Непрямое деление (митоз или кариокинез).

Митоз — самый распространенный вид деления. Непрямым его называют потому, что окончательному разделению клетки на две дочерние — цитотомии предшествуют сложные изменения и пе­ремещения материала клетки, особенно ядра. Отсюда второе на­звание деления — кариокинез (по В. Шлейхеру), что означает движение ядра. Подвижными оказываются структуры, имеющие форму нитей. Отсюда третье название деления — митоз (mytos — нить), данное В. Флеммингом в 1882 г. Смысл митоза состоит в равном разделении между дочерними клетками материала на­следственности— ДНК, заключенного в хромосомах. Термин «хромосома» был предложен В. Вальдейером в 1888 г.

Рис. 9. Различные уровни конденсации хромосомы:

1 — нуклеосомная; 2— нуклеомерная; 3 — хромомерная; 4 — хромонемная.

Строение хромосомы. Хромосома — молекула ДНК, соединен­ная с белками. Хромосомы существуют в ядре в течение всей жизни клетки, но имеют разную форму и величину. В период ин­терфазы это деконденсированные фибриллярные дезоксирибонуклеопротеиды (ДНП) длиной до нескольких сантиметров и толщиной 20—30 нм. Двуспиральная молекула ДНК в интерфаз­ной хромосоме уложена с помощью белков — гистонов в виде бу­синок на нитке (рис. 9). Такая укладка ДНК называется нуклеосомной. Это первый уровень компактизации ДНК, который уда­ется видеть в электронный микроскоп. Обычно интерфазная хро­мосома уложена более компактно: 8—10 бусинок — нуклеосом компонуются гистонами в «сверхбусину» — нуклеомер. В таком виде ДНК успешно выполняет свои функции в интерфазной клетке.

В период митоза хромосомы — это компактные тельца харак­терной формы, длиной до нескольких микрометров и толщиной 0,5—1 мкм. Для того чтобы хромосома могла принять такие раз­меры, она должна укоротиться в 10 ООО раз, то есть конденсироваться. В это время гигантская молекула ДНК изгибается, образуя мелкие, плотно уложенные петли, скрепленные негистоновыми белками. В начальных стадиях кон­денсации ДНП иногда удается видеть (при мейозе чаще, чем при митозе) утол­щения— хромомеры, расположенные на хромосоме через определенные проме­жутки. В состав одного хромомера входит 50—70 тыс. пар нуклеотидов, что соответ­ствует размеру одного гена. Дальнейшая конденсация приводит к образованию хромонемы — нити, образующейся за счет сближения хромомеров, видимой уже в световой микроскоп. Хромонема, в свою, очередь, конденсируется. Возможно, это спирализация или образование петлистых структур. Полностью конденсированную хромонему называют хроматидой. Хромо­сома содержит одну или две хроматиды в зависимости от фазы деления (рис. 10).

­П

Рис. 10. Двухроматидная метафазная хромосома:

1 — плечо хромосомы (теломер);

2 — первичная пере­тяжка;

3 — центромера (ки­нетохор);

4 — матрикс хро­мосомы:

5 — хромонема;

6 — хроматида.

олностью конденсированная митоти-ческая хромосома имеет два плеча, меж­ду которыми имеется первичная перетяж­ка. В области первичной перетяжки со­держится центромера, или кинетохор,—участок, который при­соединяется к микротрубочкам веретена деления и обеспечивает движение хромосомы. Некоторые хромосомы имеют вторичную перетяжку. Она обычно расположена на одном из концов и отделяет маленький участок хромосомы — спутник. В области вторичной перетяжки расположена ДНК, ответственная за син­тез рибосомной РНК, поэтому ее также называют ядрышковым организатором.

Митотическая хромосома окружена рибонуклеопротеидами, белками и другими веществами. Это матрикс хромосомы. С мат-риксом хромосомы передают дочерним клеткам материал, необ­ходимый для формирования ядрышка и начального этапа белко­вого синтеза в молодых клетках.

