Жасуша құрылымындағы орамды құрылымның қасиеттері

Жасуша құрылысы: Эукариот жасушаларындағы бөліну кезінде хромосомаларды бөлуге арналған орталық құрылым – шпиндель аппараты. Митоз бен мейоз процестерін қамтиды.

8 мин оқу

100%

Дереккөз: Spindle apparatus — Wikipedia

Ағылшыншамен салыстырыңыз: абзацты басыңыз — түпнұсқа терезеде ашылады. Абзац астындағы EN түймесі оны мәтін ішінде көрсетеді.

Мазмұны

Кіріспе

Биологиялық жасуша құрылымының ерекшелігі – жасушалық құрылым.

Жасушалық биологияда, орау аппараты – эукариоттық жасушалардың цитоскелеттік құрылымы, ол жасуша бөліну кезінде пайда болып, қыз жасушалар арасында әрбір хроматиданы бөліп жібереді. Митоз кезінде бұл митоздық орау деп аталады, бұл процесс генетикалық тұрғыдан бірдей қыз жасушаларды құрайды, ал мейоз кезінде – мейоздық орау, бұл процесс ата-ана жасушасының хромосомаларының санының жартысына тең гаметаларды құрайды. Хромосомалардан басқа, орау аппараты жүздеген ақуыздан тұрады. Микротубулалар – бұл механизмнің ең көп кездесетін компоненттері.

Шеңбер құрылымы

Микротубулалардың хромосомаларға бекітілуі кинетохорлар арқылы жүзеге асырылады, олар шпиндельдің қалыптасуын белсенді бақылайды және анафазаның ерте басталуын қамсыз етпейді. Микротубулалардың полимерленуі мен деполимерленуінің динамикасы хромосомалардың жиналуын қамтамасыз етеді. Микротубулалардың деполимерленуі кинетохорларда кернеу тудырады; қарама-қарсы жасуша полюстерінен шығатын микротубулаларға бауырлас кинетохорлардың биполярлы бекітілуі, қарама-қарсы кернеу күштерін біріктіріп, хромосомаларды жасуша экваторында орналастырады және оларды қыздан жасушаларға бөлуге дайындайды. Барлық хромосома екі бағытта орналасқаннан кейін анафаза басталады және бауырлас хроматидтерді байланыстыратын когезин үзіледі, бұл бауырлас хроматидтердің қарама-қарсы полюстерге жылжуына мүмкіндік береді. Жасуша шпиндель аппаратына шпиндель микротубулалары, кінезин және динеин молекулалық моторларын қамтитын байланысты ақуыздар, конденсацияланған хромосомалар және шпиндель полюстерінде кездесетін центросомалар немесе астерлер кіреді. Шпиндель аппараты көлденең қимасы бойынша эллипсоид тәрізді және ұштарына қарай тар алады. Шпиндельдің орталық аймағы деп аталатын кең орталық бөлігінде антипараллель микротубулалар кинезиндермен байланысады. Шпиндель полюстерінде микротубулалар көптеген жануар жасушаларында центросомалар арқылы пайда болады. Ацентросомалық немесе анастральді шпиндельдерде шпиндель полюстерінде центросомалар немесе астерлер болмайды, мысалы, көптеген жануарларда әйел мейозы кезінде кездеседі. Бұл жағдайда, Ran GTP градиенті шпиндель микротубулаларының ұйымдастырылуы мен құрастырылуын реттейтін негізгі фактор болып табылады. Саңырауқұлақтарда шпиндельдер митоз кезінде ыдырамайтын ядролық қабыққа енген шпиндель полюс денелері арасында қалыптасады.

