Лекция №3

Механизмы клеточного деления. Митотический цикл и его регуляция. Митоз. Мейоз.

Как постулирует клеточная теория, увеличение числа клеток происходит исключительно за счет деления исходной клетки, предварительно удвоившей свой генетический материал. Это – главное событие в жизни клетки как таковой, а именно завершение воспроизведения себе подобного. Деление клетки процесс неслучайный, строго генетически детерминированный.

Как известно, клеточные деления бывают двух типов: митоз (кариокинез, непрямое деление) и мейоз. Мейоз используется лишь в одном случае: так происходит последнее деление предшественников половых клеток. Остальные деления осуществляются путем митоза (все предыдущие деления предшественников половых клеток, а также все деления соматических клеток). Прямое деление клеток, или амитоз, достоверно описано только при делении полиплоидных макронуклеусов инфузорий.

По способности к делению все клетки взрослого организма подразделяются на 3 типа:

1. Митотические, т.е. постоянно делящиеся клетки (клетки базального слоя эпителия, гемопоэтические клетки начальных стадий созревания, сперматогонии и др.

2. Условно постмитотические клетки. Это неделящиеся клетки, сохранившие способность к делению при действии определенных стимулов. Чаще всего деления возобновляются при регенерации соответствующего органа или ткани (клетки печени, стволовые клетки костных, скелетных мышечных и др. тканей.

3. Постмитотические клетки – неделящиеся клетки, окончательно утратившие способность делиться (клетки всех слоев эпидермиса, кроме базального; нервные клетки; клетки сердечной мышцы; волокна скелетных мышц).

Период жизни клетки от одного деления до другого называется митотическим (клеточным) циклом.

Жизненный цикл митотически делящейся клетки состоит из четырех стадий:

S-период (синтетический): В ядре происходит репликация (удвоение) ДНК и хромосомных белков. Содержание ДНК в ядрах соматических клеток (клеток тела) в 2 раза больше чем в ядрах зрелых половых клеток. Соматические и половые клетки отличаются и по количеству хромосом. Соматические обозначаются как 2n2c, половые - nc. В синтетический период количество ДНК постепенно возрастает от 2с до 4с. Число хромосом не изменяется (2n), но каждая содержит 2 сестринские хроматиды. В цитоплазме происходит удвоение центриолей.

G2-период (постсинтетический, или премитотический). Не очень продолжительный, включат синтез ряда веществ, необходимых для прохождения митоза. В частности, в это время синтезируется белок микротрубочек тубулин, необходимый для формирования веретена деления. Содержание ДНК в этот период – 4с.

Митоз. Включает 4 фазы: профазу, метафазу, анафазу и телофазу. Происходит деление, приводящее к образованию двух диплоидных клеток (2n2c).

G1-период (пресинтетический, или постмитотический). В этот период восстанавливается содержание цитоплазматических белков и, как следствие, происходит рост клетки (до размера материнской). Кроме того, происходит синтез белков, необходимых для репликации. Содержание ДНК в клетке – 2n. Именно в этот период принимается решение о вступлении клетки в очередной клеточный цикл или о прекращении делений.

Стадии G1, S, G2 вместе составляют интерфазу.

Во время митотического цикла смена стадий происходит строго упорядочено.

Делящиеся клетки могут продолжать делиться или временно прекратить деления, выйти из цикла. О таких клетках говорят, что они вступили в G0-период. Кроме того, в зависимости от ряда обстоятельств, клетка может вступить в процесс дифференцировки, включить механизм самоуничтожения (апоптоз), либо подвергнуться бласттарсформации, т.е. превратиться в опухолевую клетку.

Митоз.

Митоз – (от греч. Mitos – нить), непрямое деление, основной способ деления эукариотических клеток. Биологический смысл митоза заключается в строго одинаковом распределении редуплицированных хромосом между дочерними клетками, что обеспечиваетобразование генетически равноценных клеток и сохранении преемственности в ряду поколений.

У клеток, вступивших в цикл деления, фаза собственно митоза, непрямого деления, занимает относительно короткое время, около 0,1 времени клеточного цикла.

Митоз состоит из четырех основных фаз: профаза, метафаза, анафаза, телофаза. Митоз представляет собой непрерывный процесс, поэтому границы между фазами установить достаточно трудно.

Профаза. В нее входят клетки из G2-периода интерфазы, они после репликации в S-периоде содержат удвоенное количество ДНК (4с) по сравнению с исходной клеткой в G1-периоде, соответствующее таковому у тетраплоидной клетки.

