Л.В. Яковенко
Вскорепосле того, как немецкий патофизиолог Р.Вирхов в середине XIX в. сформулировалосновной принцип клеточной теории в виде афоризма Omni cellula ex cellula(«Всякая клетка – из другой клетки»), было установлено, что жизнь соматическойклетки протекает циклически, начинаясь с деления и делением оканчиваясь. Заполтора века, прошедшие с тех пор, получено множество новых данных обособенностях деления различных клеток. Стали понятны многие процессыорганизации и регуляции деления, их невероятная сложность. И все большеевосхищение исследователей вызывает точность, с которой происходит разделениехромосом между будущими дочерними клетками. Именно о механизмах разделенияхромосом (на примере клеток животных) и пойдет речь ниже.
Клеточныйцикл – это последовательность закономерно сменяющих друг друга фаз отобразования клетки в результате деления до либо разделения ее на дочерниеклетки в следующем акте деления, либо гибели. У эукариот клеточный цикл состоитиз интерфазы и собственно деления, или митоза. Каждой из этих фаз соответствуютопределенные явления и процессы, которые позволяют разделить их на более мелкиестадии. У разных организмов количество и последовательности стадий клеточногоцикла различаются.
Интерфазазначительно более длительна, чем митоз (обычно занимает не менее 90% всеговремени клеточного цикла), и обычно подразделяется на три периода:пресинтетический (G1), синтетический (S) и постсинтетический (G2). На стадии G2клетка может перейти к следующему делению или к состоянию покоя (G0). Переход кделению возможен только из стадии G2, поэтому, если клетка находится всостоянии G0, для продолжения деления ей необходимо вернуться в состояние G2.Стадия G1 может продолжаться от 2 ч до нескольких недель или даже месяцев, продолжительностьстадии S 6–12 ч, а стадии G2 – от получаса до нескольких часов.
Собственнонепрямое деление, или митоз, состоит из стадий кариокинеза (деления ядра) ицитокинеза (деления цитоплазмы). Разделение хромосом происходит на стадиикариокинеза, поэтому рассмотрим ее подробнее.
Впервой фазе митоза – профазе – хромосомы спирализуются и становятся видны всветовой микроскоп в виде тонких нитей. Клеточные центры, удвоение которыхпроисходит на стадии S, расходятся к полюсам клетки. В конце профазы ядрышкиисчезают, ядерная оболочка разрушается и хромосомы выходят в цитоплазму.
Затемклетка переходит в метафазу, начало которой называют прометафазой. Впрометафазе хромосомы располагаются в цитоплазме довольно беспорядочно.Формируется митотический аппарат, в состав которого входит веретено деления ицентриоли. Веретено деления – это система особых структур, микротрубочек (МТ), вделящейся клетке, обеспечивающая расхождение хромосом. Затем кинетохоры(центромеры) хромосом захватываются МТ, отходящими от обоих полюсов веретенаделения, и через некоторое время хромосомы выстраиваются в экваториальнойплоскости клетки. В метафазе хромосомы максимально спирализованы. Центромерыхромосом располагаются в экваториальной плоскости клетки независимо друг отдруга. Совокупность хромосом в экваториальной плоскости клетки образуетметафазную пластинку.
Наша справка
Митоз (от греч. mitos — нить) – непрямое деление клетки, наиболее распространённый способ воспроизведения клеток, обеспечивающий тождественное распределение генетического материала между дочерними клетками и преемственность хромосом в ряду клеточных поколений. Биологическое значение митоза определяется сочетанием в нём удвоения хромосом путём продольного расщепления их и равномерного распределения между дочерними клетками.
Наследующей стадии деления – в анафазе – происходит разделение хромосом нахроматиды. С этого момента каждая хроматида становится самостоятельнойоднохроматидной хромосомой. Сначала сестринские хроматиды расходятся кпротивоположным полюсам веретена деления, а сами полюса остаются неподвижными(анафаза А), а затем полюса веретена расходятся к противоположным концам клетки(анафаза В).
Послеэтого клетка переходит в телофазу: веретено деления разрушается, хромосомы уполюсов клетки деспирализуются, вокруг них формируются ядерные оболочки. Вклетке образуются два ядра, генетически идентичные исходному ядру.
