Цитология (Э.К.Гасымов)

241

время оплодотворения, содержит 46 хромосом, становится ясным, что обязательным условием полового размножения является уменьшение количества хромосом в зрелых половых клетках (гаметах) до 23 (n – гаплоидное число).

Поскольку процесс уменьшения числа хомосом с 46-ти до 23-х происходит в ходе мейоза, последний (точнее его первую стадию) называют также редукционым делением.

Наряду с уменьшением количества хромосом во время мейоза (в первую его стадию) происходит обмен генов между конъюгированными гомологичными хромосомами (кроссинговер) в анафазе I имеет место расхождение не хроматид, а целых хромосом в сторону полюсов веретена деления. В целом все это обеспечивает созревание гамет с вариантом генома, отличающегося от генома первичных половых клеток.

Вконечном счете именно эти процессы лежат в основе изменчивости генофонда популяции эукариотических организмов. Важно также подчеркнуть роль описанных изменений в приспособлении (адаптации) организма к меняющимся факторам окружающей среды.

Мейоз состоит из двух последовательных этапов, которые соответственно называются мейоз I и мейоз II.

Впроцессе гаметогенеза первичные половые клетки проходят стадию роста и дифференциируются в овоциты I порядка при овогенезе и сперматоциты I порядка при сперматогенезе. Общее количество хромосом в названных клетках соответствует 46-ти, а набор ДНК – диплоидному (2n). Однако перед вступлением в стадию созревания (мейоза) в S-периоде интерфазы этих клеток в результате репликации ДНК происходит синтез 92 молекул ДНК, т.е. количество ДНК удваивается.

С этого момента в результате процесса конденсации начинается формирование сестринских хроматид.

Этот период называется премитотической S фазой. Вслед за этой фазой клетка входит в стадию мейоза I (рис.6.12-3,4).

МЕЙОЗ I (редукционное деление)

Как и митоз, мейоз I состоит из профазы I, метафазы I, анафазы I и телофазы I.

Профаза I.

По сложности происходящих процессов в сравнении с другими фазами, профаза I сильно выделяется. Поэтому, в профазе I выделяют пять стадий: лептотена, зиготена, пахитена, диплотена и диакинез.

Лептотена характеризуется соединением сестринских хроматид друг с другом, с образованием тонких нитевидных хромосом. Во время конденсации сестринских хроматид образуются витки, которые присоединяются к аксиальным элементам белковой природы, располагающихся параллельно к их внешней стороне (рис.6.12-4) Сформированные хромосомы при помощи одного своего конца остаются на связи с ядерной оболочкой.

242

Рис. 6.12. Схема разных стадий мейоза при сперматогенезе.

1- I мейоз; 2- II мейоз; 3-4 – премейотическая S фаза; 5- букет лептотены-зиготены; 6- зиготена; 7- пахитена; 8- метафаза; 9- анафаза; 10телофаза; 12центросома; 12хромосомы; 13веретено деления; 14дочерние клетки.

Встадии зиготены гомологичные хромосомы располагаются парами (конъюгируют). Процесс формирования означенных пар начинается еще в конце лептотены.

Находящиеся на одном конце этих пар теломеры собираются в одном месте и сливаются с ядерной оболочкой. Свободные же радиально расходящиеся концы располагаются внутри ядра в разнообразных направлениях. Полученная картина напоминает букет цветов. Эту структуру также называют букетом лептотены/зиготены. Основную роль

вформировании конъюгирующих пар хромосом, входящих в этот букет, играют связи образованные при помощи синаптонемного комплекса (рис.6.12-5).

Всинаптонеманый комплекс входят парные параллельно расположенные краевые элементы, локализованные в местах соприкосновения гомологичных хромосом, а также

243

проходящая в промежутке между этими краевыми лентами срединная электронно-плотная линия с пересекающими его тонкими поперечными волоконцами (филаментами) (рис.6.13 С

и G).

Рис.6.13. Схематический рисунок особенностей строения синаптонемальных комплексов на арзличных этапах профазы I/

Всостав краевых элементов входят аксиальные элементы, объединяющие друг с другом сестринские хроматиды, а также белки, связанные с ними и с наружными концами поперечных волоконец.

