И.Н. ГОЛУБОВСКАЯ,
доктор биол. наук
Как гены контролируют деление клеток
Процессы деления клеток лежат в основе
роста и размножения любых организмов, развития и
преемственности жизни на Земле. У многоклеточных
организмов с половым размножением различают два
типа деления клеток: митоз и мейоз. Хотя известны
они давно, их молекулярные механизмы во многом
еще далеки от понимания. Даже у цитологов,
изучающих структуру и функционирование клеток,
есть разногласия о функциях ряда структур,
которые появляются в процессе клеточного
деления.
Центральную роль в обоих типах деления
играет самокопирование и распределение по
дочерним клеткам носителей генов – хромосом. У
растений и животных хромосомы представляют
собой гигантские линейные молекулы ДНК,
связанные с белками. Именно ДНК обладает
свойством самокопирования, или репликации.
Хромосомы не одинаковы по составу ДНК. Каждая из
них содержит лишь часть общего набора генов.
Число и структура хромосом постоянны у
большинства особей одного вида. У высших
организмов набор хромосом парный – половина от
матери, другая – от отца. Такие пары называют
гомологичными.
Суть митоза состоит в репликации
(удвоении) и точном распределении между
дочерними клетками набора хромосом клеточного
ядра. Так обеспечивается воспроизведение
материальных носителей наследственной
информации. В случае же мейоза происходит
сокращение вдвое (редукция) числа хромосом.
Образующиеся в результате мейотического деления
половые клетки, или гаметы, несут лишь по одному
гомологу каждой пары хромосом. Именно
особенности мейоза лежат в основе законов
наследования Менделя и хромосомной теории
наследственности. Независимое наследование
разных генов и их сочетание у потомков основано
на независимом расхождении разных пар
гомологичных хромосом в гаметы. Кроме того, в
мейозе могут обмениваться гены, лежащие и в одной
хромосоме.
Интерес к мейозу особенно возрос в
конце 60-х гг., когда выяснилось, что одни и те же
контролируемые генами ферменты могут принимать
участие в процессах воспроизведения ДНК, обмена
ее отдельных участков, восстановления
повреждений. В последнее время ряд биологов
развивает оригинальную идею, заключающуюся в
том, что мейоз у высших организмов гарантирует
стабильность генетической индивидуальности, т.к.
в процессе мейоза, когда пары хромосом-гомологов
тесно соприкасаются, происходит проверка нитей
ДНК на полную идентичность и восстановление
повреждений сразу в обеих нитях.
Изучение мейоза связало методы и
интересы двух наук: цитологии и генетики. Это
привело к рождению новой ветви знания –
цитогенетики, тесно соприкасающейся с
молекулярной биологией и генной инженерией.
Универсальность мейоза и его этапы
Генетический анализ и изучение мейоза
меня заинтересовали после семилетнего изучения
причин пониженной плодовитости гибридов пшеницы
по сравнению с ее дикими сородичами.
Селекционеров всегда манила перспектива
объединить в одном растении полезность
культурной пшеницы и продуктивность и
устойчивость к внешним повреждающим факторам
дикого пырея. Но эта заманчивая идея создания
гибридных хромосом натолкнулась на сито мейоза.
В мейозе у гибридных растений хромосомы
расходились как попало, и в итоге плодовитость
падала. Стало ясно, что необходимо выяснить
молекулярный механизм гибридизации и то, каким
образом контролируется поведение хромосом.
Генетика обладает надежным
инструментом изучения сложных процессов путем
выявления изменений генов (мутаций), нарушающих
ход отдельных стадий. Объектом, удобным с точки
зрения цитологии и генетики для
систематического поиска и анализа мутаций,
нарушающих мейоз (далее в тексте – мей-мутаций),
оказалась кукуруза. Это растение, прекрасно
изученное и цитологами и генетиками, имеет всего
10 пар относительно крупных хромосом. Кроме того,
у кукурузы уже было найдено несколько
мей-мутаций.
