Общая морфология митотических хромосом

Хромосомы всех эукариотических клеток построены по одному плану. Они включают в себя три основных компонента: собственно тело хромосомы (плечо), теломерный, конечный участок, и центромеру. Наиболее просто устроены хромосомы дрожжевых клеток: палочковидное тело хромосомы на одном конце имеет теломеру, а на другом – центромеру (рис. 32). Хромосомы животных и растений также представляют собой палочковидные структуры разной длины с довольно постоянной толщиной, но обычно имеют два хромосомных плеча, соединенных в зоне центромеры. Эта зона называется первичной перетяжкой. Соответственно оба плеча хромосомы оканчиваются теломерами (рис. 32). Хромосомы с равными или почти равными плечами называют метацентрическими, с плечами неодинаковой длины – субметацентрическими. Палочковидные хромосомы с очень коротким, почти незаметным вторым плечом – акроцентрические.

В области первичной перетяжки (центромеры) расположен кинетохор - пластинчатая структура, имеющая форму диска. К нему подходят пучки микротрубочек митотического веретена, идущие в направлении к центриолям. Эти пучки микротрубочек принимают участие в движении хромосом к полюсам клетки при митозе.

Обычно каждая хромосома имеет только одну центромеру (моноцентрические хромосомы), но могут встречаться хромосомы дицентрические и полицентрические, т.е. обладающие множественными кинетохорами.

В зоне первичной перетяжки присутствует особая, центромерная, сателлитная ДНК, отличающаяся высоким уровнем повторенности нуклеотидных последовательностей.

Некоторые хромосомы имеют вторичную перетяжку. Последняя обычно расположена вблизи дистального конца хромосомы и отделяет маленький участок, спутник. Вторичные перетяжки называют, кроме того, ядрышковыми организаторами, так как именно на этих участках хромосом в интерфазе происходит образование ядрышка. Здесь же локализована ДНК, ответственная за синтез рРНК. В хромосомах человека ядрышковые организаторы расположены в коротких плечах вблизи центромер.

Плечи хромосом оканчиваются теломерами, конечными участками. Теломерные концы хромосом не способны соединяться с другими хромосомами или их фрагментами, в отличие от концов хромосом, лишенных теломерных участков (в результате разрывов), которые могут присоединяться к таким же разорванным концам других хромосом. В теломерах локализована особая теломерная ДНК, защищающая хромосому от укорачивания в процессе синтеза ДНК.

Размеры хромосом у разных организмов варьируют в широких пределах (рис. 33). Так, длина хромосом может колебаться от 0,2 до 50 мкм. Самые мелкие хромосомы обнаруживаются у некоторых простейших, грибов, водорослей, очень мелкие хромосомы – у льна и морского камыша; они настолько малы, что с трудом видны в световой микроскоп. Наиболее длинные хромосомы обнаружены у некоторых прямокрылых насекомых, у амфибий и у лилейных. Длина хромосом человека находится в пределах 1,5-10 мкм.

Число хромосом у различных объектов также значительно колеблется, но характерно для каждого вида животных и растений. У некоторых радиолярий число хромосом достигает 1000-1600. Рекордсменом среди растений по числу хромосом (около 500) является папоротник ужовник, 308 хромосом у тутового дерева, у речного рака 196 хромосом. Наименьшее количество хромосом (1 хромосома на гаплоидный набор) наблюдается у одной из рас аскариды, у сложноцветного Haplopappus gracilis всего 4 хромосомы (2 пары).

Совокупность числа, величины и морфологии хромосом называется кариотипом данного вида. Кариотип – это как бы лицо вида. Даже у близких видов хромосомные наборы отличаются друг от друга или по числу хромосом, или по величине хотя бы одной или нескольких хромосом, или по форме хромосом и по их структуре. Структура кариотипа данного вида не зависит ни от типа клеток, ни от возраста животного или растения. Все клетки индивидуумов одного вида имеют идентичные наборы хромосом. Простой морфологический анализ может убедительно показать различия в кариотипах даже у близких видов. Следовательно, структура кариотипа может быть таксономическим (систематическим) признаком, который все чаще используется в систематике животных и растений (рис. 34).