Сокончанием кариокинеза клетка переходит в стадию цитокинеза, на которойпроисходит разделение цитоплазмы и формирование мембран дочерних клеток. Уживотных цитокинез происходит путем «перешнуровывания» клетки. У растенийцитокинез происходит иначе: в экваториальной плоскости образуются пузырьки, которыесливаются с образованием двух параллельных мембран. На этом митоз завершается, идочерние клетки переходят в интерфазу.
/>
Шестьстадий клеточного деления
Навсех стадиях кариокинеза важнейшую роль играют МТ – их образование ипространственная ориентация, взаимодействие с кинетохорами хромосом, структурныеизменения, создающие силы, необходимые для разделения хромосом, и, наконец, ихразрушение. МТ входят в состав цитоскелета и играют важнейшую роль вподдержании и изменении формы клетки и направленном переносе внутриклеточныхкомпонентов (везикул, органелл, белков и т.п.) в цитоплазме. В клетках животныхнесколько тысяч МТ. Все они растут из специальных образований, называемыхцентрами организации МТ (ЦОМТ). В клетке может быть 1–2 ЦОМТ. Исследованияпоказали, что от центросомы отходят всего несколько десятков МТ, следовательно,МТ не обязательно связаны с центросомой. Центриоли же дают начало новым МТ, которыеприходят на смену постепенно деполимеризующимся старым.
Центросома,или клеточный центр, – главный ЦОМТ и регулятор хода клеточного цикла в клеткахэукариот. Центросома состоит из аморфного материала и пары центриолей –материнской и дочерней, расположенных строго определенным образом и образующихструктуру, называемую диплосомой. (О структуре и функциях центросом можнопрочитать, например, в журнале «Природа», 2007, №5.) Помимо участия в деленииядра, центросома играет важную роль в формировании жгутиков и ресничек.Центриоли, расположенные в ней, выполняют функцию центров организации для МТаксонем жгутиков. У организмов, лишенных центриолей (например, у сумчатых ибазидиевых грибов, покрытосеменных растений), жгутики не развиваются.
ЦОМТмогут репродуцироваться самостоятельно: новый центр образуется рядом ссуществующим, а затем отходит от него. До сих пор оставалось тайной, как этопроисходит. Но совсем недавно американские ученые, изучая экстракты центросомооцитов моллюска Spisula solidissima, обнаружили, что центросомы содержатособые молекулы РНК. Учитывая, что центросомы имеют очень древнее происхождениеи чрезвычайно консервативны, это открытие позволило предположить, что они имеютсобственный генетический аппарат.
Наша справка
Продолжительность митоза зависит от размеров клеток, их плоидности, числа ядер, а также от условий окружающей среды, в частности от температуры. В животных клетках митоз длится 30–60 мин, в растительных – 2–3 ч.
Большинству клеток присущ суточный ритм деления. В органах ночных животных максимум митотических делений отмечается, как правило, утром, а минимум — в ночное время. У дневных животных и человека отмечается обратная динамика суточного ритма.
МТпредставляет собой очень маленькую трубочку длиной несколько микрометров принаружном диаметре 25 нм. Она построена из 13 длинных «палочек» –протофиламентов, параллельных оси трубочки и расположенных по кругу.Протофиламент составлен из чередующихся глобул альфа- и бета-тубулина, причем вкаждой паре таких глобул (димере тубулина) альфа-тубулин взаимодействует сбета-тубулином, а бета-тубулин – с альфа-тубулином ближайших соседних димеров, чтои позволяет образоваться очень прочной цилиндрической конструкции. Как же такаяконструкция может обеспечивать перемещение чего-либо внутри клетки?
Чтокасается органелл, белков и других компонентов клетки, то они перемещаются поМТ, прикрепляясь к белкам-моторам: динеинам и кинезинам, которые способныбуквально «шагать» по МТ в определенном направлении, потребляя в качестветоплива АТФ. Хромосомы же прикрепляются к концам МТ, которые затем каким-тообразом быстро растаскивают их к полюсам веретена деления.
Былоизвестно, что длина МТ может быть постоянной, как, например, в жгутиках. Однакодлина цитоплазматических МТ меняется постоянно: они то растут, то укорачиваются,могут исчезнуть совсем, потом опять начнут расти… Когда МТ в процессе ростадостигает мишени, ее длина стабилизируется, но как это происходит, до сих порне вполне ясно.
