Informácie

Potreba proteínu chromozómu X alebo Y po meióze

Potreba proteínu chromozómu X alebo Y po meióze



We are searching data for your request:

Forums and discussions:
Manuals and reference books:
Data from registers:
Wait the end of the search in all databases.
Upon completion, a link will appear to access the found materials.

Po meióze každá spermatid dostane buď chromozóm X alebo chromozóm Y. Viem, že 4 spermatidy vytvorené z 1 spermatogónie sú spojené cytoplazmou, takže proteíny tvorené chromozómom X alebo Y môžu byť zdieľané všetkými 4 bunkami.

Chcem vedieť, aké proteíny vytvorené chromozómom X alebo Y sú exkluzívne pre chromozóm X alebo Y a sú potrebné na premenu spermií na spermie.


Chromozóm X má veľa dôležitých génov potrebných na bežnú starostlivosť o domácnosť. Takže naozaj nemusíme hovoriť o génoch X-chromozómu. Tu je zoznam génov prítomných na X-chromozóme.

@Armatus, ak by všetky tieto gény boli na autozómoch, potom by prítomnosť Y nebola povinná pre mužský vývoj. Existujú autozomálne gény, ktoré sa podieľajú na sexuálnom vývoji pre napr. Gén anti-Mullerovho hormónu je prítomný na chromozóme 19. Musí však existovať hlavný regulátor, ktorý je špecifický pre mužov, a keďže určenie pohlavia je u cicavcov chromozomálne, chromozóm Y musí tento hlavný regulátor kódovať.

Sry, zakódovaný v Y-chromozóme, je jedným z takýchto proteínov, ktorý je absolútne nevyhnutný pre mužský sexuálny vývoj. Napriek tomu je veľmi dobre možné, že základné gény potrebné v procese spermatogenézy sú autozomálne kódované. V skutočnosti je to tak. Práve som zobral zoznam génov, ktoré súviseli so sepermatogenézou v KEGG a skontroloval som ich chromozomálne umiestnenie. Všetky sú autozomálne.

Gén --- poloha SPATA1 --- 1p22.3 SPATA25 --- 20q13.12 SPATA32 --- 17q21.31 SPATA9 --- 5q15 SPATA19 --- 11q25 SOHLH1 --- 9q34.3 SPATC1L --- 21q22. SPATA18 --- 4q12 SPATA2 --- 20q13.13 SPATA21 --- 1p36.13 SPATA2L --- 16q24.3 GMCL1 --- 2p13.3 SPATA7 --- 14q31.3 SPATA5 --- 4q28.1 SPATA6L -- - 9p24.2 SPATA4 --- 4q34.2 SPATA24 --- 5q31.2 SPATS2L --- 2q33.1 SPATA16 --- 3q26.31 SPATA6 --- 1p33 SPATA12 --- 3p14.3 SPATS1 --- 6p21. 1 SPATC1 --- 8q24.3 SPATA22 --- 17p13.3 SOHLH2 --- 13q13.3 SPATA13 --- 13q12.12 SPATS2 --- 12q13.12 SPATA20 --- 17q21.33 ASUN --.- 132p1 SPATA8 --- 15q26.2 SPATA17 --- 1q41 SPATA3 --- 2q37.1 SPATA5L1 --- 15q21.1 GMCL1P1 --- 5q35.3 SPATA41 --- 15q26.3 SPATA42 --- 1p13.3 SPATA33 - 16q24.3

Úvod a ciele

Gregor Mendel (obrázok 1) na základe svojich experimentov dospel k záveru, že "dedičné jednotky" prenášajú znaky z jednej generácie na druhú, ale v čase jeho práce (1850-1860) chromozómy ešte neboli pozorované. Okolo prelomu storočia dve udalosti pevne zapísali Mendelovo meno do histórie. Po prvé, traja botanici nezávisle na sebe znovu objavili Mendelov výskum po vykonaní štúdií podobných jeho. Po druhé, vedci si začali všímať rozdiely medzi správaním chromozómov (pozorované len nedávno) počas mitózy a meiózy. Napríklad videli, že organizmy mali páry homológnych chromozómov, ktoré sa oddelili počas meiózy, a že fúzia dvoch gamét viedla k zygote s normálnym diploidným počtom chromozómov.

Tieto fakty dobre zapadali do Mendelových zákonov o segregácii a nezávislom sortimente, čo dokazuje, že chromozómy obsahujú "dedičné jednotky", ktoré navrhol Mendel. Mendelova práca a objav chromozómov a ich správania položili základy pre štúdie, ktoré odhalili, že gény sa nachádzajú na špecifických miestach na chromozómoch a že homológne chromozómy segregujú a nehomologické chromozómy sa počas meiózy rozdeľujú nezávisle. Tento tutoriál bližšie preskúma úlohu, ktorú zohrávajú chromozómy pri segregácii alel. Dozviete sa, že gény (a ich alely) na rôznych chromozómoch sa segregujú (alebo triedia) nezávisle. Ak sú však na rovnakom chromozóme, môžu alebo nemusia vykazovať nezávislú segregáciu.

Na konci tohto tutoriálu by ste mali mať základné znalosti:

  • Ako správanie chromozómov vysvetľuje segregáciu alel
  • Určenie pohlavia u ľudí a iných organizmov
  • Dedičnosť iných génov spojených s pohlavím
  • Úloha X-inaktivácie v génovej expresii


Obrázok 1. Gregor Mendel. (Kliknutím na obrázok zväčšíte)


Mechanizmus

Bunkový cyklus má 2 časti: interfázu a mitózu/meiózu. Interfáza môže byť ďalej rozdelená na rast 1 (G1), syntézu (S) a rast 2 (G2). Počas G fáz bunka rastie produkciou rôznych proteínov a počas S fázy sa DNA replikuje tak, že každý chromozóm obsahuje 2 identické sesterské chromatidy.

Mitóza obsahuje 4 fázy: profázu, metafázu, anafázu a telofázu. V profáze sa jadrový obal rozpadne a chromatín kondenzuje. V metafáze sa chromozómy zoradia pozdĺž metafázovej platne a mikrotubuly sa pripájajú ku kinetochórom každého chromozómu. V anafáze sa chromatidy oddelia a sú ťahané mikrotubulmi na opačné konce bunky. Nakoniec sa v telofáze znovu objavia jadrové obaly, chromozómy sa rozvinú na chromatín a bunka podstúpi cytokinézu, ktorá rozdelí bunku na 2 rovnaké dcérske bunky.

Meióza prechádza všetkými 4 fázami mitózy dvakrát, s upravenými mechanizmami, ktoré v konečnom dôsledku vytvárajú haploidné bunky namiesto diploidných. Jedna modifikácia je v meióze I. Homológne chromozómy sú oddelené namiesto sesterských chromatidov, čím vznikajú haploidné bunky. Práve počas tohto procesu vidíme kríženie a nezávislý sortiment vedúci k zvýšenej genetickej diverzite potomstva. Meióza II postupuje rovnakým spôsobom ako mitóza, ale s haploidným počtom chromozómov, čím sa nakoniec vytvoria 4 dcérske bunky, ktoré sú všetky geneticky odlišné od pôvodnej bunky.

Nondisjunkcia môže nastať počas anafázy mitózy, meiózy I alebo meiózy II. Počas anafázy sa sesterské chromatidy (alebo homológne chromozómy pre meiózu I) oddelia a presunú sa k opačným pólom bunky, ťahané mikrotubulami. V nondisjunkcii nedochádza k separácii, čo spôsobuje, že obe sesterské chromatidy alebo homológne chromozómy sú pritiahnuté k jednému pólu bunky.

Mitotická nondisjunkcia sa môže vyskytnúť v dôsledku inaktivácie buď topoizomerázy II, kondenzínu alebo separázy. Výsledkom budú 2 aneuploidné dcérske bunky, jedna so 47 chromozómami (2n+1) a druhá so 45 chromozómami (2n-1).

Nondisjunkcia v meióze I nastáva, keď sa tetrády nedokážu oddeliť počas anafázy I. Na konci meiózy I budú 2 haploidné dcérske bunky, jedna s n+1 a druhá s n-1. Obe tieto dcérske bunky sa potom rozdelia ešte raz v meióze II, čím sa vytvoria 4 dcérske bunky, 2 s n+1 a 2 s n-1.