Всостав поперечных филаментов входит специальный белок SEP1(sinaptonemal complex protein 1).

Этот белок представляет собой димер с изогнутой срединной частью и глобулярными образованиями на концах. Наружные концы глобулярных образований образуют связь с аксиальными элементами, соединяющими сестринские хроматиды друг с другом, а внутренние концы соединяются друг с другом образуя центральный элемент (срединная

244

линия). Описанный комплекс между гомологичными хромосомами похож на замок (в форме “молнии”). Во время лептотены и зиготены вдоль синаптонемного комплекса образуются узлы первичной рекомбинации. Эти узлы играют важную роль в инициировании процессов рекомбинации между гомологичными хромосомами. Хромосомы, относящиеся к синаптоненому комплексу - называются мейозными хромосомами.

Дальнейшее формирование синаптонемного комплекса гомологичных хромосом продолжается на всем протяжении пахитены (рис.6.13 Ç). На этом фоне в результате ускорения процессов конденсации хромосомы еще более утолщаются и укорачиваются. При этом хотя и периферические части сестринских хроматид слегка отделены друг от друга, но в области центромер тесно сближены. Таким образом, в составе бивалентных хромосом выделяются 4 хроматиды – тетрады.

Еще одной особенностью пахитены является то, что в некоторых областях синаптонемального комплекса образуются узлы конечной рекомбинации, диаметром до 90 нм, образованные скоплениями белков (рис.6.12-7). В этих узлах и происходит процесс кроссинговера, который играет важнейшую роль в появлении наследственных изменений. Обмен информации между гомологичными хромосомами в период мейоза - гомологичная рекомбинация, осуществляется двумя способами: генной конверсией и кроссинговером

(рис.6.14).

Во время генной конверсии взаимный обмен генетической информацией между гомологичными хромосомами не происходит. Так, в случае когда ген, входящий в состав одной молекулы ДНК заменяется соответствующей частью другой гомологичной молекулы ДНК, вторая молекула ДНК сохряняет свой состав неизменным. В связи с этим, если происходит удвоение одного из генов (аллелей), второй ген (аллель), его также называют маркером, исчезает.

В процессе же кроссинговера соответствующие части двух гомологичных молекул ДНК, несущие генетическую информацию, меняются друг с другом местами. То есть, эти части гомологичных молекул ДНК отрываются и прикрепляются к другой молекуле ДНК (рис. 6.14 внизу слева).

В диплотене наряду с продолжающимся процессом укорачивания хромосом,

246

хроматид. Кинетохоры, сохраняющие свою прочность при митозе, в данной стадии мейоза соединяются друг с другом и образуют одно целое. Для этого сестринские кинетохоры достигают друг друга, кружась вокруг соответствующей хроматиды под углом 90°. Это является причиной того, что во время метафазы I кинетохоры бивалентных хромосом соединяются с подходящими к ним микротрубочками, идущими только с одного конца веретена деления (рис.6.12-8). В результате взаимодействия микротрубочек с двигательными белками (как и при митозе), бивалентные хромосомы выстраиваются в один ряд на экваториальной плоскости. Следует отметить, что еще одним из факторов, способствующих расположению хромосом на экваторе, являются хиазмы, соединяющие гомологичные хромосомы друг с другом.

АНАФАЗА I

В этой фазе происходит полное разрушение хиазм между бивалентными хромосомами, которые теперь могут двигаться в направлении к полюсам. Сестринские хроматиды остаются соединенными друг с другом при помощи центромер как в этой фазе, так и вплоть до анафазы II мейоза (рис.6.12 -9). Как результат вышеописанного в конце анафазы I на полюсах клетки располагается гаплоидное число хромосом.

Таким образом, из общего (диплоидного) числа имеющихся 46-ти хроматид (соответственно 46 молекул ДНК) обоих полюсов клетки достигают 23 хромосомы (гаплоидное число)

ТЕЛОФАЗА I

Втечение этой фазы ядерная оболочка восстанавливает свою целостность (рис.6.12-

10)и также как и при митозе происходит деление цитоплазмы, в результате чего образуются две новые клетки с гаплоидным набором хромосом.