Экспериментальноустановлено, что МТ может находиться в трех основных состояниях: полимеризации,деполимеризации и катастрофы. Полимеризация – это присоединение одиночныхмолекул тубулина, находящихся в цитоплазме, к торцу трубочки (деполимеризация –обратный процесс). Альфа- и бета-субъединицы димера тубулина в цитоплазмесначала присоединяют по одной молекуле гуанозинтрифосфата (ГТФ), похожего посвойствам на АТФ, а затем уже могут присоединиться к торцу растущей МТ. Дляроста МТ необходимо также наличие в цитоплазме некоторых специфических белков, присутствиеионов магния и отсутствие ионов кальция.
Покас димером тубулина связаны две молекулы ГТФ, он находится в Т-состоянии, и приэтом вся конструкция трубочки устойчива. Однако на бета-субъединице димератубулина через некоторое время происходит гидролиз ГТФ, который превращается вгуанозиндифосфат (ГДФ), при этом весь димер переходит в D-состояние, а кольцомолекул тубулина на торце МТ становится напряженным, неустойчивым. В этомсостоянии к торцу МТ уже не могут присоединиться новые димеры тубулина, и МТпереходит в состояние катастрофы. Поэтому рост МТ возможен только пока на концеМТ есть кольцо из Т-димеров тубулина, так называемая Т-шапочка. Если концентрациятубулина в цитоплазме невелика, димеры «Т-шапочки» могут успеть перейти вD-состояние, прежде чем к ним присоединятся новые Т-димеры и трубочка перейдетв состояние катастрофы.
Еслипри деполимеризации происходит отсоединение молекул тубулина по кольцу на торцеМТ, то при катастрофе протофиламенты разъединяются, как отдельные проволочки, истремятся закрутиться в колечки. При этом разборка МТ происходит очень быстро.Конец МТ, закрепленный в центросоме и защищенный от катастроф, называют«минус»-концом МТ, а другой конец, который либо нарастает, либо быстроразрушается – «плюс»-концом. В цитоплазме существует множество белков, которыемогут взаимодействовать с тубулином в разных состояниях, влияя на скоростьроста или распада МТ. Существенно, что белки-моторы умеют различать «плюс»- и«минус»-концы МТ: динеины движутся к «минус»-концу, а кинезины – к «плюс»-концумикротрубочки.
Каждойстадии митоза соответствует особое поведение МТ. Митотическое делениепроисходит с образованием специальной структуры – веретена деления, основойстроения которого являются МТ, исходящие из двух клеточных центров, расположенныхв полюсах клетки. Веретено деления состоит как бы из двух перекрывающихся вцентральной части полуверетен, на концах которых находятся центросомы. Врастительных клетках образование веретена деления происходит без участияцентросом.Всего можно выделить три типа МТ: астральные, полюсные икинетохорные. Кинетохорные МТ связывают центросому с кинетохором хромосомы. Ониобразуются в прометафазе. На стадии ранней профазы быстро растут астральные МТ,направленные радиально от каждого из двух клеточных центров. Астральные МТтянутся от центросом к периферии клетки, их «плюс»-концы взаимодействуют сбелками, закрепленными в клеточной мембране, по-видимому, с помощью динеинов, притягивающихцентросомы к мембране.
Вэто же время появляются полюсные МТ, которые растут по направлению от одногоклеточного центра к другому. Полюсные МТ имеют тенденцию объединяться в группыот двух до шести МТ (на стадии метафазы), в основном с МТ противоположногополюса. Так образуются полюсные нити, в которых МТ направлены антипараллельно, т.е.«плюс»-концами в противоположные стороны. Упомянутые выше моторные белки, взаимодействуяс антипараллельными МТ, приводят либо к стягиванию клеточных центров понаправлению друг к другу или к их расталкиванию. Отсутствие или дефектыкакого-либо из этих моторных белков приводят к нарушениям расхождения центросоми митоза в целом.