Микротубульдік белдіктер мен орау динамикасы

Динамикалық тұрақсыздық деп аталатын процесс арқылы шпиндель микротүтікшелерінің динамикалық ұзартылуы мен қысқаруы митоздық шпиндельдің пішінін көбінесе анықтайды және шпиндельдің орталық аймағында хромосомалардың дұрыс орналасуын қамтамасыз етеді. Микротүтікшелермен байланысты ақуыздар (MAP) микротүтікшелермен орталық аймақта және шпиндель полюстерінде олардың динамикасын реттеу үшін байланысады. γ-тубулин – тубулиннің мамандандырылған түрі, ол γTuRC деп аталатын сақина тәрізді кешенге жиналады, ол α/β-тубулин гетеродимерлерінің полимерленуі арқылы микротүтікшелерді құрастырады. γTuRC-нің перицентросомалық аймаққа тартылуы микротүтікшелердің минус ұштарын тұрақтандырады және оларды микротүтікшелерді ұйымдастыру орталығына жақын орналастырады. Микротүтікшелермен байланысты Аугмин ақуызы γTuRC-мен бірлесіп, жаңа микротүтікшелерді қолданыстағы микротүтікшелерден құрастыруға көмектеседі. Микротүтікшелердің өсуші ұштары орталық аймақтағы кинетохорлармен байланысын күшейту үшін плюс-ұшты микротүтікшелерді қадағалайтын ақуыздардың (+TIPs) әрекеті арқылы катастрофаға қарсы қорғалады. CLIP170 HeLa жасушаларында микротүтікшелердің плюс ұштарының жанында орналасқандығы және прометафаза кезінде кинетохорларда жиналатындығы көрсетілді. CLIP170 плюс ұштарын қалай танитыны әлі толыққанды түсініксіз болғанымен, оның гомологтары катастрофадан қорғайтыны және құтқаруға көмектесетіні анықталды, бұл CLIP170-нің плюс ұштарын тұрақтандыруда және олардың кинетохорларға тікелей байланысын қамтамасыз етуде рөлі бар екенін көрсетеді. CLIP-ке байланысты ақуыздар, мысалы, адамдардағы CLASP1, сондай-ақ плюс ұштарына және сыртқы кинетохорға орналасады, сонымен қатар кинетохор микротүтікшелерінің динамикасын өзгертеді (Maiato 2003). Drosophila, Xenopus және ашытқыдағы CLASP гомологтары шпиндельдің дұрыс құрастырылуы үшін қажет; сүтқоректілерде CLASP1 және CLASP2 екеуі де анафазада шпиндельдің дұрыс құрастырылуына және микротүтікшелер динамикасына үлес қосады. Плюс-ұшты полимерленуді EB1 ақуызы одан әрі реттеуі мүмкін, ол микротүтікшелердің өсуші ұштарына тікелей байланып, басқа +TIP-тардың байланысын үйлестіреді. Бұл микротүтікшелерді тұрақтандыратын ақуыздардың әрекетіне микротүтікшелерді деполимерлейтін факторлар қарсы тұрады, олар хромосомалардың орналасуын және биполярлылыққа жету үшін митоздық шпиндельдің динамикалық қайта құрылуын қамтамасыз етеді. MAP-тың кинезин 13 суперавтобасы плюс-ұшты бағытталған моторлы ақуыздар класын қамтиды, олар микротүтікшелерді деполимерлеу қызметімен байланысты, соның ішінде жақсы зерттелген сүтқоректі MCAK және Xenopus XKCM1. MCAK кинетохорлардағы микротүтікшелердің өсуші ұштарына орналасады, онда ол +TIP белсенділігімен тікелей бәсекелесе отырып, катастрофаны тудыруы мүмкін. Бұл ақуыздар АТФ гидролизінің энергиясын пайдаланып, протофиламент құрылымында тұрақсыздандыратын конформациялық өзгерістерді тудырады, бұл кинезинді босатуға және микротүтікшелердің деполимерленуіне әкеледі. Олардың белсенділігін жоғалту көптеген митоздық ақауларға соқтырады. Бұл MAP-тардың қызметі шпиндель құрастырылуы кезінде микротүтікшелердің дұрыс динамикасын сақтау үшін мұқият реттеледі, осы ақуыздардың көптегені Аврора және Поло сияқты киназалардың субстраттары болып табылады.

