Первое деление мейоза кратко. Мейоз. Фазы мейоза. Профаза II очень короткая. Она характеризуется спирализацией хромосом, исчезновением ядерной оболочки, ядрышка, формированием веретена деления

Сущность мейоза — образование клеток с гаплоидным набором хромосом .

Мейоз состоит из двух последовательных делений.

Между ними не происходит репликации ДНК – поэтому и набор гаплоидный.

Благодаря этому процессу происходит:

• гаметогенез;
• с порообразование у растений;
• и зменчивость наследственной информации

Теперь давайте поподробнее рассмотрим этот процесс.

Мейоз представляет собой 2 деления , следующих друг за другом.

В результате чего образуются как правило четыре клетки (за исключением например, где после первого деления, вторая клетка дальше не делится, а редуцируется сразу).

Здесь еще один важный момент: в результате мейоза как правило три клетки из четырех редуцируются, остается одна, то есть происходит естественный отбор . Это тоже одна из задач мейоза.

Интерфаза первого деления :

клетка переходит из состояния 2n2c в 2n4c , так как произошла репликация ДНК.

Профаза:

В первом делении происходит важный процесс – кроссинговер .

В профазе I мейоза , каждая из уже скрученных двухроматидных хромосом, унивалентов тесно сближается с гомологичной ей. Это называется (ну путать с конъюгацией инфузорий ), или синапсис . Пара сблизившихся гомологичных хромосом называется

Затем хроматида перекрещивается с гомологичной (несестренской) хроматидой на соседней хромосоме (с которой образован бивалент ). Места скрещивания хроматид называется . Хиазмы открыл в 1909 году бельгийский ученый Франс Альфонс Янсенс.

А потом кусочек хроматиды отрывается в месте хиазмы и перескакивает на другую (гомологичную т.е. несестренскую) хроматиду.

Произошла рекомбинация генов .

Результат: часть генов перекочевало с одной гомологичной хромосомы на другую.

До кроссинговера одна гомологичная хромосома обладала генами от материнского организма, а вторая от отцовского. А после обе гомологичные хромосомы обладают генами как материнского так и отцовского организма.

Значение кроссинговера таково: в результате этого процесса образуются новые комбинации генов, следовательно больше наследственная изменчивость, следовательно больше вероятность появления новых признаков, которые могут оказаться полезными.

Синапсис (конъюгация) при мейозе происходит всегда, а вот кроссинговер может и не произойти.

Из-за этих всех процессов: конъюгация, кроссинговер профаза I более продолжительна, чем профаза II.

Метафаза

Основное отличие первого деления мейоза от

в митозе по экватору выстраиваются двухроматидные хромосомы, а в первом делении мейоза биваленты гомологичных хромосом, к каждой из которых прикрепляются нити веретена деления .

Анафаза

из-за того, что по экватору выстроились биваленты , происходит расхождение гомологичных двухроматидных хромосом. В отличии от митоза , в котором расходятся хроматиды одной хромосомы.

Телофаза

Образовавшиеся клетки из состояния 2n4c становятся n2c , чем опять таки отличаются от клеток, образовавшихся в результате митоза : во-первых, они гаплоидны . Если в митозе по завершении деления образуются абсолютно идентичные клетки, то то в первом делении мейоза каждая клетка содержит только одну гомологичную хромосому.

Ошибки расхождения хромосом при первом деления могут повлечь за собой трисомию. То есть наличие в одной паре гомологичных хромосом еще одной хромосомы. Например у человека трисомия по 21 является причиной Синдрома Дауна.

Интерфаза между первым и вторым делением

— либо очень короткая, либо ее нет вовсе. Поэтому перед вторым делением не происходит репликация ДНК . Это очень важно, так как второе деление вообще нужно для того, чтобы клетки получились гаплоидные с однохроматидными хромосомами.

Второе деление

– происходит почти так же как митотическое деление. Только в деление вступают гаплоидные клетки с двухроматидными хромосомами (n2c), каждая из которых выстраивается по экватору, нити веретена деления прикрепляются к центромерам каждой хроматиды каждой хромосомы в метафазе II. В анафазе II хроматиды расходятся. И в телофазе II образуются гаплоидные клетки с однохроматидными хромосомами (nc ). Это необходимо, чтобы при слиянии с другой такой же клеткой (nc) образовалась «нормальная» 2n2c.

О живых организмах известно, что они дышат, питаются, размножаются и погибают, в этом состоит их биологическая функция. Но за счет чего это все происходит? За счет кирпичиков - клеток, которые тоже дышат, питаются, погибают и размножаются. Но как это происходит?

О строении клеток

Дом состоит из кирпичей, блоков или бревен. Так и организм можно разделить на элементарные единицы - клетки. Все разнообразие живых существ состоит именно из них, отличие лежит лишь в их количестве и видах. Из них состоят мышцы, костная ткань, кожа, все внутренние органы - настолько сильно они различаются в своем назначении. Но вне зависимости от того, какие функции выполняет та или иная клетка, все они устроены примерно одинаково. Прежде всего, у любого "кирпичика" есть оболочка и цитоплазма с расположенными в ней органоидами. Некоторые клетки не имеют ядра, их называют прокариотическими, однако все более или менее развитые организмы состоят из эукариотических, имеющих ядро, в котором хранится генетическая информация.

Органоиды, расположенные в цитоплазме, разнообразны и интересны, они выполняют важные функции. В клетках животного происхождения выделяют эндоплазматическую сеть, рибосомы, митохондрии, комплекс Гольджи, центриоли, лизосомы и двигательные элементы. С помощью них и происходят все процессы, которые обеспечивают функционирование организма.

Жизнедеятельность клеток

Как уже было сказано, все живое питается, дышит, размножается и умирает. Это утверждение справедливо как для цельных организмов, то есть людей, животных, растений и т. д., так и для клеток. Это удивительно, но каждый "кирпичик" обладает своей собственной жизнью. За счет своих органоидов он получает и перерабатывает питательные вещества, кислород, выводит все лишнее наружу. Сама цитоплазма и эндоплазматическая сеть выполняют транспортную функцию, митохондрии отвечают в том числе за дыхание, а также обеспечение энергией. Комплекс Гольджи занимается накоплением и выводом продуктов жизнедеятельности клетки. Остальные органоиды также участвуют в сложных процессах. И на определенном этапе своего начинает делиться, то есть происходит процесс размножения. Его стоит рассмотреть более подробно.

Процесс деления клеток

Размножение - одна из стадий развития живого организма. То же относится и к клеткам. На определенном этапе жизненного цикла они входят в состояние, когда становятся готовы к размножению. просто делятся надвое, удлиняясь, а потом образовывая перегородку. Этот процесс прост и практически полностью изучен на примере палочковидных бактерий.

С все обстоит несколько сложнее. Они размножаются тремя разными способами, которые называются амитоз, митоз и мейоз. Каждый из этих путей имеет свои особенности, он присущ определенному виду клеток. Амитоз

считается самым простым, его также называют прямым бинарным делением. При нем происходит удвоение молекулы ДНК. Однако веретено деления не образуется, так что этот способ является наиболее энергетически экономичным. Амитоз наблюдается у одноклеточных организмов, в то время как ткани многоклеточных размножаются с помощью других механизмов. Однако он иногда наблюдается и там, где снижена митотическая активность, например, в зрелых тканях.

Иногда прямое деление выделяют как разновидность митоза, однако некоторые ученые считают это отдельным механизмом. Протекание этого процесса даже в старых клетках происходит довольно редко. Далее будут рассмотрены мейоз и его фазы, процесс митоза, а также сходства и различия этих способов. По сравнению с простым делением они более сложны и совершенны. Особенно это касается редукционного деления, так что характеристика фаз мейоза будет наиболее подробной.

