ไมโอซิสและการแยกตัวของโครโมโซม

ไมโอซิสคือการแบ่งเซลล์แบบพิเศษสองขั้นตอนที่สร้างเซลล์สืบพันธุ์แบบแฮพลอยด์จากเซลล์สืบพันธุ์แบบดิพลอยด์ โดยลดจำนวนโครโมโซมลงครึ่งหนึ่งพร้อมกับจัดเรียงสารพันธุกรรมใหม่ผ่านการรวมกลุ่มกัน พื้นที่นี้รวบรวมเหตุการณ์ระดับเซลล์และโมเลกุลที่โครโมโซมคู่เหมือนจับคู่กัน รวมกลุ่มกันใหม่ และถูกแจกจ่ายไปยังเซลล์ลูกอย่างแม่นยำ — และข้อผิดพลาดในการแจกจ่ายนั้นที่ก่อให้เกิดภาวะแอนยูพลอยดีและเป็นสาเหตุหลักของโรคโครโมโซมในมนุษย์จำนวนมาก

Definition

ไมโอซิสคือการแบ่งเซลล์แบบลดจำนวนซึ่งมีการจำลองดีเอ็นเอหนึ่งรอบตามด้วยการแบ่งเซลล์สองครั้งติดต่อกัน เพื่อให้เซลล์สืบพันธุ์แบบดิพลอยด์สร้างเซลล์สืบพันธุ์แบบแฮพลอยด์ โดยการแยกตัวของโครโมโซมหมายถึงการแบ่งโครโมโซมคู่เหมือน (ไมโอซิส I) และซิสเตอร์โครมาทิด (ไมโอซิส II) ไปยังขั้วตรงข้าม

Scope

พื้นที่นี้จะช่วยให้ผู้อ่านเข้าใจชีววิทยาของการแบ่งเซลล์สืบพันธุ์และความแม่นยำของมัน: การรวมกลุ่มกันแบบไมโอซิสจัดเรียงอัลลีลและยึดโฮโมโลกัสเข้าด้วยกันทางกายภาพได้อย่างไร, โครโมโซมแยกตัวกันอย่างไรในการแบ่งเซลล์แบบไมโอซิสทั้งสองครั้ง, เหตุใดการแยกตัวจึงอาจล้มเหลว (การไม่แยกตัว), และเหตุใดความล้มเหลวดังกล่าวจึงเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็วตามอายุของมารดา เนื้อหานี้ถือว่ากลไกเหล่านี้เป็นกลไกพื้นฐานในพันธุศาสตร์เซลล์มากกว่าที่จะเป็นหัวข้อการจัดการทางคลินิก; รายละเอียดที่จำเป็นจะอยู่ในหัวข้อย่อยของมัน

Sub-topics

• ผลกระทบจากอายุของมารดา
• การแบ่งเซลล์แบบไมโอซิสและการเกิดรีคอมบิเนชัน
• การไม่แยกตัวของโครโมโซมและการเกิดภาวะโครโมโซมเกินหรือขาด

Core questions

• ไมโอซิสลดจำนวนโครโมโซมลงครึ่งหนึ่งได้อย่างไรในขณะที่ยังคงรักษาจีโนมที่สมบูรณ์หนึ่งชุดต่อเซลล์สืบพันธุ์?
• การรวมกลุ่มกันสร้างความหลากหลายทางพันธุกรรมและช่วยให้โครโมโซมแยกตัวได้อย่างถูกต้องได้อย่างไร?
• เหตุใดโครโมโซมบางครั้งจึงไม่สามารถแยกตัวออกจากกันได้ และเหตุใดเซลล์ไข่ของมนุษย์จึงมีแนวโน้มที่จะเกิดข้อผิดพลาดเป็นพิเศษเมื่ออายุมากขึ้น?

Key concepts

• การแบ่งเซลล์แบบลดจำนวน (ไมโอซิส I) เทียบกับการแบ่งเซลล์แบบคงจำนวน (ไมโอซิส II)
• การจับคู่และการไซแนปซิสของโครโมโซมคู่เหมือน
• การครอสโอเวอร์และไคแอสมา
• การยึดเกาะของซิสเตอร์โครมาทิด
• การไม่แยกตัว
• ภาวะแอนยูพลอยดี
• ผลกระทบจากอายุของมารดา

