Мітоз

Міто́з (рідше каріокінез або непрямий поділ) (від  — нитка) — найпоширеніший спосіб поділу ядер клітин. Під час мітозу два ідентичні набори хромосом, утворені внаслідок реплікації ДНК, розподіляються між двома новими ядрами. Мітозом діляться ядра всіх клітин багатоклітинних організмів, крім гамет.

Зазвичай після ядра ділиться й цитоплазма (процес цитокінезу), і в результаті материнська клітина повністю ділиться на дві дочірні. Проте в низці випадків цитокінез не відбувається, і утворені ядра лишаються в одній клітині. Прикладами можуть бути деякі клітини ембріона плодової мухи, гепатоцити та кардіоміоцити ссавців. Якщо ж цитокінез відбувається, він починається в анафазі й закінчується під час або одразу після телофази.

Мітоз і цитокінез складають M-фазу клітинного циклу, завдяки якій зберігається сталий каріотип багатоклітинного організму і виду в цілому та відбувається збільшення кількості клітин.

У різних груп еукаріот мітоз відбувається дещо по-різному. Прокаріотичні клітини діляться бінарним поділом, що відмінний від мітозу.

Мітоз — лише одна з частин клітинного циклу, але під час мітозу відбуваються значні клітинні перебудови, тому його ділять на п'ять фаз: профаза, прометафаза, метафаза, анафаза і телофаза. Іноді прометафазу не виокремлюють.

У профазі відбувається конденсація хромосом, клітинний центр ділиться і продукти його поділу розходяться до полюсів ядра, руйнується ядерна оболонка, утворюється веретено поділу. У прометафазі каріоплазма і цитоплазма змішуються, хромосоми ще більше ущільнюються, на центромерах утворюються кінетохори, до них приєднуються мікротрубочки веретена поділу. У метафазі хромосоми розташовуються на екваторі (на рівній відстані від полюсів ядра) в одній площині, утворюючи так звану метафазну пластинку. У анафазі з'єднання подвоєних ідентичних хромосом у районі центромери руйнується, хроматиди розділяються і розходяться до різних полюсів клітини. У телофазі руйнується веретено поділу, утворюється ядерна оболонка навколо дочірніх ядер.

Подвоєння хромосом відбувається ще в інтерфазі, що не є частиною M-фази. В результаті цього в мітоз хромосоми вступають вже подвоєними, такими, що нагадують букву «X» (ідентичні копії материнської хромосоми, сполучені одна з одною в області центромери) (див. п. Мітотична хромосома)

Фази мітозу

Тривалість мітозу залежить від виду клітин і в середньому становить 1-2 години. Процес залежить і від умов зовнішнього середовища (температури, світлового режиму й інших показників).

Профаза

Профаза є першою стадією мітозу. Під час профази конденсуються хромосоми та формується веретено поділу. У деяких організмів, зокрема тварин та рослин, руйнується ядерна оболонка (відкритий мітоз). Якщо вона не руйнується (закритий мітоз, як у більшості грибів), веретено поділу формується всередині неї.

Руйнування ядерної оболонки Ядерна мембрана двошарова. Внутрішній шар прилягає до хроматину, а зовнішній переходить в ендоплазматичний ретикулум. Ядерну оболонку пронизують ядерні пори та підтримує спеціалізована структура — ламіна, що складається з білків .

Руйнування ядерної оболонки починається в профазі. Фосфорилювання білків внутрішньої мембрани, ламінів та деяких інших білків циклін-залежною протеїнкіназою 1 (CDK1)Циклін-залежна протеїнкіназа 1 людини в базі даних та іншими протеїнкіназами, зокрема Aurora B, порушує зв'язок хроматину та ядерної оболонки. Інвагінації та утворення дірок (fenestration) в ядерній оболонці тісно пов'язані з активністю динеїнових молекулярних моторів, що приєднані до ядерних пор. Динеїни здатні до активного переміщення вздовж мікротрубочок і рухаються по астральним мікротрубочкам веретена поділу. Таким чином одночасно відбувається розміщення веретена поділу по полюсам клітини і формування дірок в ядерній оболонці.

