Den første inndelingen av meiose er kort. Meiose. Faser av meiose. Profase II er veldig kort. Det er preget av spiralisering av kromosomer, forsvinningen av kjernemembranen og nukleolen, og dannelsen av en fisjonsspindel.

Essensen av meiose- utdanning celler med et haploid sett med kromosomer.

Meiose består av to påfølgende divisjoner.

Mellom dem skjer ikke DNA-replikasjon – det er derfor settet er haploid.

Takket være denne prosessen skjer følgende:

• gametogenese;
• c poredannelse i planter;
• og variasjon av arvelig informasjon

La oss nå se nærmere på denne prosessen.

Meiose representerer 2 divisjoner, følger hverandre.

Som et resultat dannes de vanligvis fire celler(bortsett fra for eksempel, hvor den andre cellen etter den første deling ikke deler seg ytterligere, men reduseres umiddelbart).

Det er et annet viktig poeng her: Som et resultat av meiose reduseres som regel tre av fire celler, og etterlater en, det vil si naturlig utvalg. Dette er også en av oppgavene til meiose.

Interfase første divisjon:

cellen går over fra staten 2n2c til 2n4c, siden DNA-replikasjon har funnet sted.

Profase:

I den første divisjonen skjer en viktig prosess - krysser over.

I profase I av meiose, hver av de allerede vridde bikromatidkromosomene, univalente nært forhold til homolog til henne. Dette kalles (godt forvekslet med konjugering av ciliater), eller synapsis. Et par homologe kromosomer som kommer sammen kalles

Kromatidet krysser deretter over med et homologt (ikke-søster) kromatid på nabokromosomet (som det dannes med bivalent). Stedet der kromatidene skjærer hverandre kalles. Chiasmus oppdaget i 1909 av den belgiske vitenskapsmannen Frans Alphonse Janssens.

Og så bryter et stykke kromatid av på plass chiasmata og hopper til en annen (homolog, dvs. ikke-søster) kromatid.

Skjedde genrekombinasjon .

Resultat: noen gener migrerte fra et homologt kromosom til et annet.

Før krysser over ett homologt kromosom hadde gener fra mors organisme, og det andre fra fars. Og så har begge homologe kromosomer genene til både mors og fars organisme.

Betydning krysser over Dette er: som et resultat av denne prosessen dannes nye kombinasjoner av gener, derfor er det mer arvelig variasjon, og derfor er det større sannsynlighet for fremveksten av nye egenskaper som kan være nyttige.

Synapsis (konjugasjon) oppstår alltid under meiose, men krysser over kan ikke skje.

På grunn av alle disse prosessene: konjugasjon, kryssing profase I er lengre enn profase II.

Metafase

Hovedforskjellen mellom den første divisjonen av meiose og

i mitose står bikromatidkromosomer på linje langs ekvator, og i første deling av meiose bivalente homologe kromosomer, til hver av dem er festet spindelfilamenter.

Anafase

på grunn av at de stilte seg opp langs ekvator bivalente, oppstår divergens av homologe bikromatidkromosomer. I motsetning til mitose, der kromatidene til ett kromosom skiller seg.

Telofase

De resulterende cellene endres fra 2n4c-tilstanden til n2c, hvordan igjen skiller de seg fra celler dannet som et resultat av mitose: for det første, de haploid. Hvis det i mitose, på slutten av deling, dannes helt identiske celler, så inneholder hver celle i den første deling av meiose bare ett homologt kromosom.

Feil i kromosomsegregering under første deling kan føre til trisomi. Det vil si tilstedeværelsen av ett kromosom til i ett par homologe kromosomer. For eksempel, hos mennesker er trisomi 21 årsaken til Downs syndrom.

Interfase mellom første og andre divisjon

- enten veldig kort eller ikke i det hele tatt. Derfor, før andre divisjon er det ingen DNA-replikasjon. Dette er veldig viktig, siden den andre divisjonen generelt er nødvendig for at celler skal vise seg haploid med enkeltkromatidkromosomer.

Andre divisjon

- forekommer nesten det samme som mitotisk deling. De går bare inn i divisjon haploid celler med to-kromatidkromosomer (n2c), som hver er på linje langs ekvator, spindeltrådene er festet til sentromerer hver kromatid av hvert kromosom i metafaseII. I anafaseII kromatider skilles. Og i telofaseII er dannet haploid celler med enkeltkromatidkromosomer ( nc). Dette er nødvendig slik at når du slår sammen med en annen lignende celle (nc), dannes en "normal" 2n2c.

Det er kjent om levende organismer at de puster, mater, formerer seg og dør; dette er deres biologiske funksjon. Men hvorfor skjer alt dette? På grunn av mursteinene - celler som også puster, mater, dør og formerer seg. Men hvordan skjer dette?

Om strukturen til cellene

Huset er laget av murstein, blokker eller stokker. På samme måte kan en organisme deles inn i elementære enheter - celler. Hele mangfoldet av levende vesener består av dem; forskjellen ligger bare i deres mengde og typer. De består av muskler, beinvev, hud, alle indre organer - de er så forskjellige i deres formål. Men uavhengig av hvilke funksjoner en bestemt celle utfører, er de alle strukturert tilnærmet likt. Først av alt har enhver "murstein" et skall og cytoplasma med organeller plassert i den. Noen celler har ikke en kjerne, de kalles prokaryote, men alle mer eller mindre utviklede organismer består av eukaryoter, som har en kjerne der genetisk informasjon er lagret.

Organeller lokalisert i cytoplasmaet er mangfoldige og interessante, de utfører viktige funksjoner. Celler av animalsk opprinnelse inkluderer endoplasmatisk retikulum, ribosomer, mitokondrier, Golgi-kompleks, sentrioler, lysosomer og motoriske elementer. Med deres hjelp finner alle prosessene som sikrer kroppens funksjon sted.

Celleaktivitet

Som allerede nevnt spiser alle levende ting, puster, formerer seg og dør. Dette utsagnet gjelder både for hele organismer, det vil si mennesker, dyr, planter osv., og for celler. Det er utrolig, men hver "kloss" har sitt eget liv. På grunn av sine organeller mottar og behandler den næringsstoffer, oksygen og fjerner alt unødvendig utenfor. Selve cytoplasmaet og det endoplasmatiske retikulum utfører en transportfunksjon, mitokondrier er også ansvarlige for respirasjon, samt gir energi. Golgi-komplekset er ansvarlig for akkumulering og fjerning av celleavfallsprodukter. Andre organeller deltar også i komplekse prosesser. Og på et visst stadium begynner det å dele seg, det vil si at reproduksjonsprosessen skjer. Det er verdt å vurdere nærmere.

Celledelingsprosess

Reproduksjon er et av stadiene i utviklingen av en levende organisme. Det samme gjelder for celler. På et visst stadium i livssyklusen går de inn i en tilstand hvor de er klare til å reprodusere seg. de deler seg ganske enkelt i to, forlenger og danner en skillevegg. Denne prosessen er enkel og nesten fullstendig studert ved å bruke eksemplet med stavformede bakterier.

Ting er litt mer komplisert. De formerer seg på tre forskjellige måter, kalt amitose, mitose og meiose. Hver av disse banene har sine egne egenskaper, den er iboende i en viss type celle. Amitose

ansett som den enkleste, kalles den også direkte binær fisjon. Når det oppstår, dobles DNA-molekylet. Det dannes imidlertid ikke en fisjonsspindel, så denne metoden er den mest energieffektive. Amitose forekommer i encellede organismer, mens vev fra flercellede organismer reproduserer ved hjelp av andre mekanismer. Imidlertid er det noen ganger observert hvor mitotisk aktivitet er redusert, for eksempel i modent vev.

Direkte fisjon skilles noen ganger ut som en type mitose, men noen forskere anser det som en egen mekanisme. Denne prosessen skjer ganske sjelden selv i gamle celler. Deretter vil meiose og dens faser, prosessen med mitose, samt likhetene og forskjellene til disse metodene bli vurdert. Sammenlignet med enkel inndeling er de mer komplekse og perfekte. Dette gjelder spesielt for reduksjonsdeling, så egenskapene til fasene til meiose vil være de mest detaljerte.

En viktig rolle i celledeling spilles av sentrioler - spesielle organeller, vanligvis plassert ved siden av Golgi-komplekset. Hver slik struktur består av 27 mikrotubuli, gruppert i grupper på tre. Hele strukturen er sylindrisk i form. Sentrioler er direkte involvert i dannelsen av celledelingsspindelen under prosessen med indirekte deling, som vil bli diskutert senere.

