Соматические и половые клетки. Деление клеток — что это, определение и ответ

Все клетки в организме человека и животных можно разделить на два типа: половые и соматические.

Соматические – это клетки тела и всех его органов, а половые – те клетки, что образуются в половых железах (половых органах).

Набор хромосом соматических и половых клеток

Половые и соматические клетки отличаются числом хромосом.

Хромосома – это структура клеточного ядра, состоящая из белков и ДНК, отвечающая за хранение, передачу и реализацию наследственной информации.

В соматических клетках человека 46 хромосом. Хромосомы объединены в пары. Парные хромосомы очень похожи друг на друга и называются гомологичными.

Из 23 пар хромосом первые 22 пары называются аутосомами, то есть не половыми хромосомами. Оставшаяся двадцать третья пара состоит из двух половых хромосом, их сочетание различается у представителей разных полов. У мужчин – это X- и Y-хромосомы, а у женщин – две X-хромосомы.

В соматических клетках присутствует весь набор хромосом (46), а в половых не полный – 23 хромосомы, по одной из гомологичной пары. Полный набор хромосом (46 штук) называется диплоидным, а неполный (23 штуки) – гаплоидным.

Деление соматических клеток

В жизненном цикле клеток существуют два периода: интерфаза и собственно деление – митоз.

В интерфазе происходит обычная жизнь клетки, а также подготовка к делению: накопление питательных веществ и энергии в виде АТФ, удвоение хромосом. Удвоенные хромосомы состоят из двух половинок, соединенных перетяжкой.

В процессе митоза выделяют 4 стадии:

  1. В первой стадии происходит скручивание хромосом, разрушение ядерной оболочки и возникновение веретена деления

  2. Хромосомы располагаются в центре клетки, к каждой хромосоме присоединяется с двух сторон веретено деления

  1. Хромосома разделяется на две половинки, которые за счет сокращения нитей веретена деления перемещаются к разным полюсам клетки

  2. Вокруг хромосом восстанавливается ядерная мембрана, происходит деление цитоплазмы клетки пополам, раскручивание хромосом.

В результате митоза образуются две идентичные друг другу клетки. Благодаря митозу ткани организма могут обновляться, регенерировать, а организм – расти и развиваться.

Деление половых клеток

Половые клетки образуются путем мейоза, который состоит из двух делений, следующих друг за другом.

  • Удвоение хромосом происходит только перед первым делением мейоза. В его процессе к разным полюсам клетки расходятся не половинки хромосом, а целые хромосомы. Остальные процессы точно такие же, как в митозе. В результате первого деления мейоза получается две клетки с уменьшенным вдвое набором хромосом – гаплоидным

  • Во втором делении мейоза все происходит точно также как в митозе. Во второе деление мейоза клетка входит с 23 удвоенными хромосомами, в третьей фазе каждая хромосома делится на две половинки, которые расходятся к разным полюсам.

В результате мейоза из 1 клетки с диплоидным набором (46 хромосом) образуются четыре с гаплоидным набором хромосом, то есть содержащим по 23 хромосомы. В семенниках формируется путем мейоза 4 сперматозоида из одной клетки, а в яичниках только 1 яйцеклетка, так как три остальные клетки погибают.

Оплодотворение – это процесс слияния половых клеток: яйцеклетки и сперматозоида, с получением в результате зиготы – клетки, из которой будет развиваться зародыш.

В сперматозоиде 23 хромосомы, в яйцеклетке – столько же. При их слиянии получается клетка с полным, диплоидным, набором хромосом (46). В зиготе соединяются хромосомы обоих родителей, поэтому зародыш получает признаки обоих родителей, что повышает его жизнеспособность.

Внуки стволовой клетки

С момента открытия стволовых клеток и их универсальной способности развиваться в любые другие клетки организма ученые думали над получением из них половых клеток. Такое открытие произвело бы революцию в лечении бесплодия — любой человек, независимо от возраста, состояния здоровья и даже наличия половых органов, мог бы иметь своего в генетическом отношении ребенка. Однако половые клетки настолько отличаются от всех остальных, что даже теоретическая возможность их получения «в пробирке» вызывала обоснованные сомнения.

