ПОЗНАВАТЕЛЬНОЕ

Оси и плоскости тела человека - Тело человека состоит из определенных топографических частей и участков, в которых расположены органы, мышцы, сосуды, нервы и т.д.

Отёска стен и прирубка косяков - Когда на доме не достаёт окон и дверей, красивое высокое крыльцо ещё только в воображении, приходится подниматься с улицы в дом по трапу.

Дифференциальные уравнения второго порядка (модель рынка с прогнозируемыми ценами) - В простых моделях рынка спрос и предложение обычно полагают зависящими только от текущей цены на товар.

Клеточный цикл. Митоз. Хромосомы в митозе

Предыдущая 1 2 3 4 5 6 7 8910 11 Следующая

Различают прямое деление клеток (амитоз) и непрямое (митоз). При прямом делении генетический материал распределяется между дочерними клетками не всегда равномерно. При митозе дочерние клетки получают тождественные наборы хромосом, идентичные материнскому.

Клеточный цикл есть периодически повторяющаяся последовательная смена фаз G1, S, G2 и М, на протяжении которых происходит сначала удвоение генетического материала, а затем деление его на два идентичных дочерних набора.

В растущих тканях всегда есть клетки, которые находятся «вне цикла». Это клетки G0-периода – это переставшие размножаться клетки. Потеря способности делиться сопровождается дифференцировкой клеток. При особых условиях такие клетки могут снова начать делиться. Например, большинство клеток печени находятся в G0-периоде. При удалении части печени многие клетки вступают в G1-период и могут митотически делиться. У многоклеточных организмов большая часть клеток находится в G0-фазе.

При нарушении митоза возможно возникновение полиплоидных клеток. Есть несколько точек в процессе клеточного цикла, блокада которых может привести к появлению полиплоидных клеток. Блок может возникнуть при переходе от G2 к профазе. Клетки приступают к новому циклу репликации. В результате увеличивается количество ДНК в ядре. Происходит эндоредупликация без митотической конденсации хромосом.

Особый случай эндорепродукции – увеличение плоидности путем политении. При этом в S-фазе при репликации ДНК дочерние хромосомы остаются деспирализованными, не расходятся. В таком истинно интерфазном виде хромосомы снова вступают в следующий цикл репликации. Образуется политенная структура хромосомы интерфазного ядра. Политенные хромосомы никогда не участвуют в митозе.

Третий вариант эндорепродукции связан с нарушением веретена деления. Эндомитоз – происходит конденсация хромосом внутри ядра, без исчезновения ядерной оболочки. Эндомитоз начинается с конденсации хроматина, хромосомы обособляются. Затем хромосомы исчезают, ядро становится интерфазным, но больше по размеру в соответствии с увеличением плоидности.

Четвертый вариант – в печени взрослых млекопитающих встречаются диплоидные, тетраплоидные и октаплоидные клетки, а также двуядерные клетки разного уровня плоидности. Механизм: репликация ДНК, митоз. В телофазе отсутствует деление цитоплазмы. В результате возникает двуядерная клетка. Каждое ядро диплоидное. Интерфаза, репликация ДНК. Митоз, телофаза нормальная. В результате возникли 2 клетки с тетраплоидными ядрами. Таким образом, попеременное появление двуядерных и одноядерных клеток. Появляются ядра октаплоидные, 16-плоидные, 32-плоидные. Кроме печени такие клетки возникают в эпителии мочевого пузыря, в пигментом эпителии сетчатки.

В клеточном цикле существуют особые точки, на которых осуществляется контроль завершенности одних процессов и готовность инициировать следующие события (checkpoints).

Существует система обратимых периодических модификаций белков в результате фософрилирования – дефосфорилирования, которые приводят к глобальной реорганизации структур клеток. Кроме того, пространственная локализация различных белков-регуляторов клеточного деления обеспечивает временной контроль событий клеточного цикла. Некоторые из этих регуляторов периодичного перемещаются между компартментами внутри клетки, что важно для точного времени действия специфичных протеинкиназ и фосфотаз.

Примеры точек контроля – checkpoint – G1-S, G2-M. В первой сверочной точке проверяется размер клетки и наличие повреждений в ДНК. Если клетка имеет нестандартный размер или повреждения в ДНК, то ее дальнейший переход к следующим стадиям невозможен до соответствующей коррекции.

