Клеточный цикл. Митоз и мейоз. Хромосомы.
advertisement
Клеточный цикл. Митоз и мейоз. Хромосомы. к.б.н., м.н.с. лаборатории биохимической генетики СПбГУ Физикова Анастасия Юрьевна Терминология Соматические клетки - клетки тканей многоклеточных организмов, не являющиеся половыми Хромосомы-нуклеопротеиновые нитевидные структуры клеточного ядра Центромера-участок хромосомы, играющий важную роль в процессе деления клеточного ядра и в контроле экспрессии генов Теломеры-концевые участки хромосом Митоз-основной способ деления эукариотических клеток без редукции числа хр. Мейоз-деление клетки, в результате которого происходит редукция числа хр. Кроссинговер-взаимный обмен участками гомологичных хромосом Плоидность-число наборов хромосом, содержащихся в клетке или во всех клетках многоклеточного организма Эухроматин-участки хроматина, сохраняющие деспирализованное состояние хроматина в покоящемся ядре, т. е. в интерфазе (в отличие от других участков, сохраняющих спирализованное состояние — гетерохроматин) Гомологичные гены - гены, произошедшие от общего предшественника 2 Клеточный цикл 3 Клеточный цикл Хромосомы Морфология Теломеры Цетромера Гетерохроматин (оранж.) Эухроматин 4 Клеточный цикл Хромосомы Типы хромосом Телоцентрическая Субметацентрическая Акроцентрическая Метацентрическая 5 Клеточный цикл Хромосомы Эухроматин и гетерохроматин Эухроматин Гетерохроматин ~67% генома ~33% генома Плечи хромосом Y-Хр.-полностью, прицентромерные обл. др. хромосом Компактны в ходе митоза и мейоза На протяжении всего к/ц Не оказывает влияния на экспрессию Инактивация близких генов генов Не объединяются Участки объединяются, образуя хромоцентры Расположен по всему объему ядра Главным образом у ядерной оболочки Отсутствие С-окраски Почти нет гистонов Интенсивная С-окраска В основном высокоповторенные последовательности Много гистонов Локализация основного числа генов Гены почти отсутствуют 10% умеренных повторов 6 Клеточный цикл Митоз Политенные хромосомы 7 Клеточный цикл Хромосомы Число хромосом (2n) у разных организмов 8 Клеточный цикл Повторяющаяся совокупность событий, обеспечивающих деление клеток G1 – пресинтетический период G0 – период покоя S – синтетический период G2 – постсинтетический период M – митоз 9 Клеточный цикл Длительность Организм Человек Homo sapiens Лейкоциты Кожа Кукуруза Zea mays Табак Nicotiana tabacum Дрожжи Sacch. cerevisiae Бактерии E. coli Длительность клеточного цикла, часы 18 28 12--29 12 10 2 0,3 10 Клеточный цикл Интерфаза G1: • Интенсивный синтез • Рост клетки • Увеличение размеров органелл • Удвоение центриолей S: • Репликация ДНК • Синтез гистонов G2: • Деление органелл • Увеличение запасов клетки 11 Клеточный цикл Митоз (от греч. mitos - нить) Профаза: конденсация хромосом, центриоли расходятся к полюсам, ядерная мембрана растворяется Метафаза: хромосомы выстраиваются на экваторе клетки Анафаза: центромеры расщепляются на две, хроматиды расходятся к полюсам клетки Телофаза: деспирализация хромосом, разрушение веретена деления, появление ядерной оболочки 12 Клеточный цикл Митоз Интерфаза Профаза Метафаза Анафаза Телофаза 13 Митоз Хромосомы Кариотип и идиограмма Кариотип – совокупность признаков (число, размеры, форма и т. д.) полного набора хромосом, присущая клеткам данного биологического вида 5 мкм Идиограмма - диаграмматический рисунок кариотипа 14 Клеточный цикл Митоз Животная клетка Растительная клетка Центриоли Есть Нет «Звезды» из МТ Есть Нет Цитокинез Борозда Фрагмопласт и клеточная пластинка Митоз В разных тканях В меристеме 15 Клеточный цикл Митоз Центросома Центриоли