Mitozė

MITOZĖ

Mitozė – tai ląstelės ciklo etapas, kurio metu pasidalija ląstelės branduolys. Pagrindiniai kitimai, vykstantys mitozės metu lemia tikslų chromosomų pasiskirstymą tarp dukterinių ląstelių. Terminą “mitozė” (graikų kalboje “mitozė” reiškia “siūlas”) pirmasis 1870 m. panaudojo Flemingas (W. Flemming), stebėdamas struktūrinius chromosomų kitimus ląstelės ciklo metu. Mitozės metu chromatinas kondensuojasi į chromosomas. Jos matomos kaip dvigubos struktūros, suformuotos iš dviejų seserinių chromatidžių (kiekviena jų turi po dvigubą DNR grandinę, replikuotą S fazėje).

Tradiciškai mitozė yra skirstoma į 4 fazes: profazę, metafazę, anafazę iir telofazę (14.1 pav.). Vėlyvoji profazė kai kurių autorių vadinama prometafaze.

Profazės metu branduolyje prasideda chromatino kondensacija. Intefazės metu padvigubėjusi centrosoma (plačiau 4 sk.) atsiskiria ir juda citozolyje į skirtingus ląstelės polius (14.2 pav., a). Tolstant centrosomoms, ilgėja nuo jų atsišakojančios mikrotubulės. Taip formuojasi pradinė mitozinė verpstė – dinamiška struktūra, sudaryta iš mikrotubulių, lemianti tikslų chromosomų paskirstymą tarp dukterinių ląstelių. Šioje fazėje išryškėja chromosomos. Kiekviena iš jų sudaryta iš dviejų seserinių chromatidžių, susijungusių centromeromis (14.2 a

Interfazė (a) Profazė (b) Prometafazė

14.2 pav. Ląstelės morfologiniai persitvarkymai dalijimosi ciklo metu (Becker ir kt., 1996).

pav.). Abiejose kiekvienos centromeros pusėse formuojasi baltyminiai diskai, vadinami kinetochorais, prie kurių tvirtinasi mitozinės verpstės mikrotubulės (14.3, a pav.). Chromosomoje kkiekviena seserinė chromatidė turi po kinetochorą, nukreiptą į priešingas puses. Branduolėlis profazėje visai išnyksta.

14.3 pav. Kiekvienos chromatidės kinetochoras (šviesesnė plokštelė) jungia priešingo verpstės poliaus mikrotubules (a), mikrotubulių ir motorinių baltymų išsidėstymas mitozinėje verpstėje (b) (Becker ir kt., 1996).

Prometafazė, arba vėlyvoji profazė prasideda yrant branduolio apvalkalui. Tai leidžia mitozinės verpstės mikrotubulėms tiesiogiai sąveikauti su chromosomomis. Kai kurių organizmų ląstelėse (pvz., mielių) branduolio apvalkalas išlieka nesuiręs, o verpstė formuojasi branduolio viduje. Toks branduolio dalijimasis vadinamas “uždaro” tipo mitoze.

Prometafazėje mitozinė verpstė ilgėja, įgauna taisyklingą formą. Centrosomos išsidėsto priešingose ląstelės pusėse, sudarydamos du verpstės polius (14.4 pav.). Mikrotubulės jungiasi prie kinetochorų. Chromosomų tvirtinimasis prie vieno poliaus mikrotubulių nėra stabilus. Judėdamos pirmyn-atgal chromosomos prisijungia vis daugiau verpstės mikrotubulių. Seserinių chromatidžių kinetochorai “gaudo” skirtingų ppolių mikrotubules. Prometafazėje taip pat vyksta Goldžio komplekso, endoplazminio tinklo fragmentacija.

Metafazėje chromosomos maksimaliai kondensuotos, o jose seserinės chromatidės prisitvirtinę mikrotubules, atkeliaujančias iš skirtingų mitozinės verpstės polių (14.3, a pav.). Toks tvirtinimasis vadinamas bipoliniu, jis nukreipia seserines chromatides į priešingus verpstės polius. Chromosomos išsidėsto ląstelės vidurio plokštumoje, sudarydamos metafazinę plokštelę. Metafazinės plokštelės atstumas nuo abiejų polių yra vienodas. Nors tuo metu chromosomos atrodo nejudrios, jų chromatidės jau yra traukiamos į priešingas puses. Vienodo stiprumo, bet priešingos krypties jėgos kompensuoja vienos kkitas, išlaikydamos chromosomas ląstelės vidurio plokštumoje. Metafazės pauzėje ląstelė išbūna apie 20 min., jei mitozė tęsiasi apie 1 valandą.

