Что такое деконденсация хромосом

деконденсация

Смотреть что такое «деконденсация» в других словарях:

Деконденсация стадия деконденсации — Деконденсация, стадия деконденсации * дэкандэсацыя, стадыя д. * decondensation or stage of d стадия разрыхления гетерохроматина (см.) при переходе ядра от интерфазы к профазе (см. ) … Генетика. Энциклопедический словарь

деконденсация хромосом — (де + конденсация) см. Деспирализация хромосом … Большой медицинский словарь

дифференциальная деконденсация [хромосом] — differential decondensation дифференциальная деконденсация [хромосом]. Процесс частичной деспирализации митотических хромосом во время гипотонической обработки хромосомных препаратов; предполагается, что процесс Д.д. лежит в основе проявления G… … Молекулярная биология и генетика. Толковый словарь.

дифференциальная деконденсация [хромосом] — Процесс частичной деспирализации митотических хромосом во время гипотонической обработки хромосомных препаратов; предполагается, что процесс Д.д. лежит в основе проявления G исчерченности метафазных и прометафазных хромосом. [Арефьев В.А.,… … Справочник технического переводчика

Дифференциальная деконденсация хромосом — * дыферэнцыяльная дэкандэнсацыя храмасом * differential chromosome decondensation процесс частичной деспирализации митотических хромосом во время гипотонической обработки хромосомных препаратов. Предполагается, что процесс Д. д. х. лежит в основе … Генетика. Энциклопедический словарь

деспирализация — деконденсация Процесс развертывания и раскручивания плотно упакованной молекулы ДНК в хромосоме при переходе клетки от телофазы к интерфазе; процесс Д. является обратным процессу спирализации. [Арефьев В.А., Лисовенко Л.А. Англо русский толковый… … Справочник технического переводчика

деспирализация хромосом — (син. деконденсация хромосом) процесс раскручивания спирализованных хромосом в телофазе митоза и мейоза … Большой медицинский словарь

Деспирализа́ция хромосо́м — (син, деконденсация хромосом) процесс раскручивания спирализованных хромосом в телофазе митоза и мейоза … Медицинская энциклопедия

Митоз — Фазы митоза Митоз (греч … Википедия

Мейоз — (от греч. meiosis уменьшение) или редукционное деление клетки деление ядра эукариотической клетки с уменьшением числа хромосом в два раза. Происходит в два этапа (редукционный и эквационный этапы мейоза). Мейоз не следует смешивать с… … Википедия

Источник

Что такое деконденсация хромосом

• При подготовке к расхождению хромосомы конденсируются и мигрируют к центру митотического веретена

• Хромосомы прикрепляются к микротрубочкам, выходящим из противоположных полюсов веретена, с помощью специальных участков, называемых кинетохорами

• Разрываются связи, соединяющие сестринские хроматиды вместе, и происходит их разделение

• Происходит расхождение изолированных сестринских хроматид, что предшествует цитокинезу

Как отмечалось выше, у большинства клеток одним из характерных признаков вступления в митоз является конденсация хромосом. Генетический материал интерфазных клеток упакован не так плотно как в митозе, и в процессе сегрегации хромосом важную роль играет его реорганизация с образованием компактных структур высшего порядка. Как достигается эта компактизация и каким образом она регулируется?

В конденсации хромосом участвует мультибелковый комплекс, который называется конденсин. Этот комплекс состоит из двух суперспирализованных белковых молекул, содержащих АТФазные домены и, в силу исторических причин, относящихся к семейству SMC-белков. Предполагается, что субъединицы конденсина могут «прогуливаться» по ДНК, скрепляя вместе ее различные участки. В состав конденсинового комплекса также входят другие белки, которые, наряду с SMC белками, вызывают в ДНК конформационные и топологические изменения, приводящие к компактизации.

О процессе конденсации хромосом также говорят и другие изменения связанных с ними белков, например фосфорилирование гистонов Н1 и Н3. Известно, что фосфорилирование гистона Н3 происходит с участием киназ Aurora. Фактически, фосфорилирование этого гистона в митозе обычно служит показателем активности киназы Aurora.