Nondisjunkcia v meióze II je výsledkom zlyhania separácie sesterských chromatidov počas anafázy II. Keďže meióza prebiehala bezchybne, 2 zo 4 dcérskych buniek budú mať normálny komplement 23 chromozómov. Ďalšie 2 dcérske bunky budú aneuploidné, jedna s n+1 a druhá s n-1. 


Meióza

Vyžaduje pohlavné rozmnožovanie oplodnenie, spojenie dvoch buniek z dvoch individuálnych organizmov. Ak každá z týchto dvoch buniek obsahuje jednu sadu chromozómov, potom výsledná bunka obsahuje dve sady chromozómov. Haploidný bunky obsahujú jednu sadu chromozómov, diploidný bunky obsahujú dve sady chromozómov. Počet sád chromozómov v bunke sa nazýva jej ploidia úrovni. Ak má reprodukčný cyklus pokračovať, diploidná bunka musí nejakým spôsobom znížiť počet svojich chromozómových sád, než môže dôjsť k opätovnému oplodneniu, inak bude počet chromozómových sád v každej generácii neustále zdvojnásobovať. Takže okrem oplodnenia zahŕňa sexuálna reprodukcia jadrové delenie, ktoré znižuje počet chromozómových sád.

Jadrové delenie, ktoré tvorí haploidné bunky, tzv meióza, súvisí s mitózou. V mitóze sú rodičovské aj dcérske jadrá na rovnakej úrovni ploidie a diploidnej pre väčšinu rastlín a zvierat. Meióza využíva mnoho rovnakých mechanizmov ako mitóza. Počiatočné jadro je však vždy diploidné a jadrá, ktoré vznikajú na konci delenia meiotických buniek, sú haploidné. Aby sa dosiahlo toto zníženie počtu chromozómov, cyklus meiotických buniek pozostáva z jedného kola duplikácie chromozómov a dva kolách jadrovej divízie. Pretože udalosti, ktoré sa vyskytnú počas každej fázy delenia, sú analogické s udalosťami mitózy, sú priradené rovnaké názvy štádií. Pretože však existujú dve kolá delenia, hlavný proces a fázy sú označené znakom &dquoI&rdquo alebo &ldquoII&rdquo. meióza I je prvé kolo meiotického delenia a pozostáva z profázy I, prometafázy I atď. Meióza II, v ktorom prebieha druhé kolo meiotického delenia, zahŕňa profázu II, prometafázu II atď.

Meióza I

Meióze predchádza interfáza pozostávajúca z G1, S a G2 fázy, ktoré sú takmer totožné s fázami predchádzajúcimi mitóze.

Profáza I

Na začiatku profázy I, predtým, ako sa chromozómy dajú jasne vidieť mikroskopicky, homológne chromozómy sú pripevnené na ich špičkách (ich teloméry) do jadrového obalu proteínmi. Homologické chromozómy sú podobné, ale nie identické chromozómy. Napríklad chromozóm 12 od vašej matky a chromozóm 12 od vášho otca budú prítomné v každej z vašich buniek. Každý chromozóm 12 obsahuje rovnaké gény, zvyčajne na rovnakých miestach, avšak každý gén môže byť iná alela. Gén A na chromozóme 12 od vašej matky môže byť alela R' a gén A na chromozóme 12 od vášho otca môže byť alela r. U druhov, ako sú ľudia, aj keď pohlavné chromozómy X a Y nie sú homológne (väčšina ich génov sa líši), majú malú oblasť homológie, ktorá umožňuje, aby sa chromozómy X a Y spárovali počas profázy I. Bude to veľmi Je dôležité pochopiť, čo sú homológne chromozómy pri sledovaní procesu meiózy.

Pred replikáciou DNA sú zobrazené dva homológne chromozómy. Každý chromozóm má spolu tri gény loci (miesta na chromozóme) označené. Homologické chromozómy obsahujú rovnaké gény, ale nie sú identické. Každý z nich môže obsahovať rôzne alely každého génu.
Zdroj: http://mrphome.net/mrp/Homologous_Chromosome.html

Pamätajte, že meiotická M fáza, podobne ako mitotická M fáza, začína replikovaným, diploidným genómom. Na začiatku meiotickej profázy DNA dvojvláknové zlomy (DSB) - stovky z nich - sú zámerne indukované bunkou v trochu náhodných polohách na všetkých chromozómoch. O oprave DSB budeme podrobnejšie diskutovať v neskoršom module, ale stačí povedať, že jedným zo spôsobov opravy DSB je hľadanie neprerušenej kópie tejto sekvencie, pričom v podstate vezmeme DSB na lov cez genóm pri hľadaní stratené informácie (ktoré je potom možné skopírovať). Normálne sa v bunke G2 táto informácia ľahko nachádza na sesterskej chromatíde, ktorá je veľmi blízko svojej nedávno replikovanej sestre (vďaka pomalej difúzii DNA a pôsobeniu kohezínov). Pri meióze však sesterská chromatida je vylúčená ako šablóna na opravunúti prestávku k honbe za svojim homológom, ktorý samozrejme nesie identickú alebo takmer identickú sekvenciu. Keď zlomy nájdu svoje homológne sekvencie, homológne chromozómy sa tým zoradia. Meióza teda využíva existujúcu opravnú dráhu, aby prinútila homológy, aby sa navzájom našli a zarovnali - zámerným vyvolaním poškodenia DNA! Proteínový komplex nazývaný synaptonemálny komplex potom spája homológy dohromady (pozri obrázok nižšie). Súčasne sa prakticky všetky zlomy opravia skopírovaním informácií z neprerušeného homológu a následným použitím týchto informácií na zapečatenie oboch koncov zlomu bez straty informácií na mieste zlomu.

V profáze I dochádza k synapsii homológnych chromozómov. Homológy (jeden červený, jeden modrý) sú pevne spojené a zarovnané pomocou proteínovej mriežky nazývanej synaptonemálny komplex, zatiaľ čo sestry sú držané pohromade kohezínmi pozdĺž ich dĺžky (nie je znázornené!). Upozorňujeme, že chromatín je stále veľmi kondenzovaný a vytvára veľké slučky vychádzajúce zo synaptonemálneho komplexu. Všimnite si tiež, že synaptonemálny komplex, ktorý pomohol zosúladiť homológy, čoskoro zmizne - jeho úloha je hotová.

Otázka k vyššie uvedenej ilustrácii: Všimnite si, že kinetochory sesterských chromatidov sú obe smerované rovnakým smerom. Možno si spomínate, že pri mitóze sme diskutovali o tom, aké dôležité je, že sú otočené opačnými smermi. Prečo to bolo dôležité? Je to chyba v diagrame? Obhajujte svoju odpoveď.

Mnohí sú povolaní, ale málo vyvolených

Veľmi malá menšina zlomov - asi 1 na rameno chromozómu - je opravená iným mechanizmom, v ktorom sú dva konce DSB opravené spôsobom, ktorý spôsobí, že sa spoja s homológom (presne v správnej polohe), namiesto toho, aby sa k sebe opäť pridali. Toto "crossing over" možno po výmene vizuálne pozorovať ako chiasmata (jednotné číslo = chiasma) (pozri obrázok nižšie).

Len veľmi málo DSB je vybraných, aby sa stali chiazmatami. Hádam viete čítať po taliansky "kinetochore" a možno aj "brat (!) chromatidy". Synaptonemálny komplex je teraz preč. Nie je tu znázornené, ale pre mechanizmus separácie homológov je veľmi dôležité, že kohezíny držia sesterské chromatidy pohromade po celej ich dĺžke. Predstavte si dve sestry ako zlepené. Čo by sa stalo, keby ste od seba odtiahli homologické centroméry (centroméra pre ružovú vs. centroméra pre modrú)?

Na konci profázy I držia homológy pohromade iba v chiazmate (obrázok nižšie) a nazývajú sa tetrády pretože štyri sesterské chromatidy každého páru homológnych chromozómov sú teraz viditeľné. Sestry sú k sebe po celej dĺžke viazané kohezínmi.