Важную роль в делении клетки имеют центриоли - специальные органоиды, как правило, располагающиеся рядом с комплексом Гольджи. Каждая такая структура состоит из 27 микротрубочек, сгруппированных по три. Вся конструкция имеет цилиндрическую форму. Центриоли непосредственно участвуют в формировании веретена деления клетки в процессе непрямого деления, о котором речь пойдет дальше.

Митоз

Продолжительность существования клеток различается. Некоторые живут пару дней, а какие-то можно отнести к долгожителям, поскольку их полная смена происходит очень редко. И практически все эти клетки размножаются с помощью митоза. У большинства из них между периодами деления проходит в среднем 10-24 часа. Сам митоз занимает небольшой период времени - у животных примерно 0,5-1

час, а у растений около 2-3. Этот механизм обеспечивает рост клеточной популяции и воспроизводство идентичных по своему генетическому наполнению единиц. Так соблюдается преемственность поколений на элементарном уровне. При этом число хромосом остается неизменным. Именно этот механизм является наиболее распространенным вариантом репродукции эукариотических клеток.

Значение этого вида деления велико - этот процесс помогает расти и регенерировать тканям, за счет чего происходит развитие всего организма. Кроме того, именно митоз лежит в основе бесполого размножения. И еще одна функция - перемещение клеток и замена уже отживших. Поэтому считать, что из-за того, что стадии мейоза сложнее, то и его роль гораздо выше, неправильно. Оба эти процесса выполняют разные функции и по-своему важны и незаменимы.

Митоз состоит из нескольких фаз, различающихся по своим морфологическим особенностям. Состояние, в котором клетка находится, будучи готовой к непрямому делению, называют интерфазой, а непосредственно процесс разделяется еще на 5 стадий, которые необходимо рассмотреть подробнее.

Фазы митоза

Находясь в интерфазе, клетка готовится к делению: происходит синтез ДНК и белков. Эта стадия подразделяется на еще несколько, в ходе которых происходит рост всей структуры и удвоение хромосом. В этом состоянии клетка пребывает до 90% всего жизненного цикла.

Остальные 10% занимает непосредственно деление, разделяющееся на 5 стадий. При митозе клеток растений также выделяется препрофаза, которая отсутствует во всех других случаях. Происходит образование новых структур, ядро перемещается к центру. Формируется препрофазная лента, размечающая предполагаемое место будущего деления.

Во все же остальных клетках процесс митоза проходит следующим образом:

Таблица 1

После завершения деления генетической информации происходит цитокинез или цитотомия. Под этим термином подразумевается образование тел дочерних клеток из тела материнской. При этом органоиды, как правило, делятся пополам, хотя возможны исключения, образуется перегородка. Цитокинез не выделяют в отдельную фазу, как правило, рассматривая его в рамках телофазы.

Итак, в самых интересных процессах задействованы хромосомы, которые несут генетическую информацию. Что же это такое и почему они так важны?

О хромосомах

Еще не имея ни малейшего понятия о генетике, люди знали, что многие качества потомства зависят от родителей. С развитием биологии стало очевидно, что информация о том или ином организме хранится в каждой клетке, и часть ее передается будущим поколениям.

В конце 19 века были открыты хромосомы - структуры, состоящие из длинной

молекулы ДНК. Это стало возможно с совершенствованием микроскопов, и даже сейчас рассмотреть их можно лишь в период деления. Чаще всего открытие приписывают немецкому ученому В. Флемингу, который не только упорядочил все то, что было изучено до него, но и внес свой вклад: он одним из первых исследовал клеточную структуру, мейоз и его фазы, а также ввел термин "митоз". Само понятие "хромосома" было предложено чуть позже другим ученым - немецким гистологом Г. Вальдейером.

Структура хромосом в момент, когда они четко видны, довольно проста - они представляют собой две хроматиды, соединенные посередине центромерой. Она является специфической последовательностью нуклеотидов и играет важную роль в процессе размножения клеток. В конечном итоге хромосома внешне в профазе и метафазе, когда ее можно лучше всего разглядеть, напоминается букву Х.

В 1900 году были открыты описывающие принципы передачи наследственных признаков. Тогда стало окончательно ясно, что хромосомы - это именно то, с помощью чего передается генетическая информация. В дальнейшем учеными был проведен ряд экспериментов, доказывающих это. И тогда предметом изучения стало и то влияние, котрое на них оказывает деление клетки.

Мейоз

В отличие от митоза этот механизм в итоге приводит к образованию двух клеток с набором хромосом в 2 раза меньше исходного. Таким образом процесс мейоза служит переходом от диплоидной фазы к гаплоидной, причем в первую очередь

речь идет о делении ядра, а уже во вторую - всей клетки. Восстановление же полного набора хромосом происходит в результате дальнейшего слияния гамет. В связи с уменьшением количества хромосом этот метод еще определяют как редукционное деление клетки.

Мейоз и его фазы изучали такие известные ученые, как В. Флеминг, Э. Страсбургрер, В. И. Беляев и другие. Исследование этого процесса в клетках как растений, так и животных, продолжается до сих пор - настолько он сложен. Изначально этот процесс считался вариантом митоза, однако практически сразу после открытия он все-таки был выделен как отдельный механизм. Характеристика мейоза и его теоретическое значение были впервые в достаточной степени описаны Августом Вайсманом еще в 1887 году. С тех пор изучение процесса редукционного деления сильно продвинулось, но сделанные выводы пока не были опровергнуты.

Мейоз не следует путать с гаметогенезом, хотя оба эти процесса тесно связаны. В образовании половых клеток участвуют оба механизма, однако между ними есть ряд серьезных отличий. Мейоз происходит в две стадии деления, каждая из которых состоит из 4 основных фаз, между ними есть короткий перерыв. Длительность всего процесса зависит от количества ДНК в ядре и структуры хромосомной организации. В целом он гораздо более продолжителен в сравнении с митозом.

Кстати, одна из основных причин значительного видового разнообразия - именно мейоз. Набор хромосом в результате редукционного деления разбивается надвое, так что появляются новые комбинации генов, в первую очередь потенциально повышающие приспособляемость и адаптивность организмов, в итоге получающих те или иные наборы признаков и качеств.

Фазы мейоза

Как уже было упомянуто, редукционное клеточное деление условно делят на две стадии. Каждая из этих стадий разделена еще на 4. И первая фаза мейоза - профаза I в свою очередь подразделяется еще на 5 отдельных этапов. Поскольку изучение этого процесса продолжается, в дальнейшем могут быть выделены и другие. Сейчас же различают следующие фазы мейоза:

Таблица 2

Итак, очевидно, что фазы деления мейоза гораздо сложнее, чем процесс митоза. Но, как уже было упомянуто, это не умаляет биологической роли непрямого деления, поскольку они выполняют разные функции.

Кстати, мейоз и его фазы наблюдаются и у некоторых простейших. Однако, как правило, он включает в себя лишь одно деление. Предполагается, что такая одноступенчатая форма позднее развилась в современную, двухступенчатую.

Отличия и сходства митоза и мейоза

На первый взгляд кажется, что различия двух этих процессов очевидны, ведь это совершенно разные механизмы. Однако при более глубоком анализе оказывается, что различия митоза и мейоза не так уж глобальны, в конце концов они приводят к образованию новых клеток.

Прежде всего стоит поговорить о том, что есть общего у этих механизмов. По сути совпадения всего два: в одинаковой последовательности фаз, а также в том, что

перед обоими видами деления происходит репликация ДНК. Хотя, что касается мейоза, до начала профазы I этот процесс не завершается полностью, заканчиваясь на одной из первых подстадий. А последовательность фаз хоть и аналогична, но, по сути, происходящие в них события совпадают не полностью. Так что сходства митоза и мейоза не так уж и многочисленны.

