Μείωση και Διαμερισμός Χρωμοσωμάτων

Η μείωση είναι η εξειδικευμένη κυτταρική διαίρεση δύο σταδίων που παράγει απλοειδή γαμέτες από διπλοειδή γεννητικά κύτταρα, μειώνοντας τον αριθμό των χρωμοσωμάτων κατά το ήμισυ, ενώ αναδιατάσσει το γενετικό υλικό μέσω ανασυνδυασμού. Αυτός ο τομέας συγκεντρώνει τα κυτταρικά και μοριακά γεγονότα με τα οποία τα ομόλογα χρωμοσώματα ζευγαρώνουν, ανασυνδυάζονται και κατανέμονται με ακρίβεια στα θυγατρικά κύτταρα — και τα σφάλματα σε αυτή την κατανομή που δημιουργούν ανευπλοειδία και αποτελούν τη βάση πολλών ανθρώπινων χρωμοσωμικών ασθενειών.

Definition

Η μείωση είναι μια μειωτική κυτταρική διαίρεση στην οποία ένας γύρος αντιγραφής του DNA ακολουθείται από δύο διαδοχικές διαιρέσεις, έτσι ώστε ένα διπλοειδές γεννητικό κύτταρο να παράγει απλοειδείς γαμέτες, με τον διαμερισμό των χρωμοσωμάτων να αναφέρεται στην κατανομή των ομόλογων χρωμοσωμάτων (μείωση Ι) και των αδελφών χρωματίδων (μείωση ΙΙ) σε αντίθετους πόλους.

Scope

Ο τομέας προσανατολίζει τον αναγνώστη στη βιολογία της διαίρεσης των γεννητικών κυττάρων και στην πιστότητά της: πώς ο μεϊωτικός ανασυνδυασμός αναδιατάσσει αλληλόμορφα και φυσικά συνδέει τα ομόλογα, πώς τα χρωμοσώματα διαμερίζονται στις δύο μεϊωτικές διαιρέσεις, γιατί η διαμερισμός μπορεί να αποτύχει (μη διαχωρισμός) και γιατί τέτοιες αποτυχίες αυξάνονται απότομα με την ηλικία της μητέρας. Τα αντιμετωπίζει αυτά ως θεμελιώδεις μηχανισμούς στην κυτταρογενετική αντί ως θέματα κλινικής διαχείρισης· οι λεπτομερείς ουσιώδεις πληροφορίες βρίσκονται στους υποτομείς της.

Sub-topics

• Maternal Age Effect
• Meiotic Division and Recombination
• Nondisjunction and Aneuploidy Origin

Core questions

• Πώς η μείωση μειώνει τον αριθμό των χρωμοσωμάτων στο ήμισυ, διατηρώντας παράλληλα ένα πλήρες γονιδίωμα ανά γαμέτη;
• Πώς ο ανασυνδυασμός δημιουργεί γενετική ποικιλομορφία και εξασφαλίζει σωστό διαμερισμό των χρωμοσωμάτων;
• Γιατί τα χρωμοσώματα μερικές φορές αποτυγχάνουν να διαχωριστούν, και γιατί το ανθρώπινο ωάριο είναι ιδιαίτερα επιρρεπές σε σφάλματα με την ηλικία;

Key concepts

• Μειωτική διαίρεση (μείωση Ι) έναντι ισομερικής διαίρεσης (μείωση ΙΙ)
• Ομόλογη σύζευξη και συνάψεις
• Διασταύρωση και χιάσματα
• Συνοχή αδελφών χρωματίδων
• Μη διαχωρισμός
• Ανευπλοειδία
• Επίδραση της ηλικίας της μητέρας