Crossover udalosti sú najprv zdroj genetických variácií v jadrách produkovaných meiózou. Jediný prechod medzi homológnymi nesesterskými chromatidami vedie k recipročnej výmene ekvivalentnej DNA medzi materským chromozómom a otcovským chromozómom. Teraz, keď sa táto sesterská chromatida presunie do gamétovej bunky, bude niesť určitú DNA od jedného rodiča jednotlivca a nejakú DNA od druhého rodiča. Rekombinantná chromatida má kombináciu materských a otcovských génov, ktoré pred krížením neexistovali. Viacnásobné prekríženie v ramene chromozómu má rovnaký účinok, pričom dochádza k výmene segmentov DNA na vytvorenie rekombinantných chromozómov.

Medzi nesesterskými chromatidami homologických chromozómov dochádza k prekríženiu. Výsledkom je výmena genetického materiálu medzi homológnymi chromozómami. Tento diagram objasňuje nový genetický obsah zistený na konci meiózy I po oddelení homológov. Nie je to dobrá ilustrácia procesu prechodu.

Aké sú hlavné rozdiely medzi profázou I meiózy a profázou mitózy?

Prometafáza I

Kľúčovou udalosťou v prometafáze I je pripojenie mikrotubulov vretenových vlákien ku kinetochorovým proteínom v centroméroch. Kinetochorové proteíny sú multiproteínové komplexy, ktoré viažu centroméry chromozómu na mikrotubuly mitotického vretienka. Mikrotubuly rastú z centrozómov umiestnených na opačných póloch bunky. Mikrotubuly sa pohybujú smerom k stredu bunky a pripájajú sa k jednému z dvoch fúzovaných homológnych chromozómov. Mikrotubuly sa pripájajú na kinetochóry každého chromozómu. Keď je každý člen homológneho páru pripojený k opačným pólom bunky, v ďalšej fáze môžu mikrotubuly oddeliť homológny pár. Vretenové vlákno, ktoré sa pripojilo ku kinetochore, sa nazýva kinetochorový mikrotubul. Na konci prometafázy I je každá tetráda pripojená k mikrotubulom z oboch pólov, pričom ku každému pólu smeruje jeden homológny chromozóm. Homologické chromozómy sú stále držané pohromade v chiazmatách. Okrem toho sa jadrová membrána úplne rozpadla.

Metafáza I

Počas metafázy I sú homológne chromozómy usporiadané v strede bunky s kinetochórmi smerujúcimi k opačným pólom. Homologické páry sa náhodne orientujú na rovníku. Napríklad, ak sú dva homológne členy chromozómu 1 označené a a b, potom by sa chromozómy mohli zoradiť a-b alebo b-a. To je dôležité pri určovaní génov nesených gamétou, pretože každý dostane iba jeden z dvoch homológnych chromozómov. Toto sa volá Nezávislý sortiment. Pripomeňme, že homológne chromozómy nie sú identické, obsahujú nepatrné rozdiely vo svojej genetickej informácii, čo spôsobuje, že každá gaméta má jedinečnú genetickú výbavu.

Táto náhodnosť je fyzikálnym základom pre vytvorenie druhý forma genetickej variácie u potomstva. Zvážte, že homológne chromozómy pohlavne sa rozmnožujúceho organizmu sú pôvodne zdedené ako dve samostatné sady, jedna od každého rodiča. Ak použijeme ako príklad ľudí, jedna sada 23 chromozómov je prítomná vo vajíčku darovanom matkou. Otec poskytuje ďalšiu sadu 23 chromozómov v spermiách, ktoré oplodňujú vajíčko. Každá bunka mnohobunkového potomka má kópie pôvodných dvoch sád homológnych chromozómov. V profáze I meiózy tvoria homológne chromozómy tetrády. V metafáze I sa tieto páry zoradia v strede medzi dvoma pólmi bunky, aby vytvorili metafázovú platňu. Pretože existuje rovnaká šanca, že sa mikrotubulové vlákno stretne s chromozómom zdedeným matkou alebo otcom, usporiadanie tetrád na metafázovej platni je náhodné. Ktorýkoľvek chromozóm zdedený matkou môže čeliť ktorémukoľvek pólu. Ktorýkoľvek chromozóm zdedený po otcovi môže tiež čeliť ktorémukoľvek pólu. Orientácia každej tetrády je nezávislá od orientácie ostatných 22 tetrád. Existujú dve možnosti orientácie na metafázovej doske, možný počet zarovnaní sa preto rovná 2n, kde n je počet chromozómov na sadu. Ľudia majú 23 párov chromozómov, čo má za následok viac ako osem miliónov (2 23 ) možné geneticky odlišné gaméty. Toto číslo nezahŕňa variabilitu, ktorá bola predtým vytvorená v sesterských chromatidách krížením. Vzhľadom na tieto dva mechanizmy je vysoko nepravdepodobné, že akékoľvek dve haploidné bunky, ktoré sú výsledkom meiózy, budú mať rovnaké genetické zloženie (pozri obrázok nižšie). A to bez ohľadu na prvý typ variácie vytvorenej prechodom!

Ako bunka zabezpečuje, že homológy sú orientované v opačných smeroch?

Možno si pamätáte z mitózy, že kinetochory boli orientované na opačné póly tak, že sa sestry držali spolu s kohezínmi a potom sa za kinetochory ťahali. Ak je kinetochore každej sestry nasmerovaný iným smerom, a to platí pre každý chromozóm, bunka bude schopná zistiť, že napätie je prítomné na každom kinetochore - žiadny nie je "uvoľnený". Neprítomnosť tohto "relaxovaného" signálu vyvolá štiepenie kohezínov a chromatidy sa teraz môžu oddeliť a smerovať k opačným pólom.

V meióze bunka nielenže zlepila sestry dohromady, ale tiež kovalentne zviazala homológy dohromady, len na niekoľkých miestach, prostredníctvom tvorby chiazmy. Keď centroméry každého homológ sú orientované v opačných smeroch a motorické proteíny kinetochórov sa pokúšajú plaziť sa pozdĺž mikrotubulov, vytvorí sa napätie. Akonáhle všetky kinetochory zažívajú napätie, kohezíny sú prítomné na chromozóme paže budú štiepené, čo umožní, aby sa homológne centroméry oddelili. Kohézy veľmi blízko centroméry zostanú na použitie pri vytváraní napätia medzi sesterskými kinetochórmi v metafáze meiózy II.

Aby sme zhrnuli genetické dôsledky meiózy I, materské a otcovské gény sú rekombinované krížovými udalosťami, ktoré sa vyskytujú medzi každým homológnym párom počas profázy I. Okrem toho náhodný sortiment tetrád na metafázovej platni vytvára jedinečnú kombináciu materských a otcovských chromozómov. ktoré sa dostanú do gamét.

Náhodný, nezávislý sortiment počas metafázy I možno demonštrovať uvažovaním jednoduchej bunky so sadou iba dvoch chromozómov (n = 2). V tomto prípade existujú dve možné usporiadania v rovníkovej rovine v metafáze I. Celkový možný počet rôznych gamét je 2 n, kde n sa rovná počtu chromozómov v sade. V tomto príklade existujú štyri možné genetické kombinácie pre gaméty. Pri n = 23 v ľudských bunkách existuje viac ako 8 miliónov možných kombinácií otcovských a materských chromozómov. Všimnite si, že tento údaj – a táto diskusia – nezahŕňa rozmanitosť vytvorenú prechodom.

Anafáza I

Anafáza I sa spúšťa štiepením kohezínov po dĺžke ramien chromozómov. Motorické proteíny kinetochore sa teraz voľne pohybujú pozdĺž vretena a oddeľujú homológne chromozómy. Samotné vreteno sa rozpadá za postupujúce kinetochory. Sesterské centroméry zostávajú spolu pevne spojené prostredníctvom kohezínov na centromére.

Aký hlavný rozdiel sa vyskytuje v anafáze I meiózy v porovnaní s anafázou mitózy?

