваат преносот на наследни карактеристики. Тогаш конечно стана јасно дека хромозомите се токму она преку кои се пренесуваат генетските информации. Потоа, научниците спроведоа голем број експерименти што го докажуваат тоа. И тогаш предмет на проучување беше влијанието што клеточната делба го има врз нив.

Мејоза

За разлика од митозата, овој механизам на крајот доведува до формирање на две клетки со збир на хромозоми што е 2 пати помал од првобитниот. Така, процесот на мејоза служи како премин од диплоидна фаза во хаплоидна фаза, и првенствено

Зборуваме за поделба на јадрото, и второ, за поделба на целата клетка. Реставрацијата на целосниот сет на хромозоми се јавува како резултат на понатамошна фузија на гамети. Поради намалувањето на бројот на хромозоми, овој метод се дефинира и како редукциона клеточна делба.

Мејозата и нејзините фази ги проучувале познати научници како В. Флеминг, Е. Стразбургер, В. И. Белјаев и други. Студијата за овој процес во клетките и на растенијата и на животните сè уште е во тек - тој е толку сложен. Првично, овој процес се сметаше за варијанта на митоза, но речиси веднаш по неговото откривање беше идентификуван како посебен механизам. Карактеристиките на мејозата и нејзиното теоретско значење првпат беа доволно опишани од Август Вајсман во 1887 година. Оттогаш, проучувањето на процесот на поделба на редукција значително напредна, но извлечените заклучоци сè уште не се побиени.

Мејозата не треба да се меша со гаметогенезата, иако и двата процеси се тесно поврзани. И двата механизми се вклучени во формирањето на герминативните клетки, но меѓу нив има голем број сериозни разлики. Мејозата се јавува во две фази на поделба, од кои секоја се состои од 4 главни фази, со кратка пауза меѓу нив. Времетраењето на целиот процес зависи од количината на ДНК во јадрото и структурата на хромозомската организација. Во принцип, тоа е многу подолго во споредба со митозата.

Патем, една од главните причини за значителна разновидност на видовите е мејозата. Како резултат на поделбата на редукцијата, множеството хромозоми се дели на два дела, така што се појавуваат нови комбинации на гени, првенствено потенцијално зголемување на приспособливоста и приспособливоста на организмите, кои на крајот добиваат одредени групи на карактеристики и квалитети.

Фази на мејоза

Како што веќе споменавме, редукцијата на клеточната делба е конвенционално поделена на две фази. Секоја од овие фази е поделена на уште 4. А првата фаза на мејозата - профаза I, пак, е поделена на уште 5 одделни фази. Како што продолжува проучувањето на овој процес, во иднина може да се идентификуваат и други. Сега се разликуваат следните фази на мејоза:

табела 2

Значи, очигледно е дека фазите на поделба на мејозата се многу посложени од процесот на митоза. Но, како што веќе беше споменато, ова не ја намалува биолошката улога на индиректната поделба, бидејќи тие вршат различни функции.

Патем, мејозата и нејзините фази се забележани и кај некои протозои. Сепак, по правило, вклучува само една поделба. Се претпоставува дека оваа едностепена форма подоцна се развила во модерна двостепена форма.

Разлики и сличности помеѓу митозата и мејозата

На прв поглед, се чини дека разликите помеѓу овие два процеси се очигледни, бидејќи тоа се сосема различни механизми. Сепак, по подлабока анализа, излегува дека разликите помеѓу митозата и мејозата не се толку глобални; на крајот, тие доведуваат до формирање на нови клетки.

Пред сè, вреди да се зборува за тоа што имаат заедничко овие механизми. Всушност, постојат само две коинциденции: во иста низа на фази, а исто така и во фактот дека

Репликацијата на ДНК се јавува пред двата типа на поделба. Иако, што се однесува до мејозата, овој процес не е целосно завршен пред почетокот на профазата I, завршувајќи на една од првите подфази. И иако низата на фази е слична, во суштина, настаните што се случуваат во нив не се совпаѓаат целосно. Значи, сличностите помеѓу митозата и мејозата не се толку многу.

Има многу повеќе разлики. Прво на сите, митозата се јавува во додека мејозата е тесно поврзана со формирањето на герминативните клетки и спорогенезата. Во самите фази процесите целосно не се совпаѓаат. На пример, преминувањето во митозата се случува за време на интерфазата, а не секогаш. Во вториот случај, овој процес вклучува анафаза на мејозата. Рекомбинација на гените во индиректна поделба обично не се случува, што значи дека таа не игра никаква улога во еволутивниот развој на организмот и одржувањето на интраспецифичната разновидност. Бројот на клетки кои произлегуваат од митозата е два, и тие се генетски идентични со мајката и имаат диплоиден сет на хромозоми. За време на поделбата на намалување сè е поинаку. Резултатот од мејозата е 4 различен од мајчиниот. Покрај тоа, двата механизми значително се разликуваат во времетраењето, а тоа се должи не само на разликата во бројот на фази на поделба, туку и на времетраењето на секоја фаза. На пример, првата профаза на мејозата трае многу подолго, бидејќи во тоа време се случува конјугација и вкрстување на хромозомите. Затоа и понатаму се дели на неколку фази.

Генерално, сличностите помеѓу митозата и мејозата се прилично мали во споредба со нивните разлики едни од други. Речиси е невозможно да се збунат овие процеси. Затоа, сега е малку изненадувачки што поделбата на редукција претходно се сметаше за еден вид митоза.

Последици од мејоза

Како што веќе беше споменато, по завршувањето на процесот на редукција на делба, наместо матичната клетка со диплоиден сет на хромозоми, се формираат четири хаплоидни. И ако зборуваме за разликите помеѓу митозата и мејозата, ова е најзначајното. Враќањето на потребната количина, кога станува збор за герминативните клетки, се случува по оплодувањето. Така, со секоја нова генерација бројот на хромозоми не се удвојува.

Покрај тоа, за време на мејозата се јавува За време на процесот на репродукција, ова води до одржување на интраспецифична разновидност. Значи, фактот што дури и браќата и сестрите понекогаш се многу различни едни од други е токму резултат на мејозата.

Патем, стерилноста на некои хибриди во животинскиот свет е исто така проблем на поделба на редукција. Факт е дека хромозомите на родителите кои припаѓаат на различни видови не можат да влезат во конјугација, што значи дека процесот на формирање на полноправни остварливи герминативни клетки е невозможен. Така, мејозата е основата на еволутивниот развој на животните, растенијата и другите организми.

Мејозата се јавува во клетките на организмите кои се размножуваат сексуално.

Биолошкото значење на феноменот се определува со нов сет на карактеристики кај потомците.

