15.6: Мітоз

Мітоз складається з профази, метафази, анафази та телофази, з виразною клітинною діяльністю, що характеризує кожну фазу. На цьому дублювання ядра завершується, а за ним йде цитокінез, при якому клітина ділиться, виробляючи дві дочірні клітини.

Малюнок\(\PageIndex{6}\). Мітоз. Під час мітозу ядерна оболонка розпадається, щоб забезпечити доступ веретена до хромосом. Після того, як вони були переміщені на протилежні кінці, ядерна мембрана реформується навколо кожного набору. Нарешті, цитокінез ділить клітину на дві нові дочірні клітини.

Профаза - це підготовка кожного компонента до цього складного клітинного танцю. ДНК конденсується (вона щільно обертається навколо себе, щоб зробити її меншою і міцнішою упаковкою), так що вона менш сприйнятлива до поломки під час руху по клітці. При цьому більша частина ДНК стає транскрипційно неактивною. Тіла Гольджі і ендоплазматичний ретикулум починають розбиватися на мембранозні бульбашки, які можуть бути більш легко і рівномірно розподілені по клітині, так що обидві дочірні клітини отримують приблизно однакове. Центросоми (в клітині тварин) рухаються зі свого вихідного положення біля ядра в сторону протилежних сторін клітини, щоб встановити полюси мітотичного веретена.

Малюнок\(\PageIndex{7}\). Мітотичний веретено. Веретено виготовлено з мікротрубочок, які походять від центросом, які мігрували на протилежні сторони клітини. Існує три типи шпиндельних мікротрубочок: мікротрубочки кінетохори (К), полярні мікротрубочки (P) та астральні мікротрубочки (А).

MPF фосфорилює моторні білки мікротрубочок і пов'язані з мікротрубочками білки (MAPs), щоб змінити нормальну динаміку мікротрубочок і дозволити масову перебудову в мітотичний веретено. Наприклад, однією мішенню MPF є PRC1, білок, який інактивується фосфорилуванням, що дозволяє окремим мікротрубочкам легше переміщатися в нові місця, ніж великий пучок. Іншими ефектами є інактивація стабілізуючих МАП, що призводить до більшої лабільності мікротрубочок через збільшення випадків катастрофи. Моторні білкові мішені MPF знаходяться в сімействі кінезинів, і фосфорилювання необхідне для того, щоб деякі з них зв'язувалися з мітотичним веретено.

Прометафаза іноді вважається окремою фазою, але її також називають пізньою профазою, і в першу чергу визначається розривом ядерної оболонки. Цей процес індукується фосфорилюванням MPF ядерних пластин. Прикрашені негативними зарядами від фосфатів, ламіни більше відмовляються асоціюватися один з одним, що призводить до руйнування ядерної пластинки. У міру дисоціації пластин ядерна оболонка залишається пов'язаною з ними, а фрагменти. Ця ядерна фрагментація повинна відбутися так, щоб мітотичний веретено міг потрапити всередину і прикріпитися до хромосом.

Деякі мікротрубочки мітотичного веретена прикріплюються до хромосом через білки кінетохори, які пов'язують мікротрубочки веретена з центромірною областю кожної хромосоми. Вони відомі як мікротрубочки кінетохори (рис.\(\PageIndex{8}\)). Є два інших типи мікротрубочок в мітотичному веретені (рис.\(\PageIndex{7}\)): полярні мікротрубочки, які досягають через клітину і взаємодіють один з одним, щоб допомогти зберегти поділ центросом і визначити загальну довжину веретена, і мікротрубочки айстри, які, як правило, короткий, випромінюючи з, і стабілізує центросому. Пам'ятайте, що ДНК реплікована раніше в S-фазі, і, таким чином, сестринські хроматиди все ще частково прикріплені. Візуально область центромера виглядає більш вузькою або більш стиснутою, ніж решта хромосоми, і взагалі лежить близько середини. Центромер містить повторювані послідовності, які беруть участь в зв'язуванні і складанні кінетохори.

У приматів повторюваний мотив відомий як альфа-супутникова ДНК, яка складається з декількох екземплярів тандемних повторів послідовності ядра ~ 170bp над центромерним діапазоном ДНК на мегабазі в довжину. Подібні повтори зустрічаються і у різних інших хребетних тварин. У інших еукаріотів розмір і послідовність можуть змінюватися; наприклад, набагато коротші повтори ~ 5bp знаходяться в центромерній ДНК розміром 200-600 кб в хромосомах дрозофіли, а S. pombe має центромерну ДНК добре менше 10 кб.

