Mejoza i segregacja chromosomów

Mejoza jest wyspecjalizowanym, dwuetapowym podziałem komórkowym, który prowadzi do powstania haploidalnych gamet z diploidalnych komórek macierzystych linii zarodkowej, zmniejszając liczbę chromosomów o połowę i jednocześnie przetasowując materiał genetyczny poprzez rekombinację. Obszar ten obejmuje zdarzenia komórkowe i molekularne, dzięki którym chromosomy homologiczne parują, rekombinują i są precyzyjnie rozdzielane do komórek potomnych — oraz błędy w tym rozdziale, które prowadzą do aneuploidii i leżą u podłoża wielu ludzkich chorób chromosomowych.

Definition

Mejoza jest podziałem redukcyjnym, w którym jedna runda replikacji DNA jest poprzedzona dwoma kolejnymi podziałami, tak że diploidalna komórka linii zarodkowej daje początek haploidalnym gametom, przy czym segregacja chromosomów odnosi się do podziału chromosomów homologicznych (mejoza I) i chromatyd siostrzanych (mejoza II) do przeciwległych biegunów.

Scope

Obszar ten zapoznaje czytelnika z biologią podziału komórek linii zarodkowej i jego wiernością: jak rekombinacja mejotyczna zarówno przetasowuje allele, jak i fizycznie wiąże homologiczne chromosomy, jak chromosomy segregują podczas dwóch podziałów mejotycznych, dlaczego segregacja może zawieść (nondysjunkcja) i dlaczego takie niepowodzenia gwałtownie wzrastają wraz z wiekiem matki. Traktuje te zagadnienia jako mechanizmy podstawowe w cytogenetyce, a nie jako tematy związane z leczeniem klinicznym; szczegółowe zagadnienia znajdują się w podrzędnych tematach.

Sub-topics

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

Core questions

• Jak mejoza zmniejsza liczbę chromosomów o połowę, zachowując jednocześnie jeden kompletny genom na gametę?
• Jak rekombinacja generuje różnorodność genetyczną i zapewnia prawidłową segregację chromosomów?
• Dlaczego chromosomy czasami nie rozdzielają się i dlaczego ludzka oocytka jest szczególnie podatna na błędy wraz z wiekiem?

Key concepts

• Podział redukcyjny (mejoza I) a podział ekwacyjny (mejoza II)
• Parowanie homologiczne i synapsa
• Crossing-over i chiazmy
• Kohezja chromatyd siostrzanych
• Nondysjunkcja
• Aneuploidia
• Efekt wieku matki

Mechanisms

Po jednej rundzie replikacji DNA mejoza przebiega przez dwa podziały. W mejozie I chromosomy homologiczne parują, ulegają synapsie i wymieniają segmenty poprzez rekombinację; powstałe crossing-overy, widoczne cytologicznie jako chiazmy, utrzymują każdą parę homologiczną razem do anafazy, kiedy homologiczne chromosomy rozdzielają się do przeciwległych biegunów. W mejozie II, podobnie jak w mitozie, rozdzielają się chromatydy siostrzane. Prawidłowa segregacja zależy od co najmniej jednego dobrze umiejscowionego crossing-over na parę chromosomów i od kohezji chromatyd siostrzanych, która opiera się siłom pociągającym wrzeciona do właściwego momentu. Gdy rekombinacja jest nieobecna lub źle umiejscowiona, albo gdy kohezja zostanie utracona przedwcześnie, chromosom może ulec błędnej segregacji, produkując gamety z dodatkowym lub brakującym chromosomem (Hassold & Hunt, 2001; Handel & Schimenti, 2010; Nagaoka et al., 2012).

Clinical relevance

Błędy segregacji chromosomów mejotycznych są wiodącą znaną przyczyną konstytucyjnej aneuploidii u ludzi i odpowiadają za dużą część utrat ciąż oraz za zespoły chromosomowe u żywo urodzonych dzieci. Zrozumienie tych mechanizmów stanowi podstawę interpretacji wyników badań cytogenetycznych i przesiewowych prenatalnych; niniejszy wpis opisuje leżącą u ich podstaw biologię i nie stanowi podstawy do indywidualnych decyzji diagnostycznych lub reprodukcyjnych (Nagaoka et al., 2012).

Epidemiology

Błędy segregacji chromosomów są uderzająco powszechne w ludzkiej reprodukcji: znaczna część klinicznie rozpoznanych zapłodnień jest aneuploidalna, przy czym większość tych błędów powstaje w oocycie i wzrasta wraz z wiekiem matki (Hassold & Hunt, 2001; Nagaoka et al., 2012).

History

Podstawy dziedziczenia chromosomowego i redukcyjny charakter mejozy zostały ustalone pod koniec XIX i na początku XX wieku. Era molekularna wyjaśniła, że rekombinacja mejotyczna jest inicjowana przez zaprogramowane pęknięcia dwuniciowego DNA, a crossing-overy są mechanicznie wymagane do wiernej segregacji; równoległe badania genetyki człowieka wykazały, że zdecydowana większość aneuploidii wynika z błędów mejozy matczynej, co czyni efekt wieku matki centralnym nierozwiązanym problemem (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

Czym mejoza różni się od mitozy?

Mitoza to jeden podział prowadzący do powstania dwóch genetycznie identycznych komórek diploidalnych; mejoza to dwa kolejne podziały po pojedynczej replikacji DNA, prowadzące do powstania czterech komórek haploidalnych i obejmujące parowanie homologiczne oraz rekombinację w pierwszym podziale.

Dlaczego mejoza obejmuje rekombinację?

Rekombinacja przetasowuje allele, generując różnorodność genetyczną, a powstałe crossing-overy fizycznie łączą chromosomy homologiczne, aby mogły one prawidłowo się ustawić i rozdzielić podczas mejozy I.