Образование связей между сестринскими хроматидами представляет собой процесс, родственный конденсации хромосом. При репликации в S-фазе каждая пара хроматид связывается между собой и находится в связанном состоянии до момента разделения при переходе от метафазы к анафазе. Каким образом и когда устанавливаются связи между хроматидами и как они разрываются в анафазе?

Так же как и конденсиновый комплекс, когезиновый комплекс формирует и поддерживает связи между сестринскими хроматидами, начиная от момента репликации ДНК и до начала их сегрегации. Этот комплекс состоит из двух SMC-белков, которые напоминают SMC-белки конденсина, хотя и отличаются от них, и трех дополнительных белков, Scc1, Scc3 и Pds5, также необходимых для его функционирования.

До наступления метафазы одна из протеаз, под названием сепараза, находится в связанном с секурином состоянии и не проявляет активности.
В метафазе, при действии АРС, секурин подвергается протеолизу, и таким образом происходит деблокирование сепаразы.
После этого активная сепараза расщепляет когезин, что вызывает разделение сестринских хроматид.

Предполагалось, что когезиновый комплекс скрепляет сестринские хроматиды наподобие застежки «молния». Однако недавно было показано, что SMC-белки и субъединица Scc1 обвивают сестринские хроматиды, скрепляя их. Подробности механизма этого скрепления сейчас исследуются.

Предложено два механизма разрушения связей между хроматидами. Согласно одному механизму, в профазе, с плечей хромосомы удаляется большая часть когезина, а связанный с центромерой комплекс остается на месте. Этот первый этап удаления когезина запускается Plk1, которая фосфорилирует Scc1. В то же время связанная с центромерой Scc1 когезиновая субъединица подвергается протеолизу. Если модель скрепления хроматид за счет их обвивания субъединицей Scc1 правильна, то расщепление этой субъединицы должно приводить к раскрытию обвивающего кольца и к физическому разделению сестринских хроматид. Во всяком случае, каким бы ни был механизм скрепления хроматид, очевидно, что разрушение Scc1 вызывает их диссоциацию и обеспечивает наступление анафазы.

Сепараза представляет собой сайт-специфическую протеазу, которая расщепляет Scc1 и вызывает разделение хроматид. В течение большей части клеточного цикла, сепараза поддерживается в неактивном состоянии, находясь в комплексе с другим белком, секурином. При переходе из метафазы в анафазу секурин подвергается убиквитинилированию и атакуется протеазами. При разрушении секурина высвобождается сепараза (также известная под названием сепарин), которая разрушает Scc1.

Процессы, происходящие при разделении хроматид, представлены на рисунке ниже. Таким образом, в этой простой модели ключевым процессом, запускающим сегрегацию хромосом, является протеолиз секурина. В связи с этим возникает интересный вопрос: каким образом регулируется деградация секурина?

Секурин отбирается для деградации при его взаимодействии с ЕЗ-убиквитинлигазой, известной под названием анафазный промоторный комплекс (АРС). Этот комплекс узнает белки, содержащие короткие последовательности, называемые деструктивными и/или KEN доменами (D boxes или KEN boxes). При добавлении этих последовательностей, содержащих около девяти аминокислот, в структуру белков, последние проибретают способность к деградации под действием АРС.

В отличие от SCF, для того чтобы субстрат был узнан АРС, не требуется его предварительного фосфорилирования. У почкующихся дрожжей существенная функция АРС состоит в деградации циклинов и секурина, хотя для этого комплекса известно также много других мишеней.

АРС проявляет активность только в митозе и G1-периоде, когда он предотвращает накопление циклинов и секурина. Как регулируется активность АРС? Во-первых, связывание адаптерных белков (Cdc20 и Cdh1 — обозначаемых как APC cdc20 APC cdh1 ) с APC обеспечивает значительную степень субстратной специфичности комплекса. Адаптерные белки способны связываться с АРС лишь в митозе и G1-периоде цикла. Во-вторых, активность АРС регулируется при специфическом фосфорилировании некоторых из его 13 субъединиц и адаптерных белков.