Совокупность числа, величины и морфологии хромосом назы­вается кариотипом. Он видоспецифичен, даже у близких видов отличается числом или формой хромосом. В кариотип входят со­матические и половые хромосомы. Все соматические хромосомы (аутосомы) парные. Пару одинаковых хромосом называют гомо­логичными. Половые хромосомы непарные. У млекопитающих мужских особей это Х- и Y-хромосомы. У женских особей две Х-хромосомы, одна из них находится в неактивном состоянии.

У птиц наоборот: самцы имеют две Z-хромосомы, самки W- и Z-хромосомы.

Собственно митоз. В митозе различают четыре фазы (ста­дии): профазу, метафазу, анафазу, телофазу. Митоз обычно за­нимает меньше 10% времени клеточного цикла, продолжаясь 1—3 ч (рис. 11).

Профаза — первая фаза митоза, во время которой происхо­дит конденсация хромосом — постепенный и довольно продолжи­тельный процесс. Поэтому в профазе различают две стадии: плотного клубка (тонкие нити ДНП сильно перепутаны в ядре) и рыхлого клубка (более спирализованные хромосомы простран­ственно отделены друг от друга, но не имеют еще окончательной формы). По мере прохождения профазы удвоенные в интерфаз­ный период молекулы ДНК конденсируются, укорачиваются. При этом в каждой хромосоме и прежняя, и вновь синтезирован­ная молекулы ДНК скручиваются и спирализуются одна около другой, образуя единую структуру. Следовательно, в профазе ми­тоза каждая хромосома состоит из двух хроматид, и если количество хромосом в это время равно 2n, то количество ДНК равно 4 n.

Рис. 11. Схема митоза:

А — профаза ранняя (плотного клубка); Б — профаза поздняя (рыхлого клубка); В — метафаза; Г—анафаза ранняя; Д — анафаза поздняя; Е — телофаза; 1 — ядерная оболочка; 2— ядрышко; 3 — центросома; 4 — центросфера: 5 —хромосомы; 6 — веретено деления; 7— экваториальная пластинка (материнская звезда); 8 — дочерняя звезда; 9 —дочерняя клетка.

Одновременно с конденсацией хромосом идет дезинтеграция ядрышка и включение ядрышкового материала в состав матрик­са хромосом. Значительные преобразования в период профазы отмечают и в других структурах клетки. Гранулярная цитоплазматическая сеть и пластинчатый комплекс распадаются на мел­кие цистерны и вакуоли, разрушаются полисомы. Все это ведет к резкому падению синтеза белков. К концу профазы ядерная оболочка фрагментируется на мелкие мембранные пузырьки. Ка­риоплазма сливается с цитоплазмой — образуется миксоплазма. Дезинтегрированные органеллы и материал, из которого они со­стояли, равномерно распределен по клетке.

В профазе происходит образование митотического аппарата, без которого было бы невозможно расхождение хромосом. Удво­енные в интерфазе центриоли центросомы начинают расходиться к полюсам клетки и достигают полюсов к моменту исчезновения ядерной оболочки. К каждому полюсу отходит по две центриоли. От них отрастают микротрубочки, выстраиваясь в виде веретено­образной структуры. По мере развития веретена все органеллы клетки и их фрагменты оттесняются на периферию клетки, а ее центр оказывается занят огромным количеством довольно тесно расположенных микротрубочек, в сумме с центросомой форми­рующих митотический ахроматиновый аппарат.

