У Вас есть удачное изобретение?

Публикуйте концепцию и возможно инвестор заметит Вас!

В основе роста, развития и преемственности жизни на Земле лежат процессы деления клеток. У многоклеточных организмов с половым размножением различают два основных типа деления клеток: митоз и мейоз. Их механизмы еще очень далеки от понимания [1]. Среди цитологов, изучающих жизнь клеток, нет даже согласия в вопросе о функции ряда структур, которые появляются в процессе клеточного деления [2].

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 индивидуальны в смысле состава ДНК. Каждая из них несет лишь часть от общего набора генов. Число и структура хромосом относительно постоянны у большинства особей одного вида. У высших организмов набор хромосом парный - одна половина от матери, другая - от отца. Такие пары называют гомологичными.

Суть митоза (с греч. - нить) состоит в репликации и точном распределении между дочерними клетками набора хромосом клеточного ядра. Так обеспечивается преемственность материальных носителей наследственной информации. В случае же мейоза (с греч. - уменьшение, убывание) происходит закономерное уменьшение (редукция) вдвое числа хромосом. Половые клетки, или гаметы, несут лишь по одному гомологу каждой пары хромосом. Именно мейоз лежит 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 резко возрос в конце 60-х годов, когда выяснилось, что одни и те же контролируемые генами ферменты могут принимать участие в процессах воспроизведения ДНК, обмене ее участками, ее чувствительности к повреждающим воздействиям. Наконец, в последнее время ряд биологов развивает оригинальную идею: мейоз у высших организмов служит гарантом стабильности генетического кода, ибо в процессе мейоза, когда пары хромосом-гомологов тесно соприкасаются, происходит проверка нитей ДНК на точность и восстановление повреждений, затрагивающих сразу обе нити [2, 3]. Изучение мейоза тесно связало методы и интересы двух наук: цитологии и генетики. Это привело к рождению новой ветви знания - цитогенетики, тесно соприкасающейся ныне с молекулярной биологией и генной инженерией.

Универсальность мейоза и его этапы

Мой интерес к генетическому анализу и изучению мейоза возник после семилетнего изучения причин пониженной плодовитости гибридов пшеницы с ее дикими сородичами. Заманчивая идея селекционеров объединить в одном гибриде хромосомы пшеницы и пырея натолкнулась на сито мейоза - у гибридных растений в мейозе хромосомы расходились как попало, и в итоге плодовитость падала. Стало ясно, что необходимо знать, каким образом гены контролируют поведение хромосом.

В самом начале 70-х годов я наметила долговременную программу изучения цитогенетики мейоза. Генетика обладает надежным инструментом познания цепи сложных процессов путем изучения изменений генов (мутаций), нарушающих ход отдельных звеньев. Надо было выбрать удобный с точки зрения цитологии и генетики объект и вести систематический поиск и анализ мутаций, нарушающих мейоз (далее просто - mei-мутаций). Кукуруза вполне подошла для этих целей. Это растение, прекрасно изученное с точки зрения и цитологии и генетики, имеет всего 10 пар относительно крупных хромосом. Кроме того, у кукурузы к началу 70-х годов уже было найдено несколько mei- мутаций.

В поисках новых мутаций я исходила из представления о мейозе как универсальном биологическом процессе. С единых позиций удалось систематизировать все имевшиеся разрозненные данные о проявлении mei-мутаций на разных объектах - дрожжах, растениях, насекомых и человеке - и сформулировать концепцию генного контроля мейоза [4-7]. Но прежде чем изложить ее принципы, необходимо хотя бы в самых общих чертах описать сложный танец хромосом при делении клетки в мейозе.

Цитологи выделяют в этом танце четыре основные фигуры или "фазы": профаза, метафаза, анафаза и телофаза (рис.1). Суть мейоза можно кратко выразить так: один раунд репликации хромосом приходится на два деления клетки. В итоге четыре дочерние половые клетки, как это показано на рисунке, имеют вдвое сниженное число хромосом.

Центральное событие начальных этапов мейоза - таинственный процесс узнавания гомологичных хромосом, их попарное сближение друг с другом, и тесное соприкосновение, называемое синапсисом (с греч. - соединение, связь). В ходе синапсиса гомологи обмениваются фрагментами. В световом микроскопе последствия этого обмена видны как перекресты, или хиазмы.

После синаптического танца и обмена фрагментами хромосомы выстраиваются на экваторе клетки. В это время они напоминают пару лыж, сцепленных в районе креплений, который у хромосомы носит название "центромер". Затем в клетке появляется специальный нитевой аппарат, идущий от полюса к полюсу, - веретено. Часть нитей веретена в метафазе прикрепляется к центромерам и растаскивает их в разные стороны к полюсам (стадия анафазы). Хромосома без центромера-крепления не может существовать и сразу же утрачивается, как чемодан без ручки. Точное расхождение гомологичных пар к противоположным полюсам лежит в основе редукции вдвое их числа.

