Размножение на клеточном уровне Слайд-лекция для студентов V факультета по подготовке иностранных студентов Кафедра медицинской биологии ХНМУ-2010 Проф., д. мед. н. В.В. Мясоедов Брейгель Ян «Рай»

Вопросы лекции: 1.Организация клетки во времени: жизненный цикл клетки и клеточный цикл 2.Способы деления клетки: митоз, амитоз 3.Мейоз – особый способ деления клетки 4.Клонирование

Организация клетки во времени: жизненный цикл клетки и клеточный цикл

Жизненный и клеточный циклы В жизни клетки различают жизненный цикл и клеточный цикл Жизненный цикл – период от образования клетки из материнской до следующего деления или гибели клетки Клеточный цикл включает подготовку к митозу (интерфазу) и митоз. Другое название митотический цикл

Длительность клеточного цикла у эукариотических клеток – 10 – 20 часов Длительность собственно деления – 1 час

Фазы клеточного цикла Интерфаза G 1 -фаза – постмитотическая (пресинтетическая) S-фаза – синтетическая G 2 -фаза – постсинтетическая (премитотическая) Митоз Цитокинез G0G0 Точка рестрикции

Интерфаза (G 1 + S + G 2 ) Занимает 90% всего клеточного цикла Период наибольшей метаболической активности Период подготовки к делению Ядро интактно, заполнено тонкими нитями - хромонемами

G 1 – рост клетки, синтез РНК, белков, подготовка хромосом к делению S – репликация ДНК (и центросом) G 2 – подготовка к митозу, запасание энергии, синтез ахроматинового веретена G0G0 Точка рестрикции

Жизненный цикл энтероцитов

Контроль клеточного цикла Прохождение клетки через клеточный цикл контролируется белками цитоплазмы Главными среди белков в животной клетке являются: 1. Циклины G 1 -циклин (циклин D) S- циклины (циклины E и A) М- циклины (циклины B и A) Уровень циклинов повышается и снижается в зависимости от фазы цикла.

2. Циклин-зависимые киназы (Cdk) G 1 -фазовая Cdk (Cdk4) S-фазовая Cdk (Cdk2) M-фазовая Cdk (Cdk1) Уровни киназ в клетке остаются достаточно стабильными, но каждая из них должна связать соответствующий циклин (уровень которого флуктуирует) для активации Киназы присоединяют фосфатные группы к белкам, контролирующим клеточный цикл

3. Способствующий анафазе комплекс (АРС - anaphase-promoting complex ) запускают события, приводящие к разрушению когезинов (удерживающих сестринские хроматиды) и обеспечивающие разделение сестринских хроматид; разрушают митотические циклины

Повышение уровня G1-циклинов, связывание их с Cdk, сигнал клетке для подготовки хромосом к репликации Повышение уровня способствующего S-фазе фактора (SPF) включающего циклин A, связанный с Cdk2, поступление его в ядро, подготовка клетки к репликации ДНК (и удвоению центросом) Репликация ДНК Фактор, способствующий М-фазе – комплекс митотических циклинов с M- фазовой Cdk) инициирует: Сборку веретена деления Разрушение ядерной оболочки Конденсацию хромосом

Указанные события переводят клетку в метафазу митоза В этой точке М-фазовый фактор активирует способствующий анафазе комплекс (APC), который разрешает сестринским хроматидам в метафазной пластинке разделиться и перемещаться к полюсам (= анафаза), завершая митоз; разрушает митотические циклины; включает синтез G 1 циклина для следующего этапа цикла

Активность циклинзависимых киназ во время митоза и мейоза

G 0 -фаза Клетка может покидать клеточный цикл временно или навсегда. Она выходит из цикла в G 1 и входит в стадию, называемую G 0. Часть G 0 – клеток предельно дифференцированы: они никогда не вступают повторно в клеточный цикл и выполняют свои функции до гибели (нейроны, кардиомиоциты). Другие G 0 –клетки могут вновь вступать в клеточный цикл. Большинство лимфоцитов в крови человека находятся в G 0 состоянии. Но при сильной стимуляции антигенами они могут вступать в G 1 - фазу и проходить S фазу и фазу митоза. Раковые клетки не могут переходить в G 0 – фазу и постоянно повторяют клеточный цикл. G0G0 Точка рестрикции

