تقسیم میتوز چیست؟ — به زبان ساده

میتوز (Mitosis) مرحله‌ای از چرخه سلولی است که DNA سلول دو برابر شده و از هم جدا می‌شوند و به این ترتیب دو سلول جدید به وجود می‌آید. این فرآیند در یوکاریوت‌های تک سلولی بسیار اهمیت دارد، زیرا برای آن‌ها تولید مثل غیرجنسی به شمار می‌آید. در یوکاریوت‌های چند سلولی، تقسیم میتوز نشان می‌دهد که چگونه یک سلول زیگوت می‌تواند به یک ارگانیسم کامل تبدیل شود. میتوز چندین مرحله مشخص دارد که در زیر مورد بحث قرار خواهند گرفت. مراحل دیگر چرخه سلولی شامل رشد و تکثیر DNA است، این مراحل هر کدام برای انجام میتوز ضروری است. در زیر تصویری از قرارگیری میتوز در چرخه سلولی نشان داده شده است.

عملکرد میتوز

تقسیم میتوز که یک فرایند حیاتی در تمام سلول‌های زنده به شمار می‌آید، عملکردهای مهمی را در ارگانیسم‌های زنده بر عهده دارد که در ادامه به معرفی این عملکردها می‌پردازیم.

رشد

حیات در ارگانیسم‌های چند سلولی، همیشه از یک سلول واحد آغاز می‌شود که از دو سلول گامت به وجود می‌آید. این سلول واحد که زیگوت نام دارد، تمام DNA لازم برای ایجاد یک ارگانیسم کامل را دارد و برای تبدیل شدن به یک ارگانیسم باید تعداد بیشتری سلول تولید شود. هدف از تقسیم میتوز در ارگانیسم‌های مختلف تولید سلول‌های بیشتر است. پس از دور اول میتوز، فقط دو سلول به وجود می‌آیند.

فیلم آموزش زیست شناسی سلولی Cell Biology در فرادرس

کلیک کنید

این سلول‌ها هر دو تحت تقسیم میتوز قرار می‌گیرند و 4 سلول جدید را تولید می‌کنند. همین روند ادامه پیدا می‌کند تا زمانی که یک کره کوچک و توخالی از سلول‌‌ها به نام بلاستولا (Blastula) تشکیل می‌شود. هرچه تعداد سلول‌های بیشتری ایجاد شود، این کره بزرگ‌تر می‌شود. این سلول‌ها شروع به تمایز می‌کنند، که به آن‌ها امکان می‌دهد بتوانند به سلول‌هایی با عملکرد اختصاصی تبدیل شوند و کار‌های ویژه‌ای را در بدن انجام دهند. سرانجام، یک ارگانیسم کاملاً عملکردی ایجاد شده که می‌تواند به صورت یک ارگانیسم کامل متولد شود.

در موجودات تک سلولی، تقسیم میتوز تولید مثل غیرجنسی به شمار می‌آید. ارگانیسم‌های تک سلولی برای تولید مثل و تقسیم DNA خود از میتوز استفاده می‌کنند. برخی از ارگانیسم‌‌های تک سلولی نیز از نظر جنسی تولید مثل می‌کنند. برای تولید مثل از نظر جنسی، بیشتر ارگانیسم‌ها برای کاهش صحیح DNA و قرار دادن DNA در سلول‌های جداگانه، تحت فرآیند دیگری به نام میوز قرار می‌گیرند. این گامت‌ها سپس می‌توانند با سایر گامت‌ها آمیزش کرده و بارور شوند. این گامت بارور شده شامل دو مجموعه ژنوم است که در بیشتر ارگانیسم‌‌ها برای رشد مناسب ضروری است. بعضی ارگانیسم‌ها فقط یک نسخه واحد از DNA دارند. این‌ موجودات به ترتیب به عنوان ارگانیسم‌‌های دیپلوئید و ‌هاپلوئید شناخته می‌شوند.

