Молекулярная биология клетки Глава 4

11

Цитоплазматический контроль активности хромосом

Яйцеклетка — гетерогенная, химически преформированная высокоспециализированная клетка организма. Томас Морган предложил процесс созревания яйцеклетки считать точкой отсчёта онтогенеза, поскольку именно в ходе созревания яйцеклетки закладывается план будущего строения организма. Ядро развивающегося овоцита содержит диплоидный набор хромосом, состоящих из двух хроматид (2n4c), активно синтезирует мРНК, работает с опережением (на будущее).

Сегрегационные гены. В цитоплазме накапливаются самые разнообразные мРНК, специфически распределённые в цитоплазме. В результате ооплазматической сегрегации возникает полярный градиент распределения биологически активных веществ. В яйцеклетке можно выделить три системы генов материнского эффекта, контролирующих формирование трёх градиентов: анимально-вегетативного, дорсо-вентрального и формирования специфических краниальных и каудальных структур. Сегрегационные гены материнского эффекта контролируют активность gap- генов, pair-rule генов и генов сегментарной полярности, последовательно осуществляющихсегментациюразвивающегося зародыша.

Партеногенез (греч. partenos — девственница) — термин, заимствованный в биологии из библейский писаний (Иисус был зачат только могуществом Святого Духа во чреве Девы Марии “от Духа Святого без мужского семени”). Партеногенез или «девственное размножение», — одна из форм полового размножения, при которой яйцеклетка развивается в полноценный организм без оплодотворения. В животном мире партеногенетически (из неоплодотворенного яйца) развиваются некоторые членистоногие и пресмыкающиеся, например, ящерицы. Партеногенез у комодского варана обеспечивает механизм слияния яйцеклетки с полярным тельцем, имитирующим сперматозоид.

Индуцированный партеногенез у млекопитающих — способ получения эмбриональных стволовых клеток (ЭСК) путём стимулирования дробления неоплодотворённой яйцеклетки с образованием бластоцисты. Яйцеклетку млекопитающих на стадии овоцита первого порядка с диплоидным набором хромосом культивируют в специфической питательной среде, индуцирующей дробление яйцеклетки. На 5-6 сутки дробления из активированный яйцеклетки формируется бластоциста. Партеногенетические эмбрионы млекопитающих не способны формировать внезародышевые структуры и, следовательно, не могут развиться в полноценный организм. Однако, внутренняя клеточная масса бластоцисты состоит из плюрипотентных клеток, напоминающих ЭСК с кариотипом 46, XX.

12

Клонирование. Функциональное состояние ядра зависит от вида цитоплазмы, в которой находится ядро. Ядро выдаёт наследственную информацию в соответствии с цитоплазматическим окружением. Переход ядра в новое функциональное состояние характеризуется накоплением в ядре цитоплазматических белков, в результате чего ядра в разных клеточных типах проявляются дифференциальной экспрессией генов. Обратимость изменений в ядрах дифференцированных соматических клеток была установлена в 60-е годы ХХ века. Джон Гердон (Оксфорд, Великобритания) трансплантировалядро клетки кишечника взрослых лягушек в облучённое яйцо лягушки. Около 1% таких яиц развивался во взрослых лягушек. В 2012 году Джон Гердон был удостоен Нобелевской премии по физиологии и медицине. Клонирование стало общеизвестным в 1997 г., когда Ян Вильмут (Эдинбург, Шотландия) клонировал овцу Долли (рис. 4-4). В 2012 г учёные палеонтологической экспедиции «Яна-2012» заявили о готовности с помощью клонирования воссоздать мамонта, вымершего более 10 тыс лет назад. Для этого необходимо обнаружить живые клетки в теле замершего мамонта, пересадить одно полноценное ядро в яйцеклетку азиатского слона и трансплантировать зародыша в матку слонихи.

Основоположником клонирования следует признать Георгия Викторовича Лопашова (1912—2010 гг.). Он первым разработал методику пересадку ядер у амфибий. По протоколу Лопашова из яйцеклетки удаляется собственное ядро (механически или путём облучения рентгеновскими лучами) и чужеродное ядро-донор вводится в энуклеированную яйцеклетку-реципиент с помощью микропипетки. Весной 1948 г. Г.В. Лопашов написал обзорную статью по трансплантации ядер, а в августе этого же года прошла сессия ВАСХНИЛ, на которой генетика была признана лженаукой и «продажной девкой империализма», после чего в публикации статьи Лопашову Г.В. было отказано.

ГАМЕТОГЕНЕЗ

Мужские и женские половые клетки (гаметы) образуются в ходе гаметогенеза из первичных половых клеток. Первичные половые клетки возникают на 2-й неделе эмбрионального развития из клеток головного отдела эпибласта. В ходе гаструляции первичные половые клетки мигрируют через первичную полоску в энтодерму желточного мешка и далее в гонадные валики. В плодном периоде первичные половые клетки дифференцируются в овогонии в развивающихся женскихполовых железах — яичниках или в сперматогонии в мужских половых железах — яичках. На пути от овогоний или сперматогоний до зрелых гамет (яй-

13

Рис. 4-4. Клонирование овечки Долли. Долли является клоном овцы — донора ядра соматической клетки с диплоидным набором хромосом (слева). Полученное ядро при помощи электрического импульса трансплантировали в цитоплазму энуклеированной яйцеклетки от другой особи (справа). Цитоплазма яйцеклетки активирует ядро соматической клетки, что инициирует дробление и образование бластоцисты. Трансплантированная в матку приёмной матери бластоциста развилась в овечку Долли [из материала сайта allthingsstemcell.com].