Mitose

Levetiden til cellene varierer. Noen lever i et par dager, og noen kan klassifiseres som langlever, siden deres fullstendige forandring skjer svært sjelden. Og nesten alle disse cellene formerer seg gjennom mitose. For de fleste av dem går det i gjennomsnitt 10-24 timer mellom delingsperiodene. Mitose i seg selv tar en kort periode - hos dyr ca. 0,5-1

time, og for planter ca 2-3. Denne mekanismen sikrer vekst av cellepopulasjonen og reproduksjon av enheter som er identiske i deres genetiske innhold. Slik opprettholdes generasjonens kontinuitet på det elementære nivået. I dette tilfellet forblir antall kromosomer uendret. Denne mekanismen er den vanligste typen reproduksjon av eukaryote celler.

Betydningen av denne typen deling er stor - denne prosessen hjelper vev til å vokse og regenerere, på grunn av hvilken utviklingen av hele organismen skjer. I tillegg er det mitose som ligger til grunn for aseksuell reproduksjon. Og en funksjon til er bevegelse av celler og erstatning av allerede foreldede. Derfor er det feil å anta at fordi stadiene av meiose er mer komplekse, er dens rolle mye høyere. Begge disse prosessene utfører ulike funksjoner og er viktige og uerstattelige på hver sin måte.

Mitose består av flere faser som er forskjellige i deres morfologiske egenskaper. Tilstanden der cellen er klar for indirekte deling kalles interfase, og selve prosessen er delt inn i 5 flere stadier, som må vurderes mer detaljert.

Faser av mitose

Mens den er i interfase, forbereder cellen seg på å dele seg: DNA og proteiner syntetiseres. Dette stadiet er delt inn i flere, der veksten av hele strukturen og dobling av kromosomer skjer. Cellen forblir i denne tilstanden i opptil 90 % av hele livssyklusen.

De resterende 10% er okkupert av selve divisjonen, som er delt inn i 5 stadier. Under mitose av planteceller frigjøres også preprofase, som er fraværende i alle andre tilfeller. Nye strukturer dannes, kjernen beveger seg til sentrum. Et preprofasebånd dannes, som markerer det forventede stedet for fremtidig deling.

I alle andre celler går prosessen med mitose som følger:

Tabell 1

Etter at delingen av genetisk informasjon er fullført, oppstår cytokinese eller cytotomi. Dette begrepet refererer til dannelsen av dattercellekropper fra mors kropp. I dette tilfellet er organellene som regel delt i to, selv om unntak er mulige; det dannes en septum. Cytokinesis er ikke separert i en separat fase; som regel anses den innenfor rammen av telofase.

Så de mest interessante prosessene involverer kromosomer, som bærer genetisk informasjon. Hva er de og hvorfor er de så viktige?

Om kromosomer

Selv uten den minste ide om genetikk, visste folk at mange kvaliteter til avkommet avhenger av foreldrene. Med utviklingen av biologi ble det åpenbart at informasjon om en bestemt organisme lagres i hver celle, og en del av den overføres til fremtidige generasjoner.

På slutten av 1800-tallet ble kromosomer oppdaget - strukturer bestående av en lang

DNA-molekyler. Dette ble mulig med forbedring av mikroskoper, og selv nå kan de bare sees i delingsperioden. Oftest tilskrives oppdagelsen den tyske forskeren W. Fleming, som ikke bare strømlinjeformet alt som hadde blitt studert før ham, men også ga sitt eget bidrag: han var en av de første som studerte cellulær struktur, meiose og dens faser, og introduserte også begrepet "mitose." Selve konseptet "kromosom" ble foreslått litt senere av en annen vitenskapsmann - den tyske histologen G. Waldeyer.

Strukturen til kromosomer når de er godt synlige er ganske enkel - de er to kromatider forbundet i midten med en sentromer. Det er en spesifikk nukleotidsekvens og spiller en viktig rolle i prosessen med cellereproduksjon. Til syvende og sist ligner kromosomet i utseende i profase og metafase, når det best kan sees, bokstaven X.

I 1900 ble prinsipper som beskriver overføring av arvelige egenskaper oppdaget. Da ble det endelig klart at kromosomer er akkurat det genetisk informasjon overføres gjennom. Deretter utførte forskere en rekke eksperimenter som beviste dette. Og så var emnet for studien hvilken innflytelse celledelingen har på dem.

Meiose

I motsetning til mitose, fører denne mekanismen til slutt til dannelsen av to celler med et sett med kromosomer som er 2 ganger mindre enn den opprinnelige. Dermed fungerer prosessen med meiose som en overgang fra den diploide fasen til den haploide fasen, og først og fremst

Vi snakker om deling av kjernen, og for det andre deling av hele cellen. Gjenopprettingen av hele settet med kromosomer skjer som et resultat av ytterligere fusjon av kjønnsceller. På grunn av reduksjonen i antall kromosomer er denne metoden også definert som reduksjonscelledeling.

Meiosis og dens faser ble studert av så kjente forskere som V. Fleming, E. Strasburger, V. I. Belyaev og andre. Studiet av denne prosessen i celler fra både planter og dyr pågår fortsatt - det er så komplekst. Opprinnelig ble denne prosessen ansett som en variant av mitose, men nesten umiddelbart etter oppdagelsen ble den identifisert som en egen mekanisme. Egenskapene til meiose og dens teoretiske betydning ble først tilstrekkelig beskrevet av August Weissmann tilbake i 1887. Siden den gang har studiet av prosessen med reduksjonsdivisjon kommet langt, men konklusjonene som er trukket er ennå ikke tilbakevist.

Meiose skal ikke forveksles med gametogenese, selv om begge prosessene er nært beslektet. Begge mekanismene er involvert i dannelsen av kjønnsceller, men det er en rekke alvorlige forskjeller mellom dem. Meiose oppstår i to delingsstadier, som hver består av 4 hovedfaser, med en kort pause mellom dem. Varigheten av hele prosessen avhenger av mengden DNA i kjernen og strukturen til den kromosomale organisasjonen. Generelt er det mye lengre sammenlignet med mitose.

En av hovedårsakene til betydelig artsmangfold er forresten meiose. Som et resultat av reduksjonsdeling blir settet med kromosomer delt i to, slik at nye kombinasjoner av gener oppstår, primært som potensielt øker tilpasningsevnen og tilpasningsevnen til organismer, som til slutt får visse sett med egenskaper og kvaliteter.

Faser av meiose

Som allerede nevnt er reduksjonscelledeling konvensjonelt delt inn i to stadier. Hvert av disse stadiene er delt inn i ytterligere 4. Og den første fasen av meiose - profase I er på sin side delt inn i 5 flere separate stadier. Ettersom studiet av denne prosessen fortsetter, kan andre bli identifisert i fremtiden. Nå skilles følgende faser av meiose ut:

tabell 2

Så det er åpenbart at delingsfasene til meiose er mye mer komplekse enn prosessen med mitose. Men, som allerede nevnt, forringer dette ikke den biologiske rollen til indirekte deling, siden de utfører forskjellige funksjoner.

Forresten, meiose og dens faser er også observert i noen protozoer. Imidlertid inkluderer det som regel bare én divisjon. Det antas at denne en-trinns formen senere utviklet seg til den moderne to-trinns form.

Forskjeller og likheter mellom mitose og meiose

Ved første øyekast ser det ut til at forskjellene mellom disse to prosessene er åpenbare, fordi dette er helt forskjellige mekanismer. Ved dypere analyse viser det seg imidlertid at forskjellene mellom mitose og meiose ikke er så globale; til slutt fører de til dannelsen av nye celler.

Først av alt er det verdt å snakke om hva disse mekanismene har til felles. Faktisk er det bare to tilfeldigheter: i samme sekvens av faser, og også i det faktum at

DNA-replikasjon skjer før begge typer deling. Selv om, når det gjelder meiose, er denne prosessen ikke fullstendig fullført før starten av profase I, og ender i et av de første understadiene. Og selv om sekvensen av faser er lik, i hovedsak faller ikke hendelsene som skjer i dem helt sammen. Så likhetene mellom mitose og meiose er ikke så mange.

