Для того чтобы жизнь на Земле могла непрерывно существовать в течение миллиардов лет, клетки должны размножаться. Процесс деления клетки включает два принципиально важных события. Первое — это удвоение генетической информации, то есть репликация молекул ДНК. В ходе этого процесса молекула ДНК, которая кодирует гены, очень точно копируется, и таким образом получаются две идентичные молекулы ДНК. Второе событие — сегрегация генома (собственно деление клетки, или митоз), то есть две копии генома должны разойтись, и на их основе должны сформироваться две новые клетки.

Хотя это и кажется не таким сложным, но на самом деле это фантастически сложный процесс. Чтобы сегрегация генетического материала произошла, гигантские молекулы ДНК (одна хромосома человека содержит молекулу ДНК длиной в несколько сантиметров) должны быть очень плотно упакованы. Растащить неупакованные молекулы ДНК просто невозможно, их необходимо превратить в маленькие компактные тельца, которые называются хромосомами.

1. Формирование веретена деления

Хромосома состоит из двух хроматид, каждая из которых содержит одну из копий молекулы ДНК. Каждую хромосому необходимо растащить на две части. Для этого используются компоненты цитоскелета клетки, а именно микротрубочки. Цитоскелет клетки очень мало похож на скелет человеческого тела. И главное отличие заключается в том, что его компоненты невероятно динамичны. Микротрубочки нестабильны, это постоянно изменяющиеся нитевидные структуры, которые могут расти и разбираться. Время жизни одной микротрубочки в интерфазе относительно невелико — всего несколько минут. Время полужизни микротрубочек в ходе митоза и того меньше — 15–20 секунд. Это увеличение динамики нужно для того, чтобы микротрубочки могли «прозондировать» пространство вокруг себя и найти хромосомы, которые потом будут растаскивать.

Рекомендуем по этой теме:
15831
Размножение клеток

В итоге должна сформироваться система, которая называется веретеном деления. Она включает в себя три основных компонента. Посередине лежат хромосомы, каждая из которых состоит из двух половинок. Каждая половинка должна быть растянута к полюсам клетки, в которых находятся клеточные центры (особые структуры, которые содержат компоненты, инициирующие рост микротрубочек). От клеточных центров во все стороны растут микротрубочки, которые своими концами связаны с хромосомами.

2. Белки-моторы

Как формируется эта система? В клетке есть ядро, в нем компактизируются хромосомы, а также формируется веретено. В цитоплазме есть два клеточных центра, от каждого из которых во все стороны системно растут микротрубочки. Они могут взаимодействовать друг с другом и с другими компонентами клетки. С ними связаны специальные белки, которые называются моторами. Эти моторы имеют возможность «ходить» по микротрубочкам, которые являются полярными структурами. Тот конец, который связан с клеточным центром, называется «минус-концом», а другой конец — «плюс-концом», именно он должен потом связаться с хромосомами.

Моторы «ходят» по микротрубочкам либо в одну сторону, либо в другую, то есть либо к «плюс-концу», либо к «минус-концу». Они могут, например, двигать структуры (клеточные центры). Как это устроено? Предположим, на плазматической мембране закреплен мотор, который умеет двигаться к «минус-концу» микротрубочки, то есть к клеточному центру. Если он свяжется с микротрубочкой, он пойдет по ней, но так как он связан с мембраной, то начнет двигаться сама микротрубочка, которая будет подтягиваться к плазматической мембране и потянет за собой клеточный центр. И вся эта система начнет сдвигаться в сторону плазматической мембраны. Второй клеточный центр тоже начнет сдвигаться в сторону — уже с другой стороны клеточной мембраны. И эти два клеточных центра с расходящимися микротрубочками разбегутся в стороны. Принцип именно таков, хотя сам процесс сложнее, так как для достижения этой цели (расхождение клеточных центров) необходима согласованная работа различных моторов. Таким образом, формируется веретено, но хромосом еще нет.

3. Кинетохоры

После разрушения ядерной оболочки появляются хромосомы. На каждой хромосоме есть две структуры — кинетохоры, которые нужны для того, чтобы потом растащить две копии генома. Микротрубочки могут взаимодействовать с кинетохорами. После хаотичного распределения хромосом по цитоплазме с одним из кинетохоров случайно взаимодействует микротрубочка, которая растет от одного из клеточных центров. В этот момент она закрепляется и перестает бессистемно разбираться и собираться. А моторы кинетохора начинают передвигать хромосому в сторону «минус-конца», туда, где находится клеточный центр. Именно для этого нужна полярность микротрубочек.

В какой-то момент со вторым кинетохором, который находится с другой стороны хромосомы, взаимодействует микротрубочка с другого конца клетки. И, таким образом, оказывается, что хромосома, которая лежит в середине, как бы «распята» на микротрубочках, которые растут с разных концов клетки. Каждый из кинетохоров пытается сдвинуть хромосому к одному из клеточных центров, и поэтому хромосома рано или поздно окажется где-то посередине клетки. В итоге все хромосомы постепенно выстраиваются на экваторе делящейся клетки.

4. Деление хромосом

Весь этот процесс абсолютно случаен. Бывают ошибки, например, когда оба кинетохора связываются только с микротрубочками, идущими от одного полюса клетки. Это приводит к тяжелейшим последствиям — различным тяжелым болезням, связанным с аномалиями количества хромосом. Это опасный процесс, но тем не менее таким случайным образом с высокой вероятностью создается очень упорядоченная система.

После этого процесса хромосома должна как-то разделиться на две части, и каждая половинка устремится к своему полюсу. А как клетка решает, что пора разделить хромосомы и начать их раздвигать? Оказывается, клетка чувствует, когда все кинетохоры связаны с микротрубочками. Пока все не свяжутся, хромосома не разделится. Проводились потрясающе красивые эксперименты, в которых у хромосомы, которая уже связалась с одним полюсом и начала к нему двигаться, лазером убивали второй кинетохор. После этого все хромосомы делились и расходились, и в итоге получалась аномальная клетка. Клетка чувствует, что у нее есть свободные кинетохоры, но молекулярный механизм этого невероятного процесса изучен еще слабо. Когда все кинетохоры заняты, вся система сформирована, она дает сигнал о необходимости разрезать белки, которые скрепляют хромосомы, чтобы они смогли «разбежаться».

Рекомендуем по этой теме:
92550
Биология клетки

5. Ошибки деления

Процесс деления невероятно сложен. В ходе него в клетке формируются фантастически упорядоченные структуры, которые возникают за счет самоорганизации. Не удивительно, что ошибки случаются. В современной биологии это одна из наиболее важных прикладных проблем, так как она напрямую связана с изучением рака. Большинство опухолей, как правило, связаны с какими-то нарушениями в регуляции размножения клеток. Большая часть лекарств для лечения онкологических заболеваний разработаны на основе знаний о том, как размножаются клетки, что происходит не так и как это можно компенсировать.