Поиск новых мутаций был основан на
представлении о мейозе как универсальном
биологическом процессе, свойственном всем
эукариотам, т.е. организмам, клетки которых имеют
оформленное ядро. В результате с единых позиций
были систематизированы все имевшиеся
разрозненные данные о проявлении мей-мутаций у
разных объектов – дрожжей, растений, насекомых и
человека, что позволило сформулировать
концепцию генного контроля мейоза. Но прежде чем
изложить ее принципы, необходимо хотя бы в самых
общих чертах описать сложный «танец» хромосом
при мейотическом редукционном делении клетки.
В этом танце цитологи выделяют четыре
основных фигуры, или фазы: профаза, метафаза,
анафаза и телофаза. Суть мейоза можно кратко
выразить так: одна репликация хромосом
приходится на два последовательных деления
клетки. В итоге получаются четыре дочерние
половые клетки, которые имеют вдвое меньшее
число непарных хромосом (рис. 1).
Рис. 1. Схема мейоза (для простоты
показана одна пара хромосом)
Центральное событие начальных этапов
мейоза – таинственный процесс узнавания друг
другом гомологичных хромосом, их попарное
сближение и тесное соприкосновение – синапсис
(от греч. «соединение, связь»). В ходе синапсиса
гомологи обмениваются фрагментами. В световом
микроскопе последствия этого обмена видны как
перекресты, или хиазмы (рис. 2).
Рис. 2. Хиазмы в результате трех
отдельных перекрестов хроматид обеих хромосом
После синаптического танца и обмена
фрагментами хромосомы выстраиваются на экваторе
клетки. В это время они напоминают пары лыж,
сцепленных в районе креплений. Область креплений
у хромосомы носит название центромер. Затем в
клетке появляется специальный нитевой аппарат,
идущий от одного полюса клетки к другому и
получивший образное название веретено. Часть
нитей веретена в метафазе прикрепляется к
центромерам и растаскивает их в разные стороны к
полюсам (стадия анафазы). Хромосома без
центромеры-крепления не может существовать и
сразу же утрачивается, как чемодан без ручки.
Точное расхождение гомологичных пар к
противоположным полюсам лежит в основе
уменьшения их числа вдвое (рис. 3, а).
Рис. 3. Механизм упорядоченного
расположения хромосом в метафазе и их
расхождение в анафазе при первом (a) и втором (б)
делениях мейоза
Во втором делении мейоза центромеры
разделяются, и образовавшиеся ранее (до первого
деления) копии в каждой паре просто расходятся,
после чего образуются еще две дочерние клетки, и
в итоге их получается четыре (рис. 3, б).
Второе деление мейоза в принципе соответствует
митозу. Таков в самом общем виде сценарий
основных цитологических картин мейоза у самых
разных организмов.
Поиск, получение мей-мутацнй и их
коллекция
Анализ мутаций, нарушающих общий ход
мейоза, найденных у разных организмов, позволил
прийти к выводу, что есть по крайней мере семь
ключевых этапов, которые находятся под контролем
генов: 1) запуск мейоза, или переключение деления
с митоза на мейоз; 2) попарное сближение и тесное
соединение (синапсис) гомологичных хромосом; 3)
обмен кусками гомологичных хромосом, или
рекомбинация; 4) образование хиазм; 5) расхождение
гомологичных хромосом и первое деление клетки; 6)
инициация второго деления, протекающего по типу
митоза; 7) собственно разделение каждой клетки
надвое.
До настоящей работы у кукурузы было
найдено лишь восемь мей-мутаций. Из приведенной
выше концепции следовало, что репертуар
мей-мутаций при их целенаправленном поиске может
быть расширен, что и удалось показать на
практике. Как же велся поиск мутаций?
С этой целью были использованы два
метода искусственного мутагенеза, которые резко
увеличивали темпы мутаций: а) химический, когда
клетки подвергаются воздействию определенных
веществ-мутагенов; б) использование клеточных
линий с прыгающими генами, так называемыми
транспозонами, способными перемещаться по
хромосомам и вызывать изменения в самых разных
генах.