В фосфорилировании и активации АРС участвуют Cdkl и Plk1. В-третьих, активность АРС может контролироваться сигнальной системой, которая следит за прикреплением хромосом, а также точкой, контролирующей сборку веретена (SAC). Столь многочисленные уровни регуляции гарантируют, что АРС активируется только в митозе и запускает протеолиз секурина и циклина, активирует сепаразу, расщепляет когезин, и, наконец, вызывает разделение сестринских хроматид. В G1-периоде АРС сохраняет свою активность с тем, чтобы поддерживать активность Cdk1 на низком уровне. Низкая активность этой киназы позволяет сформироваться pre-RC, необходимому для следующего раунда репликации ДНК. Схема процессов активации АРС представлена на рисунке ниже.

Когда после разрыва связи сестринские хроматиды отделились друг от друга, они расходятся к противоположным полюсам клетки под действием микротрубочек веретена. Когда хромосомы разошлись и активность Cdk1 снизилась, наступает цитокинез.

Подводя итоги изложенному выше, подчеркнем, что конденсация хромосом происходит с участием белкового комплекса, который называется конденсин, и что сестринские хроматиды удерживаются вместе когезиновым комплексом до тех пор, пока не произойдет их разделение в анафазе. Разрыв связей между хроматидами требует расщепления когезина под действием протеазы, сепаразы. Для активации сепаразы необходим протеолиз ее ингибитора, секурина, который происходит с участием АРС по убиквитиновому механизму.

В интерфазе АРС убиквитин лигаза неактивна.
При наступлении митоза Cdk1 фосфорилирует АРС и он связывается с активатором, Cdc20.
Затем Cdc20 АРС узнает субстраты, например секурин, обеспечивая необратимое прохождение клетки по фазам митоза.
Позже в митозе АРС связывается с активатором Cdh1 и мобилизует другие субстраты, необходимые для выхода из митоза. Первый видеокадр, показывающий хромосомы в начальных стадиях митоза.

Видео процесс и фазы митоза

Редактор: Искандер Милевски. Дата обновления публикации: 18.3.2021

Источник

Сперматогенез. Всё, что вы хотели знать, но боялись спросить!

Сперматогенез. Всё, что вы хотели знать, но боялись спросить!

Автор

Редакторы

Статья на конкурс «Био/Мол/Текст»: Наш организм — это сложнейшая машина с многочисленными уровнями регуляции, но начиналось все когда-то всего лишь со слияния двух клеток: сперматозоида и яйцеклетки. Что же в них такого особенного, что вместе они способны дать начало новому организму? В этой статье мы поговорим про детство, отрочество и юность сперматозоидов, узнаем, какие трудности нужно пережить, чтобы стать одной из самых специализированных клеток организма, на примере сперматогенеза мышей.

Конкурс «Био/Мол/Текст»-2020/2021

Эта работа опубликована в номинации «Наглядно о ненаглядном» конкурса «Био/Мол/Текст»-2020/2021.

Генеральный партнер конкурса — ежегодная биотехнологическая конференция BiotechClub, организованная международной инновационной биотехнологической компанией BIOCAD.

Спонсор конкурса — компания SkyGen: передовой дистрибьютор продукции для life science на российском рынке.

Спонсор конкурса — компания «Диаэм»: крупнейший поставщик оборудования, реагентов и расходных материалов для биологических исследований и производств.