Det er mye flere forskjeller. Først av alt oppstår mitose mens meiose er nært knyttet til dannelsen av kjønnsceller og sporogenese. I selve fasene er ikke prosessene helt sammenfallende. For eksempel skjer overkryssing i mitose under interfase, og ikke alltid. I det andre tilfellet involverer denne prosessen anafase av meiose. Rekombinasjon av gener i indirekte deling forekommer vanligvis ikke, noe som betyr at det ikke spiller noen rolle i den evolusjonære utviklingen av organismen og opprettholdelsen av intraspesifikk mangfold. Antall celler som følge av mitose er to, og de er genetisk identiske med moren og har et diploid sett med kromosomer. Under reduksjonsdeling er alt annerledes. Resultatet av meiose er 4 forskjellige fra mors. I tillegg skiller begge mekanismene seg betydelig i varighet, og dette skyldes ikke bare forskjellen i antall divisjonstrinn, men også varigheten av hvert trinn. For eksempel varer den første profasen av meiose mye lenger, fordi på dette tidspunktet skjer kromosomkonjugering og kryssing. Derfor er den videre delt inn i flere stadier.

Generelt er likhetene mellom mitose og meiose ganske små sammenlignet med forskjellene deres fra hverandre. Det er nesten umulig å forvirre disse prosessene. Derfor er det nå noe overraskende at reduksjonsdivisjon tidligere ble ansett som en type mitose.

Konsekvenser av meiose

Som allerede nevnt, etter slutten av reduksjonsdelingsprosessen, i stedet for modercellen med et diploid sett av kromosomer, dannes fire haploide. Og hvis vi snakker om forskjellene mellom mitose og meiose, er dette den viktigste. Restaurering av nødvendig mengde, når det gjelder kjønnsceller, skjer etter befruktning. Dermed fordobles ikke antallet kromosomer med hver ny generasjon.

I tillegg, under meiose oppstår Under prosessen med reproduksjon, fører dette til opprettholdelse av intraspesifikk mangfold. Så det faktum at selv søsken noen ganger er veldig forskjellige fra hverandre er nettopp et resultat av meiose.

Forresten er steriliteten til noen hybrider i dyreverdenen også et problem med reduksjonsdeling. Faktum er at kromosomene til foreldre som tilhører forskjellige arter ikke kan inngå konjugering, noe som betyr at prosessen med dannelse av fullverdige levedyktige kjønnsceller er umulig. Dermed er det meiose som ligger til grunn for den evolusjonære utviklingen av dyr, planter og andre organismer.

Meiose oppstår i cellene til organismer som formerer seg seksuelt.

Den biologiske betydningen av fenomenet bestemmes av et nytt sett med egenskaper hos etterkommerne.

I dette arbeidet vil vi vurdere essensen av denne prosessen, og for klarhet vil vi presentere den i figuren, vi vil se på sekvensen og varigheten av deling av kjønnsceller, og vi vil også finne ut likhetene og forskjellene mellom mitose og meiose.

Hva er meiose

En prosess ledsaget av dannelsen av fire celler med et enkelt kromosomsett fra en original.

Den genetiske informasjonen til hver nydannet celle tilsvarer halvparten av settet med somatiske celler.

Faser av meiose

Meiotisk divisjon involverer to stadier, bestående av fire faser hver.

Første divisjon

Inkluderer profase I, metafase I, anafase I og telofase I.

Profesjon I

På dette stadiet dannes to celler med halvparten av settet med genetisk informasjon. Profasen til den første divisjonen inkluderer flere stadier. Det innledes med pre-meiotisk interfase, hvor DNA-replikasjon skjer.

Kondensering oppstår da, dannelsen av lange tynne filamenter med en proteinakse under leptoten. Denne tråden festes til kjernemembranen ved hjelp av terminalforlengelser - festeskiver. Halvdelene av de dupliserte kromosomene (kromatidene) kan ennå ikke skilles. Når de undersøkes, ser de ut som monolittiske strukturer.

Deretter kommer zygotenstadiet. Homologer smelter sammen for å danne bivalente, hvor antallet tilsvarer et enkelt antall kromosomer. Prosessen med konjugasjon (forbindelse) utføres mellom par som er like i genetiske og morfologiske aspekter. Dessuten begynner interaksjonen fra endene, og sprer seg langs kromosomlegemene. Et kompleks av homologer koblet sammen av en proteinkomponent - en bivalent eller tetrad.

Spiralisering skjer under det tykke filamentstadiet, pachyten. Her er DNA-dupliseringen allerede fullført, og kryssingen begynner. Dette er en utveksling av homologe regioner. Som et resultat dannes det koblede gener med ny genetisk informasjon. Transkripsjon skjer parallelt. Tette deler av DNA - kromomerer - aktiveres, noe som fører til en endring i strukturen til kromosomer som "lampebørster".

Homologe kromosomer kondenserer, forkortes og divergerer (bortsett fra koblingspunktene - chiasmata). Dette er et stadium i biologien til diplotene eller dictyoten. Kromosomer på dette stadiet er rike på RNA, som syntetiseres i de samme områdene. Når det gjelder eiendommer, er sistnevnte nær informasjonsmessig.

Til slutt spres de bivalente til periferien av kjernen. Sistnevnte forkortes, mister nukleolene og blir kompakte, ikke assosiert med kjernekonvolutten. Denne prosessen kalles diakinesis (overgangen til celledeling).

Metafase I

Deretter beveger de bivalente seg til cellens sentrale akse. Delingsspindler strekker seg fra hver sentromer, hver sentromer er like langt fra begge polene. Små amplitudebevegelser av trådene holder dem i denne posisjonen.

Anafase I

Kromosomer, bygget av to kromatider, skiller seg. Rekombinasjon skjer med en reduksjon i genetisk mangfold (på grunn av fraværet av homologer i settet med gener lokalisert i loci (regioner).

Telofase I

Essensen av fasen er divergensen av kromatider med sine sentromerer til motsatte deler av cellen. I en dyrecelle skjer cytoplasmatisk deling, i en plantecelle oppstår dannelsen av en cellevegg.

Andre divisjon

Etter interfasen av den første divisjonen er cellen klar for det andre trinnet.

Profase II

Jo lengre telofasen, jo kortere varighet av profasen. Kromatider stiller opp langs cellen, og danner en rett vinkel med aksene deres i forhold til trådene til den første meiotiske divisjonen. På dette stadiet forkortes og tyknes de, og nukleolene går i oppløsning.

Metafase II

Sentromerene er igjen plassert i ekvatorialplanet.

Anafase II

Kromatider skiller seg fra hverandre og beveger seg mot polene. Nå kalles de kromosomer.

Telofase II

Despiralisering, strekking av dannede kromosomer, forsvinning av spindelen, dobling av sentrioler. Den haploide kjernen er omgitt av en kjernemembran. Fire nye celler dannes.

Sammenligningstabell mellom mitose og meiose

Funksjonene og forskjellene er kort og tydelig presentert i tabellen.

Dataene som presenteres er et diagram over forskjellene, og likhetene koker ned til de samme fasene, DNA-reduplikasjon og spiralisering før starten av cellesyklusen.

Biologisk betydning av meiose

Hva er rollen til meiose:

1. Gir nye kombinasjoner av gener på grunn av kryssing.
2. Støtter kombinativ variasjon. Meiose er en kilde til nye egenskaper i en befolkning.
3. Opprettholder et konstant antall kromosomer.

Konklusjon

Meiose er en kompleks biologisk prosess der fire celler dannes, med nye egenskaper oppnådd som et resultat av kryssing.

Nikolay Mushkambarov, Dr. biol. vitenskaper

Menneskeheten eldes, men alle ønsker å leve ikke bare lenge, men også uten de sykdommene som kommer med alderen. I løpet av det siste halve århundret har mange "revolusjonære" teorier om aldring dukket opp, som nesten alle tilbyr en sikker og pålitelig måte å bremse eller til og med stoppe tiden. Hvert år er det nye sensasjoner, nye oppdagelser og nye uttalelser, oppmuntrende og lovende. Peptidbioregulatorer, livseliksir, livgivende ioner eller antioksidant SkQ. Løp til apoteket, betal og lev, etter instruksjonene som følger med, til du er 100-120 år! I hvilken grad kan du stole på sensasjonelle oppdagelser og hva er "sannheten om aldring"?

Professor N. N. Mushkambarov. Foto av Andrey Afanasyev.

August Weismann (1834-1914) - tysk zoolog og evolusjonist. Laget en teori som går ut på at arvelige egenskaper bevares og overføres gjennom tidløs kimplasma.

Leonard Hayflick er en amerikansk mikrobiolog. På 1960-tallet oppdaget han at under laboratorieforhold kan menneske- og dyreceller dele seg bare et begrenset antall ganger.

Alexey Matveevich Olovnikov er en russisk biokjemiker. For å forklare Hayflicks eksperimenter i 1971 la han frem en hypotese om forkortningen av de terminale delene av kromosomer (telomerer) med hver celledeling.