Checkpoints – контрольные точки качества клеточного цикла Клетка имеет несколько систем для прерывания клеточного цикла, если он пошел неправильно. Проверка полноты S фазы. Клетка контролирует наличие фрагментов Оказаки на запаздывающей цепи во время репликации ДНК. Клетка не переходит к следующему этапу, пока фрагменты не исчезнут

Точки контроля повреждения ДНК. Они контролируют повреждение ДНК перед вступлением клетки в S-фазу ( G 1 контрольная точка); во время S фазы, и после репликации ДНК (G 2 контрольная точка). Контрольные точки качества веретена. Некоторые из установленных точек: определяют любые дефекты присоединения нитей веретена к кинетохорам и задерживают клетку в метафазе (M контрольная точка); определяют неправильное выстраивание самого веретена и блокируют цитокинез; запускают апоптоз, если повреждение неустранимо.,

Все точки контроля требуют участия комплекса белков. Мутации в генах, кодирующих некоторые из этих белков, связаны с раком. Такие гены являются онкогенами. Пример регуляторных белков – белок p53 Белок p53 реагирует на повреждение ДНК и способен останавливать прогресс клеточного цикла в фазе G 1. Ген p53 является геном супрессора опухолей. Белок p53 также играет ключевую роль в апоптозе, стимулируя "плохие" клетки к совершению самоубийства.

Хромосомы У эукариот в периоде G 1 хромосомы содержат одну молекулу ДНК в виде 30 нм волокон, связанную с: большим числом гистонов; небольшим числом различных негистоновых белков, большинство из которых – факторы транскрипции.

От ДНК к метафазной хромосоме

Упаковка ДНК в хромосомы

Перед приготовлением клетки к делению митозом каждая хромосома удваивается (в S фазу клеточного цикла). С началом митоза удвоенные хромосомы конденсируются, они могут быть окрашены и видны под световым микроскопом. Удвоенные хромосомы называются диадами.

Удвоенные хромосомы удерживаются вместе в области центромеры. Части удвоенных хромосом носят название сестринских хроматид. Кинетохор – это комплекс белков, формирующихся в центромере и участвующих в разделении сестринских хроматид в анафазе митоза. Короткие плечи обозначаются как p плечи; длинные - как q плечи. Окрашивание с помощью красителя Гимза выявляет полосы, называемые G полосами. G полосы нумеруются и используются в качестве адреса генов.

Метафазная хромосома Роль кинетохора в разделении хроматид

Кариограмма человека

Число хромосом Соматические клетки содержат две копии генома и называются диплоидными (2n). Этот набор образован гомологичными парами, каждый член которых происходит из гамет каждого из родителей. Гаметы содержат гаплоидный набор (n) хромосом.

Содержание ДНК в гаплоидном наборе обозначается с Число хромосом в геноме обозначается n У людей с = 3.5 × г, n = 23. Содержание ДНК в диплоидных клетках – 2с, а число хромосом - 2n.

Диплоидные наборы наиболее изученных организмов Homo sapiens (человек) 46 Мышь домашняя 40 Кукуруза 20 Drosophila melanogaster (плодовая мушка) 8 Собака домашняя 78

Кариотип Кариотип – это полный набор хромосом в клетке организма. Чаще всего кариотип изучается в метафазе митоза, когда все хромосомы представлены диадами.

Кариотип женщины Кариотип женщины содержит 23 пары гомологичных хромосом: 22 пары аутосом 1 пару X хромосом Бальдунг Грин Ганс Три возраста и смерть

Кариотип мужчины Кариотип мужчины содержит: 22 пары аутосом одну X хромосому одну Y хромосому Бара Эдуард Корнуоллский пейзаж с фигурами и оловянными рудниками

Идиограмма человека, больного синдромом Дауна (+21)

Содержание хромосомной ДНК человека во время клеточного цикла Хромосомы содержат одну спираль ДНК от анафазы митоза до удвоения ДНК в S фазу. С этой стадии до окончания метафазы митоза хромосома содержит две хроматиды, каждая из которых содержит молекулу ДНК, т.е. на хромосому приходится две молекулы ДНК. Содержание ДНК диплоидной клетки перед S фазой - 2с (удвоенное содержание ДНК гаплоидной клетки), тогда как между S фазой и митозом оно равно 4с. 2n2c 2n4c