Кромеизменений в организации МТ, связанной с удвоением центросомы, изменяется и ихдинамика. Во время интерфазы МТ относительно длинные и стабильные, состояниероста длится в среднем около 10 мин. При переходе к митозу частота катастрофувеличивается примерно в 10 раз, поэтому состояние роста МТ укорачивается истановится меньше 1 мин. Эти изменения вызываются, в основном, специальнымибелками, контролирующими ход митоза, и приводят к тому, что МТ становятсянестабильными, быстро изменяющимися.
Благодарятому, что на стадии прометафазы ядерная мембрана уже разрушена, МТ могутдотянуться до хромосом. Присоединение их к кинетохорам происходит случайно, присоприкосновении кинетохора с «плюс»-концом или боковой поверхностью МТ. Впоследнем случае (латеральное взаимодействие) хромосома начинает быстро, соскоростью 20–25 мкм/мин, двигаться к соответствующему полюсу веретена деления.Эта скорость сравнима со скоростью перемещения динеина вдоль МТ, но прямыхданных об участии динеина в этом процессе пока нет. Затем латеральноевзаимодействие заменяется концевым за счет разрушения МТ в кинетохоре, и длинаМТ стабилизируется.
Кинетохорпредставляет собой трехслойную структуру, видимую на микрофотографиях как дватемных слоя, разделенных светлым промежутком. Он имеет длину 0, 3–0, 6 мкм итолщину около 0, 1 мкм. Один темный слой кинетохора связан с центромерой, другой– с МТ. К кинетохору могут быть прикреплены и МТ, не связанные с центросомой (врастительных и некоторых других клетках веретено деления образуется вообще безцентросом). Полярность присоединения таких МТ та же: «плюс»-конец присоединен ккинетохору, а «минус»-конец находится вблизи полюса веретена. Такие МТ болеестабильны, чем МТ, заканчивающиеся в полюсах веретена деления.
/>
Направленныйтранспорт белков внутри клетки
Вначале митоза кинетохоры хромосом расположены несимметрично относительнополюсов веретена деления, поэтому они быстрее захватываются МТ, идущими изближайшего полюса. Однако до тех пор, пока сестринский кинетохор не будетзахвачен МТ, идущей от другого полюса, и пара хромосом не будет расположена поэкватору веретена деления, митоз не перейдет к следующей стадии – анафазе. Этообеспечивают специальные белки, входящие в состав системы контрольных точекмитоза. Таких контрольных точек в клеточном цикле несколько. Только еслипредыдущая стадия митоза завершена нормально, они вырабатывают сигналготовности к продолжению митоза.
Ккаждому их двух кинетохоров сестринских хроматид прикрепляется по 10–40 МТ, образующихкинетохорную нить. При этом скорость присоединения МТ к кинетохорам возрастаетк концу метафазы примерно в 10 раз по сравнению с прометафазой. Это объясняетсятем, что уже присоединившиеся к кинетохору МТ облегчают присоединение следующихМТ. Такой процесс называется кооперативным.
Наша справка
Нарушения митоза. При различных патологических процессах нормальное течение митоза нарушается. Выделяют 3 основных вида патологии:
1) повреждения хромосом (набухание, склеивание, фрагментация, образование мостов, повреждения центромеров, отставание отдельных хромосом при движении, нарушение их спирализации и деспирализации, раннее разъединение хроматид, образование микроядер;
2) повреждения митотического аппарата (задержка митоза в метафазе, многополюсный, моноцентрический и асимметричный митоз, трёхгрупповая и полая метафазы);
3) нарушения цитотомии.
Патологические митозы возникают после воздействия митотических ядов, токсинов, экстремальных факторов (ионизирующее излучение, аноксия, гипотермия), при вирусной инфекции и в опухоли. Резкое увеличение числа патологических митозов типично для злокачественных опухолей.
Основнаяфункция веретена деления – это обеспечение правильного разделения сестринскиххроматид. Для направленного движения таких больших структур, как хроматиды, необходимодействие на них значительных сил. Эксперименты показывают, что существуютнесколько типов таких сил.