Во втором делении мейоза центромеры разделяются и возникшие ранее копии каждой пары просто расходятся, после чего образуются еще две дочерние клетки. Второе деление мейоза в принципе соответствует митозу. Таков в общем виде сценарий основных цитологических картин мейоза у самых разных организмов.

Поиск, получение mei-мутаций и их коллекция

Анализ репертуара мутаций, нарушающих общий ход мейоза и найденных у разных объектов, позволил мне прийти к выводу, что есть по крайней мере семь ключевых этапов, которые находятся под контролем генов: запуск мейоза или переключение деления с митоза на мейоз; попарное сближение и синапсис гомологов; обмен кусками гомологичных хромосом, или рекомбинация; образование хиазм; расхождение гомологов; инициация второго деления; и собственно разделение надвое клетки.

У кукурузы за более чем полувековой период изучения ее цитогенетики были найдено лишь восемь mei-мутаций. Из моей концепции следовало, что репертуар mei-мутаций при их целенаправленном поиске может и должен быть резко расширен. Действительно, мне удалось удвоить мировую коллекцию. Как же велся поиск мутаций? С этой целью были использованы два метода искусственного мутагенеза: химический, когда клетки подвергаются воздействию определенных веществ, и использование линий с прыгающими генами, так называемыми транспозонами, способными перемещаться по хромосомам и вызывать изменения самых разных генов.

Если мейоз нарушен, то прежде всего страдают половые клетки, или гаметы, и возникает стерильность одного или двух полов. У кукурузы стерильные метелки видны невооруженным глазом на стадии цветения. Еще легче выявляются початки без зерен, что вызвано женской стерильностью. С помощью химического мутагенеза было получено девять мутаций, среди которых восемь были изменениями новых генов и лишь одна мутация возникла как новый вариант (аллель) уже известной mei-мутации (см. таблицу).

Мутагенез с использованием Mu1-транспозона оказался чрезвычайно плодотворным для получения новых mei- мутаций (рис.2). Эта работа проводилась в содружестве с американским генетиком В. Ф. Шериданом на базе Университета Северной Дакоты (США). Всего за три года мы выделили более 20 "транспозонных" mei-мутаций (см. таблицу).

Многие найденные в работе генетические нарушения мейоза были новыми для кукурузы. При этом одна из мутаций оказалась вообще уникальной для высших растений [7], другие представляли собой варианты уже известных ранее генов мейоза, открытых мной и другими авторами.

Определение того, относится ли мутация к одному или разным генам, требует специального теста на аллелизм. Затем проводится кропотливая локализация мутаций. Найденные мутации затрагивают почти все ключевые этапы мейоза. Случаи повторного нахождения аллельных вариантов того или иного гена, как, например, для гена am1, запускающего мейоз, или для гена ро1, контролирующего окончание второго деления, по всей видимости, указывают на малое число генов, контролирующих данный ключевой этап мейоза. Генетический анализ продолжается. Интересно, что mei-мутации оказались расположены в самых разных хромосомах.

Синапсис и гены

Мутации, нарушающие синапсис гомологичных хромосом, представляют наиболее обширный класс mei-мутаций у большинства видов животных и растений (рис.3). В норме (рис.3) "танго для двоих" гомологичных хромосом протекает в гармонии, и набор из 10 пар гомологов в определенном порядке располагается в районе экватора. Удвоенные центромеры каждого из гомологов ориентированы к противоположным полюсам, и гомологи регулярно расходятся. Каждая дочерняя клетка получила по 10 центромеров. У десинаптического мутанта, обозначенного символом dsy1, даже неспециалисту виден дискомфорт в поведении хромосом. Заметны одинокие хромосомы (называемые унивалентами), не нашедшие своих партнеров. Такие унивалентные хромосомы не могут правильно ориентироваться в метафазе и поэтому беспорядочно распределяются между полюсами. Дочерние клетки в результате первого деления получают разное число хромосом и затем погибают (рис. 3, б).

Танго танцуют только вдвоем. Этот образ приходит на ум при наблюдении сложного поведения в мейозе контактирующих пар гомологичных хромосом, пришедших от мужского и женского родителей. В конце 50-х годов американский цитолог М. Мозес, изучая в электронном микроскопе профазу мейоза у речного рака, открыл белковую нитевидную структуру, которая обеспечивает синапсис хромосомных нитей. Она была названа синаптонемным комплексом (СК). Сначала пары хромосом соединяются боковыми элементами СК, а затем центральный элемент СК соединяет их подобно застежке-молнии. К середине профазы СК исчезают, и хромосомы, претерпевшие обмен, держатся только в области перекреста (хиазмы).

Детально изучать синаптические мутации стало возможно только с открытием СК, сделанным с помощью электронного микроскопа, и особенно с развитием техники распластывания синаптонемного комплекса на поверхности капли, когда он появляется в профазе первого деления (рис.4). Вместе с З. К. Гребенниковой нам удалось получить картину СК для mei-мутантов кукурузы и наблюдать синапсис гомологичных хромосом в норме и у мутанта dsy1. В норме (рис.4, а) двойная структура СК каждой гомологичной пары строго идентифицируется по положению центромеры и соотношению длины короткого (S) и длинного (L) плечей хромосом.