Метафаза довольно продолжительная, иногда составляет даже Уз митоза. В этой фазе завершается образование веретена деления. В начале метафазы хромосомы лежат неупорядоченно, но не выходят за пределы ядерной области, где они совершают дрейфующие движения, которые, по-видимому, являются резуль­татом взаимодействия хромосом с микротрубочками. Постепен­но формируется метафазная пластинка — хромосомы выстраива­ются по экватору клетки таким образом, что их центромеры об­ращены к центру веретена, а концы — к его периферии. Такую фигуру называют материнской звездой. Каждая хромосома сое­динена с двумя нитями веретена, так как состоит из двух хроматид, и у каждой хроматиды имеется свой кинетохор. Сестринские хроматиды каждой хромосомы на протяжении метафазы начина­ют отходить друг от друга, но в области кинетохора сохраняют связь до конца метафазы. Поэтому метафазные хромосомы часто имеют Х-образную форму.

Анафаза начинается резко — все хромосомы теряют центромерные связки, и их хроматиды начинают быстро двигаться к полюсам со скоростью до 0,5 мкм/мин. Анафаза самая короткая фаза митоза. По-видимому, ахроматиновые нити веретена деле­ния тянут хромосомы к полюсам клетки, отчего они приобретают V-образную форму. Центромеры хромосом направлены к полю-

сам, а противоположные концы плеч — к экватору. Образуются две фигуры, напоминающие материнскую звезду. Их называют дочерними звездами.

Телофаза начинается с остановки хромосом, достигших полюсов клетки. В ранней телофазе начинается деконденсация хромосом. Они набухают, увеличиваются в объеме, слабее окра­шиваются. Их ориентация не меняется в сравнении с анафазой. Вокруг хромосом обособляется ядерная оболочка, формируясь из мембранных пузырьков. После образования кариолеммы в обла­сти ядрышкового организатора некоторых хромосом формируют­ся ядрышки.

Одновременно с этим идет разрушение митотического аппара­та. Дольше всех он сохраняется на экваторе клетки, в области бывшей метафазной пластинки. Высказывается предположение, что микротрубочки митотического аппарата в области экватора вместе с субмембранным комплексом клетки участвуют в образо­вании клеточной перетяжки. При разделении клетки — цитотомии органеллы пассивно распределяются между двумя дочерни­ми клетками.

По разным причинам (нарушение веретена деления, нерас­хождение хроматид и др.) во многих органах и тканях встреча­ются клетки с крупными ядрами или многоядерные клетки. Это — результат соматической полиплоидии. Такое явление назы­вают эндорепродукцией. При этом клетка может содержать во много раз больше ДНК, но оно будет кратно 2n. Чаще полиплои­дия встречается у беспозвоночных животных. У некоторых из них распространено и явление политении — построение хромосомы из многих молекул ДНК.

У млекопитающих полиплоидные клетки встречаются в пече­ни, эпителии мочевого пузыря, в пигментном эпителии сетчатки глаза, в концевых отделах слюнных и поджелудочной желез, среди мегакариоцитов и других специализированных клеток. По­липлоидии не бывает в период эмбриогенеза (кроме провизорных органов) и у стволовых клеток. Полиплоидные и политенные клетки, образовавшиеся в результате эндомитоза (нарушения ве­ретена деления), не вступают в митоз и могут делиться только амитозом. Смысл данного явления в том, что как полиплоидия — увеличение количества хромосом, кратное 2n, так и политения — увеличение количества молекул ДНК в хромосоме приводят к значительному усилению функциональной активности клетки. А это (эндорепродукция) позволяет без перерыва в функциони­ровании нарастить клеточную массу и увеличить объем работы, выполняемой клеткой, а отсюда и органом.

Амитоз — прямое деление клетки. При данном делении не происходит конденсации хромосом, не образуется веретено деле­ния. Ядро находится в интерфазном состоянии. Деление начинается с размножения или разделения ядрышка перетяжкой. Затем перетяжкой делится ядро. При этом могут возникнуть ядра, не­равные по величине, может образоваться сразу несколько (боль­ше двух) ядер. Дальше следует цитотомия. Однако разделение клеток при амитозе необязательно. Деление может завершиться образованием многоядерных клеток. Клетки, разделившиеся ами­тозом, не в состоянии делиться митотически. Амитоз встречается почти всегда либо в клетках отживающих, находящихся в кон­це своего жизненного пути, либо в клетках временно существую­щих образований (в клетках трофобласта, плодных оболочек, фолликулярных клетках яичника и др.), либо при различных па­тологических процессах (воспаление, регенерация, злокачествен­ный рост).