Vitenskap og liv // Illustrasjoner

Elizabeth Blackburn og Carol Greider er amerikanske biologer. I 1985 ble enzymet telomerase oppdaget. Virkningsmekanismen til telomerase er den gjentatte kodingen av nye nukleotidsekvenser ved de terminale delene av telomerer og restaurering av deres opprinnelige

Benjamin Gompertz (1779-1865) - britisk matematiker. Han foreslo en funksjon som beskriver menneskelig dødelighetsstatistikk avhengig av alder. Denne funksjonen ble brukt til å vurdere risiko i livsforsikring.

Boken av M. M. Vilenchik "Biologisk grunnlag for aldring og lang levetid", utgitt i 1976, var en av de første populærvitenskapelige bøkene om aldring og nøt enorm suksess.

Skjema for meiose (ved å bruke eksemplet med et par homologe kromosomer). I prophase av den første deling av meiose, er kromosomer doblet; deretter konjugerer homologe kromosomer med hverandre og, mens de opprettholder sin aktivitet, går de over i kryss.

Doctor of Biological Sciences, professor ved Institutt for histologi ved Moscow State Medical University oppkalt etter N.V. I. M. Sechenov Nikolay Mushkambarov.

Nikolai Nikolaevich, du kritiserer skarpt mange kjente bestemmelser i moderne gerontologi. Vennligst beskriv gjenstandene for kritikken din.

Det er mer enn nok gjenstander! For eksempel er det nå på moten å omtale Weisman nesten som den ultimate sannheten. Dette er en berømt biolog som tilbake på 1800-tallet postulerte at aldring ikke oppsto umiddelbart i evolusjonen, men bare på et tidspunkt som et adaptivt fenomen. Fra dette konkluderte de med at det må være ikke-aldrende arter: først og fremst de mest primitive organismene. Samtidig glemmer de på en eller annen måte at hvis de ikke eldes, så må de ha 100 % DNA-reparasjon. Dette er blant de mest primitive! På en eller annen måte passer det ene ikke med det andre.

Det er en myte knyttet til navnet til en annen berømt biolog - Leonard Hayflick. Siden sekstitallet av forrige århundre har den vitenskapelige verden vært trygg på at menneskelige somatiske celler har en grense på 50 divisjoner, og en slik grense i biologi kalles "Hayflick-grensen". For rundt tjue år siden ble det isolert stamceller som visstnok var i stand til et ubegrenset antall delinger. Og denne myten (50 for alle og uendelig for stamceller) vedvarer i sinnet den dag i dag. Faktisk eldes stamceller, som det viser seg, (det vil si at uendeligheten er avskaffet), og det er slett ikke klart hvor man skal telle akkurat disse 50 divisjonene. Det er så uklart at det mest sannsynlig ikke er noen enkelt delingsgrense som er universell for alle menneskelige celler som deler seg.

– Vel, hva med telomerteorien om aldring? Gjør hun deg også mistroisk?

Dette er den mest populære myten. I følge denne teorien kommer hele mekanismen for aldring ned på det faktum at delende celler mangler enzymet telomerase, som forlenger endene av kromosomene (disse endene kalles telomerer), og derfor forkortes telomerer med 50- 100 DNA-nukleotidpar. Enzymet telomerase eksisterer, og oppdagelsen av det ble tildelt Nobelprisen i 2009. Og fenomenet kromosomforkorting i celledelinger som mangler telomerase er også hevet over tvil (selv om det skyldes en litt annen grunn enn den som er påpekt av forfatteren av telomerteorien, Alexey Olovnikov). Men å redusere aldring til dette fenomenet er det samme som å erstatte det mest komplekse symfonipartituret med toner som slår på en tromme. Det er ingen tilfeldighet at A. Olovnikov i 2003 offentlig forlot teorien sin, og erstattet den med den såkalte redumeriske teorien (også forresten ikke udiskutabel). Men selv i dag, selv på medisinske universiteter, presenterer biologikurs telomerteorien som den siste prestasjonen innen vitenskapelig tanke. Dette er selvfølgelig absurd.

Et annet eksempel kommer fra dødelighetsstatistikken. Hovedformelen for denne statistikken er Gompertz-ligningen, foreslått i 1825, eller, med et korreksjonsbegrep, Gompertz-Makem-ligningen (1860). Disse ligningene har henholdsvis to og tre koeffisienter, og verdiene til koeffisientene varierer mye mellom forskjellige populasjoner av mennesker. Og det viser seg at endringer i koeffisientene til hver ligning korrelerer med hverandre. På grunnlag av hvilke globale, verdensomspennende mønstre formuleres: den såkalte Strehler-Mildvan-korrelasjonen og den kompenserende effekten av dødelighet som erstattet den i dette innlegget - hypotesen til Gavrilov-ektefellene.

Jeg kompilerte en liten modell for en betinget populasjon av mennesker, og med dens hjelp ble jeg overbevist om at alle disse mønstrene mest sannsynlig var en artefakt. Faktum er at en liten feil ved å bestemme en koeffisient skaper et skarpt avvik fra den sanne verdien til en annen koeffisient. Og dette oppfattes (i semi-logaritmiske koordinater) som en biologisk signifikant korrelasjon og fungerer som et løfte for gjennomtenkte konklusjoner.

– Er du sikker på at du har rett når du snakker om gjenstanden?

Selvfølgelig ikke! Generelt er det skadelig for forskere å være helt sikre på noe, selv om det finnes mange slike eksempler. Men jeg gjorde mitt beste for å bekrefte det motsatte: at korrelasjonene ikke er en artefakt. Og jeg var ikke i stand til å bekrefte dette motsatte. Så foreløpig, basert på en personlig, svært beskjeden analyse, har jeg mer grunn til å tro at de navngitte korrelasjonene fortsatt er kunstige. De gjenspeiler feilene i metoden, og ikke biologiske mønstre.

Hvordan vurderer du utsagn om at det er et stort antall ikke-aldrende organismer i naturen og listen deres vokser fra år til år?

Akk, populære teorier om at det er både ikke-aldrende celler og ikke-aldrende organismer mangler tilstrekkelig bevis. Ja, hvert år utvides sirkelen av "tidløse" dyr ubønnhørlig. Først var disse praktisk talt bare encellede organismer, deretter ble lavere flercellede organismer (hydra, bløtdyr, kråkeboller, etc.) lagt til dem. Og nå har det dukket opp varme hoder som "oppdager" visse tidløse arter selv blant fisk, krypdyr og fugler. Så det går - snart kommer de til pattedyr og slår for eksempel fast at elefanter heller ikke eldes, men dør rett og slett på grunn av overflødig kroppsvekt!

– Er du overbevist om at det ikke finnes tidløse dyr?

Jeg er ikke overbevist om at det ikke finnes slike dyr (selv om jeg er tilbøyelig til å gjøre det), men at det ikke er en eneste dyreart som fraværet av aldring er bevist absolutt pålitelig. Med hensyn til menneskelige celler (så vel som celler og andre representanter for dyreverdenen), er graden av tillit kanskje enda høyere: stamceller, kjønnsceller og til og med tumorceller, i prinsippet alder. Stamceller ble ansett som utiskutabelt tidløse, men nå dukker det opp eksperimentelt arbeid som beviser det motsatte.

– Hva er denne tilliten basert på? Har du selv utført de aktuelle forsøkene?

Generelt sett, for veldig lenge siden, i 1977-1980, prøvde jeg å nærme meg problemet med aldring i eksperimenter på mus. Men de lite pålitelige resultatene (selv om de så ut til å bekrefte den opprinnelige antagelsen) overbeviste om at det var bedre å gjøre analyser i stedet for å eksperimentere. Og her er et av resultatene av denne analysen - konseptet "Anerem", eller den ameiotiske teorien om aldring. Den inkluderer seks teser (postulater, hvis du vil), hvorav den ene (den aller første) er rent mitt arbeid, og resten er formulert på grunnlag av ideer som allerede eksisterer i litteraturen. Og selvfølgelig er det viktig at alle disse tesene danner et ganske klart bilde som helhet.

Så det er det ameiotiske konseptet, hvis det overholdes, som utelukker muligheten for eksistensen av både ikke-aldrende celler i flercellede organismer og ikke-aldrende organismer (begynner med encellede). Samtidig er jeg selvfølgelig klar over at alle teser av begrepet fortsatt er hypoteser. Men de virker mye mer fornuftige enn andre synspunkter.

