Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Общая биология. Материалы к изучению курса
.pdf
Общая биология
каждая хромосома, изменив свою интерфазную конформацию,
переходит в конденсированную форму, образуя длинное, тонкое волокно с белковой осевой нитью. Каждая хромосома
обоими концами прикреплена к ядерной мембране с помощью
специализированной структуры, называемой прикрепительным диском. Хотя каждая хромосома уже реплицировалась и
состоит из двух сестринских хроматид, эти хроматиды очень
тесно сближены
и поэтому каждая хромосома кажется одиночной (отдельные хроматиды неразличимы вплоть до поздней профазы — до стадий диплотены или диакинеза).
В зиготене происходит спаривание хромосом. Моментом
перехода лептотены в зиготену считают начало синапсиса —
тесной конъюгации двух гомологов. Перед конъюгацией хромосом белковые нити отделены друг от друга, затем они
сближаются,
и когда в одном или нескольких местах инициации синапсиса между хромосомами установится надлежащее
расстояние, начинает формироваться синаптонемальный ком-
плекс (часто с конца хромосомы). Хромосомам для спаривания
нередко приходится преодолевать огромные расстояния внутри ядра, однако механизм этого движения неизвестен. Конъюгация часто начинается с того, что гомологичные концы двух
хромосом
сближаются на ядерной мембране, а затем процесс
соединения гомологов распространяется вдоль хромосом от
обоих концов. В других случаях синапсис может начинаться
во внутренних участках хромосом и продолжаться по направлению к их концам с тем же конечным результатом. Каждый
ген приходит в соприкосновение с гомологичным ему геном
другой хромосомы. Когда
гомологи конъюгируют, их белковые нити сближаются, образуя два боковых элемента длинного образования, напоминающего лестницу и называемого синаптонемальным комплексом. Каждую пару хромосом, образовавшуюся в I профазе мейоза, обычно называют бивалентом, или тетрадой.
В пахитене спаривание гомологов завершено. Хромосомы
выглядят более толстыми, чем в лептотене и зиготене. Как
только завершается синапсис по всей длине хромосом, клетки
80
6. Размножение и гибель клеток
вступают в стадию пахитены, на которой они могут оставаться
несколько суток. На этой стадии в продольной щели синаптонемального комплекса появляются крупные рекомбинационные узелки, которым приписывают важную роль в обмене
участками между хромосомами. Такие обмены приводят к перекрестам между двумя несестринскими хроматидами: в обменах участвуют по одной хроматиде
из двух спаренных хромосом. В пахитене перекресты еще не видны, но позднее все
они проявляются в виде хиазм. Синапсис завершается, когда
синаптонемальные комплексы связывают попарно все гомологичные аутосомы. X- и Y-хромосомы конъюгируют не полностью. Происходит кроссинговер между хроматидами. У человека в паре гомологичных хромосом кроссинговер происходит
в
среднем в двух-трех точках. При кроссинговере происходит
разрыв двойной спирали ДНК в одной материнской и одной
отцовской хроматиде, а затем получившиеся отрезки воссоединяются «наперекрест» (процесс генетической рекомбинации). Рекомбинация происходит в профазе первого деления
мейоза, когда две сестринские хроматиды так тесно сближены
друг с другом, что их невозможно увидеть
в отдельности. Гораздо позже в этой растянутой профазе становятся ясно различимы две отдельные хроматиды каждой хромосомы. В это
время видно, что они связаны своими центромерами и тесно
сближены по всей длине. Два гомолога остаются связанными в
тех точках, в которых произошел кроссинговер между отцовской и материнской хроматидами.
В каждой такой точке, которую называют хиазмой, две из четырех хроматид перекрещиваются.
На этой стадии мейоза гомологи в каждой паре (или биваленте) остаются связанными друг с другом по меньшей мере
одной хиазмой. Во многих бивалентах бывает большее число
хиазм, так как возможны множественные перекресты между
гомологами. В диплотене
происходит расхождение хромосом.
Гомологичные хромосомы начинают отталкиваться и остаются связанными только в местах хиазм. Синаптонемальный
комплекс распадается, что позволяет двум гомологичным
хромосомам бивалента несколько отодвинуться друг от друга.
81
Общая биология
Однако они все еще связаны одной или несколькими хиазма-
е. местами, где произошел кроссинговер. В ооцитах
ми, т.
(развивающихся яйцеклетках) диплотена может растянуться
на месяцы или годы, так как именно на этой стадии хромосомы конденсируются и синтезируют РНК, обеспечивая яйцеклетку резервными веществами. В особых случаях диплотенные хромосомы становятся исключительно активными в отношении синтеза РНК, такие хромосомы типа
ламповых щеток находят у амфибий и некоторых других организмов. Перед
разрушением белковые нити отделяются друг от друга, и синапсис исчезает.