Клетки, образованные после мейоза I, переходят в период интерфазы II. Причем в этот период синтез молекул ДНК не происходит. После короткой интерфазы II, клетки вступают в стадию мейоза II.

МЕЙОЗ II (эквационное деление)

Фазы мейоза II и процессы, происходящие в них, можно сказать такие же, как и в митозе. Основное различие заключается в том, что соответствующие гены в составе отделяющихся друг от друга хроматид во время анафазы II имеют различные вариции, что является результатом гомологичной рекомбинации (см. выше) (рис.6.12).

Врезультате делений мейоза I и II образуются 4 половые клетки (гаметы), содержащие гаплоидное число хромосом. У мужчин каждый из 4 новообразованных сперматозоидов обладает способностью к оплодотворению, тогда как у женщин в результате неравномерного деления первичных половых клеток только одна из 4 гамет новообразованных клеток может участвовать в оплодотворении.

Важную роль в процессах, происходящих во время митоза и мейоза, начиная с момента формирования веретена деления и вплоть до завершения цитогенеза, играют белки "пассажиры" (Aurora-A, -B, -C и сурвивин). Информация о белке Aurora-B была дана на странице 206-й. Белок Aurora-A находится на полюсах веретена деления (в области центросом) и активно участвует в формировании микротрубочек веретена деления, начиная от профазы и вплоть до телофазы. В случае, если посредством соответствующей РНК синтез белка Aurora-A прерывается, то формирование микротрубочек и центросом не доходит до конца. Увеличения же числа этих белков является причиной увеличения числа центросом и анеуплоди (см. выше).

Впериодах от профазы до метафазы-анафазы белок Aurora-В находится в центромерах, в анафазе – в центре веретена деления и при участии белков кортикального цитоскелета формирует углубляющуюся борозду деления и наконец в телофазе в процессе цитокенеза между дочерними клетками остаются остаточные тельца. Приостановка синтеза

247

этого белка ведет к нарушению конденсации хроматид (хромосом) и отделению их друг от друга.

Топографическое положение Aurora-С полностью соответсвует положению Aurora-B. Белок Aurora-С соединяясь с Aurora-B не напрямую, а с помощью белка сурвивина, принимает участие в делении клетки (цитокинезе). При дезактивации белка Aurora-С образуются многоядерные клетки, так как не происходит процесс цитокинеза.

Увеличение количества белков "пассажиров" в хромосомах при развитии злокачественных опухолей было доказано на основании экспериментальных и клинических материалов.

ПОЛИПЛОИДНЫЕ И ХРОМОСОМАЛЬНЫЕ НАРУШЕНИЯ

Внекоторых соматических клетках (например в гепатоцитах, эпителиоцитах мочевого пузыря, пигментоцитах сетчатки глаза, в процессе дифференцировки мегакариоцитов и т.д.) процесс митоза не завершается, точнее не происходит разделения материнской клетки на две дочерние (цитокинез). В результате, несмотря на увеличение генетического материала клетки в два раза, количество клеток остается неизменным. Так как упомянутые процессы происходят в каждой из вышеназванных клеток в отдельности, эта разновидность митоза также называется эндомитоз (внутренний или "скрытый").

Эндомитоз осуществляется двумя способами:

1.имеет место полное разделение клеточного ядра на две части (кариокинез), однако цитокинез не происходит;

2.в случае даже если число хромосом возрастает вдвое, разделения ядра надвое (кариокинез), также как и цитокинез не происходит.

Впервом случае образуется двухъядерная клетка, а во втором случае - одноядерная, содержащая в два раза больше хромосом (тетраплоид). Если описанные процессы повторяются последовательно, то число ядер или же число хромосом в составе одного ядра продолжает увеличиваться вдвое. В результате образуются полиплоидные клетки (ядра). Как правило, объем полиплоидных клеток по сравнению с диплоидными клетками бывает больше. В случае же резкого повышения полиплоидности ядер формируются гигантские клетки, что является результатом соответствующего роста цитоплазмы. В качестве примера можно привести мегакариоциты, являющиеся предшественниками пластинок крови (тромбоцитов) в красном костном мозге.

