Размножение делением

Внутри клетки

Цикл статей Национального Института Медицинских Наук (NIGMS)

Часть 4. Клеточное воспроизводство: размножение делением

© сайт авторский перевод

И ты, и все мы начинали с одной клетки. Эта клетка не могла двигаться и думать, не могла видеть другие клетки и рассказывать им смешные истории. Эта клетка могла сделать только одно - разделиться. Была одна - стало две, потом четыре, восемь - и так далее, пока не стала удивительным человеком, вроде тебя. Представь себе – теперь вы можешь смеяться над шутками, стоять на голове и есть мороженое, слушать симфонии и заниматься разными интересными вещами.

В этой статье ты узнаешь, как делятся клетки. Эта тема чрезвычайно заинтересовала ученых, когда они 100 лет назад наблюдали деление клетки под микроскопом, и что важно – они смогли разобраться в этом процессе. Ведь ты можешь понять правила игры в футбол или в шахматы, если несколько раз будешь смотреть, как играют другие. Учёные сделали это так же – внимательно наблюдали за тем, как делятся клетки.

Но тебе даже не понадобится микроскоп, чтобы увидеть все это. Подключив к нему фотокамеру, ученые сделали детальные фотографии, и некоторые из которых ты увидишь в этой статье.

Два способа деления

Есть два способа деления клеток: митоз и мейоз.

Митоз по своей сути – это точное дублирование: в результате митоза, появляются две абсолютно одинаковые по генетическому составу клетки: одинаковые и друг-другу, и клетке-родительнице. Ты вырос из одной зародышевой клетки, чтобы стать человеком - для этого ты воспользовался митозом. Даже сейчас, когда ты уже вырос, способом митоза старые клетки заменяются новыми, например – при обновлении кожи. Митоз непрерывно происходит во всех частях твоего тела, чтобы оно оставалось в хорошем состоянии.

Мейоз - это совсем другое. Мейоз изменяет гены и создает клетки, которые отличаются и друг от друга, и от клетки-родительницы. Митоз может произойти почти с любой клеткой. Но только некоторые специальные клетки могут делиться по способу мейоза - это яйцеклетки у женщин и сперматозоиды у мужчин. Митоз – для роста и поддержания. Мейоз – для полового размножения.

Клетка-велосипедист (клеточный цикл)

Обычно, жизненный цикл животных клеток составляет около 24 часов, но в зависимости от типа клетки, он может длиться от 8 часов до больше чем 1 года. Больше всего клетка меняется в фазе G1.

До того, как подробнее рассмотреть процесс митоза, давайте отойдем немного назад, чтобы увидеть картину полностью.

На рисунке показан цикл жизни клетки растений-эукариотов или клеток животных. Цикл начинается, когда клетка появляется способом митоза и длится до тех пор, пока клетка тем же способом митоза не разделится на две новых клетки. Цикл состоит из отдельных этапов:

G 1 -фаза – период роста

S-фаза – этап синтеза

G 2 -фаза – второй этап роста

M-фаза – митоз

Как ты видишь, митоз составляет только небольшую часть жизненного цикла.

Остальное время между G 1 и G 2 – это интерфаза.

Сначала ученые считали, что между фазами G 1 и G 2 мало что происходит, но теперь они знают, что это далеко не так. Именно во время интерфазы – копируются хромосомы (генетический материал), и клетки увеличивают свой размер в 2 раза. И, несмотря на это, клетки продолжают делать свою работу. Клетки твоих сердечных мышц сокращаются и качают кровь, клетки твоего кишечника поглощают пищу, которую ты ешь, клетки щитовидной железы создают гормоны, и так далее. Но большинство этих действий прекращается, когда наступает период митоза. И ты наверно уже догадался, что не все клетки делятся одновременно. Когда одна клетка делится – ее соседи продолжают работать, чтобы все твое тело могло непрерывно действовать.

Контрольно-пропускные пункты: клеточные контролёры

На первый взгляд, все эти действия кажутся простыми и происходящими в полном порядке – одно за другим. Это похоже на то, как строят дом: стены не ставят раньше, чем будет готов фундамент. Так и в клетке – митоз не начнется раньше, чем произойдет копирование генетического материала. Иначе в двух новых клеток не получилось бы полного набора хромосом, и они, скорее всего, погибли бы. Поэтому в клеточном цикле, фазы должны следовать одна за другой, не нарушая строгого порядка.