И вот, 25 февраля 2016 года публикация в журнале Cell развеяла эти сомнения. Китайским исследователям удалось получить из эмбриональных стволовых клеток сперматозоиды, подходящие для экстракорпорального оплодотворения. В эксперименте использование этих клеток для зачатия привело к появлению здорового потомства, способного к размножению. До этого вырастить функциональные половые клетки вне организма никому не удавалось.

Немного школьной программы

У любого многоклеточного животного, размножающегося половым путем, есть два принципиально разных типа клеток: половые клетки, или гаметы, и все остальные клетки организма, или соматические клетки.

Соматические клетки содержат парный (диплоидный) набор хромосом — по половине от каждого из родителей (например, у человека 46 хромосом: 23 от матери и 23 — от отца). Эти клетки размножаются делением, которое называется митозом. Он происходит относительно просто: ДНК клетки удваивается, формируется два парных набора хромосом, затем эти наборы расходятся к разным полюсам клетки, после чего в ней образуется перетяжка, делящая ее пополам. В итоге получаются две одинаковые клетки, аналогичные материнской.

С половыми клетками все сложнее — их предшественницы, первичные половые клетки, или гоноциты, имеют парный набор хромосом, а в итоге из них должны получиться яйцеклетки и сперматозоиды с одинарным (гаплоидным) хромосомным набором. Поэтому процесс их деления (гаметогенез, который в случае сперматозоидов называется сперматогенезом) проходит несколько промежуточных стадий.

У позвоночных гоноциты формируются из универсальных стволовых клеток в желточном мешке эмбриона примерно с шестой недели его развития. По мере образования тканей и органов эти клетки мигрируют в половые железы (гонады), то есть в мужском организме — в яички. Там они формируют популяцию клеток, называемых сперматогониями.

В начале полового созревания эти клетки начинают активно размножаться митозом.

При этом часть клеток дифференцируется в так называемые сперматоциты первого порядка, которые также обладают двойным набором хромосом. Эти клетки, в отличие от сперматогониев, делятся мейозом, при котором удвоения ДНК не происходит. В результате первого деления мейоза образуются сперматоциты второго порядка, несущие одинарный набор хромосом. Затем они проходят второе деление мейоза, аналогичное митозу, давая на выходе сперматиды с гаплоидным набором хромосом. Эти клетки затем дифференцируются в зрелые сперматозоиды.

На каждой стадии этого процесса клеткам необходимы определенная среда, окружающие клетки и сигнальные факторы, направляющие их деление и развитие. Яички, имеющие сложную микроскопическую структуру, обеспечивают нужные условия, но воспроизвести эти условия в лаборатории — задача практически непосильная, особенно на последних этапах сперматогенеза.

Ближе всего к ее решению удавалось подойти сотрудникам Киотского университета в Японии.

В 2011 году они смогли направить дифференцировку мышиных эмбриональных стволовых клеток в гоноцитоподобные клетки (ГПК), но для последующих стадий сперматогенеза их пришлось подсадить в яички взрослых мышей — добиться мейоза «в пробирке» у них не получилось.

«Хорошая штука»

Ученые из Китайской академии наук и их коллеги из Нанкина, Чанша, Хэфэя и Янчжоу использовали в своем исследовании наработки японских коллег. При помощи «коктейля» из цитокинов, аналогичных сигнальным молекулам ранних экстраэмбриональных тканей, они дифференцировали мышиные эмбриональные стволовые клетки в эпибластоподобные клетки (напоминающие желточный мешок) и далее в ГПК.