Фибриллы 250 нм Микротрубочки (9*3) 300-700 нм 16 Клеточный цикл Митоз ГТФ β ГТФ β ГТФ α ГТФ α ГТФ β-тубулин ГТФ α-тубулин ГТФ ГТФ ГДФ ГТФ ГДФ ГТФ ГДФ ГТФ ГДФ ГТФ Центриоль (+)-конец ГТФ ГДФ β ГТФ α ГТФ/ГДФ (-)-конец Протофиламент (ПФ) 25 нм 250 нм Микротрубочка (МТ) Центриоль 17 Клеточный цикл Митоз Белки, соединяющиеся с микротрубочками Белки MAP γ-TuRC +TIPS CLASP Катастрофины Катанин Кинезины и динеины Функции +/- Структурные белки, при +Фн отсоединяются от МТ + Матрица для новых МТ, латеральная стабилизация МТ + Моторные и линкерные белки. Взаимодействие с МТ в клеточном кортексе.Поддержание стабильности (+)(+)-конца и регуляция динамики МТ (XMAP (XMAP215 215--продольная стабилизация) + Присоединение димеров тубулина к (+)(+)-концу. Ингибиторы катастрофинов.. Взаимодействие с кинетохором (связь с катастрофинов хромосомой). + Диссоциация димеров тубулина за счет активации гидролиза ГТФ или изменения конформации ПФ (MCAK (MCAK – кинезин кинезин,, находится в кинетохоре, обеспечивает диссоциацию (+)(+)-конца во время анафазы митоза) + Разделяет МТ, образуя нестабильный (+)(+)-конец +/- Моторные белки, кинезины двигаются от (-)-конца к (+), а динеины--наоборот динеины 18 Клеточный цикл Регуляция Митогенный фактор + рецептор Митогенактивируемые протеинкиназы Транскрипционные факторы Активация экспрессиии генов 19 Клеточный цикл Регуляция динамики микротрубочек Киназа Фосфатаза TF Каспаза Рецептор Фермент Циклин GEF ГТФаза G-белок/ субъед.риб осомы Активация Подавление Перенос 20 Клеточный цикл Митоз Профаза 21 Клеточный цикл Митоз Прометафаза 22 Клеточный цикл Митоз Метафаза 23 Клеточный цикл Митоз Анафаза 24 Клеточный цикл Митоз Телофаза и диакинез 25 Клеточный цикл Митоз G2-M Метафаза-Анафаза Регуляция G2-M: размер клетки, незавершенность репликации, крупные повреждения ДНК Метафаза-анафаза: неправильная сборка веретена деления “R-регуляторный пункт” R- регуляторный пункт: количество питательных веществ, размер клетки, ошибки репликации 26 Клеточный цикл Митоз Регуляция G2-M Метафаза-Анафаза Циклины и циклин-зависимые протеинкиназы • Инактивирование комплекса предыдущей стадии; • Стимуляция событий своей стадии; • Образование или активация комплекса следующей стадии. “R-регуляторный пункт” 27 Клеточный цикл Митоз Регуляция Экспрессия генов, кодирующих циклины митоза: CycA-CDK1, CycB-CDK1 Экспрессия генов, кодирующих циклины фазы S: CycA-CDK2 Экспрессия генов, кодирующих циклины середины фазы G1: Cyc D-CDK4, CycD-CDK6 Экспрессия генов, кодирующих циклины поздней фазы G1: CycE-CDK2 28 Клеточный цикл Регуляция Период клеточного цикла Регулирующие белки G1-период cdk2 + циклин D1, cdk5 + циклин D3 R-пункт периода G1 cdc2 + циклин С Переход из G1- в S-период cdk2 + циклин Е Переход из S- в G2-период cdk2 + циклин А Переход из G2-периода в митоз (М-период) cdc2 + циклин В Циклин H + cdk7 необходим для фосфорилирования и активации cdc2 в комплексе с циклином В 29 Клеточный цикл Регуляция Митогенный фактор + рецептор Митогенактивируемые протеинкиназы Транскрипционные факторы Активация экспрессиии генов 30 Клеточный цикл Митоз Регуляция 31 Клеточный цикл Митоз Регуляция 32 Клеточный цикл Митоз Регуляция 33 Клеточный цикл Митоз Регуляция 34 Клеточный цикл Митоз Регуляция 35 Клеточный цикл Митоз Регуляция 36 Клеточный цикл Митоз Значение •Генетическая стабильность •Рост •Бесполое размножение и регенерация 37 Клеточный цикл Мейоз (от греч. meiosis – уменьшение) • Гамето- и спорогенез • Генетическая изменчивость 38 Клеточный цикл Стадия Митоз Интерфаза Мейоз Синтез ДНК. Удвоение хромосом Профаза I Компактизация