The dynamic lengthening and shortening of spindle microtubules, through a process known as dynamic instability determines to a large extent the shape of the mitotic spindle and promotes the proper alignment of chromosomes at the spindle midzone. Microtubule associated proteins (MAPs) associate with microtubules at the midzone and the spindle poles to regulate their dynamics. γ tubulin is a specialized tubulin variant that assembles into a ring complex called γ TuRC which nucleates polymerization of α/β tubulin heterodimers into microtubules. Recruitment of γ TuRC to the pericentrosomal region stabilizes microtubule minus ends and anchors them near the microtubule organizing center. The microtubule associated protein Augmin acts in conjunction with γ TURC to nucleate new microtubules off of existing microtubules. The growing ends of microtubules are protected against catastrophe by the action of plus end microtubule tracking proteins (+TIPs) to promote their association with kinetochores at the midzone. CLIP170 was shown to localize near microtubule plus ends in HeLa cells and to accumulate in kinetochores during prometaphase. Although how CLIP170 recognizes plus ends remains unclear, it has been shown that its homologues protect against catastrophe and promote rescue, suggesting a role for CLIP170 in stabilizing plus ends and possibly mediating their direct attachment to kinetochores. CLIP associated proteins like CLASP1 in humans have also been shown to localize to plus ends and the outer kinetochore as well as to modulate the dynamics of kinetochore microtubules (Maiato 2003). CLASP homologues in Drosophila, Xenopus, and yeast are required for proper spindle assembly; in mammals, CLASP1 and CLASP2 both contribute to proper spindle assembly and microtubule dynamics in anaphase. Plus end polymerization may be further moderated by the EB1 protein, which directly binds the growing ends of microtubules and coordinates the binding of other +TIPs. Opposing the action of these microtubule stabilizing proteins are a number of microtubule depolymerizing factors which permit the dynamic remodeling of the mitotic spindle to promote chromosome congression and attainment of bipolarity. The kinesin 13 superfamily of MAPs contains a class of plus end directed motor proteins with associated microtubule depolymerization activity including the well studied mammalian MCAK and Xenopus XKCM1. MCAK localizes to the growing tips of microtubules at kinetochores where it can trigger catastrophe in direct competition with stabilizing +TIP activity. These proteins harness the energy of ATP hydrolysis to induce destabilizing conformational changes in protofilament structure that cause kinesin release and microtubule depolymerization. Loss of their activity results in numerous mitotic defects. The activities of these MAPs are carefully regulated to maintain proper microtubule dynamics during spindle assembly, with many of these proteins serving as Aurora and Polo like kinase substrates.

Шеңбер аппаратын ұйымдастыру

Дұрыс қалыптасқан митоздық шпиндельде екі бағытталған хромосомалар клетканың экваторы бойымен орналасады, ал шпиндель микротубулалары хромосомаларға шамамен перпендикуляр бағытталған, олардың плюс ұштары кинетохорларға еніп, минус ұштары клетка полюстеріне бекітіледі. Бұл кешеннің нақты бағыты хромосомалардың дұрыс бөлінуін қамтамасыз ету және жасушаның бөліну жазықтығын анықтау үшін қажет. Дегенмен, шпиндельдің қалай ұйымдасқаны әлі күнге дейін толыққанды түсініксіз. Бұл салада екі үлгі басым, олар бір-бірімен үйлесімді және бірін-бірі жоққа шығармайды. Іздеу және ұстау үлгісінде шпиндель негізінен центросомалық микротубуль ұйымдастыру орталықтарының (MTOC) полюске қарай айырылуы арқылы ұйымдастырылады. Шпиндель микротубулалары центросомалардан шығып, кинетохорларды "іздеп" табады; олар кинетохорға байланысқанда тұрақтанады және хромосомаларға кернеу түсіреді. Балама өзін-өзі құрастыру үлгісінде микротубулалар жиынтықталған хромосомалар арасында ацентросомалық нуклеацияға ұшырайды. Жасуша өлшемдерімен шектелген, моторлық ақуыздар арқылы антипараллель микротубулалармен жанасу және кинетохорларға тікелей жалғасу арқылы микротубулалар табиғи түрде хромосомалары клетка экваторы бойымен орналасқан шпиндельге ұқсас құрылымды қалыптастырады.

