Ugrás a tartalomhoz

Genetika és genomika

Falus András, László Valéria, Tóth Sára, Oberfrank Ferenc, Pap Erna, Dr. Szalai Csaba (2014)

Typotex Kiadó

A meiózis

A meiózis

A genetikai információnak generációról generációra történő átadásának két formája van. Az evolúció során először az ivartalan szaporodás alakult ki, amely elsősorban az alacsonyabb rendűekre jellemző. Meglehetősen egyszerű folyamat, egyetlen szülő kell hozzá, és mivel mitotikus osztódással kialakuló szomatikus sejtekből, sejtcsoportokból lesznek az utódok, ezért genetikailag azonosak lesznek a szülőegyeddel.

Az ivaros szaporodásnak, amelyhez két szülőegyed kell, az a lényege, hogy ennek a két szülőnek a genomja keveredik egymással, így az utódok különböznek mind a szüleiktől, mind pedig egymástól. Az ivaros szaporodásnak egyik fontos evolúciós előnye, hogy egy adott faj egyedeinek genetikai változékonyságával lehetővé válik az előre nem jósolható, váratlan környezeti tényezőkhöz való alkalmazkodás. Nagyon fontos tehát a fajok fennmaradása szempontjából. A folyamat fontosságát az is bizonyítja, hogy még azoknál az alacsonyabb rendű élőlényeknél is, ahol az ivartalan szaporodás a jellemző (pl. a baktériumoknál, az egysejtűeknél), előfordul az ún. genetikai rekombináció, amellyel idegen DNS, információ jut a sejtekbe, és így a genetikai változatosság biztosítható.

Ez a rekombináció az ivarosan szaporodó élőlényeknél egy speciális sejtosztódás, a meiózis során történik, amikor kialakulnak az ivarsejtek, ill. a gaméták, a növényekben pedig a spórák.

Az ivarosan szaporodó élőlényeknél lényegében a sejteknek két nemzedéke váltogatja egymást: egy diploid sejtekből álló, amely meiózissal haploid sejteket hoz létre, és a haploid sejtekből álló, amely pl. alacsonyabb rendű növényeknél domináló lehet, de magasabb rendűeknél már erősen redukálódott, sőt állatokban egyetlen sejtre, az ivarsejtre korlátozódik.

A haploid gaméták egyesülésével (megtermékenyítés), a zigóta kialakulásával helyreáll a fajra jellemző diploid kromoszómaszám, és kezdetét veszi egy új egyed élete.

Hogyan alakulnak ki ezek a haploid sejtek? A folyamat lényege az előzőek alapján kettős: a meiózis során egyrészt feleződik a kromoszómaszám, másrészt pedig keveredik a genetikai információ.

A meiózis szakaszai

A meiózis két egymást követő sejtosztódásból áll.

– Az első osztódás profázisa során a mitózishoz hasonlóan, természetesen kialakulnak a kromoszómák, eltűnik a magból a magvacska és a végén a maghártya lebomlik. A profázisban történik a homológ rekombináció, amelynek során a homológ (azonos méretű és alakú apai, illetve anyai eredetű) kromoszómák párba állnak, és bizonyos területeik kicserélődnek egymással.

Ez a meiózis leghosszabb szakasza, amely 5 alszakaszra osztható: leptotén, zigotén, pachitén, diplotén és diakinézis. A vékony fonalakként látható kétkromatidás (az osztódást megelőző interfázis S szakaszában a DNS megkettőződik) kromoszómák a leptotén szakaszban, random módon, mindkét végükkel a maghártyához horgonyzódnak ki, majd a maghártya egy a centroszómához közel eső pontjánál csoportosulnak, mintegy virágcsokrot alkotva (bouquet konfiguráció). Ezáltal a homológ kromoszómák egymáshoz közel kerülnek, ami szükséges a következő szakaszhoz. A zigotén szakaszban kezdődik el a homológ kromoszómák párba állása, más néven szinapszisa. Az újabb vizsgálatok szerint még a párba állást megelőzően, még a leptotén szakasz elején, több száz helyen duplaszálú DNS-törés következik be, és csak ezt követi a szinapszis. A párba állást egy ún. szinaptonémás komplex segíti, amelyet leginkább egy létrához lehet hasonlítani. Laterális és tranzverzális elemei különíthetők el. Az utóbbiak átfedő területeit centrális elemeknek nevezik (1.12. ábra).

