Гомологическая рекомбинация в клетках: основные моменты
В ходе мейоза гомологичные хромосомы обмениваются участками, что позволяет получить новые комбинации генов.
Хотя механизм гомологичной рекомбинации (ГР) широко варьируется среди разных организмов и типов клеток, зачастую в её основе лежит один и тот же механизм. Разрыв двух нитей ДНК приводит к тому, что 5-концы непосредственно рядом с повреждением удаляются. Следующий шаг заключается во внедрении или инвазии 3-конца повреждённой цепи в другую, целую ДНК, используемую в качестве матрицы.
Механизмы гомологичной рекомбинации
Дальнейшая последовательность событий может идти двумя путями (описанными ниже), известными как DSBR или SDSA. Гомологическая рекомбинация, происходящая во время репарации ДНК, как правило, приводит к восстановлению молекулы в том же виде, в котором та находилась до повреждения.
Репарация посредством гомологичной рекомбинации
Схема кроссинговера, нарисованная Томасом Хантом Морганом, в 1916 году, показывает процесс обмена участками между хромосомами.
Репарация посредством гомологичной рекомбинации перед вступлением клетки в митотический цикл происходит сразу после репликации ДНК (S-фаза) в течение G2-фазы и до момента начала митоза (М-фазы).
DSBR и SDSA начинаются одинаково, однако потом механизм разделяется. DSBR чаще всего заканчивается кроссинговером, в отличие от SDSA, где хромосомы участками не меняются.
Репарация двуцепочечных разрывов
Рекомбинация через SSA-путь происходит между двумя повторяющимися последовательностями ДНК (фиолетовые) и в результате приводит к утрате генетического материала.
Семейство белков рекомбиназы RecA
Белки, участвующие в гомологичной рекомбинации, гомологичны у трёх доменов жизни (бактерии, археи, эукариоты).
Цитология и гистология
При запуске апоптоза через рецепторные комплексы Fas и ФНО важная роль принадлежит каспазе-1, которая является продуктом гена. Каспаза-1 синтезируется в виде неактивного предшественника с молекулярной массой 45 кД, который затем превращается в субъединицы р10 и р20. Активный фермент представляет собой тетрамер, содержащий по две копии каждой субъединицы и атакующий пептидную связь после аспарагиновой кислоты. Активируемая каспазой-1 каспаза-3 подавляет функцию фермента, который участвует в репарации однонитевых разрывов ДНК. Одновременно каспаза-3 активирует ДНК-азу которая разрезает ДНК между нуклеосомами. Субстратом для является ламин А, который входит в состав ядерного матрикса.
Разрушение ядерной ДНК и апоптоз
Разрушение ядерной ДНК рассматривается как ключевое событие апоптоза, после которого процесс клеточной гибели становится необратимым.
При этом сначала происходит образование крупных фрагментов ДНК, входящих в состав петлевых доменов хроматина. Позднее величина образующихся фрагментов снижается до 200 пар нуклеотидов, что соответствует длине ДНК, приходящейся на одну нуклеосому.
Фрагментация ДНК при апоптозе представляет собой активный процесс, требующий затрат энергии, синтеза РНК и белка. В разрушении ядерной ДНК участвуют CAD, ДНК-азы I и II, а также апоптоз-активирующий фактор АИФ.
Апоптоз: генетически запрограммированная реакция
Таким образом, апоптоз представляет собой генетически запрограммированную реакцию клетки на специфический молекулярный сигнал, результатом которой является уничтожение ее генома.
Апоптоз обеспечивает удаление клеток из нормально развивающихся и функционирующих тканей, не вызывая при этом повреждения соседних клеток и не запуская воспалительный процесс.
Вопросы для самоконтроля
- Что такое клеточный цикл?
- Каковы фазы клеточного цикла?
- Какие выделяют периоды клеточного цикла?
- Каковы особенности периодов клеточного цикла?
- Что такое митоз?
- Какова морфология митотических хромосом?
- Биологическое значение митоза?
- Что такое апоптоз?
- Каковы морфологические признаки апоптоза?
- Что такое некроз?
- Каковы отличия некроза от апоптоза?
Полесский государственный университет
Лекция 11: Половое размножение клетки. Мейоз
- Мейоз как основа полового размножения клетки.
- Характеристика основных фаз мейоза.
- Синапсис и кроссинговер.
- Биологическое значение мейоза.
Мейоз как основа полового размножения клетки
Процесс оплодотворения, который лежит в основе полового размножения организмов, заключается в слиянии мужской и женской половых клеток и формировании оплодотворенной яйцеклетки – зиготы.
