Глава 2. Митоз

Непрямое деление ядра или митоз характерен для соматических клеток тела. Сущность митоза заключается в обеспечении преем- ственности наследственного материала ядра в ряду поколений. В результате дочерние клетки после митоза получают:

1 - набор хромосом, идентичный материнскому, то есть, обеспечивается равномерное распределение наследственного материала между дочерними клетками;

2 - сохраняется плоидность набора хромосом: диплоидные клетки после деления остаются диплоидными (рис.5).

Рис.5. Схема митоза: 2n,4n – плоидность клетки;

G₁,S, G₂ – периоды интерфазы

Митоз был описан в 1874 году русским ботаником И.Д.Чистяковым и в 1878 году русским гистологом П.И.Перемежко; детально описан Э.Страсбургером и В.Флемингом. Состоит из 4 фаз: профазы, метафазы, анафазы и телофазы (рис. 6).

2.1. Профаза

Профаза – это первая фаза митоза. В ней происходят следующие события (рис.7):

I. В результате спирализации и конденсации хроматин превращается в хромосомы, которые становятся видимыми в световом микроскопе. Синтез и-РНК и р-РНК вследствие конденсации и спирализации хроматина прекращается. Поскольку митотические хромосомы изучают на стадии метафазы, то их называют метафазными.

Метафазная хромосома состоит из двух сестринских хроматид, возникших в результате репликации ДНК в S-периоде и связанных между собой в районе центромеры или первичной перетяжки белком когезином (рис. 8). Каждая хроматида имеет вид палочки (рис.9), которую первичная перетяжка – центромера делит на два плеча.

Рис. 6. Митоз и события, происходящие в нём (Из: Интернет-ресурсов с сайта

pisum.bionet.nsc.ru     JPG 600×485)

Продолжение рисунка 6. Митоз и события, происходящие в нём.

Рис.7. Микрофотография электронограммы профазы митоза, сделанные флюоресцентным микроскопом:

А – прометафаза, Б – метафаза (Из:Интернет-ресурсов с сайта Moleсular Expres- sions /http://micro.magnet.fsu edu/ cells/ fluorescence mitosis/index. html.

Рис. 8. А – фото метафазной хромосомы (флюоресцирующий микроскоп):

1-2 – левая и правая хроматиды, 3 – центромера, 4 – нить ДНК;

Б – схема метафазной хромосомы: 1-2 - левая и правая хроматиды, 3 – центромера, 4 – вторичная перетяжка, 5 – спутник;

В – схема соединения двух хроматид в районе центромеры: 1-2 - левая и правая хроматиды, 3 – центромера, ; 4 - участок соединения двух хроматид белком когезином(6), тоже в увеличенном виде ((Из: Интернет-ресурсов с сайтов schools.keldysh.ru     JPG 400×363; bionet.nsc.ru     JPG 455×613; pisum.bionet.nsc.ru     JPG 600×485

Рис.9. А - схема хромосомы человека (р-короткое и q-длинное плечи, ц – центромера; цифры – номера сегментов и районов плеча) (Из: Клаг,2009);

В - схема метафазной хромосомы: а) 1 - центромера с кинетохором; 2 – гетерохрома - тин; 3 –эухроматин; 4 – вторич- ная перетяжка; 5 – спутник; б) участок с более сильным увеличением (сверхспирализа- ция) (Из: Хадорн, 1988)

Центромера – это место соединения двух хроматид, специфическая область эукариотической хромосомы, в которой хроматин конденсирован в большей степени (рис.9А). В метафазной хромосоме центромера состоит из двух участков хроматид, соединенных специфическими белками (рис.10). Локализация центромеры на метафазной хромосоме определяется первичной структурой ДНК. Центромера содержит специфические тандемные повторы (α-сателлиты ДНК). Их количество и структура и расположение на хромосоме различаются не только у разных видов, но даже у разных хромосом одного вида, определяя тип хромосомы (метацентрические, субметацентрические и акроцентрические).