Чтобы создать им условия, близкие к внутренней среде половых желез, ГПК смешали в питательной среде с равным количеством эпителиальных клеток, полученных из яичек новорожденных мышей. После этого в среду добавляли различные сочетания морфогенов — веществ, направляющих дифференцировку клеток в нужном направлении и формирование из них органов и тканей. Как отметил один из исследователей Сяоян Чжао (Xiao-Yang Zhao), для получения нужной комбинации пришлось проделать сотни экспериментов. В результате сочетание морфогенов KSR, BMP-2/4/7, активина А и ретиноевой кислоты запустило процесс мейоза сперматоцитов.

Однако, запустив мейоз, необходимо регулировать его течение. Для этого на седьмой день из питательной среды убрали морфогены и добавили гормональную смесь: фолликулостимулирующий гормон, тестостерон и экстракт бычьего гипофиза. По поводу последнего эксперт-репродуктолог из Джексоновской лаборатории в Бар-Харборе (штат Мэн) Мэри Энн Хэндел (Mary Ann Handel) эмоционально заметила: «Бог знает, что в нем такого? Но, наверное, это хорошая штука».

Тем не менее, эта гормональная комбинация оказалась единственной, обеспечившей правильное течение всех ключевых стадий мейоза, что было подтверждено иммунохимическими, цитологическими, генетическими анализами, секвенированием и ПЦР. Результатом стало появление в культуре сперматидоподобных клеток с гаплоидным хромосомным набором — фактически, незрелых сперматозоидов без хвоста и с «лишними» органеллами.

Эти клетки использовали для оплодотворения путем стандартной процедуры интрацитоплазматической инъекции сперматозоидов (ИКСИ), при которой мужские гаметы вводят в яйцеклетку стеклянной микроиглой. Это привело к развитию морфологически полноценных эмбрионов, которые перенесли в матку мыши для вынашивания. Родившиеся мыши ничем не отличались от животных, зачатых естественным путем, и произвели собственное потомство.

Слово скептикам

Публикация китайцев заставила некоторых ученых сомневаться в полученных результатах. Так, руководитель киотского коллектива, разработавшего метод получения ГПК из стволовых клеток, Минитори Сайтоу указал на то, что температура в инкубаторе поддерживалась на уровне 37 градусов Цельсия, что может остановить развитие спермы. Он также отметил, что на флуоресцентной микроскопии в клетках не видны белки, характерные для ГПК.

Эксперт по стволовым клеткам из Утрехтского университета в Нидерландах Нильс Гейсен (Niels Geijsen) отметил, что успехи китайских ученых «изумительны, если [описанное в статье] действительно произошло».

Золотой стандарт

Несмотря на скепсис ряда коллег, исследователи отмечают, что их работа соответствует всем критериям «золотого стандарта» доказательства получения полноценных половых клеток «в пробирке», которые сформулированы уже упомянутой Хэндел с коллегами в 2014 году. Эти критерии включают нормальное количество ДНК, число и форму хромосом в клетках на всех стадиях развития, их правильное расхождение в ходе мейоза, а также пригодность полученных клеток для получения способного к размножению потомства. Сама Хэндел согласилась, что работа «золотому стандарту» соответствует.

На текущей стадии разработанная методика представляет собой ценную платформу для исследований всех стадий и необходимых условий сперматогенеза, а также значения каждого конкретного фактора в этом процессе. До ее возможного клинического применения еще очень далеко. Во-первых, для начала нужно убедиться, что последующие поколения зачатых искусственной спермой мышей здоровы и воспроизвести результаты на других животных моделях.

Во-вторых, неясно, будет ли подобный подход работать у людей. В-третьих, у взрослого человека нет эмбриональных стволовых клеток, а подойдут ли вместо них индуцированные плюрипотентные, которые можно получить из зрелого организма — большой вопрос. В-четвертых, где брать клетки яичек новорожденных. В-пятых, добиться разрешения на подобные эксперименты и разработать для них юридическую базу в современном мире вряд ли возможно. И эти проблемы не единственные.