Mechanisms

หลังจากการจำลองดีเอ็นเอเพียงรอบเดียว ไมโอซิสจะดำเนินไปสองขั้นตอน ในไมโอซิส I โครโมโซมคู่เหมือนจะจับคู่กัน เกิดการไซแนปซิส และแลกเปลี่ยนส่วนต่างๆ โดยการรวมกลุ่มกัน; การครอสโอเวอร์ที่เกิดขึ้น ซึ่งมองเห็นได้ด้วยกล้องจุลทรรศน์ว่าเป็นไคแอสมา จะยึดแต่ละคู่ของโครโมโซมคู่เหมือนไว้ด้วยกันจนกระทั่งถึงระยะแอนาเฟส เมื่อโครโมโซมคู่เหมือนแยกตัวไปยังขั้วตรงข้าม ในไมโอซิส II เช่นเดียวกับการแบ่งเซลล์แบบไมโทซิส ซิสเตอร์โครมาทิดจะแยกตัวออกจากกัน การแยกตัวที่แม่นยำขึ้นอยู่กับการครอสโอเวอร์ที่ตำแหน่งเหมาะสมอย่างน้อยหนึ่งจุดต่อคู่โครโมโซม และการยึดเกาะของซิสเตอร์โครมาทิดที่ต้านทานแรงดึงของสปินเดิลจนกว่าจะถึงเวลาที่เหมาะสม เมื่อไม่มีการรวมกลุ่มกันหรือมีการรวมกลุ่มกันผิดตำแหน่ง หรือเมื่อการยึดเกาะหลุดออกก่อนเวลาอันควร โครโมโซมอาจแยกตัวผิดพลาด ทำให้เกิดเซลล์สืบพันธุ์ที่มีโครโมโซมเกินหรือขาดไป (Hassold & Hunt, 2001; Handel & Schimenti, 2010; Nagaoka et al., 2012)

Clinical relevance

ข้อผิดพลาดของการแยกตัวของโครโมโซมในไมโอซิสเป็นสาเหตุหลักที่ทราบกันดีของภาวะแอนยูพลอยดีแต่กำเนิดในมนุษย์ และเป็นสาเหตุสำคัญของการแท้งบุตรและการเกิดกลุ่มอาการโครโมโซมในทารกแรกเกิด การทำความเข้าใจกลไกเหล่านี้เป็นพื้นฐานในการตีความผลการตรวจทางเซลล์พันธุศาสตร์และการคัดกรองก่อนคลอด; ข้อมูลนี้อธิบายชีววิทยาพื้นฐานและไม่ใช่พื้นฐานสำหรับการวินิจฉัยส่วนบุคคลหรือการตัดสินใจเกี่ยวกับการสืบพันธุ์ (Nagaoka et al., 2012)

Epidemiology

ข้อผิดพลาดในการแยกตัวของโครโมโซมพบได้บ่อยอย่างน่าทึ่งในการสืบพันธุ์ของมนุษย์: การตั้งครรภ์ที่ได้รับการวินิจฉัยทางคลินิกจำนวนมากมีภาวะแอนยูพลอยดี โดยข้อผิดพลาดส่วนใหญ่เกิดขึ้นในเซลล์ไข่และเพิ่มความถี่ขึ้นเมื่ออายุของมารดาเพิ่มขึ้น (Hassold & Hunt, 2001; Nagaoka et al., 2012)

History

พื้นฐานโครโมโซมของการถ่ายทอดทางพันธุกรรมและลักษณะการลดจำนวนของไมโอซิสได้รับการยืนยันในช่วงปลายศตวรรษที่สิบเก้าและต้นศตวรรษที่ยี่สิบ ยุคโมเลกุลได้ชี้แจงว่าการรวมกลุ่มกันแบบไมโอซิสเริ่มต้นโดยการแตกของสายดีเอ็นเอคู่แบบมีโปรแกรม และการครอสโอเวอร์มีความจำเป็นทางกลไกสำหรับการแยกตัวที่ถูกต้อง; งานวิจัยพันธุศาสตร์มนุษย์คู่ขนานได้ติดตามสาเหตุของภาวะแอนยูพลอยดีส่วนใหญ่ไปยังข้อผิดพลาดของไมโอซิสของมารดา โดยกำหนดให้ผลกระทบจากอายุของมารดาเป็นปัญหาสำคัญที่ยังไม่ได้รับการแก้ไข (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

ไมโอซิสแตกต่างจากไมโทซิสอย่างไร?

ไมโทซิสคือการแบ่งเซลล์หนึ่งครั้งที่สร้างเซลล์ดิพลอยด์ที่เหมือนกันทางพันธุกรรมสองเซลล์; ไมโอซิสคือการแบ่งเซลล์สองครั้งติดต่อกันหลังจากการจำลองดีเอ็นเอเพียงครั้งเดียว ซึ่งสร้างเซลล์แฮพลอยด์สี่เซลล์ และรวมถึงการจับคู่ของโครโมโซมคู่เหมือนและการรวมกลุ่มกันในการแบ่งเซลล์ครั้งแรก

เหตุใดไมโอซิสจึงมีการรวมกลุ่มกัน?

การรวมกลุ่มกันจะจัดเรียงอัลลีลใหม่เพื่อสร้างความหลากหลายทางพันธุกรรม และการครอสโอเวอร์ที่เกิดขึ้นจะเชื่อมต่อโครโมโซมคู่เหมือนเข้าด้วยกันทางกายภาพ เพื่อให้สามารถจัดเรียงและแยกตัวได้อย่างถูกต้องในระหว่างไมโอซิส I