MEJOZA - wykład

Część I

Mejoza jest podziałem redukcyjnym (R!). Z jednej komórki diploidalnej (2n) powstają 4 haploidalne (1n).

Składa się z 2 rund:

1. podział redukcyjny

2. podział wyrównawczy (ostateczna redukcja DNA 2c → 1c)

Pomiędzy podziałami mejotycznymi zachodzi interkineza, podczas której nie może zajść dodatkowa replikacja.

Mejoza różni się od mitozy w szczególności dwiema fazami:

• Premejotyczna faza S

• Jest nieco dłuższa, częściowo zachodzi na profazę I

• Zreplikowane w niej zostaje nie całe DNA, a tylko ok. 99.97% (ze względu na zaangażowanie mniejszej liczby replikonów). Wyjątek stanowi Tetrachymena sp.

• Profaza I (profaza I-ego podziału mejotycznego)

• Jest wyjatkowo długa, np. u myszy trwa 12, u lilii - 6 dni

• Ze względu na morfologię i aktywność chromosomów wyróżnia się w niej 5 kolejnych faz: leptoten, zygoten, pachyten, diploten, diakineza

(mnemonik: LeZyPaDiDia albo lepka zygota pod pachą diplodoka w diakinezie!)

1. PROFAZA I

• skracanie się chromosomów

• konfiguracja chromosomów homologicznych

• rekombinacja genetyczna w wyniku crossing-over

• synteza większości lub całej puli RNA, białek, lipidów i węglowodanów niezbędnych do utworzenia gamet i przebiegu wczesnych stadiów rozwoju zarodkowego

1. LEPTOTEN (gr. leptos = delikatny, cienki)

• Początek kondensacji, pojawienie się chromosomów w postaci rozluźnionych nici chromatynowych

• Przyłączanie się telomerów do otoczki jądrowej i układanie się ich parami

1. ZYGOTEN

• Sparowane chromosomy homologiczne tworzą w wyniku koniugacji tzw. biwalenty (2 chromosomy homologiczne, 4 chromatydy). Proces ten warunkuje kompleks synaptemalny, inaczej synaptynemalny lub synaptonemalny (SC)

1. PACHYTEN (gr. pachus = gruby)

• Kondensacja i skrócenie chromosomów homologicznych.

• Rekombinacja materiału genetycznego - crossing-over

1. DIPLOTEN (gr. diplos = podwójny)

• Wyraźne podwojenie chromosomów homologicznych

• Zanikanie kompleksu synaptonemalnego, odpychanie się chromosomów homologicznych

• Ich uwolnienie z połączenia z otoczką jądrową

• Utrzymanie ich zasocjowania w miejscach chiazm (miejsc, w których zaszedł crossing-over)

1. DIAKINEZA

• METAFAZA I

• ANAFAZA I

• TELOFAZA

U myszy pachyten jest dużo dłuższy od pozostałych faz, u lilii podział czasowy jest równomierny.

Wyodrębniają się chromosomy, zaczyna się proces parowania. Chromosomy siostrzane (homologiczne) tworzą trwałą strukturę - biwalenty (tetrady - jeśli bierze się pod uwagę chromatydy). Chromosomy muszą się rozpoznać i odpowiednio ustawić (jest to skomplikowany i zagadkowy proces)

Tworzenie tzw. stadium bukietu:

• Rozpoczyna się w leptotenie, istnieje w zygotenie (telomery ściśle skupione), zanika w pachytenie. /L-Z-P/

• Chromosomy przyczepiają się końcami (telomerami) do otoczki jądrowej i dzięki MT* wędrują (ślizgają się) po niej.

* Jeżeli zdepolimeryzujemy MT, proces ten nie zachodzi.

Prowadzi to do skupienia się chromosomów przyczepionych do otoczki w jednym miejscu i powstania charakterystycznego ich pęczka przypominającego wyglądem bukiet.

• Dzięki temu sekwencje subtelomerowe znajdują się blisko siebie i mogą się łatwo odnaleźć. W ten sposób następuje parowanie się chromosomów homologicznych.

Parowanie chromosomów homologicznych:

• Chromosomy homologiczne zbliżają się na odl. ok. 100 nm. Zbliżanie może następować od strony telomerów, wzdłuż całych chromosomów lub tylko fragmentami (side-by-side).

• Pomiędzy nimi tworzy się struktura białkowa (rdzeń białkowy i poprzeczne białkowe włókna spajające).

Synapsowanie:

• Tworzy się kompleks synaptonemalny (Synaptonemal Complex, SC).

• Synapsa jest bardzo ścisłym połączeniem chromosomów.

• Ma strukturę drabinkową (rys.).

• Wystające z niej pętle DNA mogą mieć różną długość; ich wielkość zależy od: 1) rodzaju komórki, 2) gatunku, 3) miejsca na chromosomie (przy końcach są mniejsze) - sprawdzono to, przenosząc daną sekwencję z jednego miejsca na drugie.