Во второй сверочной точке проверяется точность репликации и репарации

Последняя сверочная точка - М-А (переход от метафазы к анафазе) – проверяется правильность сборки веретена и правильность прикрепления хромосом к веретену. Клетка «проверяет» число и/или состояние кинетохоров перед вступлением в анафазу. Активация точки контроля приводит либо к временной задержке цикла (до ликвидации ошибки), либо к необратимой задержке, т.е. гибели клеток (апоптозу).

Хорошо изучена роль гена р53 в контроле клеточного цикла на стадии G1/S. Белок этого гена участвует в регуляции апоптоза. Продукт нормального гена р53 обеспечивает гибель клетки с поврежденной ДНК на этапе G1/S, исключая их из популяции пролиферирующих клеток. Продукт мутантного гена не способен выполнять нормальные функции и клетки с поврежденной ДНК могут проходить контрольно-пропускной пункт.

К основным регуляторам клеточного цикла относятся:

- циклин-зависимые киназы (CDK) – фосфорилируют белки, участвующие в основных событиях клеточного цикла;

- циклины - контролируют переход от предыдущей фазы клеточного цикла к следующей. 2 подсемейства – циклины G1 (короткоживущие белки, быстро разрушаются, их уровень определяется скоростью транскрипции мРНК) и митотические циклины G2-M (стабильны в интерфазе и быстро разрушаются в митозе; циклин А в комплексе с циклин-зависимой киназой Сdk2 регулирует прохождение стадий G1-S, необходим для репликации ДНК, а переход G2-M регулирует комплекс CycA/Cdk1). Все циклины имеют общий гомологичный район – “cyclin box”, ответственный за связывание с киназой; комплексы киназ и циклинов контролируют прохождение фаз клеточного цикла. Различные CDK контролируют начало S фазы и М-фазы. На границе G1/S киназа CDK4 связывается с циклином D и активирует транскрипцию генов, необходимых для прохождения S фазы. Начало митоза контролируется CDK1 / циклин В. При связывании с циклином CDK1 активируется и фосфорилирует цитоплазматический белок кальдесмон, что инициирует распад ядерной мембраны и перестройку цитоскелета. Активная CDK1 фосфорилирует гистон Н1, что может играть роль в конденсации хроматина..

- CDK-активирующий киназы – активируют комплексы Cyc/Cdk;

- митоз-индуцирующие фосфотазы – ключевые инициаторы митоза эукариотических клеток; активируют циклин-зависимые киназы, дефосфорилируя их;

- ингибиторы циклиновых киназ – останавливают клетки в фазах G1, G2, или в начале S-фазы, в М-фазе через направленное ингибирование определенных Cyc/Cdk-комплексов и регуляцию внутриклеточной локализации.

В зависимости от характера внешних сигналов клетки выбирают различные программы развития: пролиферацию, апоптоз или дифференцировку. Дифференцировка клеток высших эукариот происходит чаще всего в фазе G1 и означает выход в фазу G0. У дрожжей контрольная точка в фазе G1, в которой совокупность условий внешней среды и внутриклеточных условий определяет, может ли клетка заканчивать G1 фазу и готовиться к S-периоду, называется СТАРТ-позицией. В клетках млекопитающих перед точкой СТАРТ расположена точка R (restriction point), в которой клетки чувствительны к факторам роста и гормональным стимулам.

Активиров анные поверхностные рецепторы запускают каскад реакций фосфорилирования-дефосфоридлирования. Фактор роста связывается с рецептором и активируется рецепторная тирозинкиназа и т.д. Комплексы CycD/Cdk4 млекопитающих охарактеризованы как регуляторы клеточного цикла, отвечающие на стимуляцию деления, вызванную факторами роста. Синтез циклинов типа D контролируется внеклеточными сигналами.

Центральную роль в контроле фазы G1, перехода G1-S играет тумор-супрессорный белок ретинобластомы pRb. В гипофосфорилированном состоянии pRb белок связывает ряд транскрипционных факторов. Активные комплексы CycD/Cdk4 фосфорилируют белки семейства Rb, что обеспечивает высвобождение и активацию транскрипционных факторов. Гиперфосфорилированная форма pRb присутствует в момент перехода от фазы G1 к S. Основная роль комплекса CycЕ/Cdk2 – регуляция перехода G1-S и инициация транскрипции; комплекса - CycА/Cdk2 – продолжение транскрипции и прохождение S-фазы.