Telofáza I a cytokinéza

V telofáze sa oddelené chromozómy dostanú na opačné póly. Zvyšok typických telofázových udalostí sa môže alebo nemusí vyskytnúť v závislosti od druhu. V niektorých organizmoch chromozómy dekondenzujú a jadrové obaly sa tvoria okolo chromozómov v telofáze I. U iných organizmov dochádza k cytokinéze a fyzickému oddeleniu cytoplazmatických komponentov na dve dcérske bunky bez pretvorenia jadier (vzhľadom na to, že sa chystá ďalšie kolo migrácie chromozómov (Mitóza II) toto zlyhanie pri reforme jadrovej membrány má určitý zmysel. Takmer u všetkých druhov zvierat a niektorých húb cytokinéza oddeľuje obsah buniek cez štiepnu brázdu (zúženie aktínového kruhu, ktoré vedie k deleniu cytoplazmy) po Meióza I. V rastlinách sa cytokinéza môže alebo nemusí vyskytnúť v tejto fáze, v závislosti od druhu.V Arabidopsis, populárnom systéme rastlinných modelov, cytokinéza nenastane, kým nie je dokončená Meióza II.

Dve haploidné bunky sú konečným výsledkom prvého meiotického delenia. Bunky sú haploidné, pretože na každom póle je len jeden homológ pre každý chromozóm. Každý homológ stále pozostáva z dvoch sesterských chromatidov. Pripomeňme, že sesterské chromatidy sú takmer duplikáty – nezabúdajte, že môžu niesť informácie z jedného z homológov niekde na ramenách kvôli výmenám, ku ktorým došlo počas kríženia, a tieto polohy kríženia budú pre každú sestru iné.

Meióza II

V meióze II sa tieto dve sesterské chromatidy oddelia. Čistým výsledkom meiózy I a II budú teda 4 haploidné bunky s chromozómami, ktoré majú iba 1 chromatídu.

Dve bunky produkované v meióze I prechádzajú dejmi meiózy II synchrónne. Počas meiózy II sa sesterské chromatidy v dvoch dcérskych bunkách oddelia a vytvoria celkom štyri nové haploidné gaméty. Mechanika meiózy II je podobná mitóze.

Profáza II

Ak sa chromozómy dekondenzujú v telofáze I, opäť kondenzujú. Ak sa vytvorili jadrové obaly, fragmentujú sa do vezikúl. Cenrozómy, ktoré boli duplikované medzi meiózou I a II, sa pohybujú od seba smerom k opačným pólom a vytvárajú sa nové vretienka.

Prometafáza II

Jadrové obaly sú teraz úplne rozbité a vreteno je úplne vytvorené. Kinetochore každej sesterskej chromatídy sa pripája k mikrotubulom.

Metafáza II

Sesterské chromatidy sú maximálne kondenzované a zarovnané na rovníku bunky. Kohézy zabraňujú odtrhnutiu kinetochórov, vytvárajú napätie a oznamujú bunke, že kinetochory sú správne zarovnané pre každý chromozóm.

Anafáza II

Sesterské chromatidy sú oddeľované kinetochorovými mikrotubulami a pohybujú sa smerom k opačným pólom. Nekinetochórové mikrotubuly predlžujú bunku.

Proces zarovnania chromozómov sa líši medzi meiózou I a meiózou II. V prometafáze I sa mikrotubuly pripájajú k fúzovaným kinetochórom homológnych chromozómov a homológne chromozómy sú usporiadané v strede bunky v metafáze I. V anafáze I sú homológne chromozómy oddelené. V prometafáze II sa mikrotubuly pripájajú na kinetochory sesterských chromatidov a sesterské chromatidy sú usporiadané v strede buniek v metafáze II. V anafáze II sa oddelia sesterské chromatidy.

Telofáza II a cytokinéza

Chromozómy sa dostanú na opačné póly a začnú dekondenzovať. Okolo chromozómov sa tvoria jadrové obaly. Cytokinéza oddeľuje tieto dve bunky na štyri jedinečné haploidné bunky. V tomto bode sú novovzniknuté jadrá obe haploidné. Produkované bunky sú geneticky jedinečné kvôli náhodnému zoradeniu otcovských a materských homológov a kvôli rekombinácii materských a otcovských segmentov chromozómov (s ich súbormi génov), ku ktorej dochádza počas kríženia. Celý proces meiózy je znázornený na obrázku nižšie.

Živočíšna bunka s diploidným počtom štyri (2n = 4) prechádza štádiami meiózy za vzniku štyroch haploidných dcérskych buniek.

Porovnanie mitózy a meiózy

Mitóza a meióza sú obe formy delenia jadra v eukaryotických bunkách. Zdieľajú niektoré podobnosti, ale tiež vykazujú výrazné rozdiely, ktoré vedú k veľmi odlišným výsledkom. Mitóza je jediné jadrové delenie, ktorého výsledkom sú dve jadrá, ktoré sú zvyčajne rozdelené do dvoch nových buniek. Jadrá vyplývajúce z mitotického delenia sú geneticky totožné s pôvodným jadrom. Majú rovnaký počet sád chromozómov, jednu sadu v prípade haploidných buniek a dve sady v prípade diploidných buniek. Vo väčšine rastlín a všetkých živočíšnych druhov sú to typicky diploidné bunky, ktoré podstupujú mitózu za vzniku nových diploidných buniek. Na rozdiel od toho meióza pozostáva z dvoch jadrových delení, ktorých výsledkom sú štyri jadrá, ktoré sú zvyčajne rozdelené do štyroch nových buniek. Jadrá vznikajúce meiózou nie sú geneticky identické a obsahujú iba jednu sadu chromozómov. To je polovica počtu chromozómových sád v pôvodnej bunke, ktorá je diploidná.

Hlavné rozdiely medzi mitózou a meiózou sa vyskytujú v meióze I, čo je veľmi odlišné jadrové delenie ako mitóza. V meióze I sa homológne chromozómové páry navzájom spájajú, spájajú sa so synaptonemálnym komplexom, vyvíjajú sa chiazmata a prechádzajú krížením medzi sesterskými chromatidami a zoraďujú sa pozdĺž metafázovej platne do tetrád s kinetochorovými vláknami z opačných pólov vretena pripojených ku každému kinetochór homológu v tetráde. Všetky tieto udalosti sa vyskytujú iba pri meióze I.

Keď sa chiazmata vyriešia a tetráda sa rozpadne s homológmi pohybujúcimi sa na jeden alebo druhý pól, úroveň ploidie a počet sád chromozómov v každom budúcom jadre sa zníži z dvoch na jeden. Z tohto dôvodu sa meióza I označuje ako a redukčné delenie. Počas mitózy nedochádza k takému zníženiu hladiny ploidie.

Meióza II je oveľa viac analogická k mitotickému deleniu. V tomto prípade sa duplikované chromozómy (iba jedna z nich) zoradia na metafázovej platni s rozdelenými kinetochórmi pripojenými k kinetochorovým vláknam z opačných pólov. Počas anafázy II, ako v mitotickej anafáze, sa kinetochory rozdelia a jedna sesterská chromatída sa pritiahne k jednému pólu, zatiaľ čo druhá sesterská chromatída sa pritiahne k druhému pólu. Ak by nedošlo k prekríženiu, dva produkty každej jednotlivej divízie meiózy II by boli identické (ako v mitóze). Namiesto toho sú odlišné, pretože vždy existoval aspoň jeden prechod na chromozóm. Meióza II nie je redukčným delením, pretože aj keď je vo výsledných bunkách menej kópií genómu, stále existuje jedna sada chromozómov, ako tomu bolo na konci meiózy I.

Meióze a mitóze predchádza jedno kolo replikácie DNA, avšak meióza zahŕňa dve jadrové delenia. Štyri dcérske bunky vyplývajúce z meiózy sú haploidné a geneticky odlišné. Dcérske bunky, ktoré sú výsledkom mitózy, sú diploidné a identické s rodičovskou bunkou.

Záhada evolúcie meiózy

Meióza je taká mimoriadne komplexná séria bunkových udalostí, že biológovia mali problémy s hypotézami a testovaním, ako sa mohla vyvinúť. Hoci je meióza neoddeliteľne spätá so sexuálnou reprodukciou a jej výhodami a nevýhodami, je dôležité oddeliť otázky evolúcie meiózy a evolúcie pohlavia, pretože skorá meióza mohla byť výhodná z iných dôvodov ako teraz. Myslieť mimo rámca a predstaviť si, aké by mohli byť prvé výhody meiózy, je jedným z prístupov k odhaleniu toho, ako sa mohla vyvinúť.