Parowanie i synapsowanie to dwa odrębne procesy! Np. u pewnych mutantów drożdży występuje parowanie bez synapsowania, z kolei ... (drugi przykład?)

U Cenorabditis odkryto jeszcze jeden mechanizm rozpoznawania się chromosomów homologicznych:

HRR (Homology Recognising Region)

• po jednym HRR na każdym chromosomie

• Wysunięto hipotezę, że do tego miejsca dołączana jest jakaś proteina, która przesuwa się wzdłuż chromosomów.

• Być może ten mechanizm działa tylko u Cenorabditis, a przynajmniej nie występuje zawsze.

Procesy rozpoznawania się, parowania i synapsowania chromosomów homologicznych zachodzą w leptotenie i zygotenie; w pachyten wchodzą już całkowicie połączone chromosomy (biwalenty).

Wczesne węzły rekombinacyjne

• pojawiają się w leptotenie i istnieją w zygotenie

• występują wzdłuż SC

• są stosunkowo małe

• nie odpowiadają ściśle miejscom replikacji; może być ich nieco mniej, przemieszczają się po nici (?)

• główne białka: Rad51, Dmc1

Późne węzły rekombinacyjne

• wystepują w pachytenie (choć pojawiają się już w zygotenie), powstają jednocześnie z zanikaniem wczesnych węzłów

• są to duże kompleksy

• ich położenie ściśle odpowiada miejscom rekombinacji

• główne białka: Msh4, Msh5, MLh1

Aby zaszła rekombinacja musi zajść przerwanie ciągłości dwuniciowego DNA.

2-niciowe przerwy w DNA (Double-Strand Break, DSB)

• powstają w leptotenie

• ich tworzenie jest katalizowane przez białko Spo11 połączone kowalencyjnie z ...; na drodze trans-estryfikacji tworzy przerwy (lezje) w DNA; wykazuje powinowactwo (wg innej wersji - homologię???) do białek z grupy 2. topoizomeraz; wyizolowane z drożdży

Następnym etapem jest powiększanie tej przerwy (w kierunku 5'→3') Działa tu białko Rad50 i Mre11.

Powstały wolny koniec „włazi” w nieprzerwane nici sąsiedniej chromatydy i tworzy D-pętlę /Rad51, Rad52, Dmc1/

W zygotenie - minimalna synteza DNA (tzw. zygptenowe DNA). Następuje też reperacja DNA względem podstawowej nici (DNA reperacyjne).

W pachytenie zachodzi konwersja genów i synteza reperującego DNA na matrycy zrekombinowanej. Dlatego mówimy, że faza S w mejozie zachodzi na profazę I.

W pachytenie tworzy się (i rozwiązuje się też w pachytenie) tzw. Holliday Junction (skrzyżowanie). /Zip1, Msh4, Msh5, MLh1 czyli białka zawarte w późnym węźle rekombinacyjnym - odpowiedzialne za rekombinację/

W wyniku przecięcia Holliday Junction przez ligazy powstają heterodupleksy z przemieszanymi odcinkami. (Należy zauważyć, że wychodziliśmy z dwóch homodupleksów homogonalnych, teraz powstały 2 heterodupleksy.)

W diplotenie:

• zanika otoczka jądrowa

• chromosomy nieco się kondensują

• zanika S.C., ale chromosomy nadal połączone w miejscach, gdzie zaszła rekombinacja genetyczna, tzw. chiazmach; chromatydy siostrzane zespolone w centromerze

W zależności od tego, czy jest to oo- czy spermatogeneza, diploten i diakineza przebiegają nieco inaczej:

• Oogeneza

• diploten

• trwa b. długo

• komórka rośnie

• chromosomy dekondensują i są b. aktywne transkrypcyjnie

• diakineza

• przejście do metafazy

• chromosomy rekondensują

• ustaje transkrypcja

• Spermatogeneza

• diploten i diakineza - b. krótkie, trudno wyróżnić

Metafaza

• biwalenty ustawione w powierzchni ekwatorialnej (płytka metafazalna); w przeciwieństwie do mitozy, nie kinetochory, a chiazmy

• 1 miejsce kinetochorowe na 2 chromatydy (potem: 1 chromosom potomny)

Znowu istnieje różnica między oo- i spermatogenezą:

Centriole

• Oogeneza - są lub nie ma (brak np. u myszy, szczura, małpy) - wrzeciono może być acentriolarne

• Spermatogeneza - obecne - wrzeciono zawsze centriolarle

Interkineza = „interfaza” pomiędzy 2 podziałami mejotycznymi

II podział mejotyczny - b. przypomina mitozę. U kręgowców rozpoczyna się dopiero po wniknięciu plemnika, w spermatogenezie nie ma przerwy.