Малюнок\(\PageIndex{8}\). Кінетохора збирається на центромері хромосоми. Шпиндельні мікротрубочки прикріплюються до волокнистої корони кінетохори через кінезіни і диніни.

Кінетохори, що прикріплюються до ДНК центромерів, є триламінарними білковими структурами, що складаються з внутрішнього шару, зовнішнього шару і волокнистої корони. Кінетохорні мікротрубочки мітотичного веретена в першу чергу прикріплені до волокнистої корони. Як зображено на малюнку, він прикріплений через CENP-E, кінезин, і динеїн моторні білки, які зв'язуються уздовж стовбура мікротрубочки. Насправді іноді перший контакт між хромосомою (через кінетохору) і шпиндельної мікротрубочкою знаходиться десь посередині мікротрубочки, а поєднання динаміки мікротрубочок і рухової білкової активності переміщує хромосому до дистального кінця мікротрубочки. Цьому сприяє MCAK (мітотичний центромер асоційований кінезин), який пов'язаний з білками ядра кінетохори і відіграє певну роль в деполімеризації мікротрубочок поблизу (+) кінця.

Перехід від міжфазного мікроканальцевого цитоскелета до мітотичного веретена вимагає ряду молекулярних двигунів для переміщення центросом, вирівнювання мікротрубочок і розширення веретена. Вони зображені на малюнку\(\PageIndex{9}\). Спочатку, коли дубльовані центросоми віддаляються один від одного разом з деякими мікроканальцями цитоскелета, мікротрубочки будуть взаємодіяти під різними кутами. Оскільки полярні мікротрубочки, які допомагають розширити або підтримувати ширину веретена, повинні паралельно взаємодіяти, цитоплазматичні динеїни зв'язуються з можливими полярними мікротрубочками і, рухаючись одна уздовж іншої, приводять їх в паралель (9а). Опинившись у такому положенні, BiMC та інші кінезини беруть на себе як первинні двигуни вздовж полярних мікротрубочок. Вони створюють зовнішню штовхаючу силу, тримаючись за мікротрубочку, звернену до одного напрямку, і рухаючись вздовж паралельного МТ, зверненого до протилежного напрямку до (+) кінця (9b). Нарешті, цитозольні динеїни, прикріплені до коркового цитоскелету, тягнуть астральні мікротрубочки, які тягнуть кінці веретена далі від центру (9c).

Малюнок\(\PageIndex{9}\). Молекулярні двигуни налаштовують мітотичний шпиндель.

Насправді, здається, працюють два механізми: система bub1/bub2 працює в шляху зондування напруги, тоді як інший метафазний білок, mad2, здається, важливий у призупиненні мітозу при від'єднанні кінетохори з мікротрубочкою веретена.

Коли ядерна оболонка розпадається, мікротрубочки мітотичного веретена зазнають підвищеної динамічної нестабільності, циклічних між періодами зростання сплески (полімеризації) і швидкого скорочення (катастрофічного розбирання), пошук хромосом для підключення до. Як тільки мікротрубочки кінетохори з'єднуються з хромосомами, динаміка мікротрубочок зміщується. Мікротрубочка в першу чергу зазнає укорочення, якщо вона знаходиться за межами центру веретена і насамперед подовжується, якщо вона коротка від центру. Оскільки в кінцевому підсумку кожен набір сестринських хроматидів з'єднаний з мікротрубочками на обох кінетохорах, кожен хроматид з'єднаний з однією укороченою і однією подовжувальною мікротрубочкою. У міру наближення хромосом до центру мітотичного веретена швидкість скорочення/подовження мікротрубочок сповільнюється. Сестринські хроматиди штовхаються і витягуються мікротрубочками веретена, поки всі вони не вишикуються уздовж середньої лінії мітотичного веретена, який в більшості (але не у всіх) випадках також є середньою лінією клітини. Після того, як всі вони вишикувалися, вважається, що клітина досягла метафази. На відміну від інших фаз, метафаза є відносно статичною фазою - вона є контрольною точкою для вибудовування хромосом.