Прометафаза

Під час прометафази закінчується конденсація хромосом та руйнування ядерної оболонки. Веретено поділу розміщується на полюсах клітини. Від центросом полімеризуються та ростуть мікротрубочки всіх типів (див. п. Веретено поділу). Кінетохор деяких хромосом взаємодіє з кінетохорними мікротрубочками веретена поділу за допомогою білків динеїну та кінезину CENP-EЦентромерний білок E людини в базі даних , що допомагають латерально приєднатися до мікротрубочки, та білку NDC80Білок кінетохору Ndc80 людини в базі даних , що формує стабільний зв'язок з плюс-кінцем мікротрубочки.

Після приєднання до кінетохору однієї мікротрубочки до нього приєднуються інші мікротрубочки, причому їхня полімеризація може не залежати від центросоми. Так, до існуючої кінетохорної мікротрубочки може приєднатися комплекс білків Augmin разом з γTuRC. Від цього комплексу може сформуватися нова мікротрубочка, яка буде йти майже паралельно до існуючої і в тому ж просторовому напрямку, тобто плюс-кінцем до кінетохору. Таким чином може швидко сформуватися к-фібрила (кінетохорна фібрила): пучок мікротрубочок, який необхідний для руху хромосом під час анафази.

Важливим моментом під час прометафази є початок активації , яка не дозволить клітині вхід в анафазу за відсутності приєднання всіх кінетохорів до мікротрубочок (див. Контроль мітозу).

Метафаза

Під час метафази хромосоми розміщуються вздовж екватора клітини. Таке розміщення хромосом викликано з'єднанням обох кінетохорів однієї хромосоми до мікротрубочок протилежних центросом. Клітина перебуває у метафазі довгий час, допоки кожна хромосома не буде з'єднана з обома центросомами з обох полюсів.

Правильний процес під'єднання кінетохорів до мікротрубочок від різних полюсів забезпечується методом спроб і помилок, таке правильне з'єднання має велике тягове зусилля: хромосому тягнуть кінезинові білки до різних полюсів клітини і лише з'єднання в області центромери не дає сестринським хроматидам розійтися. Таке з'єднання є стабільним. При неправильному контакті, наприклад контакті обох кінетохорів з мікротрубочками одного полюсу, цього тягового зусилля не виникає, таке з'єднання є нестабільним і швидко руйнується, тоді кінетохор знову з'єднується з мікротрубочками і такий процес триває, доки не утвориться стабільне з'єднання. Причина стабільності з'єднання в основному лежить у кіназній активності білку Aurora B, який фосфорилює комплекс приєднання мікротрубочок до веретена поділу, що призводить до розриву контакту. Одна з моделей, яка пояснює цей механізм, називається «собача прив'язь» і полягає в тому, що Aurora B приєднана до внутрішнього кінетохору за допомогою білку INCENPБілок Inner centromere protein людини в базі даних і може фосфорилювати лише ті білки, що знаходяться в радіусі рухливості INCENP, на кшталт прив'язі собаки. Таким чином, при неправильному контакті напруги між кінетохором і мікротрубочками немає і плюс-кінці та білкові комплекси зовнішнього кінетохору, що контактують з мікротрубочок, лежать в зоні досягнення Aurora B, що їх фосфорилює та руйнує контакт. При контакті хромосоми з мікротрубочками обох полюсів виникає тягова сила, відстань між внутрішнім і зовнішнім кінетохором збільшується, Aurora B вже не досягає до комплексу з'єднання з мікротрубочками і нездатний його фосфорилювати. Тому такий контакт залишається.

Таким чином, кожна хромосома перетягується в протилежних напрямках до обох полюсів клітини і мігрує в центр (див. п. Рух хромосом), оскільки пряма лінія є геометрично найкоротшою відстанню між двома точками. Хромосоми розміщуються вздовж екватора, формуючи метафазну пластинку.

Анафаза

Під час анафази контакт між сестринськими хроматидами розривається, і вони рухаються до протилежних полюсів клітини. Перехід від метафази до профази можливий лише при проходженні контрольної точки завдяки діяльності комплексу APC (див. п. Контроль мітозу).