ترمیم بافت‌های آسیب دیده

دومین عملکرد مهم میتوز، ترمیم است. وقتی ارگانیسم دچار جراحت می‌شود، در واقع سلول‌های آن آسیب می‌بینند. این آسیب می‌تواند یک آسیب جسمی ‌مانند برش یا آسیب حاصل از منابع محیطی مانند خورشید باشد. در هر صورت، سلول‌های آسیب دیده نیاز به تعویض یا ترمیم دارند. سلول‌های اطراف محل آسیب دیدگی، با تشخیص سلول‌های همسایه خود، مسیر‌های شروع روند میتوز را فعال می‌کنند. سرانجام سلول‌های جدید در این ناحیه شروع به تکثیر می‌کنند و ناحیه آسیب با سلول‌های جدید جایگزین می‌شوند. برخی ارگانیسم‌ها می‌توانند از این طریق، اندام‌های بدن خود را بازسازی کنند. مارمولک‌ها، خرچنگ‌ها و بسیاری از حیوانات دیگر می‌توانند حتی با از دست دادن برخی از اندام‌های بدن خود مانند دم، دست‌ها و پاها به زندگی خود ادامه دهند، زیرا این اندام‌ها از طریق میتوز دوباره قابل تشکیل هستند.

مراحل تقسیم میتوز

اینترفاز (Interphase) مرحله‌ای است که اگرچه از نظر فنی جزئی از میتوز نیست، اما اینترفاز، میتوز را شروع کرده و پایان می‌دهد. در واقع اینترفاز بخشی از چرخه سلولی است که در آن سلول رشد کرده و DNA را تکثیر می‌کند. پس از تولید مجموعه‌ای از DNA یکسان، سلول وارد تقسیم میتوز می‌شود.

فیلم آموزش مبانی علم ژنتیک – جامع و با نکات مهم در فرادرس

کلیک کنید

پروفاز

پروفاز (Prophase) اولین مرحله در تقسیم میتوز است. در طی پروفاز، DNA متراکم می‌شود. در طول مرحله اینترفاز، هنگامی‌ که DNA تکثیر می‌شود، در حالت غیرمتراکم و باز قرار می‌گیرد تا آنزیم‌ها بتوانند کار خود را روی DNA انجام دهند و یک رشته جدید ایجاد کنند.

در طی پروفاز ابزارهای سلول، DNA را در اطراف پروتئین‌‌های خاص به نام هیستون بسته‌بندی می‌کند که این امکان فراهم می‌شود تا DNA درون بسته‌‌هایی بسیار محکم متراکم شود. این بسته‌های محکم DNA اکنون با سهولت قابل جابجایی هستند. در طی پروفاز، سانتریول‌ها ظاهر می‌شوند که در مرکز هر قسمت سلول قرار دارند و میکروتوبول‌‌ها را سازماندهی می‌کنند. سرانجام میکروتوبول‌ها به کروموزوم‌های DNA دست می‌یابند و به آن‌ها متصل می‌شوند.

در گیا‌هان، مرحله پروفاز همراه با یک مرحله بازآرایی انجام می‌شود که طی آن سلول هسته خود را در وسط قرار می‌دهد. در بیشتر سلول‌های حیوانی، هسته بیشتر اوقات در مرکز سلول قرار دارد. در گیا‌هان، واکوئل‌های بزرگ و حاوی آب در سلول ‌وجود دارند که باعث می‌شوند به یک طرف سلول فشار وارد شود. این مرحله قبل از پروفاز به گیاهان اجازه می‌دهد تا اندامک‌های خود را برای تقسیم‌بندی سازماندهی کنند.

پرومتافاز

در طی تقسیم سلولی، برای اینکه کروموزوم‌‌های دو برابر شده از هم جدا شوند، میکروتوبول‌‌ها باید به کروموزوم‌ها متصل شوند. در پرومتافاز، پاکت هسته‌ای پیرامون هسته سلول‌ها کم کم شکسته شده و از بین می‌رود. این غشا، DNA را از سیتوزول سلول جدا می‌کند. هنگامی ‌که پاکت هسته‌ای به طور کامل تجزیه می‌شود، میکروتوبول‌ها فرصت پیدا می‌کنند تا از ناحیه سانترومرها به کروموزوم‌ها متصل شوند. هر کروموزوم دارای منطقه ویژه‌ای است که به نام «سانترومر» (Centromeres) شناخته می‌شود و هر سانترومر دارای یک بخش پروتئینی به نام «کینه توکور» (kinetochore) است. میکروتوبول‌ها قادر به اتصال به کمپلکس کینه توکور هستند، در این حالت سلول این امکان را پیدا می‌کند که کروموزوم‌ها را به طرفین سلول منتقل کند. میکروتوبول‌‌ها از هر قطب سلول در طی «پرومتافاز» (Prometaphase) به هر کروموزوم متصل می‌شوند.

