Цитогенетические основы размножения

1.

Лектор
доцент, к.м.н.
Матвеева Ольга Николаевна

2.

РАЗМНОЖЕНИЕ
– это свойство организмов
ПРОИЗВОДИТЬ
СЕБЕ ПОДОБНЫХ

3.

ЗНАЧЕНИЕ РАЗМНОЖЕНИЯ
обеспечивает:
Продолжение жизни
Преемственность
поколений
Сохранение видов

4.

РАЗМНОЖЕНИЕ
На организменном уровне –
размножение организмов
На клеточном уровне –
репродукция (деление) клеток
На молекулярном уровне –
репродукция генетического
материала (репликация ДНК)

5.

СПОСОБЫ РАЗМНОЖЕНИЯ
ОРГАНИЗМОВ
1. Б Е С П О Л О Е
2. ПОЛОВОЕ

6.

БЕСПОЛОЕ РАЗМНОЖЕНИЕ
В основе – деление соматических
клеток (митоз)
одной родительской особи.
Наследственный материал передаётся
через соматические клетки.
Потомки абсолютно
тождественны родителям.

7.

БЕСПОЛОЕ РАЗМНОЖЕНИЕ
ОДНОКЛЕТОЧНЫХ:
Бинарное
деление
Шизогония
Эндодиогения
Почкование

8.

БЕСПОЛОЕ РАЗМНОЖЕНИЕ
ОДНОКЛЕТОЧНЫХ
Шизогония - способ бесполого размножения,
при котором сначала происходит многократное
деление ядра, а затем клетка распадается
на множество особей (по числу ядер).
Пример : малярийный плазмодий.
Эндодиогения
- внутреннее почкование одноклеточных животных,
при этом в клетке закладываются две дочерние.
Характерно для кокцидий (пример: токсоплазма).

9.

БЕСПОЛОЕ РАЗМНОЖЕНИЕ
МНОГОКЛЕТОЧНЫХ:
Вегетативное (частями тела)
Спорообразование
Почкование
Полиэмбриония

10.

ПОЛИЭМБРИОНИЯ
термин происходит от греческих слов
“poly” - много и “embrion” - зародыш.
Это особый вид бесполого размножения,
при котором происходит развитие
нескольких эмбрионов
из одной зиготы.
Бластомеры на начальных
стадиях эмбриогенеза могут
развиваться в самостоятельные
организмы.

11.

ПОЛИЭМБРИОНИЯ
ПРИМЕР Б Е С П О Л О Г О РАЗМНОЖЕНИЯ
У ЧЕЛОВЕКА
Результат – МОНОЗИГОТНЫЕ БЛИЗНЕЦЫ

12.

ПОЛОВОЕ РАЗМНОЖЕНИЕ
Два родительских
организма

13.

ПОЛОВОЕ РАЗМНОЖЕНИЕ
В основе – процессы:
o гаметогенез
o оплодотворение
Новый организм развивается из зиготы, образующейся
при слиянии половых клеток родителей.
Гаметы генетически неоднородны, т.к. во время
мейоза происходит перекомбинация наследственного
материала (механизмы: кроссинговер
и случайное
расхождение гомологичных хромосом)

14.

ПОЛОВОЕ РАЗМНОЖЕНИЕ
При оплодотворении в зиготе
комбинируется наследственный
материал обоих родителей, поэтому
потомки не абсолютно
тождественны родителям.
Дети имеют
индивидуальные
особенности.

15.

ПОЛОВОЕ РАЗМНОЖЕНИЕ
С УЧАСТИЕМ ГАМЕТ
БЕЗ УЧАСТИЯ ГАМЕТ
многоклеточные
одноклеточные
С оплодотворением
Без оплодотворения
Копуляция
Конъюгация

16.

ФОРМЫ ПОЛОВОГО
РАЗМНОЖЕНИЯ
О Д Н О К Л Е Т О Ч Н Ы Х:
Половой процесс
— биологическое явление,
приводящее к обмену наследственным материалом между
особями одного вида или к его объединению, что создает
условия
для
возникновения
разнообразия
наследственной информации
Половой процесс представляет собой начало
размножения, происходящего с участием гамет.
Но эти два явления нельзя отождествлять, так как
полового
половой процесс не всегда приводит к увеличению
числа особей

17.