Во оваа работа, ќе ја разгледаме суштината на овој процес и, за јасност, ќе ја претставиме на сликата, ќе ја разгледаме низата и времетраењето на поделбата на герминативните клетки, а исто така ќе ги откриеме сличностите и разликите помеѓу митоза и мејоза.

Што е мејоза

Процес придружен со формирање на четири клетки со еден хромозомски сет од еден оригинален.

Генетските информации на секоја новоформирана клетка одговараат на половина од множеството соматски клетки.

Фази на мејоза

Мејотичката поделба вклучува две фази, кои се состојат од четири фази секоја.

Прва дивизија

Вклучува профаза I, метафаза I, анафаза I и телофаза I.

Профаза I

Во оваа фаза се формираат две клетки со половина од множеството генетски информации. Профазата на првата поделба вклучува неколку фази. Нему му претходи премејотична интерфаза, при што се јавува репликација на ДНК.

Потоа настанува кондензација, формирање на долги тенки филаменти со протеинска оска за време на лептотенот. Оваа нишка е прикачена на нуклеарната мембрана со помош на терминални екстензии - приклучни дискови. Сè уште не се разликуваат половините од удвоените хромозоми (хроматиди). Кога се испитуваат, тие изгледаат како монолитни структури.

Следува фазата на зиготен. Хомолозите се спојуваат за да формираат биваленти, чиј број одговара на еден број на хромозоми. Процесот на конјугација (поврзување) се спроведува помеѓу парови кои се слични по генетски и морфолошки аспект. Покрај тоа, интеракцијата започнува од краевите, ширејќи се по телата на хромозомот. Комплекс на хомолози поврзани со протеинска компонента - бивалентна или тетрада.

Спирализацијата се јавува за време на фазата на густа нишка, пахитен. Овде дуплирањето на ДНК е веќе целосно завршено и започнува вкрстувањето. Ова е размена на хомологни региони. Како резултат на тоа, се формираат поврзани гени со нови генетски информации. Транскрипцијата се случува паралелно. Се активираат густи делови од ДНК - хромомери, што доведува до промена на структурата на хромозомите како „четки за светилки“.

Хомологните хромозоми се кондензираат, скратуваат и се разминуваат (освен точките на поврзување - хиазмата). Ова е фаза во биологијата на диплотен или диктотен. Хромозомите во оваа фаза се богати со РНК, која се синтетизира во истите области. Во однос на својствата, второто е блиску до информативно.

Конечно, бивалентите се дисперзираат на периферијата на јадрото. Вторите се скратуваат, ги губат своите јадра и стануваат компактни, а не се поврзани со нуклеарната обвивка. Овој процес се нарекува дијакинеза (транзиција кон клеточна делба).

Метафаза I

Следно, бивалентите се движат кон централната оска на клетката. Вретените на поделба се протегаат од секој центромер, секој центромер е подеднакво оддалечен од двата пола. Мали амплитудни движења на нишките ги држат во оваа положба.

Анафаза I

Одделени се хромозомите, изградени од два хроматиди. Рекомбинацијата се јавува со намалување на генетската разновидност (поради отсуството на хомологи во множеството гени лоцирани во локуси (региони).

Телофаза I

Суштината на фазата е дивергенцијата на хроматидите со нивните центромери до спротивните делови на клетката. Во животинска клетка, се јавува цитоплазматска поделба, во растителна клетка, се јавува формирање на клеточен ѕид.

Втора дивизија

По интерфазата на првата поделба, ќелијата е подготвена за втората фаза.

Профаза II

Колку е подолга телофазата, толку е пократко времетраењето на профазата. Хроматидите се редат долж клетката, формирајќи прав агол со нивните оски во однос на нишките од првата мејотска поделба. Во оваа фаза тие се скратуваат и згуснуваат, а јадрата претрпуваат распаѓање.

Метафаза II

Центромерите повторно се наоѓаат во екваторијалната рамнина.

Анафаза II

Хроматидите се одвојуваат едни од други, движејќи се кон половите. Сега тие се нарекуваат хромозоми.

Телофаза II

Деспирализација, истегнување на формираните хромозоми, исчезнување на вретеното, удвојување на центриоли. Хаплоидното јадро е опкружено со нуклеарна мембрана. Се формираат четири нови клетки.

Споредбена табела помеѓу митоза и мејоза

Карактеристиките и разликите се накратко и јасно претставени во табелата.

Презентираните податоци се дијаграм на разликите, а сличностите се сведуваат на истите фази, редупликација на ДНК и хеликализација пред почетокот на клеточниот циклус.

Биолошкото значење на мејозата

Која е улогата на мејозата:

1. Дава нови комбинации на гени поради вкрстување.
2. Поддржува комбинирана варијабилност. Мејозата е извор на нови особини кај популацијата.
3. Одржува константен број на хромозоми.

Заклучок

Мејозата е сложен биолошки процес при кој се формираат четири клетки, со нови карактеристики добиени како резултат на вкрстување.

Николај Мушкамбаров, Др. биол. науки

Човештвото старее, но секој сака да живее не само долго, туку и без оние болести кои доаѓаат со возраста. Во текот на изминатиот половина век, се појавија многу „револуционерни“ теории за стареење, од кои речиси сите нудат сигурен и сигурен начин за забавување или дури и запирање на времето. Секоја година има нови сензации, нови откритија и нови изјави, охрабрувачки и ветувачки. Пептидни биорегулатори, еликсир на долговечноста, животворни јони или антиоксиданс SkQ. Трчај во аптека, плати и живеј, според вклучените упатства, до 100-120 години! До кој степен можете да им верувате на сензационални откритија и која е „вистината за стареењето“?

Професорот Н.Н. Мушкамбаров. Фотографија на Андреј Афанасиев.

Август Вајсман (1834-1914) — германски зоолог и еволуционист. Создаде теорија според која наследните карактеристики се зачувуваат и се пренесуваат преку гермплазмата без стареење.

Леонард Хејфлик е американски микробиолог. Во 1960-тите, тој откри дека во лабораториски услови, човечките и животинските клетки можат да се делат само ограничен број пати.

Алексеј Матвеевич Оловников е руски биохемичар. За да ги објасни експериментите на Хејфлик во 1971 година, тој постави хипотеза за скратување на завршните делови на хромозомите (теломери) со секоја клеточна делба.

Наука и живот // Илустрации

Елизабет Блекбурн и Керол Грајдер се американски биолози. Во 1985 година беше откриен ензимот теломераза. Механизмот на дејство на теломеразата е повторено кодирање на нови нуклеотидни секвенци на завршните делови на теломерите и обновување на нивната оригинална

Бенџамин Гомперц (1779-1865) - британски математичар. Тој предложи функција која ја опишува статистиката за човечка смртност во зависност од возраста. Оваа функција беше искористена за проценка на ризиците во животното осигурување.

