Сложное деление на два | Институт молекулярной и клеточной биологии СО РАН

Сайт Наука в Сибири 23 декабря 2015 г.
Газета Наука в Сибири №1 (3012) от 14 января 2016 г.

Веретено деления в наших клетках, отвечающее за то, чтобы процесс митоза прошел гладко и правильно, можно сравнить с другим веретеном, сыгравшим роковую роль в судьбе Спящей красавицы. Одно неверное движение в формировании тончайшего биологического механизма — и последствия не заставят себя долго ждать, причем будут они намного серьезнее волшебного сна, который снимается всего лишь поцелуем.

Сотрудники лаборатории Института молекулярной и клеточной биологии СО РАН, созданной совместно с профессором Маурицио Гатти в рамках мегагранта, уже заглянули внутрь делящейся клетки дрозофилы, выясняя механизмы деления. Однако останавливаться на достигнутом ученые не намерены. «После того, как наша группа закончит свою работу по проекту, эти исследования будут продолжены в институте», — говорит завлаб кандидат биологических наук

Алексей Валерьевич Пиндюрин.

За прошедшее время специалисты собрали всю методическую базу, в частности, создали комнату для культуральных работ с простейшими структурными элементами организма плодовых мушек. «К нам несколько раз приезжали коллеги профессора Гатти из Италии, и они помогли обучить наших людей, поставить все необходимые протоколы, — комментирует Алексей Пиндюрин, — отработать процедуру, начиная от синтеза РНК до фиксации клеток и анализа распознавания их фенотипов». Кстати, ранее в ИМКБ СО РАН исследования на культивируемых клетках дрозофилы не велись, несмотря на то, что эти крохотные существа — практически идеальные объекты.

Алексей Пиндюрин: «Профессор Гатти проводит у нас всё положенное время, четыре месяца в году. Кроме того, при его участии мы организовали международную конференцию «Хромосома-2015″, он был в оргкомитете, и благодаря ему нам удалось привлечь много ведущих специалистов в той области, которой мы занимаемся. Также мы предполагаем в декабре провести еще одну мини-конференцию по теме митоза, на которую приедут специалисты из Чехии и Великобритании».

Основная задача сотрудников лаборатории — в мельчайших деталях рассмотреть процесс митоза, включая его нарушения. «Один из самых простых способов понять, какие гены вовлечены в процедуру деления — целенаправленно выключить один из них и проверить, наблюдаются ли изменения,— объясняет Алексей Пиндюрин. — Мы синтезируем фрагмент сначала ДНК, а потом — двухцепочечной РНК, причем последний специфичен по отношению к тому или иному гену, который мы исследуем. После чего добавляем созданную нами структуру к культивируемым клеткам, ждем некоторое время, а затем фиксируем их и смотрим, есть нарушения или нет».

Более конкретное направление поиска — механизм формирования веретена деления, это необходимый элемент митоза. Оно образуется из микротрубочек и многих ассоциированных с ними моторных белков. Сами микротрубочки собираются из молекул альфа- и бета-тубулина, и процесс их полимеризации и деполимеризации также регулируется изрядным количеством белков.

Культивируемые клетки дрозофилы, окрашенные антителами к разным компонентам веретена деления (и еще специальным красителем, «визуализирующим» ДНК/хромосомы). Микротрубочки веретена деления выявлены зеленым цветом, центросомы — красным, а хромосомы — синим

Считается, что веретено деления формируется следующим образом. В делящейся клетке есть два полюса, на которых имеются специальные структуры под названием центросомы. От них начинают расти микротрубочки, соединяющиеся с хромосомами и в конечном итоге растаскивающие последние в противоположные стороны, где впоследствии будут два дочерних ядра.

«На самом деле, весь этот процесс не настолько прост, — объясняет Алексей Пиндюрин. — Существуют клетки, например, растений, у которых в принципе нет центросом. Тем не менее веретено деления нормально формируется и функционирует, митоз спокойно идет. Кроме того, известны подобные мутации у тех же дрозофил. Даже если «сломать» какой-либо структурный элемент из белковых компонентов центросомы, веретено деления также будет создано, и митоз произойдет. Мухи при этом будут вполне живыми и активными, но стерильными».