1.12. ábra - A szinaptonémás komplex szerkezete. Létraszerűen tartja össze a homológ kromoszómákat, a bivalenseket, a tetrádokat – http://drugline.org/img/term/synaptonemal-complex-14373_1.jpg; 2013. 02. 20.

A szinaptonémás komplex szerkezete. Létraszerűen tartja össze a homológ kromoszómákat, a bivalenseket, a tetrádokat – http://drugline.org/img/term/synaptonemal-complex-14373_1.jpg; 2013. 02. 20.

A DNS feltekeredése révén egyre jobban láthatóvá válnak a kromoszómák, miközben párba állásuk a pachitén szakaszban befejeződik. A bivalens (két kromoszómát tartalmazó) kromoszómák tetrádokat képeznek (2x2 kromatida), ami látszólag kromoszómaszám-csökkenést eredményez (pszeudoredukció). A dupla szálú DNS-törések többsége kijavítódik, de egy részük homológ rekombinációhoz, crossing overhez (átkereszteződés) vezet, azaz az egyes, egymásnak megfelelő kromatidaterületek kicserélődnek. Ez a folyamat valószínűleg a szinaptonémás komplexen ilyenkor megjelenő, ún. rekombinációs csomók, hatalmas 100 nm-es multienzim komplexek segítségével történik. A crossing over molekuláris mechanizmusának részleteire itt nem térünk ki. A lényege az, hogy a szomszédos kromatidák között reciprok módon bizonyos szakaszok kicserélődnek. A crossing over bármelyik két kromatida között létrejöhet, a testvérkromatidák között csakúgy, mint az apai és anyai, nem testvér kromatidák között. A géneknek új kombinációja azonban csak akkor keletkezik, ha az apai és anyai eredetű kromatidák rekombinálódnak egymással. Egy pár kromoszómát tekintve 1–3 crossing overrel lehet számolni. Még az egymással csak igen kis területen homológ X- és Y-kromoszómák rövid karjai között is, az ún. PAR1 (pszeudoautoszomális régió) minden esetben történik átkereszteződés. A rekombináció fontosságát bizonyítja az is, hogy újabban ellenőrzési pont létére utaló eredményeket kaptak. Ennek az ellenőrzési pontnak a funkciója a crossing overek kialakulásának és lefolyásának az ellenőrzése.

A diplotén szakaszban a szinaptonémás komplex nagyrészt eltűnik, a homológok egy kissé eltávolodnak egymástól, a kromoszómák csak a crossing over területén maradnak összekapcsolódva, ezeket kiazmáknak nevezzük. Végül a diakinézisben, a bivalensekben a homológokat a kiazmák, a testvérkromatidákat pedig a kohezin tartja össze, ami a következőkben csak a centromér régiónál marad meg. A profázis során kialakul a kromoszómák kinetokor régiója, és ellentétben a mitózissal, itt egy kromoszóma mindkét kromatidája egy irányba, az egyik pólus felé néz, ugyanakkor a két kromoszómáé viszont különböző pólusok felé (1.13. ábra)

1.13. ábra - A kinetokorok eltérő irányultsága mitózisban és meiózis I-ben – http://www.cell.com/retrieve/pii/S0092867406011524; 2013. 02. 20.

A kinetokorok eltérő irányultsága mitózisban és meiózis I-ben – http://www.cell.com/retrieve/pii/S0092867406011524; 2013. 02. 20.

– Az első osztódásmetafázisában kromoszómapárok rendeződnek az egyenlítői síkban, mivel a homológokat összetartó kiazmák csak a fázis végén tűnnek majd el, és most még összetartják a kromoszómapárokat.

– Az anafázisban pedig, lévén, hogy egy-egy homológ kromoszómának a kinetokorjai azonos pólus felé néznek, a hozzájuk kapcsolódó kinetokor mikrotubulusok nem a kromatidákat, hanem a kromoszómákat húzzák el a két pólus felé. Így a szinapszis nemcsak a crossing overt teszi lehetővé, de a kromoszómaszám feleződését is. A homológok szétválása, tehát az, hogy egy adott pár tagjai közül melyik kerül az egyik, ill. a másik pólusra, véletlenszerű folyamat. Ez pl. ember esetében 223 variációs lehetőséget jelent.