Это дает начало новому организму. Клеточную природу яйца предполагал еще Т. Шванн, но только в 1870 г. бельгийский цитолог Э. ван Бенеден в Исследовании о составе и значении яйца доказал, что клеткой является все яйцо в целом, а его зародышевый пузырек представляет собой клеточное ядро.
В 1875 г. О. Гертвиг опубликовал работу Материалы к познанию образования, оплодотворения и деления животного яйца.
Прозрачные яйца иглокожих позволили ему увидеть проникновение мужского ядра из головки сперматозоида в яйцеклетку и показать, что оплодотворение состоит в слиянии женского и мужского в единое ядро зиготы.
Мейоз: процесс деления клеток
Слияние мужского и женского пронуклеусов при оплодотворении вызывает удвоение числа хромосом. Поэтому полиплоидизирующий эффект оплодотворения должен в каждом поколении компенсироваться процессом, приводящим к уменьшению числа хромосом в два раза. Таким процессом и является мейоз.
Различные состояния клеток
У организмов с половым размножением при созревании гамет происходит смена состояний клеток, которые различаются по числу хромосом. Развивающийся из зиготы организм, клетки которого содержат диплоидный набор хромосом, называется спорофитом. Если организм состоит из клеток с гаплоидным набором хромосом, он называется гаметофитом.
Характеристика основных фаз мейоза
Несмотря на различное место мейоза в жизненном цикле растений, животных, простейших и других организмов, его морфологические проявления однотипны у всех эукариот. Мейоз состоит из двух последовательных клеточных делений, которые напоминают митоз.
- Первое деление мейоза обеспечивает редукцию числа хромосом в два раза и называется мейоз I.
- Второе деление превращает сестринские хроматиды в самостоятельные хромосомы аналогично митозу и называется мейоз II.
Основные фазы мейоза
Перед началом мейоза клетка проходит все периоды клеточного цикла – G1, S и G2. Предмейотическая интерфаза имеет особенности, связанные с подготовкой клетки к мейозу, такие как изменения состава хроматина.
Каждое из двух делений мейоза состоит из четырех последовательных фаз:
- Профаза
- Метафаза
- Анафаза
- Телофаза
Между делениями клетка находится в состоянии, внешне сходном с интерфазой, пауза обозначается как интеркинез.
Профаза мейоза
Профазу I подразделяют на пять стадий:
- Лептотен – стадия тонких нитей
- Зиготен – стадия слияния нитей
- Пахитен – стадия толстых нитей
- Диплотен – стадия двойных нитей
- Диакинез – стадия расхождения нитей
Наиболее длительной фазой мейоза является профаза I, где происходит редукция числа хромосом. Необходимо отметить, что мейоз поддерживает генетическое разнообразие организмов.
Иллюстрация фаз мейоза помогает лучше понять процесс деления клеток и имеет особое значение в биологических науках. Важно помнить, что мейоз является важной частью жизненного цикла организмов и обеспечивает их размножение и генетическое разнообразие.
Мейотические хромосомы и их структура
Мейотические хромосомы располагаются в объеме ядра закономерным образом, контактируя теломерами с нуклеолеммой. У отдельных животных они могут формировать структуру, напоминающую букет. Такая структура состоит из сближенных между собой дугообразно изогнутых хромосом, связанных теломерными концами с ограниченным участком нуклеолеммы.
Процесс конъюгации гомологичных хромосом
У некоторых растений хромосомы в конце лептотены собираются в клубок, что обозначается термином. При этом начинается процесс конъюгации гомологичных хромосом – сближение гомологичных хромосом диплоидного набора в пространстве ядра.
Биваленты и комплексы конъюгирующих хромосом
На стадии диплотена происходит формирование комплексов конъюгирующих хромосом – каждый бивалент состоит из четырех хроматид, двух сестринских и двух несестринских. Сестринские хроматиды связаны в биваленте центромерами, а несестринские хроматиды соединяются особой белковой структурой.
Синапсис и кроссинговер
Синаптонемальный комплекс имеет ширину 160-240 нм и состоит из трех слоев: два латеральных слоя и центральный элемент. Формирование бивалента начинается на теломерных концах хромосом, связанных с нуклеолеммой, а также в центромерных районах.
Кроссинговер и синтез ДНК
На стадии зиготене синтезируется небольшое количество ДНК, которая состоит из уникальных последовательностей. У соматических клеток данная ДНК реплицируется в S-периоде клеточного цикла. Подавление синтеза ДНК в зиготене приводит к отмене конъюгации гомологичных хромосом.
Пахитен и взаимный обмен участками
На стадии пахитене происходит взаимный обмен участками между гомологичными хромосомами. Пахитенные хромосомы могут закручиваться относительно друг друга, что обеспечивает обмен генетической информацией.