Anafazės metu jungtis tarp chromatidžių, kurią sudaro baltyminis kompleksas kohezinas, staiga suyra ir chromatidės vienu metu ima judėti link priešingų polių (maždaug 1 mm/min greičiu). Tai trumpiausia mitozės fazė, kuri paprastai užtrunka tik kelias minutes. Anafazės metu išskiriami du esminiai procesai: 1) chromatidžių judėjimas polių link, trumpėjant prie kitetochorų prisitvirtinusioms mikrotubulėms, vadinamas anafaze A ir 2) verpstės polių nutolimas ir visos ląstelės ilgėjimas, vadinamas anafaze B.

Telofazėje seserinės chromatidės pasiekia skirtingus verpstės polius. Nuo to momento jos vadinamos chromosomomis. Apie jas vėl formuojasi branduolio apvalkalas. Taip kiekviename poliuje esanti chromosomų grupė atsiduria atskirame branduolyje. Jame prasideda chromatino dekondensacija, chromosomos įgauna interfazei būdingą išvaizdą. DNR sritys, kuriose yra branduolėlius organizuojantys centrai, ima rinktis į vieną vietą, ryškėja branduolėlis. Prie kinetochorų besijungiančios mikrotubulės suyra, tuo tarpu persiklojančios mikrotubulės toliau ilgėja. Jos yra svarbios citokinezės metu, kai visas ląstelės turinys pasidalija į dvi dalis.

Mitozinė verpstė ir jos dinamika. Kaip jau minėjome, pagrindinė struktūra lemianti tikslų chromosomų pasidalijima mitozės metu yra mitozinė verpstė (angl.k. – spindle). Mitozinė verpstė formuojasi iš ląstelės citoskeleto elementų – mikrotubulių (plačiau 4 sk.). Mitozės metu mikrotubulių augimas ypač suintensyvėja, šį pprocesą valdo reguliaciniai baltymai aptariami sekančioje dalyje. Mitozinėje verpstėje visų mikrotubulių (-) galai yra verpstės poliuose, o (+) galai nukreipti į ląstelės žievę arba chromosomas (14.3 pav.). Pagal (+) galo orientaciją mitozinės verpstės mikrotubulės skirstomos į: 1) kinetochorų, 2) žvaigždės ir 3) polių (14.4 pav.).

Kinetochorų (angl.k. – kinetochore) mikrotubulių (+) galas sąveikauja su chromatidžių kinetochorais. Šios mikrotubulės kontroliuoja tvarkingą chromatidžių judėjimą į priešingus polius. Mielių ląstelėse kinetochorai maži ir jungia tik po vieną kinetochoro mikrotubulę. Žinduolių ląstelėse prie kiekvienos chromosomos vidutiniškai jungiasi apie 30-40 mikrotubulių (14.3, a pav.).

Žvaigždės (angl.k. – astral) mikrotubulės (+) galais remiasi į ląstelės žievę. Ši sąveika yra svarbi simetriškam verpstės išsidėstymui bei dalijimosi plokštumos lokalizavimui.

Polių (angl.k. – polar) mikrotubulės persikloja ir sąveikauja su priešingo poliaus mikrotubulėmis. Ši sąveika padeda išlaikyti charakteringą verpstės formą. Polių mikrotubulės ypatingai pailgėja anafazės B metu ir aktyviai dalyvauja polių nutolime.

14.4 pav. Trys mitozinės verpstės mikrotubulių tipai. (A) Mitozinės verpstės vaizdas drozofilos embriono ląstelėje, gautas konfokalinės mikroskopijos būdu. (B) Schematinė mitozinės verpstės struktūra (Alberts ir kt., 1994).