В большинстве учебников формирование полиплоидных ядер связывают с отсутствием веретена деления во время эндомитоза и нарушением целостности ядерной оболочки. Однако, исследования проведенные с помощью современных методов показали, что в составе мегакариоцитов в процессе эндоцитоза, содержится больше 32-х центросом (что соответствует количеству центриолей), а также имеет место разрушение ядерной оболочки. К тому же, в результате формирования звезды из микротрубочек вокруг центросомы, структуры в форме расходящихся лучей (звездообразных), образуется многополярное веретено деления. При этом конденсированные, но не разделенные до конца хроматиды деконденсируются, а ядерная оболочка вновь восстанавливается. Так происходит образование мегакариоцитов с полиплоидным ядром.

Полиплоидность, являясь терминальной стадией дифференцировки, приводит к появлению специализированных клеток, выполняющих специфически важные функции в организме.

Формирование полиплоидных клеток также наблюдается во время эмбрионального развития. Чаще всего среди полиплоидных клеток эмбриона человека встречается триплоидность. В этом случае сформированная зигота и ядра клеток, которым она дает начало содержат 69 хромосом. Для того, чтобы это произошло необходимо, чтобы во время оплодотворения в яйцеклетку проникли два сперматозоида, или же в оплодотворении участвует сперматозоид с диплоидным набором хромосом, образованный в результате

248

нарушения процесса отделения хроматид друг от друга в ходе мейоза II. Следует отметить, что практически ни один из триплоидных эмбрионов не развивается до конца.

Наряду с полиплоидией, во время митоза под влиянием различных причин может происходить неравномерное разделение хроматид между дочерними клетками, что называется анеуплоидией. В результате подобных нарушений митоза образуются генетически изменчивые клетки, что в основном приводит к развитию злокачественных опухолей.

Среди хромосомных нарушений (анеуплоидий) у человеческого эмбриона чаще всего встречается увеличение или уменьшение числа одной или нескольких хромосом. В этом случае увеличение числа гаплоидных хромосом считается не в разах, а поштучно. В результате нарушается равновесие числа гомологичных хромосом. Такие хромосоные нарушения называются гетероплодией. Гетероплодия, сопровождающаяся увеличением числа хромосом (2n+1; 2n+2 ... и т.д.) называется полисомией, напротив уменьшение (2n-1; 2n-2 ... и т.д.) - моносомией.

Большинство случаев увеличения/уменьшения числа соматических хромосом, произошедших в процессе мейоза, приводят к самопроизвольному аборту на 4-й и 6-й неделях беременности. Только увеличение числа 21-й хромосомы (трисомия) в большинстве случаев приводит к благоприятному исходу беременности, хотя и является причиной развития синдрома Дауна.

Наряду с синдромом Дауна, некоторые изменения числа половых хромосом также могут закончиться нормальными родами. К таковым относятся полисомия хромосомы Х

(ХХХ), синдром Клайнфельтера (ХХУ) и синдром Шершевского-Тернера (ХО). При выяснении причин протекания нормальных родов при наличии указанных хромосомных нарушений, было выяснено, что меньше всего генов в аутосомных хромосомах содержится в 21-й, 18-й и 13-й хромосомах. К тому же, количество жизнеспособных детей, родившихся с трисомией по 21-ой хромосоме (синдром Дауна), намного больше числа таковых с трисомией по 13-й и по 18-й хромосомам (синдром Патау и синдром Эдварда, соответственно). Таким образом, при формировании трисомии в хромосомах с меньшим числом генов (напр. по 21-ой паре), стабильность общего генома грубо не нарушается и процент рождения детей, способных жить, увеличивается.

Жизнеспособность жизни плода при трисомии хромосомы Х, а также при синдроме Клайнфельтера (ХХY) объясняется тем, что еще в начале эмбрионального развития происходит суперконденсация двух Х хромосом в первом случае и одной Х хромосомы во втором, и они теряют свою активность.

Моносомия хромосомы Х (синдром Шершевского-Тернера) приводит к гибели 99% эмбрионов из-за суперконденсации всего одной имеющейся Х хромосомы. В 1% случаев Х хромосома не подвергается конденсации, сохраняет свою активность и, таким образом, рождаются здоровые дети.