14

цеклетки и сперматозоида) различают несколько стадий: размножения, роста, созревания и формирования.

Зрелые половые клетки cперматозоид и яйцеклетка способны объединяться и давать начало новому организму.

Сперматогенез

Дифференцировка сперматозоидов происходит в яичках при температуре 34 °С и ниже. Различают четыре стадии сперматогенеза: (1) размножения, (2) роста, (3) созревания (мейоз) и (4) формирования (спермиогенез). Первичные половые клетки мигрируют в зачатки яичек, делятся и дифференцируются в сперматогонии. До периода полового созревания сперматогонии остаются в состоянии покоя. Стадия размножения начинается с наступлением половой зрелости. После ряда митотических делений сперматогонии дифференцируются в сперматоциты первого порядка, вступающие в стадию роста. Сперматоциты увеличиваются в размерах в 4 и более раз. Стадия созревания (мейоз) следует сразу за стадией роста. В результате первого деления мейоза из одного сперматоцита первого порядка образуется два сперматоцита второго порядка, а после второго мейотического деления — четыре сперматиды, имеющие по 22 аутосомы и одной X- или Y-хромосоме. Сперматоциты второго порядка в два раза, а сперматиды в четыре раза меньше по объёму спематоцитов первого порядка.

Спермиогенез (стадия формирования) — постмейотическая стадия морфологических изменений сперматид с образованием сперматозоидов (рис. 4-5). Таким образом, в ходе сперматогенеза из одной сперматогонии образуется четыре полноценных сперматозоида. Сперматогенез (путь от сперматогонии до сперматозоида) в извитых семенных канальцах длится 65 дней, но окончательная дифференцировка сперматозоидов происходит в протоке придатка яичка в течение следующих двух недель.

А.Фаза Гольджи

•В составе комплекса Гольджи появляется акросомный пузырёк с акросомной гранулой.

•Центриоль инициируют сборку аксонемы.

Б.Фаза головной шапочки

•Акросомный пузырёк уплощается, покрывает 2/3 поверхности ядра.

•Зачаток аксонемы перемещается на противоположную сторону ядра.

15

Рис. 4-5. Спермиогенез [из Dudek R.W., 2004].

16

В.Фаза акросомы

•Акросомная гранула заполняет акросомный пузырёк, образуется акросома.

•Хроматин конденсируется, ядро вытягивается.

•Цитоплазматические микротрубочки образуют цилиндрическую манжетку, способствующую элонгации сперматиды.

•Сперматида переворачивается хвостом в просвет канальца.

Г.Фаза созревания

•Ядро приобретает окончательную форму.

•Митохондрия спиралеобразно располагаются вокруг аксонемы.

•Сперматида избавляется от лишней цитоплазмы.

•Разрываются цитоплазматические мостики между сперматозоидами.

Овогенез

Дифференцировка яйцеклетки млекопитающихвключает три стадии:

(1) размножения, (2) роста и (3) созревания (мейоз). Первичные половые клетки мигрируют в зачатки яичников и дифференцируются в овогонии, которые сразу вступают в стадию размножения. Завершив серию митотических делений, овогонии вступают в стадию роста. В этот период в цитоплазме накапливаются желточные включения. Вслед за стадией роста начинается стадия созревания (мейоз). Первое деление мейоза остается незавершённым: образующиеся овоциты первого порядка в профазе первого деления мейоза вступают в длительный период покоя (2n4c), продолжающийся до наступления половой зрелости. С наступлением половой зрелости и установлением овариально-менст- руального цикла при овуляции (выхода яйцеклетки из фолликула) завершается первое деление мейоза и начинается второе деление, останавливающееся в метафазе. При этом образуеся крупный овоцит второго порядка и мелкая абортивная клетка — первое полярное (направительное, или редукционное) тельце. Сигнал для завершения второго мейотического деления — оплодотворение; овоцит второго порядка делится с образованием зрелой яйцеклетки и второго полярного тельца. Первое полярное тельце также подвергается второму делению мейоза. Зрелая яйцеклетка имеет 22 аутосомы и одну X-хромосому (рис. 4-6). Таким образом, в ходе овогенеза из одной овогонии образуется одна полноценная яйцеклетка, под прозрачной оболочкой которой локализуются три полярных тельца.

