МЕЙОЗ

Кроме того, благодаря Мейозу обеспечивается новая комбинация генов в гамете и возникающий в результате оплодотворения новый организм всегда уникален, а не является простой суммой черт своих родителей. Такая генетическая рекомбинация осуществляется в М. двумя путями. Во-первых, в исходной половой клетке (сперматоците или ооците), еще сохраняющей диплоидное число хромосом, происходит временное спаривание (конъюгация, синапсис) гомологичных родительских хромосом и обмен между ними идентичными хромосомными участками (кроссинговер, или внутрихромосомная рекомбинация, или рекомбинация сцепленных, т. е. находящихся в одной хромосоме, генов; рис. 1). Во-вторых, по завершении кроссинговера при первом делении мейотической клетки негомологичные хромосомы расходятся в дочерние клетки случайно, чем обеспечивается для каждой гаметы своя рекомбинация несцепленных, т. е. расположенных в разных хромосомах, генов, или межхромосомная рекомбинация (рис. 2).

Цитологически М. включает в себя два последовательных клеточных деления (первое и второе мейотическое деления) при одной дупликации хромосом, происходящей в интерфазе только первого деления. В результате из исходной мужской половой клетки (сперматогонии) возникают четыре гаметы — спермия, каждый из которых полноценен. Из женской половой клетки (оогонии) в зрелую гамету (яйцеклетку) развивается лишь один из четырех продуктов мейотических делений, остальные три образуют так наз. направительные (полярные) тельца, которые затем дегенерируют.

В соответствии с двумя делениями М. и с фазами каждого деления (см. Митоз) выделяют так наз. стадии М. Профазе I предшествует стадия пролептотены, во время к-рой в клеточном ядре после окончания периода синтеза ДНК происходит временная конденсация хромосом, в результате чего они приобретают вид плотно красящихся нерезко очерченных образований (прохромосом). Значение этого явления пока не ясно. Профазу I М., в отличие от профазы митоза, подразделяют на пять стадий: лептотену, зиготену, пахитену, диплотену и диакинез (рис. 3, 1—5).

В лептотене все пространство ядра заполнено клубком хромосом, которые имеют вид тонких длинных нитей, внешне не разделенных на хроматиды, хотя хроматиды и существуют.

В зиготене гомологичные хромосомы в отдельных, строго гомологичных участках, чаще всего в теломерном и центромерном районах, начинают спариваться (конъюгировать), хромосомы при этом укорачиваются. Спаривание хромосом является важным условием для осуществления обмена генетическим материалом — кроссинговера (см. Конъюгация хромосом).

В пахитене хромосомы-гомологи спарены по всей длине (биваленты). Их длина составляет всего 1/4—1/6 длины этих же хромосом в лептотене, они имеют четкое хромомерное строение. Половые хромосомы X и Y обычно конъюгируют отдельными участками. На этой стадии, особенно в ее конце, может быть подсчитано число бивалентов, соответствующее гаплоидному числу хромосом, и по специфическому хромомерному рисунку и размеру бивалента может быть проведена их индивидуальная идентификация (пахитенный анализ). Если в хромосомном наборе больше двух гомологичных хромосом (трисомия, тетрасомия и т.д.), их конъюгация дает мультиваленты (триваленты, тетраваленты и т. д.). В клетке полиплоидного организма (триплоидия, тетраплоидия и т. д.) все хромосомы в пахитене могут формировать мультиваленты. У полиплоидных организмов, когда в мейоците имеется четыре гомологичных хромосомы, их спаривание между собой может происходить по-разному. Гомологи, пришедшие от одного родителя, могут конъюгировать только между собой (аутосиндез). Конъюгация может происходить только между гомологами разных родителей (аллосиндез). В одной и той же клетке возможны спаривания обоего типа (ауто-аллосиндез). Хромосома, не имеющая гомолога (моносомия, межвидовые гибриды), будет проходить профазу М., не конъюгируя (унивалент). Аутологичные хромосомы (идентичные между собой по генному составу и структуре), которые могут образоваться в предмейозе в результате дополнительной редупликации, образуют при конъюгации аутобиваленты.

В диплотене происходит отталкивание гомологичных хромосом друг от друга, и в каждой из них начинают различаться сестринские хроматиды, в результате впервые в биваленте проявляется четырехнитчатая структура — тетрада (рис. 4).

В отдельных точках по длине бивалента гомологи остаются в соприкосновении, эти участки имеют вид перекрестов, называются хиазмами и являются цитологическим проявлением кроссинговера. Число и локализация хиазм индивидуальны для каждого бивалента. На распределение хиазм влияет топография гетерохроматиновых районов в хромосоме, в таких районах хиазм меньше всего или вовсе нет. Разные биол, виды существенно различаются по хиазмообразованию. Имеются виды насекомых, у которых хиазм не бывает вообще (напр., у самцов дрозофилы) .

