Informatie

Hoeveel van de vier meiotische dochterchromosomen van een homoloog paar kunnen via crossover recombinant zijn?


In afbeeldingen die ik heb gezien, vindt kruising plaats tussen de "binnenste" twee chromatiden in een zij-aan-zij opstelling van twee gedupliceerde chromosomen:

Dit suggereert dat slechts twee van de vier meiotische dochterchromosomen van een homoloog paar recombinant kunnen zijn via kruising. Is dit waar? Of heb je meer complexe patronen, zoals hieronder, waarin alle vier de dochters recombinant zijn? Speelt de X-vormige geometrie van de verdubbelde chromosomen een rol in modellen van crossover-verschijnselen?

ps. Sorry als mijn terminologie vreemd is. Ik ben een beginner! Experts: Bewerkingen om de duidelijkheid te verbeteren welkom!


Er kan en is vaak meer dan één cross-over per chromosoom in meiose, maar hoeveel cross-overs er plaatsvinden, kan afhangen van de soort, het geslacht, de leeftijd, de omgeving en welk specifiek chromosoom erbij betrokken is1,2,3. Mensen vertonen bijvoorbeeld typisch 2-3 cross-overs per chromosoom, maar vrouwen vertonen vaak hogere recombinatiesnelheden dan mannen.

De structuur die u tekende lijkt echter onwaarschijnlijk vanwege een fenomeen dat bekend staat als crossover-interferentie, dat het optreden van dicht bij elkaar liggende crossovers onderdrukt4,5. Zie ook deze historische inleiding uit Nature.

In Drosophila melanogaster, mannen maken geen crossovers6. Daarentegen vertonen vrouwtjes gemiddeld ongeveer 1,2 cross-overs per chromosoom7. Dit betekent dat de meeste tetrads slechts één crossover hebben, maar sommige zullen er meer hebben en deze tweede crossover kan plaatsvinden tussen elk paar chromatiden. Er kunnen dus twee tot vier recombinante chromosomen zijn, maar meestal zijn het er twee.

(Merk op dat deze laatste referentie (7) een overzichtsartikel uit 2018 over dit onderwerp is en een goede plek voor u zou kunnen zijn om meer te leren zodra u de basis van dit onderwerp onder de knie hebt - met name figuur 1 lijkt direct relevant voor uw vraag .)

Referenties:

  1. Alberts B, Johnson A, Lewis J, et al. Moleculaire biologie van de cel. 4e editie. New York: Garland Wetenschap; 2002. Meiose. Verkrijgbaar via: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK26840/
  2. Fledel-Alon, A., Wilson, D.J., Broman, K., Wen, X., Ober, C., Coop, G., & Przeworski, M. (2009). Brede recombinatiepatronen die ten grondslag liggen aan de juiste disjunctie bij mensen. PLoS-genetica, 5 (9).
  3. Wang, Z., Shen, B., Jiang, J., Li, J., & Ma, L. (2016). Effect van geslacht, leeftijd en genetica op crossover-interferentie bij rundvee. Wetenschappelijke rapporten, 6, 37698.
  4. Berchowitz, L.E., & Copenhaver, GP (2010). Genetische interferentie: sta niet zo dicht bij mij. Huidige genomica, 11(2), 91-102.
  5. Otto, S.P., & Payseur, B.A. (2019). Crossover-interferentie: licht werpen op de evolutie van recombinatie. Jaarlijks overzicht van genetica, 53, 19-44.
  6. John, A., Vinayan, K., & Varghese, J. (2016). Achiasmie: mannelijke fruitvliegjes zijn niet klaar om te mengen. Grenzen in cel- en ontwikkelingsbiologie, 4, 75.
  7. Hughes, S.E., Miller, D.E., Miller, A.L., & Hawley, R.S. (2018). Vrouwelijke meiose: synapsis, recombinatie en segregatie in Drosophila melanogaster. Genetica, 208 (3), 875-908.

Seksuele reproductie

Waarom lijk je op je ouders, maar niet identiek? Ten eerste omdat je twee ouders hebt. Ten tweede is het vanwege seksuele voortplanting. Terwijl aseksuele reproductie genetisch identieke klonen produceert, produceert seksuele reproductie genetisch diverse individuen. Seksuele reproductie is de creatie van een nieuw organisme door het genetische materiaal van twee organismen te combineren. Omdat beide ouders de helft van het genetische materiaal van het nieuwe organisme bijdragen, zullen de nakomelingen eigenschappen van beide ouders hebben, maar niet precies op beide ouders lijken.

Figuur (PageIndex<2>): Cross-over vindt plaats tijdens meiose I, en is het proces waarbij homologe chromosomen met elkaar paren en verschillende segmenten van hun genetisch materiaal uitwisselen om recombinante chromosomen te vormen. Bij sommige soorten is kruising essentieel voor de normale segregatie van chromosomen tijdens meiose. Cross-over vergroot ook de genetische variatie, omdat door het verwisselen van genetisch materiaal tijdens het oversteken de chromatiden die door het centromeer bij elkaar worden gehouden, niet langer identiek zijn. Dus wanneer de chromosomen naar meiose II gaan en uit elkaar gaan, ontvangen sommige dochtercellen dochterchromosomen met gerecombineerde allelen. Door deze genetische recombinatie hebben de nakomelingen een andere set allelen en genen dan hun ouders. In het diagram zijn genen B en b met elkaar gekruist, waardoor de resulterende recombinanten na meiose Ab, AB, ab en aB.l.

Organismen die zich seksueel voortplanten door lid te worden gameten, een proces dat bekend staat als bevruchting, moet een mechanisme hebben om te produceren haploïde gameten. Dit mechanisme is meiosis, een type celdeling dat het aantal chromosomen halveert. Tijdens meiose scheiden en scheiden de chromosomenparen willekeurig om gameten te produceren met één chromosoom van elk paar. Meiose omvat twee nucleaire en celdelingen zonder interfase daartussen, beginnend met één diploïde cel en het genereren van vier haploïde cellen. Elke divisie, genaamd meiose I en meiose II, heeft vier fasen: profase, metafase, anafase en telofase. Deze stadia zijn vergelijkbaar met die van mitose, maar er zijn duidelijke en belangrijke verschillen.

Voorafgaand aan meiose wordt het DNA van de cel gerepliceerd, waardoor chromosomen met twee zusterchromatiden worden gegenereerd. Een menselijke cel vóór meiose heeft 46 chromosomen, 22 paar homologe autosomen en 1 paar geslachtschromosomen. Homologe chromosomen (Figuur (PageIndex<2>)), of homologen, zijn vergelijkbaar in grootte, vorm en genetische inhoud, ze bevatten dezelfde genen, hoewel ze verschillende allelen van die genen kunnen hebben. De genen/allelen zijn hetzelfde loci op homologe chromosomen. Je erft één chromosoom van elk paar homologen van je moeder en het andere van je vader. Seksuele reproductie is de primaire reproductiemethode voor de overgrote meerderheid van meercellige organismen, waaronder bijna alle dieren en planten. Bevruchting voegt twee haploïde gameten samen tot a diploïde zygote, de eerste cel van een nieuw organisme. De zygote gaat G1 van de eerste celcyclus binnen en het organisme begint te groeien en zich te ontwikkelen door mitose en celdeling.


Prometafase I

De belangrijkste gebeurtenis in prometafase I is de bevestiging van de microtubuli van de spindelvezels aan de kinetochoor-eiwitten bij de centromeren. Kinetochoor-eiwitten zijn multi-eiwitcomplexen die de centromeren van een chromosoom binden aan de microtubuli van de mitotische spoel. Microtubuli groeien uit centrosomen die aan tegenovergestelde polen van de cel zijn geplaatst. De microtubuli bewegen naar het midden van de cel en hechten zich aan een van de twee gefuseerde homologe chromosomen. De microtubuli hechten aan de 8217 kinetochoren van elk chromosoom. Met elk lid van het homologe paar bevestigd aan tegenovergestelde polen van de cel, in de volgende fase, kunnen de microtubuli het homologe paar uit elkaar trekken. Een spilvezel die aan een kinetochoor is bevestigd, wordt een kinetochoor-microtubule genoemd. Aan het einde van prometafase I is elke tetrad vanaf beide polen aan microtubuli bevestigd, met één homoloog chromosoom tegenover elke pool. De homologe chromosomen worden nog steeds bij elkaar gehouden op chiasmata. Bovendien is het kernmembraan volledig afgebroken.