Тем не менее, первый успех вдохновил многих ученых. «Если это работает у мыши, нет никаких биологических обоснований того, что это окажется неэффективным у человека. Но придется выяснять необходимые для этого условия [среды] и проводить клетки через эту очень тонкую хореографию», — отметил гарвардский эксперт по стволовым клеткам Джордж Дэйли (George Daley).

Как бы там ни было, лучше запомнить имена Сяояна, Цюаня Чжоу (Quan Zhou), Мэй Ван (Mei Wang) и их коллег. Если полученные ими результаты удастся подтвердить и воспроизвести, будет несложно выиграть пари на то, кто станет лауреатами одной из следующих Нобелевских премий в области медицины и физиологии.

Олег Лищук

6.1 Геном – Концепции биологии – 1-е канадское издание

Перейти к содержанию

Глава 6: Введение в репродукцию на клеточном уровне

Цели обучения

К концу этого раздела вы сможете:

  • Описывать геном прокариот и эукариот
  • Различать хромосомы, гены и признаки

Непрерывность жизни от одной клетки к другой основывается на размножении клеток посредством клеточного цикла. Клеточный цикл представляет собой упорядоченную последовательность событий в жизни клетки от деления одной родительской клетки с образованием двух новых дочерних клеток до последующего деления этих дочерних клеток. Механизмы, участвующие в клеточном цикле, высококонсервативны у эукариот. Такие разные организмы, как протисты, растения и животные, используют аналогичные шаги.

Прежде чем обсуждать этапы репликации клетки, необходимо более глубокое понимание структуры и функции генетической информации клетки. Полный набор ДНК клетки называется ее геномом . У прокариот геном состоит из одноцепочечной двухцепочечной молекулы ДНК в форме петли или кольца. Область в клетке, содержащая этот генетический материал, называется нуклеоидом. Некоторые прокариоты также имеют более мелкие петли ДНК, называемые плазмидами, которые не являются необходимыми для нормального роста.

У эукариот геном состоит из нескольких двухцепочечных линейных молекул ДНК (рис. 6.2), связанных с белками и образующих комплексы, называемые хромосомами. Каждый вид эукариот имеет характерное число хромосом в ядрах своих клеток. Клетки тела человека (соматические клетки) имеют 46 хромосом . Соматическая клетка содержит два согласованных набора хромосом, конфигурацию, известную как диплоидная . Буква n используется для обозначения одного набора хромосом; поэтому диплоидный организм обозначается 2 п . Клетки человека, содержащие один набор из 23 хромосом, называются гаметами или половыми клетками; эти яйцеклетки и сперматозоиды обозначаются n или гаплоидными .

Рис. 6.2. В женской соматической клетке человека имеется 23 пары гомологичных хромосом. Эти хромосомы видны внутри ядра (вверху), удалены из клетки в митозе (справа) и расположены в соответствии с длиной (слева) в расположении, называемом кариотипом. На этом изображении хромосомы были подвергнуты флуоресцентному окрашиванию, чтобы их можно было различить. (кредит: «718 Bot»/Wikimedia Commons, Национальное исследование генома человека)

Совпадающие пары хромосом в диплоидном организме называются гомологичными хромосомами. Гомологичные хромосомы имеют одинаковую длину и имеют определенные сегменты нуклеотидов, называемые генами, в точно таком же месте или локусе. Гены, функциональные единицы хромосом, определяют определенные характеристики, кодируя определенные белки. Черты – это различные формы характеристики. Например, форма мочек ушей является характеристикой с чертами свободной или прикрепленной.

Каждая копия гомологичной пары хромосом происходит от другого родителя; следовательно, сами копии каждого из генов могут не быть идентичными. Изменчивость особей внутри вида обусловлена ​​специфическим сочетанием генов, унаследованных от обоих родителей. Например, в хромосоме человека есть три возможных генных последовательности, которые кодируют группу крови: последовательность А, последовательность В и последовательность О. Поскольку все диплоидные клетки человека имеют две копии хромосомы, определяющей группу крови, группу крови (последовательность крови черта) определяется тем, какие две версии маркерного гена наследуются. Возможно наличие двух копий одной и той же последовательности генов, по одной на каждой гомологичной хромосоме (например, AA, BB или OO), или двух разных последовательностей, таких как AB.

