Jak proces mejozy redukuje o połowę liczbę chromosomów: crossing-over, mejoza I i zmienność genetyczna. Tłumaczenie na język polski zrealizowane przez Fundację Edukacja dla Przyszłości dzięki wsparciu Fundacji „HASCO-LEK".

Wstęp

Mitoza jest wykorzystywana w niemal każdej komórce ciała, która potrzebuje się dzielić. Powoduje ona, że zwiększa się ilość komórek podczas rozwoju oraz następuje wymiana starych, zużytych komórek podczas twojego życia. Celem mitozy jest namnażanie komórek potomnych, które są ogólnie identyczne względem własnych komórek macierzystych, mniej więcej co jednego chromosomu.
Z drugiej strony, mejoza jest wykorzystywana w ludzkim ciele do produkcji gamet - komórek płciowych, plemników i komórek jajowych. Jej celem jest stworzenie komórek potomnych z dokładnie połową liczby chromosomów komórki macierzystej.
Inaczej ujmując, mejoza u ludzi jest procesem podziału, który przeprowadza nas od komórki diploidalnej (tej z dwoma zestawami chromosomów), do komórek haploidalnych (tych z pojedynczym zestawem chromosomów). U ludzi plemniki i komórki jajowe są komórkami haploidalnymi wytworzonymi w mejozie. Kiedy plemnik i komórka jajowa łączą się w procesie zapłodnienia, dwa haploidalne zestawy chromosomów tworzą kompletny, diploidalny garnitur chromosomów - nowy genom.

Fazy mejozy

Pod wieloma względami mejoza nie przypomina mitozy. Komórka przechodzi przez podobne etapy i stosuje podobne strategie, aby organizować i rozdzielać chromosomy. Jednakże w mejozie komórka ma bardziej skomplikowane zadanie. Nadal, tak jak w mitozie, ma rozdzielić chromatydy siostrzane (dwie połowy zduplikowanego chromosomu). Ale także musi rozdzielić chromosomy homologiczne, podobne, ale nie identyczne pary chromosomów, które organizm otrzymuje od dwojga swoich rodziców.
Oba cele są osiągane w mejozie podczas dwustopniowego procesu podziału. Pary homologiczne rozdzielają się podczas pierwszej części podziału komórki, nazywanej mejozą I. Chromatydy siostrzane oddzielają się podczas drugiej części, nazywanej mejozą II.
Ponieważ podział komórki ma miejsce dwa razy podczas mejozy, z jednej komórki mogą powstać cztery gamety (komórki jajowe lub plemniki). W każdej rundzie podziału komórki przechodzą przez cztery etapy: profazę, metafazę, anafazę i telofazę.

Mejoza I

Przed wejściem w mejozę I, komórka na początku musi przejść przez interfazę. Tak jak w mitozie, komórka rośnie w fazie G1_1, kopiuje wszystkie swoje chromosomy podczas fazy S i przygotowuje się do podziału podczas fazy G2_2.
Podczas profazy I zaczynają uwidaczniać się różnice między mitozą i mejozą. Tak jak w mitozie, chromosomy kondensują, ale w mejozie I także parują się. Każdy chromosom dokładnie układa się wraz ze swoim homologicznym partnerem, więc oba dopasowują się odpowiadającymi między sobą pozycjami na chromosomach na całej ich długości.
Na przykład, jak na poniższym rysunku, litery A, B i C reprezentują geny znajdujące się w konkretnych miejscach na chromosomie, z wielkimi i małymi literami dla różnych form lub alleli każdego genu. DNA pęka w tych samych miejscach na każdym z homologów i tu, pomiędzy genami B i C, ponownie przyłącza się na krzyż, dzięki temu homologi wymieniają fragmenty swojego DNA.
Proces, w którym homologiczne chromosomy wymieniają się swoimi fragmentami, jest nazywany crossing-over. Jest on wspierany przez białkową strukturę nazywaną kompleksem synaptonemalnym, który utrzymuje homologi razem. Chromosomy podczas crossing-over są ułożone jeden nad drugim (jak na poniższym rysunku). Zostało jeszcze pokazane na powyższym rysunku, że są one ułożone wspólnie. W związku z tym jest łatwiej zobaczyć wymianę materiału genetycznego.
Miejsca skrzyżowań wymiany odcinków chromatyd możesz zobaczyć pod mikroskopem jako chiazmy, struktury przypominające skrzyżowania, gdzie homologi są ze sobą połączone. Chiazmy utrzymują homologi połączone ze sobą po zaniku kompleksu synaptonemalnego, więc każda para homologiczna potrzebuje co najmniej jednej. Jest powszechne, że występują wielokrotne skrzyżowania (do 2525) dla każdej pary homologicznej1^1.
Miejsca występowania crossing-over są mniej lub bardziej przypadkowe, co prowadzi do uformowania nowych, "zmiksowanych" chromosomów z unikalną kombinacją alleli.
Po crossing-over, wrzeciono kariokinetyczne zaczyna wyłapywać chromosomy i porusza nimi ku centrum komórki (płytki metafazowej). Może to wyglądać podobnie do mitozy, ale jest tutaj pewna zawiłość. Każdy chromosom przyczepia się do mikrotubul tylko od jednego bieguna wrzeciona kariokinetycznego i dwa homologi z pary przyłączają się do mikrotubul z przeciwległych biegunów. W metafazie I, pary homologiczne, nie indywidualne chromosomy, układają się do rozdziału w linię w płytce metafazowej.
Kiedy pary homologiczne układają się w rzędzie w płytce metafazowej, orientacja każdej z par jest przypadkowa. Na przykład, jak na powyższym schemacie, różowa wersja dużego chromosomu i różowa wersja małego chromosomu są ułożone w kierunku tego samego bieguna i wędrują do tej samej komórki. Ale orientacja może równie dobrze może zostać odwrócona, więc oba fioletowe chromosomy powędrują razem do komórki. To pozwala na uformowanie gamet z różnymi zestawami homologów.
W anafazie I homologi są rozciągane i przemieszczają się ku przeciwległym krańcom komórki. Jednakże chromatydy siostrzane każdego chromosomu pozostają przyłączone jedna do drugiej i nie rozdzielają się.
Ostatecznie w telofazie I chromosomy wędrują ku przeciwległym biegunom komórki. W niektórych organizmach, błona jądrowa ponownie formuje się a chromosomy dekondensują, chociaż w niektórych ten etap jest pomijany - do momentu, kiedy przejdą kolejną rundę podziału - mejozę II2,3^{2,3}. Cytokineza zwykle pojawia się w tym samym czasie co telofaza I, tworząc dwie, haploidalne komórki potomne.