ФОРМЫ ПОЛОВОГО
РАЗМНОЖЕНИЯ
О Д Н О К Л Е Т О Ч Н Ы Х:
Копуляция
(слияние
половых форм)
Конъюгация
(обмен генетическим
материалом)

18.

ФОРМЫ ПОЛОВОГО
РАЗМНОЖЕНИЯ
С
М Н О Г О К Л Е Т О Ч Н Ы Х:
оплодотворением
Без оплодотворения
o партеногенез
o
гиногенез

19.

ПАРТЕНОГЕНЕЗ

20.

ПАРТЕНОГЕНЕЗ, ГИНОГЕНЕЗ
ПАРТЕНОГЕНЕЗ – участия сперматозоидов не нужно
ГИНОГЕНЕЗ – спермии должны присутствовать в
окружающей
среде для активации яйцеклетки
В обоих случаях вся популяция вида
состоит только из самок
Эти способы размножения позволяют
популяциям существовать в условиях
жесткой изоляции и трудностях
в поисках партнеров

21.

ЧЕРЕДОВАНИЕ СПОСОБОВ РАЗМНОЖЕНИЯ
МЕТАГЕНЕЗ – чередование
полового и бесполого размножения
(Простейшие, Кишечнополостные)
ГЕТЕРОГЕНЕЗ – чередование
полового размножения
с оплодотворением и
партеногенеза (Сосальщики)

22.

РЕПРОДУКЦИЯ КЛЕТОК
Обеспечивает:
1. Размножение организмов
2. Развитие организма
3. Рост организма
4. Самообновление организма

23.

ЗНАЧЕНИЕ РЕПРОДУКЦИИ КЛЕТОК
РАЗВИТИЕ ОРГАНИЗМА - деление и
дифференцировка клеток
зигота – одноклеточная стадия
эмбрион
зародыш
постэмбриональный
период

24.

РОСТ ОРГАНИЗМА
В молодом организме репродукция клеток преобладает,
за счёт чего увеличивается количество клеток,
увеличиваются размеры органов и организм растёт

25.

САМООБНОВЛЕНИЕ
ОРГАНИЗМА
В течение жизни организма клетки
стареют и погибают. Поэтому всегда
происходят процессы самообновления –
образование новых клеток.
Эти процессы лежат в основе
физиологической регенерации.
У взрослых организмов репродукция
обеспечивает только замещение погибших
клеток, но не увеличение их количества.

26.

КЛЕТОЧНЫЙ ЦИКЛ
ЖИЗНЕННЫЙ ЦИКЛ КЛЕТКИ (ЖЦ) –
период с момента
возникновения клетки (деление)
- до гибели
- исчезновения в процессе
собственного деления
МИТОТИЧЕСКИЙ
ЦИКЛ (МЦ) -
период подготовки клетки
к делению и само деление

27.

МИТОТИЧЕСКИЙ ЦИКЛ
МИТОТИЧЕСКИЙ ЦИКЛ (МЦ) =
ИНТЕРФАЗА (подготовка) + МИТОЗ
Интерфаза состоит из трех периодов, т.о.
МИТОТИЧЕСКИЙ ЦИКЛ (МЦ) =
G1 + S + G2 + МИТОЗ
Часть интерфазы, не имеющая отношения к МЦ,
характеризует активное функциональное
состояние клетки и обозначается G0

28.

ИНТЕРФАЗА (10-30 ч)

29.

ИНТЕРФАЗА
G1 – клетка выходит
из G0, меняет метаболизм;
активный синтез РНК, белков; снижается дифференцировка клетки; накапливаются Т-нуклеотиды
формула клетки – 2n2с
S – главное событие – репликация ДНК; продолжаются
синтетические процессы; реплицируются центриоли
формула клетки – 2n4с
G2 – снижаются синтетические процессы;
накапливается энергия в виде молекул АТФ
формула клетки – 2n4с

30.

КЛЕТОЧНЫЕ ПОПУЛЯЦИИ
Жизненный цикл клеток разных органов не одинаков
Популяции клеток по отношению к
делению и по продолжительности жизни:
СТАБИЛЬНАЯ
РАСТУЩАЯ
ОБНОВЛЯЮЩАЯСЯ

31.