In telofase komen de gescheiden chromosomen aan op tegenovergestelde polen. De rest van de typische telofase-gebeurtenissen kunnen al dan niet optreden, afhankelijk van de soort. In sommige organismen decondenseren de chromosomen en vormen zich nucleaire enveloppen rond de chromatiden in telofase I. In andere organismen, cytokinese&mdashthe fysieke scheiding van de cytoplasmatische componenten in twee dochtercellen&mdashoccurs zonder hervorming van de kernen. Bij bijna alle diersoorten en sommige schimmels scheidt cytokinese de celinhoud via een splitsingsgroef (vernauwing van de actinering die leidt tot cytoplasmatische deling). In planten wordt een celplaat gevormd tijdens celcytokinese door Golgi-blaasjes die samensmelten op de metafaseplaat. Deze celplaat zal uiteindelijk leiden tot de vorming van celwanden die de twee dochtercellen scheiden.

Twee haploïde cellen zijn het eindresultaat van de eerste meiotische deling. De cellen zijn haploïde omdat er aan elke pool slechts één van elk paar homologe chromosomen is. Daarom is er slechts één volledige set chromosomen aanwezig. Dit is de reden waarom de cellen als haploïde worden beschouwd en er is slechts één chromosoomset, ook al bestaat elke homoloog nog steeds uit twee zusterchromatiden. Bedenk dat zusterchromatiden slechts duplicaten zijn van een van de twee homologe chromosomen (behalve de veranderingen die tijdens het oversteken optraden). In meiose II zullen deze twee zusterchromatiden scheiden, waardoor vier haploïde dochtercellen ontstaan.

Link naar leren

Bekijk het proces van meiose en observeer hoe chromosomen uitlijnen en migreren bij Meiosis: An Interactive Animation.


Celdeling: mitose en meiose

Celdelingscyclus, figuur uit Wikipedia. Cellen die niet meer delen, verlaten de G1-fase van de celcyclus en komen in een zogenaamde G0-toestand terecht.

Cellen reproduceren genetisch identieke kopieën van zichzelf door cycli van celgroei en celdeling. Het celcyclusdiagram aan de linkerkant laat zien dat een celdelingscyclus uit 4 fasen bestaat:

  • G1 is de periode na celdeling en vóór het begin van DNA-replicatie. Cellen groeien en controleren hun omgeving om te bepalen of ze een nieuwe ronde van celdeling moeten initiëren.
  • S is de periode van DNA-synthese, waarin cellen hun chromosomen repliceren.
  • G2 is de periode tussen het einde van de DNA-replicatie en het begin van de celdeling. Cellen controleren of de DNA-replicatie met succes is voltooid en voeren de nodige reparaties uit.
  • M is de werkelijke periode van celdeling, bestaande uit profase, metafase, anafase, telofase en cytokinese.

Chromosomen

Chromosomen werden voor het eerst genoemd door cytologen die delende cellen door een microscoop bekeken. De moderne definitie van een chromosoom omvat nu de functie van erfelijkheid en de chemische samenstelling. Een chromosoom is een DNA-molecuul dat alle of een deel van de erfelijke informatie van een organisme draagt. In eukaryote cellen is het DNA verpakt met eiwitten in de kern en varieert in structuur en uiterlijk in verschillende delen van de celcyclus.
Chromosomen condenseren en worden zichtbaar door lichtmicroscopie wanneer eukaryote cellen mitose of meiose binnengaan. Tijdens de interfase (G1 + S + G2) worden chromosomen geheel of gedeeltelijk gedecondenseerd, in de vorm van chromatine, dat bestaat uit DNA dat rond histoneiwitten (nucleosomen) is gewikkeld.

In G1 is elk chromosoom een ​​enkel chromatide. In G2, na DNA-replicatie in de S-fase, wanneer de cel de mitotische profase binnengaat, bestaat elk chromosoom uit een paar identieke zusterchromatiden, waarbij elke chromatide een lineair DNA-molecuul bevat dat identiek is aan de samengevoegde zuster. De zusterchromatiden zijn verbonden bij hun centromeren, zoals weergegeven in de onderstaande afbeelding. Een paar zusterchromatiden is een enkelvoudig gerepliceerd chromosoom, een enkel pakket erfelijke informatie.

Menselijk karyotype “painted” met behulp van fluorescerende DNA-sondes. Deze mitotische chromosomen bestaan ​​elk uit een paar zusterchromatiden die bij hun centromeren zijn verbonden. De afbeeldingen van de homologe chromosoomparen (bijvoorbeeld 2 exemplaren van chromosoom 1) zijn naast elkaar opgesteld. Afbeelding van Bolzer et al., (2005) Driedimensionale kaarten van alle chromosomen in menselijke mannelijke fibroblastkernen en Prometaphase-rozetten. PLoS Biol 3(5): e157 DOI: 10.1371/journal.pbio.0030157

Ploïdie
Mensen zijn diploïde, wat betekent dat we twee exemplaren van elk chromosoom hebben. We hebben een kopie van elk chromosoom geërfd van een andere moeder en een kopie van elk van onze vader. Gameten (spermacellen of eicellen) zijn haploïde, wat betekent dat ze slechts één complete set chromosomen hebben.
Chromosomen die niet verschillen tussen mannen en vrouwen worden genoemd autosomenen de chromosomen die verschillen tussen mannen en vrouwen zijn de geslachtschromosomen, X en Y voor de meeste zoogdieren. Mensen hebben meestal 22 paar autosomen en 1 paar geslachtschromosomen (XX of XY), voor een totaal van 46 chromosomen. We zeggen dat mensen hebben 2N = 46 chromosomen, waarbij N = 23, of het haploïde aantal chromosomen.
Cellen met complete sets chromosomen heten euploïde cellen met ontbrekende of extra chromosomen worden genoemd aneuploïde. De meest voorkomende aneuploïde aandoening bij mensen is variatie in het aantal geslachtschromosomen: XO (met slechts één kopie van de X), XXX of XYY. Het ontbreken van een X-chromosoom resulteert in vroege embryonale dood.
De twee exemplaren van een bepaald chromosoom, zoals chromosoom 1, heten homoloog. De karyotypeafbeelding hierboven toont de homologe paren voor alle autosomen. Homologe chromosomen zijn niet identiek aan elkaar, in tegenstelling tot zusterchromatiden. Ze hebben vaak verschillende varianten van dezelfde erfelijke informatie, zoals blauwe oogkleur versus bruine oogkleur, of bloedgroep A versus bloedgroep B.
Mitose
Mitose produceert twee dochtercellen die genetisch identiek zijn aan elkaar en aan de oudercel. Een diploïde cel begint met 2N chromosomen en 2X DNA-inhoud. Na DNA-replicatie zijn de cellen nog steeds genetisch diploïde (2N-chromosoomnummer), maar hebben 4x DNA-gehalte omdat elk chromosoom zijn DNA heeft gerepliceerd. Elk chromosoom bestaat nu uit een gekoppeld paar identieke zusterchromatiden. Tijdens de mitose scheiden de zusterchromatiden zich en gaan ze naar de tegenovergestelde uiteinden van de delende cel. Mitose eindigt met 2 identieke cellen, elk met 2N chromosomen en 2X DNA-inhoud. Alle eukaryote cellen repliceren via mitose, behalve kiembaan cellen die meiose ondergaan (zie hieronder) om te produceren gameten (eieren en sperma).

  • prophase – chromosomen condenseren elk chromosoom bestaat uit een paar identieke zusterchromatiden die bij het centromeer zijn verbonden.
  • metafase – chromosomen liggen in het midden van de cel, langs het vlak van celdeling, geduwd en getrokken door microtubuli van het spindelapparaat
  • anafase – zusterchromatiden scheiden en migreren naar tegenovergestelde uiteinden van de cel
  • telophase - '8211 chromatiden clusteren aan tegenovergestelde uiteinden van de cel en beginnen te decondenseren
  • cytokinese – het membraan knijpt naar binnen om de twee dochtercellen te verdelen

Hier is een vereenvoudigd diagram dat het algehele proces en de producten van mitose illustreert:

Bron: Wikimedia Commons (https://commons.wikimedia.org/wiki/File:MajorEventsInMeiosis_variant_int.svg)

Vragen of opmerkingen over bovenstaande figuur (antwoorden onderaan de pagina):

  1. zijn de twee dochtercellen hetzelfde of verschillend van elkaar, en van de oudercel aan het begin?
  2. waarom verandert de cartoonafbeelding van de chromosomen (van een enkele staaf naar samengevoegde dubbele staven) na DNA-replicatie, en opnieuw (terug naar enkele staafjes) tijdens mitose?
  3. toont de figuur 2 verschillende chromosomen of een enkel paar homologe chromosomen?
  4. kunnen haploïde cellen mitose ondergaan? hoe zit het met triploïde cellen (cellen die 3N-chromosomen hebben)?