Как клетка “узнает”, что одна фаза завершена, и пора переходить к следующей? Эта тайна заключается в том, что в клетке есть несколько молекулярных контролёров, которые занимают свои посты на всем протяжении клеточного цикла. Эти контролёры действуют также, как руководители строительства дома – они смотрят – если один шаг был завершен, то дают сигнал “ок”, чтобы переходить к следующему шагу. Если шаг не был завершен, то контролёры сигналят “стоп”, запрещая двигаться дальше по циклу. Существуют три основных пропускных пункта: один между G1 и S-фазой, один между G2 и митозом, и еще один во время митоза.

Понятие контрольно-пропускного пункта, впервые было введено Тедом Вейнертом из Университета Аризоны (Тусон) и Леландом Хартвеллом из онкологического научного центра Фреда Хатчинсона (Сиэтл, штат Вашингтон). Проведя эксперименты с дрожжевыми клетками, Вейнерт и Хартвелл обнаружили, что белок под названием Rad9, является частью контрольно-пропускного пункта. Цикл клетки с любым повреждением, будет остановлен на этом пропускном пункте, и все повреждения будут исправлены до того, как начнется митоз. Клетки, которые не имеют Rad9 – не замечают в себе поломок, и проходят через митоз с катастрофическими последствиями: новые клетки после митоза имеют повреждения ДНК, и неизменно умирают. После этих открытий, во многих видах клеток (включая клетки человека) были обнаружены специальные гены, которые контролируют клеточный цикл.

Хартвел выявил более 100 генов, которые помогают контролировать клеточный цикл, и в знак признания важности этих открытий, он получил Нобелевскую премию по физиологии и медицине в 2011 году.

Фазы митоза

Митоз: а ну делись!

Митоз является самым драматическим событием во всем клеточном цикле. Внезапно распадающаяся клеточная структура, построение новой структуры, и все это достигает наивысшей точки в момент разделения клетки на две новые. Представь себе, ты спокойно идешь куда-нибудь по своим делам, и вдруг чувствуешь, как кости внутри начинают перемещаться! И тебя буквально растаскивает попалам, и прежде, чем ты успеваешь понять, что происходит, рядом с тобой уже находится твоя абсолютная копия (и наверное, тоже не понимает, что случилось). Примерно это и происходит в клетке во время митоза.

Митоз состоит из шести фаз: профазы, прометафазы, метафазы, анафазы, телофазы и цитокинеза. Первые пять фаз – выполняют расщепление ядра и копирование генетической информации (удвоение хромосом). На заключительном этапе, вся клетка разделяется на две идентичные дочерние клетки.

Главная цель митоза – сделать так, чтобы каждая дочерняя клетка получила одну точную копию каждой хромосомы. Другие клеточные компоненты, такие как рибосомы и митохондрии – тоже делятся между двумя дочерними клетками, но их точное распределение не так важно.

Рак: процесс выходит из под контроля

Твое тело внимательно следит за тем, когда и какие клетки делятся (с помощью молекулярных “стоп” или “ок” сигналов). Например, при ранении – поврежденные клетки отправляют сигналы соседним клеткам, которые начинают быстрее расти и делиться, и уплотняются на месте раны. В другом случае, если клетка оказывается в среде, где недостаточно питательных веществ, она подает сигналы остановки роста. Но случается, когда подаются неверные сигналы – “ок” для роста (хотя требуется остановка), или сигнал “стоп” для остановки (хотя на самом деле, нужно расти). И то, и другое может привести к бесконтрольному делению клеток и раковым заболеваниям. Митоз в такой ситуации, приводит не к восстановлению, а к разрушению тела – делением момогает расти агрессивным опухолям.

К счастью, требуется больше, чем один неправильный “стоп” или “ок” сигнал, чтобы клетки стали злокачественными. Потому что наши тела хорошо умеют себя защищать. Требуется один-два мощных удара по здоровым клеткам, чтобы они повредились и заболели. Удары – это ошибки, или мутации в ДНК (повреждение генов) – и в результате происходит появление неисправного белка. Солнечный свет, рентгеновские лучи и другие излучения, и токсины (такие как сигаретный дым и другие загрязнения воздуха) и некоторые вирусы могут вызывать такие мутации. Люди могут получить мутацию в наследство от своих родителей, поэтому получается так, что в некоторых семьях раковая болезнь проявляется намного чаще, чем в других: первый удар произошел в момент зачатия, и следующие мутации могут с большой вероятностью, начать злокачественные опухоли.