Så konseptet ditt er som en tester, ved hjelp av hvilken du relativt sett kan vurdere sannheten til visse antakelser? I dette tilfellet, fortell oss mer om det.

Jeg skal prøve å gjøre dette så tilgjengelig som mulig. Selve navnet på konseptet ("Anerem") er en forkortelse for ordene autokatalyse, ustabilitet, reparasjon, meiose. Oppgave en. Husker du at Engels sin definisjon av liv tidligere var veldig kjent: "Livet er proteinlegemenes eksistensmåte"? Jeg reviderte denne definisjonen og ga min egen, som utgjorde den første avhandlingen: "Livet er en metode for autokatalytisk multiplikasjon av DNA (sjeldnere RNA) i naturen." Dette betyr at drivkraften bak både fremveksten av liv og dets påfølgende utvikling er nukleinsyrenes ukuelige ønske om endeløs selvreproduksjon. I hovedsak er enhver organisme en evolusjonært forbedret biomaskin, designet for å effektivt bevare og multiplisere genomet den inneholder, etterfulgt av effektiv distribusjon av kopiene i miljøet.

- Det er uvanlig å føle seg som en biomaskin...

Ingenting, følelsen vil gå over, men funksjonen, unnskyld meg, vil forbli. Tese to: "Genomustabilitet er et sentralt element i aldring." Det er akkurat slik de fleste fornuftige forskere i Vesten, og også her, forstår aldring. Faktum er at, for alle deres bemerkelsesverdige evner, er nukleinsyrer mottakelige for de skadelige effektene av mange faktorer - frie radikaler, reaktive oksygenarter, etc. Og selv om mange beskyttelsessystemer har blitt skapt i evolusjonen (som antioksidantsystemet), skjer det stadig mange skader i DNA-trådene. For å oppdage og korrigere dem er det et annet beskyttelsessystem - DNA-reparasjon (restaurering). Den neste oppgaven, den tredje, er et filter som filtrerer ut alt "ikke-aldrende": "Genomreparasjon i mitotiske og postmitotiske celler er ikke fullført." Det vil si at ethvert reparasjonssystem i disse cellene ikke gir 100 % korreksjon av alle DNA-defekter som oppstår. Og dette betyr aldrings universelle natur.

– Men hvis alt og alle eldes, hvordan opprettholdes livet på jorden?

Vel, jeg ble interessert i denne saken i 1977. Og jeg fant, som det virket for meg, mitt eget svar, selv om det lå på overflaten. Og 25 år senere, i 2002, mens jeg så gjennom de gamle bøkene mine, innså jeg at denne hypotesen ikke var min i det hele tatt, men jeg hadde lest om den et år før i boken til M. M. Vilenchik, glemte den og husket den, men oppfattet den. som din egen. Dette er hukommelsens særheter. Men til syvende og sist er det essensen av saken som er viktig, ikke ambisjonene til oppdageren.

Essensen er formulert av den fjerde avhandlingen: "Effektiv reparasjon kan bare oppnås i meiose (eller i sin forenklede versjon - endomixis) - under konjugasjonen (fusjon) av kromosomer." Alle ser ut til å ha lært hva meiose er på skolen, men dessverre er det noen ganger til og med våre medisinstudenter som ikke vet dette. La meg minne deg på: meiose er den siste dobbeltdelingen i dannelsen av kjønnsceller - sædceller og egg. Forresten, jeg skal fortelle deg en hemmelighet: kvinner danner ikke egg. I dem kan den andre meiotiske delingen (på stadiet av oocytt II - utviklingen av den kvinnelige reproduktive cellen) ikke forekomme uavhengig - uten hjelp av en sædcelle. Fordi cellen har "mistet" sine sentrioler (legemer i cellen involvert i deling) et sted: de var bare der (under forrige deling), men nå er de borte et sted. Og befruktning av oocytt II er absolutt nødvendig for at sædcellene skal bringe inn sentriolene og redde situasjonen. Jeg ser på dette som typiske "kvinnelige ting". Så den andre meiotiske delingen skjer til slutt, men den resulterende cellen er ikke lenger et egg, men en zygote.

Vi ble revet med av "kvinnelige ting" og avklarte ikke hvordan fullstendig DNA-reparasjon oppnås ved meiose.

Den første divisjonen av meiose er innledet av en veldig lang profase: i mannlig gametogenese varer den en hel måned, og i kvinnelig gametogenese varer den opptil flere tiår! På dette tidspunktet kommer homologe kromosomer nærmere hverandre og forblir i denne tilstanden nesten hele tiden for profase.

Samtidig aktiveres enzymer skarpt, som kutter og syr DNA-tråder. Det ble antatt at dette bare var nødvendig for å krysse - utveksling av kromosomer i deres seksjoner, noe som øker den genetiske variasjonen til arten. Faktisk, "fars" og "mors" gener, som fortsatt er fordelt i hvert par homologe (strukturelt identiske) kromosomer på forskjellige kromosomer, viser seg å være blandet etter kryssing.

Men M. M. Vilenchik, og etter ham jeg, trakk oppmerksomhet til det faktum at kryssing av enzymer ligner veldig på DNA-reparasjonsenzymer, der det, ved å kutte ut skadede områder, også er nødvendig å bryte og sy DNA-tråder. Det vil si at DNA-superreparasjon sannsynligvis skjer samtidig med kryssing. Man kan forestille seg andre mekanismer for stor "reparasjon" av gener under meiose. På en eller annen måte, i dette tilfellet, oppstår en radikal (mer presist, fullstendig) "foryngelse" av celler, og det er grunnen til at modne kjønnsceller begynner å telle tid som fra bunnen av. Hvis noe ikke fungerer, utløses selvovervåkende sensorer for tilstanden til sitt eget DNA i cellen og prosessen med apoptose starter - selv-
drepe celler.

– Så i naturen skjer foryngelse bare i modnende kjønnsceller?

Helt rett. Men dette er ganske nok til å sikre artens udødelighet - mot bakgrunnen, dessverre, av den uunngåelige dødeligheten til alle individer. Det er tross alt kjønnsceller som er de eneste! - det eneste materielle substratet til foreldreorganismer som nytt liv er født fra - livet til avkommet.

Og det faktum at denne mekanismen kun gjelder kjønnsceller er diskutert i de to gjenværende tesene av konseptet, som prikker alle i-ene. Tese fem: "Meiose forbedrer genomets tilstand bare i påfølgende generasjoner (flere generasjoner samtidig i enkle organismer og bare en i alle andre)." Avhandling seks: "Herfra følger uunngåelig aldring av individer (individer) og den relative udødeligheten til arten som helhet."

– Hva, meiose forekommer hos alle typer dyr?

Det skal være tilstede i alle dyrearter - ifølge Anerem-konseptet, hvis det viser seg å være riktig. Faktisk er konseptet basert på universaliteten til ikke bare aldring, men også meiose. Jeg undersøkte dette problemet grundig ved å bruke litteraturdata. Selvfølgelig, hos tilstrekkelig utviklede dyr - fisk og "høyere" - er det bare en seksuell reproduksjonsmetode, som også innebærer tilstedeværelsen av meiose. I tillegg er det enorme sektorer av både flora og fauna der blandede former for reproduksjon er vanlige. Dette betyr at de veksler mer eller mindre langvarige handlinger av aseksuell reproduksjon (for eksempel mitotiske delinger, sporulering, knoppskyting, fragmentering, etc.) og enkelthandlinger av seksuell eller kvasi-seksuell reproduksjon. Et vesentlig trekk ved den kvasiseksuelle prosessen (den såkalte endomixis) er at det også her er en sammenføyning av strukturelt identiske kromosomer fra fars- og morssettet (konjugering av homologe kromosomer), selv om det ikke ender med deres divergens til forskjellige celler.

Med blandet reproduksjon lever således flere generasjoner av organismer, som om de gradvis eldes (i likhet med hvordan mitotisk delende celler eldes hos mer komplekse dyr), og deretter returnerer den seksuelle prosessen individuelle organismer til "null" alder og gir
gir et komfortabelt liv for flere generasjoner. Til slutt antas en rekke enkle dyr å reprodusere kun aseksuelt. Men i forhold til dem er jeg fortsatt i tvil: så ikke disse organismene, i en lang rekke av aseksuell reproduksjon, noe som ligner på meiose eller endomixis (selvbefruktning)?

Det viser seg at konseptet du utvikler setter en stopper for alle drømmer om å forlenge menneskeliv. Tross alt er vanlige (ikke-reproduktive) celler dømt til å bli gamle og gamle?