При наблюдении СК на стадии синапсиса у мутанта dsy1 трудно проследить синаптический путь даже одной хромосомы. Часть хромосом так и не находит своих партнеров, они видны как одиночные нити. Те же, которые нашли своих партнеров, оказываются непостоянны в своем выборе и с легкостью их меняют, образуя замысловатые синаптические конфигурации (рис.4, б). Сравнивая картины световой и электронной микроскопии мутанта и нормы, можно сделать вывод, что при мутации dsy1 нарушены самые ранние стадии синапсиса, а именно опознавание гомологов. Анализ ряда других десинаптических мутаций показал, что у них СК начинает распадаться преждевременно, что и приводит к аномалиям расхождения.

Двойные мутанты - ключ к анализу взаимодействия и расписания генов

В потомстве гибридов по разным mei-мутациям мы получали двойных мутантов, т. е. растения, содержащие обе mei-мутации. Анализируя у них ход мейоза можно установить, действуют ли гены независимо или между ними наблюдается взаимодействие. Ген, который вступает в действие раньше, блокирует проявление более позднего гена. Сочетая разные мутации, можно выяснить последовательность вступления генов. Так было успешно определено расписание генов, которые контролируют мейоз у дрожжей.

В нашем исследовании мы впервые широко использовали метод двойных мутантов для изучения генного контроля мейоза у высших растений. Согласно законам Менделя, в потомстве гетерозигот по двум независимым мутациям наблюдается соотношение 9:3:3:1, а при их взаимодействии получается расщепление 9:3:4. Так, ген as1, открытый Бидлом в 1930 г., нарушает синапсис гомологов и в профазе I мейоза большинство хромосом располагаются не парами, а поодиночке. Мутация ms43, в свою очередь, влияет на расхождение хромосом и проявляет свой эффект лишь с анафазы I. У двойного мутанта обе мутации as1 и ms43 действовали независимо, их эффект как бы накладывался друг на друга.

В то же время при сочетании в одном растении мутации afd1, у которой первое деление мейоза заменено митозом, и мутации am1, у которой вообще нарушен весь запуск мейоза, первая мутация не проявлялась вовсе, из чего следует более раннее вступление в игру гена am1. Исследование набора двойных мутантов позволило выстроить последовательность их действия в мейозе следующим образом: сигнал к запуску мейоза (ген am1); сигнал к началу первого деления мейоза (afd1); узнавание гомологичных хромосом (dsy1); и далее серия генов десинапсиса [8].

Значение и перспективы исследования мейоза

В ходе настоящего исследования сделан важный шаг к пониманию генетической регуляции такого фундаментального процесса клеточного деления, как мейоз у высших растений. Сформулирована концепция генного контроля мейоза. Первый систематический поиск mei- мутаций был сделан на дрозофиле в 1968-1972 гг. Однако к настоящему времени эта коллекция исчерпала себя и ставится задача нового целевого поиска [9]. В итоге данной работы создана самая большая по репертуару и степени генетической и цитологической изученности коллекция mei-мутантов у высших организмов. Аналогичные успешные поиски и исследование mei-мутации проведены на ржи в лаборатории цитогенетики Петербургского университета [10]. Сопоставление этих данных свидетельствует о плодотворности сформулированной нами концепции генного контроля мейоза, и в частности поиска на ее основе ожидаемых типов мутаций, и установление расписания их действия. Серия транспозонных mei-мутаций, полученная в ходе данной работы, открывает перспективу молекулярно- генетического клонирования генов мейоза у высших организмов.

Очевидны прикладные аспекты проблемы генного контроля поведения хромосом в мейозе и для селекции и для медицины. Малейшее нарушение в расхождении хромосом в мейозе ведет к нарушению баланса генов, а вслед за тем к аномалиям развития и плодовитости, к тому, что называется "хромосомные болезни". Например, у человека сбой в мейозе, 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, вызывающих стерильность у мужчин, весома доля мутаций мейоза [11].

В наступившую эру генетической инженерии, когда стало возможным пересаживать фрагменты с нужными генами от хромосом одного вида к хромосомам другого, никто заранее не может сказать, а пройдет ли созданная генно-инженерная конструкция "отдел технического контроля" мейоза, будет ли она стабильно передаваться через гаметы. И лишь знание действия генов мейоза позволит контролировать этот процесс.

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, одна от матери и одна от отца, сходные между собой по морфологии и составу генов.

Зигота - оплодотворенная яйцеклетка, которая образуется при слиянии двух гамет и имеет двойной набор хромосом.

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.

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 ДНК.

Синапсис - тесное соединение пар гомологичных хромосом в профазе первого деления мейоза.

Синаптонемный комплекс - 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.

Автор: И. Н. Голубовская

Введите ваше имя:

Комментарий:

Защита от спама - введите символы с картинки (регистр имеет значение):