Mejoza II

Komórki przechodzą od mejozy I do mejozy II bez kopiowania swojego DNA. Mejoza II jest krótszym i prostszym procesem niż mejoza I i dla łatwiejszego zrozumienia możesz o niej myśleć jak o "mitozie dla komórek haploidalnych".
Komórki, które wchodzą w mejozę II są tymi utworzonymi w mejozie I. Te komórki są haploidalne - mają tylko jeden chromosom z każdej homologicznej pary, ale ich chromosomy nadal składają się z dwóch chromatyd siostrzanych. W mejozie II, chromatydy siostrzane oddzielają się, tworząc komórki haploidalne z niezduplikowanymi chromosomami.
Podczas profazy II, chromosomy kondensują i zanika otoczka jądrowa, jeśli jest to niezbędne. Centrosomy oddalają się od siebie, wrzeciono kariokinetyczne zaczyna się formować między nimi i mikrotubule wrzeciona zaczynają wychwytywać chromosomy.
Dwie chromatydy siostrzane każdego z chromosomów są związane przez mikrotubule z przeciwległych biegunów wrzeciona. W metafazie II, chromosomy układają się w rzędzie w płytce metafazowej. W anafazie II, chromatydy siostrzane oddzielają się i są rozciągane ku przeciwległym biegunom komórki.
W telofazie II, formują się błony jądrowe wokół każdego zestawu chromosomów oraz chromosomy dekondensują. Cytokineza rozdziela zestawy chromosomów do nowych komórek, formując końcowe produkty mejozy: cztery komórki haploidalne, w których każdy z chromosomów ma tylko jedną chromatydę. Produktami mejozy u ludzi są plemniki i komórki jajowe.

Jak mejoza "miesza i dobiera" geny

Wszystkie gamety wytworzone w mejozie są haploidalne, ale nie są identyczne genetycznie. Na przykład spójrz na powyższy schemat mejozy II, który pokazuje produkty mejozy dla komórki z chromosomami 2n=42n=4. Każda gameta ma swoją niepowtarzalną "próbkę" materiału genetycznego obecnego w komórce początkowej.
Jak się okazuje, istnieje o wiele więcej potencjalnych rodzajów gamet niż tylko te cztery widoczne na schemacie, nawet dla komórki z tylko czterema chromosomami. Dwa główne powody, dzięki którym można otrzymać wiele różnych genetycznie gamet, to:
  • Crossing-over. Miejsca, gdzie homologi krzyżują się i wymieniają materiał genetyczny, są wybierane mniej lub bardziej przypadkowo i mogą być różne w każdej z komórek, która przechodzi mejozę. Jeśli mejoza zdarza się wiele razy, tak jak u ludzi, miejsca crossing-over występują w wielu różnych punktach.
  • Przypadkowa orientacja par homologicznych. Przypadkowa orientacja homologicznych par w metafazie I pozwala na wytworzenie gamet z wieloma odmiennymi mieszankami chromosomów homologicznych.
W ludzkich komórkach tylko przypadkowa orientacja par homologicznych pozwala na ponad 88 millionwoˊ\text{millionów} możliwych różnych typów gamet7^7. Kiedy nałożymy na to proces crossing-over, liczba genetycznie różnych gamet, które Ty lub jakakolwiek inna osoba możesz wytworzyć jest ogromna, ale skończona.
Obejrzyj film o różnorodności gatunków, aby dowiedzieć się jak uzyskiwana jest różnorodność genetyczna w procesie mejozy (i zapłodnienia), jak ważna jest w ewolucji i jak pomaga przetrwać populacjom.
Ładowanie