Митоз. Учебное пособие

Кемеровская государственная медицинская академия

Богданов В.Р.

МИТОЗ

Кемерово – 2001

2

МИНИСТЕРСТВО ЗДРАВООХРАНЕНИЯ РФ КЕМЕРОВСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ МЕДИЦИНСКАЯ АКАДЕМИЯ

Богданов В.Р.

МИТОЗ

Кемерово – 2001

Богданов В. Р. Митоз. Учебное пособие. Кемерово: КГМА, 2001. – 44 с.

В учебном пособии представлены современные взгляды на характер протекания митоза. Подробно рассмотрены морфофизиологические аспекты фаз митоза. Описание каждой фазы дополнительно произведено в виде формулы - краткой записи с помощью условных обозначений. Даны новые представления о роли митоза в организме, рассмотрен вопрос о митотическом кроссинговере. Пособие содержит сведения об открытии, начальном этапе изучения митоза, его связи с развитием генетики. Оно снабжено словарём использованных терминов. В приложении даны гистограммы и графики изменения ядерных характеристик в жизненном цикле клетки; схема последовательных изменений ядерного материала в митозе растительной клетки. Учебное пособие предназначено для студентов медицинских вузов, биологических факультетов университетов и других вузов, преподавателей вузов и школ. Оно будет полезно всем интересующимся проблемой клеточного деления.

Автор:

Богданов Вячеслав Романович, доктор биологических наук, профессор кафедры общей биологии с основами генетики и паразитологии Кемеровской государственной медицинской академии

Рецензенты:

Михеев Анатолий Георгиевич, доктор медицинских наук, профессор, заведующий кафедрой гистологии Кемеровской государственной медицинской академии Лурье Семён Борисович, доктор биологических наук, профессор кафедры

физиологии человека и животных Кемеровского государственного университета, член-корреспондент АН ВШ

Рекомендовано к печати Центральным методическим советом КГМА

30мая 2001 г.

Кемеровская государственная медицинская академия, 2001

Богданов В.Р., 2001

2

Содержание

3

"Посмотреть в микроскоп может каждый, но лишь немногие могут судить о виденном"

Феличе Фонтана (1720-1805)

ОТКРЫТИЕ МИТОЗА

Начиная с середины XIX века, многие исследователи отмечали, что во время деления клетки её ядро исчезает, а в последующем появляется вновь. Одним из первых это обнаружил Н.А.Варнек, изучавший в 1850 г. развитие прудовика и слизня. В живых (!) яйцеклетках этих животных после их оплодотворения он отметил исчезновение ядерной оболочки и преобразование ядра в светлое поле, которое впоследствии разделялось на две половины. Варнек не мог правильно истолковать полученные факты, его работа появилась слишком рано. Для обозначения этого феномена – исчезновения ядра, стали использовать термин – "кариолизис" (растворение ядра). Некоторые исследователи отмечали наряду с кариолизисом в протоплазме клеток какие-то сияния. Одним из первых, кто отметил исчезновение ядра, также был В.Гофмейстер, который в 1867 г. свидетельствовал о полном морфологическом уничтожении материнского ядра и его последующего появления в форме дочерних ядер во время деления клетки. Следует отметить, что к этому моменту в биологии уже твёрдо установилось представление о непрерывном развитии клеток путём деления. Этому способствовали работы таких авторитетных исследователей как Гуго Моль (1805-1872), Роберт Ремак (1815-1865), Рудольф Вирхов (1821-1902) и другие. Ремак, например, полагал, что делению клетки предшествует разделение ядрышка, а затем и ядра. Его схема деления клетки очень напоминала схему амитотического деления клетки.