Deze animatie hieronder toont de verpakking van DNA en condensatie van chromosomen terwijl een cel mitose ondergaat.

De video-vertelling bevat een grote fout op tijd 1:22: chromosomen bestaan ​​gedurende de hele celcyclus (te allen tijde in het leven van een cel) ze zijn zichtbaar in hun gecondenseerde vorm alleen tijdens mitose en meiose.

Meiosis

Dit is een speciale reeks van 2 celdelingen die haploïde gameten produceert uit diploïde kiembaancellen. Het begint met een diploïde cel die chromosomale DNA-replicatie heeft ondergaan: 2N chromosomen, 4X DNA-gehalte. Twee opeenvolgende delingen, zonder extra DNA-replicatie, resulteren in 4 haploïde gameten: 1N chromosomen, 1X DNA-gehalte.
NOVA heeft een goede interactieve zij-aan-zij vergelijking van mitose en meiose op deze pagina: Hoe cellen delen
Meiose vormt het toneel voor Mendeliaanse genetica. Studenten moeten weten dat het grootste deel van de genetische actie plaatsvindt in de eerst meiotische deling:

  • homologe chromosomen paren en richten end-to-end (synapsis) in profase I
  • kruising vindt plaats tussen homologe chromosomen in profase I, voordat chromosomen liggen op één lijn op de metafaseplaat
  • homologe chromosomen scheiden van dochtercellen (zusterchromatiden scheiden niet) in de eerste deling, waardoor haploïde (1N) cellen ontstaan
  • de scheiding van elk paar homologe chromosomen gebeurt onafhankelijk, dus alle mogelijke combinaties van moederlijke en vaderlijke chromosomen zijn mogelijk in de twee dochtercellen – dit is de basis van Mendel's wet van onafhankelijk assortiment
  • de Eerste Divisie is wanneer dochtercellen functioneel of genetisch haploïde worden

Het laatste punt blijkt voor studenten het moeilijkst te begrijpen. Beschouw de X- en Y-chromosomen. Ze paren in profase I en scheiden vervolgens in de eerste divisie. De dochtercellen van de eerste meiotische deling hebben een X of een Y, ze hebben niet beide. Elke cel heeft nu slechts één geslachtschromosoom, zoals een haploïde cel.
Een manier om over ploïdie te denken is het aantal mogelijk allelen voor elk gen dat een cel kan hebben. Direct na meiose I zijn de homologe chromosomen gescheiden in verschillende cellen. Elke homoloog draagt ​​één kopie van het gen en elk gen kan een ander allel zijn, maar deze twee homologen bevinden zich nu in twee verschillende cellen. Hoewel het lijkt alsof er twee van elk chromosoom in elke cel zijn, zijn dit: gedupliceerd chromosomen dwz het is één chromosoom dat is gekopieerd, dus er is maar één mogelijk allel in de cel (slechts twee kopieën ervan).
De tweede meiotische deling is waar zuster (gedupliceerde) chromatiden scheiden. Het lijkt op mitose van een haploïde cel. Aan het begin van de tweede deling bevat elke cel 1N-chromosomen, elk bestaande uit een paar zusterchromatiden die aan het centromeer zijn verbonden.
Hier is een vereenvoudigd diagram dat het algemene proces en de producten van meiose illustreert:

Meiose Overzicht van Wikipedia door Rdbickel

En hier is een video die de stappen van meiose doorloopt:

Het is erg belangrijk dat je herkent hoe en waarom cellen haploïde worden na meiose I.
Om voor jezelf te bevestigen dat je meiose begrijpt, kun je een of meer van deze interactieve tutorials doornemen:

  • De Meiose-tutorial van het U. Arizona Cell Biology Project heeft een doorklikanimatie van meiose, met 10 tot nadenken stemmende probleemvragen.
  • Jung Choi's interactieve flash-tutorial, geprogrammeerd door Pearson, gebruikt menselijk chromosoom 7, met wildtype en cystische fibrose-allelen voor CFTR, om segregatie door meiose te volgen, met en zonder oversteken: Meiotic Segregation-tutorial

Chromosomen, chromatiden, wat is het verschil en hoeveel chromosomen zijn er op verschillende tijdstippen van de celcyclus en na mitose en meiose?

Chromosomen bevatten per definitie het DNA dat het fundamentele genoom van de cel vormt. In een prokaryoot is het genoom meestal verpakt in één circulair chromosoom dat bestaat uit een circulair DNA-molecuul van een paar miljoen basenparen (Mbp). Bij eukaryoten is het genoom verpakt in meerdere lineaire chromosomen, elk bestaande uit een lineair DNA-molecuul van tientallen of honderden Mbp. Chromosomen komen voor in alle verschillende fasen van de celcyclus. Ze condenseren en worden zichtbaar voor lichtmicroscopie in de profase van mitose of meiose, en ze decondenseren tijdens interfase, in de vorm van chromatine (DNA gewikkeld rond nucleosomen, zoals '8220kralen aan een touwtje'8221).
Het aantal chromosomen, N, in eukaryoten, verwijst naar het aantal chromosomen in een haploïde cel of gameet (sperma- of eicel). Diploïde cellen (alle cellen in ons lichaam behalve onze gameten) hebben 2N-chromosomen, omdat een diploïde organisme wordt gecreëerd door de vereniging van 2 gameten die elk 1N-chromosomen bevatten. In termen van chromosoomgetal (ploïdie) is het nuttig om chromosomen te zien als pakketjes genetische informatie. Een paar zusterchromatiden is één chromosoom omdat het genetische informatie (allelen) heeft die van slechts één ouder is geërfd. Een paar homologe chromosomen, elk bestaande uit een enkele chromatide in een dochtercel aan het einde van de mitose, heeft allelen van de vader en van de moeder en telt als 2 chromosomen.
Dit aantal chromosomen blijft hetzelfde na chromosoomreplicatie tijdens de S-fase: elk chromosoom dat de celdeling binnengaat, bestaat nu uit een paar zusterchromatiden die bij het centromeer zijn samengevoegd. In mitose scheiden de zusterchromatiden van elk chromosoom zich, zodat elke dochtercel één chromatide van elk chromosoom ontvangt. Het resultaat van mitose is twee identieke dochtercellen, genetisch identiek aan de oorspronkelijke cel, allemaal met 2N-chromosomen. Dus tijdens een mitotische celcyclus verdubbelt het DNA-gehalte per chromosoom tijdens de S-fase (elk chromosoom begint als één chromatide en wordt dan een paar identieke zusterchromatiden tijdens de S-fase), maar het aantal chromosomen blijft hetzelfde.
Een chromatide is dus een enkel chromosomaal DNA-molecuul. Het aantal chromatiden verandert van 2X in G1 naar 4X in G2 en terug naar 2X, maar het aantal chromosomen blijft hetzelfde.
Het aantal chromosomen wordt verlaagd van 2N naar 1N in de eerste meiotische deling en blijft op 1N in de tweede meiotische deling. Omdat homologe chromosomen zich in de eerste deling scheiden, hebben de dochtercellen niet langer kopieën van elk chromosoom van beide ouders, dus hebben ze haploïde genetische informatie en een 1N-chromosoomnummer. De tweede meiotische deling, waar zusterchromatiden scheiden, is als mitose. Chromosoomnummer blijft hetzelfde wanneer zusterchromatiden scheiden.
Gebruik de bovenstaande informatie om deze twee vereenvoudigde diagrammen van mitose en meiose te vergelijken om te visualiseren waarom cellen na meiose I haploïde zijn. gewoon een enkel paar homologe chromosomen, terwijl het diagram van meiose tracks twee paren homologe chromosomen (een lang chromosoom en een kort chromosoom):

Meiose Overzicht van Wikipedia door Rdbickel

De onderstaande video is gericht op een middelbare schoolpubliek, maar het is wel een handige manier om te herkennen hoeveel chromosomen er in een cel aanwezig zijn (en dus het ploïdieniveau van die cel). Kijk tijdens het kijken of je kunt herkennen waarom de producten van meiose 1 haploïde cellen zijn:


Inhoud

Er zijn twee populaire en overlappende theorieën die de oorsprong van oversteken verklaren, afkomstig van de verschillende theorieën over de oorsprong van meiose. De eerste theorie berust op het idee dat meiose evolueerde als een andere methode voor DNA-herstel, en dus cross-over is een nieuwe manier om mogelijk beschadigde delen van DNA te vervangen. [ citaat nodig ] De tweede theorie komt van het idee dat meiose evolueerde van bacteriële transformatie, met de functie om diversiteit te verspreiden. [6] In 1931 ontdekte Barbara McClintock een triploïde maïsplant. Ze deed belangrijke bevindingen met betrekking tot het karyotype van maïs, inclusief de grootte en vorm van de chromosomen. McClintock gebruikte de profase- en metafasestadia van mitose om de morfologie van de chromosomen van maïs te beschrijven, en toonde later de allereerste cytologische demonstratie van oversteken bij meiose. In samenwerking met student Harriet Creighton heeft McClintock ook een belangrijke bijdrage geleverd aan het vroege begrip van de onderlinge afhankelijkheid van gekoppelde genen.