СТАБИЛЬНАЯ ПОПУЛЯЦИЯ
Характеристика клеток:
Высокодифференцированные
Наибольшая продолжительность жизни
Не способны делиться
нервные клетки
миокард

32.

РАСТУЩАЯ ПОПУЛЯЦИЯ
Характеристика клеток:
Высокодифференцированные
Большая продолжительность жизни
Способны делиться
печень
Основная масса клеток внутренних органов
легкие
поджелудочная почки
железа
НОВЛЯЮЩАЯСЯ
ПОБНОВЛЯЮЩАЯСЯ
ПО

33.

ОБНОВЛЯЮЩАЯСЯ ПОПУЛЯЦИЯ
Два типа клеток:
высокодифференцированные
недифференцированные
(камбиальные, стволовые)
Примеры тканей:
эпидермис
эпителий кишки
красный костный мозг

34.

ОБНОВЛЯЮЩАЯСЯ ПОПУЛЯЦИЯ
Высокодифференцированные клетки
выполняют специфические функции
короткоживущие, быстро отмирают
не способны делиться
КЛЕТКИ КРОВИ
ЭПИДЕРМИС
(поверхностный слой)

35.

СТВОЛОВЫЕ КЛЕТКИ
Недифференцированные клетки.
ОНИ СХОДНЫ ПО СТРОЕНИЮ С
ЭМБРИОНАЛЬНЫМИ.
СПОСОБНЫ РАЗВИВАТЬСЯ
В ЛЮБУЮ
СПЕЦИАЛИЗИРОВАННУЮ
КЛЕТКУ ТЕЛА

36.

НЕДИФФЕРЕНЦИРОВАННЫЕ
(СТВОЛОВЫЕ) КЛЕТКИ
Постоянно делятся
Дифференцируются
Замещают погибшие клетки
Стволовые клетки эпидермиса находятся в
самом нижнем (мальпигиевом) слое
Стволовые клетки слизистой оболочки
кишечника - в глубоких отделах кишечных
крипт
Стволовые клетки крови - в красном костном
мозге

37.

СТВОЛОВЫЕ КЛЕТКИ
обеспечивают
- обновление организма
- восстановление тканей и органов

38.

СТВОЛОВЫЕ КЛЕТКИ
АСИММЕТРИЧНОЕ ДЕЛЕНИЕ:
После деления одна из дочерних клеток остается
стволовой, вторая –
дифференцируется
Этот механизм позволяет обновлять
структуры и сохранять запас стволовых
клеток в течение всей жизни организма

39.

Источники выделения стволовых клеток
1. Эмбриональные
стволовые клетки ,
получаемые из
внутренней
клеточной
массы раннего эмбриона
на этапе бластоцисты
(4-7 день развития)
2. Фетальный
клеточный материал клетки зародыша на 9-12
неделе развития. Материал,
оставшийся в результате
прерывания беременности
3. Стволовые клетки
взрослого организма
Типы стволовых клеток:
гемопоэтические,
мышечные, нервной ткани,
кожи, эндотелия, кишечника,
миокарда и мезенхимные
стволовые клетки

40.

ХАРАКТЕРИСТИКА СТВОЛОВЫХ КЛЕТОК
o
o
o
ТОТИПОТЕНТНОСТЬ - способность
дифференцироваться в любой тип клеток организма
ХОУМИНГ - способность при введении их в организм
находить зону повреждения и фиксироваться там,
исполняя утраченную функцию
ТЕЛОМЕРАЗНАЯ АКТИВНОСТЬ. При каждой
репликации в обычных клетках часть теломер
утрачивается. Теломеры стволовых клеток способны
надстраиваться и клетки могут осуществлять
бесконечное количество делений. Стволовые клетки
потенциально бессмертны
В человеческом организме более 220 видов СК

41.

ЗНАЧЕНИЕ СТВОЛОВЫХ КЛЕТОК
Стволовые
клетки
сохраняются
и
функционируют во взрослом организме.
На практике стволовые и прогениторные
клетки-предшественники
дифференцированных клеток
различных
цитотипов используют для разработки
терапевтических клеточных
технологий
нового поколения, являющихся основой
регенеративной медицины.

42.