Способы деления клетки: митоз, амитоз

Способы деления клетки: митоз и амитоз Основные способы деления соматических клеток – митоз и амитоз Митоз (греч. митос – нить) – непрямое деление клетки, преимущественный тип деления соматических клеток эукариот. Образующиеся при митозе дочерние клетки генетически идентичны материнской

Деление клеток впервые было описано Страсбургером (1875) в растительных клетках Флемингом (1879) в животных клетках Термин «митоз» был введен Флемингом в 1880 году

Амитоз Амитоз – прямое деление клетки, при котором генетический материал не удваивается (?) и распределяется (равномерно или неравномерно) между дочерними клетками Характерен для некоторых одноклеточных организмов Встречается в хрящевой, соединительной ткани, в раковых клетках

При амитозе и клетка, и ядро удлиняются и разделяются посередине Дочерние клетки – приблизи- тельно равные образования Амитоз

У высокоорганизованных организмов различают амитоз двух типов: Приводящий к образованию многоядерных (в эпителии, печени) далее не делящихся, стареющих и погибающих клеток Приводящий к разделению одной клетки надвое (в хряще, рыхлой соединительной ткани) с образованием изогенных групп клеток от одной материнской

Митоз

При делении эукариотической клетки на две, каждая дочерняя клетка должна получить полный набор генов (для диплоидных клеток 2n) пару центриолей (в животных клетках) определенное количество митохондриймитохондрий определенное количество рибосом, часть ЭПР, и других органеллрибосомЭПР

Обеспечение дочерних клеток точным диплоидным набором генов требует большой точности Снимок дает графическое представление проблемы. Показано не более 3% одной молекулы ДНК из хромосомы человека (после удаления гистонов). Помня, что это только 3% ДНК только одной из 46 хромосом, можно представить проблему с которой встречается клетка перед делением. Проблема решается с помощью митоза!

Фазы митоза

Митоз включает: Кариокинез (деление ядра) – 4 основные фазы Цитокинез (деление цитоплазмы)

Профаза Две центросомы клетки, содержащие по паре центриолей, перемещаются к противоположным полюсам клетки.центросомы Формируется митотическое веретено. Оно образовано нитями, содержащими ~20 микротрубочек. Микротрубочки образуются из мономеров тубулина в цитоплазме и растут из каждой центросомы. микротрубочек Хромосомы становятся более короткими и компактными.

Прометафаза Ядерная оболочка разбирается в связи с нарушением растворимости ламин, стабилизирующих внутреннюю мембрану. ламин, Белковая структура, кинетохор, находится в центромере каждой хроматиды. центромере Вместе с разрушением ядерной оболочки нити веретена присоединяются к кинетохору. В каждой диаде один кинетохор присоединяет одну хроматиду к одному полюсу, а второй другую сестринскую хроматиду к другому полюсу. Нарушение присоединения нити веретена к кинетохору прерывает процесс.

В метафазу все диады занимают одинаковое положение в экваторе клетки и образуют метафазную пластинку. В это время хромосомы наиболее компактны. В анафазу сестринские кинетохоры внезапно разделяются и каждый перемещается к соответствующему полюсу, увлекая за собой одну хроматиду. Разделение сестринских хромосом зависит от разрушения когезинов, удерживающих их вместе.

Разделение (сегрегация) хромосом во время митоза

Кинетохор и веретено деления

Митозы в зародыше дрозофилы

Телофаза Вокруг каждой группы хромосом формируется ядерная оболочка, хромосомы деконденсируются начинается деление цитоплазмы

Цитокинез За митозом обычно следует деление клетки. Однако, есть случаи (у эмбрионов насекомых), когда хромосомы подвергаются митозу без деления клетки. Поэтому, есть специальный термин – цитокинез – для обозначения деления клетки на две.у эмбрионов В животных клетках актиновые филаменты формируют борозду по периметру клетки. Углубление борозды приводит к перетяжке клетки на две.актиновые В растительных клетках формируется клеточная пластинка, синтезируемая комплексом Гольджи.