Мейоз — процесс, состоящий из двух делений, быстро сле­дующих друг за другом, в результате чего образуются половые клетки — гаметы с вдвое уменьшенным гаплоидным числом хро­мосом (1n). Встречается он у всех живых организмов (растений и животных), размножающихся половым путем. Необходимость мейоза в развитии половых клеток диктуется необходимостью сохранения из поколения в поколение кариотипа, характерного для вида. Если бы этого не было, слияние при оплодотворении двух диплоидных клеток — мужской и женской — привело бы к появлению тетраплоидного потомства (4n), затем октаплоидного (8n) и т. д., в результате чего каждое последующее поколение представляло бы новые формы, самовоспроизведение вида было бы невозможно.

Мейоз включает в себя два деления: редукционное — умень­шительное и эквационное — уравнительное, быстро следующих друг за другом. Деления разделены короткой интерфазой, в ко­торой отсутствует S-период, то есть перед вторым делением не происходит редупликации ДНК. Каждое деление состоит из че­тырех фаз: профазы, метафазы, анафазы и телофазы (рис. 12). Мейоз несравнимо длиннее митоза. Объясняется это сложностью и длительностью преобразований в профазе первого деления мейоза (профазе I), которая может длиться от нескольких дн°й до нескольких лет (в оогенезе).

Профаза I характеризуется такими процессами, как ре­комбинация генетического материала, обмен участками между гомологичными хромосомами, синтез рибосомной и информаци­онной РНК, активация ядрышек. На протяжении профазы I со­храняется кариолемма. Профазу I принято разделять на пять стадий: лептонема, зигонема, пахинема, диплонема, диакинез.

Рис. 12. Схема мейоза:

1 - профаза I (а – лептонема, б – зигонема, в – пахинема, г – диплонема, д – диакинез); 2 – метафаза I; 3 – анафаза I;4 – телофаза I; 5 – профаза II; 6 – метафаза II; 7 – анафаза II; 8 – телофаза II

Лептонема (leptos — тонкий, пета — нить), или лептотенная (taenia — лента) стадия, стадия тонких нитей, характе­ризуется началом спирализации ДНК. Хромосомы в ней заметны в виде длинных тонких нитей, на которых видны утолщения,— хромомеры. Каждая хромосома состоит из двух хроматид, но ле­жат они так плотно друг к другу, что образуют единую нить. Ча­сто хромосомы связаны с оболочкой ядра и ориентированы таким образом, что образуют характерную фигуру, называемую «буке­том».

Зигонема (zygoo— соединять), или зиготенная стадия, — ста­дия соединенных нитей, характеризуется продолжающейся кон­денсацией хромосом, сближением гомологичных хромосом и их конъюгацией — соединением. Конъюгация начинается либо с кон­ца хромосом, либо с центромеры. Видимо, расположение хромо­сом в виде букета способствует поразительной точности и специ­фичности совмещения гомологичных хромосом в пару — бива­лент. Точность эта достигается и благодаря образованию между гомологичными хромосомами специализированной структуры — синаптонемального комплекса, который и связывает их в бива­ленты. Поэтому эту стадию еще называют синаптенной.