Митоз сам по себе тоже может вызывать мутации, потому что митоз в точности копирует ранее сделанные ошибки (но к счастью, почти все эти ошибки исправляются нашими системами ремонта ДНК). Получается, что митоз, с одной стороны – позволяет нам расти до исправления повреждений; с другой – является источником опасных мутаций ДНК. Мы вернемся к теме связи между делением клеток и повреждением ДНК, когда будем говорить о старении в следующей статье.

Мейоз: пол, наследственность и выживание

Клетка всегда “говорит” – и секрет лишь в том, чтобы выучить её язык

Эндрю С. Байер, клеточный биолог

Почти все многоклеточные организмы размножаются половым путем – слиянием яйцеклетки и сперматозоида. Из них образуется новая клетка – зигота, и она тоже имеет полный набор из 23-х пар хромосом (как в почти любой клетке твоего тела).

Но как же такое может быть? Ведь если объединились яйцеклетка и сперматозоид, и у каждого из них были 23 пары хромосом, то их сложение приводит к 46 парам хромосом, и кажется, что клетка-зигота должна удвоить это количество и иметь 46 пар хромосом, а не 23 пары, как у всех. Но, задумайтесь – если эта клетка-зигота будет увеличена, то последующие поколения будут иметь еще больше хромосом в клетке. Только представь себе, сколько накопилось бы хромосом, за все человеческие поколения, если бы их количество постоянно удваивалось? Конечно же, этого не происходит. Даже самые первые биологи поняли, что должен быть способ сократить вдвое количество хромосом при объединении яйцеклетки и сперматозоида.

Чтобы решить эту задачу, природа разработала особый способ деления клеток – это мейоз. Когда идет подготовка к мейозу, хромосомы копируются один раз (как для митоза), но вместо одного деления клеток, происходит два. В результате получаются четыре клетки, в каждой из которых содержатся 23 одиночные хромосомы, а не 23 пары. То есть каждая из этих четырех клеток, получает только половину из набора хромосом родительской клетки.

Мейоз разделён на фазы также, как и митоз. Но, хотя фазы и называются одинаково, между ними есть разница, особенно на первых стадиях. Клекти делятся два раза, на схеме каждый этап отмечается “I” или “II”, указывая на первое и второе деление.

Секреты веретена

Если представить, что митоз – это танцевальный концерт, то хромосомы – это звезды танцпола. Но роли у хромосом-звезд скучные. Они просто разделяются на две группы и расходятся в стороны, потом опускается занавес. Управляет перемещениями по сцене режисер танца, митотическое веретено. По форме оно похоже на мяч, состоящий из массива волокон с двумя противоположными концами (полюсами) внутри клетки.

В начале митоза, волокна веретена (зеленого цвета) крепятся к хромосомам (синего цвета). И теперь веретено управлять движением хромосом во время митоза.

Как же веретено перемещает хромосомы своими волокнами? Это загадка многих десятилетий. И ученые до сих пор не могут найти ответ на этот вопрос. Один из тех, кто работает над этой темой – Конли Рейдер (клеточный биолог, Wadsworth Center в Олбани). Некоторые ученые предполагают, что белок действует как клеточный автобус, перевозя хромосомы вдоль волокон. Другие (в их числе Рейдер) предлагают версию, согласно которой микротрубочки сокращаются или растягиваются, утолщаясь на концах, чтобы притягивать хоромосомы и толкать их дальше. Ученые также думают, что веретено может действовать и тем, и другим способом.

Эти детективно-молекулярные расследования, имеют большое значение. Когда в работе веретена случаются ошибки, хромосомы могут оказаться не на своем месте, что приведет к появлению клеток с неправильным количеством хромосом. Такие случаи могут стать причиной синдрома Дауна, заболевния раком, или выкидыша (которые в 35% случаев связаны именно с теми клетками, которые несут ошибочное количество генетического материала).