Формирование бивалентов и процесс взаимного обмена участками между гомологичными хромосомами являются ключевыми этапами в мейозе.
ходе кроссинговера происходит формирование генетически новых вариантов хромосом, сочетающих в себе аллели обоих родителей. В результате кроссинговера мейоз будет порождать которые увеличивают наследственную изменчивость потомства. В пахитене наблюдается незначительный репаративный синтез ДНК.
Пахитенные хромосомы часто имеют опушенность, которая связана с деконденсацией некоторых хромомеров. Деконденсация хромомеров на стадии пахитены является морфологическим проявлением активации генов, контролирующих дифференцировку гамет.
называется так потому, что на этой стадии начинается отталкивание гомологичных хромосом друг от друга, и они становятся различимы в составе бивалента. Отталкивание хромосом начинается в центромерных районах и распространяется вдоль бивалента. При этом становятся заметными места взаимного перекреста гомологичных хромосом –
диплотене хромосомы еще больше конденсируются, в результате чего в биваленте происходит обособление хроматид. В микроскопе видно, что в образование хиазм вовлекаются только две хроматиды из четырех. При отталкивании хромосом происходит деструкция синаптонемального комплекса, его участки сохраняются только в хиазмах.
На стадии диплотены в ооцитах амфибий и насекомых хромосомы приобретают вид «ламповых щеток». Поверхность хромосом этого типа покрыта петлями из хроматиновых нитей, которые выходят из хромомеров. На петлях хроматина транскрибируется большое количество долгоживущей иРНК, которая используется для синтеза белков, необходимых на ранних этапах эмбриогенеза.
принципиально не отличается от диплотены. В нем происходит дальнейшее уменьшение числа хиазм, укорочение бивалентов и растворение ядрышек. Биваленты удаляются друг от друга, располагаясь по периферии ядра. В конце диакинеза гомологичные хромосомы остаются скрепленными в биваленте только При этом биваленты образуют характерные фигуры в форме крестов, колец, восьмерок или коротких скрученных веревок в зависимости от длины хромосомы и числа хиазм. Диакинез завершается образованием веретена деления и распадом нуклеолеммы.
Метафаза I начинается с перемещения бивалентов в экваториальную плоскость веретена деления. При этом они ориентируются таким образом, что центромеры гомологичных хромосом обращены к противоположным полюсам клетки. Метафаза I мейоза принципиально отличается от метафазы митоза тем, что в плоскости экватора расположены спаренные хромосомы, повернутые на 90° относительно своей оси.
хромосомы перемещаются к полюсам клетки. Однако в отличие от митоза к полюсам расходятся не сестринские хроматиды, а гомологичные хромосомы. Сестринские хроматиды при этом по-прежнему скреплены центромерами. Расхождение гомологичных хромосом в анафазе I происходит случайно, и хромосомы бивалента с равной вероятностью могут отойти к тому или иному полюсу. Это обеспечивает все возможные сочетания материнских и отцовских хромосом в гаметах.
В хромосомы достигают полюсов клетки, причем у каждого полюса оказывается гаплоидное число хромосом. В дальнейшем в телофазе I мейоза происходят процессы, аналогичные телофазе митоза: деконденсация хромосом, восстановление иуклеолеммы, образование ядрышек и цитокинез.
редукционное деление мейоза (мейоз I)
разделяющий первое и второе деления мейоза, отличается от обычной интерфазы отсутствием репликации ДНК. Иногда в интеркинезе хромосомы остаются в конденсированном состоянии, сохраняя свои морфологические особенности.
Эквационное деление мейоза (мейоз II) протекает сходно с митозом, но на гаплоидном уровне. После непродолжительной профазы и растворения нуклеолеммы двухроматидные хромосомы формируют митотическую фигуру. На стадии анафазы сестринские хроматиды становятся свободными хромосомами и отходят к полюсам клетки. События в телофазе протекают, как в митозе, завершаясь цитокинезом. Таким образом, мейотическое деление одной клетки с диплоидным набором хромосом обеспечивает образование четырех клеток с гаплоидным набором хромосом. Их дальнейшая судьба зависит от типа мейоза, который характерен для данного вида. При наиболее распространенном гаметном типе порождаемые мейозом клетки дифференцируются в гаметы.
Редукция числа хромосом представляет собой основной, но не единственный результат мейоза. Большое значение для биологии вида имеет также создаваемая мейозом комбинаторная наследственная изменчивость
которая возникает благодаря случайному распределению родительских хромосом по гаметам и кроссинговеру.