ОРГАНЫ И ТКАНИ, ВЫРАЩЕННЫЕ С
ПОМОЩЬЮ СТВОЛОВЫХ КЛЕТОК
В 2004 году японские ученые впервые в мире вырастили структурно
полноценные капиллярные кровеносные сосуды из стволовых клеток
В 2005 году американские ученые впервые вырастили полноценные клетки
головного мозга
В 2005 году ученым удалось воспроизвести нервную стволовую клетку
В 2006 году британские ученые вырастили из стволовых клеток ткани
печени
В 2006 году американским ученым удалось получить из стволовых клеток
клетки мышц
В 2006 году швейцарские ученые
вырастили из стволовых клеток
клапаны человеческого сердца

43.

ОРГАНЫ И ТКАНИ, ВЫРАЩЕННЫЕ С
ПОМОЩЬЮ СТВОЛОВЫХ КЛЕТОК
В 2006 году в США впервые
выращен мочевой пузырь
В 2007 году стволовые клетки помогли
британским ученым создать часть сердца человека
В 2007 году японские ученые вырастили из стволовых клеток роговицу глаза
В 2007 году японские ученые вырастили зуб из стволовых клеток
В 2008 году японские ученые создали тромбоциты из стволовых клеток
В 2008 году американские ученые смогли вырастить новое сердце на каркасе
от старого

44.

ЖИЗНЕННЫЙ ЦИКЛ КЛЕТКИ
ОБНОВЛЯЮЩАЯСЯ
- дифференцированные клетки – ЖЦ = G0
- стволовые клетки – ЖЦ = МЦ
РАСТУЩАЯ – ЖЦ= G0 + МЦ
(ЖЦ = G0 + G1+ S+ G2 + М)
СТАБИЛЬНАЯ – ЖЦ = G0

45.

РЕГУЛЯЦИЯ
МИТОТИЧЕСКОГО ЦИКЛА

46.

РЕГУЛЯЦИЯ РЕПРОДУКЦИИ КЛЕТОК
В разные периоды жизненного цикла строение клетки
и её функции различны.
В интерфазе происходит реализация генетической
информации, клетка функционально активна.
При вступлении клетки в МЦ перестраивается
характер метаболических процессов, синтезируются белки,
обеспечивающие процесс деления. В этот период клетка
утрачивает признаки специализации (дифференцировки)
и функции, свойственные клеткам данного типа.
Изучены
некоторые
факторы
и
механизмы,
изменяющие временную организацию клетки.
Одни способствуют делению, другие его тормозят.

47.

РЕГУЛЯЦИЯ РЕПРОДУКЦИИ КЛЕТОК
В основе размножения, роста и развития
организма лежат процессы репродукции
клеток (пролиферация).
Скорость, частота пролиферации
регулируются генетическим аппаратом клетки.
При нарушении этого контроля
начинается нерегулируемое размножение
клеток, в результате чего развиваются
новообразования – опухоли

48.

СТИМУЛЯТОРЫ МИТОЗА
1. Ядерно-цитоплазменные отношения
(Я/Ц), сфера влияния ядра.
Если отношение объёма ядра к объёму
цитоплазмы уменьшается (цитоплазмы
становится много), клетка начинает
подготовку к делению
2. Повышение концентрации в клетке
предшественников ДНК (тимидин)
способствует вступлению клетки в
митотический цикл

49.

СТИМУЛЯТОРЫ МИТОЗА
3. ФГА – фитогемагглютинин провоцирует
деление клеток, которые в норме не делятся.
Пример: лейкоциты периферической крови –
высокодифференцированные клетки
обновляющейся популяции.
В среде с ФГА начинают делиться.
Это используют для изучения кариотипа
4. Имеется система генов клеточного деления
CDC (сell division cycle). Она кодирует
протеинкиназу –
белок, способствующий
вступлению клетки в МЦ

50.

ИНГИБИТОРЫ МИТОЗА
1. При подавлении синтеза белка и РНК в
клетке процессы подготовки к делению
тормозятся
2. Наличие в клетке
белков - кейлонов
тормозит переход клетки из одного периода в
другой на любой стадии
3. Колхицин – вещество, разрушающее
микротрубочки
веретена
деления
и
останавливающее деление на стадии метафазы

51.

КАРИОТИП
Генетический аппарат эукариотической клетки
представлен хромосомами
КАРИОТИП - это совокупность хромосом
соматической клетки
Признак постоянный и специфичный для вида
Характеризуется:
Количеством хромосом
Строением хромосом
Размером хромосом

52.