Центросомалық медиацияланған "іздестіру және алу" моделі

Бұл модельде микротүтіктер микротүтіктерді ұйымдастыру орталықтарында пайда болып, цитоплазмада кинетохорларды "іздеу" үшін жылдам өсуге және күйреуге ұшырайды. Олар кинетохорға байланысқаннан кейін тұрақтанады және олардың динамикасы төмендейді. Жаңа, бір бағытталған хромосома, қарсы полюстен келген микротүтік бауырлас кинетохорға байланысқанға дейін, ол бекітілген полюске жақын кеңістікте тербеліп тұрады. Бұл екінші байланыс митоздық шпіндльге кинетохордың бекітілуін одан әрі нығайтады. Біртіндеп, екі бағытталған хромосома клетканың ортасына қарай тартылады, содан кейін центромердің екі жағында микротүтік кернеуі теңдеседі; конгресстелген хромосома метафазалық пластинада тербеліп тұрады, ал анафазаның басталуы бауырлас хроматидтердің байланысын босатады. Бұл модельде микротүтіктерді ұйымдастыру орталықтары жасуша полюстеріне орналасқан, олардың бөлінуі микротүтіктердің полимерленуі және шпіндльдің орталық аймағында бір-біріне қатысты антипараллель шпіндль микротүтіктердің 'сырғанауы' арқылы биполярлы, плюс-соңғы бағытталған кинезиндермен жүзеге асырылады. Мұндай сырғанау күштері митоздың басында шпіндль полюстерінің бөлінуіне ғана емес, сонымен қатар анафазаның соңында шпіндльдің ұзаруына да себеп болуы мүмкін.

Митоздық ораудың хроматин арқылы өзін-өзі ұйымдастыруы

Орталықтар митоздық тікенектің ұйымдастырылуын басым бөлігімен анықтайтын іздеу және ұстау механизміне қарамастан, бұл модель микротүбіршектердің хромосомаларға жақын ацентросомалық түрде пайда болатынын және өздігінен антипараллель шоғырларға бірігіп, тікенек тәрізді құрылымға айналатынын ұсынады. Хильд пен Карсентидің классикалық тәжірибелері функционалды митоздық шпиндельдер мен ядролардың Ксенопус жұмыртқасының сығындыларында инкубацияланған ДНҚ жабынған дөңгелектердің айналасында қалыптасатынын, ал центросомалар мен кинетохорлардың болмауында микротүбіршектердің биполярлық тізімдерінің қалыптасатынын көрсетті. Расында, омыртқалы жасушалардағы центросомалардың лазерлік абляциясы шпиндельдің құралуына да, хромосомалардың бөлінуіне де кедерес келтірмейді. Осы схема бойынша митоздық тікенектің пішіні мен мөлшері қиылысқан моторлық ақуыздардың биофизикалық қасиеттерімен анықталады.

Хроматинді микротубульдер Ran GTP градиенті арқылы ядролануы

Гуанин нуклеотидтерінің алмасу факторы, кішкентай ГТПаза Ран (Хромосомалық конденсацияның реттеушісі 1 немесе RCC1) ядролық H2A және H2B гистондары арқылы нуклеосомаларға бекітіледі. Осылайша, митоздық хроматиннің айналасында ГТП-ге байланысқан Ран градиенті қалыптасады. RCC1 жабынған шыны дөңгелектері Ксенопус жұмыртқасының сығындыларында микротүтіктердің пайда болуын және екіполярлы шпиндельдің қалыптасуын тудырады, бұл Ран ГТП градиентінің ғана шпиндельді құрастыру үшін жеткілікті екенін көрсетеді. Градиент импортин β/α көлік ақуыздары арқылы тежеуші өзара әрекеттесулерден шпиндельді құрастыру факторларының (SAF) босатылуын қозғайды. Босатылған SAF микротүтіктердің пайда болуын және митоздық хроматиннің айналасында тұрақтандыруын ынталандырады, ал шпиндельдің екіполярлығы микротүтіктердің моторлық ақуыздарымен ұйымдастырылады.