Если мейоз нарушен, то прежде всего
страдают половые клетки, или гаметы, и у растений
возникает стерильность одного или обоих полов. У
мужских растений кукурузы стерильные метелки
видны невооруженным глазом на стадии цветения.
Еще легче выявляются початки без зерен –
следствие женской стерильности. С помощью
химического мутагенеза было получено 9 мутаций,
из которых 8 были новыми, ранее неизвестными и
одна мутация являлась вариантом (аллелем) уже
известной мей-мутации (рис. 4).
Рис. 4. Поиск мутаций мейоза в потомстве
гибридов с носителем прыгающих Mu-элементов,
которые часто встраиваются в разные гены и
вызывают мутации. На этом фрагменте родословной
видно, что в отдельных семьях при самоопылении
(знак x ) могут возникать одновременно и мутации
стерильности (ms), и мейоза (am и dsy –
черные кружки). F1 и F2 – поколения скрещиваний,
цифры указывают число нормальных семей и семей,
выщепляющих мутанты: а – нормальная метелка,
видны пыльники; б – метелка стерильного
растения. Слева – нормальный початок
Использование Ми1-транспозона
оказалось еще более плодотворным для получения
новых мей-мутаций. В гибридных клетках, одним из
родителей которых были клетки с транспозоном,
существенно увеличивается темп генетических
изменений. Об этом можно судить по тому, что в
потомстве нередко выщепляются не только мутации
мейоза, но и мутации стерильности и мутации
мейоза. Этим методом было получено более 20
«транспозонных» мей-мутаций.
Многие из найденных генетических
нарушений мейоза были новыми для кукурузы, одна
из мутаций оказалась вообще уникальной для
высших растений. Другие представляли собой
варианты изменений в уже известных ранее генах
мейоза.
Случаи повторного нахождения
аллельных вариантов того или иного гена, как,
например, для гена, запускающего мейоз, или
для гена, контролирующего окончание второго
деления, по всей видимости, указывают на малое
число генов, контролирующих данный ключевой этап
мейоза. Интересно, что мей-мутации оказались
расположены в разных хромосомах.
Объединение хромосом в пары, синапсис
и гены
Мутации, нарушающие синапсис (тесное
сближение) гомологичных хромосом, встречаются
наиболее часто у большинства видов животных и
растений. Генетические нарушения этого типа
хорошо выявляются визуально. В норме 10 пар
гомологичных хромосом в определенном порядке
располагаются в районе экватора клетки. При
делении гомологи расходятся, и каждая дочерняя
клетка получает по 10 хромосом. У
десинаптического мутанта видны одинокие
хромосомы (называемые унивалентами), не нашедшие
своих партнеров. Такие унивалентные хромосомы не
могут быть правильно ориентированы в метафазе и
поэтому беспорядочно распределяются между
полюсами. В результате уже после первого деления
дочерние клетки получают разное число хромосом и
затем погибают.
В конце 50-х гг. американский цитолог
М.Мозес, изучая профазу мейоза у речного рака,
открыл специальную внутриклеточную структуру,
которая обеспечивает синаптическое сближение
хромосом (рис. 5). Она была названа синаптонемальный
комплекс (СК). Сначала пары хромосом
соединяются боковыми участками СК, а затем
центральный элемент СК соединяет их подобно
застежке-молнии. К середине профазы СК исчезают,
и хромосомы, претерпевшие обмен своими
фрагментами, держатся только в области
перекреста (хиазмы). Это открытие очень облегчило
изучение синаптических мутаций. В результате
исследований можно сделать вывод, что нарушение
самых ранних стадий синапсиса мешает процессу
опознавания гомологов. Анализ ряда других
десинаптических мутаций показал, что у них СК
начинает распадаться преждевременно, и это
приводит к аномалиям расхождения хромосом.
Рис.5. Схематическое изображение
типичного синаптонемального комплекса
Двойные мутанты – ключ к анализу
взаимодействия и расписания действия генов
В потомстве гибридов по разным
мей-мутациям можно получить двойных мутантов,
т.е. растения, содержащие оба типа мей-мутаций.