КАРИОТИП
По химическому строению хромосомы - это
дезоксирибонуклеопротеид - ДНП.
В составе 1 хромосомы - 1 молекула ДНК.
В различные периоды жизненного цикла
клетки
хромосомы
имеют
разную
морфофункциональную организацию.
Хромосомы микроскопически выявляются во
время деления клетки в виде плотных
структур.

53.

ОРГАНИЗАЦИЯ ХРОМАТИНА
ХРОМАТИН– интерфазное состояние
хромосом: это совокупность молекул ДНК,
мРНК, белков ( гистонов, РНК-полимеразы,
нуклеоплазмина), ионов Fe, Cu, Zn.
В процессе подготовки к делению
компактность хроматина увеличивается,
активность его снижается до минимума.
Максимальная компактизация достигается к
началу деления клетки, формируются
хромосомы

54.

ОРГАНИЗАЦИЯ ХРОМАТИНА

55.

ВИДЫ ХРОМАТИНА
Большая часть интерфазного хроматина находится в
деконденсированном состоянии, на разных его участках
идут процессы транскрипции - это активный эухроматин.
ЭУХРОМАТИН - деконденсированный, активный
ГЕТЕРОХРОМАТИН - конденсированный,
неактивный:
- структурный (конститутивный)
постоянно
конденсированный, неактивный.
- факультативный - может
деконденсироваться и переходить в активное состояние.

56.

КОНДЕНСАЦИЯ ХРОМАТИНА
При подготовке к делению происходит общая
конденсация хроматина и весь генетический
материал представляет собой факультативный
гетерохроматин - Хромосомы.
Этот процесс важен для регуляции
активности генетического материала и
распределения хромосом между дочерними
клетками.
По мере конденсации
активность хроматина снижается

57.

УРОВНИ ОРГАНИЗАЦИИ ХРОМАТИНА

58.

УРОВНИ ОРГАНИЗАЦИИ ХРОМАТИНА
1.
Расправленные нити. Структура состоит из 1 молекулы ДНК и
молекул гистонов, расположенных параллельно. Это неактивный
хроматин.
2.
Нуклеосомный уровень. Формируются компактные структуры из 8
молекул гистонов и участка молекулы ДНК (около 200 пар
нуклеотидов) - нуклеосомы. Хроматиновая нить укорачивается в 7
раз. Наиболее активный хроматин.
3.
Нуклеомерный уровень. Объединяются 8-10 нуклеосом, образуется
нуклеомер. Укорочение нити в 20 раз.
4.
Хромомерный уровень. Нуклеомерная нить образует петли,
соединённые белками. Укорочение в 200 раз.
5.
Хромонемный уровень образуется в результате сближения
хромомеров по длине.
6.
Хроматидный. Хромонема складывается несколько раз, образуя
тело хроматиды.

59.

НУКЛЕОСОМА самый активный хроматин
8 молекул гистонов образуют сердцевину, которую
обвивает ДНК (около 200 пар нуклеотидов)-1,75 оборота

60.

СПОСОБЫ РЕПРОДУКЦИИ
КЛЕТОК
Митоз
– универсальное непрямое деление
клеток, результатом которого является
увеличение количества генетически
идентичных клеток
Мейоз
– сложное непрямое деление,
характерное для недифференцированных
клеток гонад
Амитоз
– простое, прямое деление, без
интерфазы

61.

МИТОЗ
– это универсальное непрямое деление клеток,
результатом которого является увеличение
количества генетически идентичных клеток
Генетический материал
между дочерними
клетками
распределяется поровну 2n2c
2n2c

62.

МЕЙОЗ
– сложное непрямое деление, характерное для
недифференцированных клеток гонад
Состоит из двух последовательных делений.
В результате образуются гаплоидные клетки
исходная клетка - 2n2c
дочерние клетки - nc

63.

МЕЙОЗ
БИОЛОГИЧЕСКОЕ ЗНАЧЕНИЕ:
1. Поддержание постоянства кариотипа ( за счет
гаплоидизации клеток).
2. Перекомбинация генетического материала
(кроссинговер, независимое расхождение хромосом в
анафазе I и независимое расхождение хроматид в
анафазе II) и образование генетически неидентичных
гамет.
Это определяет формирование организмов с
индивидуальными особенностями

64.

