Мейотическое деление и рекомбинация

Мейотическое деление включает два последовательных деления, которые уменьшают число хромосом от диплоидного до гаплоидного, а рекомбинация представляет собой запрограммированный обмен ДНК между гомологичными хромосомами, происходящий в первом делении. Вместе они создают генетически уникальные гаметы, формируя при этом физические связи, которые обеспечивают точное расхождение хромосом.

Definition

Мейотическое деление — это двухстадийное деление (мейоз I, редукционное; мейоз II, эквационное), в результате которого из диплоидной зародышевой клетки образуются гаплоидные гаметы, а мейотическая рекомбинация — это реципрокный обмен генетическим материалом между гомологичными хромосомами, инициируемый запрограммированными двухцепочечными разрывами ДНК.

Scope

Эта тема охватывает стадии мейоза I и II, молекулярное инициирование и разрешение рекомбинации, формирование кроссоверов и хиазм, а также двойную роль рекомбинации в генерации разнообразия и обеспечении точности сегрегации. Это механистический справочник по мейозу и сегрегации хромосом, а не клиническое руководство.

Core questions

• Как организованы два мейотических деления и чем мейоз I отличается от мейоза II?
• Как инициируется и разрешается рекомбинация на молекулярном уровне?
• Как кроссоверы и хиазмы обеспечивают правильную сегрегацию хромосом?

Key concepts

• Мейоз I (редукционное деление) и мейоз II (эквационное деление)
• Подэтапы профазы I (лептотена, зиготена, пахитена, диплотена, диакинез)
• Программированные двухцепочечные разрывы ДНК
• Синаптонемный комплекс и синапсис
• Кроссоверы и хиазмы
• Интерференция кроссоверов и облигатный кроссовер
• Генная конверсия

Mechanisms

Мейотическая рекомбинация начинается в профазе I, когда консервативный белок Spo11 вносит запрограммированные двухцепочечные разрывы ДНК по всему геному (Keeney et al., 1997). Эти разрывы резецируются, и их одноцепочечные концы инвагируют гомологичную хромосому, генерируя рекомбинационные промежуточные продукты, которые направляются либо к кроссоверам — реципрокным обменам, созревающим в хиазмы, — либо к некроссоверным (генная конверсия) исходам. Синапсис вдоль синаптонемного комплекса стабилизирует спаривание гомологов по мере протекания этих событий. Формирование кроссоверов регулируется таким образом, чтобы каждая гомологичная пара получала по крайней мере один хорошо расположенный кроссовер (облигатный кроссовер), и кроссоверы были разнесены (интерференция). В анафазе I хиазмы, наряду с когезией сестринских хроматид, удерживают каждую бивалентную хромосому в натяжении на веретене до тех пор, пока гомологи не разделятся; затем мейоз II разделяет сестринские хроматиды, как при митозе (Hunter, 2015; de Massy, 2013; Handel & Schimenti, 2010).

Clinical relevance

Поскольку правильно расположенный кроссовер механически необходим для сегрегации гомологов, дефекты рекомбинации — слишком мало кроссоверов или кроссоверы, расположенные слишком близко к центромере или теломере, — предрасполагают хромосомы к неправильной сегрегации и анеуплоидии. Эта механистическая связь имеет центральное значение для интерпретации причин хромосомных ошибок; тема описывает биологию и не является основой для индивидуальных клинических решений (Hunter, 2015; Handel & Schimenti, 2010).

History

Обмен гомологичными сегментами был выведен из генетического сцепления в начале двадцатого века, а хиазмы были цитологически признаны его физическим аналогом. Молекулярный механизм был преобразован демонстрацией того, что мейотическая рекомбинация инициируется запрограммированными, катализируемыми Spo11 двухцепочечными разрывами (Keeney et al., 1997), после чего пути, ведущие от разрывов к кроссоверам и к генной конверсии, а также их регуляция, постепенно определялись (de Massy, 2013; Hunter, 2015).

Key figures

• Scott Keeney
• Nancy Kleckner
• Neil Hunter
• Bernard de Massy

Seminal works

• keeney-1997
• hunter-2015
• demassy-2013

Frequently asked questions

Что такое хиазма?

Хиазма — это видимая точка, в которой две гомологичные хромосомы остаются соединенными после кроссовера; она представляет собой реципрокный обмен ДНК и физически связывает гомологи до их разделения в мейозе I.

Почему рекомбинация необходима для правильной сегрегации?

Кроссоверы, наряду с когезией сестринских хроматид, создают натяжение, которое позволяет каждой гомологичной паре правильно прикрепиться к веретену; хромосомная пара, лишенная хорошо расположенного кроссовера, гораздо более склонна к неправильной сегрегации.