Диплотена незаметно переходит в диакинез (стадию,
предшествующую метафазе), когда прекращается синтез РНК
и хромосомы конденсируются, утолщаются и отделяются от
ядерной мембраны. На этой стадии ясно видно, что каждый
бивалент содержит четыре отдельные хроматиды, причем каждая пара сестринских хроматид соединена центромерой, тогда как несестринские хроматиды, претерпевшие кроссинговер, связаны хиазмами.
После окончания первого деления мейоза в двух дочерних
клетках вновь образуются мембраны. Начинается короткая
интерфаза. В это время хромосомы несколько деспирализуются, однако вскоре они опять конденсируются и
начинается
профаза II. Поскольку в этот период синтеза ДНК не происходит, создается впечатление, что у некоторых организмов хромосомы переходят непосредственно от одного деления к другому. Профаза II у всех организмов короткая: ядерная оболочка разрушается, когда формируется новое веретено, после чего, быстро сменяя друг друга, следуют метафаза II, анафаза
II
и телофаза II. Так же, как и при митозе, у сестринских хроматид образуются кинетохорные нити, отходящие от центромеры в противоположных направлениях. В метафазной пластинке две сестринские хроматиды удерживаются вместе до анафазы, когда они разделяются благодаря внезапному расхождению их кинетохоров. Таким образом, второе деление мейоза
сходно с
обычным митозом, единственное существенное раз-
82
6. Размножение и гибель клеток
личие состоит в том, что здесь имеется по одной копии каждой хромосомы, а не по две, как в митозе. Мейоз заканчивается формированием ядерных оболочек вокруг четырех гаплоидных ядер, образовавшихся в телофазе II.
Биологическое значение мейоза
В половом процессе, когда сливаются две половые клетки,
и прежде всего их ядра
, число хромосом удваивается, так как
хромосомы не сливаются друг с другом. При этом оплодотворенная яйцеклетка содержит диплоидный набор хромосом,
одна половина которого пришла от женской половой клетки,
другая — от мужской; каждая хромосома имеет своего двойника (гомологичные хромосомы). Поскольку половой процесс
повторяется из поколения в поколение, число хромосом должно было бы удваиваться до бесконечности. Однако этого не
происходит, потому что у живых существ имеется особый механизм, посредством которого диплоидный набор хромосом,
образовавшийся в результате полового процесса, уменьшается
до гаплоидного набора. Этот механизм — процесс мейоза. В
результате мейоза из одной диплоидной материнской клетки
образуется четыре гаплоидные дочерние клетки,
которые дают
начало женским или мужским половым клеткам. Биологическое значение мейоза заключается в сохранении хромосомного набора вида из поколения в поколение при половом размножении. Благодаря случайному распределению гомологичных хромосом и обмену их отдельных участков в профазе редукционного деления мейоза возникающие гаплоидные половые клетки содержат различные
сочетания хромосом. Это
обеспечивает разнообразие хромосомных наборов и, таким
образом, дает материал для естественного отбора.
Регуляция пролиферации
однотипных и различных клеток
Пролиферация — это процесс увеличения числа клеток пу-
тем митоза, приводящий к росту ткани. Теоретическое моде-
83
Общая биология
лирование закономерностей процессов саморегуляции клеточного роста в организме подтверждает необходимость существования специализированных клеточных популяций, выполняющих функцию межклеточной регуляции роста разнотипных соматических тканей. Анализ экспериментальных данных
иммунологии и клеточной биологии показывает, что такая
система может быть представлена специализированными Тлимфоидными клетками. Снижение функции таких регуляторных клеток с
возрастом может становиться центральным механизмом старения самообновляющихся соматических тканей
организма и определять снижение с возрастом ростового потенциала тканей старого организма. Процессы самоорганизации и самообновления тканей требуют наличия специализированной клеточной системы регуляции роста тканей.
Высокоорганизованные многоклеточные организмы состоят из огромного числа делящихся клеток, составляющих различные
ткани и органы, которые растут и самообновляются
различными темпами. Таким образом, само существование
многоклеточных связано с надежными системами координации и взаимосогласования процессов клеточного деления и
тканевого роста, знание которых на настоящий момент нельзя
признать удовлетворительным. Для рассмотрения процессов
регуляции сложных развиваюшихся систем существует адекватный теоретический аппарат — это теории самоорганиза
ции, основанные на принципах синергетики и кибернетики.