Анафаза ділиться на дві частини: A-анафаза, перша частина анафази. Виникає при різкому розриванні контактів між сестринськими хроматидами. До цього моменту мікротрубочки тягнули кожен з кінетохорів у бік полюсу, але когезиновий контакт запобігав розходженню хроматид. При руйнуванні контакту дочірні хромосоми різко починають рухатися у бік полюсу. У цій стадії хроматин набуває найбільшої щільності під час мітозу B-анафаза, пізня анафаза. Відбувається коли дочірні хромосоми вже трохи відійшли до полюсів. Тоді починають рухатися у протилежні боки полюси веретена поділу.

Рух хромосом Хромосоми здійснюють значні переміщення в клітині під час мітозу навіть до стадії анафази: під час метафази вони вибудовуються в площині екватора. Рух хромосом та витягнення веретена поділу здійснюються завдяки трьом механізмам. Перший призводить до руху дочірньої хромосоми до полюса веретена поділу. Цей механізм не до кінця з'ясований, але він не залежить від моторних білків та не потребує гідролізу АТФ. Він досягається за допомогою деполімеризації плюс-кінця мікротрубочки. Другий механізм полягає в русі мікротрубочок та з'єднаних з ними хромосом до полюса клітини, імовірно через деполімеризацію мінус-кінця мікротрубочок. При цьому плюс-кінці мікротрубочок, навпаки, полімеризуються. Цей процес називається «потік мікротрубочок у напрямку до полюса» (). І третій механізм, який не є активним в анафазі, проте дуже потрібний в прометафазі та метафазі, полягає в русі хромосом від полюса клітини. Це забезпечується завдяки активності моторних білків: кінезину 4 та кінезину 10, які здатні рухатися по мікротрубочці у напрямку від мінус- до плюс-кінця.

Телофаза

Телофаза є завершальною стадією мітозу, за нею слідує цитокінез. Під час телофази навколо дочірніх хромосом, які розміщені на протилежних полюсах клітини, формується ядро, хромосоми займають свої інтерфазні позиції (хромосомні території), еухроматин декомпактизується, що дозволяє зчитувати гени. Активною є , що транскрибує рРНК і формуються ядерця навколо ядерцевих організаторів. Також під час телофази руйнується веретено поділу.

Формування ядерної оболонки Інактивація комплексу ЦЗК1–циклін B ініціює формування ядерної мембрани. Частини внутрішньої ядерної мембрани повертаються від ендоплазматичного ретикулуму і з'єднуються з хроматином. При цьому хроматин також зазнає певних змін; так, від нього від'єднується кіназа Aurora B (див. п. мітотична хромосома). Злиття частин ядерної мембрани відбувається одночасно з утворенням ядерних пор, таким чином уникається формування закритого ядра без пор.

Формування ядерної мембрани повинно відбутися таким чином, що всі хромосоми опиняться всередині ядра, а органели, навпаки, туди не потраплять. Цьому процесу допомагає щільна (щільніша, ніж у метафазі) упаковка хромосом та присутність веретена поділу на перших стадіях телофази: хромосоми розміщені щільною купкою, а навколо них формується ядерна оболонка. Тим не менш у цьому процесі можливі помилки, в результаті яких губиться хромосома чи формуються мікроядра.

Клітинний цикл, що межує з мітозом

Мітоз займає лише частину клітинного циклу. Проте для проходження мітозу стадії до нього також повинні пройти успішно. Так, передує мітозу G2-стадія інтерфази, а закінчується мітоз цитокінезом, і переходить в G1-фазу інтерфази.

Клітинна анатомія мітозу

Веретено поділу

Під час мітозу вибудувані під час метафази в екваторіальній площині хромосоми повинні розійтися на два полюси клітини, причому розділитися правильно на дві частини. Це надзвичайно складний процес, в якому беруть участь багато білків, але основною структурою, яка його забезпечує, є веретено поділу.

Веретено поділу складається з декількох типів мікротрубочок та центросом.

Мікротрубочки