Профаза I М. заканчивается стадией диакинеза, в течение к-рой происходит еще большее расхождение гомологичных хромосом при дальнейшем укорочении бивалентов. В ходе этого процесса наблюдается смещение хиазм к концам хромосомы (терминализация хиазм), однако биваленты сохраняются. К концу диакинеза полностью растворяется ядерная оболочка, формируется веретено деления и начинается метафаза I (рис. 3, 6).

В метафазе биваленты располагаются в экваториальной плоскости клетки, при этом центромеры гомологичных хромосом каждого бивалента ориентированы к разным полюсам веретена. В анафазе I завершается распад бивалента и расхождение гомологичных хромосом в дочерние клетки. Этот вид деления называют редукционным (см. рис. 4). В каждом из гомологов сестринские хроматиды в анафазе I остаются связанными друг с другом, гомолог переходит в тело-фазу I в виде двунитчатой структуры (диады). Эти особенности отличают мейотическое деление I от митотического, поэтому его называют гетерокинезом. Интерфазное состояние, предшествующее мейотическому делению II и называемое интеркинезом, кратковременно, поскольку в нем нет синтеза ДНК. У отдельных видов организмов интеркинеза и профазы II не бывает. Профаза II, метафаза II, анафаза II и телофаза II следуют быстро одна за другой (рис. 3). В процессе деления II осуществляется расхождение сестринских хроматид в дочерние клетки. Эти хроматиды равноценны по генетическому содержанию, поэтому деление II называется эквационным (см. рис. 4.) У некоторых биол, видов деление I является эквационным, а деление II — редукционным. Четыре гаплоидных продукта одной и той же оогонии называют тетрадой; вследствие аномального М. продуктом одной гонии может быть одна половая зрелая клетка (монада).

М. у человека полностью соответствует описанной общей схеме. Между мужским и женским М. у человека имеются существенные различия по времени его протекания в онтогенезе и продолжительности стадий. У мужчин мейотические деления начинаются в пубертатном возрасте и продолжаются непрерывно в течение половозрелой жизни. Преобразование сперматогонии в зрелый спермий (см. Оогенез).

Стадии лептотены, зиготены и пахитены доступны изучению у лиц обоих полов. У обоих полов до пахитены индивидуальные биваленты выделить не удается. В пахитене, особенно поздней, некоторые индивидуальные биваленты можно различить по длине, положению центромеры, числу и размерам хромомер. Биваленты акроцентрических хромосом идентифицировать легче других по их связи с ядрышком. Полный пахитенный анализ усложнен тем, что получить на препаратах раздельно лежащие биваленты трудно. Половые хромосомы у мужчин, в отличие от половых хромосом женщин, конъюгируют концами; кроме того, они конденсированы и образуют в пахитене так наз. половой пузырек, поэтому их легко обнаружить.

Хромосомное исследование стадий диакинез — метафаза I удалось осуществить только у мужчин. При обычной окраске из 23 бивалентов с уверенностью могут быть выделены лишь XY бивалент и иногда бивалент IX, а также может быть проведено разделение всех бивалентов на группы А — G аналогично групповой идентификации хромосом в метафазе митоза (см. Кариотип). С помощью дифференциальных окрасок по методике Q и С, которые позволяют выявлять индивидуальную морфологию плеч хромосом и положение центромеры, в диакинезе — метафазе I идентифицированы все 23 бивалента и изучено число и локализация хиазм. В среднем на одну клетку приходится ок. 50 хиазм при разбросе чисел от 33 до 66. Хиазмы обнаружены во всех аутосомных бивалентах; число хиазм, приходящихся на один бивалент, колеблется от 1 до 5, увеличиваясь пропорционально длине хромосомы. X и Y хромосомы конъюгируют концами коротких плеч, и в этом биваленте хиазм не найдено. XY бивалент резко конденсирован и интенсивно окрашивается основными красителями (явление так наз. гетеропикноза). Иногда половые хромосомы видны как униваленты. В нормальном хромосомном наборе аутосомные униваленты чрезвычайно редки, мультиваленты также не обнаружены, хотя полиплоидные мейоциты I регулярно встречаются.

Изучение хромосом в медико-генетических целях в основном проводится на стадии диакинез — метафаза I; оно имеет диагностическое и прогностическое значение при хромосомных болезнях (см. гаметогенезе (см.) происходит частичная элиминация гамет, несбалансированных по числу хромосом. Поэтому изучение М. дает ответ на вопрос о частоте нерасхождения разных хромосом в I и II делениях и частоте элиминации гамет, аномальных по тем или иным хромосомам. Поскольку хромосомы в М. конъюгируют строго гомологичными участками, изучение конфигурации спаренных хромосом в диакинезе — мета-фазе I дает дополнительный материал для суждения о происхождении лишних хромосом и о нарушении их структуры. Так, при трисомиях лишняя хромосома образует с двумя гомологами тривалент либо образуются бивалент и унивалент. Транслокации акроцентрических хромосом типа центрического слияния выглядят как триваленты, а Реципрокные транслокации — как квадриваленты разнообразной конфигурации. Иногда причиной мужского бесплодия является та или иная хромосомная аномалия, в т. ч. аутосомная, и изучение поведения хромосом в М. помогает постановке диагноза.