Исследования показали наличие причинно-следственных связей между возникновением некоторых типов опухолей и инактивацией точек контроля. Более характерна инактивация G1-S точки контроля.

Микротрубочки представляют собой длинные полые цилиндры, стенка которых состоит из полимеризованных молекул тубулина (альфа и бета). При полимеразации молекулы тубулина образуют 13 продольных протофиламентов, которые скручиваются в полую трубку. Колхицин связывается с отдельными молекулами тубулина и предотвращает их полимеразацию. Микротрубочки имеют минус-концы, обращенные к полюсу, и плюс-концы, взаимодействующие с хромосомами.

Рисунок 20. Строение микротрубочки веретена деления

В составе микротрубочек есть ассоциированные с ними МАР-белки – стабилизируют микротрубочки и ускоряют процесс полимеризации тубулина.

По функциям выделяют 3 типа микротрубочек: межполярные, кинетохорные и астральные. Межполярные тянутся от полюса до экватора и через поперечно связывающие моторные белки контактируют между собой и с микротрубочками, исходящими из противоположного полюса. Они формируют веретено.

Кинетохорные – связывают центромеры сестринских хроматид с полюсами веретена и движут хромосомы. Астральные микротрубочки осуществляют движение центросом.

Функции кинетохоров: присоединение хромосом к микротрубочкам веретена; транспортировка хромосом к полюсам веретена; задержка прохождения клеток по циклу при наличии неприкрепленного к веретену кинетохора. Основными компонентами кинетохора являются моторные белки (цитоплазматический динеин и CENP-E – обеспечивают прикрепление и движение хромосом) и сигнальные белки (Mps1, Bub1, BubR1, Mad1) – входят в систему checkpoint.

Кинетохор формируется на центромере во время и только на время митоза. ДНК центромерного хроматина упакована в нуклеосом-подобные частицы, в которых гистон Н3 замещен гистон-подобным центромерным белком CENP-A – этот белок не фосфорилируется и не ацетилируется. В результате центромерный хроматин выходит из цикла конденсации/деконденсации.

По данным электронной микроскопии кинетохор позвоночных представляет собой трёхслойную и дископодобную структуру, состоящую из белков и ДНК.

Внутренний слой состоит из хроматина, белков CENPs-A, -B, -C, -G и, по-видимому, содержит митотический, ассоциированный с центромерой кинезин-подобный белок МСАК. Петли хроматина выходят на поверхность кинетохора, связывая между собой внутренний и внешний слои. С внешним слоем ассоциированы моторный белок CENP-E, митозин CENP-F. Во внешнем слое локализованы также белки метафазного контрольного механизма: белок ZW 10 и Bubl, регулирующие центромерную функцию в клеточном цикле. На разных уровнях внешнего слоя обнаружены микротрубочки и ассоциированные с ними белки МАРs.

Известно восемь центромерных белков. Белки группы F-D, и предположительно G-H, являются структурными компонентами хроматина, моторный белок CENP-E и белок CENP-F важны для сегрегации хромосом; мутации в генах, кодирующих эти белки, приводят к потере хромосом и анеуплоидии. CENP-A участвует в формировании цетромеры. CENP-B расположен между нуклеосомами и вместе с CENP-A он связывает между собой сестринские хроматиды в центромерном районе. CENP-C необходим для сборки функционирующего кинетохора. CENP-E – кинезин-подобный моторный белок, присутствующий в кинетохоре только в профазе и метафазе.

На двуххроматидной хромосоме формируются два кинетохора, по одному на каждой хроматиде. Они ориентированны к противоположным полюсам. Число присоединяющихся к кинетохору микротрубочек варьирует у разных организмов: у почкующихся дрожжей – одна, у позвоночных – от 10 до 45, в том числе у человека -30. Микротрубочки прикрепляются к кинетохору не одномоментно. Прикрепление полного комплекса микротрубочек идёт постепенно и заканчивается, когда хромосомы выстраиваются в экваториальной пластинке. Сначала микротрубочка прикрепляется к одному из сестринских кинетохоров, обычно тому, который располагается ближе к полюсу, и двуххроматидная, но моноориентированная, хромосома начинает двигаться к этому полюсу. По мере её движения к полюсу новые микротрубочки присоединяются к кинетохору. В это время на кинетохор действует две силы.