Различий же гораздо больше. Прежде всего, митоз происходит в в то время как мейоз тесно связан с образованием половых клеток и спорогенезом. В самих фазах процессы не полностью совпадают. Например, кроссинговер в митозе происходит во время интерфазы, и то не всегда. Во втором же случае на этот процесс приходится анафаза мейоза. Рекомбинация генов в непрямом делении обычно не осуществляется, а значит, он не играет никакой роли в эволюционном развитии организма и поддержании внутривидового разнообразия. Количество получившихся в результате митоза клеток - две, и они в генетическом смысле идентичны материнской и обладают диплоидным набором хромосом. Во время редукционного деления все иначе. Результат мейоза - 4 отличающихся от материнской. Кроме того, оба механизма значительно различаются по длительности, и это связано не только с различием в количестве ступеней деления, но и длительностью каждого из этапов. Например, первая профаза мейоза длится намного дольше, ведь в это время происходит конъюгация хромосом и кроссинговер. Именно поэтому ее дополнительно делят на несколько стадий.

В общем и целом сходства митоза и мейоза достаточно незначительны по сравнению с их отличиями друг от друга. Перепутать эти процессы практически невозможно. Поэтому сейчас даже несколько удивляет то, что редукционное деление раньше считалось разновидностью митоза.

Последствия мейоза

Как уже было упомянуто, после окончания процесса редукционного деления, вместо материнской клетки с диплоидным набором хромосом образуются четыре гаплоидных. И если говорить про различия митоза и мейоза - это самое значительное. Восстановление необходимого количества, если речь идет о половых клетках, происходит после оплодотворения. Таким образом, с каждым новым поколением не происходит удвоения количества хромосом.

Кроме того, во время мейоза происходит В процессе размножения это приводит к поддержанию внутривидового разнообразия. Так что тот факт, что даже родные братья и сестры порой сильно отличаются друг от друга - именно результат мейоза.

Кстати, стерильность некоторых гибридов в животном мире - тоже проблема редукционного деления. Дело в том, что хромосомы родителей, принадлежащих к разным видам, не могут вступить в конъюгацию, а значит, процесс образования полноценных жизнеспособных половых клеток невозможен. Таким образом, именно мейоз лежит в основе эволюционного развития животных, растений и других организмов.

Мейоз – осуществляется в клетках организмов, размножающихся половым путем.

Биологический смысл явления определяется новым набором признаков у потомков.

В данной работе рассмотрим сущность этого процесса и для наглядности представим его на рисунке, посмотрим последовательность и продолжительность деления половых клеток, а так же узнаем, в чем сходство и отличие митоза и мейоза.

Что такое мейоз

Процесс, сопровождающийся образованием четырех клеток с одинарным хромосомным набором из одной исходной.

Генетическая информация каждой новообразованной соответствует половине набора соматической клетки.

Фазы мейоза

Мейотичекое деление включает два этапа, состоящие из четырех фаз каждое.

Первое деление

Включает профазу I, метафазу I, анафазу I и телофазу I.

Профаза I

На данном этапе образуются две клетки с половинным набором генетической информации. Профаза первого деления включает несколько стадий. Ей предшествует предмейотическая интерфаза, во время которой идет репликация ДНК.

Затем происходит конденсация, образование длинных тонких нитей с протеиновой осью во время лептотены. Данная нить прикрепляется к мембране ядра с помощью концевых расширений – прикрепительных дисков. Половинки удвоенных хромосом (хроматиды) еще не различимы. При исследовании имеют вид монолитных структур.

Далее наступает стадия зиготены. Гомологи сливаются с образованием бивалентов, число которых соответствует одинарному числу хромосом. Процесс конъюгации (соединения) осуществляется между парными, сходными в генетическом и морфологическом аспекте. Причем взаимодействие начинается с концов, распространяясь вдоль тел хромосом. Комплекс из гомологов, связанных белковым компонентом – бивалент или тетрада.

Спирализация происходит во время стадии толстых нитей – пахитены. Здесь уже удвоение ДНК выполнено полностью, начинается кроссинговер. Это обмен участками гомологов. В результате формируются сцепленные гены с новой генетической информацией. Параллельно протекает транскрипция. Плотные участки ДНК – хромомеры — активируются, что приводит к изменению структуры хромосом по типу «ламповых щеток».

Гомологичные хромосомы конденсируются, укорачиваются, расходятся (исключая точки соединения — хиазмы). Это стадия в биологии диплотена или диктиотена. Хромосомы на данном этапе богаты РНК, которая синтезируется на этих же участках. По свойствам последняя близка к информационной.

Наконец, биваленты расходятся к периферии ядра. Последние укорачиваются, теряют ядрышки, становятся компактными, не связанными с ядерной оболочкой. Это процесс носит название диакинеза (перехода к делению клетки).

Метафаза I

Далее биваленты перемещаются к центральной оси клетки. От каждой центромеры отходят веретена деления, каждая центромера равноудалена от обоих полюсов. Небольшие по амплитуде движения нитей удерживают их в данном положении.

Анафаза I

Хромосомы, построенные из двух хроматид, расходятся. Происходит перекомбинация с уменьшением генетического разнообразия (в связи с отсутствием в наборе генов, расположенных в локусах (участках) гомологов).

Телофаза I

Суть фазы состоит в расхождении хроматид с их центромерами к противоположным участкам клетки. В животной клетке происходит цитоплазматическое деление, в растительной – образование клеточной стенки.

Второе деление

После интерфазы первого деления клетка готова ко второму этапу.

Профаза II

Чем длиннее телофаза, тем короче длительность профазы. Хроматиды выстраиваются вдоль клетки, образуя своими осями прямой угол относительно нитей первого мейотического деления. В эту стадию они укорачиваются и утолщаются, ядрышки подвергаются распаду.

Метафаза II

Центромеры вновь расположены в экваториальной плоскости.

Анафаза II

Хроматиды отделяются друг от друга, перемещаясь к полюсам. Теперь они носят название хромосом.

Телофаза II

Деспирализация, растяжение образованных хромосом, исчезновение веретена деления, удвоение центриолей. Гаплоидное ядро окружается ядерной мембраной. Формируются четыре новые клетки.

Таблица сравнения митоза и мейоза

Кратко и понятно особенности и отличия представлены в таблице.

Представленные данные – схема отличий, а сходства сводятся к одинаковым фазам, редупликации ДНК и спирализации перед началом клеточного цикла.

Биологическое значение мейоза

Какова же роль мейоза:

1. Дает новые сочетания генов вследствие кроссинговера.
2. Поддерживает комбинативную изменчивость. Мейоз – источник новых признаков в популяции.
3. Удерживает постоянное количество хромосом.

Заключение

Мейоз — сложный биологический процесс, в ходе которого образуются четыре клетки, с новыми признаками, полученными в результате кроссинговера.

Николай Мушкамбаров, докт. биол. наук

Человечество стареет, а ведь каждому хочется жить не просто долго, но и без тех болезней, которые приходят с возрастом. За последние полвека появилось множество «революционных» теорий старения, почти каждая из которых предлагает верный и надёжный способ замедлить или даже остановить время. Каждый год - новые сенсации, новые открытия и новые заявления, обнадёживающие и многообещающие. Пептидные биорегуляторы, эликсир долголетия, живительные ионы, или антиоксидант SkQ. Беги в аптеку, плати и живи, согласно вложенной инструкции, до 100-120 лет! В какой мере можно доверять сенсационным открытиям и в чём состоит «правда о старении»?

Профессор Н. Н. Мушкамбаров. Фото Андрея Афанасьева.

Август Вейсман (1834-1914) - немецкий зоолог и эволюционист. Создал теорию, согласно которой наследственные признаки сохраняются и передаются через нестареющую зародышевую плазму.