В начале профазы в ядре начинают выявляться тонкие нити – профазные хромосомы. Это результат процесса конденсации хромосом, который совпадает с падением их транскрипционной активности. По мере прохождения профазы хромосомы укорачиваются и утолщаются. Число хромосом соответствует диплоидному количеству, но по содержанию ДНК ядра профазных клеток тетраплоидны. Каждая профазная хромосома состоит из двух взаимноспирализованных хроматид. Сестринские хроматиды связаны друг с другом с помощью белков когезинов. Таким образом, число хроматид (4n) в профазе точно соответствует количеству ДНК (4с).

Как следствие конденсации синтез РНК на хромосомах полностью прекращается. Из-за инактивации хромосомных генов исчезают ядрышки и постепенно разрушается ядерная оболочка. С внутренней поверхностью внутренней мембраны ядра связана тонкая пластинка (ядерная ламина) белковой природы. Эта пластинка образована промежуточными филаментами. Ядерная ламина разрушается путем деполимеризации промежуточных филаментов, а сама ядерная мембрана распадается на мелкие пузырьки.

Аналогичный процесс происходит в цитоплазме: происходит уменьшение количества гранулярного эндоплазматического ретикулума, он распадается на короткие цистерны и вакуоли, количество рибосом на его мембранах резко падает. Значительно редуцируется число полисом как на мембранах, так и в гиалоплазме, что определяет общее падение синтеза белка в делящихся клетках. Аппарат Гольджи также распадается на мелкие пузырьки.

В профазе также происходит образование веретена деления. Веретено деления образуется с участием центриолей и без них. Без центриолей веретено деления образуется у клеток высших растений и некоторых простейших. У некоторых других простейших и низших грибов образование веретена может проходить внутри ядра; в этом случае ядерная оболочка во время митоза не разрушается (закрытый митоз). В животных клетках главная роль в образовании веретена деления отводится центриолям. Центриоли расходятся к противоположным концам клетки и формируют полюса веретена деления. От центриолей к центромерным участкам хромосом отходят микротрубочки веретена деления.

Метафаза часто занимает около трети времени всего митоза. Во время метафазы путем полимеризации белка тубулина завершается формирование веретена деления, а максимально спирализованные хромосомы выстраиваются в экваториальной плоскости клетки, и образуют так называемую метафазную пластинку (материнскую звезду). В состав веретена деления входят микротрубочки трех типов: кинетохорные (связывают каждую хроматиду с одной из центриолей. Кинетохор – специальный белковый комплекс в области центромеры), полярные (идут от одной из диплосом к центру веретена, где перекрываются с микротрубочками от другого полюса), астральные (направлены от центромеры к поверхности клетки).

Постепенно в хромосомах разрушаются когезиновые комплексы между сестринскими хроматидами. К концу метафазы завершается процесс обособления друг от друга сестринских хроматид. Их плечи лежат параллельно друг другу, и соединяются только в зоне центромер.

Анафаза начинается внезапно. Это самая короткая стадия митоза. Хромосомы теряют центромерные связки и синхронно начинают удаляться друг от друга по направлению к противоположным полюсам клетки. При этом они ориентированы центромерными участками к соответствующему полюсу, а теломерными – к экватору клетки. Движение хромосом осуществляется за счет сокращения микротрубочек. Происходит укорочение (разборка) кинетохорных микротрубочек и удлинение полярных микротрубочек (что ведет к расхождению самих полюсов). Кроме того, в процессе участвуют белки-транслокаторы. Они перемещают хромосомы вдоль кинетохорных микротрубочек и перемещают полярные микротрубочки в стороны друг от друга.

Телофаза начинается с остановки хромосом и кончается началом реконструкции нового интерфазного ядра и разделением исходной клетки на две дочерние (цитокинез).

С хромосомами ассоциируют пузырьки, образовавшиеся в профазе из разрушенных ядерных мембран. В их стенки вновь встраиваются комплексы ядерных пор. Через поры в пузырьки проникают белки, формирующие промежуточные филаменты, которые в свою очередь, образуют ядерную ламину. Благодаря этому пузырьки сливаются. Вначале они образуют двойную оболочку вокруг каждой хромосомы. Получаются мини-ядра (кариомеры). Позднее сливаются сами кариомеры, связанные с одной диплосомой. Хромосомы постепенно деконденсируются, и начинают формироваться ядрышки.

В телофазе происходит разрушение митотического веретена деления.

Цитокинез (цитотомия) у растительной клетки происходит путем внутриклеточного образования клеточной перегородки, а у клеток животных – путем перетяжки, впячивания плазматической мембраны внутрь клетки. Для разделения клетки по экватору формируется актомиозиновое кольцо, которое постепенно сжимается, стягивая за собой плазмолемму и образуя перетяжку все уменьшающегося диаметра.