Шеңбердің құрамын реттеу

Шпиндельдің құрастырылуы негізінен митоздық киназалар катализдейтін фосфорилдеу оқиғаларымен реттеледі. Циклинге тәуелді киназа кешендері (CDK) митоздық циклиндермен белсендіріледі, олардың трансляциясы митоз кезінде күшейеді. CDK1 (сонымен қатар CDC2 деп аталады) сүтқоректілер жасушаларындағы басты митоздық киназа саналады және Циклин B1 арқылы белсендіріледі. Аврора киназалары шпиндельдің дұрыс құрастырылуы мен бөлінуіне қажет. Аврора А центросомалармен байланысады және митозға кіруді реттейтін болжамдалады. Аврора В хромосомалық жолаушы кешенінің құрамына кіреді және хромосома-микротүтіктердің байланысын, әпкелері хроматидтердің бірігуін қамтамасыз етеді. Полоға ұқсас киназа, сондай-ақ PLK деп белгілі, әсіресе PLK1 микротүтіктер динамикасын реттеу арқылы шпиндельді сақтауда маңызды рөл атқарады.

Митоздық хромосома құрылымы

ДНҚ репликациясының соңында бауырлас хроматидтер бір-бірімен араласып, түйіскен ДНҚ және белоктың аморфты массасында байланысады. Митозға кіру екі еселенген геномның күрт қайта ұйымдастырылуын тудырады, нәтижесінде бауырлас хроматидтер бір-бірінен ажыратылып, бөлінеді. Хромосомалардың ұзындығы да қысқарады, жануарлар жасушаларында 10 000 есеге дейін, бұл процесс конденсация деп аталады. Конденсация профазада басталады және хромосомалар метафазада орамның ортасында орналасқан кезде таяқша тәрізді құрылымдарға максималды түрде тығыздалады. Бұл митоздық хромосомаларға кариотиптерде көрінетін классикалық "Х" пішінін береді, әр конденсацияланған бауырлас хроматид олардың ұзындығы бойынша когезин ақуыздарымен байланысады және көбінесе орталыққа жақын, центромерде бірігеді. Бұл динамикалық қайта құрылымдалу геномның дәл және жоғары сапалы бөлінуін қамтамасыз ету үшін өте маңызды болғанымен, митоздық хромосома құрылымын түсіну әлі де толыққанды емес. Дегенмен, бірнеше нақты молекулалық факторлар анықталды: Топоизомераза II АТФ гидролизін ДНҚ-ның түйілуін ажырату (декатенациялау) үшін пайдаланады, бұл бауырлас хроматидтердің ажыратылуын ынталандырады. Кондензиндер – 5 суббөлімшелі кешендер, олар да хромосомалық конденсацияны ынталандыру үшін АТФ гидролизін пайдаланады. Ксенопус жұмыртқасының сығындыларында жүргізілген эксперименттер линкерлі гистон H1-дің митоздық хромосомалардың тығыздалуын реттеуде маңызды рөл атқаратынын көрсетті.

Митоздық шпиндельді жинақтау пункттері

Шпиндельдің қалыптасуының аяқталуы – шпиндельді құрастыру бақылау пункты деп аталатын жасуша циклының өте маңызды кезеңі. Егер хромосомалар осы бақылау пунктына дейін митоздық шпиндльге дұрыс бекітілмесе, анафазаның басталуы кешіктіріледі. Осы шпиндельді құрастыру бақылау пунктының жұмыс істемеуі анеуплоидияға алып келуі мүмкін және қартаю мен қатерлі ісіктердің пайда болуына себеп болуы мүмкін.

Шеңбер аппаратының бағыты

Жасушаның бөліну бағыты тіндердің құрылымы, жасуша тағдыры және морфогенез үшін маңызды. Жасушалар көбінесе Гертвиг ережесіне сәйкес, ұзын осі бойынша бөлінеді. Жасуша бөліну осін орау аппаратының бағыты анықтайды. Жасушалар орау аппаратының екі центросомасын қосатын сызық бойымен бөлінеді. Құрылғаннан кейін орау аппараты жасуша ішінде айналады. Центросомалардан шығатын астральдық микротубулалар жасуша мембранасына жетеді, онда олар нақты қабықшалық белгілерге тартылады. In vitro жағдайында қабықшалық белгілердің таралуы жабысу үлгісімен анықталады. In vivo полярлық белгілер жасуша төбелерінде орналасқан үшбұрышты қосылыстардың орналасуымен анықталады. Қабықшалық белгілердің кеңістіктегі таралуы соңғы орау аппаратының бағытын және одан кейін жасуша бөліну бағытын анықтайтын күш өрісін құрайды.