Nei, jeg setter ikke opp et kryss. For det første fordi det som er mye viktigere for oss ikke er selve aldring, men hastigheten på denne prosessen. Og du kan påvirke aldringshastigheten på mange måter. Noen av dem er kjente, noen (som Skulachevs ioner) er på forskningsstadiet, noen vil bli oppdaget senere.

For det andre er det mulig at det over tid vil være mulig å sette i gang noen meiotiske prosesser i somatiske celler – for eksempel i stamceller og ikke-delende celler. Jeg mener de prosessene som gjenoppretter tilstanden til genomet: dette er tilsynelatende konjugeringen av homologe kromosomer, kryssing eller noe mer subtilt og fortsatt ukjent. Jeg ser ingen grunn til at dette i utgangspunktet skulle være umulig. I kjønnscellelinjer inngås meiose av celler som generelt har samme struktur som mange andre. Dessuten, selv etter konjugeringen av kromosomer, forblir aktiviteten til de tilsvarende genene i sistnevnte. For å implementere dette prosjektet er det imidlertid nødvendig å først identifisere genene som er ansvarlige for ulike aspekter av meiose og etablere måter å målrette dem mot. Dette er selvfølgelig et veldig fantastisk prosjekt. Men virket ikke mye av det vi har i dag fantastisk i går?!

Meiose, den viktigste celledelingsprosessen som skjer på tampen av dannelsen av kjønnsceller og ble oppdaget på slutten av 1800-tallet, har lenge vært gjenstand for nøye oppmerksomhet fra en veldig smal krets av cytologer. Det ble først kjent med molekylærbiologer på 90-tallet av 1900-tallet. Den raske utviklingen av forskning på dette området ble tilrettelagt av arbeid med molekylær genetikk til modellobjekter, samt fremveksten av nye immuncytokjemiske metoder, som ga forskere en praktisk måte å studere proteiner involvert i meiose.

I alle eukaryoter, under meiose, dannes en submikroskopisk struktur, kalt synaptonemalt kompleks(fra det greske synaptos - forbundet, peta - tråd). En studie av den molekylære organiseringen av dette komplekset og dets rolle i meiose viste at det er nødvendig for rekombinasjon av kromosomer og reduksjon av antallet. Dette vil bli diskutert i denne artikkelen.

Men først, la oss huske den grunnleggende informasjonen om meiose, som består av to divisjoner: meiose I og meiose II. Som følge av reduksjonsdeling (meiose I) reduseres antall kromosomer i datterceller med det halve sammenlignet med antall kromosomer i foreldrecellen. Dette skjer fordi mengden DNA i kromosomene dobles bare én gang før meiose I (Figur 1). En to ganger reduksjon i antall kromosomer under dannelsen av kjønnsceller gjør det mulig under befruktning å gjenopprette det opprinnelige (diploide) antallet kromosomer og opprettholde dets konstans. Dette krever streng separasjon av par av homologe kromosomer mellom kjønnsceller. Når feil oppstår, oppstår aneuploidi - mangel på eller overskudd av kromosomer, og denne ubalansen fører til at embryoet dør eller alvorlige utviklingsavvik (hos mennesker, såkalte kromosomsykdommer).

Struktur og funksjon av synaptonemalkomplekset

Synaptonemalkomplekset består av to proteinakser av homologe kromosomer forbundet med en proteinglidelås (fig. 2). Glidelåstennene er stavformede dimerer av parallellfoldede og identisk orienterte proteinmolekyler med en lang α-helix i midten av molekylet. I gjær S. cerevisiae - dette er proteinet Zip1, hos pattedyr og mennesker - SCP1 (SYCP1). Disse proteinene er forankret ved deres C-terminale ender til de kromosomale aksene (laterale elementer av komplekset), og deres N-terminale ender er rettet mot hverandre, inne i det sentrale rommet (fig. 3). Ved N-terminalen av molekylene er det ladede "sporer" - alternerende topper av tetthetene av positive og negative ladninger av aminosyrer (fig. 4), hvis komplementære interaksjon sikrer en sterk elektrostatisk forbindelse av tennene.

Det såkalte sentrale rommet til komplekset (gapet mellom proteinaksene, fylt med "feste"-tenner, omtrent 100 nm bredt), så vel som hele komplekset (dets tverrsnitt er omtrent 150-200 nm) er ikke synlig i et konvensjonelt lysmikroskop, siden hele komplekset er maskert av kromatin. For første gang ble det synaptonemale komplekset observert på ultratynne (0,8 µm tykke) seksjoner av kreps og musetestikler ved bruk av et transmisjonselektronmikroskop. Den ble oppdaget i 1956 uavhengig av to amerikanske forskere - M. Moses og D. W. Fossett.

Nå, når man studerer komplekset, brukes den såkalte mikrospredningsmetoden. Celler av testikler (eller plantestøvknapper) etter hypotonisk sjokk plasseres på et plastsubstrat som påføres et glassglass. Innholdet i sprengningscellen fikseres med en svak løsning av formaldehyd og kontrasteres med tungmetallsalter (best av alt - AgNO 3). Glasset sees under et fasekontrastmikroskop og cellene som skal inneholde komplekset velges basert på indirekte bevis. En sirkel av film med ønsket celle plukkes opp på et metallnett og plasseres i et elektronmikroskop (fig. 5). Om nødvendig, før kontrast, behandles celler med antistoffer mot proteiner av interesse for forskeren. Disse antistoffene er merket med kalibrerte kolloide gullkuler, som er godt synlige under et elektronmikroskop.

Under profase av meiose I holder synaptonemalkomplekset parallelle homologe kromosomer nesten helt til de bygges ved cellens ekvator (metafase I). Kromosomer kobles sammen ved hjelp av synaptonemalkomplekset i noen tid (fra 2 timer i gjær til 2-3 dager hos mennesker), hvor homologe seksjoner av DNA utveksles mellom homologe kromosomer - krysser over. Overkryssing, som skjer med en frekvens på minst én hendelse (vanligvis to, sjeldnere tre eller fire) per par homologe kromosomer, involverer dusinvis av meiosespesifikke enzymproteiner.

Den molekylære mekanismen for å krysse over og dens genetiske konsekvenser er to store temaer utenfor denne historiens omfang. Vi er interessert i denne prosessen fordi som et resultat av den er homologe kromosomer fast forbundet med kryssede DNA-molekyler (chiasmata) og behovet for parvis retensjon av kromosomet ved hjelp av synaptonemalkomplekset forsvinner (etter at kryssingen er fullført, komplekset forsvinner). Homologe kromosomer, forbundet med chiasmata, stiller seg på linje ved ekvator til celledelingsspindelen og spres gjennom celledelingsspindelens tråder til forskjellige celler. Etter at meiosen er fullført, halveres antallet kromosomer i datterceller.

Så, bare på tampen av meiose I, endres kromosomstrukturen radikalt. En veldig spesifikk intranukleær og interkromosomal struktur - det synaptonemale komplekset - dukker opp en gang i livssyklusen til en organisme i kort tid for parvis kobling av homologe kromosomer og kryssing, og demonteres deretter. Disse og mange andre hendelser under meiose på molekylære og subcellulære (ultrastrukturelle) nivåer er sikret av arbeidet til en rekke proteiner som utfører strukturelle, katalytiske og kinetiske (motoriske) funksjoner.

Proteiner i det synaptonemale komplekset

Tilbake på 70-tallet mottok vi indirekte bevis på at det synaptonemale komplekset er dannet av selvmontering av dets elementer, som kan oppstå i fravær av kromosomer. Eksperimentet ble utført av naturen selv, og vi kunne observere det. Det viste seg at i rundormen hos grisen, i cytoplasmaet til celler som forbereder seg på meiose I, vises pakker eller "stabler" av absolutt korrekt arrangerte morfologiske elementer av synaptonemalkomplekset (selv om det ikke er kromosomer i cytoplasmaet: de er i kjernen ). Siden det på stadiet av klargjøring av celler for meiose fortsatt ikke er noe synaptonemalt kompleks i cellekjernene, var det en antagelse om at kontrollen av rekkefølgen av meiotiske hendelser i denne primitive organismen er ufullkommen. Et overskudd av nylig syntetiserte proteiner i cytoplasmaet fører til deres polymerisering og utseendet til en struktur som ikke er forskjellig fra synaptonemalkomplekset. Denne hypotesen ble bekreftet først i 2005 takket være arbeidet til en internasjonal gruppe forskere som arbeider i Tyskland og Sverige. De viste at hvis genet som koder for pattedyrglidelåsproteinet (SCP1) introduseres i somatiske celler som vokser på et kunstig næringsmedium og aktiveres, så vises et kraftig nettverk av SCP1-proteiner inne i de dyrkede cellene, "zippet" mellom seg selv på samme måte som i det sentrale rommet i komplekset. Dannelsen av et lag med kontinuerlige proteinglidelåser i cellekultur betyr at vår forutsagte evne til de komplekse proteinene til å sette seg sammen er bevist.