В последние годы в практику хромосомного анализа стали широко входить методы дифференциального окрашивания хромосом. Впервые метод был предложен Касперссоном, который показал, что при обработке препаратов митотических хромосом с помощью флуорохрома акрихиниприта во флуоресцентном микроскопе видна исчерченность по длине хромосом. В хромосомах были видны поперечные светящиеся полосы («бэнды») (Q– полосы, Q–окраска), расположение которых было характерно для каждой хромосомы.

Затем оказалось, что исчерченность тела хромосомы, ее способность дифференциально окрашиваться по длине, можно выявить с помощью нефлуоресцирующих красителей (например, смесь по Гимза: метилен-азур, метиленовый фиолетовый, метиленовый синий и эозин). Перед окраской препараты обрабатывают разными способами (короткая обработка трипсином, щелочными или кислыми растворами и др.). В зависимости от метода окраски можно выявить окрашивание прицентромерных участков (C-полосы или перевязки) или различные полосы в плечах и теломерах хромосом (G-полосы). При этом, так же как при окраске акрихинипритом, расположение полос характерно для каждой хромосомы (рис. 35).

Интересно, что получение дифференциальной окраски хромосом связано, скорее всего, с различной способностью к искусственной деконденсации разных участков хромосом. Так, дифференциальную окраску, соответствующую C- и G-полосам, можно получить при окраске обычным гематоксилином или просто наблюдать под фазовым контрастом на нефиксированных хромосомах в процессе их постепенной деконденсации при удалении двухвалентных катионов из окружающих хромосомы растворов, т.е. наблюдать дифференциальную деконденсацию митотических хромосом.

Такая дифференциальная окраска позволила детально изучить строение хромосом человека. При обычных методах окраски весь набор из 46 хромосом человека принято подразделять по их размерам на 7 групп (A, B, C, D, E, F, G). Если при этом легко отличить крупные (1, 2) хромосомы от мелких (19, 20), метацентрические от акроцентрических (13-я), то внутри групп трудно различить одну хромосому от другой. Так, в группе C 6-я и 7-я хромосомы схожи между собой так же, как и с X-хромосомой (рис. 36). Дифференциальное окрашивание позволяет четко отличить эти хромосомы друг от друга (рис. 37). Этот прием цитологического анализа в сочетании с генетическими наблюдениями уже в настоящее время позволил начать составлять хромосомные карты человека, т.е. находить места расположения генов на определенных участках хромосом (рис. 38).

Несмотря на то, что молекулярные механизмы такой специфической окраски до сих пор еще не ясны, многие исследователи такую способность отдельных участков хромосом к окрашиванию связывают с их химическими различиями. Большое число наблюдений говорит о том, что избирательное окрашивание связано с локализацией так называемого гетерохроматина, ДНК которого обогащена A- и T-основаниями.

Клеточный цикл эукариот

В отличие от клеточного цикла прокариот эукариотические клетки удваивают число своих хромосом в результате синтеза ДНК задолго до цитотомии, до разделения исходной клетки на две дочерние. И время протекания клеточного цикла у эукариот значительно больше времени клеточного цикла бактерий. Так, если для бактериальных клеток время от деления до деления клетки составляет 20-30 мин., то у одноклеточных эукариот, таких как инфузория туфелька клеточный цикл занимает уже 10-20 часов, время клеточного цикла у амебы составляет около 1,5 суток. Около суток занимает клеточный цикл и у многоклеточных организмов.

Клетки многоклеточных организмов обладает разной способностью к делению. Если в раннем эмбриогенезе клетки животных организмов делятся часто, то во взрослом организме они большей частью теряют эту способность. У круглых червей и коловраток клетки теряют способность к делению после прохождения эмбрионального развития, и рост организма, например у аскариды, происходит не за счет роста числа клеток, а за счет увеличения их размера.

В организме высших позвоночных клетки различных тканей и органов имеют неодинаковую способность к делению. Здесь встречаются клетки, полностью потерявшие свойство делиться: это большей частью специализированные, дифференцированные клетки (например, клетки центральной нервной системы, кардиомиоциты, клетки хрусталика глаза). В организме есть постоянно обновляющиеся ткани (различные эпителии, кровь, клетки рыхлой и плотной соединительных тканей). В этом случае в таких тканях существует часть клеток, которые постоянно делятся (например, клетки базального слоя покровного эпителия, клетки крипт кишечника, кроветворные клетки костного мозга и селезенки), заменяя отработавшие или погибающие клеточные типы. Многие клетки, не размножающиеся в обычных условиях, приобретают вновь это свойство при процессах репаративной регенерации органов и тканей.