Считается, что впервые описал митоз зоолог Антон Шнейдер из Гессена в 1873 г. Описывая дробление яиц у равноресничного червя и двуустки (плоских червей), он представил процесс, который в последующем был назван кариокинезом. Он использовал термин "экваториальная плоскость" и видел митозы не только при дроблении, но и на других стадиях развития. Исследователь не придал особого значения своему открытию, полагая, что отмеченные им особенности присущи только плоским червям. Это обстоятельство в немалой мере способствовало тому, что открытие Шнейдера прошло незамеченным. Второе по времени описание кариокинеза в животных клетках принадлежит Отто Бючли (1848-1920), выдающемуся немецкому зоологу. В 1874 г. он опубликовал статью, посвящённую первым стадиям развития яиц круглых червей и улиток, где он описал, не приводя рисунков, образование веретенообразного тела, состоящего из тонких нитей (митотическое веретено). Посредине этого образования он обнаружил ряд "зёрнышек" (хромосомы) и отметил, что "зернышки" делились

4

одновременно, что приводило к образованию дочерних групп "зёрнышек", смещающихся к полюсам, после чего и само тело клетки делилось. В 1875 г. Бючли описал аналогичное явление у конъюгирующих инфузорий. Больше к проблеме деления клетки Бючли не возвращался, уйдя в более увлекательную для зоолога область – протистологию. Таким образом, Антону Шнейдеру и Отто Бючли впервые удалось увидеть кариокинез (митоз) в животных клетках.

Первое описание кариокинеза в растительных клетках было сделано Иваном Дорофеевичем Чистяковым (1843-1877). В 1874 г. в своей статье "Материалы к истории растительной клетки", опубликованной в итальянском ботаническом журнале, он описал кариокинетическое деление, используя живые объекты – споры плауна и хвоща. На рисунках, приложенных к статье, отчётливо видны материнская и дочерние звёзды (названия, данные позже другими исследователями) и показано, как дочерние клетки образуются из материнской.

Первое исследование, положившее начало современному пониманию митотического деления клетки, принадлежит немецкому ботанику Эдуарду Страсбургеру (1844-1912). Занимаясь изучением процесса оплодотворения хвойных растений с помощью микроскопических (цитологических) методов, Страсбургер в 1874 г. совершенно неожиданно для себя обнаружил процесс, в последствии названный кариокинезом, в семяпочках ели. Вот как сам Срасбургер описывает обстоятельства, приведшие его к открытию кариокинеза (митоза). "…я начал делать срезы через уплотнённые семяпочки ели, чтобы исследовать точнее, чем я это сделал в 1869 г., процесс оплодотворения. Я надеялся получить целую серию развития … и тотчас же бросал снятые чешуйки в абсолютный алкоголь... Некоторые яйца не были ещё оплодотворены, и ядра их лежали посередине; в других же яйцах на этом месте не было ядра, а вместо него на нижнем конце яйца можно было видеть четыре ядра, происшедшие путём деления и лежащие друг подле друга. К моему удивлению, я увидел в некоторых яйцах вместо этих четырёх ядер веретенообразные тела. Они состояли из продольных волокон, сходившихся на концах. В средних частях некоторых волокон имелись вздутия. Окружающая ядра протоплазма образовала на концах веретен радиальную исчерченность. Эти картины напоминали собой фигуры, которые получаются, если посыпать железные опилки на бумагу, положенную на магнит. Мне казалось, что перед моими глазами магнитные кривые линии. Мой друг Эрнст Аббе, подошедший как раз в это время ко мне, нашёл это сходство поразительным, но тотчас же предостерёг меня от сравнений. Рассматривая тогда в тот день в первый раз фигуры деления ядра, я и не подозревал, что в будущем на изучение их уйдёт большая часть моей рабочей силы" (цит. по Э.Страсбургер "Реальные основы наследственности". Пер. с нем. Изд. "Образование", 1912. С.5-7). В 1875 г. Страсбургер опубликовал работу "О клеткообразовании и клеточном делении", где дана более полная и

5

подробная характеристика непрямого деления. Он указывает, что в описываемом им процессе в действительности материнское ядро не исчезает, а подвергается сложной перестройке, завершающейся образованием дочерних клеток.