Механизмы М. во многом остаются неясными. Интенсивно проводятся морфологические, биохимические и генетические исследования механизмов перехода от митоза к М., конъюгации и кроссинговера, других этапов дифференцировки мейоцитов в гаметы. Отличия от митоза начинаются в предмейотической интерфазе, когда обнаруживается удлинение периода синтеза ДНК, незавершенность синтеза ДНК и гистонов к моменту наступления профазы. В зиготене наблюдается синтез дополнительной фракции ДНК, в пахитене идет репаративный синтез ДНК. Синтез гистонов продолжается до стадии пахитены. На этих же стадиях обнаруживаются специфические для М. структурные и ферментативные белки. С этими биосинтезами связывают специфические процессы профазы I — конъюгацию и кроссинговер. На субмикроскопическом уровне в конъюгирующих хромосомах обнаружены характерные для М. структуры — синаптонемальные комплексы. Образование сипаптонемальных комплексов начинается в лептотене. Они имеют вид осевого тяжа, состоящего в основном из белков и проходящего по всей длине хромосомы. В зиготене гомологичные хромосомы конъюгируют этими осевыми тяжами (боковыми элементами синаптонемальных комплексов). Считают, что именно эти комплексы обеспечивают временную конъюгацию хромосом по строго гомологичным локусам. Природа сил, осуществляющих сближение гомологичных хромосом перед их конъюгацией, остается нераскрытой. Противоречивы мнения относительно молекулярных механизмов конъюгации как таковой; существует представление, что она определяется взаимодействием не молекул ДНК, а белковых компонентов синаптонемальных комплексов. Не закончена также разработка молекулярной модели кроссинговера; многие данные говорят за то, что рекомбинация молекул ДНК в кроссинговере происходит путем разрыва обеих нитей ДНК и их воссоединения в каждой из гомологичных хроматид и осуществляется с помощью различных ферментов. В процессе М. осуществляются и другие хромосомные преобразования, связанные с дифференцировкой мейоцитов в зрелые гаметы. В лептотене начинается и в диплотене достигает своего максимального выражения транскрипционная активность многих хромосом и их участков, что происходит через деконденсацию функционирующих хромомеров и формирование боковых петель (хромосомы типа «ламповые щетки»). У животных и человека этот процесс происходит как в сперматоцитах, так и особенно — в ооцитах. Транскрибирующаяся ДНК обеспечивает синтезы многообразных белков, протекающие при формировании гамет. Высокую активность в этот период в оогенезе проявляют рибосомные гены. Большая потребность в рибосомной РНК покрывается многократным умножением (амплификацией) рибосомных генов. Цитол, выражением этого является увеличение числа и размеров ядрышек. В оогенезе человека это находит отражение в появлении в диплотене многих дополнительных ядрышек, не связанных с основными ядрышко образующими хромосомами, к-рыми являются пять акроцентрических хромосом.

Мейотический процесс находится под генетическим контролем, будучи хотя и высокоспецифическим, но частным случаем генетически регулируемой клеточной дифференцировки. Генетическая обусловленность М. в целом и его стадий в частности показана путем получения на растениях и животных мутаций, изменяющих течение М. Описаны мутации, при которых М. полностью отсутствует или не происходит первого или второго деления. Получены многочисленные мутации, влияющие на конъюгацию хромосом, частоту кроссинговера (хиазмообразования), терминализацию хиазм; мутации, нарушающие расхождение хромосом в анафазе I или II. Изучение мейотических мутантов позволяет расчленить весь процесс Мейоза на элементарные события и через их морфологическую, биохимическую и иную характеристики глубже приблизиться к пониманию механизмов этого процесса.

Библиография: Основы цитогенетики человека, под ред. А. А. Прокофьевой-Бельговской, с. 144, М., 1969; Соколов И. И. Цитологические основы полового размножения многоклеточных животных, Руководство по цитол., под ред. А. С. Трошина и др., т. 2, с. 390, М.—Л., 1966, библиогр.; Цитология и генетика мейоза, под ред. В. В. Хвостова и Ю. Ф. Богданова, М., 1975, библиогр.; HultenM. a. Lindsten J. Cytogenetic aspects of human male meiosis, Advanc, hum. Genet., v. 4, p. 327, 1973, bibliogr.; John B. a. Lewis K. R. The meiotic system, Wien— N. Y., 1965, bibliogr.; Rhoades M. M. Meiosis, в кн.: The cell, ed. by J. Brachet a. A. E. Mirsky, v. 3, p. 1, N. Y.—L., 1961, bibliogr.

А. Ф. Захаров.