Loading AI tools
поділ ядра клітини, частина M-фази разом з цитокінезом З Вікіпедії, вільної енциклопедії
Міто́з (рідше каріокінез або непрямий поділ) (від дав.-гр. μίτος — нитка) — найпоширеніший спосіб поділу ядер клітин. Під час мітозу два ідентичні набори хромосом, утворені внаслідок реплікації ДНК, розподіляються між двома новими ядрами. Мітозом діляться ядра всіх клітин багатоклітинних організмів, крім гамет[1].
Зазвичай після ядра ділиться й цитоплазма (процес цитокінезу), і в результаті материнська клітина повністю ділиться на дві дочірні. Проте в низці випадків цитокінез не відбувається, і утворені ядра лишаються в одній клітині. Прикладами можуть бути деякі клітини ембріона плодової мухи, гепатоцити та кардіоміоцити ссавців. Якщо ж цитокінез відбувається, він починається в анафазі й закінчується під час або одразу після телофази[1].
Мітоз і цитокінез складають M-фазу клітинного циклу, завдяки якій зберігається сталий каріотип багатоклітинного організму і виду в цілому та відбувається збільшення кількості клітин.
У різних груп еукаріот мітоз відбувається дещо по-різному. Прокаріотичні клітини діляться бінарним поділом[en], що відмінний від мітозу.
Мітоз — лише одна з частин клітинного циклу, але під час мітозу відбуваються значні клітинні перебудови, тому його ділять на п'ять фаз: профаза, прометафаза, метафаза, анафаза і телофаза. Іноді прометафазу не виокремлюють.
Подвоєння хромосом відбувається ще в інтерфазі, що не є частиною M-фази. В результаті цього в мітоз хромосоми вступають вже подвоєними, такими, що нагадують букву «X» (ідентичні копії материнської хромосоми, сполучені одна з одною в області центромери) (див. п. Мітотична хромосома)
Тривалість мітозу залежить від виду клітин і в середньому становить 1-2 години. Процес залежить і від умов зовнішнього середовища (температури, світлового режиму й інших показників).
Профаза є першою стадією мітозу. Під час профази конденсуються хромосоми та формується веретено поділу. У деяких організмів, зокрема тварин та рослин, руйнується ядерна оболонка (відкритий мітоз)[2]. Якщо вона не руйнується (закритий мітоз, як у більшості грибів), веретено поділу формується всередині неї[3][4].
Ядерна мембрана двошарова. Внутрішній шар прилягає до хроматину, а зовнішній переходить в ендоплазматичний ретикулум. Ядерну оболонку пронизують ядерні пори та підтримує спеціалізована структура — ламіна, що складається з білків ламінів[en][3].
Руйнування ядерної оболонки починається в профазі. Фосфорилювання білків внутрішньої мембрани, ламінів та деяких інших білків циклін-залежною протеїнкіназою 1 (CDK1)[5] та іншими протеїнкіназами, зокрема Aurora B, порушує зв'язок хроматину та ядерної оболонки. Інвагінації та утворення дірок (fenestration) в ядерній оболонці тісно пов'язані з активністю динеїнових молекулярних моторів, що приєднані до ядерних пор. Динеїни здатні до активного переміщення вздовж мікротрубочок і рухаються по астральним мікротрубочкам веретена поділу. Таким чином одночасно відбувається розміщення веретена поділу по полюсам клітини і формування дірок в ядерній оболонці.[3]
Під час прометафази закінчується конденсація хромосом та руйнування ядерної оболонки. Веретено поділу розміщується на полюсах клітини. Від центросом полімеризуються та ростуть мікротрубочки всіх типів (див. п. Веретено поділу). Кінетохор деяких хромосом взаємодіє з кінетохорними мікротрубочками веретена поділу за допомогою білків динеїну та кінезину CENP-E[6], що допомагають латерально приєднатися до мікротрубочки, та білку NDC80[7], що формує стабільний зв'язок з плюс-кінцем мікротрубочки.[8]
Після приєднання до кінетохору однієї мікротрубочки до нього приєднуються інші мікротрубочки, причому їхня полімеризація може не залежати від центросоми. Так, до існуючої кінетохорної мікротрубочки може приєднатися комплекс білків Augmin разом з γTuRC. Від цього комплексу може сформуватися нова мікротрубочка, яка буде йти майже паралельно до існуючої і в тому ж просторовому напрямку, тобто плюс-кінцем до кінетохору. Таким чином може швидко сформуватися к-фібрила (кінетохорна фібрила): пучок мікротрубочок, який необхідний для руху хромосом під час анафази.[3]
Важливим моментом під час прометафази є початок активації контрольної точки веретена поділу[en], яка не дозволить клітині вхід в анафазу за відсутності приєднання всіх кінетохорів до мікротрубочок (див. Контроль мітозу).[8]
Під час метафази хромосоми розміщуються вздовж екватора клітини. Таке розміщення хромосом викликано з'єднанням обох кінетохорів однієї хромосоми до мікротрубочок протилежних центросом. Клітина перебуває у метафазі довгий час, допоки кожна хромосома не буде з'єднана з обома центросомами з обох полюсів.