Mitozinė verpstė yra dinamiška sistema. Mikrotubulių ilgis nuolat kinta dėl natūralaus mikrotubulių dinaminio nestabilumo, kuris smarkiai padidėja mitozės metu. Be to, mikrotubulių dinamiką įtakoja ir motoriniai baltymai (citoplazminis dineinas ir kinezinai) gausiai aptinkami aant mitozinės verpstės. Dažniausiai motoriniai baltymai tvirtinasi mikrotubulių (+) galuose. Jie ne tik užtikrina mechaninį mikrotubulių judėjimą, bet ir formuoja mikrotubulių išsidėstymą verpstėje (14.3, b pav). Žvaigždės mikrotubulės (+) galais remiasi į ląstelės žievę sudarantį aktino

tinklą. Čia jos tarsi pritvirtinamos per motorinius baltymus. Polių mikrotubulių persiklojimo vietose antilygiagrečias mikrotubules stabilizuoja motoriniai baltymai. Prie chromosomų kinetochorų mikrotubulės taip pat jungiasi per motorinius baltymus (14.3, b pav).

Ant kinetochorų dažniausiai aptinkami dineinai. Jie pritvirtina chromosomas prie mitozinės verpstės ir aktyviai dalyvauja chromosomų judėjime. Net ir prisitvirtinusios prie chromosomų kinetocorų mikrotubulės nepraranda savo dinamiškumo. Mitozės metu į ląstelę įvedus nedidelį kiekį žymėto tubulino stebimas jo įjungimas į ties kinetochorais, o vėliau judėjimas link polių (reiškinys vadinamas tubulino srautu). Tai rodo, kad mikrotubulės nuolat ilginamos ties kinetochorais, o jų ryšys su chromosoma nenutrūksta motorinių baltymų dėka. Anafazės A metu, suirus baltyminėms jungtims tarp seserinių chromatidžių, jos juda polių link dėl dviejų priežasčių – dėl dineinų formuojamo judesio verpstės polių link (14.3, b ir 14.4 pav.) ir dėl prasidėjusio kinetochoro mikrotubulių (+) galų irimo. Anafazės B metu verpstės poliai tolsta, o ląstelė ilgėja dėl kinezinų formuojamų jėgų, kurios stumia antilygiagrečias polių mikrotubules (jų (+) galai tuo metu ilgėja) priešingų polių

link (14.4 pav.). Be to, polių nutolime dalyvauja ir dineinai, išsidėstę ant ląstelės žievės verpstės poliuose. Jie traukia žvaigždės mikrotubules, kurios trumpėja dėl (+) galų irimo.

14.5 pav. Procesai vykstantys anafazėje A ir anafazėje B (Alberts ir kt., 1994).

Ant mitozinės verpstės ir kinetochorų aptinkami ne tik motoriniai baltymai, čia gausu ir reguliacinių baltymų, kurių funkcijos tebėra menkai ištirtos. Reguliaciniai baltymai, aptinkami mikrotubulių ir kinetochorų sąveikos zonoje, kontroliuoja bipolinį mikrotubulių tvirtinimąsi prie chromosomos. Jų signalai inicijuoja arba blokuoja anafazės pradžią. Kiti bbaltymai valdo verpstės mikrotubulių dinamiką (ilgėjimą arba irimą) ir pan.

Kol kas mažai yra žinoma apie mitozinės verpstės “išsimontavimą” mitozės pabaigoje. Gyvūnų ląstelėse mitozinės verpstės likučiai kartu su kitais baltymais formuoja tankią struktūrą, svarbią tiksliam citoplazmos pasidalijimui (citokinezei). Tai vadinamasis ląstelės vidurio kūnas (angl.k. – midbody).

CITOKINEZĖ

Citokinezė. Ląstelės cikle po mitozės paprastai seka citokinezė arba citoplazmos dalijimasis. Citokinezė prasideda vėlyvos anafazės arba telofazės metu. Citoplazmos dalijimosi mechanizmas gyvūnų ir augalų ląstelėse iš esmės skiriasi.