хромосом Метафаза I Расположение хромосом в плоскости экватора Анафаза I Расхождение сестринских хроматид к полюсам Телофаза I Формирование в клетке двух идентичных диплоидных ядер Компактизация хромосом. Конъюгация гомологичных хромосом – образование бивалентов, рекомбинация Расположение бивалентов в плоскости экватора Расхождение гомоличных хромосом к полюсам. Независимое расхождение хромосом, входящих в разные биваленты Формирование в клетке двух гаплоидных ядер, которые могут различаться генотипически Профаза II - Компактизация хромосом Метафаза II - Анафаза II - Телофаза II - Расположение центромеров в плоскости экватора Расхождение сестринских хроматид к полюсам Формирование четырех гаплоидных ядер, кот. могут различаться генотипически 39 Клеточный цикл Мейоз Мейоз I Мейоз II 40 Клеточный цикл Мейоз Профаза I Лептотена: стадия тонких нитей Зиготена: конъюгация гомологичных хромосом, теломеры ориентируются к одному из полюсов ядра (букет), образуется синаптонемный комплекс между конъюгирующими хромосомами Пахитена: стадия толстых нитей, гаплоидное число бивалентов Диплотена: отталкивание гомологов – видны хроматиды и хиазмы, хромосомы типа «ламповых щеток» (ооциты) – деспирализация хромомер Диакинез: спирализация усиливается, уменьшается число хиазм, биваленты локализованы по периферии ядра 41 Клеточный цикл Мейоз Хромосомы типа «ламповых щеток» • Встречаются в ооцитах рыб, земноводных, рептилий и птиц на стадии диплотены • Характеризуются деконденсацией хроматина в процессе транскрипции • Активно транскрибируются • Петля среднего размера содержит 50-100 т.п.н. 42 Клеточный цикл Мейоз Синаптонемный комплекс • Необходим для рекомбинации хромосом и редукции их числа 100 нм 43 Клеточный цикл Мейоз Синаптонемный комплекс S. cerevisiae Zip1p Петли хроматина Mammalia SCP1 (SYCP1) Когезины Петли хроматина Когезины Rec8 (Rad21), + 3 когезина SMC1b (SMC1) +мейоз специфичные белки: SCP2, SCP3 (Mammalia; Hop1p и Red1p (S. cerevisiae ) 44 Клеточный цикл Регуляция Митогенный фактор + рецептор Митогенактивируемые протеинкиназы Транскрипционные факторы Активация экспрессиии генов 45 Клеточный цикл Мейоз Регуляция Арест мейоза Возобновление мейоза 46 Клеточный цикл Мейоз Регуляция 47 Клеточный цикл Мейоз Регуляция 48 Хроматин Уровни компактизации 2нм • Нуклеосомный уровень (11 нм) 11нм 30нм 300нм • Нуклеомерный уровень или сверхбусина, соленойд (30 нм) • Петельно-доменный уровень/ хромомерный (300нм) • Хромонемный уровень (700нм) 700нм 49 1400нм Хроматин Нуклеосома • Октамер гистонов H2A, H2B, H3 и H4 (25-40% сухой массы хроматина) • Сильноосновные белки • H3 и H4 Arg-богатые, очень консервативны, N-концы модифицируются • Кодируются генами, образующими тандемные повторы на разных Хр •ДНК обвивает нуклеосому 1,75 раза (145 пар оснований/ нуклеосому) • 60 млн молекул каждого гистона на клетку 50 Хроматин Нуклеосома Гистоны Н2А, Н2В, Н3, Н4 (по два на нуклеосому) Линкерная ДНК ДНК кόра Нуклеосома 51 Хроматин Нуклеомерный уровень/ соленойд/ фибрилла Нуклеосомный тяж формирует левозакрученную спираль Октамерный гистоновый кор ДНК Н1 ДНК Октамер гистонов Н1 52 Хроматин Нуклеомерный уровень/ соленойд/ фибрилла Хроматин Петельно-доменный и хромомерный уровни ДНК Нуклеосомы Скаффолд 30 нм соленойд ДНК нуклеосомы Скаффолд Соленойд 54 Хроматин Скаффолд Scaffold associated regions – SAR S/ MARs Matrix associated regions – MAR S/ MARs около 400 разных элементов: ~30000 на клетку Mammalia: • AT – богатые • Содержат инвертированные повторы • Участки, способные образовывать неканонические структуры (изгибы ДНК, тройную