Прежде всего, это работы И. Пригожина и М. Эйгена. Одним
из важнейших понятий в этой области в настоящее время является гиперцикл — он определяется как принцип естественной самоорганизации, обусловливающий интеграцию и согласованную эволюцию системы функционально связанных самореплицирующихся единиц. Основой теории
гиперцикла
служит доказательство неизбежности формирования в процессе эволюции функциональных регуляторных связей более высокого порядка между самореплицирующимися единицами —
системами более низкого порядка (например, между клетками
-
84
6. Размножение и гибель клеток
5
или клеточными популяциями), что и формирует новую единую надсистему более высокого уровня. Клеточный рост
можно представить формально как движение клеток из фазы
условного покоя (G) в фазу пролиферации (S) и затем — в результате роста и деления надвое — появление уже двух новых
G клеток: GS2G. В наиболее общем виде клеточное деление можно моделировать как рост числа клеток определенного
типа (например, G), что при отсутствии других влияний приводит только к бесконечному росту числа клеток по закону:
dG/dt = k G, где «k» — коэффициент (т.
е. изменение числа
клеток пропорционально их числу в каждый момент времени).
Так как бесконечный, неограниченно увеличивающийся
процесс клеточного роста очень быстро приведет к гибели реального многоклеточного организма, должен существовать
механизм ограничения числа клеток, зависящий от их числа,
что в общем виде известно как обратная отрицательная связь:
dG/dt = k1 G / (k2 G + C); (k1, k2 — коэффициенты,
C — по-
стоянная).
Именно такими рассуждениями были получены представления о кейлонной системе саморегуляции, работающей для
одной клеточной популяции.
Кейлоны — это тканево- и клеточно-специфичные гормоноподобные регуляторы пролиферации клеток, относящиеся к полипептидам или низкомолекулярным гликопротеидам.
Кейлоны действуют по принципу обратной связи, тормозя деление клеток и стимулируя их
дифференцировку. Рост клеточной популяции ограничивается кейлонами, а растущие клетки
подавляют процесс входа в фазу роста покоящихся клеток.
Дальнейшее рассмотрение, по существу, можно свести к
аналогичным процессам самоорганизации, но уже для нескольких различных клеточных популяций. В этом случае каждая популяция клеток, имеющая свою кейлонную систему,
рассматривается как отдельная элементарная
система, и уже
между ними будет идти процесс самоорганизации, который
принципиально подчиняется тем же законам (формулам). В
8
Общая биология
6
приведенной выше формуле число клеток dG будет пропорционально количеству клеток популяции, влияющей стимулирующе, и обратно пропорционально количеству клеток,
влияющих ингибирующе на данную клеточную популяцию.
Минимальное число клеточных популяций, составляющих
клеточный гиперцикл, таким образом, три: две стимулируют
друг друга, одна ингибирует рост всех остальных; кроме того,
следует учитывать спонтанную гибель клеток
каждой популяции. Из общих законов биологии ясны дальнейшие направления эволюции такого клеточного гиперцикла:
— увеличение числа клеточных популяций в составе ги-
перцикла;
— специализация каждой популяции клеток:
а) в направлении специальных функций (тканеобразование);
б) в направлении регуляции клеточного роста — выделение регуляторных клеток стимулирующих (h) и ингибирующих (i) популяций в
отдельную систему — это система клеточной регуляции пролиферации (КРП-система) и появление
специфических клеток-регуляторов, например, для клеток печени, почек и других регулируемых популяций;
в) выделение и усложнение регуляторных взаимовлияний
внутри самого клеточного гиперцикла — внутренние регуляторные связи.
На языке иммунологии с использованием теорий регуляторных сетей это можно представить
как положительную се-
лекцию специфических клонов, например лимфоцитов.
В конечном виде схема системы клеток регуляторов пролиферации (КРП) должна также учитывать появление в эволюции фазы глубокого покоя (Go) для клеток функциональных органов и тканей, так как выполнение функции приобретает для целостного организма важнейшее значение; в то же
время
для регуляторных клеток КРП-системы появление такой
фазы только осложнило бы их функцию.
Основной вопрос — какие же именно клетки у современных млекопитающих и человека являются главными в регуляции роста соматических клеток организма? В настоящее время
8
6. Размножение и гибель клеток
7
теоретические представления и экспериментальные данные
указывают на преимущественную роль в таких процессах Тлимфоцитов-регуляторов (хелперов и супрессоров). Действительно, при анализе требований, теоретически вытекающих из
вышеразобранных схем, можно увидеть, что необходимые
свойства, которыми должны обладать такие КРП, совпадают
со свойствами регуляторных популяций лимфоцитов (главным
образом Т-лимфоцитов). КРП должны: быть
подвижными (рециркулировать) в организме, иметь рецепторы к «своему» —
осуществлять распознавание «своего», обладать собственной
пролиферацией, ускоряющейся в ходе выполнения ими функций регуляции клеточного роста других тканей, регуляция
клетками КРП пролиферации должна иметь место для любых
типов клеток в организм. С другой стороны, есть факты, указывающие на то, что
именно лимфоцитам принадлежит главная роль в регуляции клеточного роста не только иммунных,
но и любых иных типов клеток в организме.