Примерно такие же типы клеток по способности их вступать в деление встречаются и у растительных организмов: Это камбиальные клетки, дающие начало различным органам и тканям, клетки интенсивно делящиеся, это клетки, возобновляющие деление при регенерации, это дифференцированные клетки, потерявшие в естественных условиях способность делиться.

Клетки многоклеточных животных и растений, так же как одноклеточные эукариотические организмы, вступают в процесс деления после ряда подготовительных процессов, важнейшим из которых является синтез ДНК.

Весь смысл клеточного деления заключается в равномерном распределении редуплицированного генетического материала по двум новым клеткам. Следовательно, нужно ожидать, что отделения до деления где-то в течение жизни клетки должен существовать период синтеза ДНК. Это предположение было подтверждено в радиоавтографических экспериментах. Если размножающимся клеткам животных или растений дать на короткое время меченый предшественник ДНК, а затем его убрать (так называемое импульсное мечение), то он будет включаться только в те клетки, в которых во время эксперимента шел синтез ДНК. В гетерогенной популяции клеток, среди которых были как делящиеся, так и неделящиеся клетки, метка включалась только в часть интерфазных клеток. Это наблюдение показывало, что синтез ДНК происходит только в интерфазе, в которой существуют периоды, когда синтез ДНК не происходит; отсутствие метки в некоторых интерфазных клетках могло говорить, что в них синтез ДНК или еще не начинался, или уже закончился.

Это положение было доказано следующим образом. Если клеткам дать импульсную метку (например, меченный тритием предшественник ДНК, тимидин), а затем наблюдать за распределением метки среди клеток, взятых через определенные интервалы времени, то можно наблюдать следующую картину. Через некоторое время в образцах будут встречаться как меченые интерфазные клетки, так и немеченые клетки и делящиеся клетки, не содержащие метку. Делящиеся, но не содержащие метки – это те клетки, которые уже закончили синтез ДНК до начала эксперимента. Позднее в препаратах начинают появляться меченые делящиеся клетки. Это как раз те клетки, которые в момент введения меченого предшественника в интерфазе синтезировали ДНК, были в синтетическом периоде (S-период). Через некоторое время снова появляются немеченые делящиеся клетки, те, которые в момент введения меченого предшественника в интерфазе еще не вступили в S-период. Наконец, снова появляются меченые делящиеся клетки – это те, которые вступили в деление уже второй раз. Если построить график встречаемости меченых митозов (рис. 39), то получится многовершинная кривая: точки между соседними вершинами будут отражать полную длительность времени от деления до деления клетки – длительность клеточного цикла. Время от начала эксперимента до появления первых меченых митозов – это время интерфазы после S-периода, постсинтетический период или, как принято его обозначать, G₂–период.

Оказалось, что S-периоду предшествует пресинтетический период, G₁–период, отрезок времени, предшествующий началу синтеза ДНК. Зная длительность клеточного синтеза, по проценту меченых клеток при импульсном введении меченого предшественника можно рассчитать длительность S-периода. Так, например, при времени Т, равным 20 часам, среди клеток встречается до 30% клеток, меченных ³H -тимином, из чего следует, что длительность S-периода занимает около 7 часов. Таким образом, весь клеточный цикл состоит как бы из четырех отрезков времени: собственно митоз (М), пресинтетический (G₁), синтетический (S) и постсинтетический (G₂) периоды: T = G₁ + S = G₂ + M.

Как было найдено, общая продолжительность как всего клеточного цикла, так и отдельных его отрезков (периодов) значительно варьируют не только у разных организмов, но и у клеток разных органов одного организма.

Таблица 2. Длительность митотического цикла и его периодов (в часах)

Вид	Митоти- Ческий цикл	Митоз	G1	S	G2
Вика посевная (20^оС) Боковые корни 18,1 1,0 3,7 8,0 5,4   Горох (22^о) 19,3 2,3 6,7 8,0 2,3   Кукуруза клетки периферии чехлика 22,5 2,2 6,3 6,7 7,3   Мышь Эпителий тонкой кишки 18,75 1,0 9,5 7,5 0,75 Эпителий роговицы 72,0 0,75 - 8,50 4,0   L-клетки (опухолевые фибробласты) 20,0 1,0 9-11 6-7 3-4   Кроветворные клетки 24,0 0,5-1 9,0 10 4,5

 

Существуют объекты с более коротким клеточным циклом. Так у некоторых дрожжей он занимает 1,5 часа, а при дроблении эмбриональных клеток амфибий – 0,5 часа.