Митоз

Значение митоза 1.Размножение – например у одноклеточных организмов (амеба) 2.Развитие, рост и генетическое постоянство – у многоклеточных митоз – это часть эмбрионального развития, роста, регенерации и наследственности 3.Клеточный метаболизм

Митоз без цитокинеза Митоз без цитокинеза образует массу цитоплазмы со многими ядрами. Пример: стадия свободных ядер при эмбриональном развитии мух, подобных Drosophila

Эндорепликация Эндорепликация – это репликация ДНК во время S фазы клеточного цикла без последующего митоза и/или цитокинеза Эндорепликация происходит в определенных клетках животных и растений

Варианты эндорепликации: репликация ДНК с полным митозом, но без цитокинеза (+ М, цитокинез). повторная репликация ДНК без формирования новых ядер в телофазе (+++репликация, ядра в телофазе). Результатом может быть: 1.Полиплоидия: реплицированные хромосомы остаются в клеткеПолиплоидия 2.Политения: реплицированные хромосомы остаются в линии, формируя гигантские хромосомы.Политения 3.различные промежуточные состояния между 1 и 2

Полиплоидия В полиплоидных клетках число хромосом на n больше, чем в диплоидной клетке (2n ): триплоидная (3n), тетраплоидная (4n)... Полиплоидия обычно ограничена определенными тканями у животных, такими как: гепатоциты; мегакариоциты; мегакариоциты, из которых образуются тромбоциты, могут проходить через 7 S фаз, образуя гигантские клетки с одним ядром, содержащим 128n хромосом. Их фрагментация дает тромбоциты. гигантские трофобластные клетки в плаценте. Полиплоидия у растений – очень частое явление

Полиплоидия у животных Полиплоидия у животных очень редка. Она обнаружена у некоторых насекомых, рыб, амфибий и рептилий. До недавнего времени о полиплоидии у млекопитающих не было известно. Однако, 23 сентября 1999 в журнале Nature было сообщено о полиплоидной крысе (тетраплоид; 4n = 102), обнаруженной в Аргентине. Полиплоидные клетки больше, чем диплоидные; в ядрах клеток увеличенное количество ДНК. Клетки печени Аргентинской крысы больше чем клетки диплоидов, а их сперматозоиды сравнительно огромные. Головка нормального спермия млекопитающего содержит около 3.3 пикограммов ( g) ДНК; спермии крысы содержат 9.2 пг.

Политения Наиболее изученными примерами политении являются гигантские хромосомы, найденные у мух. Микрофотография показывает политенные хромосомы клеток слюнных желез Drosophila melanogaster. Такие хромосомы также обнаруживаются в других больших, активных клетках. Каждые 4 пары хромосом дрозофилы (кариотип) проходят 10 циклов репликации ДНК. Материнские и отцовские гомологи – также как и всех их дупликаты - выпрямлены в точном соответствии друг с другом Поэтому каждая хромосома представляет собой кабель, содержащий 2048 идентичных цепей ДНК. Они так велики, что могут быть увиденными в интерфазу даже в слабый световой микроскоп Функция политении – амплификация генов, усиление экспрессии генов

Политенные хромосомы имеют регионы, называемые «пуффами» (пуховики) – распушенные регионы Картина пуффов различна в различных типах клеток и изменяется с изменением состояния клетки Пуффы представляют собой регионы интенсивной транскрипции генов

Нарушения митоза, соматические мутации Следствием нарушения митоза (патологического митоза) являются дочерние клетки с разными кариотипами Патологический митоз – одна из причин соматической анеуплоидии ( -1, +1, -2, +2 …) Патологический митоз наблюдается при: лучевой болезни вирусных инфекциях раке

При нарушении митоза могут образовываться: хромосомные мостики микроядра повреждение центромер склеивание хромосом и др.

Патологические митозы в клетках опухоли

Пикнотические ядра

Кольцевая хромосома

Соматические мутации Это мутации, происходящие в соматических (неполовых) клетках Свойства соматических мутаций: Ограничены одним организмом Чем раньше в онтогенезе мутация, тем в большем количестве клеток проявляется Фенотипическое проявление мутации зависит от количества клеток с мутацией Не передаются следующему поколению, но могут снижать репродуктивный потенциал

Рост клетки, факторы роста Факторы роста – это факторы, обеспечивающие выживание и пролиферацию клеток Факторами роста могут быть белки, пептиды, стероиды