Книгата на М.М. Виленчик „Биолошка основа на стареење и долговечност“, објавена во 1976 година, беше една од првите популарни научни книги на тема стареење и имаше огромен успех.

Шема на мејоза (користејќи го примерот на пар хомологни хромозоми). Во профазата на првата поделба на мејозата, хромозомите се удвојуваат; тогаш хомологните хромозоми се конјугираат едни со други и, додека ја одржуваат својата активност, влегуваат во вкрстување.

Доктор по биолошки науки, професор на Катедрата за хистологија на Московскиот државен медицински универзитет именуван по Н.В. I. M. Sechenov Николај Мушкамбаров.

Николај Николаевич, остро критикуваш многу познати одредби на модерната геронтологија. Ве молиме наведете ги целите на вашата критика.

Има повеќе од доволно предмети! На пример, сега е модерно да се нарече Вајсман речиси како крајна вистина. Ова е познат биолог кој уште во 19 век претпоставувал дека стареењето не настанало веднаш во еволуцијата, туку само во некоја фаза како адаптивен феномен. Од ова тие заклучија дека мора да има видови кои не стареат: пред сè, најпримитивните организми. Притоа, некако забораваат дека ако не стареат, тогаш мора да имаат 100% поправка на ДНК. Ова е меѓу најпримитивните! Некако едното не се вклопува со другото.

Постои мит поврзан со името на друг познат биолог - Леонард Хејфлик. Од шеесеттите години на минатиот век, научниот свет е уверен дека човечките соматски клетки имаат граница од 50 поделби, а таквата граница во биологијата се нарекува „граница на Хејфлик“. Пред околу дваесет години беа изолирани матични клетки кои наводно можеле да направат неограничен број на поделби. И овој мит (50 за секого и бесконечност за матични клетки) опстојува во главите до ден-денес. Всушност, матичните клетки, како што се испоставува, стареат (односно, бесконечноста е укината), и воопшто не е јасно каде да се избројат токму овие 50 поделби. Толку е нејасно дека, најверојатно, не постои единствена граница на поделба која е универзална за сите човечки клетки кои се делат.

- Па, што е со теоријата на теломери за стареење? Дали и таа ве прави недоверливи?

Ова е најпопуларниот мит. Според оваа теорија, целиот механизам на стареење се сведува на фактот дека на клетките на делење им недостасува ензимот теломераза, кој ги издолжува краевите на хромозомите (овие краеви се нарекуваат теломери), и затоа, со секоја поделба, теломерите се скратуваат за 50- 100 ДНК нуклеотидни парови. Ензимот теломераза навистина постои, а неговото откритие ја доби Нобеловата награда во 2009 година. И феноменот на скратување на хромозомот во клетките кои се делат на кои им недостасува теломераза е исто така несомнено (иако тоа се должи на малку поинаква причина од онаа што ја посочи авторот на теоријата на теломерите, Алексеј Оловников). Но, да се намали стареењето на овој феномен е исто како да се замени најсложената симфониска партитура со ноти на чукање на тапан. Не случајно во 2003 година А. Оловников јавно ја напушти својата теорија, заменувајќи ја со таканаречената редумерска теорија (исто така, патем, неоспорна). Но, дури и денес, дури и на медицинските универзитети, курсевите по биологија ја претставуваат теоријата на теломерите како најновото достигнување на научната мисла. Ова е, се разбира, апсурдно.

Друг пример доаѓа од статистиката за смртност. Главната формула за оваа статистика е Гомперцовата равенка, предложена во 1825 година, или, со поим за корекција, равенката Гомперц-Макем (1860 година). Овие равенки имаат два и три коефициенти, соодветно, а вредностите на коефициентите варираат многу кај различни популации на луѓе. И излегува дека промените во коефициентите на секоја равенка корелираат едни со други. Врз основа на кои се формулирани глобални, светски обрасци: таканаречената корелација Штрелер-Милдван и компензаторниот ефект на смртноста што ја замени во овој пост - хипотезата на сопружниците Гаврилов.

Составив мал модел за условна популација на луѓе и со негова помош се уверив дека сите овие обрасци најверојатно се артефакт. Факт е дека мала грешка при одредувањето на еден коефициент создава нагло отстапување од вистинската вредност на друг коефициент. И ова се перцепира (во полулогаритамски координати) како биолошки значајна корелација и служи како ветување за промислени заклучоци.

- Дали сте сигурни дека сте во право кога зборувате за артефактот?

Се разбира не! Во принцип, за научниците е штетно да бидат апсолутно сигурни во нешто, иако има многу такви примери. Но, дадов се од себе да го потврдам спротивното: дека корелациите не се артефакт. И не можев да го потврдам ова спротивно. Така што засега, врз основа на лична, многу скромна по обем, анализа, имам повеќе причини да верувам дека наведените корелации се сè уште вештачки. Тие ги одразуваат грешките на методот, а не биолошките обрасци.

Како ги оценувате изјавите дека во природата има огромен број организми кои не стареат и нивниот список од година во година расте?

За жал, популарните теории дека постојат и клетки кои не стареат и организми кои не стареат немаат доволно докази. Навистина, секоја година кругот на „нестарените“ животни незапирливо се проширува. Отпрвин тоа беа практично само едноклеточни организми, а потоа им беа додадени пониски повеќеклеточни организми (хидра, мекотели, морски ежови итн.). А сега се појавија вжештени глави кои „откриваат“ одредени нестаречки видови дури и меѓу рибите, влекачите и птиците. Така ќе оди - наскоро тие ќе стигнат до цицачите и ќе утврдат, на пример, дека слоновите исто така не стареат, туку умираат едноставно поради вишокот на телесна тежина!

- Дали сте убедени дека не постојат животни без старост?

Не сум убеден дека нема такви животни (иако сум наклонет кон тоа), но дека не постои ниту еден вид животно за кое отсуството на стареење е апсолутно сигурно докажано. Во однос на човечките клетки (како и клетките и другите претставници на животинскиот свет), степенот на доверба е можеби уште поголем: матичните клетки, герминативните клетки, па дури и клетките на туморот, во принцип, возраста. Матичните клетки се сметаа за неспорно без стареење, но сега се појавува експериментална работа која го докажува спротивното.

- На што се заснова оваа доверба? Дали самите ги извршивте соодветните експерименти?

Општо земено, многу одамна, во 1977-1980 година, се обидов да му пристапам на проблемот со стареењето во експериментите на глувците. Но, не многу веродостојните резултати (иако се чинеше дека ја потврдуваат првичната претпоставка) убедија дека е подобро да се направи анализа наместо експериментирање. И еве еден од резултатите од оваа анализа - концептот на „Анерем“ или амеиотската теорија на стареење. Вклучува шест тези (постулати, ако сакате), од кои едната (првата) е чисто мое дело, а останатите се формулирани врз основа на идеи кои веќе постојат во литературата. И, се разбира, важно е сите овие тези да формираат прилично јасна слика во целина.