متافاز

در طی «متافاز» (Metaphase)، میکروتوبول‌ها شروع به کشیدن کروموزوم‌‌ها می‌کنند. هر طرف با نیروی برابر می‌کشد و کروموزوم‌ها در وسط سلول قرار می‌گیرند. به این منطقه صفحه متافاز گفته می‌شود. سلول‌هایی که در صفحه متافاز قرار گرفته‌اند، دو نسخه کامل از DNA را نشان می‌دهند. هر كروموزوم در كنار كروماتید خواهری خود یا رشته DNA كلون شده قرار دارد. به این ترتیب، وقتی میکروتوبول‌ها کروموزوم‌ها را از هم جدا می‌کنند، هر سلول یک ژنوم عملکردی کامل را بدست می‌آورد. در زیر تصویری از یک سلول در مرحله متافاز آمده است.

آنافاز

کروماتید‌های خواهری، کلون‌های یکسان از بخش‌های مختلف یک DNA هستند که از طریق  سانترومر‌های خود به هم وصل می‌شوند. در طی مرحله «آنافاز» (Anaphase) میتوز، پروتئین‌هایی که این کروماتید‌ها را به هم وصل می‌کنند از بین می‌روند. در این حالت هر کدام از کروماتیدهای خواهری به عنوان یک کروموزوم شناخته می‌شوند که می‌توانند به وسیله میکروتوبول‌ها به دو قطب سلول حرکت کنند. در تصویر بالا دو کروموزوم سفید و دو کروموزوم خاکستری وجود دارند. در طی آنافاز پروتئین‌های بین دو کروماتید خواهری در هر کروموزوم تجزیه می‌شوند. پس از جدا شدن کروماتید‌ها، در سلول فوق 8 کروموزوم منفرد ایجاد می‌شوند. در مرحله بعد، این کروموزوم‌ها از هم جدا می‌شوند تا در هر سلول 4 کروموزوم قرار گیرد، این تعداد کروموزوم مطابق با تعداد کروموزوم سلول اولیه قبل از تقسیم است.

تلوفاز

مرحله نهایی میتوز، «تلوفاز» (Telophase) نام دارد. تلوفاز هنگامی ‌اتفاق می‌افتد که کروموزوم‌‌ها به سمت هر سانتریول کشیده می‌شوند و یک شکاف یا برش در سلول ایجاد می‌شود. در نهایت در اطراف کروموزوم‌ها یک پاکت هسته‌ای شکل می‌گیرد و هسته‌های سلول‌های جدید تشکیل می‌شوند. در مرحله تلوفاز سانتریول‌ها بعد از انجام وظیفه خود در انتقال کروموزوم‌ها در سیتوپلاسم تجزیه می‌شوند و هر سلول عملکرد طبیعی خود را از سر می‌گیرد.

سیتوکینز

سیتوکینز (Cytokinesis) فرایند نهایی در تقسیم سلولی یوکاریوتی است که موجب تقسیم سیتوپلاسم، اندامک‌ها و غشای سلولی می‌شود. سیتوکینز به طور معمول در انتهای تقسیم میتوز و بعد از مرحله تلوفاز اتفاق می‌افتد. در بیشتر جانوران، گاهی ممکن است سیتوکینز در اواخر مرحله آنافاز یا اوایل تلوفاز تقسیم میتوز شروع شود، این زمانی است که کروموزوم‌ها به صورت کامل از هم جدا شده‌اند. حرکات سیتوکینز در سلول به وسیله شبکه دوک تقسیم یکسانی که مسئول جدا کردن سلول‌ها از یکدیگر است، انجام می‌شود. بخشی از دوک تقسیم که مسئول جدا کردن کروموزوم‌ها در انتها تقسیم سلولی است برای ساخت دو سلول جدید به کار گرفته می‌شود.