Леонард Хейфлик - американский микробиолог. В 1960-е годы обнаружил, что в лабораторных условиях клетки человека и животных могут делиться лишь ограниченное число раз.

Алексей Матвеевич Оловников - российский биохимик. Для объяснения экспериментов Хейфлика в 1971 году выдвинул гипотезу об укорачивании концевых участков хромосом (теломер) при каждом делении клетки.

Наука и жизнь // Иллюстрации

Элизабет Блэкбёрн и Кэрол Грейдер - американские биологи. В 1985 году открыли фермент теломеразу. Механизм действия теломеразы - повторяющееся кодирование новых нуклеотидных последовательностей на концевых участках теломер и восстановление их исходной дл

Бенджамин Гомперц (1779-1865) - британский математик. Предложил функцию, описывающую статистику смертности человека в зависимости от возраста. Эта функция использовалась для оценки рисков при страховании жизни.

Книга М. М. Виленчика «Биологические основы старения и долголетия», изданная в 1976 году, была одной из первых научно-популярных книг на тему старения и пользовалась огромным успехом.

Схема мейоза (на примере пары гомологичных хромосом). В профазе первого деления мейоза хромосомы удваиваются; затем гомологичные хромосомы конъюгируют друг с другом и, сохраняя свою активность, вступают в кроссинговер.

На вопросы специального корреспондента журнала «Наука и жизнь» Наталии Лесковой отвечает доктор биологических наук, профессор кафедры гистологии Московского государственного медицинского университета им. И. М. Сеченова Николай Мушкамбаров.

Николай Николаевич, вы резко критикуете многие получившие широкую известность положения современной геронтологии. Пожалуйста, обрисуйте объекты вашей критики.

Объектов хоть отбавляй! Например, сейчас модно ссылаться на Вейсмана чуть ли не как на истину в последней инстанции. Это знаменитый биолог, который ещё в XIX веке постулировал, что старение возникло в эволюции не сразу, а лишь на каком-то её этапе как приспособительное явление. Отсюда сделали вывод, что должны быть нестареющие виды: в первую очередь наиболее примитивные организмы. При этом как-то забывают, что если они не стареют, то у них должна быть 100%-ная репарация ДНК. Это у самых-то примитивных! Как-то не вяжется одно с другим.

Есть миф, связанный с именем другого известного биолога - Леонарда Хейфлика. С шестидесятых годов прошлого века научный мир пребывает в уверенности, что соматическим клеткам человека положен предел в 50 делений, и такой лимит в биологии называют «пределом Хейфлика». Лет двадцать назад выделили стволовые клетки, способные якобы к неограниченному числу делений. И этот миф (50 у всех и бесконечность у стволовых клеток) сохраняется в умах и поныне. На самом же деле и стволовые клетки, как выясняется, стареют (то есть бесконечность отменяется), и совсем непонятно, откуда вести отсчёт этих самых 50 делений. Настолько непонятно, что, скорее всего, какого-то одного лимита делений, универсального для всех делящихся клеток человека, не существует.

- Ну а теломерная теория старения? Она тоже вызывает у вас недоверие?

Это самый популярный миф. Согласно этой теории, весь механизм старения сводится к тому, что в делящихся клетках отсутствует фермент теломераза, удлиняющий концы хромосом (эти концы называются теломерами), и потому при каждом делении происходит укорочение теломер на 50-100 нуклеотидных пар ДНК. Фермент теломераза действительно существует, и его открытие отмечено Нобелевской премией 2009 года. И феномен укорочения хромосом в делящихся клетках, лишённых теломеразы, тоже не вызывает сомнения (хотя обусловлен немного не той причиной, на которую указывал автор теломерной теории Алексей Оловников). Но сводить к этому феномену старение - всё равно, что заменить сложнейшую партитуру симфонии нотами стука по барабану. Неслучайно в 2003 году А. Оловников публично от своей теории отказался, заменив на так называемую редумерную теорию (тоже, кстати, не бесспорную). Но до сих пор даже в медицинских вузах в курсе биологии излагают теломерную теорию в качестве последнего достижения научной мысли. Это, конечно, абсурд.

Ещё один пример - из статистики смертности. Главная формула этой статистики - уравнение Гомперца, предложенное в 1825 году, или, с поправочным членом, уравнение Гомперца-Мейкема (1860 г.). В этих уравнениях соответственно есть два и три коэффициента, причём значения коэффициентов сильно варьируют для разных популяций людей. И вот, оказывается, изменения коэффициентов каждого уравнения коррелируют друг с другом. На основании чего формулируются глобальные, общемировые закономерности: так называемая корреляция Стрелера-Милдвана и сменивший её на этом посту компенсационный эффект смертности - гипотеза супругов Гавриловых.

Я же составил небольшую модель для условной популяции людей и с её помощью убедился, что все эти закономерности, скорее всего, артефакт. Дело в том, что небольшая погрешность в определении одного коэффициента создаёт резкое отклонение от истинного значения другого коэффициента. А это воспринимается (в полулогарифмических координатах) как биологически значимая корреляция и служит посылом для глубокомысленных заключений.

- Уверены ли вы в своей правоте, говоря об артефакте?

Конечно, нет! Учёным вообще вредно быть в чём-то абсолютно уверенными, хотя таких примеров предостаточно. Но я сделал всё, что в силах, чтобы проверить обратное: то, что корреляции не артефакт. И вот убедиться в этом обратном мне не удалось. Так что пока на основании личного, очень скромного по масштабу, анализа у меня больше оснований считать, что названные корреляции всё-таки искусственные. Они отражают погрешности метода, а не биологические закономерности.

А как вы оцениваете заявления о том, что в природе существует огромное количество нестареющих организмов и их список год от года растёт?

Увы, популярные теории о том, что существуют как нестареющие клетки, так и нестареющие организмы, лишены достаточных оснований. Действительно, с каждым годом круг «нестареющих» животных неумолимо расширяется. Вначале это были практически только одноклеточные, затем к ним добавили низших многоклеточных (гидр, моллюсков, морских ежей и др.). А теперь появились горячие головы, которые «обнаруживают» отдельные нестареющие виды даже среди рыб, рептилий и птиц. Так пойдёт - скоро доберутся и до млекопитающих и установят, например, что и слоны тоже не стареют, а погибают просто из-за избыточной массы тела!

- Вы убеждены, что нестареющих животных нет?

Я убеждён не в том, что таких животных нет (хотя и склоняюсь к этому), а в том, что нет ни единого вида животных, для которых отсутствие старения было бы доказано абсолютно надёжно. В отношении же клеток человека (равно как клеток и прочих представителей животного мира) степень уверенности, пожалуй, ещё выше: и стволовые, и половые, и даже опухолевые клетки, в принципе, стареют. Уж куда как бесспорно нестареющими считались стволовые клетки, - а теперь появляются экспериментальные работы, доказывающие противное.

- На чём основывается такая уверенность? Вы сами проводили соответствующие эксперименты?

Вообще говоря, очень давно, в 1977-1980 годах, я пытался подступиться к проблеме старения в экспериментах на мышах. Но не очень надёжные результаты (хотя вроде бы и подтверждающие исходное предположение) убедили, что лучше всё-таки заниматься не экспериментом, а анализом. И вот один из итогов этого анализа - концепция «Анерем», или амейотическая теория старения. Она включает шесть тезисов (если хотите, постулатов), из которых один (самый первый) - чисто моё творчество, а остальные сформулированы на основании уже имевшихся в литературе представлений. Ну и, конечно, важно, что все эти тезисы составили в целом достаточно чёткую картину.