Mechanisms

Μετά από έναν μόνο γύρο αντιγραφής του DNA, η μείωση προχωρά μέσω δύο διαιρέσεων. Στη μείωση Ι, τα ομόλογα χρωμοσώματα ζευγαρώνουν, υφίστανται συνάψεις και ανταλλάσσουν τμήματα μέσω ανασυνδυασμού· οι προκύπτουσες διασταυρώσεις, ορατές κυτταρολογικά ως χιάσματα, συγκρατούν κάθε ομόλογο ζεύγος μέχρι την ανάφαση, οπότε τα ομόλογα διαχωρίζονται σε αντίθετους πόλους. Στη μείωση ΙΙ, όπως και στη μίτωση, οι αδελφές χρωματίδες διαχωρίζονται. Ο ακριβής διαμερισμός εξαρτάται από τουλάχιστον μία καλά τοποθετημένη διασταύρωση ανά ζεύγος χρωμοσωμάτων και από τη συνοχή των αδελφών χρωματίδων που αντιστέκεται στις δυνάμεις έλξης της ατράκτου μέχρι τη σωστή στιγμή. Όταν ο ανασυνδυασμός απουσιάζει ή είναι λανθασμένα τοποθετημένος, ή όταν η συνοχή χάνεται πρόωρα, ένα χρωμόσωμα μπορεί να διαμεριστεί λανθασμένα, παράγοντας γαμέτες με ένα επιπλέον ή ελλιπές χρωμόσωμα (Hassold & Hunt, 2001; Handel & Schimenti, 2010; Nagaoka et al., 2012).

Clinical relevance

Τα σφάλματα διαμερισμού των χρωμοσωμάτων κατά τη μείωση είναι η κύρια γνωστή αιτία συνταγματικής ανευπλοειδίας στους ανθρώπους και ευθύνονται για ένα μεγάλο μέρος της απώλειας κύησης και των χρωμοσωμικών συνδρόμων σε νεογέννητα. Η κατανόηση αυτών των μηχανισμών θεμελιώνει την ερμηνεία των κυτταρογενετικών και προγεννητικών ευρημάτων ελέγχου· αυτή η καταχώριση περιγράφει την υποκείμενη βιολογία και δεν αποτελεί βάση για μεμονωμένες διαγνωστικές ή αναπαραγωγικές αποφάσεις (Nagaoka et al., 2012).

Epidemiology

Τα σφάλματα διαμερισμού των χρωμοσωμάτων είναι εντυπωσιακά συχνά στην ανθρώπινη αναπαραγωγή: ένα σημαντικό ποσοστό κλινικά αναγνωρισμένων κυήσεων είναι ανευπλοειδικές, με τα περισσότερα τέτοια σφάλματα να προκύπτουν στο ωάριο και να αυξάνονται σε συχνότητα καθώς προχωρά η ηλικία της μητέρας (Hassold & Hunt, 2001; Nagaoka et al., 2012).

History

Η χρωμοσωμική βάση της κληρονομικότητας και η μειωτική φύση της μείωσης καθιερώθηκαν στα τέλη του δέκατου ένατου και στις αρχές του εικοστού αιώνα. Η μοριακή εποχή διευκρίνισε ότι ο μεϊωτικός ανασυνδυασμός ξεκινά από προγραμματισμένα διπλά θραύσματα DNA και ότι οι διασταυρώσεις είναι μηχανικά απαραίτητες για τον πιστό διαμερισμό· παράλληλη εργασία στην ανθρώπινη γενετική εντόπισε τη συντριπτική πλειοψηφία των ανευπλοειδιών σε μητρικά μεϊωτικά σφάλματα, πλαισιώνοντας την επίδραση της ηλικίας της μητέρας ως ένα κεντρικό άλυτο πρόβλημα (Hassold & Hunt, 2001; Hunter, 2015).

Key figures

• Terry Hassold
• Patricia Hunt
• Neil Hunter
• Mary Ann Handel

Seminal works

• hassold-hunt-2001
• nagaoka-2012
• hunter-2015

Frequently asked questions

Πώς διαφέρει η μείωση από τη μίτωση;

Η μίτωση είναι μία διαίρεση που παράγει δύο γενετικά πανομοιότυπα διπλοειδή κύτταρα· η μείωση είναι δύο διαδοχικές διαιρέσεις μετά από μία μόνο αντιγραφή DNA, παράγοντας τέσσερα απλοειδή κύτταρα και περιλαμβάνοντας ομόλογη σύζευξη και ανασυνδυασμό στην πρώτη διαίρεση.

Γιατί η μείωση περιλαμβάνει ανασυνδυασμό;

Ο ανασυνδυασμός αναδιατάσσει αλληλόμορφα για να δημιουργήσει γενετική ποικιλομορφία, και οι προκύπτουσες διασταυρώσεις συνδέουν φυσικά τα ομόλογα χρωμοσώματα ώστε να μπορούν να ευθυγραμμιστούν και να διαμεριστούν σωστά κατά τη μείωση Ι.