Малюнок\(\PageIndex{10}\). Клітина в метафазі. Мікротрубочки забарвлені в зелений колір, ф-актин забарвлений в червоний колір, а хромосоми, з центромерами, вибудованими по середній лінії, забарвлені в синій колір. Зверніть увагу на навколишні клітини, які не знаходяться в мітозі, при цьому їх цитоскелети МТ і МФ більше перекриваються. Це фото оприлюднене урядом США.

Хромосоми повинні бути належним чином вирівняні, щоб обидві дочірні клітини отримували належне доповнення хромосом. Як клітина знає, коли хромосоми досягли центру веретена? Елегантно простий експеримент продемонстрував, що загальним механізмом є перевірка натягу - якщо дві мікротрубочки, що з'єднуються з парою сестринських хроматидів з кожного боку, мають однакову довжину, вони повинні надавати рівну напругу на хромосоми. Якщо з'єднання мікротрубочки-кінетохори розірвано при метафазі, клітина буде перешкоджати прогресуванню (Nicklas, R.B., et al., J. Cell Biol. 130: 929-39, 1995). Однак якщо при перетягуванні хромосоми скляною мікроголкою прикладається еквівалентне напруження, прогресування мітозу відновлюється!

Окрім перевірки натягу, є ще одна умова, яку необхідно виконати для продовження мітозу: MPF повинен бути інактивований. Як було зазначено раніше, MPF частково призводить до власної інактивації шляхом активації комплексу, що сприяє анафазі (APC), який полиубиквітинацірует циклін, що призводить до його руйнування і, таким чином, інактивації MPF-CDK. APC також позначає securin для знищення. Секурін - це білок, який зв'язує і пригнічує протеолітичний фермент, сепаразу, активація якого необхідна для того, щоб дозволити сестринським хроматидам відокремлюватися, що, в свою чергу, необхідно для продовження анафази.

Забороняючи патологічні ситуації, якщо і тільки в тому випадку, якщо хромосоми все вишикуються у метафазної пластини, клітина перейде до наступної стадії мітозу: анафази. Сестринські хроматиди відокремлюються і тягнуться до протилежних полюсів мітотичного веретена. Дещо збочено, навіть коли хромосоми рухаються до полюсів веретена, самі полюси трохи рухаються назовні. Поділ сестринських хроматидів вимагає дисоціації молекулярного «клею», що утримує їх разом: білків когезину. Когезини зв'язуються з обома молекулами ДНК і утримують їх разом незабаром після реплікації назад у S-фазі. У міру наближення анафази активізується фермент сепараза, який потім розрізає молекули когезину. Після того, як всі молекули когезину будуть розрізані, сестринські хроматиди можуть бути остаточно відокремлені. Видалення когезинів відбувається приблизно всередину від дистальних точок хромосом до центромера, який, як правило, є останньою областю прикріплення.

Когезин - це мультимер з чотирьох субодиниць, Scc1, Scc3, Smc1 та Smc3 у дріжджах. Додатковий білок також спостерігався у Ксенопса. Білок SCC1 розщеплюється сепаратином у дріжджах, але в метазоанах SCC1 може бути видалений з хромосом і іншим методом. Він фосфорильований, що зменшує його спорідненість до ДНК і може викрити ділянку для роздільно-каталізованого гідролізу.

Сепараза також сприяє анафазі, активуючи Cdc14, фосфатазу, необхідну для дефосфорилювання субстратів cdk, які були фосфорильовані комплексами циклон-cdk раннього мітозу. Крім того, Cdc14 також необхідний для цитокінезу в дріжджах S. cerevisiae і nematode C. elegans.

Анафазу насправді можна розділити на дві стадії, іноді їх називають ранньою та пізньою або А та Б. Спочатку мікротрубочки кінетохори скорочуються з обох кінців, а двигуни сімейства кінезинів тягнуть мікротрубочки назад до полюсів шпинделя. Коли починається пізня анафаза, полярні мікротрубочки подовжуються, і додаткова сила, що розділяє хроматид, прикладається руховими білками сімейства кінезинів [кінезин-5], які штовхають полярні мікротрубочки один проти одного, щоб збільшити поділ між полюсами. Двигуни сімейства Dynein допомагають також направляти рух полюсів через їх прикріплення до мікротрубочок айстри та коркового (периферичного) цитоскелету.