Так вот, именно амейотическая концепция, если её придерживаться, исключает возможность существования и нестареющих клеток в многоклеточных организмах, и нестареющих организмов (начиная с одноклеточных). При этом, конечно, я отдаю себе отчёт, что все тезисы концепции - пока ещё гипотезы. Но они представляются гораздо более обоснованными, чем прочие взгляды.

Значит, ваша концепция вроде тестера, с помощью которого можно оценить, условно говоря, истинность тех или иных предположений? В таком случае расскажите о ней подробнее.

Постараюсь сделать это максимально доступно. Само название концепции («Анерем») представляет собой аббревиатуру от слов автокатализ, нестабильность, репарация, мейоз. Тезис первый. Помните, прежде было очень известно определение жизни по Энгельсу: «Жизнь есть способ существования белковых тел»? Я пересмотрел это определение и дал своё, которое и составило первый тезис: «Жизнь есть способ автокаталитического умножения ДНК (реже РНК) в природе». Это значит, что движущая сила и возникновения жизни, и последующей её эволюции - это неукротимое стремление нуклеиновых кислот к бесконечному самовоспроизведению. По существу, любой организм - усовершенствованная в эволюции биомашина, предназначенная для эффективного сохранения и умножения содержащегося в нём генома с последующим эффективным распространением его копий в окружающей среде.

- Непривычно ощущать себя биомашиной…

Ничего, ощущение пройдёт, а функция, простите, останется. Тезис второй: «Нестабильность генома - центральный элемент старения». Именно так понимают старение большинство здравомыслящих учёных на Западе, да и у нас. Дело в том, что, при всех своих замечательных способностях, нуклеиновые кислоты подвержены повреждающему воздействию множества факторов - свободных радикалов, активных форм кислорода и т.д. И хотя в эволюции было создано немало защитных систем (таких, как антиоксидантная система), в нитях ДНК постоянно возникают многочисленные повреждения. Для их обнаружения и исправления существует ещё одна защитная система - репарации (восстановления) ДНК. Следующий тезис, третий, - это фильтр, который отсеивает всё «нестареющее»: «Репарация генома в митотических и постмитотических клетках не является полной». То есть любая система репарации в указанных клетках не обеспечивает 100%-ного исправления всех возникающих дефектов ДНК. А это и означает всеобщий характер старения.

- Но если всё и вся стареет, то как же вообще поддерживается жизнь на Земле?

Вот-вот, этим вопросом заинтересовался и я в 1977 году. И нашёл, как мне показалось, свой собственный, хотя и лежащий на поверхности, ответ. А через 25 лет, в 2002-м, перебирая свои старые книги, понял, что гипотеза эта вовсе не моя, а я о ней читал за год до того в книге М. М. Виленчика, благополучно забыл и потом вспомнил, но воспринял как свою собственную. Вот такие причуды памяти. Но, в конце концов, важна суть дела, а не амбиции первооткрывателя.

Суть же формулируется тезисом четвёртым: «Эффективная репарация может быть достигнута только в мейозе (или в его упрощённом варианте - эндомиксисе) - при конъюгации (слиянии) хромосом». Что такое мейоз, все вроде бы проходили в школе, но, к сожалению, этого не знают порой даже наши студенты-медики. Напоминаю: мейоз - это последнее двукратное деление при образовании половых клеток - сперматозоидов и яйцеклеток. Кстати, по секрету сообщу: у женщин яйцеклеток не образуется. У них второе мейотическое деление (на стадии ооцита II - развития женской половой клетки) не может происходить самостоятельно - без помощи сперматозоида. Потому что клетка куда-то «затеряла» свои центриоли (тельца в клетке, участвующие в делении): только что (при предыдущем делении) были, а теперь вот куда-то делись. И требуется непременно оплодотворение ооцита II, чтобы сперматозоид привнёс свои центриоли и спас положение. Я это рассматриваю как типичные «женские штучки». Так что второе деление мейоза в конце концов происходит, но образующаяся в результате клетка - это уже не яйцеклетка, а зигота.

Мы увлеклись «женскими штучками» и не прояснили, каким же образом достигается полная репарация ДНК в мейозе.

Первому делению мейоза предшествует очень длительная профаза: в мужском гаметогенезе она продолжается целый месяц, а в женском - до нескольких десятков лет! В это время гомологичные хромосомы сближаются друг с другом и в таком состоянии пребывают почти всё время профазы.

При этом резко активируются ферменты, разрезающие и сшивающие нити ДНК. Считалось, что это необходимо только для кроссинговера - обмена хромосом своими участками, что увеличивает генетическую вариабельность вида. Действительно, «папины» и «мамины» гены, до сих пор распределённые в каждой паре гомологичных (одинаковых структурно) хромосом по разным хромосомам, после кроссинговера оказываются перемешанными.

Но М. М. Виленчик, а вслед за ним и я, обратил внимание на то, что ферменты кроссинговера уж очень напоминают ферменты репарации ДНК, при которой, вырезая повреждённые участки, тоже надо разрывать и сшивать нити ДНК. То есть одновременно с кроссинговером, вероятно, осуществляется суперрепарация ДНК. Можно представить и другие механизмы капитального «ремонта» генов в ходе мейоза. Так или иначе, при этом происходит радикальное (точнее, полное) «омоложение» клеток, отчего зрелые половые клетки начинают отсчёт времени как бы с нуля. Если же что-то не получилось, то в клетке срабатывают датчики самоконтроля за состоянием собственной ДНК и запускается процесс апоптоза - само-
убийства клетки.

- Значит, в природе омоложение происходит только у созревающих половых клеток?

Совершенно верно. Но этого вполне достаточно для обеспечения бессмертия вида - на фоне, увы, неотвратимой смертности всех индивидов. Ведь половые клетки - и только они! - тот единственный материальный субстрат родительских организмов, из которого зарождается новая жизнь - жизнь потомства.

И о том, что этот механизм касается лишь половых клеток, идёт речь в двух оставшихся тезисах концепции, которые расставляют все точки над i. Тезис пятый: «Мейоз улучшает состояние генома только последующих поколений (сразу нескольких поколений у простых организмов и лишь одного у всех прочих)». Тезис шестой: «Отсюда следуют неотвратимость старения индивидуумов (особей) и относительное бессмертие вида в целом».

- А что, мейоз есть у всех видов животных?

Он должен быть у всех видов животных - согласно концепции «Анерем», если она окажется верной. Действительно, концепция исходит из всеобщности не только старения, но и мейоза. Я тщательно исследовал этот вопрос по литературным данным. Конечно, у достаточно развитых животных - у рыб и «выше» - имеется только половой способ размножения, который подразумевает и наличие мейоза. Кроме того, существуют огромные секторы и флоры и фауны, в которых распространены смешанные типы размножения. Это означает, что у них чередуются более или менее продолжительные акты бесполого размножения (например, митотические деления, спорообразование, почкование, фрагментация и т.д.) и единичные акты полового или квазиполового размножения. Существенная черта квазиполового процесса (так называемого эндомиксиса) состоит в том, что здесь тоже происходит соединение структурно одинаковых хромосом из отцовского и материнского набора (конъюгация гомологичных хромосом), хотя оно и не завершается их расхождением по разным клеткам.

Таким образом, при смешанном размножении несколько поколений организмов живут, как бы постепенно старея (подобно тому, как у более сложных животных стареют митотически делящиеся клетки), а затем половой процесс возвращает отдельные организмы к «нулевому» возрасту и обес-
печивает безбедную жизнь ещё нескольким поколениям. И наконец, считается, что ряд простых животных размножается только бесполым путём. Но в их отношении у меня остаётся некоторое сомнение: не просмотрели ли у этих организмов в длинной череде бесполых размножений чего-нибудь похожего на мейоз или эндомиксис (самооплодотворение)?