DNA-reparatietheorie Bewerken

Crossing-over en DNA-reparatie zijn zeer vergelijkbare processen, waarbij veel van dezelfde eiwitcomplexen worden gebruikt. [7] [8] In haar rapport, "The Significance of Responses of the Genome to Challenge", bestudeerde McClintock maïs om te laten zien hoe het genoom van maïs zichzelf zou veranderen om de bedreigingen voor zijn voortbestaan ​​te overwinnen. Ze gebruikte 450 zelfbestuivende planten die van elke ouder een chromosoom kregen met een gescheurd uiteinde. Ze gebruikte aangepaste patronen van genexpressie op verschillende sectoren van bladeren van haar maïsplanten om aan te tonen dat transponeerbare elementen ("controlerende elementen") zich in het genoom verbergen, en hun mobiliteit stelt hen in staat om de werking van genen op verschillende loci te veranderen. Deze elementen kunnen ook het genoom herstructureren, van enkele nucleotiden tot hele chromosoomsegmenten. Recombinasen en primasen leggen een basis van nucleotiden langs de DNA-sequentie. Eén zo'n specifiek eiwitcomplex dat tussen processen geconserveerd is, is RAD51, een goed geconserveerd recombinase-eiwit waarvan is aangetoond dat het cruciaal is bij DNA-herstel en bij cross-over. [9] Verschillende andere genen in D. melanogaster zijn ook gekoppeld aan beide processen, door aan te tonen dat mutanten op deze specifieke loci geen DNA-reparatie of kruising kunnen ondergaan. Dergelijke genen omvatten mei-41, mei-9, hdm, spnA en brca2. [ citaat nodig ] Deze grote groep geconserveerde genen tussen processen ondersteunt de theorie van een nauwe evolutionaire relatie. Verder is gevonden dat DNA-reparatie en cross-over vergelijkbare regio's op chromosomen begunstigen. In een experiment met behulp van stralingshybride mapping op tarwe (Triticum aestivum L.) 3B-chromosoom, oversteken en DNA-herstel bleken voornamelijk in dezelfde regio's voor te komen. [10] Bovendien is het oversteken gecorreleerd als reactie op stressvolle en waarschijnlijke DNA-beschadigende omstandigheden [11] [12]

Links naar bacteriële transformatie

Het proces van bacteriële transformatie vertoont ook veel overeenkomsten met chromosomale cross-over, met name in de vorming van uitsteeksels aan de zijkanten van de gebroken DNA-streng, waardoor een nieuwe streng kan worden uitgegloeid. Bacteriële transformatie zelf is vaak in verband gebracht met DNA-herstel. [ citaat nodig ] De tweede theorie komt van het idee dat meiose evolueerde van bacteriële transformatie, met de functie om genetische diversiteit te verspreiden. [6] . [13] Dit bewijs suggereert dus dat het de vraag is of cross-over verband houdt met DNA-herstel of bacteriële transformatie, aangezien de twee elkaar niet lijken uit te sluiten. Het is waarschijnlijk dat oversteken is voortgekomen uit bacteriële transformatie, die op zijn beurt is ontstaan ​​​​uit DNA-reparatie, waardoor de verbanden tussen alle drie de processen worden verklaard.

Meiotische recombinatie kan worden geïnitieerd door dubbelstrengs breuken die in het DNA worden geïntroduceerd door blootstelling aan DNA-beschadigende middelen, [ citaat nodig ] of het Spo11-eiwit. [14] Een of meer exonucleasen verteren vervolgens de 5'-uiteinden die worden gegenereerd door de dubbelstrengs breuken om 3' enkelstrengs DNA-staarten te produceren (zie diagram). Het meiose-specifieke recombinase Dmc1 en het algemene recombinase Rad51 bekleden het enkelstrengs DNA om nucleoproteïnefilamenten te vormen. [15] De recombinasen katalyseren de invasie van het tegenovergestelde chromatide door het enkelstrengs DNA vanaf het ene uiteinde van de breuk. Vervolgens start het 3'-uiteinde van het binnenvallende DNA de DNA-synthese, waardoor de complementaire streng wordt verplaatst, die vervolgens versmelt met het enkelstrengs DNA dat wordt gegenereerd aan het andere uiteinde van de initiële dubbelstrengs breuk. De structuur die het resultaat is, is a uitwisseling tussen strengen, ook wel bekend als een vakantieknooppunt. Het contact tussen twee chromatiden dat binnenkort een oversteek zal ondergaan, staat bekend als a chiasma. De Holliday-junctie is een tetraëdrische structuur die kan worden 'getrokken' door andere recombinasen, waarbij deze langs de vierstrengige structuur wordt verplaatst.

Moleculaire structuur van een Holliday-knooppunt.

Moleculaire structuur van een Holliday-knooppunt. Van VOB: 3CRX ​.

MSH4 en MSH5 Bewerken

De eiwitten MSH4 en MSH5 vormen een hetero-oligomere structuur (heterodimeer) in gist en mensen. [16] [17] [18] In de gist Saccharomyces cerevisiae MSH4 en MSH5 werken specifiek om cross-overs tussen homologe chromosomen tijdens meiose te vergemakkelijken. [16] Het MSH4/MSH5-complex bindt en stabiliseert dubbele Holliday-juncties en bevordert hun resolutie in crossover-producten. Een MSH4 hypomorfe (gedeeltelijk functionele) mutant van S. cerevisiae toonde een 30% genoombrede reductie in crossover-aantallen en een groot aantal meioses met niet-uitwisselingschromosomen. [19] Desalniettemin gaf deze mutant aanleiding tot levensvatbaarheidspatronen van sporen, wat suggereert dat segregatie van niet-uitwisselingschromosomen efficiënt plaatsvond. dus in S. cerevisiae juiste segregatie is blijkbaar niet volledig afhankelijk van cross-overs tussen homologe paren.

Chiasma Bewerken

De sprinkhaan Melanoplus femur-rubrum werd blootgesteld aan een acute dosis röntgenstralen tijdens elk afzonderlijk stadium van meiose en de chiasmafrequentie werd gemeten. [20] Bestraling tijdens de leptoteen-zygotene stadia van meiose (dat wil zeggen, voorafgaand aan de pachytene-periode waarin crossover-recombinatie plaatsvindt) bleek de daaropvolgende chiasmafrequentie te verhogen. Zo ook in de sprinkhaan Chorthippus brunneus, veroorzaakte blootstelling aan röntgenstraling tijdens de zygotene-vroege pachytene-stadia een significante toename van de gemiddelde celchiasma-frequentie. [21] Chiasma-frequentie werd gescoord in de latere diplotene-diakinese-stadia van meiose. Deze resultaten suggereren dat röntgenstralen DNA-schade induceren die worden gerepareerd door een crossover-route die leidt tot chiasma-vorming.

Bij de meeste eukaryoten draagt ​​een cel twee versies van elk gen, elk aangeduid als een allel. Elke ouder geeft één allel door aan elk nageslacht. Een individuele gameet erft een compleet haploïde complement van allelen op chromosomen die onafhankelijk worden geselecteerd uit elk paar chromatiden dat is opgesteld op de metafaseplaat. Zonder recombinatie zouden alle allelen voor die genen die op hetzelfde chromosoom aan elkaar zijn gekoppeld, samen worden geërfd. Meiotische recombinatie maakt een meer onafhankelijke segregatie mogelijk tussen de twee allelen die de posities van enkele genen innemen, omdat recombinatie de allelinhoud tussen homologe chromosomen schudt.