Значи, токму амеиотскиот концепт, доколку се почитува, ја исклучува можноста за постоење и на клетки кои не стареат во повеќеклеточните организми и на организмите што не стареат (почнувајќи од едноклеточните). Во исто време, секако, свесен сум дека сите тези на концептот сè уште се хипотези. Но, тие изгледаат многу поразумни од другите ставови.

Значи, вашиот концепт е како тестер, со чија помош можете да ја оцените, релативно кажано, вистинитоста на одредени претпоставки? Во овој случај, кажете ни повеќе за тоа.

Ќе се обидам да го направам ова што е можно подостапно. Самото име на концептот („Анерем“) е кратенка за зборовите автокатализа, нестабилност, поправка, мејоза. Теза еден. Се сеќавате ли дека Енгелсовата дефиниција за живот беше многу добро позната: „Животот е начин на постоење на протеински тела“? Ја ревидирав оваа дефиниција и ја дадов мојата, која ја сочинуваше првата теза: „Животот е метод на автокаталитичко размножување на ДНК (поретко РНК) во природата“. Ова значи дека движечката сила и позади појавата на животот и неговата последователна еволуција е нескротливата желба на нуклеинските киселини за бескрајна саморепродукција. Во суштина, секој организам е еволутивно подобрена биомашина, дизајнирана ефикасно да го зачува и размножува геномот што го содржи, проследено со ефективна дистрибуција на неговите копии во околината.

- Невообичаено е да се чувствуваш како биомашина...

Ништо, сензацијата ќе помине, но функцијата, извинете, ќе остане. Теза втора: „Нестабилноста на геномот е централен елемент на стареењето“. Токму така најразумните научници на Запад, а и овде, го разбираат стареењето. Факт е дека, и покрај сите нивни извонредни способности, нуклеинските киселини се подложни на штетните ефекти на многу фактори - слободни радикали, реактивни видови на кислород итн. И иако многу заштитни системи се создадени во еволуцијата (како што е антиоксидативниот систем), постојано се случуваат бројни оштетувања во жиците на ДНК. За нивно откривање и коригирање постои уште еден заштитен систем - репарација (реставрација) на ДНК. Следната теза, третата, е филтер што филтрира сè што „не старее“: „Поправката на геномот во митотичните и пост-митотските клетки не е целосна“. Односно, секој систем за поправка во овие клетки не обезбедува 100% корекција на сите дефекти на ДНК што се појавуваат. И ова значи универзална природа на стареење.

- Но, ако сè и сите стареат, тогаш како се одржува животот на Земјата?

Па, јас се заинтересирав за ова прашање во 1977 година. И најдов, како што ми се чинеше, мојот сопствен одговор, иако лежеше на површината. И 25 години подоцна, во 2002 година, гледајќи низ моите стари книги, сфатив дека оваа хипотеза воопшто не е моја, туку прочитав за неа една година претходно во книгата на М.М. Виленчик, среќно заборавив, а потоа се сетив, но ја сфатив како свој. Ова се необичностите на меморијата. Но, на крајот, важна е суштината на материјата, а не амбициите на откривачот.

Суштината е формулирана со четвртата теза: „Ефикасна поправка може да се постигне само во мејоза (или во нејзината поедноставена верзија - ендомиксис) - за време на конјугација (фузија) на хромозомите“. Се чини дека сите научиле што е мејоза на училиште, но, за жал, понекогаш дури и нашите студенти по медицина не го знаат тоа. Да ве потсетам: мејозата е последната двојна поделба во формирањето на герминативните клетки - сперматозоиди и јајце клетки. Патем, ќе ви кажам една тајна: жените не формираат јајца. Кај нив, втората мејотична поделба (во фаза на ооцит II - развој на женската репродуктивна клетка) не може да се случи самостојно - без помош на сперма. Затоа што клетката некаде ги „изгубила“ своите центриоли (тела во клетката вклучени во делењето): тие биле само таму (за време на претходната поделба), но сега некаде ги нема. А оплодувањето на ооцитот II е апсолутно потребно за спермата да ги внесе своите центриоли и да ја спаси ситуацијата. Ова го гледам како типични „женски работи“. Така, на крајот се случува втората мејотична поделба, но добиената клетка повеќе не е јајце, туку зигот.

Се занесовме со „женски работи“ и не разјаснивме како се постигнува целосна поправка на ДНК кај мејозата.

На првата поделба на мејозата и претходи многу долга профаза: кај машката гаметогенеза таа трае цел месец, а кај женската гаметогенеза трае и до неколку децении! Во тоа време, хомологните хромозоми се приближуваат еден до друг и остануваат во оваа состојба речиси цело време на профаза.

Во исто време, ензимите остро се активираат, сечење и шиење на ДНК нишки. Се веруваше дека тоа е неопходно само за вкрстување - размена на хромозоми во нивните делови, што ја зголемува генетската варијабилност на видот. Навистина, „татковите“ и „мајките“ гени, кои сè уште се распределени во секој пар хомологни (структурно идентични) хромозоми на различни хромозоми, се испостави дека се измешани по вкрстувањето.

Но, М.М. Виленчик, а по него и јас, го привлекоа вниманието на фактот дека ензимите со вкрстување се многу слични на ензимите за поправка на ДНК, во кои, со отсекување на оштетените области, исто така е неопходно да се скршат и зашијат ДНК жиците. Односно, супер-поправката на ДНК веројатно се случува истовремено со преминувањето. Може да се замисли други механизми на голема „поправка“ на гените за време на мејозата. На еден или друг начин, во овој случај, се случува радикално (поточно, целосно) „подмладување“ на клетките, поради што зрелите герминативни клетки почнуваат да го бројат времето како од нула. Ако нешто не успее, тогаш во клетката се активираат сензори за самоследење за состојбата на сопствената ДНК и започнува процесот на апоптоза - само-
убивајќи ја ќелијата.

- Значи, во природата, подмладувањето се случува само во созревањето на герминативните клетки?

Апсолутно во право. Но, ова е сосема доволно за да се обезбеди бесмртност на видот - наспроти позадината, за жал, на неизбежната смртност на сите поединци. Впрочем, половите клетки се единствените! - единствениот материјален супстрат на матичните организми од кој се раѓа нов живот - животот на потомството.

И фактот дека овој механизам се однесува само на герминативните клетки е дискутиран во двете преостанати тези на концептот, кои се исцртани со сите јас. Теза пет: „Мејозата ја подобрува состојбата на геномот само во следните генерации (неколку генерации одеднаш кај едноставни организми и само една кај сите други). Теза шест: „Оттука следи неизбежноста на стареењето на поединците (индивидуите) и релативната бесмртност на видот како целина“.