Zmiany liczby chromosomów i zawartości DNA w czasie mejozy:

• przed podziałem - 2n, 2c

• po fazie S - 2n, 4c

• po I podziale mejotycznym - 1n, 2c (oocyt, spermatocyt II rzędu)

• po II podziale mejotycznym - 1n, 1c

Powtórzyć oo- i spermatogenezę (pojęcia: oocyt I, II rzędu, ootyda itp.)!!!

U kręgowców oocyty wstrzymują rozwój w metafazie II podziału mejotycznego.

Mejoza u facetów trwa 24 h.

Pachyten i zygoten - synteza DNA. Dlatego mówi się, że w mejozie faza S zachodzi na prodazę.

	Morfologia chromosomów i tworzenie S.C.	Tworzenie bukietu	Reperacja DSB	Cytokinetyczne oznaki rekombinacji
Leptoten	początek tworzenia elementów SC	początek skupiania się i wędrówki telomerów na otoczce jądrowej	pojawiają się DSB	wczesne węzły rekombinacyjne
Zygoten	Połączenia między chromosomami siostrzanymi (synapsy)	telomery ściśle skupione (stadium bukietu)	Zaawansowana synteza reperacyjna, zanikają DSB	j.w.
Pachyten	całkowicie połączone ze sobą chromatydy siostrzane (pełne synapsowanie)	zanik bukietu	połączenia typu Double Holliday	późne węzły rekombinacyjne
Diploten	rozpad SC, kondensacja chromosomów	-	rekombinacja ukończona	chiazmy
Diakineza	kompakcja chromosomów	-	-	j.w.

Rekombinacja genetyczna:

• niezależna segregacja chromosomów → 2ⁿ kombinacji, np. u człowieka 2²³ = 8.4x10⁶

• crossing-over (w mejotycznej profazie I podziału)

• losowe łączenie się gamet

Część II

Przejście metafazowo-anafazowe, kohezja

Chromosomy muszą być dobrze ustawione - jest to punkt kontrolny wrzeciona mitotycznego.

Mejoza wymaga połączenia chromatyd w centromerze - rozchodzą się tzw. diady.

Centromer

• element budowy chromosomu

• inaczej przewężenie pierwotne

• stanowi miejsce przyłączenia kinetochorów

• jest zbudowany z heterochromatyny

• zawiera sekwencje niekodujące, wysoce repetytywne DNA

• barwi się na inny kolor

Kohezja (połączenie chromatyd siostrzanych) powstaje w fazie S cyklu komórkowego (w czasie replikacji DNA):

kohezja mitotyczna - w premitotycznej fazie S, kohezja mejotyczna - w premejotycznej fazie S.

→ Chromosomal cohesin forms a ring. Gruber Haering & Nasmyth, 2003 (Cell 112: 765-777)

Such a process would be analogous to the entry of a climbing rope into carabiner, which is a ring with a gate.

Rys.1

Główne białka tworzące obrączkę (kohezyny):

• Mitoza:

• Smc (Structural Mainterance of Chromosomes) Smc1 i Smc2

• Scc (Sister Chromatid Cohesin): Scc1 i Scc3

• Mejoza:

• Smc1 i Smc2 - tak samo jak w mitozie

• Rec8 (główna kohezyna mejotyczna) i Rec11 (od Recombination) - zamiast Scc

Rys. 2

Rozdzielenie biwalentów wymaga usunięcia kohezji między siostrzanymi chromatydami. Terminalizacja chemiczna zachodzi od centromeru w kierunku dystalnym.

→ Disjunction of homologous chromosomes in meiosis I depends upon proteolytic cleavage of meiotic cohesin Rec8 by separin. Buonomo, Cyne, Fucus, Uhlmann & Nasmyth, 2000. (Cell 103: 387-398)

Przejście metafazowo-anafazowe wymaga uruchomienia separazy, która początkowo jest blokowana przez sekurynę. Proteoliza sekuryny prowadzi do aktywacji separazy.

Rys 3

Proteolizie ulega taż cyklina B kompleksu MPF (kinaza cdc2 - cyklina B).

W interkinezie zachowuje się stosunkowo wysoki poziom cykliny B i MAPK.

Zmiany zawartości DNA podczas mitozy i mejozy - przypomnienie.

U roślin nie ma wyraźnego punktu kontrolnego wrzeciona. Dlatego możliwe jest zapłodnienie ziarnem pyłku obcego gatunku (po obejściu barier związanych z zapyleniem i zapłodnieniem), a także powstawanie poliploidów. Czasem niewłaściwy pyłek padnie na niewłaściwy słupek - może powstać bezpłodna roślina, chyba, że nastąpi poliploidyzacja... Wtedy zostanie przywrócony stan diploidalności, ale nie powstaną tetrawalenty.

Roślina hybrydowa - nie rozmnaża się, brak chromosomów homologicznych, chromosomy homeologiczne rozchodzą się przypadkowo

Zablokowanie wrzeciona podziałowego (np. alkaloidem kolchicyną) -> poliploidyzacja

5

---