Причина, по которой беременность с синдромом ХХY доходит до конца, как и в случае с 21-й хромосомой, кроется в малом количестве генов (155) в составе Y хромосомы. Подробная информация об этом приводится в учебниках по медицинской генетике.

ДИФФЕРЕНЦИАЦИЯ, СТАРЕНИЕ И ГИБЕЛЬ КЛЕТОК

Дифференциация клеток. В процессе цитогенеза (греч.: genesis - развитие, источник), являющегося неотъемлемой частью биологического развития, начиная с онтогенеза, клетки имеющие одинаковый геном начинают специализироваться для выполнения определенных функций. В процессе специализации клетки формируются характерные для данного типа клеток особенности внешнего вида, топографического стояния, взаимных связей с другими группами клеток и т.д. Весь этот процесс называют

дифференциацией (греч.:differentia - разнообразие).

Как было отмечено в первой главе учебника, дифференцированные клетки происходят

249

из клеток – предшественников, которые в свою очередь образуются из олиго- и мультипотентных клеток, начало которым дает стволовая клетка. Причем, при осуществлении этих процессов уже с ранних этапов эмбриогенеза в периоде развития клеток наряду с их пролиферацией (увеличением числа) определяется также и их дальнейшая судьба. Точнее, клетки направляются только на одно из различных направлений развития. Этот процесс называется детерминацией. Конечным этапом детерминации является появление дифференцированной клетки, способной к выполнению строго определенных функций. Именно прошедшие дифференцировку клетки способны синтезировать белки, участвующие в создании специализированных структур и биологически активных веществ, выполняющих строго определенные функции. Это показывает, что при формировании определенного типа клеток происходит экспрессия различных групп генов в клетках с одинаковым геномом.

По подсчетам, в каждом типе клеток, в среднем, подвергаются экспрессии 10-15 тысяч генов. Около 90% их экспрессированных генов встречаются во всех типах клеток.

Характерные для живых организмов общебиологические процессы (синтез нуклеиновых кислот и белков; прием, транспортировка и утилизация продуктов питания; формирование клеточного ядра, цитоскелета и органелл) происходят при участии этих генов. Группы этих генов, которые экспрессируются во всех типах клеток называются

"домашними" генами (от англ.: house-keeping).

Отличительные особенности различных типов клеток (например мышечных и нервных клеток, эритроцитов и пр.) возникают в результате количественно меньшей по сравнению с домашними генами экспрессии генов (в среднем 10%). Гены, которые отвечают за проявление отличительных признаков дифференцированных клеток, называют специализированными генами (англ. speciality). Деление генов на домашние и специализированные носит условный характер. Так, белок, который синтезируется при помощи гена, включенного в некоторых клетках в группу домашних, одновременно участвует в выполнении отличительных функций другой группы клеток.

По мере повышения степени дифференцированности клеток, их способность к делению падает. Раньше считалось, что дифференцированные клетки, такие как клетки нервной системы, кардиомиоциты, эпителиальные клетки, выполняющие эндокринную функцию, утратили свою способность к делению. Согласно современным данным, все эти клетки сохраняют способность к делению, однако период интерфазы G0 у них может длиться на протяжении многих лет. Таким образом, только клетки, подвергшиеся терминальной дифференциации (потерявшие ядро, такие как эритроциты, кровяные пластинки, кератиноциты рогового слоя эпидермиса) и стареющие клетки полностью утрачивают способность к делению.

Старение клетки. При описании фазы G1 клеточного цикла было отмечено, что пока еще дееспособные клетки, находящиеся в периоде между периодом зрелости и гибелью, называются стареющими клетками. Существуют различные теории и гипотезы касательно причин старения клеток. Однако, в последнее время указывают на существующую тесную связь между старением клеток и активностью фермента теломеразы.