Ученый отмечает: существует несколько механизмов, в соответствии с которыми способен создаваться интересующий их элемент.

Первый способ уже был назван выше. Второй основан на том, что хромосомы сами по себе способны инициировать полимеризацию микротрубочек, которые затем собираются в пучки и, в конечном счете, веретено деления. В хромосомах есть особенные структуры, способные выполнять вышеозначенную функцию намного более эффективно, чем весь элемент в целом: кинетохоры — специфические многокомпонентные образования, формирующиеся в районах центромер. Это дублирующий механизм, для повышения надежности. Есть еще и третий — вспомогательный, хотя и менее принципиальный способ — микротрубочки способны синтезироваться на уже существующих собратьях.

«Митоз — вещь фундаментальная, — говорит Алексей Пиндюрин, — потому что деление клеток лежит в основе развития всех живых организмов. Соответственно, каждый раз очень важно, чтобы хромосомы были правильно удвоены и верно разошлись по дочерним клеткам. Если происходит нарушение, в частности, могут быть неполадки во взаимодействии между микротрубочками и кинетохорами, то человека ждут печальные последствия. Причем не только дефекты развития эмбриона — проблемы с митозом лежат в основе онкологических заболеваний».

При истощении белка Dgt6 методом РНК-интерференции в делящейся клетке формируется веретено, имеющее только один полюс, что в итоге приводит к образованию полиплоидных клеток

В лаборатории есть еще два направления. Одно из них — скрининг генов-кандидатов, которые могут повлиять на деление, и отслеживание их действия. Другое — оказалось, что оно тоже мало исследовано — детальное описание митоза на ультраструктурном уровне. «То есть мы берем клетки и дальше на разных стадиях процесса деления смотрим на них при помощи электронного микроскопа, — поясняет Алексей Пиндюрин. — Это звучит легко, но, на самом деле, достаточно сложно. В отличие от клеток млекопитающих, которые можно синхронизовать — добавить определенный реактив, немного подождать, и 90% из них будет на стадии деления — с насекомыми такой фокус не проходит. Мы наблюдаем популяцию клеток — в определенный момент из них в состоянии митоза находится процентов пять-десять.

Отобрать их непросто, мы вынуждены просматривать целые наборы, в итоге попадая на нужные. Это очень кропотливая работа. И было даже неизвестно, например, сколько микротрубочек соединяют центросому с кинетохорой, как они это делают». Дальнейшая идея заключается в том, что далее с помощью электронного микроскопа ученые будут исследовать и различные нарушения. «При этом мы пытаемся сопоставить «картинку» из разного типа приборов», — отмечает Алексей Пиндюрин.

«Работать с дрозофилой очень удобно, — продолжает специалист. — За короткое время мы способны проверить многое: быстро смотреть череду событий, вносить направленные нарушения и наблюдать их последствия. С другой стороны, практически все гены, которые мы исследуем, являются консервативными: то есть очень похожие присутствуют, в том числе и у млекопитающих, и у человека. Следовательно, можно проводить корреляции. В перспективе эти результаты в состоянии помочь пониманию процессов митоза у людей, как следствие — выход на медицину.

Правда, это еще даже не завтрашний день».

Екатерина Пустолякова
Фото предоставлены Алексеем Пиндюриным,
автор микроскопных фото – Евгения Андреева

PDF-файл статьи

Источник: 

http://www.sbras.info/articles/science/slozhnoe-delenie-na-dva

Фазы деления клетки: митоз и мейоз, их сходства и различия

Митоз и мейоз: понятие, фазы, отличия

Наши клетки постоянно растут и воспроизводят самих себя. Репродуктивная функция может осуществляться двумя способами, о которых мы расскажем в этой статье. Вы узнаете, как возникают новые клетки в процессе митоза и мейоза.

  • Text Link

Что такое митоз

Первый способ деления соматической клетки — митоз. Материнская клетка разделяется на дочерние клетки, которые практически идентичны родительским с точки зрения генетической информации. Наследственная информация и количество хромосом у дочерних клеток такие же, как у родительской.