Recombinatie resulteert in een nieuwe rangschikking van maternale en vaderlijke allelen op hetzelfde chromosoom. Hoewel dezelfde genen in dezelfde volgorde voorkomen, zijn sommige allelen verschillend. Op deze manier is het theoretisch mogelijk om elke combinatie van ouderlijke allelen in een nakomeling te hebben, en het feit dat twee allelen samen voorkomen in één nakomeling heeft geen enkele invloed op de statistische waarschijnlijkheid dat een ander nageslacht dezelfde combinatie zal hebben. Dit principe van "onafhankelijk assortiment" van genen is fundamenteel voor genetische overerving. [22] De frequentie van recombinatie is echter niet voor alle gencombinaties hetzelfde. Dit leidt tot het begrip "genetische afstand", wat een maat is voor de recombinatiefrequentie gemiddeld over een (geschikt groot) monster van stambomen. Losjes gesproken zou je kunnen zeggen dat dit komt omdat recombinatie sterk wordt beïnvloed door de nabijheid van het ene gen tot het andere. Als twee genen dicht bij elkaar op een chromosoom liggen, is de kans dat een recombinatiegebeurtenis deze twee genen van elkaar scheidt kleiner dan wanneer ze verder van elkaar verwijderd zouden zijn. Genetische koppeling beschrijft de neiging van genen om samen te worden geërfd als gevolg van hun locatie op hetzelfde chromosoom. Linkage disequilibrium beschrijft een situatie waarin sommige combinaties van genen of genetische markers meer of minder vaak voorkomen in een populatie dan zou worden verwacht op basis van hun onderlinge afstanden. Dit concept wordt toegepast bij het zoeken naar een gen dat een bepaalde ziekte kan veroorzaken. Dit wordt gedaan door het voorkomen van een bepaalde DNA-sequentie te vergelijken met het optreden van een ziekte. When a high correlation between the two is found, it is likely that the appropriate gene sequence is really closer. [23]

Crossovers typically occur between homologous regions of matching chromosomes, but similarities in sequence and other factors can result in mismatched alignments. Most DNA is composed of base pair sequences repeated very large numbers of times. [24] These repetitious segments, often referred to as satellites, are fairly homogenous among a species. [24] During DNA replication, each strand of DNA is used as a template for the creation of new strands using a partially-conserved mechanism proper functioning of this process results in two identical, paired chromosomes, often called sisters. Sister chromatid crossover events are known to occur at a rate of several crossover events per cell per division in eukaryotes. [24] Most of these events involve an exchange of equal amounts of genetic information, but unequal exchanges may occur due to sequence mismatch. These are referred to by a variety of names, including non-homologous crossover, unequal crossover, and unbalanced recombination, and result in an insertion or deletion of genetic information into the chromosome. While rare compared to homologous crossover events, these mutations are drastic, affecting many loci at the same time. They are considered the main driver behind the generation of gene duplications and are a general source of mutation within the genome. [25]

The specific causes of non-homologous crossover events are unknown, but several influential factors are known to increase the likelihood of an unequal crossover. One common vector leading to unbalanced recombination is the repair of double-strand breaks (DSBs). [26] DSBs are often repaired using homology directed repair, a process which involves invasion of a template strand by the DSB strand (see figure below). Nearby homologous regions of the template strand are often used for repair, which can give rise to either insertions or deletions in the genome if a non-homologous but complementary part of the template strand is used. [26] Sequence similarity is a major player in crossover – crossover events are more likely to occur in long regions of close identity on a gene. [27] This means that any section of the genome with long sections of repetitive DNA is prone to crossover events.

The presence of transposable elements is another influential element of non-homologous crossover. Repetitive regions of code characterize transposable elements complementary but non-homologous regions are ubiquitous within transposons. Because chromosomal regions composed of transposons have large quantities of identical, repetitious code in a condensed space, it is thought that transposon regions undergoing a crossover event are more prone to erroneous complementary match-up [28] that is to say, a section of a chromosome containing a lot of identical sequences, should it undergo a crossover event, is less certain to match up with a perfectly homologous section of complementary code and more prone to binding with a section of code on a slightly different part of the chromosome. This results in unbalanced recombination, as genetic information may be either inserted or deleted into the new chromosome, depending on where the recombination occurred.

While the motivating factors behind unequal recombination remain obscure, elements of the physical mechanism have been elucidated. Mismatch repair (MMR) proteins, for instance, are a well-known regulatory family of proteins, responsible for regulating mismatched sequences of DNA during replication and escape regulation. [29] The operative goal of MMRs is the restoration of the parental genotype. One class of MMR in particular, MutSβ, is known to initiate the correction of insertion-deletion mismatches of up to 16 nucleotides. [29] Little is known about the excision process in eukaryotes, but E coli excisions involve the cleaving of a nick on either the 5’ or 3’ strand, after which DNA helicase and DNA polymerase III bind and generate single-stranded proteins, which are digested by exonucleases and attached to the strand by ligase. [29] Multiple MMR pathways have been implicated in the maintenance of complex organism genome stability, and any of many possible malfunctions in the MMR pathway result in DNA editing and correction errors. [30] Therefore, while it is not certain precisely what mechanisms lead to errors of non-homologous crossover, it is extremely likely that the MMR pathway is involved.


Prophase I

Early in prophase I, before the chromosomes can be seen clearly microscopically, the homologous chromosomes are attached at their tips to the nuclear envelope by proteins. As the nuclear envelope begins to break down, the proteins associated with homologous chromosomes bring the pair close to each other. (Recall that, in mitosis, homologous chromosomes do not pair together. In mitosis, homologous chromosomes line up end-to-end so that when they divide, each daughter cell receives a sister chromatid from both members of the homologous pair.) The tight pairing of the homologous chromosomes is called synapsis. In synapsis, the genes on the chromatids of the homologous chromosomes are aligned precisely with each other through a lattice of proteins called the synaptonemal complex (Figure 1). The precise alignment supports the exchange of chromosomal segments between non-sister homologous chromatids, a process called crossing over.

Figure 1. Early in prophase I, homologous chromosomes come together to form a synapse. The chromosomes are bound tightly together and in perfect alignment by a protein lattice called a synaptonemal complex and by cohesin proteins at the centromere.

In species such as humans, even though the X and Y sex chromosomes are not homologous (most of their genes differ), they have a small region of homology that allows the X and Y chromosomes to pair up during prophase I.

During process of crossover—or genetic recombination—between the non-sister chromatids. The double-stranded DNA is cleaved, the cut ends are modified, and a new connection is made between the non-sister chromatids. As prophase I progresses, the synaptonemal complex begins to break down and the chromosomes begin to condense. When the synaptonemal complex is gone, the homologous chromosomes remain attached to each other at the centromere. Following crossover, the synaptonemal complex breaks down and the cohesin connection between homologous pairs is also removed. At the end of prophase I, the homologous pairs and are called tetrads because the four sister chromatids of each pair of homologous chromosomes are now visible (Figure 2).

Figure 2. Crossover occurs between non-sister chromatids of homologous chromosomes. The result is an exchange of genetic material between homologous chromosomes.

The crossover events are the first source of genetic variation in the nuclei produced by meiosis. A single crossover event between homologous non-sister chromatids leads to a reciprocal exchange of equivalent DNA between a maternal chromosome and a paternal chromosome. Now, when that sister chromatid is moved into a gamete cell it will carry some DNA from one parent of the individual and some DNA from the other parent. The sister recombinant chromatid has a combination of maternal and paternal genes that did not exist before the crossover. Multiple crossovers in an arm of the chromosome have the same effect, exchanging segments of DNA to create recombinant chromosomes.


Inhoud

Although the process of meiosis is related to the more general cell division process of mitosis, it differs in two important respects:

usually occurs between identical sister chromatids and does not result in genetic changes

Meiosis begins with a diploid cell, which contains two copies of each chromosome, termed homologs. First, the cell undergoes DNA replication, so each homolog now consists of two identical sister chromatids. Then each set of homologs pair with each other and exchange genetic information by homologous recombination often leading to physical connections (crossovers) between the homologs. In the first meiotic division, the homologs are segregated to separate daughter cells by the spindle apparatus. The cells then proceed to a second division without an intervening round of DNA replication. The sister chromatids are segregated to separate daughter cells to produce a total of four haploid cells. Female animals employ a slight variation on this pattern and produce one large ovum and two small polar bodies. Because of recombination, an individual chromatid can consist of a new combination of maternal and paternal genetic information, resulting in offspring that are genetically distinct from either parent. Furthermore, an individual gamete can include an assortment of maternal, paternal, and recombinant chromatids. This genetic diversity resulting from sexual reproduction contributes to the variation in traits upon which natural selection can act.