- Што, мејозата се јавува кај сите животински видови?

Треба да биде присутен кај сите животински видови - според концептот Анерем, доколку се покаже дека е точен. Навистина, концептот се заснова на универзалноста на не само стареењето, туку и мејозата. Темелно го истражував ова прашање користејќи податоци од литературата. Се разбира, кај доволно развиените животни - риби и „повисоки“ - постои само сексуален метод на репродукција, што исто така подразбира присуство на мејоза. Покрај тоа, постојат огромни сектори и од флората и од фауната во кои се вообичаени мешаните видови на размножување. Ова значи дека тие наизменично ги менуваат повеќе или помалку продолжените акти на асексуална репродукција (на пример, митотични поделби, спорулација, пупки, фрагментација итн.) и единечни чинови на сексуална или квазисексуална репродукција. Суштинска карактеристика на квазисексуалниот процес (т.н. ендомиксис) е тоа што и овде има спојување на структурно идентични хромозоми од татковското и мајчиното множество (конјугација на хомологни хромозоми), иако тоа не завршува со нивните дивергенција во различни клетки.

Така, со мешана репродукција, живеат неколку генерации на организми, како постепено да стареат (слично на тоа како митотички поделените клетки стареат кај посложените животни), а потоа сексуалниот процес ги враќа поединечните организми на „нулта“ возраст и обезбедува
обезбедува удобен живот за уште неколку генерации. Конечно, се верува дека голем број едноставни животни се размножуваат само асексуално. Но, во однос на нив, сè уште се сомневам: дали овие организми, во долгата серија на бесполово размножување, не видоа нешто слично на мејоза или ендомиксис (само-оплодување)?

Излегува дека концептот што го развивате става крај на сите соништа за продолжување на човечкиот живот. На крајот на краиштата, обичните (не-репродуктивни) клетки се осудени да стареат и стареат?

Не, јас не ставам крст. Прво, затоа што она што е многу поважно за нас не е самото стареење, туку брзината на овој процес. И можете да влијаете на стапката на стареење на многу начини. Некои од нив се познати, некои (како јоните на Скулачев) се во фаза на истражување, некои ќе бидат откриени подоцна.

Второ, можно е со текот на времето да биде можно да се иницираат некои мејотски процеси во соматските клетки - на пример, во матичните и неделливите клетки. Мислам на оние процеси кои ја враќаат состојбата на геномот: ова е очигледно конјугација на хомологни хромозоми, вкрстување или нешто посуптилно и сè уште непознато. Не гледам причина зошто тоа во принцип би било невозможно. Во герминативните клеточни линии, во мејозата влегуваат клетки кои се, генерално, исти по структура како и многу други. Покрај тоа, дури и по конјугацијата на хромозомите, активноста на соодветните гени останува во вторите. Меѓутоа, за да се спроведе овој проект, потребно е прво целосно да се идентификуваат гените одговорни за различните аспекти на мејозата и да се утврдат начини за нивно таргетирање. Ова е, се разбира, многу фантастичен проект. Сепак, зарем многу од она што го имаме денес не изгледаше фантастично вчера?!

Мејозата, најважниот процес на клеточна делба што се случува во пресрет на формирањето на герминативните клетки и беше откриена на крајот на 19 век, долго време остана предмет на големо внимание на многу тесен круг цитолози. Тоа го привлече вниманието на молекуларните биолози дури во 90-тите години на 20 век. Брзиот развој на истражувањето во оваа област беше олеснет со работата на молекуларната генетика на моделите на објекти, како и појавата на нови имуноцитохемиски методи, што им даде на истражувачите пригоден начин да ги проучуваат протеините вклучени во мејозата.

Кај сите еукариоти, за време на мејозата, се формира субмикроскопска структура, наречена синаптонемален комплекс(од грчкиот синаптос - поврзан, пета - конец). Студијата за молекуларната организација на овој комплекс и неговата улога во мејозата покажа дека е потребна за рекомбинација на хромозомите и намалување на нивниот број. Ова ќе се дискутира во оваа статија.

Но, прво, да се потсетиме на основните информации за мејозата, која се состои од две поделби: мејоза I и мејоза II. Како резултат на редукциската поделба (мејоза I), бројот на хромозоми во ќерките клетки е намален за половина во споредба со бројот на хромозоми во матичната клетка. Ова се случува затоа што количината на ДНК во хромозомите се удвојува само еднаш пред мејозата I (Слика 1). Двојното намалување на бројот на хромозоми за време на формирањето на герминативните клетки овозможува, за време на оплодувањето, да се врати оригиналниот (диплоиден) број на хромозоми и да се одржи неговата константност. Ова бара строго раздвојување на парови хомологни хромозоми помеѓу герминативните клетки. Кога се случуваат грешки, се јавува анеуплоидија - недостаток или вишок на хромозоми, а оваа нерамнотежа доведува до смрт на ембрионот или тешки развојни абнормалности (кај луѓето, т.н. хромозомски заболувања).

Структура и функција на синаптонемален комплекс

Синаптонемалниот комплекс се состои од две протеински оски на хомологни хромозоми поврзани со протеински патент (сл. 2). Забите на патентот се димери во форма на прачка на паралелно преклопени и идентично ориентирани протеински молекули со долга α-спирала во средината на молекулата. Во квасец S. cerevisiae -ова е протеинот Zip1, кај цицачите и луѓето - SCP1 (SYCP1). Овие протеини се прицврстени со нивните C-терминални краеви за хромозомските оски (странични елементи на комплексот), а нивните N-терминални краеви се насочени еден кон друг, внатре во централниот простор (сл. 3). На N-крајот на молекулите има наелектризирани „спарси“ - наизменични врвови на густината на позитивните и негативните полнежи на аминокиселините (сл. 4), чија комплементарна интеракција обезбедува силно електростатско поврзување на забите.

Таканаречениот централен простор на комплексот (јазот помеѓу протеинските оски, исполнети со „прицврстувачки“ заби, широк околу 100 nm), како и целиот комплекс (неговиот пресек е околу 150-200 nm) не се видливи во конвенционален светлосен микроскоп, бидејќи целиот комплекс е маскиран со хроматин. За прв пат, синаптонемалниот комплекс беше забележан на ултратенки (0,8 μm дебели) делови од ракови и тестиси на глушец со помош на преносен електронски микроскоп. Откриен е во 1956 година независно од двајца американски истражувачи - М. Мозес и Д. В. Фосет.