Правильний процес під'єднання кінетохорів до мікротрубочок від різних полюсів забезпечується методом спроб і помилок, таке правильне з'єднання має велике тягове зусилля: хромосому тягнуть кінезинові білки до різних полюсів клітини і лише з'єднання в області центромери не дає сестринським хроматидам розійтися. Таке з'єднання є стабільним. При неправильному контакті, наприклад контакті обох кінетохорів з мікротрубочками одного полюсу, цього тягового зусилля не виникає, таке з'єднання є нестабільним і швидко руйнується, тоді кінетохор знову з'єднується з мікротрубочками і такий процес триває, доки не утвориться стабільне з'єднання. Причина стабільності з'єднання в основному лежить у кіназній активності білку Aurora B, який фосфорилює комплекс приєднання мікротрубочок до веретена поділу, що призводить до розриву контакту. Одна з моделей, яка пояснює цей механізм, називається «собача прив'язь» і полягає в тому, що Aurora B приєднана до внутрішнього кінетохору за допомогою білку INCENP[9] і може фосфорилювати лише ті білки, що знаходяться в радіусі рухливості INCENP, на кшталт прив'язі собаки[10]. Таким чином, при неправильному контакті напруги між кінетохором і мікротрубочками немає і плюс-кінці та білкові комплекси зовнішнього кінетохору, що контактують з мікротрубочок, лежать в зоні досягнення Aurora B, що їх фосфорилює та руйнує контакт. При контакті хромосоми з мікротрубочками обох полюсів виникає тягова сила, відстань між внутрішнім і зовнішнім кінетохором збільшується, Aurora B вже не досягає до комплексу з'єднання з мікротрубочками і нездатний його фосфорилювати. Тому такий контакт залишається[10].
Таким чином, кожна хромосома перетягується в протилежних напрямках до обох полюсів клітини і мігрує в центр (див. п. Рух хромосом), оскільки пряма лінія є геометрично найкоротшою відстанню між двома точками. Хромосоми розміщуються вздовж екватора, формуючи метафазну пластинку.
Під час анафази контакт між сестринськими хроматидами розривається, і вони рухаються до протилежних полюсів клітини. Перехід від метафази до профази можливий лише при проходженні контрольної точки завдяки діяльності комплексу APC (див. п. Контроль мітозу).
Анафаза ділиться на дві частини:[1]
Хромосоми здійснюють значні переміщення в клітині під час мітозу навіть до стадії анафази: під час метафази вони вибудовуються в площині екватора. Рух хромосом та витягнення веретена поділу здійснюються завдяки трьом механізмам.[1]
Телофаза є завершальною стадією мітозу, за нею слідує цитокінез. Під час телофази навколо дочірніх хромосом, які розміщені на протилежних полюсах клітини, формується ядро, хромосоми займають свої інтерфазні позиції (хромосомні території), еухроматин декомпактизується, що дозволяє зчитувати гени. Активною є РНК-полімераза I[en], що транскрибує рРНК і формуються ядерця навколо ядерцевих організаторів.[13] Також під час телофази руйнується веретено поділу.[1]
Інактивація комплексу ЦЗК1–циклін B ініціює формування ядерної мембрани. Частини внутрішньої ядерної мембрани повертаються від ендоплазматичного ретикулуму і з'єднуються з хроматином. При цьому хроматин також зазнає певних змін; так, від нього від'єднується кіназа Aurora B (див. п. мітотична хромосома). Злиття частин ядерної мембрани відбувається одночасно з утворенням ядерних пор, таким чином уникається формування закритого ядра без пор.[3]
Формування ядерної мембрани повинно відбутися таким чином, що всі хромосоми опиняться всередині ядра, а органели, навпаки, туди не потраплять. Цьому процесу допомагає щільна (щільніша, ніж у метафазі) упаковка хромосом та присутність веретена поділу на перших стадіях телофази: хромосоми розміщені щільною купкою, а навколо них формується ядерна оболонка. Тим не менш у цьому процесі можливі помилки, в результаті яких губиться хромосома чи формуються мікроядра.[3]
Мітоз займає лише частину клітинного циклу. Проте для проходження мітозу стадії до нього також повинні пройти успішно. Так, передує мітозу G2-стадія інтерфази, а закінчується мітоз цитокінезом, і переходить в G1-фазу інтерфази.
