Phân bào giảm nhiễm và tái tổ hợp

Phân bào giảm nhiễm bao gồm hai lần phân bào liên tiếp làm giảm số lượng nhiễm sắc thể từ lưỡng bội xuống đơn bội, và tái tổ hợp là quá trình trao đổi DNA được lập trình giữa các nhiễm sắc thể tương đồng diễn ra trong lần phân bào thứ nhất. Cùng với nhau, chúng tạo ra các giao tử có cấu trúc di truyền độc đáo đồng thời xây dựng các kết nối vật lý cho phép nhiễm sắc thể phân ly chính xác.

Definition

Phân bào giảm nhiễm là quá trình phân bào hai giai đoạn (giảm phân I, giảm số lượng; giảm phân II, giữ nguyên số lượng) tạo ra các giao tử đơn bội từ một tế bào mầm lưỡng bội, và tái tổ hợp giảm nhiễm là sự trao đổi vật chất di truyền qua lại giữa các nhiễm sắc thể tương đồng được khởi đầu bằng các đứt gãy sợi đôi DNA được lập trình.

Scope

Chủ đề này bao gồm các giai đoạn của giảm phân I và II, sự khởi đầu và giải quyết tái tổ hợp ở cấp độ phân tử, sự hình thành các điểm bắt chéo và chiasma, và vai trò kép của tái tổ hợp trong việc tạo ra sự đa dạng và đảm bảo tính trung thực của sự phân ly. Đây là một tài liệu tham khảo về cơ chế trong quá trình giảm phân và phân ly nhiễm sắc thể, không phải hướng dẫn lâm sàng.

Core questions

• Hai lần phân bào giảm nhiễm được tổ chức như thế nào, và giảm phân I khác với giảm phân II như thế nào?
• Tái tổ hợp được khởi đầu và giải quyết ở cấp độ phân tử như thế nào?
• Các điểm bắt chéo và chiasma giúp phân ly nhiễm sắc thể chính xác như thế nào?

Key concepts

• Giảm phân I (phân bào giảm số lượng) và giảm phân II (phân bào giữ nguyên số lượng)
• Các giai đoạn phụ của kỳ đầu I (leptotene, zygotene, pachytene, diplotene, diakinesis)
• Đứt gãy sợi đôi DNA được lập trình
• Phức hợp synaptonemal và sự tiếp hợp
• Các điểm bắt chéo và chiasma
• Sự giao thoa điểm bắt chéo và điểm bắt chéo bắt buộc
• Chuyển đổi gen

Mechanisms

Tái tổ hợp giảm nhiễm bắt đầu ở kỳ đầu I khi protein Spo11 được bảo tồn tạo ra các đứt gãy sợi đôi DNA được lập trình trên toàn bộ bộ gen (Keeney et al., 1997). Các đứt gãy này được cắt bỏ và các đầu sợi đơn của chúng xâm nhập vào nhiễm sắc thể tương đồng, tạo ra các chất trung gian tái tổ hợp được định hướng hoặc đến các điểm bắt chéo — các trao đổi qua lại phát triển thành chiasma — hoặc đến các kết quả không bắt chéo (chuyển đổi gen). Sự tiếp hợp dọc theo phức hợp synaptonemal ổn định sự bắt cặp của các nhiễm sắc thể tương đồng trong khi các sự kiện này diễn ra. Sự hình thành điểm bắt chéo được điều hòa sao cho mỗi cặp tương đồng nhận được ít nhất một điểm bắt chéo được định vị tốt (điểm bắt chéo bắt buộc) và các điểm bắt chéo được phân bố cách xa nhau (sự giao thoa). Ở kỳ sau I, các chiasma, cùng với sự gắn kết của các chromatid chị em, giữ mỗi bivalent dưới sức căng trên thoi phân bào cho đến khi các nhiễm sắc thể tương đồng tách ra; giảm phân II sau đó tách các chromatid chị em như trong nguyên phân (Hunter, 2015; de Massy, 2013; Handel & Schimenti, 2010).

Clinical relevance

Vì một điểm bắt chéo được đặt đúng vị trí là cần thiết về mặt cơ học để các nhiễm sắc thể tương đồng phân ly, các khiếm khuyết trong tái tổ hợp — quá ít điểm bắt chéo, hoặc các điểm bắt chéo nằm quá gần tâm động hoặc telomere — làm cho nhiễm sắc thể dễ bị phân ly sai và lệch bội. Mối liên hệ cơ học này là trung tâm để giải thích nguồn gốc của các lỗi nhiễm sắc thể; chủ đề này mô tả sinh học và không phải là cơ sở cho các quyết định lâm sàng cá nhân (Hunter, 2015; Handel & Schimenti, 2010).

History

Sự trao đổi các đoạn tương đồng đã được suy ra từ liên kết di truyền vào đầu thế kỷ XX, và chiasma được nhận dạng về mặt tế bào học là đối tác vật lý của nó. Cơ chế phân tử đã được thay đổi bởi bằng chứng cho thấy tái tổ hợp giảm nhiễm được khởi đầu bởi các đứt gãy sợi đôi được lập trình, được xúc tác bởi Spo11 (Keeney et al., 1997), sau đó các con đường dẫn từ đứt gãy đến các điểm bắt chéo và đến chuyển đổi gen, và sự điều hòa của chúng, đã được xác định dần dần (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

Chiasma là gì?

Chiasma là điểm nhìn thấy được tại đó hai nhiễm sắc thể tương đồng vẫn còn kết nối sau một điểm bắt chéo; nó đại diện cho sự trao đổi DNA qua lại và liên kết vật lý các nhiễm sắc thể tương đồng cho đến khi chúng tách ra trong giảm phân I.

Tại sao tái tổ hợp cần thiết cho sự phân ly chính xác?

Các điểm bắt chéo, cùng với sự gắn kết của các chromatid chị em, tạo ra sức căng cho phép mỗi cặp tương đồng gắn kết đúng cách vào thoi phân bào; một cặp nhiễm sắc thể thiếu một điểm bắt chéo được đặt đúng vị trí có nhiều khả năng bị phân ly sai hơn.