Пахинема (pachys — толстый), или пахитенная стадия, — ста­дия толстых нитей, характеризуется завершением конъюгации по всей длине гомологичных хромосом. Они при этом продолжают спирализоваться, принимая вид коротких, толстых нитей. Стано­вится заметно, что каждая хромосома состоит из двух хроматид, а так как в биваленте объединены две хромосомы, то фигура эта содержит четыре хроматиды и называется тетрада. Общее коли­чество тетрад в клетке равно In (гаплоидно). Хроматиды одной хромосомы называются сестринскими. Одновременно с продоль­ным расщеплением хромосом на сестринские хроматиды происхо­дит кроссинговер — обмен участками между несестринскими хроматидами в пределах тетрады. В результате кроссинговера про­исходит перекомбинация (рекомбинация) генетического материа­ла — осуществляется наследственная изменчивость.

Диплонема (diploos — двойной), или диплотенная стадия,— стадия двойных нитей. Здесь завершается кроссинговер, начав­шийся в пахинеме. Синаптонемальный комплекс разрушается и гомологичные хромосомы начинают отходить друг от друга. Од­нако в точках перекреста, которые называются хиазмы (мости­ки), связь сохраняется. Сестринские хроматиды остаются связан­ными по всей длине.

В отличие от митоза в профазе мейоза сохраняется оболочка ядра, продолжается синтез всех видов РНК. Наиболее активно синтетические процессы идут на протяжении пахинемы и днплонемы. На этих стадиях ядрышки не только сохраняются, но и увеличиваются их число и размеры. Увеличиваются при этом и размеры клетки. Особенно ярко эти процессы выражены при раз­витии женских половых клеток.

Диакинез («движение вдаль») — последняя стадия профазы I мейоза. В этой стадии хромосомы резко сокращаются в разме­pax, ДНК полностью конденсируется, количество хиазм умень­шается, они сохраняются в основном только на концах хромосом, исчезают ядрышки, прекращается синтез РНК.

Переход к метафазе I характеризуется разрушением ядерной оболочки и образованием веретена деления. В метафазе хромо­сомы выстраиваются в виде экваториальной пластинки. При этом гомологичные хромосомы в биваленте соединены между собой хиазмами. Количество бивалентов в клетке равно гаплоидному набору (In), а количество хроматид равно 4n. Бивалент имеет две центромеры. В результате этого при скольжении нитей вере­тена в анафазе I к полюсам клетки отходит по целой хромосоме из гомологичной пары. Число хромосом у полюсов к концу ана­фазы I оказывается гаплоидным, но каждая хромосома состоит из двух сестринских хроматид, так что число хроматид диплоид­но. Расхождение хромосом из гомологичной пары случайно, что является еще одним источником рекомбинации отцовского и ма­теринского геномов.

Телофаза I начинается с того момента, когда анафазные группы хромосом достигнут полюсов клетки. В телофазе происхо­дит формирование ядра, цитотомия (разделение клетки) и начи­нается деконденсация хромосом.

Наступает короткая интерфаза — подготовка ко второму де­лению мейоза. Основное отличие этой интерфазы от интерфазы митотического цикла то, что в ней не происходит синтез ДНК и белков—гистонов, однако накапливается энергия и синтезируют­ся белки — тубулины, необходимые для формирования веретена деления.

В профазе II мейоза происходят процессы, характерные для профазы митоза: формируется ахроматиновый аппарат, раз­рушается ядерная оболочка, конденсируются хромосомы.

В метафазе II нити веретена прикрепляются к хромосо­мам, число которых гаплоидно (In). Каждая хроматида хромо­сомы имеет свой кинетохор, связанный с веретеном.

В анафазе II хроматиды каждой хромосомы расходятся к полюсам, в результате чего у полюсов оказывается гаплоидное число хроматид, называемых теперь хромосомами. В телофазе II образуется оболочка ядра и происходит цитотомия.

В результате из каждой половой клетки, вступающей в мейоз, образуется четыре клетки, содержащие по гаплоидному набору хромосом. Этот набор содержит по одной из каждой пары гомо­логичных хромосом одного из родителей, но с измененным благо­даря кроссинговеру набором генов, так что каждая из четырех клеток отличается по своей генетической конституции.