Вся основная информация об организме записана в его ДНК. Молекулы ДНК – тонкие тонкие нити, в которых закодированы инструкции по построению и работе структур организма. У человека общая длина составляет около трех метров. В каждой клеточке.
Элегантным природным решением нити-инструкции разделены на отдельные информационные блоки – хромосомы. Условно – тома инструкций. Блоки разные по размерам (длиной), и содержится в них разная информация. В клетках человека таких блоков 23. Точнее, 23 пары – всего 46. Информация продублирована (хотя, с некоторыми нюансами). Набор хромосом у большинства клеток диплоидный, обозначающий: 2n.
- Так выглядит кариотип человека – полное собрание томов инструкций. Каждый том – в двух вариациях – парах хромосом. В одной из пар вариация очень существенная – но только у одного пола.
В хромосомах нити ДНК очень плотно упакованы. Упакованные так, что почти три метра полимера успешно помещаются в ядре маленькой клетки. Упакованы с помощью специальных белковых молекул, на которые ДНК намотаны и облеплены. Упакованы упорядоченно так, чтобы при необходимости надлежащий фрагмент был быстро распакован и «прочитан». «Прочитанный» означает, что согласно имеющейся инструкции будет построено нужное количество белковых молекул для выполнения в организме заданных функций.
Помимо выдачи непосредственных инструкций нити ДНК в клетке могут копироваться (для этого в них закодированы свои инструкции). Копирование необходимо для того, чтобы при разделении клетки каждая дочерняя имела полный набор всех инструкций. Когда ДНК скопирована, каждая хромосома из 23 пар содержит две одинаковые нити. 46 хромосом, каждая из двух нитей ДНК. В процессе деления клетки, называемой «митоз», нити хромосом должны быть распределены абсолютно поровну. Это очень сложная, рискованная и красивая процедура.
Для равномерного распределения меж дочерними клеточками хромосомы необходимо поначалу еще больше уплотнить. Компактизировать настолько, что они становятся заметны под микроскопом. Именно в такой уплотненной «парадной» форме из двух сочетанных продольных половинок – сестринских хроматид, они и известны в первую очередь, а не в своей рабочей форме «клубка нитей».
- Нить ДНК уплотняется в 10000 раз формируя хромосому. Уплотнение очень упорядочено. Гистоны – молекулярные катушки, на которые наматывается нить ДНК, чтобы быть упорядоченной и компактной.
Танец или парад хромосом требует пространства, поэтому многие внутренние структуры клетки временно разбираются, высвобождая место. Оболочка ядра, ранее отделявшая работающие клубковатые хромосомы от остальной клетки, растворяется, чтобы затем «магически» восстановиться вокруг хромосом в дочерних клетках. Структуры эндоплазматической сеточки – заводы, где производят белковые молекулы по инструкциям, полученным от ДНК, распадаются на мелкие капельки и отжимаются на периферию. Комплекс Гольджи – структура из обширных цистерн с продуктами синтеза, также частично распадающаяся. В период митоза все остальное в клетке отодвигается на второй план.
Сами хромосомы выстраиваются в центральной плоскости клеточки. Формируют так называемую «метафазную пластинку». Конечно, они выстраиваются не сами. Они ключевые в этом процессе, но их танец – это скорее танец кукол-марионеток. В центральных участках компактизированных хромосом, в областях, называемых центромерами, прикреплены большие и сложные молекулярные машины – кинетохоры. К каждой отдельной дочерней хромосоме присоединен свой кинетохор. Одной стороной он держит хроматиду, другой стороной закреплен на нитях – рельсах. Нити-рейки протягиваются через клетку, перпендикулярную той плоскости, в которой выстроены хромосомы. Нити – рельсы закреплены на полюсах в организационных центрах – центромерах. Из этих нитей сформировано веретено разделения. Силы, возникающие на этих нитях, двигают хромосомами и создают удивительную хореографию митоза.
Наиболее ярко посвященный танец хромосом раскрывается методами флюоресцентной микроскопии.
Когда веретено только формируется, нити из организационных центров на полюсах растут наугад, навстречу друг другу. Натолкнувшись на кинетохор хромосомы, захватывают ее и толкают, пока с другой стороны кинетохор сестринской хромосомы не наткнется на нить с противоположной стороны. Тогда начинается перетаскивание и толкание. Нити веретена то нарастают, то укорачиваются с разных сторон, пока противоположно направленные силы не будут уравновешены. В это время хромосомы и оказываются выстроенными в одной плоскости, перпендикулярной веретену – метафазной пластинке.
Выстроенные в метафазной пластинке, они замирают на короткое мгновение, после чего включаются машины – кинетохоры на каждой сестринской половинке хромосомы. Кинетохоры, как локомотивы, по рельсам тянут сестринские хроматиды в разные стороны, к противоположным полюсам делящейся клетки. Да, каждая из дочерних клеток получает свой набор хромосом после удвоения материнского. Так происходит в каждом цикле деления клеток.
В этом важном процессе вовлечены многие сложные молекулярные машины: моторы — кинетохоры, нити веретена и т.д. И, к сожалению, в разных элементах каждой из этих систем могут случаться сбои и неурядицы. Например, один из кинетохоров в противоположно направленной паре может не включиться или потерять контакт со своей «рейкой» нити веретена или выпустить свою хроматиду. Тогда его коллега потянет к своему полюсу неразделенные сестринские хроматиды. Понятно, что в таком случае одна из дочерних клеток не получит один из томов инструкций, а другая получит два тома. Для обоих это станет существенной проблемой и для функционирования, и для выживания вообще (лишний том инструкций – это не просто груз, а активный участник процессов, которые при таком дисбалансе нарушатся).
Когда такие нарушения случаются не просто при разделении клеток в организме, а при образовании половых клеток, проблема становится еще более драматичной, поскольку хромосомный дисбаланс получит зигота – клетка, из которой должен образоваться новый организм.
Спонтанный риск возникновения таких нарушений существует всегда и предсказать его непросто. Тонкие структуры веретена разделения могут быть разрушены как случайной высокоэнергетической частицей, примчавшейся из пространств Вселенной, так и токсичной молекулой, которая может попадать в организм. И, учитывая сложность процесса, кажется скорее удивительным, что обычно все работает слаженно и надежно.
Со старшим репродуктивным возрастом в женском организме (особенно с 35 лет) уменьшается количество энергии в митохондриях, из-за чего увеличивается вероятность неправильного различия хромосом в яйцеклетках, растет вероятность ошибок в передаче хромосомного материала будущему эмбриону. Вот почему для нас так важно своевременное обращение для возможности эффективного зачатия хромосомно здоровых эмбрионов. По этой причине мы рекомендуем сохранять свои ооциты или эмбрионы, полученные в молодом возрасте (до 35 лет), чтобы иметь уверенность в возможности иметь здоровых детей в старшем возрасте.