Незначительные различия в признаках, таких как группа крови, цвет глаз и рост, способствуют естественной изменчивости внутри вида. Половые хромосомы X и Y являются единственным исключением из правила гомологичных хромосом; за исключением небольшого количества гомологии, необходимого для надежного производства гамет, гены, обнаруженные на X- и Y-хромосомах, не совпадают.

Прокариоты имеют одну петлевую хромосому, тогда как эукариоты имеют несколько линейных хромосом, окруженных ядерной мембраной. Соматические клетки человека имеют 46 хромосом, состоящих из двух наборов по 22 гомологичных хромосом и пары негомологичных половых хромосом. это 2 n, или диплоидный, гос. Гаметы человека имеют 23 хромосомы или один полный набор хромосом. Это n, или гаплоидное состояние. Гены — это сегменты ДНК, которые кодируют определенный белок или молекулу РНК. Признаки организма в значительной степени определяются генами, унаследованными от каждого родителя, а также окружающей средой, в которой они живут. Гены выражены как характеристики организма, и каждая характеристика может иметь различные варианты, называемые признаками, которые вызваны различиями в последовательности ДНК для гена.

Глоссарий

диплоид: описывает клетку, ядро ​​или организм, содержащие два набора хромосом (2 n )

гамета: гаплоидная репродуктивная клетка или половая клетка (сперматозоид или яйцеклетка)

ген: физическая и функциональная единица наследственности; последовательность ДНК, которая кодирует конкретную молекулу пептида или РНК

геном: полный генетический комплемент (ДНК) организма

гаплоидный: описывает клетку, ядро ​​или организм, содержащие один набор хромосом ( n )

гомологичные хромосомы: хромосомы одинаковой длины с генами в одном и том же месте; диплоидные организмы имеют пары гомологичных хромосом, и члены каждой пары происходят от разных родителей

локус: положение гена на хромосоме

License

Concepts of Biology — 1st Canadian Edition Чарльза Молнара и Джейн Гейр распространяется по лицензии Creative Commons Attribution 4. 0 International License, если не указано иное.

Поделиться этой книгой

Поделиться в Твиттере

6.1: Геном — биология LibreTexts

  1. Последнее обновление
  2. Сохранить как PDF
  • Идентификатор страницы
    7001
    • ОпенСтакс
    • ОпенСтакс

    Непрерывность жизни от одной клетки к другой основывается на размножении клеток посредством клеточного цикла. Клеточный цикл представляет собой упорядоченную последовательность событий в жизни клетки от деления одной родительской клетки с образованием двух новых дочерних клеток до последующего деления этих дочерних клеток. Механизмы, участвующие в клеточном цикле, высококонсервативны у эукариот. Такие разные организмы, как протисты, растения и животные, используют аналогичные шаги.

    Геномная ДНК

    Прежде чем обсуждать этапы репликации клетки, необходимо более глубокое понимание структуры и функции генетической информации клетки. Полный набор ДНК клетки называется ее геномом. У прокариот геном состоит из одной двухцепочечной молекулы ДНК в форме петли или кольца. Область в клетке, содержащая этот генетический материал, называется нуклеоидом. Некоторые прокариоты также имеют более мелкие петли ДНК, называемые плазмидами, которые не являются необходимыми для нормального роста.

    Геном эукариот состоит из нескольких двухцепочечных линейных молекул ДНК (Рис. \(\PageIndex{1}\)), связанных с белками и образующих комплексы, называемые хромосомами. Каждый вид эукариот имеет характерное число хромосом в ядрах своих клеток. Клетки тела человека (соматические клетки) имеют 46 хромосом. Соматическая клетка содержит два согласованных набора хромосом, конфигурацию, известную как диплоидную. Буква n используется для обозначения одного набора хромосом; поэтому диплоидный организм обозначается 2 п . Клетки человека, содержащие один набор из 23 хромосом, называются гаметами или половыми клетками; эти яйцеклетки и сперматозоиды обозначаются n или гаплоидными.