‍ Схема митоза
‍

Митоз — это одна из фаз жизненного цикла клетки и механизм нормального роста тканей. Большую часть клеточного цикла занимает интерфаза, в течение которой протекает повседневная клеточная деятельность. Во время интерфазы происходит: 

  • рост, 
  • синтез белка и других органических веществ клетки, 
  • образование новых органелл.

Во время интерфазы идёт активный синтез и накопление необходимых для деления клетки веществ. Интерфаза делится на три подфазы: 

  • G1 — клетка становится больше, синтезируются белки, образуются одномембранные органоиды и рибосомы, готовясь к делению. В человеческой клетке 46 хромосом. Каждая хромосома, состоящая из одной хроматиды, напоминает неполую макаронину — она достаточно гибкая, чаще всего длина намного превышает ширину. Хроматида представляет собой 1 молекулу ДНК. 
  • S — каждая хроматида копируется. Количество хромосом остаётся неизменным — 46, однако теперь каждая хромосома состоит из двух идентичных сестринских хроматид. Они соединяются в области, которая называется центромерой. В сумме в клетке получается 92 хроматиды.  
  • G2 — продолжается рост клетки и синтез белков, нуклеиновых кислот. 

<<Форма демодоступа>>

После стадии G2 клетка вступает в следующую фазу деления, а именно — сам митоз. Тут есть четыре подфазы: профаза, метафаза, анафаза, телофаза.

В схемах деления гаплоидный набор хромосом обозначают буквой
n, а набор молекул ДНК (то есть хроматид) —  буквой с. Перед буквами указывают число гаплоидных наборов: 1n2с — гаплоидный набор удвоенных хромосом, 2n2с — диплоидный набор одиночных хромосом, 2n4с — диплоидный набор удвоенных хромосом.

‍Пример. В клетках человека гаплоидный набор составляют 23 хромосомы. Значит, запись 2n2с означает 46 хромосом и 46 хроматид, а 2n4с — 46 хромосом и 92 хроматиды.  

Рассмотрим подробнее фазы митоза:

  • Профаза (2n4с) — спирализация хромосом, уменьшение их функциональной активности; репликация практически не идёт; разрушение оболочки ядра; образование веретена деления.
  • Метафаза (2n4с) — прикрепление хромосом к нитям веретена деления; спирализация хромосом достигает максимума; хромосомы утрачивают свою функциональную активность, образуют экваториальную (метафазную) пластинку. 
  • Анафаза (4n4c) — деление центромер; расхождение по нитям веретена сестринских хромосом. Анафаза заканчивается, когда центромеры достигают полюсов клетки.
  • Телофаза (2n2c) — деспирализация хромосом; образование ядерной оболочки; деление цитоплазмы; между дочерними клетками на экваторе образуется перетяжка. В растительных и грибных клетках в этом месте начинает закладываться клеточная стенка. 

Многие клетки вступают в фазу G0 после митоза и находятся в ней всю жизнь до гибели. Обычно это высокоспециализированные клетки, которые не могут совмещать эффективное выполнение своих функций и размножение. Например, в фазе G0 находится большинство нейронов головного мозга. 

Биологическое значение митоза — образование генетически одинаковых дочерних клеток с тем же набором хромосом, что был у материнской клетки. Сохраняется преемственность в ряду клеточных поколений. 

‍Как происходит митоз
‍

Что такое мейоз

Второй способ деления эукариотической клетки — мейоз. Это процесс деления клетки, во время которого получаются дочерние клетки — гаметы. У мужчин это сперматозоид, а у женщин яйцеклетка. Гаметы получают только половину генетической информации родительской клетки. Число хромосом уменьшается в два раза. 

 Схема мейоза
‍

Затем гаметы могут объединяться, образуя новую клетку, сочетающую генетическую информацию обеих клеток-родителей — зиготу. Процесс слияния половых клеток называется оплодотворением. Если зигота совершит цепь митозов, сформируется новый организм. 