Своими исследованиями Страсбургер привлёк внимание к ядерным преобразованиям, происходящим при делении клетки. Появился ряд работ, показывающих, что подобный вид деления широко распространён не только в половых и эмбриональных, но и в соматических клетках. Ассистент кафедры гистологии Варшавского университета В. Майзель полнее и точнее, чем кто-либо до него, описал стадии непрямого деления клетки эпителия. К этому моменту уже широко начали использовать разнообразные гистологические красители, которые позволяли выявить ядерную структуру. П. И. Перемежко, киевский гистолог, в 1879 г. описал кариокинез в клетках личинок тритона, но он не установил точной последовательности фаз. В 1879 г., в том же номере журнала, что и у П.И. Перемежко вышла статья Вальтера Флемминга (1843-1905), содержавшая первую часть его исследований по делению клетки. Флемминг вполне точно установил всю последовательность процесса и выделил в нём девять фаз, здесь же описав очерёдность превращения хроматина в нити (хромосомы), их продольное расщепление и дальнейшее поведение. Он подробно выясняет изменения в структуре ядра, превращения хроматина и ахроматиновой сети, впервые обращает внимание на роль центриолей. Статья снабжена прекрасными иллюстрациями. В 1880 г. Флеминг показал, что во время митоза, когда хромосомы делятся путём продольного расщепления, каждая половина переходит в одну из дочерних клеток. Он же в 1882 г. пришёл к выводу о постоянстве числа хромосом в клетках данного вида. В 1882 г. появилась книга Флемминга, ставшая классическим гистологическим исследованием, под общим названием "Клеточная субстанция, ядро и клеточное деление". Флемминг создал ту общую картину клеточного деления, которая лежит в основе наших современных представлений. Он ввёл понятия о прямом и непрямом делении клеток, а также же предложил и общеупотребительные названия для этих способов деления: амитоз и митоз. Им также предложен термин "хроматин". С разрешения швейцарского гистолога Шлейхера, использовавшего термин "кариокинез" в своём исследовании (1879) для обозначения превращений в ядре до образования стадии экваториальной пластинки, Флемминг предложил называть всю совокупность прослеженных им процессов, т.е. непрямое деление ядра, митоз, кариокинезом. Сам Флеминг, несмотря на полноту и убедительность изложения вопроса о делении клетки, не дал настоящей теоретической трактовки митотического процесса. Он также не понимал смысла открытого им продольного расщепления хромосом. Исследование Флемминга сразу перевело все предшествующие ему исследования в разряд "представляющие исторический интерес".

6

Митоз и генетика. Исследование митоза повлияло на формирование хромосомной теории наследственности. В 1883 г. Вильгельм Ру разработал теорию митоза, дав биологическую трактовку процесса. Наблюдая поведение хромосом в мейозе, Ру пришёл к выводу об их участии в передаче наследственности. Эта идея была развита Вейсманом, опиравшимся на имевшиеся в то время данные о хромосомах. Его теория, опубликованная в 1887 г., лежит в основе хромосомной теории наследственности. В изложении Дарлингтона (1966) теория Вейсмана включала следующие положения. 1. Ядерное вещество контролирует формирование и функционирование всех клеток. При митозе оно делится пополам, давая эквивалентные продукты. 2. Перед оплодотворением яйцеклетки теряют половину своего вещества во втором редукционном тельце, и оно может быть возмещено только ядерным веществом спермы. 3. Половое размножение основано на слиянии двух ядер в каждом поколении. Так как число хромосом и количество ядерного вещества не могут удваиваться в каждом поколении без соответствующей компенсации, то количество ядерного вещества должно быть вдвое меньшим как в мужской, так и в женской половых клетках. Здесь Вейсман предсказал редукционное деление, которое тогда ещё не было известно. 4. Между ядерным веществом яйцеклеток и спермы нет существенных генетических различий. 5. Половое размножение – способ сохранения и закрепления индивидуальной изменчивости, благодаря которой поставляется материал для естественного отбора. Поражает прозорливость этого учёного, создавшего теорию, основанную на скудных цитологических данных XIX века и мало изменившуюся за последующие 120 лет. Уже в 1885 г. К. Рабль обнаружил постоянство числа хромосом в разных тканях одного и того же вида. Он же (1885) отметил сходство профазных хромосом с хромосомами материнской клетки и высказал предположение, что хромосомы не образуются заново при каждом клеточном делении, а сохраняются в так называемых покоящихся ядрах, переходя в хроматин – ядерную сеть. Эта гипотеза, вошедшая в науку под названием "гипотезы индивидуальности хромосом", была разработана Теодором Бовери (1862-1915), своими исследованиями заложившим базу для цитологической теории наследственности (закон индивидуальности хромосом). В 1902 г. Саттон и в 1904 г. Бовери первыми попытались дать цитологическое объяснение "переоткрытых" в 1900 г. законов Менделя. Они обратили внимание на то, что хромосомы ведут себя именно так, как это ожидалось от "частиц наследственности". По существу "из митоза" начала своё "шествие" генетическая цитология, впервые (1896) выраженная в капитальной сводке выдающегося американского биолога Эдмунда Вильсона (1856-1939) "Клетка в развитии и наследственности" (первый русский перевод 1-го издания в 1900 г.) Следует отметить, что о ядре как носителе наследственных свойств априорные суждения высказывал Эрнст Геккель ещё в 1866 г. Позже (1884) эта идея,

