Zickler D, Kleckner N: Meiotic chromosomes: integrating structure and function. Annu Rev Genet 1999, 33:603-754. []
Половае воспроизведние базируется на слиянии гаплоидных клеток. Большинство эукариотических организмов размножается с помощью полового воспроизведения так, что геномы двух родителей смешиваются, чтобы воспроизвести потомство, чей генетический состав родственен таковому у сибсов и родителей, но в то же время уникален. Этот процесс зависит от мейоза, специализированных клеточных делений, которые уменьшают размер генома наполовину, при этом возникают геметы – яйцеклетки и спермии у metazoans, напр.
Клетки у sexually-воспроизволядихся организмов обычно диплоидны: т.е., они содержат две слегка отличающиеся копии – называемые гомологами – по одной хромосоме от каждого из родителей. Процесс полового размножения начинается с того, что диплоидные клетки подвергаются мейозу и дают гаплоидные гаметы, несущие только один гомолог каждой хромосомы. Репродуктивный цикл заканчивается, когда гаплоидные клетки от двух родителейц сливаются и образуют диплоидную зиготу с комбинацией гомологичных хромосом от родителей (Рис. 1).
У многоклеточных организмов мейоз происходит только в небоьшой популяции клеток – зародышевой линии – чтобы создать неспособные к пролиферации гаметы. Большинство клеток – это соматические клетки – они диплоидны и репродуцируются с помощью только митотического цикла. У большинства одноклеточных организмов однако все клетки делают альтернативный выбор между митотическим и мейотическим клеточным циклом, в зависимости в большинстве случаев от средовых условий. Диплоидные дрожжи, напр., переключаются с митотического на мейотический цикл, когда источник пищи истощается.
Meiosis involves two rounds of chromosome segregation
Мейотический клеточный цикл (Рис. 2) начинается с раунда удвоения хромосом – пре-мейотической S фазы – который дает плотно связанные пары сестринских хроматид. После чего клетка содержит две копии каждого из родительских гомологов, а всего 4 хроматиды каждого типа хромосомы. Два раунда сеграегации хромосом – мейоз I и II – затем распределяют эти 4 хроматиды по четырём гаплоидным клеткам.
Первое мейотическое деление решает центральную проблему мейоза: расхождение гомологичных хромосом. Этот процесс базируется на том же самом принципе, который управляет расхождением сестринских хроматид в митозе. Во-первых, гомологи д.б. прикреплены др. к др. и, во-вторых, они д.б. расположены на веретене так, что каждый гомолог прикреплён к противоположному полюсу веретена.
Прикрепление гомологов происходит после премейотической S фазы, на стадии, называемой мейотической профазой. Эта стадия начинается со спаривания гомологов, это связано со взаимодействиями между комплементарными последовательносями ДНК у двух гомологов. Спаривание сопровождается синапсом, в результате чего гомологи тесно соединяются по всей своей длине с помощью белковой поддержки (scaffold) называемой синаптонемальным комплексом. Этот комплекс растворяется позднее в профазе. но гомологои остаются связанными в местах рекомбинации ДНК. Такие пары гомологов, каждый состоящий из 4-х хроматид, называются бивалентами.
После мейотической профазы пары гомологов оказываются прикреплёнными к первому мейотическому веретену. Т.к. каждый гомолог содержит по две сестринские хроматиды, то оба кинетохора пары сестринских хроматид д.б. прикреплены к одному и тому же полюсу веретена, тогда как гомологичные сестринские пары д.б. прикреплены к противоположным полюсам. ГОмологи расходятся в анафазе I, a веретено разбирается в телофазе I. Первое мейотичекое деление иногда называется редукционным делением, т.к. в результате образуются клетки, содрежащие только одну копию каждого родительского гомолога (каждый представлен дупликатом) т.е. редуцируются до генетически гаплоидного состояния.
Выход из мейоза I ведет непосредственно ко второму мейотическому делению. Мейоз II напоминает митоз, в котором сестринские пары хроматид располагаются на веретене, так что каждая хроматида оказывается прекрепленной к противоположному полюсу веретена. Расхождение сестринских хроматид в анафазе II распределяет сестринские хроматиды по четырём гаплоидным клеткам. Число гомологов не уменьшается в мейозе II поэтому это деления многда называется экваториальным делением.
Genetic recombination is an important feature of meiosis
Мейоз является важным источником генетической изменчивости у организмов с половым размножением. Во время первого мейотическоого деления случайный ассортимент гомологов распределяется между дочерними клетками (Рис. 1). Т.о., у организмов со многими хромосомами гаплоидные гаметы м. содержать любой один из большого числа возможных комбинаций материнских и отцовских гомологов.
Lh/ большим истоником генетической изменчивости в мейзре является рекомбинация ДНК, которая обусловливает реципрокный обмен сегментами ДНК между спаренными гомологами. Рекомбинация происходит во время спаривания и синапса гомологов в мейотической профзе и ведет к хромосомному кроссинговеру: т.е., нить ДНК из одного хроматидного кроссовера соединяется с комплементарной ДНК одной из копией др. гомолога (Рис. 2). Обычно один из 4-х таких кроссоверов появляется в каждом биваленте человека.
Когда исчезает синаптонемальный комплекс в поздней мейотической профазе, то кроссоверы продолжают удержзивать гомологи вместе в местах т.наз. хиазм (singular chiasma). Хиазмы удерживают гомологи вместе только благодрая тому, что плечи сестринских хроматид дистальнее перекрёста тесно сцеплены с помощью cohesins. Гомологи затем разделяются в анафазе I за счёт удаления cohesins с плеч сестринских хроматид – т.к. cohesion сохраняется в центромерах, то это делает возможной расхождение сестринских хроматид в мейозе II. Как и при митозах подобное сцепление между хромосомами существенно для правильного расхождения в обоих мейотических делениях.
Самцы у большинства видов животных содержат две разные половые хромосомы, X и Y, которые в целом не являются гомологами др. др., но д. расходиться подобно гоомологам в мейозе I. Спаривение X и Y хромосом зависит от небольших областей гомологичных последовательностей ДНК вблизи их концов, где и происходи спаривание, синапс и рекомбинация – гарантирующие аккуратность их расхождюения.
Defects in meiosis lead to aneuploidy
Ошибки в расхождении мейотических хромосом – называемые нерасхождением – м. приводить к аномалиям количества хромосом в гаметах. Наиболее распространённой проблемой является избыток или недостаток одиночной хромосомы (анэуплоидия). Некоторый процент ооцитов и спермиев у людей является анеуплоидным, а частота ошибок увеличивается с возрастом. Анеуплоидные зиготы обычно неспособны выживать и ошибки мейотического расхождения объясняют почти половину спонтанных абортов или невынашиваний, которые часто возникают в первом триместре беременности. В некоторых случаях анеуплоидные гаметы дают жизнеспособные, но частично дефектные эмбрионы. Эмбрионы с тремя копиями хромосомы 21 дают детей с умственной отсталостью и изменённым физическим видом (синдром Дауна).