По промокоду
BIO92021 вы получите бесплатный доступ к курсу биологии 9 класса, по промокоду BIO10112021 бесплатный доступ к курсу биологии 10 класса. Выберите нужный раздел и изучайте биологию вместе с домашней онлайн-школой «Фоксфорда»!

Каждая гамета человека содержит 23 хромосомы — гаплоидный набор (n). Когда гаметы объединяются, получается зигота с 46 хромосомами — диплоидный набор (2n). 

Во время мейоза одна клетка с 46 хромосомами делится дважды. Первое деление называется мейоз I, второе деление называется мейоз II. Интерфаза между двумя этапами деления мейоза настолько кратковременна, что практически незаметна, и в ней не происходит удвоение ДНК. В результате образуются четыре дочерние клетки, каждая с 23 хромосомами. 

Мейоз I подразделяется на четыре фазы, аналогичные фазам митоза:

  • Профаза I (2n4c) — занимает 90% времени. Происходит скручивание молекул ДНК и образование хромосом. Каждая хромосома состоит из двух гомологичных хроматид — 2n4c. Происходит конъюгация хромосом: гомологичные (парные) хромосомы сближаются и скручиваются, образуя структуры из двух соединённых хромосом — такие структуры называют тетрады, или биваленты. Затем гомологичные хромосомы начинают расходиться. При этом происходит кроссинговер — обмен участками между гомологичными хромосомами. В результате этого процесса создаются новые комбинации генов в потомстве. Растворяется ядерная оболочка. Разрушаются ядрышки. Формируется веретено деления.
  • ‍Метафаза I (2n4c) — биваленты выстраиваются на экваторе веретена деления, при этом ориентация центромер к полюсам абсолютно случайная.
  • Анафаза I (хромосомный набор к концу анафазы: у полюсов — 1n2c, в клетке — 2n4c) — гомологичные хромосомы отходят к разным полюсам, при этом сестринские хроматиды всё ещё соединены центромерой. За счёт случайной ориентации центромер распределение хромосом к полюсам также случайно, так как нити веретена прикрепляются произвольно. 
  • Телофаза I (1n2c) — происходит деспирализация хромосом. Если интерфаза между делениями длительна, может образоваться новая ядерная оболочка.
Мейоз I
‍

Мейоз II подразделяется на четыре такие же фазы: 

  • Профаза II (1n2c) — восстанавливается новое веретено деления, ядерная мембрана растворяется, если образовывалась в телофазе I.
  • Метафаза II (1n2c) — хромосомы выстраиваются в экваториальной части веретена, а нити веретена прикрепляются к центромерам.
  • Анафаза II (хромосомный набор у каждого полюса — 1n1c, в клетке — 2n2c) — центромеры расщепляются, двухроматидные хромосомы разделяются, и теперь к каждому полюсу движется однохроматидная хромосома. 
  • Телофаза II (1n1c) — происходит деспирализация хромосом, формирование ядерных оболочек и разделение цитоплазмы; в результате двух делений из диплоидной материнской клетки получается четыре гаплоидных дочерних клетки.  
Мейоз II
‍

Биологическое значение мейоза — образование гаплоидных клеток, отличающихся генетически друг от друга: половых клеток (гамет) у животных  и спор у растений. 

Отличие митоза от мейоза


  1. В митозе одно деление, в мейозе два. 
  2. Митоз — вид клеточного деления, который происходит в процессе роста и развития организма, а мейоз — в процессе образования половых клеток. 
  3. При митозе образуются две диплоидные клетки, а при мейозе — четыре гаплоидные клетки. 
  4. Митоз лежит в основе бесполого размножения в отличие от мейоза.
  5. В результате митоза образуются генетически идентичные клетки, а в мейозе вследствие случайного расхождения хромосом и кроссинговера дочерние клетки генетически отличаются друг от друга. 

Углубите ваши знания!

Эту и другую тему по биологии вы можете изучить на наших курсах а также на естественно-научном индивидуальном образовательном маршруте. Оставьте ваши контакты для получения подробной бесплатной консультации

Принимаю условия соглашения и политики конфиденциальности

Записали!
Скоро с вами свяжется консультант, расскажет об обучении в нашей онлайн-школе.
Проверьте вашу электронную почту — там письмо о том, что стоит сделать перед консультацией.