Під час мітозу вибудувані під час метафази в екваторіальній площині хромосоми повинні розійтися на два полюси клітини, причому розділитися правильно на дві частини. Це надзвичайно складний процес, в якому беруть участь багато білків, але основною структурою, яка його забезпечує, є веретено поділу.
Веретено поділу складається з декількох типів мікротрубочок та центросом.
Це довгі фібрили білкового комплексу, який складається з димерів α- та β-тубуліну, які, спірально накручуючись, складають структуру, схожу на трубу, окружністю 13 αβ-тубулінових димерів. Така структура несиметрична та має плюс- та мінус-кінці: перший містить β-субодиницю, останній α-субодиницю[14]. Також на мінус-кінці мікротрубочки веретена поділу є γ-тубулін. Мікротрубочки — нестабільні структури і постійно руйнуються та синтезуються з плюс-кінця (мінус-кінець закріплений γ-тубуліном). Мікротрубочки веретена поділу формуються з центра організації мікротрубочок (ЦОМТ), в основі якого лежить γ-тубулін γTuRCs (англ. γ-tubulin ring complex).
До складу веретена поділу входять:[15]
Мінус-кінці всіх цих мікротрубочок розташовані на полюсі.[15]
До одного кінетохору зазвичай приєднується не одна, а 20-40 мікротрубочок, формуючи кінетохорну фібрилу (к-фібрилу)[16].
Починаючи з пізньої анафази і до цитокінезу не-кінетохорні мікротрубочки протилежних полюсів перетинаються і формують у центрі клітини спеціальну структуру — центральну лінію веретена поділу (англ. spindle midzone).[17] Ця структура потрібна для розходження полюсів веретена поділу під час пізньої анафази і телофази, і вона формує основу для актинової перетяжки, що ділить цитоплазму клітини надвоє під час цитокінезу.
У дріжджів основою центральної лінії веретена поділу є білок Ase1[18][19].
У тваринних клітинах центросоми є центрами на полюсах, де збираються мікротрубочки веретена поділу. Центросоми складаються з центріолей. Навколо центріолей розміщена перицентріолярна речовина (англ. pericentriolar material, PCM)[20].
У ранній інтерфазі в клітині одна центросома — та, що дісталася з половини веретена попереднього поділу. Проте перед наступним поділом клітини центросома також подвоюється. Цей процес починається в S-фазі.[20][21]
Центріоль, яка лежить в центрі центросоми, утворює дочірню центріоль таким чином, що вони лежать під кутом 90°. Центріолі хребетних тварин містять дев'ять триплетів мікротрубочок, що радіально-симетрично розташовані навколо колоподібної структури (англ. cartwheel) та оточені додатковими білками. Довжина центріолі хребетних ~300-500 нм. Центріолі D. melanogaster простіші, мають менше білків, замість триплетів мікротрубочок мають диплети, також вони коротші, довжиною ~150 нм.[20] При подвоєнні центріолі в S-фазі центральна колоподібна структура руйнується, залишаючи приєднані один з одним дві центріолі[21].