Силапервого типа возникает за счет непрерывного наращивания «плюс»-конца МТ идеполимеризации «минус»-конца. Эти процессы (при равенстве их скоростей)приводят к тому, что димеры тубулина непрерывно перемещаются в сторону«минус»-конца, а длина трубочки при этом не меняется. Если заблокироватьприсоединение тубулина на «плюс»-конце МТ (добавлением таксола), то разборка МТв центросомах все равно продолжается и центросомы начинают двигаться понаправлению к хромосомам со скоростью, определяемой скоростью деполимеризацииМТ. Определение скорости перемещения тубулина по таким МТ показало, чтовозникающая при этом сила обеспечивает до 25% скорости движения хромосом кполюсу веретена деления в анафазе. В изолированном из яйца лягушки митотическомверетене движение хромосом полностью обеспечивается этой силой.
Силывторого типа («полярный ветер») действуют на участки хроматид, не связанные скинетохором. Экспериментально показано, что после отрезания плеч хромосом отцентромеры они начинают двигаться к экватору веретена деления со скоростьюоколо 2 мкм/мин и в конце концов занимают положение между полюсами веретенаделения. Скорее всего, эти силы обусловлены взаимодействием связанных схроматином белков-моторов (типа кинезина) с МТ.
Наконец,сила третьего типа – это сила, с которой кинетохорная нить тянет хромосому кполюсу веретена деления. Это главная сила, обеспечивающая расхождение хромосомв анафазе. Она имеет, по-видимому, несколько составляющих. Во-первых, в составкинетохора входят моторные белки (динеин), которые могут взаимодействовать сбоковой поверхностью МТ и вызывать перемещение кинетохора в сторону центросомы.Во-вторых, в кинетохоре имеются белки, которые способны существенно влиять наскорость роста или разрушения МТ в зависимости от сигналов системы контрольнойточки, белки которой также находятся в кинетохоре. После прохожденияконтрольной точки и перехода клетки в анафазу скорость деполимеризации МТ вкинетохоре резко возрастает. В результате МТ начинает быстро сокращаться, развиваянеобходимую для движения хромосомы к полюсу силу. Кроме того, натяжениекинетохорных нитей возрастает даже при постоянной их длине за счет расхожденияантипараллельных участков полюсных МТ и, как результат, увеличения их длины.Сила, генерируемая за счет этого процесса, тем меньше, чем больше длина полюсныхМТ: упругость МТ конечна, поэтому при увеличении длины они начинают изгибаться,и сила, раздвигающая полюсы веретена деления, уменьшается. Следовательно, чемдальше друг от друга находятся полюсы веретена деления, тем меньшерасталкивающая их сила.
Балансперечисленных выше сил приводит сначала к выстраиванию хромосом по экваторуверетена деления, а затем, как следствие изменения баланса, к их расхождению кполюсам. Надо отметить, что баланс этот динамический, а не статический, поэтомудаже при стабильном расположении хромосом в плоскости экватора веретена деления,они постоянно смещаются то к одному полюсу, то к другому. Скорость такихколебательных движений – 2–3 мкм/мин. Пока точной модели этих колебаний нет.
Краткосуммируем сказанное выше. Важнейшей задачей митоза является правильноеразделение сестринских хромосом, которое осуществляется с помощью веретенаделения. Веретено деления образуется МТ, с которыми взаимодействуютбелки-моторы (динеины и кинезины), кинетохоры, центриоли, мембранные белки.Белки-моторы могут связываться с белками различных внутриклеточных структур(например, с хроматином) и обеспечивают их перемещение по МТ в одну или другуюсторону, осуществляемое за счет энергии гидролиза АТФ. Перемещение хромосомобеспечивается как за счет взаимодействия МТ с белками-моторами, так и за счетпроцессов роста или распада МТ. При этом именно соотношение скоростей последнихдвух процессов, регулируемое белками системы контрольных точек, обеспечивает, восновном, и выстраивание хромосом в экваториальной плоскости, и расхождение ихк полюсам веретена деления.
Хотянепосредственно измерить силы, действующие со стороны МТ на хромосомы, непредставляется возможным, многие детали молекулярных механизмов этих процессовпозволят выяснить их адекватные модели. В последнее время стали появлятьсямодели, связывающие биохимические и механические процессы в ходе митоза, норешающее слово, как всегда, остается за экспериментальными исследованиями, которыееще предстоит выполнить.
Список литературы
Дляподготовки данной работы были использованы материалы с сайта bio.1september.ru