Упс 🙁 Что-то пошло не так. Попробуйте позвонить нам по телефону +7 (800) 500-17-81 либо написать на почту [email protected].

веретенообразных волокон | Изучайте науку в Scitable

Шпиндель волокна образуют белковую структуру, разделяющую генетический материал в клетке. Веретено необходимо для равного деления хромосом в родительской клетке. на две дочерние клетки при обоих типах деления ядра: митозе и мейоз. Во время митоза волокна веретена называются митотическим веретеном. Между тем, во время мейоза волокна веретена называются мейотическими шпиндель. В начале деления ядра два кольцевидных белка структуры, называемые центриолями, располагаются на противоположных концах клетки. образуя клеточные полюса. Длинные белковые волокна, называемые микротрубочками, отходят от центриоли во всех возможных направлениях, образуя так называемое веретено. Некоторый микротрубочки прикрепляют полюса к хромосомам, соединяясь с белковые комплексы, называемые кинетохорами.

Кинетохоры – белковые образования, развиваются на каждой хромосоме вокруг центромеры, представляющей собой область, расположенную ближе к середине хромосомы. Другие микротрубочки связываются с хромосомой руки или доходят до противоположного конца клетки. Во время клеточного деления фаза, называемая метафазой, микротрубочки тянут хромосомы вперед и назад пока они не выровняются в плоскости по экватору клетки, которая называется экваториальная плоскость. Ячейка проходит важный контрольно-пропускной пункт, чтобы убедиться, что все хромосомы прикреплены к веретену и готовы к делению до того, как он приступит к делению. Далее, во время анафазы, хромосомы одновременно отделяются и тянутся шпинделем к противоположным полюсам клетка.

Дальнейшее исследование

Концептуальные ссылки для дальнейшего изучения

прометафаза | хромосома | ДНК | клеточное деление | метафаза | анафаза | мейоз | профаза

Связанные понятия (8)

Генетика

Клеточная биология

Научная коммуникация

    Планирование карьеры



      Веретенообразные волокна — Полное руководство

      Определение

      Веретенообразные волокна представляют собой микроскопические белковые структуры, которые помогают разделять генетический материал во время деления клеток и организовывать клеточные компоненты. Волокна веретена образуются из центросома , также известная как центр организации микротрубочек или MTOC.

      Обзор

      Веретенообразные волокна формируются из микротрубочек с множеством вспомогательных белков, которые помогают направлять процесс генетического деления. Каждое волокно веретена образуется во время клеточного деления вблизи полюсов делящейся клетки. Распространяясь по клетке, они ищут центромеры каждой хромосомы.

      Цикл центросомы — это то, как воспроизводится MTOC

      После прикрепления волокно веретена оттягивается назад. С каждым волокном приходит хромосома, к которой оно прикреплено, которая разделяет хромосомы на каждую дочернюю клетку. Процесс можно увидеть на изображении выше. Волокна веретена можно увидеть, отходящие во всех направлениях от центросом на шаге 6. Каждое волокно веретена формируется из нескольких микротрубочек. Волокна веретена действуют как маленькие машины во время клеточного деления. Они тщательно собирают и делят хромосомы, и делают это уже миллиарды лет. Но как происходит этот сложный процесс?

      Структура волокон веретена деления

      В центросоме, или MTOC, всегда предварительно собрано несколько микротрубочек. На поверхности MTOC находятся небольшие белки, отвечающие за удлинение или укорочение микротрубочек. Эти белки реагируют на сигналы клетки, и когда наступает время клеточного деления, они начинают удлинять волокна веретена деления. Для этого к ним необходимо добавить субъединицы альфа-тубулина и бета-тубулина. Вместе эти два небольших белка образуют структуру микротрубочки. Множество отдельных микротрубочек вместе называются волокнами веретена. На рисунке ниже можно увидеть одну микротрубочку.

      Микротрубочки образованы небольшими белками, и вместе множество микротрубочек образуют волокно веретена.

