Митоз vs. Мейоз: Как клетки человека делятся для роста и размножения

Каждая клетка в человеческом теле происходит от одной оплодотворенной яйцеклетки, и инструкции по превращению одной клетки в триллионы основаны на двух различных типах деления: митоз и мейоз. Национальный институт исследований генома человека (NHGRI) и Национальный институт общих медицинских наук (NIGMS) Национальных институтов здоровья США описывают оба как два основных механизма, которые клетки используют для размножения или создания половых клеток, необходимых для репродукции.

Клеточный цикл: где происходит деление

Согласно словарю генетики NHGRI, делящаяся клетка сначала проходит интерфазу, состоящую из трех стадий: G1, когда клетка готовится к делению; S, когда она дублирует весь набор своей ДНК (S означает синтез ДНК); и G2, когда она организует и конденсирует вновь скопированный генетический материал. Само деление происходит в фазе М, когда клетка разделяет две копии своей ДНК на две новые дочерние клетки.

Митоз: точное копирование клетки

Митоз производит две дочерние клетки, которые генетически идентичны родительской клетке и друг другу, — заявляет NHGRI. NIGMS отмечает, что это деление ответственно за обычный рост тела и замену ткани — например, клетки желудочной слизистой заменяются каждые несколько дней, в то время как клетки печени могут обновляться до года.

NIGMS перечисляет шесть стадий митоза после интерфазы: профаза, когда хромосомы конденсируются и прикрепляются к веретену деления; прометафаза, когда ядерная мембрана разрушается и веретено полностью формируется; метафаза, когда хромосомы выстраиваются в центре клетки; анафаза, когда сестринские хроматиды разделяются и движутся к противоположным полюсам; телофаза, когда новые ядерные оболочки формируются вокруг каждого набора; и цитокинез, когда клетка физически разделяется на две.

Мейоз: создание яйцеклеток и сперматозоидов

Мейоз используется исключительно для производства гамет — яйцеклеток и сперматозоидов — и работает иначе. NHGRI объясняет, что диплоидная клетка, содержащая 46 хромосом (два набора по 23), копирует свою ДНК один раз, но затем делится дважды, давая четыре гаплоидные дочерние клетки, каждая с 23 хромосомами. Когда сперматозоид и яйцеклетка объединяются при оплодотворении, их объединенные 23 хромосомы от каждого родителя восстанавливают нормальное диплоидное число 46.

Энциклопедия проекта эмбриона Аризонского государственного университета описывает мейоз как происходящий в две стадии. Мейоз I — это редукционное деление, разделенное на профазу I, метафазу I, анафазу I и телофазу I; именно во время профазы I соответствующие (гомологичные) хромосомы объединяются в пары и обмениваются сегментами ДНК в процессе, называемом кроссингOver, который NIGMS говорит, что увеличивает генетическое разнообразие. Мейоз II затем напоминает митоз, отделяя сестринские хроматиды, чтобы завершить формирование четырех гаплоидных клеток из одной исходной диплоидной клетки.

Согласно энциклопедии проекта эмбриона, развитие яйцеклеток и сперматозоидов резко отличается по времени. Сперматогенез начинается в период полового созревания и непрерывно производит четыре жизнеспособных сперматозоида из каждой начальной клетки. Оогенез, напротив, начинается до рождения, но паузирует в определенной точке профазы I до полового созревания; когда деление возобновляется, клетка делится неравномерно, производя одну крупную, богатую питательными веществами яйцеклетку и маленькие отброшенные структуры, называемые полярными телами, так что только один полезный гамет результат за цикл.

Краткая история

Энциклопедия проекта эмбриона приписывает биологу Оскару Хертвигу первое описание мейоза в середине 1870-х годов с использованием клеток морских ежей. Эволюционный биолог Август Вейсманн признал в 1890 году, что процесс сокращает количество хромосом вдвое, а генетик Томас Хант Морган продемонстрировал хромосомный кроссинговер в 1911 году.

Когда мейоз идет неправильно

Ошибки во время мейоза могут иметь медицинские последствия. Национальный институт здоровья детей и развития человека им. Юнис Кеннеди Шрайвер (NICHD) США заявляет, что синдром Дауна является результатом случайной ошибки деления клетки, называемой нондизъюнкцией, при которой пара хромосом не разделяется должным образом — обе копии заканчиваются в одной результирующей клетке и ни одна в другой. Наиболее распространенная форма, полная трисомия 21, возникает, когда каждая клетка несет три копии хромосомы 21 вместо двух.

NICHD сообщает, что в большинстве случаев трисомии 21 лишняя хромосома происходит из яйцеклетки матери, в то время как менее 5% происходят из спермы отца. Отдельная форма, мозаичная трисомия 21, также составляет менее 5% случаев и возникает, когда только некоторые клетки человека несут лишнюю хромосому. NICHD открыто заявляет, что никакое поведение родителей или факторы окружающей среды не известны как причина синдрома Дауна, и что состояние возникает случайно во время образования яйцеклеток или сперматозоидов.