Полипептидные факторы роста делятся на несколько суперсемейств: суперсемейство инсулиноподобных факторов роста (инсулин, релаксин и др.) суперсемейство эпидермальных факторов роста суперсемейство бомбезина (бомбезин, литорин, нейротензин) суперсемейство факторов роста фибробластов суперсемейство трансформирующих факторов роста суперсемейство факторов роста тромбоцитов цитокины

Полипептидные факторы роста связываются со специфическими рецепторами плазматической мембраны и вызывают ответную реакцию клетки Фактор роста Рецептор

Злокачественная трансформация клеток Изменения регуляции пролиферации клеток могут вызывать злокачественную трансформацию клеток Клетки, способные реагировать на внешние факторы роста, начинают секретировать их сами Клетки, продуцирующие факторы роста и не имеющие рецепторов к ним, начинают производить рецепторы В клетках даже при отсутствии действия на них факторов роста запускаются механизмы синтеза ДНК и митоза

Свойства злокачественных клеток Безудержная способность к делению вследствие аномальной реакции на сигналы контроля деления (отсутствие контактного торможения) Требуют меньше факторов роста, чем нормальные клетки Способность делиться многократно, не снижая митотического потенциала Способность прорастать в другие ткани и стимулировать рост капилляров для питания

Митотическая активность тканей Показатель митотической активности ткани – это число делящихся митозом клеток на 1000 изученных клеток гистологического препарата Для изучения митотической активности используется колхицин (остановка митоза), определение включения меченого тимидина в новые молекулы ДНК

Клетки по митотической активности делятся на: 1.Митотически активные (лабильные) 2.Обратимо постмитотические или «покоящиеся» (относительно стабильные) 3.Необратимо постмитотические (постоянные)

Митотически активные (лабильные) клетки Примеры клеток: базальные эпителиальные камбиальные клетки всех типов эпителия и гемопоэтические стволовые клетки в костном мозге. Делятся в течение всей жизни, являясь источником для восстановления клеток, которые непрерывно погибают. Имеют короткий G 0 период. Зрелые дифференцированные клетки в этих специфических тканях не могут делиться; их количество поддерживается делением их стволовых лабильных клеток.

Обратимо постмитотические или покоящиеся клетки (относительно стабильные) Примеры клеток: паренхиматозные клетки наиболее важных железистых органов (печень, поджелудочная железа) и мезенхимальные клетки (фибробласты, эндотелиальные клетки). Клетки имеют длительный срок существования и поэтому характеризуются низкой митотической активностью. Они остаются в фазе G 0 в течение длительного времени (часто годами), но сохраняют способность к делению, входя в митотический цикл по мере возникновения потребности.

Постоянные (необратимо постмитотические) клетки Примеры клеток: нейроны в центральной и периферической нервной системе и клетки миокарда. Постоянные клетки не имеют никакой способности митотического деления в постнатальной жизни. Повреждение постоянных клеток всегда сопровождается формированием рубца. Полная регенерация невозможна. Потеря постоянных клеток поэтому необратима и, если некроз обширный, это может приводить к нарушению функции органов.

Мейоз – особый способ деления клетки

Мейоз, его биологическое значение Каждый организм смертен. Необходимо размножение! Некоторые простейшие и большинство многоклеточных сохраняют свои виды половым размножением (объединение двух гамет зигота ткани и органы) Диплоидность гамет приводила бы к появлению нежизнеспособных поколений Гаметы должны быть гаплоидными (n)!

Мейоз – специальная форма деления генеративных клеток, приводящая к образованию гаплоидных гамет (сперматозоидов и яйцеклеток у человека)

Определенный набор диплоидных клеток организма образует герминальную линию (клетки зачаткового пути), участвующую в размножении. Они дают начало специализированным диплоидным клеткам в яичниках и семенниках, которые могут делиться мейозом и приводить к образованию гаплоидных гамет (сперматозоидов и яйцеклеток).

Жизнь людей с хромосомной точки зрения Гаплоидные сперматозоиды и яйцеклетки образуются в результате мейоза диплоидных клеток-предшественниц. В оплодотворенной яйцеклетке хромосомы сперматозоида и яйцеклетки разделены, находясь в мужском и женском пронуклеусах. Они объединяются во время первого митоза.