    Рисунок \(\PageIndex{1}\): В женской соматической клетке человека имеется 23 пары гомологичных хромосом. Эти хромосомы видны внутри ядра (вверху), удалены из клетки в митозе (справа) и расположены в соответствии с длиной (слева) в расположении, называемом кариотипом. На этом изображении хромосомы были подвергнуты флуоресцентному окрашиванию, чтобы их можно было различить. (кредит: «718 Bot»/Wikimedia Commons, Национальное исследование генома человека)

    Совпадающие пары хромосом в диплоидном организме называются гомологичными хромосомами. Гомологичные хромосомы имеют одинаковую длину и имеют определенные сегменты нуклеотидов, называемые генами, в точно таком же месте или локусе. Гены, функциональные единицы хромосом, определяют определенные характеристики, кодируя определенные белки. Черты – это различные формы характеристики. Например, форма мочек ушей является характеристикой с чертами свободной или прикрепленной.

    Каждая копия гомологичной пары хромосом происходит от другого родителя; следовательно, сами копии каждого из генов могут не быть идентичными. Изменчивость особей внутри вида обусловлена ​​специфическим сочетанием генов, унаследованных от обоих родителей. Например, в хромосоме человека есть три возможных генных последовательности, которые кодируют группу крови: последовательность А, последовательность В и последовательность О. Поскольку все диплоидные клетки человека имеют две копии хромосомы, определяющей группу крови, группу крови (последовательность крови черта) определяется тем, какие две версии маркерного гена наследуются. Возможно наличие двух копий одной и той же последовательности генов, по одной на каждой гомологичной хромосоме (например, AA, BB или OO), или двух разных последовательностей, таких как AB.

    Незначительные различия в признаках, таких как группа крови, цвет глаз и рост, способствуют естественной изменчивости внутри вида. Половые хромосомы X и Y являются единственным исключением из правила гомологичных хромосом; за исключением небольшого количества гомологии, необходимого для надежного производства гамет, гены, обнаруженные на X- и Y-хромосомах, не совпадают.

    Резюме

    Прокариоты имеют одну петлевую хромосому, тогда как эукариоты имеют несколько линейных хромосом, окруженных ядерной мембраной. Соматические клетки человека имеют 46 хромосом, состоящих из двух наборов по 22 гомологичных хромосом и пары негомологичных половых хромосом. это 2 n, или диплоидный, гос. Гаметы человека имеют 23 хромосомы или один полный набор хромосом. Это n, или гаплоидное состояние. Гены — это сегменты ДНК, которые кодируют определенный белок или молекулу РНК. Признаки организма в значительной степени определяются генами, унаследованными от каждого родителя, а также окружающей средой, в которой они живут. Гены выражены как характеристики организма, и каждая характеристика может иметь различные варианты, называемые признаками, которые вызваны различиями в последовательности ДНК для гена.

    Глоссарий

    диплоидный
    описывает клетку, ядро ​​или организм, содержащие два набора хромосом (2 n )
    гамета
    гаплоидная репродуктивная или половая клетка (сперматозоид или яйцеклетка)
    ген
    физическая и функциональная единица наследственности; последовательность ДНК, которая кодирует определенный пептид или молекулу РНК
    геном
    полный генетический набор (ДНК) организма
    гаплоидный
    описывает клетку, ядро ​​или организм, содержащие один набор хромосом ( n )
    гомологичные хромосомы
    хромосом одинаковой длины с генами в одном месте; диплоидные организмы имеют пары гомологичных хромосом, и члены каждой пары происходят от разных родителей
    местоположение
    положение гена на хромосоме

    Авторы и авторство

    • Саманта Фаулер (Клейтонский государственный университет), Ребекка Руш (Общественный колледж Сандхиллс), Джеймс Уайз (Хэмптонский университет).