Получается, что развиваемая вами концепция ставит крест на всех мечтах продлить человеческую жизнь. Ведь обычные (неполовые) клетки обречены стареть и стареть?

Нет, крест я не ставлю. Во-первых, потому, что для нас гораздо важней не сам факт старения, а скорость этого процесса. А воздействовать на скорость старения можно многими средствами. Какие-то из них известны, какие-то (как ионы Скулачёва) - в стадии исследования, какие-то будут открыты позже.

Во-вторых, не исключено, что со временем удастся инициировать некоторые процессы мейоза и в соматических клетках - например, в стволовых и неделящихся. Я имею в виду те процессы, которые восстанавливают состояние генома: это, видимо, конъюгация гомологичных хромосом, кроссинговер или что-то более тонкое и пока неизвестное. Не вижу причин, по которым это было бы в принципе невозможно. В линиях половых клеток в мейоз вступают, в общем, такие же по структуре клетки, как и многие прочие. Причём и после конъюгации хромосом в последних сохраняется активность соответствующих генов. Однако для реализации этого проекта надо предварительно полностью определить гены, ответственные за разные аспекты мейоза, и установить способы целенаправленного воздействия на них. Это, конечно, весьма фантастический проект. Однако разве не казалось фантастикой вчера многое из того, что мы имеем сегодня?!

Мейоз — важнейший процесс клеточного деления, происходящего накануне формирования половых клеток и открытый еще в конце XIX в., долгое время оставался предметом пристального внимания весьма узкого круга цитологов. Он попал в поле зрения молекулярных биологов лишь в 90-х годах XX в. Бурному развитию исследований в этой области способствовали работы по молекулярной генетике модельных объектов, а также появление новых иммуноцитохимических методов, которые дали в руки исследователей удобный способ изучения белков, участвующих в мейозе .

У всех эукариот во время мейоза формируется субмикроскопическая структура, получившая название синаптонемный комплекс (от греч. synaptos — соединенный, пета — нить). Исследование молекулярной организации этого комплекса и его роли в мейозе показало, что он нужен для рекомбинации хромосом и редукции их числа. Об этом и пойдет речь в данной статье.

Но сначала напомним основные сведения о мейозе, состоящем из двух делений: мейоза I и мейоза II. В результате редукционного деления (мейоза I) число хромосом в дочерних клетках уменьшается в два раза по сравнению с набором хромосом родительской клетки. Это происходит потому, что количество ДНК в хромосомах удваивается только один раз перед мейозом I (рис. 1). Двукратная редукция числа хромосом в ходе формирования половых клеток позволяет при оплодотворении восстановить исходное (диплоидное) число хромосом и сохранить его постоянство. Для этого необходимо строгое разделение пар гомологичных хромосом между половыми клетками. При ошибках возникает анеуплоидия — нехватка или избыток хромосом, и этот дисбаланс приводит к гибели зародыша или тяжелым аномалиям развития (у человека к так называемым хромосомным болезням).

Структура и функция синаптонемного комплекса

Синаптонемный комплекс представляет собой две белковые оси гомологичных хромосом, соединяющихся с помощью белковой «застежки-молнии» (рис. 2). Зубцы «застежки» — это палочковидные димеры из параллельно уложенных и одинаково ориентированных белковых молекул с длинной α-спиралью в середине молекулы. У дрожжей S. cerevisiae — это белок Zip1, у млекопитающих и человека — SCP1 (SYCP1). Эти белки своими С-концами закреплены на хромосомных осях (латеральных элементах комплекса), а N-концами направлены навстречу друг другу, внутрь центрального пространства (рис. 3). На N-концах молекул находятся заряженные «шпоры» — чередующиеся пики плотностей положительных и отрицательных зарядов аминокислот (рис. 4), комплементарное взаимодействие которых обеспечивает прочную электростатическую связь зубцов.

Так называемое центральное пространство комплекса (щель между белковыми осями, заполненная зубцами «застежки», шириной около 100 нм), как и весь комплекс (его сечение — порядка 150-200 нм) в обычном световом микроскопе не видны, поскольку весь комплекс замаскирован хроматином. Впервые синаптонемный комплекс увидели на ультратонких (толщиной 0,8 мкм) срезах семенников речного рака и мыши с помощью просвечивающего электронного микроскопа. Его обнаружили в 1956 г. независимо друг от друга два американских исследователя — М. Мозес и Д. В. Фоссет .

Теперь при исследовании комплекса используют так называемый метод микроспредирования. Клетки семенников (или пыльников растений) после гипотонического шока помещают на пластиковую подложку, нанесенную на предметное стекло. Содержимое лопнувшей клетки фиксируется слабым раствором формальдегида и контрастируется солями тяжелых металлов (лучше всего — AgNО 3). Стекло просматривают в фазовоконтрастном микроскопе и по косвенным признакам выбирают клетки, которые должны содержать комплекс. Кружочек пленки с нужной клеткой подхватывают на металлическую сеточку и помещают ее в электронный микроскоп (рис. 5). По необходимости перед контрастированием клетки обрабатывают антителами к интересующим исследователя белкам. Эти антитела метят калиброванными гранулами коллоидного золота, которые хорошо видны в электронном микроскопе.

В ходе профазы мейоза I синаптонемный комплекс удерживает параллельно расположенные гомологичные хромосомы почти до момента их построения на экваторе клетки (метафаза I). Хромосомы соединяются с помощью синаптонемного комплекса на некоторое время (от 2 ч у дрожжей до 2-3 сут. у человека), в течение которого между гомологичными хромосомами совершается обмен гомологичными участками ДНК — кроссинговер . В кроссинговере, происходящем с частотой не менее одного события (чаще — два, реже три или четыре) на пару гомологичных хромосом, участвуют десятки специфичных для мейоза белков-ферментов.

Молекулярный механизм кроссинговера и его генетические последствия — это две большие темы, выходящие за рамки задач данного рассказа. Нас этот процесс интересует потому, что в результате него гомологичные хромосомы прочно связываются перекрещенными молекулами ДНК (хиазмами) и необходимость попарного удержания хромосомы с помощью синаптонемного комплекса отпадает (после завершения кроссинговера комплекс исчезает). Гомологичные хромосомы, соединенные хиазмами, выстраиваются на экваторе веретена клеточного деления и расходятся с помощью нитей веретена клеточного деления в разные клетки. После завершения мейоза число хромосом в дочерних клетках уменьшается вдвое.

Итак, только накануне мейоза I структура хромосом радикально меняется. Очень специфическая внутриядерная и межхромосомная структура — синаптонемный комплекс — возникает один раз в жизненном цикле организма на короткое время для попарного соединения гомологичных хромосом и кроссинговера, а затем демонтируется. Эти и многие другие события в ходе мейоза на молекулярном и субклеточном (ультраструктурном) уровнях обеспечиваются работой многочисленных белков, выполняющих структурные, каталитические и кинетические (моторные) функции.

Белки синаптонемного комплекса

Еще в далекие 70-е годы мы получили косвенные доказательства того, что синаптонемный комплекс формируется путем самосборки его элементов, которая может происходить и в отсутствие хромосом. Эксперимент поставила сама природа, а нам удалось его наблюдать. Оказалось, что у свиной аскариды в цитоплазме клеток, готовящихся к мейозу I, появляются пакеты или «штабеля» абсолютно правильно уложенных морфологических элементов синаптонемного комплекса (хотя в цитоплазме нет хромосом: они — в ядре). Поскольку на стадии подготовки клеток к мейозу в клеточных ядрах еще нет синаптонемного комплекса, появилось предположение о несовершенстве контроля очередности событий мейоза у этого примитивного организма. Избыток новосинтезированных белков в цитоплазме приводит к их полимеризации и возникновению структуры, не отличающейся от синаптонемного комплекса . Эта гипотеза получила подтверждение только в 2005 г. благодаря работе интернациональной группы исследователей, работающих в Германии и Швеции. Они показали, что если ген, кодирующий белок зубцов «застежки-молнии» млекопитающих (SCP1), внедрить в соматические клетки, растущие на искусственной питательной среде, и активировать его, то внутри культивируемых клеток возникает мощная сеть из белков SCP1, «застегнутых» между собой так же, как в центральном пространстве комплекса. Формирование слоя из сплошных белковых «застежек-молний» в культуре клеток означает, что предсказанная нами способность белков комплекса к самосборке доказана .