Первичные герминальные клетки мигрируют в гонады эмбриона и подвергаются нескольким митотическим делениям (у мужчин значительно больше, чем у женщин, что может быть фактором, объясняющим половые отличия в в частоте мутаций) с образованием овогониев у женщин и сперматогониев у мужчин. Дальнейший рост и дифференциация приводит к образованию первичных овоцитов и в яичниках и первичных сперматоцитов в яичках. Эти специализированные клетки могут подвергаться мейозу

Фазы мейоза Мейоз включает два последовательных клеточных деления (мейоз I и мейоз II), но только один процесс репликации ДНК, поэтому продукты являются гаплоидными.

Cравнение митоза и мейоза

Мейоз

Мейоз I (редукционное деление) Интерфаза I – S-фаза (репликация ДНК) относительно длиннее, чем в интерфазе митоза, а G 2 -фаза короче или отсутствует Профаза I – очень долгий и сложный процесс, разделяется на 5 субфаз

Профаза I Лептотена (тонкие нити) Гомологичные хромосомы не спарены, состоят из двух тесно прилегающих связанных сестринских хроматид Зиготена Материнские и отцовские гомологи объединяются в пары (синапсис) и образуют биваленты Пахитена (толстые нити) Хромосомы утолщаются, видны хроматиды (тетрады), начинается кроссинговер Диплотена Гомологи разделяются, но удерживаются вместе в области хиазм (кроссинговер) Хросомомы – «ламповые щетки» Диакинез Хромосомы реконденсируются, хиазмы скользят по длине бивалентов. Разрушение ядерной оболочки, формирование веретена деления

«Ламповые щетки» в диплотене Пара хромосом Две хроматиды одного гомолога

Микрофотография бивалента хромосом типа «ламповые щетки» Стрелками показаны хиазмы

Метафаза I – биваленты в метафазной пластинке (сестринские хроматиды гомологов соединены с одним полюсом) Анафаза I – гомологичные хромосомы каждого бивалента мигрируют к разным полюсам. У каждого полюса собирается гаплоидный набор хромосом Телофаза I – редко завершается к началу второго митоза. Только в некоторых случаях ядерная оболочка может образовываться вокруг гаплоидной группы хромосом. В большинстве случаев мейоз II стартует без этих изменений

Разделение хромосом в мейозе

Второе мейотическое деление идентично митозу, но первое деление имеет важные отличия, целью которых является генерирование генетического различия между дочерними клетками. Это осуществляется двумя механизмами: независимым распределением отцовских и материнских гомологов и рекомбинацией (кроссинговером) Независимое распределение отцовских и материнских хромосом в мейозе I

Мейоз II (эквационное, митотическое деление) Деление соответствует обычному митозу Интерфаза II – короткий период, репликации ДНК нет (лучшее название интеркинез) Профаза II Метафаза II Анафаза II Телофаза II

У мужчин в результате мейоза образуется 4 сперматозоида, а у женщины 1 яйцеклетка и 3 полярных тельца

Значение мейоза Уменьшение числа хромосом. Гаплоидность – наиболее важная предпосылка полового размножения Наследственность и изменчивость. В зиготе и во всех клетках тела в паре гомологичных хромосом – 1 отцовская и 1 материнская. Генетическое разнообразие людей – результат 3 процессов: случайного расхождения отцовских и материнских хромосом в мейозе I кроссинговера в профазе мейоза I случайного объединения гамет

МитозМейоз ЛокализацияВсе ткани Только в яичках и яичниках ПродуктыДиплоидные соматические клетки Гаплоидные сперматозоиды и яйцеклетки Репликация ДНК и деление клеток В норме одна репликация на одно деление Только одна репликация, но два клеточных деления Длительность профазыКороткая (~30 мин в клетках человека) Мейоз I длительный и сложный; может длиться годами до завершения Спаривание гомологовНет Да (в мейозе I) РекомбинацияРедко или в случае аномалии В норме, по крайней мере, однократно в каждом плече хромосомы Дочерние клеткиГенетически идентичны Различные (рекомбинация и независимое распреде- ление гомологов) Сравнение митоза и мейоза

Клонирование

Клонирование – это создание генетически идентичных потомков при помощи бесполого размножения В начале 60-х годов ХХ в. были разработаны методы, позволяющие успешно клонировать некоторые высшие растения и животных

Репродуктивное клонирование Клонированные человеческие эмбрионы (корейцы вырастили эмбрион до 100 клеток)