17

Рис. 4-6. Созревание мужских и женских половых клеток. Перед

первым мейотическим делением генетический материал удваивается с образованием конъюгированных хромосом (2n4c). После первого деления мейоза в дочерних клетках уменьшаются количество хромосом и содержание ДНК; остаётся по 23 конъюгированных (удвоенных) хромосомы с диплоидным содержанием ДНК (1n2c). После второго деления мейоза дочерние клетки получают по 23 хромосомы с гаплоидным содержанием ДНК (1n1c) — 22 аутосомы и одну половую хромосому. n

— число хромосом, c — количество хроматид [из Kaplan S., 1987].

Мейоз

В ходе мейоза образуются гаплоидные гаметы (рис. 4-7). При этом происходят следующие события:

•генетическая рекомбинация путём кроссинговера между гомологичными хромосомами (отцовскими и материнскими),

•уменьшение числа хромосом,

•снижение содержания ДНК,

•уменьшение плоидности клеточных потомков,

•значительный синтез РНК.

Первое деление мейоза

Первое деление мейоза (профаза I, метафаза I, анафаза I и телофаза I)

— редукционное.

18

Рис. 4-7. Мейоз обеспечивает переход половых клеток из диплоидного состояния в гаплоидное. Клетка, вступающая в мейоз, проходит два деления: первое деление — редукционное, второе — эквационное [из Gilbert S.F., 1985].

Профаза I. Профаза I последовательно проходит несколько стадий: лептотена, зиготена, пахитена, диплотена, диакинез.

•Лептотена. Хроматин конденсируется, каждая хромосома состоит из двух хроматид, соединённых центромерой.

•Зиготена. Гомологичные парные хромосомы сближаются и вступают в физический контакт (синапсис) в виде синаптонемального комплекса, обеспечивающего конъюгацию хромосом. Контакт позволяет хромосомам обмениватьсягенетическим материалом (кроссинговер). На этой стадии две лежащие рядом пары хромосом образуют бивалент.

•Пахитена. Хромосомы утолщаются вследствие спирализации. Отдельные участки конъюгировавших хромосом перекрещиваются друг с другом и образуют хиазмы. Здесь происходит кроссинговер — об-

19

мен участками между отцовскими и материнскими гомологичными хромосомами, что определяет генетические различия между индивидуумами.

•Диплотена. Происходит разделение конъюгировавших хромосом в каждой паре в результате продольного расщепления синаптонемаль ного комплекса. Хромосомы расщепляются по всей длине комплекса, за исключением хиазм. В составе бивалента чётко различимы 4 хроматиды. Такой бивалент называют тетрадой. В хроматидах появляются участки раскручивания, где синтезируется РНК.

•Диакинез. Продолжаются процессы укорочения хромосом и расщепления хромосомных пар. Хиазмы перемещаются к концам хромосом (терминализация). Разрушается ядерная мембрана, исчезает ядрышко. Появляется митотическое веретено.

Метафаза I. В метафазе I тетрады образуют метафазную пластинку. В целом отцовские и материнские хромосомы распределяются случайным образом по ту или другую сторону экватора митотического веретена. Подобный характер распределения хромосом лежит в основе второго закона Менделя, что (наряду с кроссинговером) обеспечивает генетические различия между индивидуумами.

Анафаза I. Анафаза I отличается от анафазы митоза тем, что при митозе к полюсам расходятся сестринские хроматиды. В эту фазу мейоза к полюсам отходят целостные хромосомы.

Телофаза I. Телофаза I не отличается от телофазы митоза. Формируются ядра, имеющие 23 конъюгированных (удвоенных) хромосомы, происходит цитокинез, образуются дочерние клетки.

Второе деление мейоза

Второе деление мейоза — эквационное — протекает так же, как митоз (профаза II, метафаза II, анафаза II и телофаза II), но значительно быстрее. Дочерние клетки получают гаплоидный набор хромосом (22 аутосомы и одну половую хромосому).

Аномалии хромосом

Хромосомные нарушения возникают в ходе мейоза de novo, поэтому родители могут быть здоровы по этому признаку.

Аномалии числа хромосом возникают вследствие не расхождения хромосом в мейозе (рис. 4-8).

• Половые хромосомы. Синдром Шерешевского-Тернера (45Х0) встречается с частотой 1:3000, синдром Кляйнфелтера (47ХХY, 47ХХХ, 47ХYY) — 1:1000.

20

Рис. 4-8. Нерасхождение хромосом в мейозе.

• Аутосомы. Синдром Дауна (трисомия 21) встречается с частотой 1:700, синдром Эдвардса (трисомия 13) — 1:8000, синдром Патау (трисомия 18) — 1:8000.

Аномалии структуры хромосом. В ходе кроссинговера в хромосомах, обменивающихся гомологичными участками, возникает перераспределение или утеря части генного материала: инверсии, делеции, дупликации, транслокации.

•Синдром Вольфа–Хиршхорна — синдром делеции короткого плеча хромосомы 4.

•Транслокация гена sry, кодирующегоTDF (Testis Determing Factor), изYхромосомы в X-хромосому в ходе кроссинговера приводит к изменению пола и дисгенезии гонад. В случае оплодотворения яйцеклетки сперматозоидом с Y-хромосомой, утратившей ген sry, генети-