Том 3 (1129748), страница 67
Текст из файла (страница 67)
Например, у человека каждый индивидуумспособен образовать по меньшей мере 223 = 8,4 × 106 генетически различных гамет.Однако реальное число вариантов значительно увеличивается за счет кроссинго‑вера (иногда назывемого перекрестом хромосом), который является следствиемгомологичной рекомбинации (см. главу 5) — процесса обмена сегментами ДНКмежду гомологичными хромосомами. При мейозе в результате такого обмена между1956Часть 5. Клетки в контексте их совокупностиРис.
21.13. Два основных механизма перераспределения генетического материала во время мейоза.а) У организма с n хромосомами в результате независимого расхождения гомологичных хромосомв первом делении мейоза может получиться 2n различных гаплоидных гамет. В данном случае n = 3и может быть 8 различных типов гамет. б) В профазе I мейоза происходит кроссинговер: гомологичныехромосомы обмениваются участками, что ведет к перераспределению генов. В последовательностяхДНК двух гомологов всегда имеется большое число незначительных различий, поэтому оба механизмаувеличивают наследственную изменчивость организмов, размножающихся половым путем.несестринскими хроматидами генетическая информация, записанная в хромосомах,перемешивается (рис. 21.13, б). В среднем между двумя спаренными гомологамипроисходит 2–3 кроссинговера (рис.
21.14).Молекулярные механизмы кроссинговера описаны в главе 5 (см. рис. 5.64).Вкратце, консервативный специфичный для мейоза белок Spo11 делает двухцепочечные разрывы в ДНК материнской или отцовской хроматиды, тем самымзапуская кроссинговер. Далее в сайте двухцепочного разрыва собирается оченьбольшой мультиферментный рекомбинационный комплекс, содержащий ферменты,репарирующие двухцепочечные разрывы ДНК. Этот комплекс катализирует гомологичную рекомбинацию. В большинстве случаев это не приводит к кроссинговеру,но иногда кроссинговер происходит, и тогда две несестринские хроматиды взаимнообмениваются сегментами ДНК.
Как мы уже знаем, после распада синаптонемного21.2. Мейоз 1957Рис. 21.14. Кроссинговер между гомологичными хромосомами в семенниках человека. На этих микрофотографиях, полученных методом иммунофлуоресценции, антитела использовали для окраски синаптонемных комплексов (красный цвет), центромер (синий) и сайтов кроссинговера (зеленый). Обратитевнимание, что в каждом биваленте имеется хотя бы один сайт кроссинговера и ни в каком — больше трех.(Из A. Lynn et al., Science 296: 2222–2225, 2002, с изменениями. С разрешения издательства AAAS.)комплекса каждый кроссинговер можно наблюдать в микроскоп как хиазму (см.рис. 21.10, а). На рис.
21.10, б показано, что каждая из сестринских хроматидв одном гомологе может образовать одиночный или множественный перекрестс любой из хроматид соседнего гомолога.21.2.7. Кроссинговер строго регулируетсяКроссинговер выполняет в мейозе две функции: во-первых, он не дает гомологам разъединиться, обеспечивая их правильное расхождение по дочернимклеткам в конце первого деления, во-вторых, участвует в генетической модификации вырабатываемых гамет. Поэтому, как следует ожидать, кроссинговер строгорегулируется: контролируется число и расположение двухцепочечных разрывовв каждой хромосоме, а также вероятность того, что в области данного разрывапроизойдет кроссинговер. Хотя двухцепочечные разрывы в первом делении мейоза могут появиться практически в любой точке хромосомы (см.
рис. 21.14), онираспределены не равномерно, а концентрируются в области «горячих точек», гдедоступен хроматин, и редко встречаются в «холодных участках», например, в гетерохроматиновых участках центромер и теломер.На число и расположение кроссинговеров оказывают влияние по меньшей мередва фактора; ни один из них еще не изучен достаточно подробно. Оба механизмадействуют на этапе сборки синаптонемного комплекса.
Один из них обеспечиваетобразование как минимум одного кроссинговера в каждой паре гомологов, чтонеобходимо для нормального расхождения хромосом в первом делении мейоза.В соответствии другим механизмом, называемом хиазменной (хромосомной) интерференцией, наличие одного кроссинговера в биваленте хромосом подавляетобразование последующих, возможно, способствуя локальному уменьшению концентрации белков, необходимых для формирования устойчивого кроссинговерана месте двухцепочечного разрыва ДНК.1958Часть 5. Клетки в контексте их совокупности21.2.8. У самцов и самок млекопитающих мейоз регулируетсяпо-разномуФундаментальные принципы мейоза одинаковы у всех эукариот, размножающихся половым путем.