Сега, при проучување на комплексот, се користи таканаречениот метод на микрораспространување. Клетките на тестисите (или растителните прашници) по хипотоничен шок се ставаат на пластична подлога нанесена на стаклен тобоган. Содржината на пукната ќелија е фиксирана со слаб раствор на формалдехид и контрастна со соли на тешки метали (најдобро од сè - AgNO 3). Стаклото се гледа под фазен контраст микроскоп и клетките што треба да го содржат комплексот се избираат врз основа на индиректни докази. Круг филм со саканата ќелија се зема на метална мрежа и се става во електронски микроскоп (сл. 5). Доколку е потребно, пред да се направи контраст, клетките се третираат со антитела на протеините од интерес за истражувачот. Овие антитела се означени со калибрирани колоидни златни зрна, кои се јасно видливи под електронски микроскоп.

За време на профазата на мејозата I, синаптонемалниот комплекс држи паралелни хомологни хромозоми речиси додека не се изградат на екваторот на клетката (метафаза I). Хромозомите се поврзуваат со помош на синаптонемалниот комплекс некое време (од 2 часа кај квасецот до 2-3 дена кај луѓето), при што се разменуваат хомологни делови од ДНК помеѓу хомологните хромозоми - вкрстување. Преминувањето, кое се случува со фреквенција од најмалку еден настан (обично два, поретко три или четири) по пар хомологни хромозоми, вклучува десетици ензимски протеини специфични за мејозата.

Молекуларниот механизам на вкрстување и неговите генетски последици се две големи теми надвор од опсегот на оваа приказна. Ние сме заинтересирани за овој процес бидејќи како резултат на тоа, хомологните хромозоми се цврсто поврзани со вкрстени ДНК молекули (хијазмата) и потребата за парно задржување на хромозомот со помош на синаптонемалниот комплекс исчезнува (по завршувањето на вкрстувањето, комплексот исчезнува). Хомологните хромозоми, поврзани со хијазмата, се редат на екваторот на вретеното на клеточната делба и се распрснуваат низ нишките на вретеното на клеточната делба во различни клетки. По завршувањето на мејозата, бројот на хромозоми во ќерките клетки е преполовен.

Значи, само во пресрет на мејозата I структурата на хромозомот радикално се менува. Многу специфична интрануклеарна и интерхромозомска структура - синаптонемален комплекс - се појавува еднаш во животниот циклус на организмот за кратко време за парно поврзување на хомологни хромозоми и вкрстување, а потоа се демонтира. Овие и многу други настани за време на мејозата на молекуларно и субклеточно (ултраструктурно) ниво се обезбедени со работата на бројни протеини кои вршат структурни, каталитички и кинетички (моторни) функции.

Протеини на синаптонемалниот комплекс

Назад во далечните 70-ти, добивме индиректни докази дека синаптонемалниот комплекс е формиран со самосклопување на неговите елементи, што може да се случи во отсуство на хромозоми. Експериментот беше спроведен од самата природа, а ние можевме да го набљудуваме. Се покажа дека во свинскиот кружен црв, во цитоплазмата на клетките кои се подготвуваат за мејоза I, се појавуваат пакети или „купови“ од апсолутно правилно наредени морфолошки елементи на синаптонемалниот комплекс (иако во цитоплазмата нема хромозоми: тие се во јадрото ). Бидејќи во фазата на подготовка на клетките за мејоза сè уште нема синаптонемален комплекс во клеточните јадра, постоеше претпоставка дека контролата на редот на мејотични настани во овој примитивен организам е несовршена. Вишокот на новосинтетизирани протеини во цитоплазмата доведува до нивна полимеризација и појава на структура која не се разликува од синаптонемалниот комплекс. Оваа хипотеза беше потврдена дури во 2005 година благодарение на работата на меѓународна група истражувачи кои работат во Германија и Шведска. Тие покажаа дека ако генот што го шифрира патент протеинот на цицачите (SCP1) се внесе во соматските клетки кои растат на вештачки хранлив медиум и се активира, тогаш моќна мрежа од SCP1 протеини се појавува внатре во култивираните клетки, „залепени“ меѓу себе на ист начин. како во централниот простор на комплексот. Формирањето на слој од континуирани протеински патенти во клеточната култура значи дека е докажана нашата предвидена способност на комплексните протеини да се самосклопуваат.

Во 1989 и 2001 г. Нашите вработени во лабораторијата О. Л. Коломиец и Ју. С. Федотова го проучуваа природното „демонтирање“ на синаптонемалните комплекси во последните фази од нивното постоење. Овој процес во повеќе фази најдобро е забележан во мајчините клетки на полен во 'рж антери, каде што постои делумна синхронија на мејозата. Се покажа дека страничните елементи на комплексот се демонтираат со постепено „одмотување“ на протеинскиот суперхеликс, кој има три нивоа на пакување (сл. 6).

Основата на проширените странични елементи е комплекс од четири кохезински протеини (од англиски. кохезија- спојката). Во пресрет на мејозата, во хромозомите се појавува специфичен кохезински протеин, Rec8, кој го заменува соматскиот кохезин Rad21. Потоа му се спојуваат уште три кохезински протеини, кои исто така се присутни во соматските клетки, но наместо соматскиот кохезин SMC1, се појавува протеинот специфичен за мејозата SMC1b (неговиот N-терминал е 50% различен од N-крајот на соматскиот SMC1 протеин). Овој кохезински комплекс се наоѓа во хромозомот помеѓу две сестрински хроматиди, држејќи ги заедно. Протеините специфични за мејозата се врзуваат за кохезинскиот комплекс, кои стануваат главни протеини на хромозомските оски и ги претвораат (овие оски) во странични елементи на синаптонемалниот комплекс. Кај цицачите, главните протеини на синаптонемалниот комплекс се SCP2 и SCP3; кај квасецот, протеините се Hop1 и Red1, а протеинот специфичен за мејозата е Rec8.

Еволутивниот парадокс на протеините

Кај цицачите и квасецот, протеините од синаптонемалниот комплекс имаат различни аминокиселински секвенци, но нивните секундарни и терциерни структури се исти. Така, патент протеинот SCP1 кај цицачите и нехомологниот протеин Zip1 кај квасецот се изградени според единствен план. Тие се состојат од три домени на аминокиселини: централен - α-спирала, способна да формира спирала од втор ред (суперсвиткување) и два терминални домени - глобули. Главните протеини SCP2 и SCP3, кои немаат хомологија со Hop1 и Red1 протеините на квасецот и, очигледно, со сè уште недоволно проучените протеини на комплексот во растенијата, исто така градат морфолошки и функционално идентични структури на синаптонемалниот комплекс. Ова значи дека примарната структура (аминокиселинската секвенца) на овие протеини е еволутивно неутрална карактеристика.