АМИТОЗ
- это простое, прямое деление, без интерфазы
Цитотомия чаще не происходит
Результат - образование
двуядерных (многоядерных)
клеток
Генетический материал
распределяется случайно,
неравномерно
Дочерние клетки генетически
неполноценны

65.

ЗНАЧЕНИЕ АМИТОЗА
В многоядерных клетках
увеличивается площадь контакта
между ядерным
материалом и
цитоплазмой
После амитоза клетки теряют
способность к митотическому делению
и воспроизведению

66.

ВИДЫ А М И Т О З А
1. РЕАКТИВНЫЙ
(фактор
2-ядерная клетка
устойчивость)
2. ДЕГЕНЕРАТИВНЫЙ
(сильный фактор
многоядерная клетка
фрагментация ядра
гибель)
3. ГЕНЕРАТИВНЫЙ - клетка 4n
(фактор
и более
2 и более полноценных ядер (клеток)
высокая функциональная активность)

67.

ЗНАЧЕНИЕ АМИТОЗА
АМИТОЗ И ДВУЯДЕРНОСТЬ
СОПУТСТВУЮТ
КОМПЕНСАТОРНЫМ ПРОЦЕССАМ
при функциональных
перегрузках, голодании,
отравлении
АМИТОЗ – ВНУТРИКЛЕТОЧНАЯ
РЕГУЛЯТИВНАЯ РЕАКЦИЯ

68.

АПОПТОЗ
- это процесс самоуничтожения клеток,
от которых организм хочет избавиться
__________________
Механизмы апоптоза включаются и
работают под контролем системы СDС ( сell
division cycle), в которую входит более 100
генов, регулирующих клеточный цикл
________________
Значение апоптоза - не допустить репродукцию
нежелательных клеток
и удалить их из организма

69.

ЦИТОМОРФОЛОГИЯ АПОПТОЗА
Уплотнение гиалоплазмы
Конденсация и деградация хроматина
Кариопикноз и кариорексис
Фрагментация клетки с образованием
маркеров апоптоза – окруженных
мембраной клеточных структур

70.

АПОПТОЗ
- это регулируемый процесс
программируемой клеточной
гибели, в результате которого
клетка распадается на отдельные
апоптотические тельца,
ограниченные плазматической
мембраной.
Фрагменты погибшей клетки
обычно быстро фагоцитируются
макрофагами либо соседними
клетками, минуя развитие
воспалительной реакции.

71.

АПОПТОЗзаключительная фаза

72.

ЭНДОРЕПРОДУКЦИЯ
-
ЭТО ЯВЛЕНИЕ УВЕЛИЧЕНИЯ
ГЕНЕТИЧЕСКОГО МАТЕРИАЛА В КЛЕТКЕ
(РЕПЛИКАЦИЯ ДНК)
БЕЗ ЕЕ ПОСЛЕДУЮЩЕГО ДЕЛЕНИЯ
ВИДЫ ЭНДОРЕПРОДУКЦИИ:
ЭНДОМИТОЗ
ПОЛИТЕНИЯ

73.

ЭНДОМИТОЗ
Нарушение нормального течения митоза:
- Часто сохранение оболочки ядра
- Нарушение расхождения хроматид к полюсам
- Отсутствие цитотомии
РЕЗУЛЬТАТ:
Образование полиплоидных клеток
Число клеток не увеличивается
ЗНАЧЕНИЕ:
Повышение функциональной
активности клеток

74.

ПОЛИТЕНИЯ
Процесс многократной репликации ДНК
с образованием гигантских (политенных)
хромосом без увеличения их числа
ЗНАЧЕНИЕ:
Увеличение числа идентичных
генов
Интенсификация синтеза белка

75.

ПОЛИТЕНИЯ
Политенные хромосомы обнаруживаются в период
интерфазы клетки. На них происходит транскрипция,
при этом образуются пуффы, которые можно наблюдать
в световой микроскоп.
Сравнивая локализацию пуффов и синтез определённых
белков, можно составить цитологические карты
хромосом, т.е. ориентировочно определить локализацию
отдельных генов в хромосоме.

76.

БЛАГОДАРЮ
ЗА ВНИМАНИЕ!
Вернитесь в moodle и выполните
«Тест по лекционному
материалу»