      Функции веретенообразных волокон

      Сокращение и рост

      Главной особенностью микротрубочек и, следовательно, более крупных волокон является то, что белки, которые их контролируют, могут растягивать или сокращать микротрубочки путем добавления или удаления димеров тубулина . Сначала MTOC должны добавить многие из этих димеров к микротрубочке, чтобы распространить ее по клетке. Когда микротрубочка путешествует, она в конечном итоге достигает хромосомы. К микротрубочкам могут прикрепляться специальные белки внутри центромеры хромосомы. Здесь также есть белки, которые могут укорачивать и удлинять волокна веретена деления.

      Это один из основных способов выравнивания хромосом на метафазной пластине , гипотетической середине клетки. Это также основной способ их разделения во время анафазы митоза или мейоза. Хотя добавление и вычитание димеров является одним из основных способов, с помощью которых волокна веретена помогают переносить хромосомы по клетке, есть еще два основных метода.

      Волокна веретена: скользящие

      Когда встречаются два волокна от противоположных полюсов клетки, они связываются вместе специальным белком. Вместо того, чтобы схватиться за хромосому, они более или менее прикрепляются друг к другу через белок. Этот белок является специализированным моторным белком, реагирующим на сигналы клетки. В соответствующее время во время клеточного деления моторный белок начинает ползать по каждой микротрубочке, к которой он прикреплен. Это «скользящее действие» вызывает давление на полюса и помогает раздвинуть полюса. Это действие веретенообразных волокон раздвигает клетку и позволяет ей делиться пополам во время телофазы.

      Волокна веретена раздвигают центромеры в стороны в начале митоза

      Волокна веретена: якоря

      Последнее действие, выполняемое некоторыми волокнами веретена, заключается в закреплении на поверхности клетки. На внутренней поверхности клеточной мембраны размещаются специализированные белки, закрепляющие микротрубочки. Хотя эти якоря не могут собирать димеры в микротрубочки, они могут связываться с ними. Затем, когда MTOC начинает удалять димеры микротрубочек, все волокно веретена укорачивается. Таким образом, он подтягивает клеточную мембрану к MTOC и начинает определять область новой формирующейся клетки.

      Тест

      1. Что из перечисленного НЕ вызвано действием волокон веретена?
      A. Перемещение хромосом
      B. Изменение формы клетки
      C. Строение клетки при неделении

      правильный. Волокна веретена образуются во время клеточного деления, а затем разбираются. Хотя существует много различных видов микротрубочек, они действуют только как волокна веретена во время клеточного деления. После клеточного деления функцию создания клеточной структуры выполняют более вкрапленные микротрубочки и другие мелкие структуры. Используя совершенно другой набор белков, можно полностью регулировать клеточное деление и организацию веретенообразных волокон.

      2. Микротрубочки формируются своеобразным образом. Хотя вся структура представляет собой просто повторяющиеся единицы небольшого димера тубулина, эта структура имеет к нему полярность. То есть каждая сторона микротрубочки различна. С одной стороны бета-тубулин более открыт, а с другой стороны альфа-тубулин более открыт. Чем должны отличаться белки в MTOC и белки на хромосомах, чтобы они работали?
      A. Они должны быть одинаковыми
      B. Они должны иметь возможность добавлять димеры с противоположных сторон
      C. Это совершенно разные процессы, следовательно, это совершенно разные белки

      Ответ на вопрос № 2

      B правильно. Разные стороны микротрубочек (часто обозначаемые как + и -) имеют немного разные формы, которые прямо противоположны друг другу. С одной стороны белок должен добавлять или удалять димеры с обращенным внутрь альфа-тубулином, а с другой — с обращенным внутрь бета-тубулином. Эти два димера почти идентичны, поэтому изменение незначительно. Но он все еще присутствует и влияет на работу клеточного механизма.

      3. Часто, когда продукты органеллы экспортируются, они содержатся внутри пузырьков. Затем эти небольшие компартменты клеточной мембраны прикрепляются к микротрубочкам с помощью небольшого моторного белка. Белок продвигается вниз по микротрубочке, как в примере со скольжением выше.