Анализ хода мейоза у них дает возможность
установить, действуют ли гены независимо или
между ними наблюдается взаимодействие. Ген,
который вступает в действие раньше, блокирует
проявление более позднего гена, поэтому, сочетая
разные мутации, можно выяснить
последовательность вступления генов в действие.
С помощью этого подхода было успешно определено
расписание работы генов, которые контролируют
мейоз у дрожжей. Этот же метод двойных мутантов
был применен для изучения генного контроля
мейоза у высших растений.
Наконец, следует отметить важность
прикладных аспектов проблемы генного контроля
поведения хромосом в мейозе для селекции и
медицины. Малейшее нарушение в расхождении
хромосом в мейозе ведет к нарушению баланса
генов, а следовательно, и к аномалиям развития и
плодовитости, к тому, что называется
хромосомными болезнями. Например, у человека
сбой в ходе мейоза, приводящий к задержке в
расхождении 21-й пары хромосом, ведет к болезни
Дауна. Хорошо известны печальные последствия
нарушения в расхождении хромосом, определяющих
пол у человека. Массовое цитогенетическое
обследование показало, что среди нарушений,
приводящих к стерильности у мужчин, весомая доля
приходится на мутации мейоза.
В наступившую эру генетической
инженерии, когда стало возможным создавать
организмы с новыми свойствами, пересаживая
фрагменты с определенными генами из хромосом
одного вида в хромосомы другого, никто заранее не
может сказать, пройдет ли созданная
генно-инженерная конструкция «отдел
технического контроля» мейоза, будет ли она
стабильно передаваться через гаметы. И лишь
знание действия генов мейоза даст возможность
контролировать этот процесс.
Краткий словарь терминов
Аллель – один из вариантов гена;
различают нормальные и мутантные аллели.
Веретено – структура, которая
образуется на определенной стадии деления
клетки и обеспечивает расхождение хромосом к
полюсам.
Гамета – половая клетка,
содержащая одиночный набор хромосом.
Гетерозигота – особь с разными
аллелями в данном гене.
Гомозигота – особь с одинаковыми
аллелями в данном гене.
Гомологи – пары хромосом, по
одной от матери и от отца, сходные между собой по
морфологии и составу генов.
Зигота – оплодотворенная
яйцеклетка, которая образуется при слиянии двух
гамет и имеет двойной набор хромосом.
Клеточная линия – клетки
какого-либо определенного типа, которые получены
из растения или животного и размножаются на
искусственных питательных средах.
Мейоз – процесс деления клетки,
который приводит к образованию гамет с
уменьшенным вдвое числом хромосом; состоит из
двух последовательных делений: I и II.
Митоз – деление клетки, при
котором каждая из дочерних клеток получает
точные копии всех хромосом.
Мутаген – вещество, которое
вызывает появление мутаций, т.е. изменений в
последовательности нуклеотидов в генах.
Мутант – особь, несущая
генетическое изменение.
Мутация – любое изменение в гене
или в хромосомах.
Расхождение хромосом –
перемещение хромосом с помощью нитей веретена к
полюсам во время клеточного деления.
Репликация –
самовоспроизведение хромосомы; свойством
репликации обладает и ДНК.
Синапсис – тесное соединение пар
гомологичных хромосом в профазе первого деления
мейоза.
Синаптонемальный комплекс (СК) –
белковая нитевидная структура, которая
возникает в профазе мейоза и обеспечивает
синапсис гомологичных хромосом.
Транспозон – генетический
элемент, способный перемещаться по хромосоме и
вызывать мутации генов при встраивании в район
их расположения.
Хиазма – видимый в микроскоп
участок, в области которого гомологи
обмениваются фрагментами в профазе мейоза.
Хромосома – вместилище генов,
гигантская линейная молекула клеточного ядра,
состоящая из комплекса нуклеиновой кислоты (ДНК)
и белков.
Центромер – область хромосомы,
куда прикрепляются нити веретена и перемещают ее
к тому или иному полюсу во время деления клетки.
|