В 1989 и в 2001 гг. сотрудники нашей лаборатории О. Л. Коломиец и Ю. С. Федотова исследовали естественный «демонтаж» синаптонемных комплексов на завершающих этапах их существования. Этот многоэтапный процесс лучше всего удалось проследить на материнских клетках пыльцы в пыльниках ржи, где есть частичная синхронность мейоза . Выяснилось, что латеральные элементы комплекса демонтируются путем постепенного «раскручивания» белковой суперспирали, имеющей три уровня упаковки (рис. 6).

Основа протяженных латеральных элементов — комплекс из четырех белков когезинов (от англ. cohesion — сцепление). Накануне мейоза в хромосомах появляется специфичный белок когезин Rec8, который заменяет соматический когезин Rad21. Затем к нему присоединяются три других белка-когезина, присутствующие и в соматических клетках, но вместо соматического когезина SMC1 появляется специфический для мейоза белок SMC1b (его N-конец на 50% отличается от N-конца соматического белка SMC1). Этот когезиновый комплекс располагается внутри хромосомы между двумя сестринскими хроматидами, удерживая их вместе. С комплексом когезинов связываются мейоз-специфичные белки, которые становятся мажорными белками хромосомных осей и превращают их (эти оси) в латеральные элементы синаптонемного комплекса . У млекопитающих мажорные белки синаптонемного комплекса — SCP2 и SCP3, у дрожжей белки Hop1 и Red1, а мейоз-специфичный белок — Rec8.

Эволюционный парадокс белков

У млекопитающих и дрожжей белки синаптонемного комплекса имеют разные аминокислотные последовательности, но их вторичная и третичная структуры одинаковы. Так, белок «застежки-молнии» SCP1 у млекопитающих и негомологичный ему белок Zip1 у дрожжей построены по единому плану. Они состоят из трех аминокислотных доменов: центральный — α-спираль, способная к формированию спирали второго порядка (суперспирализации), и два концевых домена — глобулы. Мажорные белки SCP2 и SCP3, не имеющие никакой гомологии с белками Hop1 и Red1 дрожжей и, видимо, с еще недостаточно изученными белками комплекса у растений, также строят морфологически и функционально одинаковые структуры синаптонемного комплекса . Это значит, что первичная структура (последовательность аминокислот) этих белков — эволюционно нейтральный признак.

Итак, негомологичные белки у эволюционно далеких организмов строят синаптонемный комплекс по единому плану. Объясняя этот феномен, воспользуюсь аналогией со строительством домов из разных материалов, но по единому плану Важно, чтобы в таких домах были стены, перекрытия, крыша и чтобы строительные материалы соответствовали условиям прочности. Равным образом, при формировании синаптонемного комплекса необходимы латеральные элементы («стены»), поперечные филаменты (зубцы «застежки-молнии») — «перекрытия» и центральное пространство (помещение для «кухни»). Там должны поместиться «кухонные роботы» — комплексы ферментов рекомбинации, собранные в так называемые «рекомбинационные узелки».

Ширина центрального пространства синаптонемного комплекса у дрожжей, кукурузы и человека составляет примерно 100 нм. Это обусловлено длиной односпиральных участков ДНК, покрытых белком рекомбинации Rad51. Этот белок относится к группе ферментов (подобных бактериальному белку рекомбинации RecA), которые сохраняют гомологию со времен появления рекомбинации молекул ДНК (примерно 3,5 млрд лет назад). Неизбежность гомологии белков рекомбинации у далеких организмов определяется их функцией: они взаимодействуют с двойной спиралью ДНК (одинаковой у бактерий и млекопитающих), разделяя ее на односпиральные нити, покрывают их белковым чехлом, переносят одну нить в гомологичную хромосому и там снова восстанавливают двойную спираль. Естественно, что большинство ферментов, участвующих в этих процессах, сохраняют гомологию более 3 млрд лет. В противоположность им синаптонемные комплексы, появившиеся у эукариот после возникновения мейоза (около 850 млн лет назад), построены из негомологичных белков... но схема их доменного строения одинакова. Откуда взялась эта схема?

Подсказкой служит упомянутый белок Rec8, с которого начинается формирование хромосомных осей в цикле мейоза и который есть у всех изученных организмов. Можно предположить, что строительным материалом для осей мейотических хромосом и латеральных элементов синаптонемного комплекса могут быть любые итермедиатные белки, которые способны образовывать волокнистую структуру (SCP2, Hop1 и др.), взаимодействовать с когезином Rec8 и «осаждаться» на нем, как бетон на металлической арматуре.

В последние годы, испытывая трудности в проведении экспериментальной работы из-за недостаточного финансирования, мы стали активно использовать методы биоинформатики. Нас интересовал белок «застежки-молнии» у дрозофилы. Учитывая сходство вторичной и третичной структур белков Zip1 дрожжей и SCP1 человека, мы предположили, что белок «застежки-молнии» у дрозофилы имеет такое же строение. Мы приступили к работе в 2001 г., когда геном дрозофилы уже был секвенирован и стало известно, что в нем имеется примерно 13 тыс. потенциальных генов. Как же найти ген для искомого нами белка?

Среди 125 известных к тому времени генов мейоза у дрозофилы мы предвидели лишь одного кандидата на эту роль. Дело в том, что мутация гена c(3)G лишала хромосомы способности соединяться попарно с помощью «застежки-молнии» и вступать в рекомбинацию. Мы предположили, что у мутантов дефектен белок, формирующий субмикроскопические зубцы «застежки». Вторичная структура и конформация искомого белка должна быть аналогична белкам Zip1 и SCP1.

Зная, что ген c(3)G находится у дрозофилы в хромосоме 3, мы искали в базе данных об этом районе (составляющем 700 тыс. пар нуклеотидов) такую открытую рамку считывания, которая могла бы кодировать похожий белок. Мы понимали, что при отсутствии гомологии в первичной структуре искомого белка и дрожжевого их размер, организация (из трех доменов) и способность центрального домена формировать α-спираль определенной длины (около 40 нм) должны быть аналогичными. Об этом говорило сходство электронно-микроскопической картины синаптонемного комплекса в мейозе у дрожжей и у дрозофилы.

Просмотрели открытые рамки считывания почти для 80 генов в районе поиска. С помощью компьютерных программ, позволяющих прогнозировать вторичную структуру виртуального белка, его физико-химические свойства и распределение электростатических зарядов в молекулах, Т. М. Гришаева нашла такую рамку считывания на границе зоны локализации гена c(3)G. (Это не очень точно предсказали японские генетики на микроскопической карте хромосом.) Им оказался ген CG1J604 по геномной карте компании «Селера».

Мы заключили, что этот виртуальный ген должен быть давно известным геном c(3)G и кодировать белок, аналогичный белку Zip1 дрожжей. В ответ на наше сообщение мы получили электронное письмо из США от С. Хоули. Он экспериментально доказал, что ген c(3)G кодирует белок, формирующий «застежку-молнию» между хромосомами в мейозе у дрозофилы . Результаты наших работ совпали, но экспериментальная работа группы Хоули заняла около семи лет, а наша компьютерная работа силами трех человек — лишь около трех месяцев. Статьи вышли из печати одновременно. В 2003 г. мы опубликовали метод наших компьютерных поисков и привели примеры аналогичных виртуальных белков у других организмов . Эту работу сейчас охотно цитируют зарубежные коллеги, и наш метод успешно работает в их руках в сочетании с экспериментальной проверкой. Так, в 2005 г. группа английских биологов обнаружила ген и белок зубцов «застежки-молнии» у растения Arabidopsis thaliana .