Meióza a mitóza zdieľajú zrejmé bunkové procesy a dáva zmysel, že meióza sa vyvinula z mitózy. Obtiažnosť spočíva v jasných rozdieloch medzi meiózou I a mitózou. Adam Wilkins a Robin Holliday 2 zhrnuli jedinečné udalosti, ktoré sa museli vyskytnúť pri vývoji meiózy z mitózy. Tieto kroky sú homológne párovanie chromozómov, krížové výmeny, sesterské chromatidy zostávajúce pripojené počas anafázy a potlačenie replikácie DNA v interfáze. Tvrdia, že prvý krok je najťažší a najdôležitejší a že pochopenie toho, ako sa vyvinul, by objasnilo evolučný proces. Navrhujú genetické experimenty, ktoré by mohli objasniť vývoj synapsie.

Existujú aj iné prístupy k pochopeniu prebiehajúceho vývoja meiózy. U jednobunkových protistov existujú rôzne formy meiózy. Niektoré sa zdajú byť jednoduchšie alebo „primitívnejšie“ formy meiózy. Porovnanie meiotických delení rôznych protistov môže objasniť vývoj meiózy. Marilee Ramesh a kolegovia 3 porovnávali gény zapojené do meiózy u protistov, aby pochopili, kedy a kde sa meióza mohla vyvinúť. Hoci výskum stále prebieha, nedávne štipendium o meióze u protistov naznačuje, že niektoré aspekty meiózy sa mohli vyvinúť neskôr ako iné. Tento druh genetického porovnania nám môže povedať, ktoré aspekty meiózy sú najstaršie a aké bunkové procesy si mohli požičať v skorších bunkách.

Preklikajte sa krokmi tejto interaktívnej animácie a porovnajte meiotický proces bunkového delenia s procesom mitózy: Ako sa delia bunky.


Evolučná história chromozómu Y

Asi pred 310 miliónmi rokov neexistoval chromozóm Y, ako ho poznáme. V tom čase, keď sa cicavce vyvíjali zo svojich spoločných predkov s plazmi a vtákmi, boli dnešné chromozómy X a Y párom autozómov podobných dnešnému chromozómu X. Pohlavie u týchto predkov bolo pravdepodobne určené teplotou, pri ktorej sa vajíčko inkubuje, ako je to dnes u mnohých plazov. K tomu môže dôjsť len u ektotermov, teda živočíchov, ktoré si neudržujú stálu telesnú teplotu. V opačnom prípade by sa produkovali iba samce alebo len samice, čo by neprispievalo k dlhodobému reprodukčnému úspechu.

Niekedy pred 165 až 310 miliónmi rokov sa SRY (pohlavie určujúca oblasť Y) vyvinul v rodovej línii cicavcov. SRY je gén na chromozóme Y cicavca, ktorý určuje, že organizmus bude mužský. Akonáhle sa vyvinul SRY, mohla sa vyvinúť aj endotermia, pretože muži aj ženy sa mohli vyvíjať pri rovnakej teplote. Evolúcia chromozomálneho určovania pohlavia ZW u vtákov im umožnila nezávisle vyvinúť endotermiu a s ňou spojené vlastnosti - izolovaný kožný obal vyrobený z keratínu (perie alebo kožušina) a štvorkomorové srdce.

Ďalší dôkaz, že X a Y boli kedysi párom autozómov, pochádza zo sekvencií DNA ľudských autozómov X a kurčiat (Ross et al., 2005). Obrázok 2 ukazuje bodkovaný graf porovnávajúci ľudský chromozóm X s časťami kuracích chromozómov ##1 a ##4. Ľudské Xp (kratšie rameno) je takmer identické s časťou kuracieho chromozómu ##1, zatiaľ čo ľudské Xq (dlhšie rameno) má veľké kúsky podobnosti s časťami kuracieho chromozómu ##4. Autozóm, ktorý sa stal X a Y u cicavcov, žije ďalej ako autozómy u kurčiat.

Tento bodkovaný graf porovnáva ľudský chromozóm X s časťami chromozómov ##1 a ##4 kuracieho. Ľudský chromozóm X je horizontálny. Všimnite si podobnosti medzi ľudským Xp naľavo s časťou kurčaťa ##1 a medzi ľudským Xq napravo s časťami kurčaťa ##4. Bodový graf je vytvorený programom, ktorý porovnáva nukleotidové sekvencie dvoch molekúl DNA. Ak sú sekvencie rovnaké, umiestni do grafu bodku. Ak by ste porovnali dva rovnaké chromozómy, dostali by ste priamku idúcu z ľavého horného rohu grafu do pravého dolného rohu. Ak sú dve molekuly DNA podobné, ale nie identické, dostanete bodkovanú čiaru, ak sú veľmi odlišné, neexistuje žiadna čiara. Čím sú sekvencie podobné, tým je bodkovaná čiara tmavšia. (Upravené na základe povolenia od Macmillan Publishers Ltd: Ross et al., 2005.)

Tento bodkovaný graf porovnáva ľudský chromozóm X s časťami chromozómov ##1 a ##4 kuracieho. Ľudský chromozóm X je horizontálny. Všimnite si podobnosti medzi ľudským Xp naľavo s časťou kurčaťa ##1 a medzi ľudským Xq napravo s časťami kurčaťa ##4. Bodový graf je vytvorený programom, ktorý porovnáva nukleotidové sekvencie dvoch molekúl DNA. Ak sú sekvencie rovnaké, umiestni do grafu bodku. Ak by ste porovnali dva identické chromozómy, dostali by ste priamku idúcu z ľavého horného rohu grafu do pravého dolného rohu. Ak sú dve molekuly DNA podobné, ale nie identické, dostanete bodkovanú čiaru, ak sú veľmi odlišné, neexistuje žiadna čiara. Čím sú sekvencie podobné, tým je bodkovaná čiara tmavšia. (Upravené na základe povolenia od Macmillan Publishers Ltd: Ross et al., 2005.)

Po evolúcii SRY boli X a Y naďalej veľmi podobné, až kým na chromozóme Y nenastala veľká inverzia. V tomto bode nemohla existovať žiadna rekombinácia medzi X a Y po celej dĺžke tejto inverzie. Ďalšie zmeny chromozómu Y ďalej inhibovali jeho schopnosť rekombinácie s X. Gény na tomto úseku DNA mohli byť zachované na chromozóme X, pretože chromozómy X sa rekombinujú, keď sú u žien. Ale pretože tieto gény na Y sa nikdy nemohli rekombinovať, viac ako 1000 z nich sa stratilo. Tieto gény a s nimi spojené „znaky spojené s pohlavím“, ako sú červené a zelené čapíky (farbosleposť) a faktory VIII a IX (hemofília), sa nachádzajú na X chromozóme, ale nie na Y a boli pravdepodobne na pôvodnom páre autozómov. Malé pseudoautozomálne oblasti existujú na oboch koncoch chromozómov X a Y u ľudí a na jednom konci u iných cicavcov. Tu X a Y zostávajú homológne, rekombinujú sa a párujú počas meiózy. Môžete sa opýtať, prečo bol vybraný nerekombinantný chromozóm Y. Je pravdepodobné, že neprekríženie s X je výhodou, takže SRY sa pravidelne neprenáša na X chromozóm. Keďže počas meiózy dochádza v priemere k dvom až trom kríženiam na chromozóm, je to veľmi reálna obava.

Na ľudskom Y je 76 génov kódujúcich proteín, ktoré kódujú 26 rôznych proteínov, pretože niekoľko génov kóduje ten istý proteín. Tieto gény sa takmer výlučne týkajú mužskej plodnosti: muži s deléciami v nich nemajú žiadne súvisiace zdravotné problémy okrem neplodnosti. These genes have probably migrated to the Y chromosome from various autosomes in the last few hundred million years. Since these genes do not recombine, how are they preserved over evolutionary time?