Перед тем, как разглядывать детали сперматогенеза, давайте взглянем на картину в целом [1]. Начнем совсем издалека — со строения генома. В нашем геноме 46 хромосом, из них 2 хромосомы половые (X и Y хромосомы), а остальные 22 пары — аутосомы. Это так называемый диплоидный набор — 2n. Он получается при слиянии яйцеклетки и сперматозоида, которые несут в себе гаплоидные наборы хромосом — n (22 аутосомы, по одной из каждой пары, и одну половую). Именно поэтому в каждом ребенке есть черты отца и матери. Изначально сперматогенез начинается со сперматогоний, исходных половых клеток с диплоидным набором хромосом (2n). Дальнейшие деления сперматогоний приводят к образованию сперматоцитов и именно сперматоциты вступают в мейоз, в результате которого образуются клетки с гаплоидным набором хромосом. Такие клетки называют сперматидами, они имеют круглую форму и внешне сильно отличаются от зрелых сперматозоидов. Поэтому в течение последней части сперматогенеза (ее еще называют спермиогенезом) происходит множество морфологических изменений и образуются зрелые сперматозоиды.

Однако есть еще пара важных вопросов, которые нам важно прояснить, прежде чем приоткрывать занавесу тайн сперматогенеза. В качестве модельного организма мы возьмем мышей, поскольку основные исследования по изучению сперматогенеза проводятся именно на них. И первый важный вопрос: а где же происходит вся эта вакханалия? Для сперматогенеза существует специальный парный орган — тестикулы (семенники). Внутри тестикул млекопитающих можно обнаружить семенные канальцы и межклеточное пространство. В тестикулах также присутствуют кровеносные и лимфатические сосуды, нервные клетки. В межклеточном пространстве обнаружены макрофаги, значительная часть которых находится на поверхности семенных канальцев.

Наиболее распространенным типом клеток, расположенных в межклеточном пространстве, являются клетки Лейдига, они секретируют тестостерон и другие андрогенные соединения. Эта функция важна тем, что способствует развитию вторичных половых признаков и обеспечивает нормальное течение сперматогенеза.

Семенные канальцы имеют U-образную форму, их внутренняя поверхность выстлана семенным эпителием, в котором протекает сперматогенез. Зрелые сперматозоиды попадают в просвет семенных канальцев, далее они направляются в средостение и затем накапливаются в эпидидимисе.

В семенном эпителии помимо половых клеток присутствуют клетки Сертоли, они окружают половые клетки, защищают их и обеспечивают питательными веществами. Плотные контакты между клетками Сертоли образованы мультибелковым комплексом, который прочно соединяет клетки друг с другом, в результате чего образуется гемато-тестикулярный барьер. Этот барьер отделяет клетки на поздних стадиях от кровеносных и лимфатических сосудов, что позволяет избежать аутоиммунной реакции. Подробности про гемато-тестикулярный барьер можно узнать в статье «Сперматогенез: через тернии к звездам» [2].

Теперь поговорим немного о том, что же мы хотим получить в конце нашего пути. Зрелый сперматозоид состоит из двух основных частей: это голова и хвост (флагелла) [1]. Отличительной особенностью сперматозоидов грызунов является крюкообразная голова, в то время как у копытных, плотоядных и приматов она округлая. В голове сперматозоида находится ядро, претерпевающее значительные изменения, о которых мы поговорим позже. Еще одним важным элементом, находящимся в голове сперматозоида, является акросома. Это мембранный пузырек с ферментами, который образуется из комплекса Гольджи. Его звездный час наступает при взаимодействии яйцеклетки со сперматозоидом: ферменты высвобождаются, растворяя оболочку яйцеклетки и помогая сперматозоиду проникнуть внутрь.

Для того чтобы добраться до яйцеклетки, у сперматозоида есть хвост (флагелла), который обеспечивает его подвижность [3]. Структурной основой флагеллы является аксонема — сложный комплекс на основе микротрубочек из белка тубулина. Микротрубочки образуют так называемую структуру 9×2+2: 9 дублетов микротрубочек располагаются по кругу, а в центе находятся две одиночные микротрубочки. От одного дублета к другому направлены динеиновые ручки, они обеспечивают скольжение дублетов относительно друг друга. Такое скольжение позволяет хвосту изгибаться в разных направлениях, в итоге его движение происходит по траектории, напоминающей воронку. С центральными микротрубочками дублеты связаны через белковые комплексы, которые называют радиальными спицами.