Значи, нехомологните протеини во еволутивно далечните организми го градат синаптонемалниот комплекс според единствен план. За да ја објаснам оваа појава ќе користам аналогија со изградбата на куќи од различни материјали, но според единствен план.Важно е таквите куќи да имаат ѕидови, тавани, покрив и градежните материјали да ги исполнуваат условите на цврстина . Подеднакво, за формирање на синаптонемален комплекс потребни се странични елементи („ѕидови“), попречни филаменти (заби „патент“) - „преклопување“ и централен простор (просторија за „кујна“). Таму треба да се вклопат „кујнски роботи“ — комплекси на ензими за рекомбинација собрани во таканаречените „единици за рекомбинација“.

Ширината на централниот простор на синаптонемалниот комплекс кај квасецот, пченката и луѓето е приближно 100 nm. Ова се должи на должината на едноверижните делови на ДНК обложени со рекомбинираниот протеин Rad51. Овој протеин припаѓа на група ензими (сличен на протеинот за бактериска рекомбинација RecA) кои ја одржуваат хомологијата од доаѓањето на рекомбинацијата на ДНК (приближно пред 3,5 милијарди години). Неизбежноста на хомологијата на рекомбинираните протеини кај далечните организми се определува со нивната функција: тие комуницираат со двојната спирала на ДНК (иста кај бактериите и цицачите), делејќи ја на едноверижни нишки, ги покриваат со протеинска обвивка, пренесуваат една влакно на хомологниот хромозом и таму повторно ја враќа двојната спирала. Секако, повеќето ензими вклучени во овие процеси одржуваат хомологија повеќе од 3 милијарди години. Спротивно на тоа, синаптонемалните комплекси, кои се појавија кај еукариотите по почетокот на мејозата (пред околу 850 милиони години), се изградени од нехомологни протеини... но шемата на структурата на нивниот домен е иста. Од каде дојде овој дијаграм?

Индикација е споменатиот протеин Rec8, кој започнува со формирање на хромозомски оски во мејотскиот циклус и кој е присутен кај сите проучувани организми. Може да се претпостави дека градежен материјал за оските на мејотските хромозоми и страничните елементи на синаптонемалниот комплекс може да бидат било кои меѓупротеини кои се способни да формираат фиброзна структура (SCP2, Hop1, итн.), Во интеракција со кохезин Rec8 и “ таложење“ на него, како бетон на метални фитинзи

Во последниве години, доживувајќи потешкотии во извршувањето на експерименталната работа поради недоволно финансирање, почнавме активно да користиме биоинформатички методи. Бевме заинтересирани за протеинот на патент во Drosophila. Со оглед на сличноста на секундарните и терциерните структури на протеините Zip1 од квасец и човечкиот SCP1, претпоставивме дека протеинот на патент Drosophila ја има истата структура. Ја започнавме нашата работа во 2001 година, кога геномот на Дрософила веќе беше секвенциониран и се дозна дека содржи приближно 13 илјади потенцијални гени. Како можеме да го најдеме генот за протеинот што го бараме?

Меѓу 125-те гени на мејоза познати во тоа време во Дрософила, предвидовме само еден кандидат за оваа улога. Факт е дека генската мутација в(3)Глишени хромозоми од способноста да се спојат во парови со помош на „патент“ и да влезат во рекомбинација. Претпоставивме дека мутантите имаат дефектен протеин што ги формира субмикроскопските заби на прицврстувачот. Секундарната структура и конформацијата на саканиот протеин треба да бидат слични на протеините Zip1 и SCP1.

Знаејќи дека генот в(3)Гсе наоѓа во Drosophila на хромозомот 3, ја пребаравме базата на податоци за овој регион (составен од 700 илјади базни парови) за отворена рамка за читање која може да шифрира сличен протеин. Разбравме дека во отсуство на хомологија во примарната структура на саканиот протеин и протеинот од квасец, нивната големина, организација (од три домени) и способноста на централниот домен да формира α-спирала со одредена должина (околу 40 nm) треба да бидат слични. Ова беше потврдено од сличноста на електронската микроскопска слика на синаптонемалниот комплекс во мејозата кај квасецот и кај Дрософила.

Разгледавме отворени рамки за читање за речиси 80 гени во областа за пребарување. Користејќи компјутерски програми кои овозможуваат да се предвиди секундарната структура на виртуелниот протеин, неговите физичко-хемиски својства и распределбата на електростатските полнежи во молекулите, Т.М. Гришаева најде таква рамка за читање на границата на зоната на локализација на гените в(3)Г.(Ова не беше многу точно предвидено од јапонските генетичари на микроскопска карта на хромозоми.) Се покажа дека е ген CG1J604според геномската карта на компанијата Селера.

Заклучивме дека овој виртуелен ген мора да е одамна познат ген в(3)Ги шифрира протеин сличен на квасецот Zip1 протеин. Како одговор на нашата порака, добивме е-пошта од САД од S. Hawley. Тој експериментално докажа дека генот в(3)Гшифрира протеин кој формира „патент“ помеѓу хромозомите во мејозата во Drosophila. Резултатите од нашата работа се совпаднаа, но експерименталната работа на групата на Хејли траеше околу седум години, а нашата компјутерска работа од три лица траеше само околу три месеци. Статиите беа објавени истовремено. Во 2003 година, го објавивме методот на нашето компјутерско пребарување и дадовме примери на слични виртуелни протеини во други организми. Ова дело сега лесно се цитира од странски колеги, а нашиот метод успешно функционира во нивни раце во комбинација со експериментално тестирање. Така, во 2005 година, група англиски биолози го откриле генот и протеинот на забите на патент во растението Arabidopsis thaliana .

Како заклучок, ќе дадам пример за друго откритие во областа на молекуларната биологија на мејозата, но мора да започнеме со митоза. За да се разделат хроматидите за време на анафазата на митозата, мора да се уништи кохезинот што ги „лепи заедно“. Хидролизата на кохезините за време на митозата е генетски програмиран настан. Но, во метафазата на мејозата I, кога хомологните хромозоми се наредени на екваторот на клетката и протеинското вретено е подготвено да ги повлече до половите, хидролизата на кохезините се покажува како невозможна. Затоа и двата хроматиди на секој хромозом, залепени заедно во пределот на кинетичкиот центар на хромозомите (кинетохора), се насочени кон еден пол (види слика 1). Кон крајот на 90-тите, јапонските истражувачи, проучувајќи ја мејозата кај квасецот, открија дека во регионот на кинетохоре, кохезините се заштитени со протеин што го нарекоа шугошин (коренот на овој термин е земен од речникот на самураите и значи заштита). Многу брзо, глобалната заедница на истражувачи на мејозата дојде до заклучок дека слични шугошински протеини постојат во Дрософила, пченка и други објекти. Покрај тоа, гените што го „забрануваат“ раздвојувањето на хроматидите во мејозата I во Дрософила беа познати 10 години порано, но нивниот протеински производ не беше дешифриран. И во 2005 година, група американски истражувачи од Универзитетот во Калифорнија во Беркли, вклучително и нашиот сонародник и мојот долгогодишен колега во истражувањето на мејозата И. Н. Голубовскаја, објавија дека за време на метафазата I на мејозата во хромозомите на пченката, шугошин ZmSGO1 се наоѓа на двете страни на кинетохорите. , а во овој регион се појавува само ако таму веќе има кохезин Rec8, кој го штити од хидролиза (но само во мејоза I). Овие резултати се добиени со помош на флуоресцентни антитела кон протеините и конфокален микроскоп. Останува да се додаде дека јапонските истражувачи веднаш објавија дека шугошин го штити Rec8 од хидролиза ако шугошин е дефосфорилиран. Фосфорилацијата и дефосфорилацијата, како и ацетилацијата и деацетилацијата, се важни модификации кои ги менуваат својствата на протеинските молекули.