Скорость движения в сторону экватора возрастает после прикрепления сестринского кинетохора к микротрубочке соответствующего полюса и постепенного формирования сестринской К-фибриллы.

Ошибки. Иногда один кинетохор прикрепляется к микротрубочкам, исходящим из разных полюсов, иногда оба сестринских кинетохора прикрепляются к микротрубочкам, исходящим из одного и того же полюса. Как правило, подобные ошибки исправляются, но в случае неисправления они могут приводить к анеуплоидии. Гораздо чаще к анеуплоидии приводит неприсоединение отдельных кинетохоров к микротрубочкам и/или отставание отдельных хромосом при их расхождении в анафазе. Даже одного неприкреплённого кинетохора достаточно, чтобы система checkpoint задержала переход клеток в анафазу.

Моторные белки. Существенную роль в организации и функционировании веретена играют моторные белки, характерной особенностью которых является способность расщеплять АТФ, в этом отношении они представляют собой АТФазы. Известны два типа моторных белков: цитоплазматический динеин и семь семейств белков, соответствующих кинезину. Моторные белки биполярны. Они связываются с микротрубочками и движутся вдоль них, необходимую энергию для этого они получают от АТФ. Динеин движется навстречу минус- концам микротрубочек. Одни изоформы кинезина движутся к минус-концам микротрубочек, другие – к плюс- концам.

Начиная с S –периода и до анафазы сестринские хроматиды (СХ) связаны между собой в центромере и плечах посредством катенации ДНК и связывающих белков (CLIPs). Четыре белка –Mcd1/Scc 1, Scc 3, Smc 1, и Smc 3 – образуют сложный комплекс, получивший название когезин, который присоединяется к хромосомам в конце S- периода и после прохождения репликативной вилки связывает между собой СХ.

Разъединение СХ предполагает декатенацию ДНК и расщепление когезинового комплекса. Декатенация ДНК – топоизомераза II –зависимый процесс.

В ответ на нарушения событий клеточного цикла активируется сигнальная система checkpoint. У дрожжей важнейшим элементом системы checkpoint является белок Pds I. Стабилизация этого белка играет ключевую роль в ответной реакции клеток на повреждение веретена и ДНК. Pds I выполняет две функции. Одна связана с подавлением разъединения сёстринских хроматид. Это приводит к блокированию клеток в метафазе. Другая функция связана с подавлением распада циклинов, что приводит к блокированию выхода клеток из митоза. Эти две функции не зависят одна от другой. Pds I –зависимой подавление анафазы активируется в ответ на повреждения митотического веретена и ДНК, а Pds I –зависимое подавление распада циклинов – в ответ на повреждения ДНК, но не веретена. В ответа на повреждения ДНК (но не веретена) белок Pds I гиперфосфорилируется, что защищает его от Cdc 20-зависимой деградации. Стабилизированный таким образом Pds1 ингибирует начало анафазы через подавление функции Esp 1 и может блокировать выход клеток из митоза.

Хромосомы в мейозе

Конъюгация хромосом

В ходе профазы мейоза I синаптонемный комплекс удерживает параллельно расположенные гомологичные хромосомы почти до момента их построения на экваторе клетки в метафазу I. Хромосомы соединяются с помощью синаптонемного комплекса на некоторое время (от 2 ч у дрожжей до 2–3 суток у человека), в течение которого между гомологичными хромосомами совершается обмен гомологичными участками ДНК — кроссинговер. Образуется синаптонемальный комплекс в результате конъюгации гомологичных хромосом.

Конъюгация или синапсис – попарный контакт параллельно расположенных и слабо конденсированных гомологичных хромосом. Конъюгация и формирование синаптонемального комплекса (СК) отсутствует у низшего гриба Aspergillus nidulans, дрожжей Sc. Pombe и у самцов некоторых мух, например Drosophila melanogaster.