4. Типы мейоза
Известно три типа мейоза, которые отличаются местом в жизненном цикле организмов, обеспечивая редукцию числа хромосом и переход либо к диплофазе, либо к гаплофазе:
Зиготный (начальный) мейоз происходит после оплодотворения с первыми делениями зиготы. Он обнаружен у многих водорослей и простейших. В жизненном цикле этих организмов преобладает гаплофаза, а диплофаза занимает небольшой период времени, пока существует зигота.
Гаметный (конечный) мейоз наблюдается у животных, а также у некоторых простейших и водорослей. В этом случае мейоз происходит во время гаметогенеза, а гаплофазе соответствуют гаметы – яйцеклетки и сперматозоиды.
Споровый (промежуточный) мейоз характерен для растений. В их
жизненном цикле происходит чередование поколений который размножается спорами, и который размножаемся половым путем с помощью гамет. Мейоз происходит в клетках диплоидного спорофита в процессе в результате которого образуются споры с гаплоидным числом хромосом. Они развиваются без оплодотворения в гаметофит, продуцирующий гаметы, слияние которых в опять дает начало диплоидному спорофиту. Таким образом, у растений спорофит соответствует диплофазе (диплонту), а гаметофит – гаплофазе (гаплонту).
5. Биологическое значение мейоза
Биологическое значение мейоза состоит в том, что:
образуются хромосомы обновленного генетического состава благодаря кроссинговеру между гомологичными хромосомами;
достигается наследственная разнородность гамет, так как во время первого мейотического деления из пары гомологичных хромосом в одну из двух гамет отходит материнская хромосома, в другую – отцовская;
после оплодотворения гаплоидные гаметы (1n1с) от отца и матери создают диплоидное ядро зиготы с числом хромосом, присущим данному виду.
Процессы сперматогенеза и овогенеза в принципе сходны, но между ними имеются и различия. В результате сперматогенеза образуется четыре сперматозоида, а завершается образованием одной яйцеклетки. Это обусловлено тем, что при первом и втором делениях созревания яйцеклетки не делятся пополам, а отделяют маленькие направительные, или редукционные, тельца. Направительные тельца несут полноценные хромосомные наборы, но практически лишены цитоплазмы и вскоре погибают. Биологический смысл образования этих телец заключается в необходимости сохранения в цитоплазме яйцеклетки максимального количества желтка, потребного для развития будущего зародыша.
1. Что такое мейоз? 2. Какие выделяют типы мейоза? 3. Какие выделяют фазы мейоза? 4. На какие стадии подразделяется профаза I мейоза? 5. Особенности профазы I мейоза? 6. Что такое конъюгация? 7. Что такое биваленты, зачем они образуются? 8. Что такое кроссинговер? 9. Что такое хромосомы типа «ламповых щеток»? 10. Общие процесс протекания редукционного и эквационного деления мейоза? 11. Биологическое значение мейоза?
ЛЕКЦИЯ 12 ДИФФЕРЕНЦИРОВКА КЛЕТОК. КЛАССИФИКАЦИЯ ТКАНЕЙ
Дифференцировка клеток. Факторы и регуляция дифференцировки. Стволовая клетка и дифферон
Апоптоз и некроз
Опухолевая трансформация клеток
Развитие ткани в онтогенезе и филогенезе.
Подходы к классификации тканей
Этот вопрос относится к числу наиболее сложных и в тоже время интересных как для цитологии, так и для биологии. – это процесс возникновения и развития структурных и функциональных различий между первоначально однородными эмбриональными клетками, в результате которого образуются специализированные клетки, ткани и органы многоклеточного организма. Дифференцировка клеток является важнейшей составной частью процесса формирования многоклеточного организма. В общем случае дифференцировка необратима, т.е. высокодифференцированные клетки не могут превращаться в клетки другого типа. Это явление называется и присуще преимущественно клеткам животных. В отличие от клеток животных, большинство клеток растений даже после дифференцировки способны переходить к делению и даже вступать на новый путь развития. Такой процесс называется Например, при надрезе стебля некоторые клетки в зоне разреза начинают делиться и закрывают рану, другие вообще могут подвергаться дедифференцировке. Так клетки коры могут превратиться в клетки ксилемы и восстановить непрерывность сосудов в области повреждения. В экспериментальных условиях при культивировании растительной ткани в соответствующей питательной среде клетки образуют каллус. – это масса относительно недифференцированных клеток, полученная из дифференцированных клеток растений. При соответствующих условиях из одиночных клеток каллуса можно вырастить новые растения. При дифференцировке не происходит потерь или перестройки ДНК. Об этом убедительно свидетельствуют результаты экспериментов по пересадке ядер из дифференцированных клеток в недифференцированные. Так ядро из