MSCI: a consequence of synaptic failure

Over recent years it has become apparent that MSCI is in fact a manifestation of MSUC, a more general meiotic-silencing mechanism(Schimenti, 2005) (see Table 1). In meiotic cells,homologues synapse via a proteinaceous scaffold called the synaptonemal complex (SC). The SC consists of two axial elements, which form during leptotene between the sister chromatids, and of a central component, which forms as synapsis takes place (de Boer and Heyting, 2006). Meiotic DNA is arranged in loops that attach at their base to these axial elements (see Fig. 2C). As the X and Y chromosomes only synapse via a homologous distal segment, such that much of the X and Y axial elements are unsynapsed during pachytene, the proteins involved in MSCI might be expected to localise to the chromatin of the arms of the DNA loops, surrounding the axial element, where most genes reside. Indeed,this is exactly where γH2AX is found(Turner et al., 2004). However, prior to MSCI initiation, both BRCA1 and ATR associate exclusively with the axial element of the X and Y chromosomes(Turner et al., 2004)(Fig. 2C). Shortly after, ATR translocates from the axial element to the chromatin loops, concomitant with the appearance of γH2AX at those sites(Fig. 2D). Based on the association of BRCA1 and ATR with the unsynapsed X and Y chromosome axial element, and on their absence from the distal regions of synapsed sex chromosomes, it was proposed that MSCI and a lack of synapsis were intimately linked (Turner et al., 2004). It became apparent that BRCA1 and ATR were recognizing the axial elements of the X and Y chromosomes simply because they were unsynapsed, rather than because of some special feature of these chromosomes.

Schematic representation of MSCI. (A) During leptotene,widespread ATM-dependent H2AX phosphorylation occurs in response to meiotic-DNA DSB formation. BRCA1 and ATR form foci on newly forming axial element (AEs). (B) During zygotene, synapsis coincides with the loss of BRCA1, ATR and γH2AX from autosomal AEs. BRCA1, ATR and γH2AX remain as foci on the AEs of autosomes that have not yet synapsed and on the AE of the X chromosome. (C) Zygotene-pachytene transition. Autosomal synapsis is complete and recombination-related γH2AX disappears. BRCA1-and ATR-staining becomes linear on the X and Y AEs. Meiotic DNA is arranged in loops attached at their bases to the AEs. (D) Early pachytene. ATR translocates along DNA loops, where it phosphorylates H2AX, resulting in MSCI and in the formation of the sex body. (E) Mid-to-late pachytene. Other histone modifications [e.g. the production of H3K9me2, uH2A and histone variants (e.g. H2AFY)] ensure the maintenance of MSCI. (F)Diplotene-to-diakinesis. The X and Y chromosomes migrate to the centre of the nucleus. BRCA1, ATR and γH2AX are lost from the X and Y chromosomes, but the other modifications remain. These modifications ensure the maintenance of MSCI throughout the meiotic divisions (G) and into spermatids(H), and is termed post-meiotic sex chromosome repression (PSCR).

Schematic representation of MSCI. (A) During leptotene,widespread ATM-dependent H2AX phosphorylation occurs in response to meiotic-DNA DSB formation. BRCA1 and ATR form foci on newly forming axial element (AEs). (B) During zygotene, synapsis coincides with the loss of BRCA1, ATR and γH2AX from autosomal AEs. BRCA1, ATR and γH2AX remain as foci on the AEs of autosomes that have not yet synapsed and on the AE of the X chromosome. (C) Zygotene-pachytene transition. Autosomal synapsis is complete and recombination-related γH2AX disappears. BRCA1-and ATR-staining becomes linear on the X and Y AEs. Meiotic DNA is arranged in loops attached at their bases to the AEs. (D) Early pachytene. ATR translocates along DNA loops, where it phosphorylates H2AX, resulting in MSCI and in the formation of the sex body. (E) Mid-to-late pachytene. Other histone modifications [e.g. the production of H3K9me2, uH2A and histone variants (e.g. H2AFY)] ensure the maintenance of MSCI. (F)Diplotene-to-diakinesis. The X and Y chromosomes migrate to the centre of the nucleus. BRCA1, ATR and γH2AX are lost from the X and Y chromosomes, but the other modifications remain. These modifications ensure the maintenance of MSCI throughout the meiotic divisions (G) and into spermatids(H), and is termed post-meiotic sex chromosome repression (PSCR).

Turner et al. (Turner et al.,2005) questioned whether unsynapsed autosomes would also attract BRCA1, and whether this would ultimately lead to autosomal silencing. Using T(X16)16H male mice, in which an X-16 reciprocal translocation frequently results in errors in chromosome 16 synapsis, it was demonstrated that regions of unsynapsed chromosome 16 were indeed positive for BRCA1, ATR andγH2AX and were silenced (Turner et al., 2005). Baarends et al.(Baarends et al., 2005) also reported similar findings in mice that contained a translocation between chromosome 1 and 13, using uH2A as a marker of silencing. Both authors then studied the localization of MSCI proteins in the XO female mouse(Speed, 1986). These mice have only one X chromosome instead of two, and the single X chromosome has no homologous partner with which to synapse during meiosis. Both studies found that the unsynapsed chromosomes were also silenced during female meiosis. In a later study, Turner et al. (Turner et al.,2006) tested whether MSCI could be prevented by providing the normally unsynapsed X or Y chromosome with a synaptic partner. This proved to be the case. For example, in XYY mice, in which the Y chromosome is provided with an additional Y chromosome, fully synapsed YY bivalents were negative forγH2AX and evaded MSCI. These results are summarized in Fig. 3B,C,E.

Meiotic sterility caused by MSUC and by MSCI failure. (A) In normal (XY) males, silencing of the single X chromosome by MSCI is tolerated because essential X-encoded genes have autosomally integrated retrogene copies that are expressed during the precise time-window of MSCI-to-PSCR. (B)When autosomes fail to synapse, they are also silenced by MSUC. If unsynapsed autosomal segments contain a gene or genes crucial for meiosis, those genes will be silenced, causing meiotic arrest. (C) Allowing either the X or Y chromosome to synapse, as seen in XYY males, allows MSCI escape, with the ensuing expression of sex-linked genes causing meiotic arrest. (D) In XX females, all chromosomes have homologues and are thus completely synapsed.(E) In the XO female mouse, the single X chromosome has no synaptic partner and is therefore silenced by MSUC. Because no autosomal retrogenes are activated in the female gonad, these XO oocytes perish. (F) In approximately one-third of XO oocytes, the single X chromosome circumvents MSUC by synapsing non-homologously either with itself, to form a hairpin, or with other chromosomes.

Meiotic sterility caused by MSUC and by MSCI failure. (A) In normal (XY) males, silencing of the single X chromosome by MSCI is tolerated because essential X-encoded genes have autosomally integrated retrogene copies that are expressed during the precise time-window of MSCI-to-PSCR. (B)When autosomes fail to synapse, they are also silenced by MSUC. If unsynapsed autosomal segments contain a gene or genes crucial for meiosis, those genes will be silenced, causing meiotic arrest. (C) Allowing either the X or Y chromosome to synapse, as seen in XYY males, allows MSCI escape, with the ensuing expression of sex-linked genes causing meiotic arrest. (D) In XX females, all chromosomes have homologues and are thus completely synapsed.(E) In the XO female mouse, the single X chromosome has no synaptic partner and is therefore silenced by MSUC. Because no autosomal retrogenes are activated in the female gonad, these XO oocytes perish. (F) In approximately one-third of XO oocytes, the single X chromosome circumvents MSUC by synapsing non-homologously either with itself, to form a hairpin, or with other chromosomes.

Taken together, these findings demonstrate that unsynapsed chromosome regions are silenced during meiosis. Related meiotic-silencing mechanisms have previously been shown to operate in both Caenorhabditis elegans(Bean et al., 2004) and Neurospora crassa (Shiu et al.,2001), in which they may function in genome defence(Shiu et al., 2001). In C. elegans, the single X chromosome of male meiotic cells is enriched in H3K9me2, and, when autosomes fail to synapse, they acquire the same repressive histone mark (Bean et al.,2004). In Neurospora, DNA that is unsynapsed during meiosis is silenced but, in contrast to the situation in mammals(Okamoto et al., 2005), this silencing affects all homologous DNA sequences, whether those sequences are synapsed or not. For this reason, meiotic silencing in Neurospora has been termed meiotic silencing by unpaired DNA (MSUD) (see Table 1). MSUD is thought to function post-transcriptionally, because it uses components of the RNAi pathway, including the RNA-dependent RNA polymerase (RdRP) sad-1(suppressor of ascus dominance 1)(Shiu et al., 2001) and the argonaute-like protein Sms-2 (suppressor of meiotic silencing 2)(Lee et al., 2003). RdRPs function in RNAi by converting single-stranded RNA precursors into double-stranded RNA, which are then cleaved by Dicer to form short interfering RNAs (siRNAs). These small RNA molecules induce destruction of homologous mRNA via an argonaute-containing protein complex RISC (RNA-induced silencing complex) (Dawe, 2004). The data of Turner et al. (Turner et al.,2005) and Baarends et al.(Baarends et al., 2005)indicate that MSUC operates at the transcriptional level, but this does not preclude the possibility that RNAi is involved, because the core RNAi machinery can silence genes at the transcriptional level(Grewal and Jia, 2007). Indeed, a recent study has found that maelstrom (MAEL), whose Drosophila orthologue is implicated in RNAi(Findley et al., 2003),localises to the sex body (Costa et al.,2006).