Центросоми не є необхідними для поділу клітини і правильної організації мікротрубочок, але їхня відсутність запускає p53-залежну заборону клітинної проліферації в людини та миші, але не у плодових мух. Наприклад, у лінії мух, мутантної за геном Sas4 (англ. Spindle assembly abnormal 4 orthologue)[22], центросоми не формуються. Ранній ембріогенез у таких організмів проходить погано, проте якщо їм експериментально надати невелику кількість білку Sas4, ембріогенез проходить нормально, центріолі швидко губляться, мухи народжуються фенотипово нормальні. Проте за відсутності центріолей клітини не можуть формувати джгутики, для яких вони необхідні.[20]
Під час мітозу хромосоми повинні знаходитися в конденсованому стані — інтерфазний («рихлий») хроматин, який дозволяє зчитування генів з ДНК, фізично не дозволяє значні рухи хромосоми в клітині, адже кожна молекула ДНК дуже довга. Під час профази хромосоми конденсуються повністю. Під час ранньої анафази хроматин набуває найбільшого ущільнення впродовж мітозу, тоді як під час пізньої анафази та впродовж телофази хромосоми починають зменшувати свою щільність упаковування. [11] Проте хроматин не упакований настільки щільно, що він недоступний до певних факторів транскрипції, нуклеаз чи вставок транспозонів.[23] Так, в експериментах на сайти чутливості до ДНКази I[en] та ATAC-секвенування[en] встановлено, що доступність мітотичного хроматину не сильно відрізняється від доступності хроматину в інших фазах клітинного циклу для транспозонів чи до розрізання DNase1-нуклеазою.[23] Через це теоретична ідея, що мітотична ДНК занадто щільно спакована для того, щоб до неї дістався транскрипційний апарат, не вірна.[23]
Мітотичні хромосоми мають характерну X-подібну форму. Така форма притаманна лише мітотичній хромосомі, причому до стадії анафази, коли з'єднання в області центромери руйнується і сестринські хроматиди розходяться до полюсів. Таку форму забезпечують конденсованість хроматину та з'єднання сестринських хроматид в області центромери. Під час подвоєння ДНК в період S-фази дочірні копії ДНК з'єднуються за допомогою білку когезину[24] вздовж всієї довжини ДНК в період фази G2, до початку мітозу[25]. Проте при вступі в мітоз когезин фосфорилюється протеїнкіназами CDK1, PLK1[26] та Aurora B. Білок Wapl (англ. Wings apart-like protein homolog)[27] від'єднує когезин від хромосом, причому лише в області плечей хромосоми, а не від центромери, де когезин знаходиться в дефосфорильованому стані завдяки активності білка Sgo1[28]. Таким чином когезин при вступі в мітоз залишається лише в області центромери, і хромосоми мають X-подібний вигляд (чи V-подібний, якщо це акроцентричні хромосоми, у яких центромера знаходиться з краю, наприклад Y-хромосома)[25].
Центромери — це специфічні ділянки хромосом, де формується кінетохор під час мітозу і куди приєднуються мікротрубочки веретена поділу. Типова хромосома має лише одну центромеру. Проте формування та встановлення центромери не прямо залежить від послідовності ДНК. У багатьох організмів ДНК що формують центромери містять повторювані ділянки[en], такі як α-сателіти, проте позиціонування та формування центромери залежить від епігенетичних механізмів. Так, гістон H3 замінюється в ділянці центромери на специфічний гістоновий варіант CENPA. Також існують дані про незначний дрейф локації центромери після багатьох поділів клітини, особливо в тих випадках коли в центромери немає білків CENPU та CENPS[29]
Конденсація хроматину для проходження мітозу проходить під впливом багатьох білкових комплексів та факторів, модифікацій гістонових хвостів тощо.[11] При цьому сама по собі довжина молекули ДНК в хромосомах викликає питання, як хромосоми можуть перейти від рихлого до конденсованого стану окремих молекул без того, аби заплутатися між собою.[30] Для пояснення цієї топологічної проблеми часто використовують порівняння локшини чи навушників: взяти виделкою окремо довгу локшину з тарілки спагеті важко.[31][32][33]
Кінетохор — ділянка хромосоми в області центромери. До кінетохору кріпляться мікротрубочки веретена поділу, що рухають хромосоми під час анафази[34].
Кінетохор поділяється на[14]
Треба розуміти, що таке розділення не є дуже чітким, однак дані шари формуються різними групами білків. Також кінетохору притаманна тимчасова структура — фіброзна зона — при відсутності контакту з мікротрубочками.
Внутрішній кінетохор формується білками CENP-A, що є варіантами гістону H3[en]. Ці білки формують конститутивну з'єднану з центромерою мережею (англ. constitutive centromere-associated network, CCAN), що названа так тому що ці білки взаємодіють з центромерою впродовж всього клітинного циклу, а не лише у певних фазах підготовки до мітозу.[35]
Починаючи з фази G2 клітинного циклу на внутрішньому кінетохорі будується комплекс зовнішнього кінетохору, який в основному складається з білків KMN, що формується білковими комплексами KNL1, MIS12 та NDC80.[35]
Крім наявності таких специфічних структур, як веретено поділу, клітина зазнає значних загальних змін при вході в мітоз з G2-фази. Це включає округлення загальної форми клітини, зміни цитоскелету та органел, зникнення ядерної оболонки.[2]
В інтерфазі клітини мають різну форму залежно від своїх функцій, проте при вступі в мітоз вони стають округлими. Це спостерігається й на клітинах у культурі in vitro, які зазвичай плоскі з випуклістю в центрі. Під мембраною клітини формується щільний шар цитоскелету — клітинний кортекс[en] — який складається з актинових філаментів, білків, що з ними з'єднані, та міозинових моторних білків[2].