Ошибки в процессе созревания яйцеклетки

Мужчины производят сперму непрерывно, с самого начала половой зрелости; образование сперматозоидов занимает около одной недели. Но у женщин все иначе. Девочки рождаются с определенным количеством “начальных” яйцеклеток, которые удерживаются в ранней стадии мейоза. На самом деле, начальная яйцеклетка не завершает мейоз, пока не произойдет оплодотворение. Это означает, что у женщин мейоз занимает десятилетия, и может продолжаться от 40 до 50 лет!

Ученые уже давно поняли, что из-за такого долгого мейоза, возникают некоторые генетические нарушения у их детей. Начальные яйцеклетки живут много лет, и в них накапливаются повреждения от мутаций, которые могут привести к ошибкам в остальной части мейоза. Например, риск возникновения синдрома Дауна, повышается у детей более старших мам.

Этот синдром возникает, когда хромосомы 21-й пары не могут отделиться во время мейоза, и обе копии хромосомы оказываются в одной яйцеклетке. После оплодотворения спермой, образуется клетка с тремя копиями 21-й хромосомы, вместо двух копий. Никто не знает точно, как и почему хромосомы не могут отделиться, и эту проблему трудно изучить, потому что нет подходящих примеров у животных.

Шарон Бикель, молекулярный биолог Дартмутского колледжа в Ганновере (Нью-Хемпшир), использующий в в качестве подопытных животных плодовых мушек, разработал метод, чтобы разобраться в этой человеческой головоломке. Плодовые мушки обычно производят яйцеклетки непрерывно, но Бикель изменил их жизнь таким образом, что созревание яйцеклеток замедлилось. Это было сделано для того, чтобы имитировать долгий период созревания яйцеклеток человека. Бикель обнаружил, что с увеличением срока, увеличилось количество проблем с хромосомами так же, как это происходит у пожилых женщин. При исследовании было замечено, что резервное копирование генетической системы, которая помогает обеспечить правильное разделение хромосом, тоже ухудшается, по мере старения мушиных яйцеклеток. И пока еще неизвестно, существует ли такая система в людях. И если такие же ошибки обнаружены в мухах, могут ли они объяснить повышение риска синдрома Дауна у младенцев матерей старшего возраста. Модель плодовой мухи Бикеля позволит ему и другим ученым, ответить на эти важные вопросы.

Почему мы не похожи на наших родственников?

Даже члены семьи, которые имеют большую часть одинакового генетического материала, могут значительно отличаться друг от друга. Если ты когда нибудь был на общем семейном собрании, ты это непременно заметил. Каким же образом можно объяснить такое разнообразие в семье, не говоря даже о целом мире разных людей? Представь себе 23 пары, которые танцуют на одной площадке. Пары начинают танец, выстраиваясь в одну линию друг с другом, образуя две параллельные линии. И в этом танце нет никаких правил. Мужчины и женщины могут быть в любой линии, все танцоры могут составить на площадке миллионы различных комбинаций. В результате число возможных вариантов объединения генов составляет 2 23 , это больше, чем 8 миллионов!

23 пары хромосом разделяются между дочерними клетками в этом танце:каждая дочерняя клетка получает одну хромосому из каждой пары, совершенно случайным образом. Как ты уже понял, это больше 8 миллионов вариаций – это означает, что один и тот же набор родителей может производить более 64 триллионов отличающихся друг от друга зигот!

Мейоз может создавать еще больше генетических вариаций, пользуясь кроссинговером, в ходе которого танцевальные пары физически меняются частями друг-друга, создавая гибридные хромосомы. Получается что-то вроде лоскутного одеяла – хромосомы из кусочков разных хромосом. Такая перестройка генетического материала еще больше расширяет количество возможных генетических конфигураций для дочерних клеток, еще больше увеличивает разнообразие.

Так, благодаря случайному разделению пар хромосом и генетическому обмену, которые происходят во время мейоза, ты получаешь гены родителей вперемешку. Это и объясняет то, почему члены семьи могут сильно отличаться друг от друга, несмотря на то, что у семьи общие гены.

Мейоз – вместе с генетическим разнообразием, и иногда генетическими мутациями – увеличивает выживание нашего вида. При наличии огромного разнообразия генов в популяции, повышаются шансы уцелеть в условиях вспышек болезней, или в условиях суровой окружающей среды. По крайней мере, некоторые люди будут иметь такой генетический материал, который поможет выжить в новых условиях – и они смогут передать эти гены потомству.