I 1989 og 2001. Våre laboratorieansatte O. L. Kolomiets og Yu. S. Fedotova studerte den naturlige "demonteringen" av synaptonemale komplekser i de siste stadiene av deres eksistens. Denne flertrinnsprosessen ble best observert i pollenmoderceller i rugstøvstikk, der det er delvis synkronisering av meiose. Det viste seg at de laterale elementene i komplekset demonteres ved gradvis "avvikling" av proteinsuperhelixen, som har tre emballasjenivåer (fig. 6).

Grunnlaget for de utvidede laterale elementene er et kompleks av fire kohesinproteiner (fra engelsk. samhold- kløtsj). På tampen av meiose dukker det opp et spesifikt kohesinprotein, Rec8, i kromosomene, som erstatter det somatiske kohesinet Rad21. Deretter blir det slått sammen av tre andre kohesinproteiner, som også er tilstede i somatiske celler, men i stedet for det somatiske kohesinet SMC1, vises det meiosespesifikke proteinet SMC1b (dens N-terminal er 50 % forskjellig fra N-terminalen til den somatiske SMC1 protein). Dette kohesinkomplekset ligger i kromosomet mellom to søsterkromatider og holder dem sammen. Meiosespesifikke proteiner binder seg til kohesinkomplekset, som blir hovedproteiner i kromosomaksene og omdanner dem (disse aksene) til laterale elementer i synaptonemalkomplekset. Hos pattedyr er hovedproteinene i synaptonemalkomplekset SCP2 og SCP3, i gjær er proteinene Hop1 og Red1, og det meiosespesifikke proteinet er Rec8.

Det evolusjonære paradokset til proteiner

Hos pattedyr og gjær har proteinene i synaptonemalkomplekset forskjellige aminosyresekvenser, men deres sekundære og tertiære strukturer er de samme. Dermed bygges glidelåsproteinet SCP1 hos pattedyr og det ikke-homologe proteinet Zip1 i gjær i henhold til en enkelt plan. De består av tre aminosyredomener: et sentralt - en α-helix, i stand til å danne en andreordens helix (supercoiling), og to terminale domener - kuler. Hovedproteinene SCP2 og SCP3, som ikke har noen homologi med Hop1- og Red1-proteinene til gjær, og tilsynelatende med de fortsatt utilstrekkelig studerte proteinene i komplekset i planter, bygger også morfologisk og funksjonelt identiske strukturer av synaptonemalkomplekset. Dette betyr at den primære strukturen (aminosyresekvensen) til disse proteinene er et evolusjonært nøytralt trekk.

Så ikke-homologe proteiner i evolusjonært fjerne organismer bygger det synaptonemale komplekset i henhold til en enkelt plan. For å forklare dette fenomenet vil jeg bruke en analogi med bygging av hus av forskjellige materialer, men etter en enkelt plan Det er viktig at slike hus har vegger, tak, tak, og at byggematerialene oppfyller styrkebetingelsene. . På samme måte krever dannelsen av synaptonemalkomplekset sideelementer ("vegger"), tverrgående filamenter ("glidelås" tenner) - "overlapping" og et sentralt rom (rom for "kjøkken"). "Kjøkkenroboter" skal passe der - komplekser av rekombinasjonsenzymer satt sammen til såkalte "rekombinasjonsenheter."

Bredden på det sentrale rommet til synaptonemalkomplekset i gjær, mais og mennesker er omtrent 100 nm. Dette skyldes lengden på enkelttrådede DNA-seksjoner belagt med rekombinasjonsproteinet Rad51. Dette proteinet tilhører en gruppe enzymer (ligner på det bakterielle rekombinasjonsproteinet RecA) som har opprettholdt homologi siden fremkomsten av DNA-rekombinasjon (for omtrent 3,5 milliarder år siden). Uunngåeligheten av homologi av rekombinasjonsproteiner i fjerne organismer bestemmes av deres funksjon: de samhandler med den doble helixen av DNA (det samme i bakterier og pattedyr), deler den inn i enkelttrådede tråder, dekker dem med et proteindeksel, overfører en strand til det homologe kromosomet og der igjen gjenopprette den doble helixen. Naturligvis opprettholder de fleste enzymene som er involvert i disse prosessene homologi i mer enn 3 milliarder år. Derimot er synaptonemale komplekser, som dukket opp i eukaryoter etter utbruddet av meiose (omtrent 850 millioner år siden), bygget fra ikke-homologe proteiner... men skjemaet for deres domenestruktur er det samme. Hvor kom dette diagrammet fra?

En ledetråd er det nevnte Rec8-proteinet, som starter dannelsen av kromosomakser i meiosesyklusen og som finnes i alle studerte organismer. Det kan antas at byggematerialet for aksene til meiotiske kromosomer og de laterale elementene i synaptonemalkomplekset kan være alle mellomliggende proteiner som er i stand til å danne en fibrøs struktur (SCP2, Hop1, etc.), som interagerer med cohesin Rec8 og " utfelling" på den, som betong på en metallbeslag

I de siste årene, og opplevde vanskeligheter med å utføre eksperimentelt arbeid på grunn av utilstrekkelig finansiering, begynte vi aktivt å bruke bioinformatikkmetoder. Vi var interessert i glidelåsproteinet i Drosophila. Gitt likheten mellom de sekundære og tertiære strukturene til gjær-Zip1-proteinene og human SCP1, antok vi at Drosophila-glidelåsproteinet har samme struktur. Vi begynte arbeidet vårt i 2001, da Drosophila-genomet allerede var sekvensert og det ble kjent at det inneholdt omtrent 13 tusen potensielle gener. Hvordan kan vi finne genet for proteinet vi leter etter?

Blant de 125 meiosegenene som var kjent på den tiden i Drosophila, så vi bare én kandidat for denne rollen. Faktum er at genmutasjonen c(3)G fratatt kromosomer evnen til å gå sammen i par ved hjelp av en "glidelås" og gå inn i rekombinasjon. Vi antok at mutantene har et defekt protein som danner de submikroskopiske tennene til festet. Den sekundære strukturen og konformasjonen til det ønskede proteinet bør være lik Zip1- og SCP1-proteinene.

Å vite at genet c(3)G er lokalisert i Drosophila på kromosom 3, søkte vi i databasen for denne regionen (som omfatter 700 tusen basepar) etter en åpen leseramme som kunne kode for et lignende protein. Vi forsto at i fravær av homologi i primærstrukturen til det ønskede proteinet og gjærproteinet, deres størrelse, organisering (av tre domener) og evnen til det sentrale domenet til å danne en α-helix av en viss lengde (ca. nm) skal være lik. Dette ble bevist av likheten til det elektronmikroskopiske bildet av synaptonemalkomplekset i meiose i gjær og i Drosophila.

Vi så på åpne leserammer for nesten 80 gener i søkeområdet. Ved å bruke dataprogrammer som gjør det mulig å forutsi den sekundære strukturen til et virtuelt protein, dets fysisk-kjemiske egenskaper og fordelingen av elektrostatiske ladninger i molekyler, fant T. M. Grishaeva en slik leseramme ved grensen til genlokaliseringssonen c(3)G.(Dette ble ikke veldig nøyaktig spådd av japanske genetikere på et mikroskopisk kart over kromosomer.) Det viste seg å være et gen CG1J604 ifølge det genomiske kartet til Selera-selskapet.

Vi konkluderte med at dette virtuelle genet må være et lenge kjent gen c(3)G og koder for et protein som ligner på gjærproteinet Zip1. Som svar på meldingen vår mottok vi en e-post fra USA fra S. Hawley. Han beviste eksperimentelt at genet c(3)G koder for et protein som danner en "glidelås" mellom kromosomer i meiose i Drosophila. Resultatene av arbeidet vårt var sammenfallende, men det eksperimentelle arbeidet til Hawleys gruppe tok omtrent syv år, og vårt tre-personers dataarbeid tok bare omtrent tre måneder. Artiklene ble publisert samtidig. I 2003 publiserte vi metoden for datasøk og ga eksempler på lignende virtuelle proteiner i andre organismer. Dette arbeidet er nå lett sitert av utenlandske kolleger, og vår metode fungerer vellykket i deres hender i kombinasjon med eksperimentell testing. I 2005 oppdaget en gruppe engelske biologer genet og proteinet til glidelåstennene i planten Arabidopsis thaliana .

