Мейоз и сегрегация хромосом

Мейоз — это специализированное двухэтапное деление клетки, в результате которого из диплоидных зародышевых клеток образуются гаплоидные гаметы, при этом число хромосом уменьшается вдвое, а генетический материал перетасовывается посредством рекомбинации. Эта область охватывает клеточные и молекулярные события, посредством которых гомологичные хромосомы спариваются, рекомбинируют и точно распределяются между дочерними клетками, а также ошибки в этом распределении, которые приводят к анеуплоидии и лежат в основе многих хромосомных заболеваний человека.

Definition

Мейоз — это редукционное деление клетки, при котором за одним раундом репликации ДНК следуют два последовательных деления, так что диплоидная зародышевая клетка дает гаплоидные гаметы, при этом сегрегация хромосом относится к разделению гомологичных хромосом (мейоз I) и сестринских хроматид (мейоз II) к противоположным полюсам.

Scope

Эта область знакомит читателя с биологией деления зародышевых клеток и его точностью: как мейотическая рекомбинация перетасовывает аллели и физически связывает гомологи, как хромосомы сегрегируют в течение двух мейотических делений, почему сегрегация может нарушаться (нерасхождение) и почему такие нарушения резко возрастают с возрастом матери. Она рассматривает эти процессы как фундаментальные механизмы в цитогенетике, а не как темы клинического управления; подробные основы содержатся в дочерних темах.

Sub-topics

• Эффект материнского возраста
• Мейотическое деление и рекомбинация
• Нерасхождение хромосом и происхождение анеуплоидии

Core questions

• Как мейоз уменьшает число хромосом вдвое, сохраняя при этом один полный геном на каждую гамету?
• Как рекомбинация одновременно генерирует генетическое разнообразие и обеспечивает правильную сегрегацию хромосом?
• Почему хромосомы иногда не разделяются, и почему человеческий ооцит особенно подвержен ошибкам с возрастом?

Key concepts

• Редукционное деление (мейоз I) против эквационного деления (мейоз II)
• Гомологичное спаривание и синапсис
• Кроссинговер и хиазмы
• Когезия сестринских хроматид
• Нерасхождение
• Анеуплоидия
• Эффект материнского возраста

Mechanisms

После одного раунда репликации ДНК мейоз проходит через два деления. В мейозе I гомологичные хромосомы спариваются, подвергаются синапсису и обмениваются сегментами путем рекомбинации; образующиеся кроссоверы, цитологически видимые как хиазмы, удерживают каждую гомологичную пару вместе до анафазы, когда гомологи расходятся к противоположным полюсам. В мейозе II, как и при митозе, сестринские хроматиды разделяются. Точная сегрегация зависит как минимум от одного правильно расположенного кроссовера на каждую пару хромосом и от когезии сестринских хроматид, которая противостоит силам натяжения веретена до нужного момента. При отсутствии или неправильном расположении рекомбинации, или при преждевременной потере когезии, хромосома может неправильно сегрегировать, производя гаметы с лишней или отсутствующей хромосомой (Hassold & Hunt, 2001; Handel & Schimenti, 2010; Nagaoka et al., 2012).

Clinical relevance

Ошибки мейотической сегрегации хромосом являются основной известной причиной конституциональной анеуплоидии у человека и составляют значительную долю потерь беременности и хромосомных синдромов у живорожденных. Понимание этих механизмов лежит в основе интерпретации цитогенетических данных и результатов пренатального скрининга; данная статья описывает базовую биологию и не является основанием для индивидуальных диагностических или репродуктивных решений (Nagaoka et al., 2012).

Epidemiology

Ошибки сегрегации хромосом поразительно распространены в репродукции человека: значительная часть клинически распознанных зачатий является анеуплоидной, причем большинство таких ошибок возникает в ооците и увеличивается с возрастом матери (Hassold & Hunt, 2001; Nagaoka et al., 2012).

History

Хромосомная основа наследственности и редукционная природа мейоза были установлены в конце XIX и начале XX веков. Молекулярная эра прояснила, что мейотическая рекомбинация инициируется запрограммированными двухцепочечными разрывами ДНК и что кроссоверы механически необходимы для точной сегрегации; параллельные работы в области генетики человека показали, что подавляющее большинство анеуплоидий связано с материнскими мейотическими ошибками, что сделало эффект материнского возраста центральной нерешенной проблемой (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

Чем мейоз отличается от митоза?

Митоз — это одно деление, в результате которого образуются две генетически идентичные диплоидные клетки; мейоз — это два последовательных деления после одной репликации ДНК, в результате которых образуются четыре гаплоидные клетки, и включающие гомологичное спаривание и рекомбинацию в первом делении.

Почему мейоз включает рекомбинацию?

Рекомбинация перетасовывает аллели для создания генетического разнообразия, а образующиеся кроссоверы физически соединяют гомологичные хромосомы, чтобы они могли правильно выстраиваться и сегрегировать во время мейоза I.