спираль, Z-форму ДНК и др.) • Сайты расщепления топоизомеразы II • Конститутивные и динамические/ тканеспецифичные Хроматин Скаффолд Топоизомераза II Гистон H1 Гистоны кора Соленойд Нуклеосома ДНК Петельно-доменный уровень компактизации Хроматин Скаффолд Гистоны кора Нуклеосомы Гистон H1 Соленойд Суперсоленойд Хроматин Скаффолд Топоизомераза II/ ДНК-гираза • осуществляет ATP-зависимое расщепление цепей ДНК • релаксация суперскрученных молекул ДНК • образование или развязывание узлов ДНК • образование или разделение катенанов Важная роль в регуляции экспрессии генов Хроматин Модификации гистонов • ацетилирование • фосфорилирование • метилирование • убиквитинилирование Гистоновый код – комбинация модификаций Эпигенетика – изучение наследственных изменений в функции генов, которые происходят без изменения в последовательности ДНК • сумоилирование 11 декабря 2010 Ключевая роль в регуляции экспрессии генов Хромосома Центромера Теломеры Цетромера Гетерохроматин (оранж.) Эухроматин 60 Хромосома Центромера Последовательности нуклеотидов в центромерах 16 хромосом дрожжей Saccharomyces cerevisiae 5 мкм Хромосома Центромера 78-86 п.о. ~90% AT Вариабельная последовательность Кор центромеры Нуклеосома Веретено деления Хромосома Центромера Веретено деления Кинетохор, центромера Нуклеосомы ДНК Нуклеотидов Нуклеотидов Хромосома Центромера Кинетохор Функции: • связывание между собой сестринских хроматид • закрепление митотических МТ • регуляция разъединения хромосом • движение хромосом во время митоза Хромосома Центромера Кинетохор Внешний слой (40-60 нм) Средний слой (25-30 нм) Внутренний слой (40-60нм) Центромера Хромосома Центромера Белки кинетохора Внутренний Средний Внешний CENP-B Связывается с α-сателлитной ДНК CEN (171н.п.~3-5% Хр) MCAK Кинезиноподобный белок CENP-A Гомолог гистона H3, связывается с CDE II CENP-G Связывается с белками ядерного матрикса 3F3/2 Фиксирует натяжение пучков МТ Ndc80/ HEC1 Вовлечен в связывание с МТ CENP-E,CENP-F Связывание МТ BUB1,BUBR1, MAD1,MAD2 Сверочные белки сборки веретена деления: задержка в метафазе пока все кинетохоры не будут прикреплены к МТ Хромосома Теломеры Теломеры Цетромера Гетерохроматин (оранж.) Эухроматин 67 Хромосома Теломеры Функции • Запечатывание конца хромосомы • Препятствие склеивания хромосом • Фиксация хромосом к ядерному матриксу • Влияние на экспрессию генов • Молекулярные часы Хромосома Теломеры Строение Повтор из гуанинов Субтеломерная последовательность (TAS) Теломерный концевой повтор (TR) 50 п.н. Euplotes – >100 т.п.н. Mus Хромосома Центромера 0,3-6,7т.п.н. S.cerevisiae – 300т.п.н Chironomus Хромосома Теломеры Строение Теломерные повторы (TR) в хромосомах некоторых видов Хромосома Теломеры Строение Структура TR в хромосомах инфузории окситрихи G - конец TR Хр. TR С - конец Хромосома Теломеры Строение Плоскостное расположение молекул гуанина в теломерных повторах Хромосома Теломеры Репликация Теломераза – РНК-зависимая ДНК-полимераза или обратная транскриптаза: • Теломеразная обратная транскриптаза (TERT) • Дискерин (DKC1) • Теломеразная РНК (hTR или TERC) c 2 копиями TR: простейшие 150-200 н.о., человек – 450 н.о., дрожжи 1300 н. о. Хромосома Теломеры Репликация Теломераза Ладонь Матрица Пальцы Большой палец Теломеразная РНК Теломерная ДНК Хромосома Теломеры Репликация Хромосома Теломеры Репликация Хромосома Теломеры Белки Хромосома Теломеры Белки Хромосома Теломеры Белки Хромосома Теломеры Длина теломеры Число клеточных делений Полезные ресурсы http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/ http://humbio.ru/humbio/default.htm