7

основанная на наблюдении слияния ядер гамет во время оплодотворения, была сформулирована Оскаром Гертвигом (1849-1922) и Страсбургером. Независимо от них она была, как уже указывалось, разработана Августом Вейсманом (1834-1914) в его учении о зародышевой и соматической плазме. А так как при митозе (кариокинезе) единственным производным исчезающего ядра является хромосома, то на ней и сосредоточилось внимание цитологов. Термин "хромосома" был введён в науку в 1888 [1883(?)]г. Вильгельмом Вальдейером (1836-1921).

Номенклатура фаз кариокинеза. Современная номенклатура фаз кариокинеза установилась на основании работ Эдуарда Страсбургера и Мартина Гейденгана. В 1884 г. Страсбургер предложил термины

"профаза", "метафаза", "анафаза", "гаплоидное" и "диплоидное" число хромосом, а Гейденгайн в 1894 г. ввёл термин "телофаза". Классическая форма митоза постепенно выкристаллизовалась благодаря исследованиям выдающихся учёных-биологов XIX века: Вальтера Флемминга, Карла Рабля (1853-1917), Германа Фоля (1845-1892), Эдуарда ван-Бенедена (1845-1910) и других. Э. ван-Бенеден предложил для изучения кариокинеза (митоза) удачный объект – яйца лошадиной аскариды, отличавшиеся крупной величиной, малым числом хромосом и наличием большого количества разнообразных стадий.

МИТОЗ

Функциональные периоды митоза. С функциональной точки зрения процесс митоза можно разграничить на три периода: 1. Период реорганизации, в течение которого из клеточных материалов, образованных в интерфазе строятся структурные элементы делительного процесса (хромосомы, ахроматиновый аппарат). Одновременно с этим идёт разрушение ряда клеточных структур, свойственных интерфазной, "покоящейся" клетке (ядрышка, ядерной оболочки и др.) 2. Период деления и движений. Он составляет основу митотического процесса и охватывает метафазу и анафазу. 3. Период реконструкции. На протяжении этого периода исчезают структуры, характерные для делящейся клетки и восстанавливается строение, типичное для покоящейся клетки. В это же время происходит цитокинез (деление цитоплазмы).

Морфологические фазы митоза. С морфологических позиций в митозе выделяют четыре основные фазы – профазу, метафазу, анафазу, телофазу. Границы между этими фазами установить очень трудно, так как митоз – процесс непрерывный и характеризуется постепенным (плавным) переходом одного явления в другое. Единственная фаза, имеющая относительно чёткое начало, это анафаза – начало движения хромосом к полюсам. Длительность фаз различна; наиболее короткой является анафаза

(Табл. 1).

8