Meiosis uses many of the same mechanisms as mitosis, the type of cell division used by eukaryotes to divide one cell into two identical daughter cells. In some plants, fungi, and protists meiosis results in the formation of spores: haploid cells that can divide vegetatively without undergoing fertilization. Some eukaryotes, like bdelloid rotifers, do not have the ability to carry out meiosis and have acquired the ability to reproduce by parthenogenesis.

Meiosis does not occur in archaea or bacteria, which generally reproduce asexually via binary fission. However, a "sexual" process known as horizontal gene transfer involves the transfer of DNA from one bacterium or archaeon to another and recombination of these DNA molecules of different parental origin.

Meiosis was discovered and described for the first time in sea urchin eggs in 1876 by the German biologist Oscar Hertwig. It was described again in 1883, at the level of chromosomes, by the Belgian zoologist Edouard Van Beneden, in Ascaris roundworm eggs. The significance of meiosis for reproduction and inheritance, however, was described only in 1890 by German biologist August Weismann, who noted that two cell divisions were necessary to transform one diploid cell into four haploid cells if the number of chromosomes had to be maintained. In 1911, the American geneticist Thomas Hunt Morgan detected crossovers in meiosis in the fruit fly Drosophila melanogaster, which helped to establish that genetic traits are transmitted on chromosomes.

The term "meiosis" is derived from the Greek word μείωσις , meaning 'lessening'. It was introduced to biology by J.B. Farmer and J.E.S. Moore in 1905, using the idiosyncratic rendering "maiosis":

We propose to apply the terms Maiosis or Maiotic phase to cover the whole series of nuclear changes included in the two divisions that were designated as Heterotype and Homotype by Flemming. [8]

The spelling was changed to "meiosis" by Koernicke (1905) and by Pantel and De Sinety (1906) to follow the usual conventions for transliterating Greek. [9]

Meiosis is divided into meiosis I and meiosis II which are further divided into Karyokinesis I and Cytokinesis I and Karyokinesis II and Cytokinesis II respectively. The preparatory steps that lead up to meiosis are identical in pattern and name to interphase of the mitotic cell cycle. [10] Interphase is divided into three phases:

    : In this very active phase, the cell synthesizes its vast array of proteins, including the enzymes and structural proteins it will need for growth. In G1, each of the chromosomes consists of a single linear molecule of DNA. : The genetic material is replicated each of the cell's chromosomes duplicates to become two identical sister chromatids attached at a centromere. This replication does not change the ploidy of the cell since the centromere number remains the same. The identical sister chromatids have not yet condensed into the densely packaged chromosomes visible with the light microscope. This will take place during prophase I in meiosis. : G2 phase as seen before mitosis is not present in meiosis. Meiotic prophase corresponds most closely to the G2 phase of the mitotic cell cycle.

Interphase is followed by meiosis I and then meiosis II. Meiosis I separates replicated homologous chromosomes, each still made up of two sister chromatids, into two daughter cells, thus reducing the chromosome number by half. During meiosis II, sister chromatids decouple and the resultant daughter chromosomes are segregated into four daughter cells. For diploid organisms, the daughter cells resulting from meiosis are haploid and contain only one copy of each chromosome. In some species, cells enter a resting phase known as interkinesis between meiosis I and meiosis II.

Meiosis I and II are each divided into prophase, metaphase, anaphase, and telophase stages, similar in purpose to their analogous subphases in the mitotic cell cycle. Therefore, meiosis includes the stages of meiosis I (prophase I, metaphase I, anaphase I, telophase I) and meiosis II (prophase II, metaphase II, anaphase II, telophase II).

During meiosis, specific genes are more highly transcribed. [11] [12] In addition to strong meiotic stage-specific expression of mRNA, there are also pervasive translational controls (e.g. selective usage of preformed mRNA), regulating the ultimate meiotic stage-specific protein expression of genes during meiosis. [13] Thus, both transcriptional and translational controls determine the broad restructuring of meiotic cells needed to carry out meiosis.

Meiosis I Edit

Meiosis I segregates homologous chromosomes, which are joined as tetrads (2n, 4c), producing two haploid cells (n chromosomes, 23 in humans) which each contain chromatid pairs (1n, 2c). Because the ploidy is reduced from diploid to haploid, meiosis I is referred to as a reductional division. Meiosis II is an equational division analogous to mitosis, in which the sister chromatids are segregated, creating four haploid daughter cells (1n, 1c). [14]

Prophase I Edit

Prophase I is by far the longest phase of meiosis (lasting 13 out of 14 days in mice [15] ). During prophase I, homologous maternal and paternal chromosomes pair, synapse, and exchange genetic information (by homologous recombination), forming at least one crossover per chromosome. [16] These crossovers become visible as chiasmata (plural singular chiasma). [17] This process facilitates stable pairing between homologous chromosomes and hence enables accurate segregation of the chromosomes at the first meiotic division. The paired and replicated chromosomes are called bivalents (two chromosomes) or tetrads (four chromatids), with one chromosome coming from each parent. Prophase I is divided into a series of substages which are named according to the appearance of chromosomes.

Leptotene Edit

The first stage of prophase I is the leptotene stage, also known as leptonema, from Greek words meaning "thin threads". [18] : 27 In this stage of prophase I, individual chromosomes—each consisting of two replicated sister chromatids—become "individualized" to form visible strands within the nucleus. [18] : 27 [19] : 353 The chromosomes each form a linear array of loops mediated by cohesin, and the lateral elements of the synaptonemal complex assemble forming an "axial element" from which the loops emanate. [20] Recombination is initiated in this stage by the enzyme SPO11 which creates programmed double strand breaks (around 300 per meiosis in mice). [21] This process generates single stranded DNA filaments coated by RAD51 and DMC1 which invade the homologous chromosomes, forming inter-axis bridges, and resulting in the pairing/co-alignment of homologues (to a distance of

Zygotene Edit

Leptotene is followed by the zygotene stage, also known as zygonema, from Greek words meaning "paired threads", [18] : 27 which in some organisms is also called the bouquet stage because of the way the telomeres cluster at one end of the nucleus. [23] In this stage the homologous chromosomes become much more closely (

100 nm) and stably paired (a process called synapsis) mediated by the installation of the transverse and central elements of the synaptonemal complex. [20] Synapsis is thought to occur in a zipper-like fashion starting from a recombination nodule. The paired chromosomes are called bivalent or tetrad chromosomes.

Pachytene Edit

De pachytene stage ( / ˈ p æ k ɪ t iː n / PAK -i-teen), also known as pachynema, from Greek words meaning "thick threads". [18] : 27 is the stage at which all autosomal chromosomes have synapsed. In this stage homologous recombination, including chromosomal crossover (crossing over), is completed through the repair of the double strand breaks formed in leptotene. [20] Most breaks are repaired without forming crossovers resulting in gene conversion. [24] However, a subset of breaks (at least one per chromosome) form crossovers between non-sister (homologous) chromosomes resulting in the exchange of genetic information. [25] Sex chromosomes, however, are not wholly identical, and only exchange information over a small region of homology called the pseudoautosomal region. [26] The exchange of information between the homologous chromatids results in a recombination of information each chromosome has the complete set of information it had before, and there are no gaps formed as a result of the process. Because the chromosomes cannot be distinguished in the synaptonemal complex, the actual act of crossing over is not perceivable through an ordinary light microscope, and chiasmata are not visible until the next stage.

Diplotene Edit

During the diplotene stage, also known as diplonema, from Greek words meaning "two threads", [18] : 30 the synaptonemal complex disassembles and homologous chromosomes separate from one another a little. However, the homologous chromosomes of each bivalent remain tightly bound at chiasmata, the regions where crossing-over occurred. The chiasmata remain on the chromosomes until they are severed at the transition to anaphase I to allow homologous chromosomes to move to opposite poles of the cell.

In human fetal oogenesis, all developing oocytes develop to this stage and are arrested in prophase I before birth. [27] This suspended state is referred to as the dictyotene stage or dictyate. It lasts until meiosis is resumed to prepare the oocyte for ovulation, which happens at puberty or even later.