A curious unanswered question is why does MSUC/MSCI use proteins involved in DSB repair? As already outlined, in mammals, meiotic DNA-DSB formation precedes synapsis (see Box 1). When synapsis fails, the resulting unsynapsed chromosome axes are replete with unrepaired DNA DSBs. Could it be that unsynapsed axes are recognized as such through the presence of BRCA1-bound DSBs, which act as nucleation centres for the later MSUC response? Two studies have found that mice with a mutation in Spo11, which encodes an enzyme responsible for meiotic DSB formation, have defective MSCI, indicating a requirement for DSBs in meiotic silencing(Bellani et al., 2005 Barchi et al., 2005). However,other data suggests that meiotic DSBs actually antagonize the MSCI response,possibly by sequestering the MSCI machinery and thereby preventing its relocation to the XY bivalent (Barchi et al., 2005 de Vries et al.,2005).


Sex Chromosomes and Meiosis

While there are several different systems for sex determination, for simplicity's sake we will focus on the X-Y system of sex determination to examine sex-linked inheritance. During meiosis, the two X chromosomes (found in females) or the X a Y chromosomes (found in males) pair together but undergo little crossing over. One of these chromosomes goes to each gamete, so females produce gametes with only X chromosomes, whereas males produce equal numbers of gametes with either an X alebo Y chromosome. If two gametes with X chromosomes undergo fertilization, the resultant offspring will be female (XX). That is, if an ovum with an X chromosome and a sperm with an X chromosome combine, the resultant offspring will be female. However, if an ovum with an X chromosome and a sperm with a Y chromosome combine, the offspring will be male (XY). While it has long been known that the X chromosome contains a substantial number of genes, researchers have only recently found genes on the Y chromosome, most of which are associated with the development of male gonads. Therefore, it appears that a gene (or genes) on the Y chromosome provides the biochemical signal that begins the development of male gonads in embryos.


Sperm Are Produced Continuously in Most Mammals

In mammals, there are major differences in the way in which eggs are produced (oogenesis) and the way in which sperm are produced (spermatogenesis). In human females, for example, oogonia proliferate only in the fetus, enter meiosis before birth, and become arrested as oocytes in the first meiotic prophase, in which state they may remain for up to 50 years. Individual oocytes mature from this strictly limited stock and are ovulated at intervals, generally one at a time, beginning at puberty. In human males, by contrast, meiosis and spermatogenesis do not begin in the testes until puberty and then go on continuously in the epithelial lining of very long, tightly coiled tubes, called seminiferous tubules. Immature germ cells, called spermatogónia (singular, spermatogonium), are located around the outer edge of these tubes next to the basal lamina, where they proliferate continuously by mitosis. Some of the daughter cells stop proliferating and differentiate into primary spermatocytes. These cells enter the first meiotic prophase, in which their paired homologous chromosomes participate in crossing-over, and then proceed with division I of meiosis to produce two secondary spermatocytes, each containing 22 duplicated autosomal chromosomes and either a duplicated X or a duplicated Y chromosome. The two secondary spermatocytes derived from each primary spermatocyte proceed through meiotic division II to produce four spermatids, each with a haploid number of single chromosomes. These haploid spermatids then undergo morphological differentiation into sperm (Figure 20-27), which escape into the lumen of the seminiferous tubule (Figure 20-28). The sperm subsequently pass into the epididymis, a coiled tube overlying the testis, where they undergo further maturation and are stored.

Figure 20-27

The stages of spermatogenesis. Spermatogonia develop from primordial germ cells that migrate into the testis early in embryogenesis. When the animal becomes sexually mature, the spermatogonia begin to proliferate rapidly, generating some progeny that (more. )

Figure 20-28

Highly simplified drawing of a cross section of a seminiferous tubule in a mammalian testis. (A) All of the stages of spermatogenesis shown take place while the developing gametes are in intimate association with Sertoli cells. These large cells extend (more. )

An intriguing feature of spermatogenesis is that the developing male germ cells fail to complete cytoplasmic division (cytokinesis) during mitosis and meiosis. Consequently, large clones of differentiating daughter cells that have descended from one maturing spermatogonium remain connected by cytoplasmic bridges, forming a syncytium (Figure 20-29). The cytoplasmic bridges persist until the very end of sperm differentiation, when individual sperm are released into the tubule lumen. This accounts for the observation that mature sperm arise synchronously in any given area of a seminiferous tubule. But what is the function of the syncytial arrangement?

Figure 20-29

Cytoplasmic bridges in developing sperm cells and their precursors. The progeny of a single maturing spermatogonium remain connected to one another by cytoplasmic bridges throughout their differentiation into mature sperm. For the sake of simplicity, (more. )

Unlike oocytes, sperm undergo most of their differentiation after their nuclei have completed meiosis to become haploid. The presence of cytoplasmic bridges between them, however, means that each developing haploid sperm shares a common cytoplasm with its neighbors. In this way, it can be supplied with all the products of a complete diploid genome. Developing sperm that carry a Y chromosome, for example, can be supplied with essential proteins encoded by genes on the X chromosome. Thus, the diploid genome directs sperm differentiation just as it directs egg differentiation.

Some of the genes that regulate spermatogenesis have been conserved in evolution from flies to humans. The DAZ gene, for example, which encodes an RNA-binding protein and is located on the Y chromosome, is deleted in many infertile men, many of whom cannot make sperm. Dva Drosophila genes that are homologous to DAZ are essential for spermatogenesis in the fly. RNA-binding proteins are especially important in spermatogenesis, because many of the genes expressed in the sperm lineage are regulated at the level of RNA translation.


INTERACTION BETWEEN THE SPINDLE AND CHROMOSOMES

Chromosome–microtubule interactions in oocytes may be 𠇍ifferent” from those in mitosis. In mitosis, the main interaction is provided by kinetochores, which interact with dynamic microtubule ends. In the simplest model of mitosis, microtubules nucleated from centrosomes capture kinetochores and generate pulling forces (the “search and capture” model) (Kirschner and Mitchison 1986). When sister kinetochores are attached to microtubules from the opposite poles, chromosomes becomes congressed to the metaphase plate. The pulling forces acting between kinetochores and the opposite poles are resisted by cohesion among sister chromatids, and destruction of cohesin at the onset of anaphase triggers the movement of sister chromatids toward the poles. Although kinetochores are also important in meiosis, nonkinetochore interactions seem more prominent in oocytes than in mitotic cells.

In mouse, it has been shown that kinetochore-microtubule end-on attachment is not properly established until well after chromosome congression at the spindle equator (Brunet et al. 1999). Chromosomes move toward the spindle equator by sliding along the surface of the spindle without end-on attachment, leading to ring arrangement of chromosomes at the spindle equator (Kitajima et al. 2011). This congression is followed by trial-and-error establishment of bipolar end-on attachment of homologous kinetochores at the spindle equator. Full stable end-on attachment will not be achieved until several hours after nuclear envelope breakdown, and the delay of end-on attachment in oocytes appears to be caused by slow gradual increase of Cdk1 activity (Davydenko et al. 2013). An artificial premature increase of Cdk1 activity resulted in the premature establishment of attachment. As this also increased the lagging chromosomes in anaphase I, slow increase of Cdk1 activity is proposed to delay stable attachment until spindle bipolarity is established. It remains to be established how the chromosomes congress to the spindle equator without end-on microtubule attachment to kinetochores or how a gradual increase of Cdk delays the microtubule attachment to kinetochores.