Апликативен аспект

Сè што е кажано е убава фундаментална наука, но дали е можно ова знаење да се искористи за практични цели? Може. Назад во средината на 80-тите, британските истражувачи и нашата лабораторија, користејќи различни експериментални модели, докажаа дека со помош на микрораспространети синаптонемални комплекси, можно е да се идентификуваат двојно повеќе хромозомски преуредувања (бришења, транслокации, инверзии) во споредба со традиционалниот метод на хромозом. анализа во фаза на метафаза (сл. 7). Факт е дека синаптонемалниот комплекс е скелетната структура на мејотските хромозоми во профаза. Во тоа време, хромозомите се приближно 10 пати подолги, што значително ја зголемува резолуцијата на анализата. Сепак, речиси е невозможно да се проучат заплетканите профазни хромозоми, а крутите скелетни структури на синаптонемалниот комплекс не се плашат од ширење, а покрај тоа, електронскиот микроскоп може да разликува мини-аберации кои се недостапни за светлосен микроскоп.

Се запрашавме: дали е можно да се утврди причината за стерилитетот кај потомците на озрачените глувци со проучување не на хромозомите, туку на синаптонемалниот комплекс? Се покажа дека кај стерилни глувци кои наследиле хромозомски транслокации од нивните родители, овие преуредувања се откриени со користење на комплексот во 100% од проучуваните клетки, а со конвенционалните методи на анализа на „метафазата“ - само во 50% од клетките. Група шпански истражувачи испитале повеќе од 1 илјада мажи кои страдаат од неплодност. Кај третина од нив, причината за неплодноста претходно не можеше да се утврди, а проучувањето на синаптонемалниот комплекс од тестисите кај овие пациенти им овозможи на половина од нив да направат дијагноза: причината за неплодноста е отсуството на синаптонемален комплекс. , поради што сперматоцитите (клетките прекурсори на спермата) не се развиваат, т.е. забележано е „запирање“ на процесот на мејоза и целата сперматогенеза. Слични резултати доби и О. Л. Коломиец заедно со лекарите од Харков. Студијата на синаптонемалниот комплекс во комбинација со други методи на анализа го зголемува процентот на идентификување на причините за неплодност кај испитуваните машки пациенти од 17 на 30%. Некои англиски клиники веќе во 90-тите години на XX век. активно користеле слични методи. Ваквата дијагностика, се разбира, бара високи теоретски и практични квалификации на лекарите и употреба на електронски микроскопи. Руските лаборатории сè уште не го достигнале ова ниво, со исклучок на Институтот за општа генетика што го носи името. Н.И.Вавилова РАС (Москва) и Институтот за цитологија и генетика СБ РАС (Новосибирск).

Може да се помисли дека интензивното истражување на механизмите на мејозата неизбежно ќе доведе до примена на стекнатото знаење во оние области од биологијата и медицината кои се поврзани со плодноста на живите организми, вклучително и луѓето. Сепак, законот за примена на научните достигнувања во пракса е непроменет: „спроведувањето“ нешто насилно е бескорисно. Самите практичари мора да ги следат достигнувањата на науката и да ги користат. Ова е пристапот усвоен од водечките фармацевтски и биотехнолошки фирми.

Од откривањето на мејозата (1885) до откривањето на синаптонемалниот комплекс (1956) поминаа приближно 70 години, а од 1956 година до откривањето на протеините на синаптонемалниот комплекс (1986) - уште 30. Во текот на следните 20 години, ние ја научи структурата на овие протеини, нивните гени за кодирање и интеракциите на протеините во изградбата и функционирањето на синаптонемалните комплекси, особено нивната интеракција со ензимските протеини за рекомбинација на ДНК, итн., т.е., повеќе отколку во претходниот 30-годишен описен период цитолошки студии. Можеби ќе бидат потребни не повеќе од две децении за да се дешифрираат основните молекуларни механизми на мејозата. Историјата на науката, како и онаа на целата цивилизација, се карактеризира со „компресија на времето“, сè поголемо набивање на настани и откритија.

Литература:

1. Page S.L., Hawley R.S.// Ану. Св. Развивање на ќелии. Биол. 2004. V. 20. P. 525-558.
2. Мојсеј М.Ј.//Хромозом. 2006. V. 115. P. 152-154.
3. Богданов Ју.Ф.//Хромозом. 1977. V. 61. стр. 1-21.
4. ОлингерР. et al.//Мол. Биол. Ќелија. 2005. V. 16. P. 212-217.
5. Федотова Ј.С. et al. //Геном. 1989. V. 32. стр. 816-823; Коломиец О.Л. и сл.// Биолошки мембрани. 2001. T. 18. стр. 230-239.
6. Богданов Ју.Ф. et al. //Инт. Преглед. Цитол. 2007. V. 257. P. 83-142.
7. Богданов Ју.Ф.// Онтогенеза. 2004. T. 35. бр.6. стр 415-423.
8. Гришаева Т.М. et al.// Drosophila Inform. Серви. 2001. V. 84. стр. 84-89.
9. Page S.L., Hawley R.S.// Гените се развиваат. 2001. V. 15. P. 3130-3143.
10. Богданов Ју.Ф. et al. //Во Силико Биол. 2003. V. 3. P. 173-185.
11. Osman K. et al. //Хромозом. 2006. V. 115. P. 212-219.
12. Хамант О., Голубовскаја И. и др.//Кур. Биол. 2005. V. 15. P. 948-954.
13. Каликинскаја Е.И. et al. //Мут. Рез. 1986. V. 174. стр. 59-65.
14. Egozcue J. et al.//Хум. Генет. 1983. V. 65. стр. 185-188; Carrara R. et al.// Генет. Мол. Биол. 2004. V. 27. P. 477-482.
15. Богданов Ју.Ф., Коломиец О.Л.Синаптонемален комплекс. Индикатор за динамиката на мејозата и варијабилноста на хромозомите. М., 2007 година.