Diakinesis Edit

Chromosomes condense further during the diakinesis stage, from Greek words meaning "moving through". [18] : 30 This is the first point in meiosis where the four parts of the tetrads are actually visible. Sites of crossing over entangle together, effectively overlapping, making chiasmata clearly visible. Other than this observation, the rest of the stage closely resembles prometaphase of mitosis the nucleoli disappear, the nuclear membrane disintegrates into vesicles, and the meiotic spindle begins to form.

Meiotic spindle formation Edit

Unlike mitotic cells, human and mouse oocytes do not have centrosomes to produce the meiotic spindle. In mice, approximately 80 MicroTubule Organizing Centers (MTOCs) form a sphere in the ooplasm and begin to nucleate microtubules that reach out towards chromosomes, attaching to the chromosomes at the kinetochore. Over time the MTOCs merge until two poles have formed, generating a barrel shaped spindle. [28] In human oocytes spindle microtubule nucleation begins on the chromosomes, forming an aster that eventually expands to surround the chromosomes. [29] Chromosomes then slide along the microtubules towards the equator of the spindle, at which point the chromosome kinetochores form end-on attachments to microtubules. [30]

Metaphase I Edit

Homologous pairs move together along the metaphase plate: As kinetochore microtubules from both spindle poles attach to their respective kinetochores, the paired homologous chromosomes align along an equatorial plane that bisects the spindle, due to continuous counterbalancing forces exerted on the bivalents by the microtubules emanating from the two kinetochores of homologous chromosomes. This attachment is referred to as a bipolar attachment. The physical basis of the independent assortment of chromosomes is the random orientation of each bivalent along the metaphase plate, with respect to the orientation of the other bivalents along the same equatorial line. [17] The protein complex cohesin holds sister chromatids together from the time of their replication until anaphase. In mitosis, the force of kinetochore microtubules pulling in opposite directions creates tension. The cell senses this tension and does not progress with anaphase until all the chromosomes are properly bi-oriented. In meiosis, establishing tension ordinarily requires at least one crossover per chromosome pair in addition to cohesin between sister chromatids (see Chromosome segregation).

Anaphase I Edit

Kinetochore microtubules shorten, pulling homologous chromosomes (which each consist of a pair of sister chromatids) to opposite poles. Nonkinetochore microtubules lengthen, pushing the centrosomes farther apart. The cell elongates in preparation for division down the center. [17] Unlike in mitosis, only the cohesin from the chromosome arms is degraded while the cohesin surrounding the centromere remains protected by a protein named Shugoshin (Japanese for "guardian spirit"), what prevents the sister chromatids from separating. [31] This allows the sister chromatids to remain together while homologs are segregated.

Telophase I Edit

The first meiotic division effectively ends when the chromosomes arrive at the poles. Each daughter cell now has half the number of chromosomes but each chromosome consists of a pair of chromatids. The microtubules that make up the spindle network disappear, and a new nuclear membrane surrounds each haploid set. The chromosomes uncoil back into chromatin. Cytokinesis, the pinching of the cell membrane in animal cells or the formation of the cell wall in plant cells, occurs, completing the creation of two daughter cells. However, cytokinesis does not fully complete resulting in "cytoplasmic bridges" which enable the cytoplasm to be shared between daughter cells until the end of meiosis II. [32] Sister chromatids remain attached during telophase I.

Cells may enter a period of rest known as interkinesis or interphase II. No DNA replication occurs during this stage.

Meiosis II Edit

Meiosis II is the second meiotic division, and usually involves equational segregation, or separation of sister chromatids. Mechanically, the process is similar to mitosis, though its genetic results are fundamentally different. The end result is production of four haploid cells (n chromosomes, 23 in humans) from the two haploid cells (with n chromosomes, each consisting of two sister chromatids) produced in meiosis I. The four main steps of meiosis II are: prophase II, metaphase II, anaphase II, and telophase II.

In prophase II, we see the disappearance of the nucleoli and the nuclear envelope again as well as the shortening and thickening of the chromatids. Centrosomes move to the polar regions and arrange spindle fibers for the second meiotic division.

In metaphase II, the centromeres contain two kinetochores that attach to spindle fibers from the centrosomes at opposite poles. The new equatorial metaphase plate is rotated by 90 degrees when compared to meiosis I, perpendicular to the previous plate. [33]

This is followed by anaphase II, in which the remaining centromeric cohesin, not protected by Shugoshin anymore, is cleaved, allowing the sister chromatids to segregate. The sister chromatids by convention are now called sister chromosomes as they move toward opposing poles. [31]

The process ends with telophase II, which is similar to telophase I, and is marked by decondensation and lengthening of the chromosomes and the disassembly of the spindle. Nuclear envelopes re-form and cleavage or cell plate formation eventually produces a total of four daughter cells, each with a haploid set of chromosomes.

Meiosis is now complete and ends up with four new daughter cells.

De origin and function of meiosis are currently not well understood scientifically, and would provide fundamental insight into the evolution of sexual reproduction in eukaryotes. There is no current consensus among biologists on the questions of how sex in eukaryotes arose in evolution, what basic function sexual reproduction serves, and why it is maintained, given the basic two-fold cost of sex. It is clear that it evolved over 1.2 billion years ago, and that almost all species which are descendants of the original sexually reproducing species are still sexual reproducers, including plants, fungi, and animals.

Meiosis is a key event of the sexual cycle in eukaryotes. It is the stage of the life cycle when a cell gives rise to haploid cells (gametes) each having half as many chromosomes as the parental cell. Two such haploid gametes, ordinarily arising from different individual organisms, fuse by the process of fertilization, thus completing the sexual cycle.

Meiosis is ubiquitous among eukaryotes. It occurs in single-celled organisms such as yeast, as well as in multicellular organisms, such as humans. Eukaryotes arose from prokaryotes more than 2.2 billion years ago [34] and the earliest eukaryotes were likely single-celled organisms. To understand sex in eukaryotes, it is necessary to understand (1) how meiosis arose in single celled eukaryotes, and (2) the function of meiosis.

The new combinations of DNA created during meiosis are a significant source of genetic variation alongside mutation, resulting in new combinations of alleles, which may be beneficial. Meiosis generates gamete genetic diversity in two ways: (1) Law of Independent Assortment. The independent orientation of homologous chromosome pairs along the metaphase plate during metaphase I and orientation of sister chromatids in metaphase II, this is the subsequent separation of homologs and sister chromatids during anaphase I and II, it allows a random and independent distribution of chromosomes to each daughter cell (and ultimately to gametes) [35] and (2) Crossing Over. The physical exchange of homologous chromosomal regions by homologous recombination during prophase I results in new combinations of genetic information within chromosomes. [36]

Prophase I arrest Edit

Female mammals and birds are born possessing all the oocytes needed for future ovulations, and these oocytes are arrested at the prophase I stage of meiosis. [37] In humans, as an example, oocytes are formed between three and four months of gestation within the fetus and are therefore present at birth. During this prophase I arrested stage (dictyate), which may last for decades, four copies of the genome are present in the oocytes. The arrest of ooctyes at the four genome copy stage was proposed to provide the informational redundancy needed to repair damage in the DNA of the germline. [37] The repair process used appears to involve homologous recombinational repair [37] [38] Prophase I arrested oocytes have a high capability for efficient repair of DNA damages, particularly exogenously induced double-strand breaks. [38] DNA repair capability appears to be a key quality control mechanism in the female germ line and a critical determinant of fertility. [38]

In life cycles Edit

Meiosis occurs in eukaryotic life cycles involving sexual reproduction, consisting of the constant cyclical process of meiosis and fertilization. This takes place alongside normal mitotic cell division. In multicellular organisms, there is an intermediary step between the diploid and haploid transition where the organism grows. At certain stages of the life cycle, germ cells produce gametes. Somatic cells make up the body of the organism and are not involved in gamete production.

Cycling meiosis and fertilization events produces a series of transitions back and forth between alternating haploid and diploid states. The organism phase of the life cycle can occur either during the diploid state (diplontic life cycle), during the haploid state (haplontic life cycle), or both (haplodiplontic life cycle, in which there are two distinct organism phases, one during the haploid state and the other during the diploid state). In this sense there are three types of life cycles that utilize sexual reproduction, differentiated by the location of the organism phase(s). [ citaat nodig ]

In de diplontic life cycle (with pre-gametic meiosis), of which humans are a part, the organism is diploid, grown from a diploid cell called the zygote. The organism's diploid germ-line stem cells undergo meiosis to create haploid gametes (the spermatozoa for males and ova for females), which fertilize to form the zygote. The diploid zygote undergoes repeated cellular division by mitosis to grow into the organism.