Коли обидва набори хромосом надходять до відповідних полюсів, починається телофаза. Технічно він повільно нарощувався з анафази: коли MPF був інактивований APC, його здатність фосфорилювати ядерні ламіни була припинена. Білкові фосфатази в клітині видаляють фосфатні групи, дозволяючи ламінам знову взаємодіяти один з одним, і за допомогою телофази вони відновлюють ядерну пластинку і ядерну оболонку. Оскільки ламіни та інші білки ядерної мембрани також взаємодіють з ДНК, фрагменти ядерної мембрани, дисперговані назад у пізній профазі, тепер об'єднуються навколо кожного набору ДНК, утворюючи нові ядерні оболонки. Інші фрагментовані мембранозні органели (ER, Golgi) також починають реформуватися. До кінця телофази продукт являє собою єдину велику клітинку з двома повними ядрами на протилежних сторонам. Наступний і останній етап, цитокінез, розщеплює клітину на дві окремі і незалежні дочірні клітини. У клітині тварин цитокінез схожий на затягування шнурка посередині клітини, втягування «талії» до тих пір, поки всі краї не зустрінуться, і в результаті дві окремі клітини. Це скоротливе кільце складається з актинових (структурних) і міозінних (рухових) субодиниць. Ці білки, використовуючи АТФ для енергії, тріскакують себе ближче і ближче один до одного подібно до актин-міозину «силового удару», описаного для саркомерів м'язових клітин, також в першу чергу виготовлені з актину і міозину. Цей механізм універсальний для клітин тварин, але розміщення кільця не завжди знаходиться в центрі клітини. Кільце часто збігається з центром клітини, але насправді позиціонується метафазної пластинкою (тобто центром мітотичного веретена). Найбільш очевидний приклад метафазної пластинки, яка не збігається з центром клітини, виявляється в утворенні яйцеклітин. Оскільки метою яйцеклітини є забезпечення всього матеріалу, необхідного для створення життєздатного нового організму після запліднення (сперма вносить незначну біомасу за межі генетичного матеріалу), вона ділиться асиметрично, при цьому мітотичний веретено розташований далеко в одну сторону клітини (рис.\(\PageIndex{11}\)).

Малюнок\(\PageIndex{11}\). Телофаза/цитокінез. Скорочувальне кільце та інші актинові структури забарвлені в зелений колір, мікротрубочки помаранчеві, а хромосоми - в синій колір. Фото, опубліковане урядом США у суспільне надбання.

Коли відбувається цитокінез, одна дочірня клітина, передбачувана яйцеклітина, дуже велика, тоді як інша клітина, звана полярним тілом, має мінімальний цитоплазматичний матеріал, що оточує ядро. Скорочувальне кільце працює в клітині тварин, оскільки клітинна мембрана гнучка. У рослинних клітинам клітинна мембрана міцно прикріплена до жорсткої клітинної стінки і, отже, не може бути втягнута. Отже, рослинна клітина геніально будує стінку вниз по середині клітини, використовуючи спеціалізовані везикули, які походять з частини Гольджі, і які містять матеріали, необхідні для формування клітинної стінки. Везикули подорожують уздовж фраммопласту, структури, побудованої з мікротрубочок мітотичного веретена, і коли везикули вишикуються вздовж середини клітини, вони починають зливатися, утворюючи більші бульбашки, а потім велику дископодібну везикулу, клітинну пластину. Врешті-решт вони досягають самої клітинної мембрани, і зрощення з нею призводить до утворення нової клітинної стінки, і двох повноцінних і незалежних клітин.

Малюнок\(\PageIndex{12}\). Цитокінез в клітині рослин. Похідні від Гольджі везикули, заповнені матеріалом клітинної стінки, подорожують уздовж фрагмопласту і зливаються в центрі, утворюючи нову клітинну стінку.

Вміст бульбашок, що подорожують по фраммопласту, описано недостатньо добре. Каллоза, полісахарид глюкози з β1-3 зв'язками, як відомо, присутній у клітинній пластині, що розвивається, але не був знайдений в Гольджі або везикулах. Цікаво, що після того, як клітинна пластинка повністю злилася з існуючими клітинними стінками, калоза поступово зникає. Вважається, що та сама ферментна система, яка синтезувала калозу, може перейти на синтез целюлози в міру дозрівання клітинної пластинки.