Avslutningsvis vil jeg gi et eksempel på en annen oppdagelse innen molekylærbiologi av meiose, men vi må starte med mitose. For at kromatidene skal skilles i anafase av mitose, må kohesinet som "limer dem sammen" bli ødelagt. Hydrolyse av kohesiner under mitose er en genetisk programmert hendelse. Men i metafase av meiose I, når homologe kromosomer er stilt opp ved cellens ekvator og proteinspindelen er klar til å trekke dem til polene, viser hydrolyse av kohesiner seg å være umulig. Det er grunnen til at begge kromatidene til hvert kromosom, limt sammen i regionen til kromosomenes kinetiske sentrum (kinetochore), er rettet mot en pol (se fig. 1). På slutten av 90-tallet fant japanske forskere, som studerte meiose i gjær, at i kinetochore-regionen er kohesiner beskyttet av et protein de kalte shugoshin (roten til dette begrepet er hentet fra samurai-vokabularet og betyr beskyttelse). Veldig raskt kom det globale fellesskapet av meioseforskere til den konklusjon at lignende shugoshin-proteiner finnes i Drosophila, mais og andre gjenstander. Videre var genene som "forbyr" separasjon av kromatider i meiose I i Drosophila kjent 10 år tidligere, men proteinproduktet deres ble ikke dechiffrert. Og i 2005 rapporterte en gruppe amerikanske forskere fra University of California i Berkeley, inkludert vår landsmann og min mangeårige kollega i meioseforskning I. N. Golubovskaya, at under metafase I av meiose i maiskromosomer, er shugoshin ZmSGO1 lokalisert på begge sider av kinetokorene , og det vises i denne regionen bare hvis det allerede er cohesin Rec8 der, som det beskytter mot hydrolyse (men bare i meiose I). Disse resultatene ble oppnådd ved bruk av fluorescerende antistoffer mot proteiner og et konfokalt mikroskop. Det gjenstår å legge til at japanske forskere umiddelbart rapporterte at shugoshin beskytter Rec8 fra hydrolyse hvis shugoshin defosforyleres. Fosforylering og defosforylering, samt acetylering og deacetylering, er viktige modifikasjoner som endrer egenskapene til proteinmolekyler.

Søknadsaspekt

Alt som er sagt er vakker grunnvitenskap, men er det mulig å bruke denne kunnskapen til praktiske formål? Kan. Tilbake på midten av 80-tallet beviste britiske forskere og vårt laboratorium, ved hjelp av forskjellige eksperimentelle modeller, at ved bruk av mikrospredninger av synaptonemale komplekser, er det mulig å identifisere dobbelt så mange kromosomale omorganiseringer (delesjoner, translokasjoner, inversjoner) sammenlignet med den tradisjonelle kromosommetoden. analyse på metafasestadiet (fig. 7). Faktum er at det synaptonemale komplekset er skjelettstrukturen til meiotiske kromosomer i profase. På dette tidspunktet er kromosomene omtrent 10 ganger lengre, noe som øker oppløsningen av analysen betydelig. Imidlertid er det nesten umulig å studere sammenfiltrede profasekromosomer, og de stive skjelettstrukturene til synaptonemalkomplekset er ikke redde for å spre seg, og i tillegg er et elektronmikroskop i stand til å skille miniaberrasjoner som er utilgjengelige for et lysmikroskop.

Vi spurte oss selv: er det mulig å fastslå årsaken til sterilitet hos avkom av bestrålte mus ved å studere ikke kromosomene, men synaptonemalkomplekset? Det viste seg at hos sterile mus som arvet kromosomale translokasjoner fra foreldrene, blir disse omorganiseringene oppdaget ved hjelp av komplekset i 100% av cellene som ble studert, og med konvensjonelle metoder for "metafase" -analyse - bare i 50% av cellene. En gruppe spanske forskere undersøkte mer enn tusen menn som led av infertilitet. Hos en tredjedel av dem kunne ikke årsaken til infertilitet tidligere fastslås, og studiet av synaptonemalkomplekset fra testikkelcellene til disse pasientene tillot halvparten av dem å stille en diagnose: årsaken til infertilitet er fraværet av synaptonemalkomplekset , som er grunnen til at spermatocytter (spermforløperceller) ikke utvikler seg, dvs. en "arrestering" av prosessen med meiose og all spermatogenese ble observert. Lignende resultater ble oppnådd av O. L. Kolomiets sammen med leger fra Kharkov. Studien av det synaptonemale komplekset i kombinasjon med andre analysemetoder øker prosentandelen av å identifisere årsakene til infertilitet hos undersøkte mannlige pasienter fra 17 til 30%. Noen engelske klinikker allerede på 90-tallet av XX-tallet. aktivt brukt lignende metoder. Slik diagnostikk krever selvfølgelig høye teoretiske og praktiske kvalifikasjoner av leger og bruk av elektronmikroskop. Russiske laboratorier har ennå ikke nådd dette nivået, med unntak av Institute of General Genetics oppkalt etter. N.I. Vavilova RAS (Moskva) og Institute of Cytology and Genetics SB RAS (Novosibirsk).

Man kan tro at intensiv forskning på mekanismene til meiose uunngåelig vil føre til anvendelse av den ervervede kunnskapen på de områdene innen biologi og medisin som er assosiert med fruktbarheten til levende organismer, inkludert mennesker. Loven om å anvende vitenskapelige prestasjoner i praksis er imidlertid uendret: «å implementere» noe med makt er ubrukelig. Utøvere må selv følge med på vitenskapens prestasjoner og bruke dem. Dette er tilnærmingen brukt av ledende farmasøytiske og bioteknologiske firmaer.

Fra oppdagelsen av meiose (1885) til oppdagelsen av synaptonemalkomplekset (1956) gikk det omtrent 70 år, og fra 1956 til oppdagelsen av proteinene i synaptonemalkomplekset (1986) – ytterligere 30. I løpet av de neste 20 årene har vi lært strukturen til disse proteinene, deres kodende gener og interaksjonsproteiner i konstruksjonen og driften av synaptonemale komplekser, spesielt deres interaksjon med DNA-rekombinasjonsenzymproteiner, etc., dvs. mer enn i forrige 30-års periode med beskrivende cytologiske studier. Det kan ikke ta mer enn to tiår å tyde de grunnleggende molekylære mekanismene til meiose. Vitenskapens historie, som all sivilisasjon, er preget av "komprimering av tid", en økende komprimering av hendelser og oppdagelser.

Litteratur:

1. Page S.L., Hawley R.S.// Annu. Rev. Celle utvikles. Biol. 2004. V. 20. S. 525-558.
2. Moses M.J.//Kromosomer. 2006. V. 115. S. 152-154.
3. Bogdanov Yu.F.//Kromosomer. 1977. V. 61. S. 1-21.
4. OllingerR. et al.//Moll. Biol. Celle. 2005. V. 16. S. 212-217.
5. Fedotova Y.S. et al. // Genom. 1989. V. 32. P. 816-823; Kolomiets O.L. og så videre.// Biologiske membraner. 2001. T. 18. s. 230-239.
6. Bogdanov Yu.F. et al. // Int. Anmeldelse. Cytol. 2007. V. 257. S. 83-142.
7. Bogdanov Yu.F.// Ontogeni. 2004. T. 35. Nr. 6. s. 415-423.
8. Grishaeva T.M. et al.// Drosophila Inform. Serv. 2001. V. 84. S. 84-89.
9. Page S.L., Hawley R.S.// Gener utvikles. 2001. V. 15. P. 3130-3143.
10. Bogdanov Yu.F. et al. // I Silico Biol. 2003. V. 3. S. 173-185.
11. Osman K. et al. // Kromosom. 2006. V. 115. S. 212-219.
12. Hamant O., Golubovskaya I. et al.//Curr. Biol. 2005. V. 15. S. 948-954.
13. Kalikinskaya E.I. et al. // Mut. Res. 1986. V. 174. S. 59-65.
14. Egozcue J. et al.//Nynne. Genet. 1983. V. 65. S. 185-188; Carrara R. et al.// Genet. Mol. Biol. 2004. V. 27. S. 477-482.
15. Bogdanov Yu.F., Kolomiets O.L. Synaptonemalt kompleks. Indikator for meiosedynamikk og kromosomvariabilitet. M., 2007.