В хвосте сперматозоида на основе структурных различий выделяют несколько частей.

Самая ближняя к голове часть — соединительная. Именно в ней находится базальная пластинка, через которую происходит связь хвоста с головой.

За ней следует промежуточная часть, где находится митохондриальная спираль, состоящая из 50–75 митохондрий, вокруг которых вытягиваются 9 наружных плотных волокон. Митохондрии поставляют энергию для биения жгутика. Наружные плотные волокна представляют собой белковый комплекс, выполняющий структурную функцию. Промежуточная часть отделена от главной анулусом. Эта кольцевая структура помогает регулировать транспорт белков внутри хвоста.

В главной части уже нет митохондрий, снаружи появляется волокнистая оболочка, которая представляет собой две колонны. Колонны расположены вместо 3 и 8 наружных плотных волокон и соединены серией поперечных ребер. Колонны и ребра играют не только структурную функцию, предполагается, что они служат каркасом, на котором закрепляются ферменты, участвующие в регуляции созревания сперматозоида, подвижности хвоста и различных сигнальных путях.

Самой последней является концевая часть, где располагается аксонема и концы наружных плотных волокон и волокнистой оболочки.

Теперь мы вооружены и готовы начать наше путешествие! Первым делом познакомимся со сперматогониями — неспециализированными диплоидными клетками, с которых начинается сперматогенез.

Вначале было описано всего два типа сперматогоний [4], [5]. У первого, сперматогоний типа A, не обнаружили гетерохроматин в ядре, в то время как у второго, типа B, в ядре присутствовал гетерохроматин. Вскоре после этого был обнаружен тип сперматогоний с промежуточным количеством гетерохроматина — такие клетки были названы промежуточными (In) сперматогониями.

Что это значит для нас? Хроматин может находиться в активном состоянии или неактивном, активный хроматин мы называем эухроматином, а неактивный — гетерохроматином. Поскольку сперматогонии еще не определились со своей будущей профессией, то они себя не ограничивают и хранят генетический материал в активном состоянии. Однако решив стать зрелым сперматозоидом, сперматогония выбирает свой путь и знает, в каком направлении развиваться, поэтому всю ненужную для этого генетическую информацию переводит в неактивное состояние — гетерохроматин. Таким образом, увеличение количества гетерохроматина говорит нам об увеличении специализации клетки.

На данный момент обнаружено еще больше стадий, через которые проходят сперматогонии перед образованием сперматоцитов: от типа А через промежуточные в тип В [6]. Все начинается с деления сперматогоний A_s. Дочерние клетки могут мигрировать и стать двумя новыми одиночными стволовыми клетками, или могут оставаться вместе, соединенные межклеточным мостиком, поскольку цитокинез не завершен, и стать парой клеток A_pr. Затем пара делится дальше, образуя цепочку из четырех. Затем сперматогонии A_al дифференцируются в так называемые сперматогонии A₁, которые являются первым типом «дифференцирующихся» сперматогоний. У млекопитающих обычно шесть поколений дифференцирующихся сперматогоний делятся синхронно и на последнем своем делении производят сперматоциты.

Сперматогония типа В дает начало прелептотеновым сперматоцитам, которые вступают в мейоз, необходимый для получения гаплоидных клеток [7]. Мейоз состоит из двух последовательных клеточных делений без промежуточной S-фазы. Профаза первого мейоза удлинена и ее разделяют на последовательные стадии: лептотена, зиготена, пахитена и диплотена. Во время лептотены происходит конденсация ДНК, в зиготене гомологичные хромосомы соединяются и компактизируются. На стадии пахитены происходит кроссинговер — обмен участками между гомологичными хромосомами с образованием новых комбинаций генов. Этот процесс повышает наследственную изменчивость, благодаря которой происходит эволюция. В диплотене происходит частичная деконденсация хромосом и экспрессия генов, необходимых для дальнейших процессов. На этом профаза заканчивается. Далее хромосомы расходятся к полюсам клетки и результатом первого деления первичных сперматоцитов с диплоидным набором хромосом (2n) становятся вторичные сперматоциты с гаплоидным набором хромосом (n). При втором делении к полюсам клетки расходятся хроматиды, и после второго деления мейоза образуются круглые сперматиды.