Gyvūnų ląstelėse dukterinių ląstelių citoplazma atsiskiria, fformuojantis dalijimosi sąsmaukai (angl. k. – cleavage furrow; 14.6, a pav.). Ląstelės paviršiuje susidaro įdubimas, kuris tęsiasi per ląstelės pusiaują ir vis gilėja, kol priešingi sąsmaukos kraštai susisiekia. Sąsmaukos plokštuma yra statmena mitozinės verpstės išilginei ašiai, ir susidaro metafazinės plokštelės vvietoje. Toje vietoje, plazminės membranos vidinėje pusėje, iš aktino filamentų formuojasi juostos pavidalo darinys, vadinamas veržiančiuoju žiedu (angl. k. – contractile ring). Daugybė aktino filamentų išsidėsto sąsmaukos srityje (14.6, b pav.). Sąsmauka vis gilėja, nes veržiančiojo žiedo skersmuo nuolat mažėja. Tai vyksta aktino skaiduloms sąveikaujant su trumpesniais miozino II filamentais. Aktino filamentai slysta viena kitos atžvilgiu ATP hidrolizės metu. Galiausiai veržiantysis žiedas visai padalina motininę ląstelę ir taip atskiria dvi dukterines ląsteles.

14.6 pav. Citokinezė besidalijančiame jūros ežio kiaušinėlyje (a), citokinezės eiga gyvūnų ląstelėje (b) (Karp, 1996).

Dėl tvirtos sienelės augalų ląstelės citokinezė negali vykti susidarant dalijimosi sąsmaukai. Mitozinės verpstės pusiaujyje tarp dviejų dukterinių ląstelių surenkama plazminės membranos ir ląstelės sienelės plokštelė, vadinama ląstelės plokštele. Goldžio komplekse susidaro membraninės pūslelės, turinčios sienelės ppirmtakų. Polių mikrotubulėmis šios pūsleles keliauja link vidurio plokštumos, esančios tarp dviejų naujai susidariusių branduolių. Ląstelės dalijimosi srityje polių mikrotubulių galai persikloja ir kartu su Goldžio pūslelėmis formuoja struktūrą, vadinamą fragmoplastu. Šioje srityje atgabentos pūslelės susilieja, sudarydamos ankstyvąją ląstelės plokštelę. Ląstelės plokštelės kraštai greitai plečiasi į šonus. Po tam tikro laiko jie pasiekia ląstelės sieneles, atskirdami dukterinių ląstelių citoplazmą. Tuomet naujoji ląstelės sienelė yra padengiama celiuliozės skaidulomis, o joje esančios plazmodezmos sudaro kanalus, kuriais susisiekia gretimų ląstelių turinys.

Ne visose lląstelėse po mitozės seka citokinezė. Pavyzdžiui, ankstyvame Drosophila embrione be citokinezės vienas po kito seka 13 branduolio dalijimųsi. Tai ženkliai paspartina embrioninių ląstelių ciklą. Vėliau, daugiabranduolėje ląstelėje įvyksta citokinezė – vienu metu citoplazma pasidalija ties kiekvienu branduoliu. Tačiau dažniausiai citokinezė seka po kiekvieno branduolio pasidalijimo, formuodama dvi vienbranduoles ląsteles su identišku chromosomų rinkiniu.

Ne visos ląstelės dalijasi simetriškai. Asimetrinis ląstelės padeda sukurti ląstelių įvairovę daugialąsčiose organizmuose ir ypač dažnai vyksta audinių diferenciacijos metu. Ląstelės dalijimosi plokštumą “nustato” mitozinės verpstės padėtis bei reguliacinių baltymų pasiskirstymas motininėje ląstelėje.

Dalijimosi metu dukterinės ląstelės “gauna” ne tik identišką chromosomų rinkinį, joms padalinami ir kiti ląsteliniai komponentai. Tirpios makromolekulės ir gausios organelės (pvz., ribosomos) tarp dukterinių ląstelių pasiskirsto dalijantis citoplazmai. Panašiai padalinamos ir endomembraninės struktūros, kurių kiekis ląstelėje didėja savitu budu. Lipidų ir baltymų įjungimas į šias organeles (mitochondrijas, chloroplastus ir peroksisomas) vyksta nuolatos. Išaugusios organelės dalijasi. Mitochondrijų ir chloroplastų DNR replikuojasi tik interfazės metu. Taigi, ląstelės membraninių struktūrų, tokių kaip mitochondrijos, chloroplastai ir peroksisomos dalijimasis nėra tiesiogiai susijęs su ląstelės ciklu!