Главные экспериментальные факты из этой области:
— лимфоциты способны переносить регенерационную
информацию; лимфоциты от животных с регенерацией тканей
любого типа были способны индуцировать митозы и рост клеток соответствующего типа
при сингенном переносе интакт-
ным животным;
— известна регуляция Т-лимфоцитами пролиферации
фибробластов;
— было показано, что симптомы разрастания костной ткани коррегируются переносом лимфоцитов от здоровых животных;
— было показано, что общую задержку роста (карликовость) мышей можно ликвидировать переносом лимфоцитов
от здоровых животных, а на Т-лимфоцитах есть рецепторы
к
соматотропному гормону, и число их выше в период роста
животных.
Известен парадокс «Nude» мышей, противоречащий теории опухолевого надзора (опухолевый надзор выдвигался как
главный эволюционный фактор становления лимфоидной сис-
8
Общая биология
темы): у бестимусных мышей частота спонтанных и индуцированных опухолей не повышена, а снижена; более того, повышение частоты опухолей у них восстанавливается при переносе лимфоцитов от обычных мышей; у этих же животных
снижение регенерации и самообновления тканей (дистрофический синдром) не может быть объяснен только снижением
иммунитета и бактериальной
инфекцией; у этих же мышей со
временем Т-лимфоциты все равно появляются, то есть роль
тимуса играют обычные ткани, также стимулирующие пролиферацию и созревание Т-клеток.
Известны факты стимулирования и ингибирования лимфоцитами роста опухолей, не сводящиеся к типичным чисто иммунным феноменам. При старении снижению клеточного самообновления (
физиологической регенерации) предшествует
дегенерация тимуса — источника Т-лимфоцитов. Система Тклеток-регуляторов гораздо более сложная, чем система Т- и
В-эффекторов иммунитета, причем Т-клетки иммунной системы распознают чужеродный антиген («чужое») в комплексе со
«своим» — антигенами главного комплекса гистосовместимости. Можно сделать некоторые очевидные выводы.
1. На межклеточном уровне должна
существовать специ-
альная система регуляции роста соматических тканей, которая
появилась, сложилась и усложнилась в процессе эволюции
очень рано.
2. Элементами такой системы являются КРП — некоторые
популяции Т-лимфоцитов (для современных млекопитающих).
3. Элементарные свойства клеток такой системы можно
видеть и в иных типах клеток, что позволяет проследить становление такой системы
в эволюции на примере прежде всего
макрофагов и больших гранулярных лимфоцитов.
4. Через данную систему осуществляются многие регуляторные влияния более высокого иерархического системного
уровня (например, гормонального и еще более иерархически
высокого — нервного).
5. Функционирование такой системы четко описывается.
6. Необходимость регуляции клеточного роста в сложном
организме стала эволюционной причиной формирования
88
6. Размножение и гибель клеток
сложной Т-лимфоидной системы, которая в иммунологии выступает как регуляторная система только для иммуноцитов.
7. КРП можно выделять, изучать, влиять на их активность,
получать регуляторные специфические и неспецифические
факторы и через них оказывать влияние на различные физиологические и патологические процессы.
8. КРП-система — особая, отдельная от иммунной система
организма, решающая
задачи более общего и важного плана,
чем собственно иммунная, а иммунная система может быть
сведена к специализировавшейся части КРП-системы.
Таким образом, можно сделать следующие обобщающие
выводы.
1. Существование многоклеточных организмов обеспечивается надежными регуляторными системами координации и
взаимосогласования процессов клеточного деления и тканевого роста.
2. Важнейшим уровнем такой регуляции
является система
межклеточной регуляции клеточного роста разнотипных соматических тканей.
3. Теоретическое моделирование закономерностей самостановления и саморегуляции такой системы подтверждает
необходимость существования специализированных клеточных популяций, выполняющих функцию межклеточной регуляции роста соматических тканей.
4. Рассмотрение экспериментальных данных иммунологии
и клеточной биологии показывает, что такая система может
быть представлена специализированными Т
-клетками и стимулирующими и ингибирующими популяциями, реагирующими в сингенной смешанной культуре лимфоцитов на собственные растущие клетки организма.
5. Снижение функции таких Т-регулирующих клеток с
возрастом может выступать центральным механизмом старения самообновляющихся соматических тканей организма и
определять снижение с возрастом ростового потенциала тканей старого организма.
89
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]