Центромера играет фундаментальную роль в движении хромосом к полюсам деления и точном распределении дочерних хроматид по дочерним клеткам в процессе митоза и мейоза. В митозе и во втором деле-

нии мейоза цетромеры сохраняют тесную связь между дочерними хромосомами и разделяются только в анафазе. К центромере прикрепляются микротрубочки веретена деления, которые обеспечат расхождения дочерних хроматид к полюсам. Прикрепление микротрубочек осуществляется в особом участке центромеры – кинетохоре, который контактирует с центромерными районами и формируется на период деления клетки (рис.10В-11).

Рис. 10. Центромера и кинетохор: А – электронная микрофотография участка метафазной хромосомы в районе центромеры; Б – схема молекулярного строения центромерных участков двух хроматид, соединения их с кинетохором и микротрубочками веретена деления; В – схема соединения кинетохора с микротрубочкой ( Из: Интернет-ресурсов с сайтов Developental Biology and genetics mglinets.narod.ru. JRG 450x507, nanonewsnet.ru JPG 498x313, pisum.bionet.nsc.ru JPG 600x485)

Кинетохор (рис.10Б-11 ) - это комплекс, состоящий из участка ДНК в районе центромеры, определённых ДНК-связывающих белков, РНК и белка тубулина. Кинетохор имеет вид трехслойной пластины, состоящей из внутреннего (40-60 нм), светло-окрашенного среднего (25-30 нм) и внешнего (40-60 нм) слоев, различающиеся белковым составом (рис.) Метафазная хромосома несет два кинетохора: по одному  на каждую из своих хроматид. Кинетохоры связываются с растущими от центриолей на полюсах деления микротрубочками: кинетохор одной дочерней хроматиды связывается с микротрубочками одного полюса, другой дочерней хроматиды - другого полюса (рис.10Б). К каждому кинетохору прикрепляется несколько десятков микротрубочек (рис.11), при этом центромера с одной стороны метафазной хромосомы (одной хроматиды) оказывается связанной с микротрубочками, идущими только от одного из полюсов веретена деления. Контакт кинетохора с микротрубочками стабилизирует микротрубочку, таким образом, что связанные с хромосомами микротрубочки не деполимеризируются.

Таким образом, кинетохор служит:

1 - центром прикрепления микротрубочек веретена деления;

2 - обеспечивает выравнивание хромосом метафазной пластинки на экваторе деления клетки в метафазе;

3 - участвует в процессе расхождения хромосом во время анафазы.

Рис.11. Морфологическая(А) и молекулярная (Б) структуры кинетохора. Объяснение в тексте.

(Из: Интернет-ресурсов с сайтов pisum.bionet. nsc.ru     JPG 600×485; Barbara Mellone, Sylvia Erhardt & Gary H. Karpen, Nature Cell Biology (2006) nature.com JPG 580×618)

II. Исчезают ядрышки вследствие прекращения синтеза р-РНК и инактивации рибосомных генов.

III. Ядерная ламина (белок ядерного матрикса), связанная с ядерной мембраной разрушается в результате деполимеризации составляющих ее промежуточных филаментов, а ядерная мембрана распадается на мелкие фрагменты и становится невидимой; ядерные поры растворяются в цитоплазме и распадаются на субъединицы (рис.).

Р ис. 12. Изменение состояния ядерной оболочки в процессе интерфазы и профазы митоза: 1 –ядерная мембрана, 2 – ядрышко, 3 – хроматин, 4 - центриоль ( Из: Зацепин и др., 1976)

IV. ЭПС и аппарат Гольджи распадаются на везикулы.

V. Центриоли клеточного центра расходятся к полюсам и начина - ют участвовать в формировании веретена деления. Веретено деления образуется из микротрубочек: центром образование становятся центриоли. Микротрубочки веретена деления прикрепляются к центромерам хромосом в области кинетохора (рис.). В дальнейшем кинетохоры сами становятся центрами организации микротрубочек. Центриоли с астросферами, состоящими из астральным микротрубочек и веретена деления образуют митотический аппарат. Длительность профазы – от 2 до 270 м (рис.).