Так, в результате действия фермента теломеразы число нуклеотидных пар в составе теломеров половых клеток, готовых к оплодотворению достигает 15 тысяч. В период последующего развития и дифференциации клеток, происходит постепенное уменьшение активности фермента теломеразы, что является причиной постепенного уменьшения длины теломеров. В среднем, во время каждого деления в теломерах теряется 35 нуклеотидных пар. У зрелых лиц количество оставшихся нуклеотидных пар в составе теломеров соматических клеток равно 4 тысячам.

Связь между числом делений клеток и старением становится ясно видна вовремя их размножения в питательной среде. Так в норме клетки, помещенные в питательную среду, могут делиться только определенное количество раз. Между тем как число делений клеток, взятых у лиц среднего возраста, в питательной среде меньше, чем число делений клеток

250

идентичного типа, взятых у плода. В честь ученого, впервые открывшего эту особенность, ее называют лимитом Хейфлика (L.Hayflick,1965).

У людей среднего возраста активность теломеразы прослеживается только в сперматогенном эпителии, выстилающем стенки извитых семенных канальцев семенника, и в эпителиальной выстилке кишечника. В других соматических клетках активность теломеразы бывает или очень пониженной, или же отсутствует вовсе. Когда в соматических клетках, способных к делению длина теломеров в одной или нескольких хромосомах достигает определенной точки "кризиса" клетки перестают делиться. Старение и последующая за ней смерть клетки, объясняются объединением хромосом, утративших свои теломеры, друг с другом. Наряду с тем, что такие стареющие клетки утратили способность к делению, их объем увеличивается и маркерным признаком является экспрессия фермента β- галактозидазы в их клеточной оболочке.

Впоследнее время старение клеток в организме расценивается как одно из условий предупреждения развития злокачественных опухолей. Подробнее с этим вопросом можно ознакомиться в работах M.Marita с соавт. (2003), W.Ohtani с соавт. (2004), R.Zhang с соавт. (2005) и др.

Гибель клетки. На всех этапах развития организма, наряду с детерминацией, пролиферацией и дифференциацией клеток, происходит и их гибель. К примеру, за сутки погибают до 500 миллиардов форменных элементов крови и их место занимают новообразованные клетки.

Гибель клеток происходит или в результате непредвиденных внешних обстоятельств несовместивых с их нормальной деятельностью (некроз), или благодаря заранее определенному механизму (програмированная гибель клеток), который является важной частью общебиологического развития.

К факторам, вызывающим гибель клеток по первому типу, относятся местный недостаток кислорода, ионизирующее излучение, механическая травма, высокая температура, осмотическое давление, повышение уровня реактивных форм кислорода и др. Действие этих факторов приводит к нарушению целостности клетки. Гибель клетки, произошедшая таким образом, называется некрозом.

При некрозе в первую очередь нарушается избирательная проницаемость клеточной оболочки, что ведет к проникновению межклеточного вещества в цитозоль и размеры клетки начинают увеличиваться. Вследствие возникшего набухания органелл нарушается целостность оболочек, окружающих их. В результате, активированные гидролазы из лизосом проникают в цитозоль и начинают разрушать биополимеры, находящиеся внутри клетки (лизис).

Когда данный процесс достигает клеточную оболочку, клетка полностью теряет свою целостность и гидролитически активные ферменты, выходя из ее состава начинают расщеплять окружающие клетки и межклеточное вещество. Таким образом, во время некроза повреждается не только сама клетка, но и окружающие ее клетки. При разрушении мембранных структур клетки происходит выделение промежуточных веществ – медиаторов восполения (простогландинов, лейкотриенов, тромбоксанов). Результатом действия медиаторов восполения является инфильтрация места повреждения нейтрофилами, цитотоксическими Т-лимфоцитами, макрофагами, что и приводит к развитию восполительного процесса.

Вотличие от некроза, програмированная гибель клетки является энергозависимым процессом. Под воздействием сигналов, поступающих из окружающей среды или образующихся в самой клетке, происходят последовательные биохимические процессы, ведущие к гибели клетки.

Програмированная смерть может наступить внезапно (англ. murder) или же в результате самоубийства (англ. suiсide) клетки. В качестве примера специально запрограммированной смерти можно привести следующее: в процессе дифференцировки Т- лимфоцитов в тимусе путем программированной гибели элиминируются более 95% Т-