Например, у всех этих организмов большую часть времени,отведенного на мейоз, занимает профаза I, хотя отдельные временные характеристики могут и различаться (рис. 21.15). Однако, помимо различий в регуляциимейоза у разных видов, мейоз по-разному регулируется у представителей противоположных полов одного и того же вида. Особенно четко различия между поламив этом отношении выражены у млекопитающих.Рис. 21.15. Сравнение длительности различных стадий мейоза. Показаны примерные временные интервалы для самца млекопитающего (мыши, рис.
а) и растения (лилии, рис. б). Эти интервалы различны дляженских и мужских гамет (яиц и спермиев) одного и того же вида и для одинаковых гамет разных видов.Например, мейоз у мужчины длится 24 дня, а у самца мыши 12 дней. У женщин длительность мейоза может составлять до 40 лет, поскольку после стадии диплотены он приостанавливается.
Однако во всех случаях профаза первого деления мейоза намного продолжительнее, чем все остальные стадии, вместе взятые.У самок млекопитающих клетки-предшественники яйцеклеток (ооциты) вступают в мейоз еще в яичнике плода, однако первое деление мейоза приостанавливается по завершении диплотены (после распада синаптонемного комплекса). Первоеделение мейоза заканчивается лишь после наступления половой зрелости, при выходе ооцита из яичника, то есть при овуляции. Более того, высвобожденный ооцитзавершает второе деление мейоза только в случае оплодотворения.
Таким образом,у самок имеются специальные механизмы, останавливающие мейоз и запускающие21.2. Мейоз 1959его вновь. У человека ооциты могут находиться на стадии первого деления более40 лет; возможно, отчасти поэтому вероятность нерасхождения хромосом значительно увеличивается с возрастом женщины. У самцов же деление предшественниковсперматозоидов (сперматоцитов) мейозом начинается лишь с наступлением половой зрелости и протекает непрерывно, без пауз.
У человека полное мейотическоеделение сперматоцита занимает примерно 24 дня.Мейоз у самок и самцов, кроме того, сильно различается по количеству ошибок;особенно это заметно у человека. Примерно 20 % яйцеклеток человека анеуплоидны,в то время как анеуплоидными являются всего 3–4 % сперматозоидов. Это являетсяосновной причиной того, что 25 % всех зародышей человека анеуплоидны; как правило, это результат нерасхождения хромосом в ооцитах на стадии первого делениямейоза. Чтобы оплодотворить одну-единственную яйцеклетку, вышедшую при овуляции в половые пути, с противоположного конца в половые пути самки проникаютмиллионы сперматозоидов.
Учитывая такое несоответствие, можно ожидать, что присозревании яйцеклеток будет действовать гораздо более строгий контроль качества,чем при созревании сперматозоидов, однако дело обстоит с точностью до наоборот.Если у самца при мейозе происходит ошибка, то активируется механизм регуляцииклеточного цикла (см. главу 17), останавливающий мейоз и запускающий программуапоптоза. Судя по всему, такой механизм у самок не работает: если расхождениепроисходит с нарушениями, клетки все равно продолжают мейотически делиться,образуя анеуплоидные клетки. С другой стороны, считается, что мужские клеткизародышевой линии являются источником другой генетической ошибки.
Посколькупри созревании спермиев происходит много циклов митоза, а каждый акт репликацииДНК чреват ошибками, отцы в среднем вносят больше мутаций, чем матери.В созревании гамет участвует не только мейоз, но и другие процессы; в случаеяйцеклеток и спермиев они тоже различаются. Как мы увидим, к концу митоза яйцеклетка млекопитающего полностью созревает, в то время как при формированииспермия конец мейоза означает лишь начало дифференцировки. Однако прежде чемобсуждать эти гаметы, рассмотрим, откуда берутся их предшественники — клетки,которые сначала обособляются как клетки зародышевого пути, а затем развиваютсяв зависимости от пола животного в сперматозоид или яйцеклетку.ЗаключениеГаплоидные гаметы (яйцеклетки, сперматозоиды, пыльцевые зерна и споры)возникают в процессе мейоза, включающего в себя один цикл репликации ДНКи два клеточных деления, в результате которых из одной диплоидной клеткиобразуются четыре гаплоидные клетки.
Длительная профаза I мейоза можетзанимать до 90 % времени всего мейотического деления. В начале профазы Iхромосомы дуплицируются, а сестринские хроматиды прочно склеиваются другс другом. Затем гомологичные хромосомы (гомологи) конъюгируют и по мерепрохождения профазы I соединяются все плотнее. В спаренных гомологах (бивалентах) происходит генетическая рекомбинация, в результате которой формируются кроссинговеры, которые впоследствии можно наблюдать как хиазмы,не дающие гомологам разъединиться в метафазе I. Кроссинговер и независимоерасхождение материнских и отцовских хромосом в первом делении мейоза приводят к формированию гамет, генетически отличных друг от друга и от клетокобоих родителей.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