Со стадии круглых сперматид начинается спермиогенез. Клетки больше не делятся, во время спермиогенеза происходит лишь усложнение их структуры, образуется хвост и сперматозоид приобретает знакомый нам вид [3].

Как мы уже знаем, круглые сперматиды образуются после мейотического деления сперматоцитов. Затем во время шага 2–3 аксонема начинает удлиняться и достигает почти полной длины. В это время она окружена жгутиковой мембраной — продолжением клеточной плазматической мембраны. Также во время стадии 2–3 на дистальном конце жгутика начинают формироваться предшественники колонн. Столбцы фиброзной оболочки и ребра впоследствии собираются в дистально-апроксимальном направлении — в том направлении, которое станет основной частью сперматозоидов. Между этапами 6 и 7 базальное тело с прикрепленной аксонемой перемещается к ядру и тянет за собой плазматическую мембрану, после чего плазматическая мембрана окружает промежуточную часть жгутика. На этапе 8 внешние плотные волокна начинают собираться вдоль дублетов микротрубочек аксонемы от промежуточной части к концу хвоста, в конечном итоге растягиваясь по всей длине, но не достигая своего полного диаметра до этапа 16. Также на этапе 8 из комплекса Гольджи образуется акросома. Параллельно с этим образуется манчета [8] — напоминающая юбку структура из микротрубочек и актиновых филаментов, играющая важную роль в транспорте белков из головы в хвост.

На этапе 9 ядро начинает удлиняться и конденсироваться, благодаря этому клетки на дальнейших стадиях называют элонгированными сперматидами. В обычном состоянии ДНК в ядре упакована с помощью белков гистонов, однако для более плотной упаковки гистоны замещаются на протамины [9]. Поскольку протамины несут больше положительных зарядов, отрицательно заряженная ДНК упаковывается еще более плотно, что позволяет уменьшить риск повреждения генетической информации до слияния сперматозоида с яйцеклеткой. Однако при такой плотной упаковке не происходит транскрипция, поэтому все необходимые РНК синтезируются заранее и хранятся в виде рибонуклеопротеиновых комплексов. Также на 9 стадии начинает формироваться анулус и окружает аксонему у ее основания. На шаге 15 анулус мигрирует дистально вдоль аксонемы к будущему месту соединения промежуточной и главной частей. Анулус представляет собой структуру в форме кольца, которая разделяет промежуточную и главную часть хвоста, тем самым участвуя в регуляции транспорта. В начале этапа 15 митохондрии в развивающейся промежуточной части мигрируют к аксонеме и конденсируются вокруг нее и внешних плотных волокон. На этапе 16 избыточная цитоплазма удаляется как остаточное тело. Затем зрелые сперматозоиды попадают в просвет и выходят из тестикул.

Зрелые сперматозоиды попадают в эпидидимис (придаток яичка). Сперматозоиды передвигаются за счет биения ресничек эпителия, при этом созревание сперматозоидов продолжается, они приобретают подвижность [10]. В итоге в эпидидимисе происходит накопление и хранение зрелых сперматозоидов. Около 23×10 6 сперматозоидов находится в эпидидимисе мышей, из которых 73% имеют нормальное строение, а остальные не пережили путешествие так успешно, и у них наблюдаются различные дефекты (отсутствие подвижности, наличие двух голов и т.д.).

В заключение хочется отметить, что различные поколения половых клеток связаны не случайным образом, а образуют клеточные ассоциации фиксированного состава. Так, например, сперматиды на данном этапе спермиогенеза всегда связаны с одними и теми же типами сперматоцитов и сперматогоний [11]. В определенный момент времени в семенном эпителии находится 3–4 типа клеток. В связи с этим у мышей выделяется 12 типов поперечных срезов семенного эпителия.

Источник