Під час мітозу відбувається серія клітинних перебудов та рухів різних органел, а в результаті мітозу повинні утворитися дві максимально однакові дочірні клітини, генетичний матеріал яких поділений навпіл. Це дуже складний процес і його контроль відбувається на декількох рівнях і в декілька етапів.
Для правильного проходження мітозу повинні бути пройдені контрольні точки клітинного циклу[en] — певні моменти в стадіях мітозу, при яких повинні бути виконані серії вимог і лише в такому разі настає подальша стадія. У мітозу контрольних точок є дві:[1]
.svg)
Система контролю збірки веретена поділу, яку іноді називають мітотичною системою контролю, — це запобіжний механізм, який протидіє некоректному розподіленню та втраті хромосом під час мітозу. Ця система затримує клітину в метафазі доки всі хромосоми не буде правильно приєднано до веретена поділу. Час затримки може сягати до 20 годин у людини та декількох годин у дріжджів[36]
В системі контролю збірки веретена поділу в основі реагує на стабільність приєднання кінетохорів до мікротрубочок. Це забезпечується низкою білків та білкових комплексів:[36]
Відповідно, при вимиканні MCC комплекс APC/C убіквітинує секьюрин. Секьюрин, з'єднаний з убіквітиновими залишками, стає мішенню руйнування в протеасомі. Таким чином вивільнюється сепараза, яка розщеплює білок Scc1, що призводить до руйнування когезинів в центромерній ділянці і розходження сестринських хроматид.
Слід зазначити, що в різних групах живих організмів мітоз протікає дещо по-різному. Описаний вище варіант мітозу називається відкритим ортомітозом (ядерна оболонка руйнується, веретено поділу пряме, оскільки продукти поділу клітинного центру розміщені на протилежних полюсах ядра). Характерний для багатоклітинних тварин, багатоклітинних рослин і ряду найпростіших[4].
У деяких групах найпростіших продукти поділу клітинного центру в анафазі не досягають протилежних сторін ядра, внаслідок чого мікротрубочки веретена поділу розташовуються під кутом, нагадуючи букву V.
У деяких організмів, таких як пивні дріжджі, мітоз відбувається без руйнування ядерної оболонки. В такому випадку формуються веретеноподібні полюсні тіла (англ. spindle pole bodies) — схожі на центросоми структури, що є центрами організації мікротрубочок, але формуються всередині ядра та приєднуються зсередини до його мембрани (постійно або тимчасово). При анафазі ядерна мембрана закритого мітозу змінює форму та збільшує площу, разом з сіткою ендоплазматичного ретикулюму, що оточує ядро. Це досягається завдяки активності ферменту lipin, фосфатази, що збільшує кількість фосфоліпідів, які здатні вбудуватися в мембрану ядра, збільшивши її. У деяких дріжджів, таких як Schizosaccharomyces japonicus білок lipin неактивний, мембрана ядра не збільшується, тому під час анафази при розходженні хромосом ядерна оболонка руйнується. Такий тип мітозу називається напівзакритим[3].
Клітинний центр може містити центріолі (наприклад, у тварин) або не містити їх (наприклад, у квіткових рослин).
У 1874 І. Д. Чистяков описав ряд стадій (фаз) мітозу у спорах плаунів, ще не ясно представляючи собі їхню послідовність. Детальні дослідження з морфології мітозу уперше були виконані Е. Страсбургером на рослинах (1876–1879).
Мітоз у тварин вперше незалежно описали Вальтер Флеммінг, В. Шляйхер[38] і Петро Перемежко[39]. Засновник кафедри гістології, ембріології і порівняльної анатомії в Університеті Св. Володимира Петро Перемежко (1833–1893), на результатах власних досліджень, проведених у Анатомічному театрі в Києві, у 1878 році відкрив непрямий поділ тваринних клітин.[40]
Seamless Wikipedia browsing. On steroids.
Every time you click a link to Wikipedia, Wiktionary or Wikiquote in your browser's search results, it will show the modern Wikiwand interface.
Wikiwand extension is a five stars, simple, with minimum permission required to keep your browsing private, safe and transparent.