زمانی که سلول‌ها می‌توانند به طور مساوی تقسیم شوند، در واقع مرحله سیتوکینز به صورت متقارن انجام شده است. در برخی مواقع، یکی از سلول‌ها می‌توانند مقدار بیشتری از سیتوپلاسم را حفظ کنند. به عنوان مثال، در طول میوز در سلول‌های جنسی مردان، هر 4 سلول در انتهای میوز دارای اندازه یکسان و تعداد برابری از اندامک های سلولی هستند. این فرایند که «اسپرماتوژنز» (Spermatogenesis) نام دارد، میلیون‌ها اسپرم کوچک اما عمدتاً با اندازه‌های مساوی تولید می‌کند، این در حالی است که در سلول‌های جنسی زنان در طی فرایند اووژنز (Oogenesis) از طریق سیتوکینز نامتقارن تقسیم صورت می‌گیرد. در این حالت یک سلول بسیار بزرگ و 3 سلول کوچک تولید می‌شوند که به این سلول‌های کوچک اجسام قطبی می‌گویند. اجسام قطبی عملکرد سلول تخمک را ندارند. در این روش تخمک‌ها یا سلول‌های جنسی کمتری تولید می‌شوند اما سلول‌های عملکردی تولید شده بسیار بزرگ هستند و تقریبا اکثر ذخایر سیتوپلاسمی سلول اولیه را در بر دارد. بعضی از سلول‌ها، در انسان و گونه‌های دیگر، پس از میتوز تحت سیتوکینز قرار نمی‌گیرند و به این ترتیب، سلول‌های بزرگ چند هسته‌ای تشکیل می‌دهند.

در حالت کلی، سیتوکینز یک مرحله از میتوز نیست، بلکه آغاز اینترفاز چرخه سلولی بعدی به شمار می‌آید.

تنظیم چرخه سلولی و سرطان

رویداد‌های مختلف چرخه سلولی کاملاً تنظیم می‌شوند. در صورت بروز خطا‌ها در هر مرحله از چرخه سلولی، سلول می‌تواند جلوی پیشرفت تقسیم سلولی را بگیرد. چنین مکانیسم‌های نظارتی به عنوان نقاط کنترل چرخه سلولی شناخته شده‌اند. سه مرحله بازرسی یا کنترل در مراحل G2 ،G1 و M (مراحل رشد اول، دوم و مرحله تقسیم میتوز) وجود دارند.

فیلم آموزش زیست شناسی سلولی Cell Biology در فرادرس

کلیک کنید

DNA آسیب دیده پیشرفت چرخه سلولی را در مرحله G1 متوقف می‌کند و اطمینان می‌دهد که یک سلول با DNA آسیب دیده تولید نخواهد شد. نقطه کنترل G2 به DNA‌ای که به صورت نادرست همانند سازی شده یا آسیب دیده پاسخ می‌دهد و از ورود سلول‌ها به فاز میتوز جلوگیری می‌کند تا زمانی که DNA به طور صحیح تکثیر شود یا تا زمانی که آسیب DNA ترمیم شود. نقطه کنترل فاز میتوز می‌تواند چرخه سلولی را در متافاز متوقف کند. این نقطه کنترل اطمینان حاصل می‌کند که تمام کروماتید‌های خواهری به درستی به دوک میتوزی متصل شده‌اند و کروماتید‌های خواهری به سمت قطب مخالف سلول حرکت می‌کنند.

بعضی اوقات سلول‌های غیرطبیعی نه تنها زنده می‌مانند، بلکه می‌توانند تقسیم سلولی انجام داده و تکثیر شوند. بیشتر اوقات، این سلول‌ها درگیر سرطان هستند. این سلول‌ها ممکن است یک کروموزوم اضافی که دارای انکوژن است را در یک نسخه اضافی از کروموزوم‌های خود داشته باشند و همین امر باعث می‌شود که زمانی که چرخه سلولی باید متوقف شود به جلو پیش رود و متوقف نشود. این اتفاق اولین قدم برای پیشرفت سرطان است. سلول‌های سرطانی قادر به تقسیم سلولی با سرعت بالا و کنترل نشده هستند.