В заключение приведу пример еще одной находки в области молекулярной биологии мейоза, но надо начать с митоза. Для того чтобы в анафазе митоза хроматиды разошлись, нужно разрушить «склеивающий» их когезин. Гидролиз когезинов во время митоза — это генетически программируемое событие. А вот в метафазе мейоза I, когда гомологичные хромосомы выстроены на экваторе клетки и белковое веретено готово растащить их к полюсам, гидролиз когезинов оказывается невозможным. Именно поэтому обе хроматиды каждой хромосомы, склеенные между собой в области кинетического центра хромосом (кинетохора), направляются к одному полюсу (см. рис. 1). В конце 90-х годов японские исследователи, изучая мейоз у дрожжей, установили, что в районе кинетохора когезины защищены белком, названным ими шугошином (корень этого термина взят из лексикона самураев и означает защиту). Очень быстро мировое сообщество исследователей мейоза пришло к выводу, что аналогичные белки-шугошины есть у дрозофилы, у кукурузы и у других объектов. При этом гены, «запрещающие» разъединение хроматид в мейозе I у дрозофилы, были известны лет за 10 до этого, но их белковый продукт не был расшифрован. А в 2005 г. группа американских исследователей из Калифорнийского университета в Беркли, среди которых и наша соотечественница и моя давняя коллега по исследованию мейоза И. Н. Голубовская, сообщила, что во время метафазы I мейоза в хромосомах кукурузы шугошин ZmSGO1 расположен по обе стороны от кинетохоров, причем появляется он в этом районе только в том случае, если там уже есть когезин Rec8, которого он и защищает от гидролиза (но только в мейозе I). Эти результаты получены с помощью флюоресцирующих антител к белкам и конфокального микроскопа . Остается добавить, что японские исследователи тут же сообщили, что шугошин защищает Rec8 от гидролиза, если шугошин дефосфорилирован. Фосфорилирование и дефосфорилирование, так же как ацетилирование и деацетилирование, — важные модификации, меняющие свойства белковых молекул.

Прикладной аспект

Все рассказанное — красивая фундаментальная наука, а можно ли использовать эти знания в практических целях? Можно. Еще в середине 80-х годов британские исследователи и наша лаборатория на разных экспериментальных моделях доказали, что, используя микроспреды синаптонемных комплексов, можно выявить в два раза больше хромосомных перестроек (делеций, транслокаций, инверсий) по сравнению с традиционным методом анализа хромосом на стадии метафазы (рис. 7). Дело в том, что синаптонемный комплекс — скелетная структура мейотических хромосом в профазе. В это время хромосомы примерно в 10 раз длиннее, что значительно повышает разрешающую способность анализа. Однако исследовать запутанные в клубок профазные хромосомы практически невозможно, а жесткие скелетные структуры си-наптонемного комплекса не боятся распластывания, и, кроме того, электронный микроскоп способен различать миниаберрации, недоступные световому микроскопу.

Мы задались вопросом: можно ли установить причину стерильности потомства облученных мышей, изучая не хромосомы, а синаптонемный комплекс? Оказалось, что у стерильных мышей, унаследовавших от родителей хромосомные транслокации, эти перестройки выявляются с помощью комплекса в 100% исследуемых клеток, а при обычных методах «метафазного» анализа — лишь в 50% клеток . Группа испанских исследователей обследовала более 1 тыс. мужчин, страдающих бесплодием. У трети из них причину бесплодия ранее не удавалось установить, а изучение синаптонемного комплекса из клеток семенников этих пациентов позволило половине из них поставить диагноз: причина бесплодия в отсутствии синаптонемного комплекса, из-за чего сперматоциты (клетки-предшественники сперматозоидов) не развиваются, т. е. наблюдался «арест» процесса мейоза и всего сперматогенеза . Аналогичные результаты получены О. Л. Коломиец совместно с врачами из Харькова. Исследование синаптонемного комплекса в сочетании с другими методами анализа повышает процент выявления причин бесплодия у обследованных пациентов-мужчин с 17 до 30% . Некоторые английские клиники уже в 90-х годах XX в. активно использовали подобные методы. Такая диагностика, конечно, требует высокой теоретической и практической квалификации врачей и использования электронных микроскопов. Российские лаборатории еще не достигли такого уровня, за исключением Института общей генетики им. Н. И. Вавилова РАН (Москва) и Института цитологии и генетики СО РАН (Новосибирск).

Можно думать, что интенсивные исследования механизмов мейоза неизбежно приведут к применению полученных знаний в тех областях биологии и медицины, которые связаны с фертильностью живых организмов, включая человека. Однако закон применения научных достижений на практике неизменен: «внедрять» что-либо силой — бесполезно. Практики сами должны следить за достижениями науки и использовать их. Именно такой подход применяют передовые фармакологические и биотехнологические фирмы.

От открытия мейоза (1885) до открытия синаптонемного комплекса (1956) прошло примерно 70 лет, а с 1956 г. до открытия белков синаптонемного комплекса (1986) — еще 30. За последующие 20 лет мы узнали структуру этих белков, кодирующие их гены, взаимодействие белков при построении и работе синаптонемных комплексов, в частности, их взаимодействие с белками-ферментами рекомбинации ДНК и т. д., т. е. больше, чем за предшествующий 30-летний период описательных цитологических исследований. Возможно, для расшифровки основных молекулярных механизмов мейоза потребуется не более двух десятков лет. История науки, как и всей цивилизации, характеризуется «сжатием времени», нарастающим уплотнением событий и открытий.

Литература:

1. Page S.L., Hawley R.S. // Annu. Rev. Cell Develop. Biol. 2004. V. 20. P. 525-558.
2. Moses M.J. //Chromosoma. 2006. V. 115. P. 152-154.
3. Bogdanov Yu.F. // Chromosoma. 1977. V. 61. P. 1-21.
4. OllingerR. et al. //Moll. Biol. Cell. 2005. V. 16. P. 212-217.
5. Fedotova Y.S. et al. // Genome. 1989. V. 32. P. 816-823; Коломиец О.Л. и др. // Биологические мембраны. 2001. Т. 18. С. 230-239.
6. Bogdanov Yu.F. et al. // Int. Review. Cytol. 2007. V. 257. P. 83-142.
7. Богданов Ю.Ф. // Онтогенез. 2004. T. 35. №6. C. 415-423.
8. Grishaeva T.M. et al. // Drosophila Inform. Serv. 2001. V. 84. P. 84-89.
9. Page S.L., Hawley R.S. // Genes Develop. 2001. V. 15. P. 3130-3143.
10. Bogdanov Yu.F. et al. // In Silico Biol. 2003. V. 3. P. 173-185.
11. Osman K. et al. // Chromosoma. 2006. V. 115. P. 212-219.
12. Hamant O., Golubovskaya I. et al. // Curr. Biol. 2005. V. 15. P. 948-954.
13. Kalikinskaya E.I. et al. // Mut. Res. 1986. V. 174. P. 59-65.
14. Egozcue J. et al. // Hum. Genet. 1983. V. 65. P. 185-188; Carrara R. et al. // Genet. Mol. Biol. 2004. V. 27. P. 477-482.
15. Богданов Ю.Ф., Коломиец О.Л. Синаптонемный комплекс. Индикатор динамики мейоза и изменчивости хромосом. М., 2007.