Рисунок 21. Строение синаптонемального комплекса

После премейотической S-фазы две сестринские хроматиды хромосомы формируют общий осевой элемент. Осевые элементы гомологичных хромосом включаются в виде латеральных (боковых) элементов в СК. Формируется синаптонемный комплекс (СК)– из белковых осей двух гомологичных хромосом и центрального элемента. Ширина боковых элементов составляет 30-60 нм, ширина центрального элемента – 60-120 нм. Боковые элементы состоят из мейоз-специфичных белков. Между ними формируются белковые перемычки. Первым специфическим белком СК (появляется еще в интерфазу) является белок REC8. ДНК гомологичных хромосом в виде петель отходят от боковых (латеральных) элементов СК. Большая часть ДНК локализована вне СК, лишь 0,5% геномной ДНК входит в СК, прочно связываясь с белками. Небольшое количество ДНК проходит через центральное пространство СК. ДНК СК состоит их уникальных и умеренно повторяющихся последовательностей, которые могут взаимодействовать с белками СК и белками, участвующими в рекомбинации и сегрегации гомологичных хромосом.

На 90% СК состоит из белков. Выделяют 5-10 мажорных белков с молекулярной массой от 26 до 190 кДа. У млекопитающих хорошо изучены 3 белка СК – SCP1, SCP2, CSP3 (synaptonemal complex protein). Белки СК дрожжей назвали Zip1, Zip2, Red1, Hop1.

Белок SCP1 – основной белок поперечных филаментов СК. С-концы этого белка «заякорены» на латеральных элементах СК и взаимодействуют здесь с ДНК, N-концы достигают центрального пространства СК и соединяют противоположные латеральные элементы СК с помощью белок-белковых взаимодействий.

У дрожжей белок Zip1 является основным белком поперечных филаментов СК. Белок Zip2 действует как инициатор синапсиса, образуя центры полимеризации белка Zip1.

Белки SCP2, SCP3- белки латеральных элементов СК. Совместно локализуются вдоль осевых элементов хромосом и латеральных элементов СК. После диплотены концентрируются в центромерах хромосом, хотя небольшое их количество обнаруживается вдоль плеч хромосом. Т.о. эти белки участвуют в сцеплении – когезии сестринских хроматид. К белкам когезинам относятся и митоз-специфические белки – Smc1p, Smc3p, Scc1p, Scc3p.

У дрожжей белок Red1 образует центры формирования осевых элементов. Он взаимодействует с белком Hop1, который тоже является компонентом латеральных элементов СК у дрожжей.

Основа протяженных латеральных элементов— комплекс из четырех белков когезинов. Накануне мейоза в хромосомах появляется специфичный белок когезин Rec8, который заменяет соматический когезин Rad21. Затем к нему присоединяются три других белка-когезина, присутствующие и в соматических клетках, но вместо соматического когезина SMC1 появляется специфический для мейоза белок SMC1b (его N-конец на 50% отличается от N-конца соматического белка SMC1). Этот когезиновый комплекс располагается внутри хромосомы между двумя сестринскими хроматидами, удерживая их вместе. С комплексом когезинов связываются мейоз-специфичные белки, которые становятся мажорными белками хромосомных осей и превращают их в латеральные элементы синаптонемного комплекса.

Регуляция сборки белков в СК происходит с помощью фосфорилирования-дефосфорилирования. Многие белки СК содержат по несколько сайтов фосфорилирования протеин-киназой р34.

В составе СК выделяют рекомбинационные узелки: ранние – на стадии лептотены и зиготены, локализуются в боковых элементах СК на участках инициации рекомбинации. В состав ранних рекомбинационных узелков входят ферменты, которые необходимы для инициации двунитевых разрывов в ДНК и формирования однонитевых концов. Например белок Spo11p (топоизомераза) – основная мейоз-специфичная эндонуклеаза, которая осуществляет двойные разрывы в ДНК. Поздние рекомбинационные узелки обнаружены на стадии пахитены, локализуются в центральном элементе СК. Обнаружена связь между числом и распределением поздних рекомбинационных узелков и числом и распределением хиазм в биваленте. Таким образом, поздние узелки – мультиферментные комплексы, катализирующие кроссинговер.

Инициация формирования СК у дрожжей и растений происходит в нескольких точках по всей длине бивалента (6 сайтов инициации у кукурузы, до 36 у лилии); у животных формирование СК начинается с теломер и распространяется по типу застежки «молнии». Завершение формирования СК – пахитена, его разрушение – диплотена.

Функции СК: - удерживает гомологичные хромосомы строго напротив друг друга;

- препятствует слипанию гомологичных хромосом – обратимая конъюгация;

- обязательная предпосылка для кроссинговера.

У мутантов с отсутствием конъюгации отсутствует и кроссинговер.

Предыдущая 1 2 3 4 5 6 7 8910 11 Следующая