Мейоз та сегрегація хромосом

Мейоз — це спеціалізований двостадійний поділ клітини, який продукує гаплоїдні гамети з диплоїдних статевих клітин, зменшуючи кількість хромосом удвічі та перетасовуючи генетичний матеріал шляхом рекомбінації. Ця галузь охоплює клітинні та молекулярні події, за допомогою яких гомологічні хромосоми спаровуються, рекомбінують і точно розподіляються до дочірніх клітин — а також помилки в цьому розподілі, які призводять до анеуплоїдії та лежать в основі багатьох людських хромосомних захворювань.

Definition

Мейоз — це редукційний поділ клітини, при якому один раунд реплікації ДНК супроводжується двома послідовними поділами, так що диплоїдна статева клітина дає гаплоїдні гамети, причому сегрегація хромосом стосується розподілу гомологічних хромосом (мейоз I) та сестринських хроматид (мейоз II) до протилежних полюсів.

Scope

Ця галузь знайомить читача з біологією поділу статевих клітин та його точністю: як мейотична рекомбінація перетасовує алелі та фізично зв'язує гомологи, як хромосоми сегрегують протягом двох мейотичних поділів, чому сегрегація може бути невдалою (нентрозуміння) і чому такі невдачі різко зростають з віком матері. Вона розглядає це як фундаментальні механізми цитогенетики, а не як теми клінічного менеджменту; детальні основи містяться в її підрозділах.

Sub-topics

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

Core questions

• Як мейоз зменшує кількість хромосом удвічі, зберігаючи один повний геном на гамету?
• Як рекомбінація створює генетичну різноманітність і забезпечує правильну сегрегацію хромосом?
• Чому хромосоми іноді не розділяються, і чому людська яйцеклітина особливо схильна до помилок з віком?

Key concepts

• Редукційний поділ (мейоз I) проти екваційного поділу (мейоз II)
• Гомологічне спаровування та синапсис
• Кросинговер та хіазми
• Зчеплення сестринських хроматид
• Нентрозуміння
• Анеуплоїдія
• Ефект віку матері

Mechanisms

Після одного раунду реплікації ДНК мейоз проходить через два поділи. У мейозі I гомологічні хромосоми спаровуються, проходять синапсис і обмінюються сегментами шляхом рекомбінації; отримані кросинговери, що спостерігаються цитологічно як хіазми, утримують кожну гомологічну пару разом до анафази, коли гомологи розділяються до протилежних полюсів. У мейозі II, як і в мітозі, розділяються сестринські хроматиди. Точна сегрегація залежить щонайменше від одного добре розташованого кросинговеру на пару хромосом та від зчеплення сестринських хроматид, яке протистоїть силам тяги веретена до правильного моменту. Коли рекомбінація відсутня або розташована неправильно, або коли зчеплення втрачається передчасно, хромосома може неправильно сегрегувати, продукуючи гамети з додатковою або відсутньою хромосомою (Hassold & Hunt, 2001; Handel & Schimenti, 2010; Nagaoka et al., 2012).

Clinical relevance

Помилки мейотичної сегрегації хромосом є основною відомою причиною конституційної анеуплоїдії у людей і відповідають за значну частку втрати вагітності та хромосомних синдромів у новонароджених. Розуміння цих механізмів лежить в основі інтерпретації цитогенетичних даних та даних пренатального скринінгу; ця стаття описує базову біологію і не є основою для індивідуальних діагностичних або репродуктивних рішень (Nagaoka et al., 2012).

Epidemiology

Помилки сегрегації хромосом вражаюче поширені в репродукції людини: значна частка клінічно розпізнаних зачаттів є анеуплоїдними, причому більшість таких помилок виникає в яйцеклітині та збільшується у частоті з просуванням віку матері (Hassold & Hunt, 2001; Nagaoka et al., 2012).

History

Хромосомна основа спадковості та редукційна природа мейозу були встановлені наприкінці дев'ятнадцятого та на початку двадцятого століть. Ера молекулярної біології з'ясувала, що мейотична рекомбінація ініціюється запрограмованими дволанцюговими розривами ДНК, а кросинговери механічно необхідні для точної сегрегації; паралельні дослідження генетики людини простежили переважну більшість анеуплоїдій до материнських мейотичних помилок, сформулювавши ефект віку матері як центральну невирішену проблему (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

Чим мейоз відрізняється від мітозу?

Мітоз — це один поділ, що продукує дві генетично ідентичні диплоїдні клітини; мейоз — це два послідовні поділи після одного реплікації ДНК, що продукує чотири гаплоїдні клітини і включає гомологічне спаровування та рекомбінацію в першому поділі.

Чому мейоз включає рекомбінацію?

Рекомбінація перетасовує алелі для створення генетичної різноманітності, а отримані кросинговери фізично з'єднують гомологічні хромосоми, щоб вони могли правильно вирівнятися та сегрегувати під час мейозу I.