ارتباط بین چرخه سلولی و سرطان منجر به ایجاد گروهی از دارو‌های سرطانی شده است که به طور ویژه سلول‌های سرطانی را در طول میتوز هدف قرار می‌دهند. براساس مطالعات انجام شده که نتایج آن در سال 2012 در مجله (Cell Death & Disease) منتشر شده است، این استراتژی شامل نگه داشتن طولانی مدت سلو‌ل‌ها در مرحله میتوز است که منجر به مرگ سلول میتوزی می‌شود.

به عنوان مثال، سموم میکروتوبول با هدف قرار دادن میکروتوبول‌ها که بخش اصلی دوک تقسیم هستند، میتوز را متوقف می‌کنند. آسیب دیدن این رشته‌‌های نازک، توخالی و پروتئینی میکروسکوپی، در نهایت مانع از جدا شدن کروماتید‌های خواهری می‌شود. نمونه‌‌هایی از سموم میکروتوبول عبارتند از: دارو‌های «پاکلیتاکسل» (Paclitaxel) (تاکسول) و «آلکائیدهای وینکا» (Vinca Alkaloids) که برای درمان طیف وسیعی از سرطان‌ها از جمله برخی از سرطان‌های تخمدان و پستان مورد استفاده قرار می‌گیرند.

با این حال، سموم میکروتوبول با مشکلاتی مواجه هستند که مصرف آن‌ها را محدود می‌کند. بر طبق مطالعه‌ای که در 2018 انجام شد و نتایج آن در مجله (EMBO Reports) منتشر شده است، این دارو‌ها گاهی اوقات می‌توانند برای سلول‌های مغزی سمی ‌باشند و یا سلول‌های سرطانی می‌توانند به دارو مقاوم شوند و با وجود این سموم از بین نمی‌روند.

در تلاش برای یافتن راه حل‌‌های جایگزین، محققان به دنبال ایجاد دارو‌هایی هستند که بتوانند بخش‌های دیگر میتوز را هدف قرار ‌دهند. در سال 2016، سازمان غذا و داروی امریکا (FDA) استفاده از داروی جدید «پالبوسیکلیب» (Palbociclib) را به همراه دارو‌های ضد سرطان موجود برای درمان برخی از سرطان‌های پستان تصویب کرد. براساس مقاله‌ای که در سال 2017 در ژورنال «Nature Review Cancer» منتشر شده است، پالبوسیکلیب با نگه داشتن سلول‌های سرطانی در فاز G1 کار می‌کند.

براساس گزارش‌های موجود در مجلات معتبر، ترکیبات آزمایش شده در کارآزمایی‌های بالینی تاکنون موفقیت‌هایی داشته‌اند اما به اندازه سموم میکروتوبول در حذف سلول‌های سرطانی مؤثر نبوده‌اند. با این وجود، هدف قرار دادن میتوز در درمان سرطان همچنان یک موضوع جذاب برای تحقیق به شمار می‌آید.

اصطلاحات مرتبط با تقسیم سلولی میتوز

• چرخه سلولی (Cell Cycle): در یوکاریوت‌‌ها، چرخه سلولی شامل اینترفاز و میتوز است که برخی از سلول‌‌ها بعد از میتوز ممکن است به حالت سومی (G0) وارد شوند که برای همیشه چرخه سلولی در آن‌ها متوقف می‌شود. این اتفاق در سلول‌های مغزی، میوسیت‌ها و برخی دیگر از سلول‌ها اتفاق می‌افتد.
• سیتوپلاسم (Cytoplasm): مایع اطراف DNA در سلول‌ها پروکاریوتی و مایع اطراف هسته در سلول‌های یوکاریوتی را سیتوپلاسم می‌گویند.
• میکروتوبول‌ها (Microtubules): ساختار‌های کوچک در سیتوپلاسم سلول‌های ساخته شده از پروتئین‌ها که به سلول اجازه می‌دهند اندامک‌ها و کروموزوم‌‌های مختلفی را جابجا کند.
• تقسیم دوتایی یا شکافت دوتایی یاخته (Binary Fission): فرایندی که در طول تولید مثل غیرجنسی صورت می‌گیرد و اغلب در باکتری‌ها اتفاق می‌افتد. در طول تقسیم دوتایی یک ارگانیسم به دو ارگانیسم مستقل تبدیل می‌شود.