In de haplontic life cycle (with post-zygotic meiosis), the organism is haploid instead, spawned by the proliferation and differentiation of a single haploid cell called the gamete. Two organisms of opposing sex contribute their haploid gametes to form a diploid zygote. The zygote undergoes meiosis immediately, creating four haploid cells. These cells undergo mitosis to create the organism. Many fungi and many protozoa utilize the haplontic life cycle. [ citaat nodig ]

Finally, in the haplodiplontic life cycle (with sporic or intermediate meiosis), the living organism alternates between haploid and diploid states. Consequently, this cycle is also known as the alternation of generations. The diploid organism's germ-line cells undergo meiosis to produce spores. The spores proliferate by mitosis, growing into a haploid organism. The haploid organism's gamete then combines with another haploid organism's gamete, creating the zygote. The zygote undergoes repeated mitosis and differentiation to become a diploid organism again. The haplodiplontic life cycle can be considered a fusion of the diplontic and haplontic life cycles. [39] [ citaat nodig ]

In plants and animals Edit

Meiosis occurs in all animals and plants. The end result, the production of gametes with half the number of chromosomes as the parent cell, is the same, but the detailed process is different. In animals, meiosis produces gametes directly. In land plants and some algae, there is an alternation of generations such that meiosis in the diploid sporophyte generation produces haploid spores. These spores multiply by mitosis, developing into the haploid gametophyte generation, which then gives rise to gametes directly (i.e. without further meiosis). In both animals and plants, the final stage is for the gametes to fuse, restoring the original number of chromosomes. [40]

In mammals Edit

In females, meiosis occurs in cells known as oocytes (singular: oocyte). Each primary oocyte divides twice in meiosis, unequally in each case. The first division produces a daughter cell, and a much smaller polar body which may or may not undergo a second division. In meiosis II, division of the daughter cell produces a second polar body, and a single haploid cell, which enlarges to become an ovum. Therefore, in females each primary oocyte that undergoes meiosis results in one mature ovum and one or two polar bodies.

Note that there are pauses during meiosis in females. Maturing oocytes are arrested in prophase I of meiosis I and lie dormant within a protective shell of somatic cells called the follicle. At the beginning of each menstrual cycle, FSH secretion from the anterior pituitary stimulates a few follicles to mature in a process known as folliculogenesis. During this process, the maturing oocytes resume meiosis and continue until metaphase II of meiosis II, where they are again arrested just before ovulation. If these oocytes are fertilized by sperm, they will resume and complete meiosis. During folliculogenesis in humans, usually one follicle becomes dominant while the others undergo atresia. The process of meiosis in females occurs during oogenesis, and differs from the typical meiosis in that it features a long period of meiotic arrest known as the dictyate stage and lacks the assistance of centrosomes. [41] [42]

In males, meiosis occurs during spermatogenesis in the seminiferous tubules of the testicles. Meiosis during spermatogenesis is specific to a type of cell called spermatocytes, which will later mature to become spermatozoa. Meiosis of primordial germ cells happens at the time of puberty, much later than in females. Tissues of the male testis suppress meiosis by degrading retinoic acid, proposed to be a stimulator of meiosis. This is overcome at puberty when cells within seminiferous tubules called Sertoli cells start making their own retinoic acid. Sensitivity to retinoic acid is also adjusted by proteins called nanos and DAZL. [43] [44] Genetic loss-of-function studies on retinoic acid-generating enzymes have shown that retinoic acid is required postnatally to stimulate spermatogonia differentiation which results several days later in spermatocytes undergoing meiosis, however retinoic acid is not required during the time when meiosis initiates. [45]

In female mammals, meiosis begins immediately after primordial germ cells migrate to the ovary in the embryo. Some studies suggest that retinoic acid derived from the primitive kidney (mesonephros) stimulates meiosis in embryonic ovarian oogonia and that tissues of the embryonic male testis suppress meiosis by degrading retinoic acid. [46] However, genetic loss-of-function studies on retinoic acid-generating enzymes have shown that retinoic acid is not required for initiation of either female meiosis which occurs during embryogenesis [47] or male meiosis which initiates postnatally. [45]

Flagellates Edit

While the majority of eukaryotes have a two-divisional meiosis (though sometimes achiasmatic), a very rare form, one-divisional meiosis, occurs in some flagellates (parabasalids and oxymonads) from the gut of the wood-feeding cockroach Cryptocercus. [48]

Recombination among the 23 pairs of human chromosomes is responsible for redistributing not just the actual chromosomes, but also pieces of each of them. There is also an estimated 1.6-fold more recombination in females relative to males. In addition, average, female recombination is higher at the centromeres and male recombination is higher at the telomeres. On average, 1 million bp (1 Mb) correspond to 1 cMorgan (cm = 1% recombination frequency). [49] The frequency of cross-overs remain uncertain. In yeast, mouse and human, it has been estimated that ≥200 double-strand breaks (DSBs) are formed per meiotic cell. However, only a subset of DSBs (

5–30% depending on the organism), go on to produce crossovers, [50] which would result in only 1-2 cross-overs per human chromosome.

Nondisjunction Edit

The normal separation of chromosomes in meiosis I or sister chromatids in meiosis II is termed disjunction. When the segregation is not normal, it is called nondisjunction. This results in the production of gametes which have either too many or too few of a particular chromosome, and is a common mechanism for trisomy or monosomy. Nondisjunction can occur in the meiosis I or meiosis II, phases of cellular reproduction, or during mitosis.

Most monosomic and trisomic human embryos are not viable, but some aneuploidies can be tolerated, such as trisomy for the smallest chromosome, chromosome 21. Phenotypes of these aneuploidies range from severe developmental disorders to asymptomatic. Medical conditions include but are not limited to:

    – trisomy of chromosome 21 – trisomy of chromosome 13 – trisomy of chromosome 18 – extra X chromosomes in males – i.e. XXY, XXXY, XXXXY, etc. – lacking of one X chromosome in females – i.e. X0 – an extra X chromosome in females – an extra Y chromosome in males.

The probability of nondisjunction in human oocytes increases with increasing maternal age, [51] presumably due to loss of cohesin over time. [52]

In order to understand meiosis, a comparison to mitosis is helpful. The table below shows the differences between meiosis and mitosis. [53]

Meiosis Mitosis
End result Normally four cells, each with half the number of chromosomes as the parent Two cells, having the same number of chromosomes as the parent
Functie Production of gametes (sex cells) in sexually reproducing eukaryotes with diplont life cycle Cellular reproduction, growth, repair, asexual reproduction
Where does it happen? Almost all eukaryotes (animals, plants, fungi, and protists) [54] [48]
In gonads, before gametes (in diplontic life cycles)
After zygotes (in haplontic)
Before spores (in haplodiplontic)
All proliferating cells in all eukaryotes
Steps Prophase I, Metaphase I, Anaphase I, Telophase I,
Prophase II, Metaphase II, Anaphase II, Telophase II
Prophase, Prometaphase, Metaphase, Anaphase, Telophase
Genetically same as parent? No Yes
Crossing over happens? Yes, normally occurs between each pair of homologous chromosomes Very rarely
Pairing of homologous chromosomes? Yes No
Cytokinesis Occurs in Telophase I and Telophase II Occurs in Telophase
Centromeres split Does not occur in Anaphase I, but occurs in Anaphase II Occurs in Anaphase

How a cell proceeds to meiotic division in meiotic cell division is not well known. Maturation promoting factor (MPF) seemingly have role in frog Oocyte meiosis. In the fungus S. pombe. there is a role of MeiRNA binding protein for entry to meiotic cell division. [55]

It has been suggested that Yeast CEP1 gene product, that binds centromeric region CDE1, may play a role in chromosome pairing during meiosis-I. [56]

Meiotic recombination is mediated through double stranded break, which is catalyzed by Spo11 protein. Also Mre11, Sae2 and Exo1 play role in breakage and recombination. After the breakage happen, recombination take place which is typically homologous. The recombination may go through either a double Holliday junction (dHJ) pathway or synthesis-dependent strand annealing (SDSA). (The second one gives to noncrossover product). [57]

Seemingly there are checkpoints for meiotic cell division too. In S. pombe, Rad proteins, S. pombe Mek1 (with FHA kinase domain), Cdc25, Cdc2 and unknown factor is thought to form a checkpoint. [58]

In vertebrate oogenesis, maintained by cytostatic factor (CSF) has role in switching into meiosis-II. [56]