Observations in C. elegans oocytes also indicated different contributions of kinetochores in meiosis to those in mitosis. First, microtubules appear to interact with chromosomes laterally during chromosome congression. This congression is at least partly mediated by the chromokinesin KLP-19, which localizes to the junction among the homologs (Wignall and Villeneuve 2009). Furthermore, inactivation of kinetochores by RNA interference (RNAi) resulted in less tight congression and misorientation of chromosomes relative to the spindle axis. Surprisingly, chromosomes without active kinetochores can separate during anaphase at a speed comparable with the wild type (Dumont et al. 2010). Anaphase chromosome movement seems to be driven by the elongation of spindle microtubules among separating homologous chromosomes. However, it should be noted that C. elegans centromeres are not restricted to small regions, as kinetochores are formed along proximal parts of chromosomes in meiosis (Dumont et al. 2010).

How do the chromosomes move without end-on attachment in oocytes? Even in mitosis, there is evidence of such forces acting on chromosomes. Polar ejection forces act on chromosome arms and are involved in chromosome congression at the metaphase plate (Rieder and Salmon 1994). When chromosomes were artificially cut, a chromosome fragment that lacked kinetochores moved toward the spindle equator (Rieder et al. 1986). Chromokinesins play a part in polar ejection forces, but interaction of chromosome arms with growing microtubule plus ends can also generate such forces. V prípade Drosophila oocytes, the chromokinesin Nod is thought to generate polar ejection forces (Theurkauf and Hawley 1992 Matthies et al. 1999). Nod is an immotile kinesin but can promote microtubule polymerization (Cui et al. 2005). In mouse oocytes, the chromokinesin Kid is dispensable for chromosome congression (Kitajima et al. 2011).


Forensic Science

Leonor Gusmão María Brión Iva Gomes , in Handbook of Analytical Separations , 2008

30.1 Introduction

30.1.1 Y-chromosome structure

The Y chromosome is one of the smallest human chromosomes, with an estimated average size of 60 million base pairs (Mb) ( Fig. 30.1 ). During male meiosis recombination only takes place in the pseudoautosomal regions at the tips of both arms of Y and X chromosomes (PAR1, with 2.6 Mb, and PAR 2, with 0.32 Mb). Along ∼95% of its length the Y chromosome is male-specific and effectively haploid, since it is exempt from meiotic recombination. Therefore, this Y-chromosome segment where X-Y crossing over is absent has been designated as the non-recombining region of the Y chromosome or NRY. Because of the high non-homologous recombination occurring within this Y chromosome specific region, a more appropriately name of male-specific region or MSY is nowadays used to designate it [1] .

Fig. 30.1 . Y-Chromosome structure.

The MSY is a mosaic of heterochromatic and euchromatic regions. Besides the centromeric heterocromatin, a large heterochromatic region is located on the distal long arm of the Y chromosome (Yq) and constitutes more than half of the chromosome in some normal males, but is virtually undetectable in others [2] . A third heterochromatic region was recently discovered by Skaletsky a kol. [1] , interrupting the euchromatic sequences of proximal Yq (see Fig. 30.1 ). These regions are composed of highly repeated sequences of non-functional DNA: DYZ1, DYZ2, DYZ3, DYZ17, DYZ18, and DYZ19.

The euchromatin is a constant size region and includes sequences homologous to the X chromosome, Y-specific repetitive sequences, and all the genes identified in the Y chromosome, which include the now identified 27 distinct protein-coding genes or gene families. Near-complete sequence of the Y-chromosome euchromatin has been recently revealed by Skaletsky a kol. [1] that classifies the euchromatic sequences into three categories. First, the X-transposed, consisting in a stretch recently transposed from the X chromosome – ∼3–4 million years ago, that still presents 99% homology to their X-chromosome counterparts. Second, the X-degenerate, consisting of a class of sequences more distantly related to the X chromosome – remnants of ancient autosomal sequences from which the modern X and Y derive. And at last, the ampliconic class composed largely of sequences that exhibit as much as 99.9% identity to other sequences in the MSY, maintained by frequent Y–Y gene conversion events. These sequences are located in seven segments scattered across the long and proximal short arms, and the most striking structural feature are eight massive palindromes located in the ampliconic regions of Yq, six of which carry testis genes.

30.1.2 The evolution of sex chromosomes

The similarities between the X and Y chromosome sequences are consistent with the hypothesis of a common origin. The mammalian advanced sex chromosome systems originated 300 million years ago from systems in which the X and Y were initially largely genetically homologous [3,4] . The evolution of sex chromosomes involved mechanisms of restriction of gene recombination, transposition, and translocation. The sequence of events that induced the morphological and genetic differentiation of the X and Y chromosomes and the genetic inactivation of the Y-chromosome genes is still not completely understood. The presently accepted explanation of the differentiation of the initially morphologically homogeneous X and Y chromosomes invokes successive processes where alternated steps of mutation and restriction of recombination were involved ( Fig. 30.2 ).

Fig. 30.2 . Differentiation of the initially morphologically homogeneous X and Y chromosomes.

In time, the Y chromosome comes to carry genes that are beneficial to the male but not to the female sex. If linked to the sex-determining region of the Y chromosome, those genes, favored in males and selected negatively in females, will tend to spread through the population. In order to keep this genetic heterogeneity between X and Y chromosomes, restriction of recombination involves sex determination genes and loci controlling secondary sexual characteristics being promoted by selection mechanisms. In a process referred to as “Muller ratchet,” the lack of exchange through all or part of the originally homologous X and Y chromosomes will accumulate deleterious recessive mutations, since they are not restricted by selection. If there is no recombination, some mutations are more liable to be lost from the population and spread of a favorable Y-linked mutant allele through a population that would allow for the fixation of deleterious alleles at other loci. The accumulation of recessive deleterious alleles on the Y chromosome favors a selection for increased activity of the homologous loci on the X chromosome. On the other hand, with the reduction of Y chromosome genetic activity, there will be weak selection against insertions into the Y chromosome. In the absence of gene exchange and selective pressures, transposable elements and tandem repeat sequences are expected to accumulate, leading to a step-by-step reduction of the Y activity.

Sequencing of the MSY provided the opportunity to reexamine the model of evolution of the human sex chromosomes, showing that it is a consequence of two opposed evolutionary dynamics acting on the Y chromosome: gene decay versus gene acquisition and conservation [1,5] .

Because of the presence of MSY gene pairs in the ampliconic sequences of the euchromatin which are subject to frequent gene conversion [1,5] , and of the little or no X-degenerate gene loss or decay observed during the last 6 million years of human evolution [6] , the predictions that the Y chromosome would be vanished completely in the next 10 million years seem to no longer have support.

30.1.3 The Y-chromosome inheritance

As a result of the evolutionary process, exchange between X and Y chromosomes is limited to two small regions of the X-Y pair and, consequently, to a great extent, the Y chromosome is paternally inherited and haploid. Along generations, the MSY is transmitted from father to son unchanged unless a mutational event takes place. For this reason, the Y chromosome contains a record of all the mutational events that occurred among his ancestors, reflecting the history of paternal lineage. Therefore, all modern Y chromosomes have a single paternal ancestor, on their male-specific region.

30.1.4 Y-chromosome-specific polymorphisms

In 1985, Casanova a kol. [7] undertook the first search for Y-linked restriction fragment length polymorphisms (RFLPs) in humans, with the report of two Y-specific polymorphisms. This and latter surveys on Y-specific markers by RFLP studies [8–10] and sequence analysis [11,12] emphasized the low level of polymorphism of this chromosome, compared with other chromosomes [13] . The attempt to identify new Y-specific polymorphisms in different population samples, mainly in Caucasians [8,9] and Africans [10] , showed that the Y chromosome is apparently devoid of polymorphic genetic markers. Jakubiczka a kol. [8] estimated a frequency of less than 1 point mutation in 18,000 nucleotides, and Malaspina a kol. [9] calculated less than 1 per 46,515 nucleotides. Spurdle and Jenkins [10] screened a 20,808 bp segment for Y-specific RFLPs and did not detect any new polymorphism.

The low variation found in the Y chromosome was unexpected in view of its origin and is best explained, simply, by its presence at one quarter of the frequency of the autosomes, in diploid populations. Therefore, it is especially subject to drift that will be reflected in a corresponding reduced diversity [14] . The effective population size of the Y chromosome can also be reduced by a particular pattern of mating behavior found in specific populations. The lack of recombination also explains the low Y chromosome variation found, due to the effect of selective pressure in which a whole haplotype is involved instead of a specific allele [15] .