Различные периоды клеточного цикла отличаются друг от друга по общему содержанию в клетках белка, ДНК и РНК и по уровню (интенсивности) их синтеза.

В G₁-периоде клетки имеют диплоидное содержание ДНК на ядро (2с), в S-периоде содержание ДНК колеблется от 2с до 4с, в G₂-периоде содержание ДНК соответствует тетраплоидному (4с). Следовательно, если мы изучаем однородную популяцию клеток, то простым путем фотометрии ДНК в интерфазных клетках можно определить, в каком из периодов клеточного цикла находится та или иная клетка (рис. 40).

Количество РНК в клетках на разных этапах цикла также может меняться; в интенсивно делящихся клетках содержание РНК в течение интерфазы увеличивается по крайней мере в 2 раза. После деления в период G₁ поступают дочерние клетка, по объему и по общему содержанию белков и РНК вдвое меньшие, чем исходная родительская клетка. В это время начинается рост клеток, главным образом за счет накопления клеточных белков, что определяется увеличением количества РНК на клетку. Необходимо вспомнить, что в течение всего митоза (от поздней профазы до средней телофазы) в клетке синтез РНК полностью подавлен, поэтому накопление клеточных белков и РНК связано с возобновлением синтеза РНК в начале нового клеточного цикла. В S-периоде уровень синтеза РНК возрастает соответственно увеличению количества ДНК, достигает своего максимума в середине G₂-периода. В конце G₂-периода или в профазе синтез РНК резко падает по мере конденсации митотических хромосом и снова полностью прекращается во время митоза.

Синтез белка во время митоза падает до 25% от исходного уровня и затем в последующих периодах достигает своего максимума в G₂-периоде, в общем повторяя характер синтеза РНК.

Отдельные периоды интерфазы отличаются друг от друга не только общим содержанием и активностью синтезов ДНК, РНК и белка, но и характером синтезируемых РНК и белков.

Такое регулярное повторение последовательности клеточных циклов легко можно наблюдать во время прогрессивного роста клеток культуры ткани. В естественных условиях в растущих тканях растений и животных всегда есть клетки, которые находятся «вне цикла», не проходят регулярно из G₁- в S-, затем в G₂- и потом в M-фазу; такие клетки принято называть клетками G₀-периода. Именно эти клетки представляют собой так называемые покоящиеся, переставшие размножаться клетки. Под действием специфических белковых ростовых факторов или митогенов они могут снова вступать в клеточный цикл и начать делиться. В некоторых тканях такие клетки G₀-фазы могут находиться длительное время, не изменяя особенно своих морфологических свойств: они сохраняют в принципе способность к делению, превращаясь в камбиальные, стволовые клетки (например, в кроветворной ткани). Чаще такая потеря (хотя бы и временная) способности делиться сопровождается специализацией, дифференцировкой клеток. В этом случае дифференцирующиеся клетки выходят из цикла, но в особых условиях могут снова входить в цикл. Так, например, большинство клеток печени находится в G₀-периоде; они не участвуют в синтезе ДНК и не делятся. Однако если произвести удаление части печени, то многие клетки начинают подготовку к митозу (G₁-период), переходят к синтезу ДНК и могут митотически делиться. В других органах, выходя из клеточного цикла, клетки необратимо дифференцируются и теряют способность к делению навсегда. Так происходит с нейронами: нейробласты, эмбриональные нервные клетки, после нескольких циклов клеточного деления теряют способность размножаться, дифференцируются и остаются в этом состоянии до конца жизни организма.

Следует отметить особо, что у многоклеточных зрелых организмов заведомо большая часть клеток находится в G₀-фазе. Прохождение клетками клеточного цикла как в интенсивно размножающихся популяциях, так и в клетках стимулированных к размножению, регулируется целой сложной системой циклирующих белков, от активности которых зависит прохождение каждой из стадий клеточного цикла (см. ниже, глава).