– A telofázisban a sejtmaghártya újraszerveződik, kialakul a két sejtmag, majd a citoplazma is kettéosztódik. Mivel az anafázisban a homológ kromoszómapárok tagjai válnak szét, annak ellenére, hogy a két utódsejtbe kerülő kromoszómák két kromatidát tartalmaznak, ezek a sejtek már haploidok, ezért az első osztódást redukciós osztódásnak is szokták nevezni.

Az első osztódást többnyire rövid interfázis követi, amelyben azonban nem történik DNS-replikáció.

A meiózis második osztódásában is megkülönböztetünk pro-, meta-, ana- és telofázist, de ezek lényegében a mitózis fázisaira hasonlítanak. Így a metafázisban az egyes kromoszómák rendeződnek az egyenlítői síkban, majd az anafázisban a kromoszómák testvérkromatidái válnak szét egymástól.

A meiózis végére tehát, kromoszómaszám tekintetében megegyező, négy haploid sejt keletkezik, így amikor két gaméta egyesülésével létrejön a zigóta, helyreáll a fajra jellemző diploid kromoszómaszám. Ugyanakkor ezeknek a sejteknek a genetikai információja nem azonos, részben az első osztódás profázisában lezajló crossing over, részben pedig a homológ párok véletlenszerű szétválása miatt. Ez biztosítja a faj fennmaradása szempontjából annyira fontos, nagymértékű variabilitást.

A meiózis során előforduló leggyakoribb rendellenesség a non-diszjunkció, amely akár az első, akár a második osztódás során előfordulhat (1.14. ábra). Ez azt jelenti, hogy vagy a homológ kromoszómapárok tagjai (első osztódás esetében), vagy egy kromoszóma kromatidái (második osztódás esetében) az anafázisban nem válnak szét egymástól. Ha ilyen non-diszjunkció történik, ez megváltoztatja a keletkező ivarsejtek kromoszómaszámát. Amennyiben ilyen ivarsejt vagy sejtek vesznek részt a megtermékenyítésben, ún. aneuploid genom mutációhoz vezet.

1.14. ábra - Meiotikus non-diszjunkció – http://drugline.org/img/term/meiotic-nondisjunction-9351_1.jpg; 2013. 02. 20.

Meiotikus non-diszjunkció – http://drugline.org/img/term/meiotic-nondisjunction-9351_1.jpg; 2013. 02. 20.

Az ivarsejtek keletkezése gerincesekben egy bonyolult folyamat, amelynek csak egy része a meiózis. Az egyedfejlődés igen korai szakaszában az ún. ősivarsejtek a fejlődő gonádokba vándorolnak. Mitotikus osztódások, majd a meiózis, és végül a hímivarsejt esetében differenciálódás után válnak érett gamétákká.

Oogenezis

A legtöbb állat esetében a petesejt igen nagy a testi sejtekhez képest, ugyanis annyi tartalék tápanyagot, sziket (lipid, fehérje, szénhidrát) kell tartalmaznia, ami elegendő az embriónak addig, amíg önálló táplálkozásra lesz képes. A madaraknál pl. a tojásból való kikelésig kell a sziknek táplálni az embriót, ezért nekik polilecitális, sok sziket tartalmazó petesejtjük van, míg az emlősöké kis sziktartalmú, oligolecitális petesejt. Ezzel együtt az emlősök és természetesen az ember petesejtje is sokkal nagyobb méretű, mint a szomatikus sejtek.

Az ősivarsejtek, az embrió fejlődő gonádjában oogoniummá (46 kromoszóma) alakulnak és mitózissal osztódnak. A meiózis első osztódásába lépve primer oocitává (46 kromoszóma) alakulnak, és a profázis diplotén szakaszában maradnak évekig, esetleg évtizedekig. Közben egy burok, a zona pellucida alakul ki körülöttük, megjelennek bennük az ún. kortikális granulumok, amelyek tartalma a spermium behatolása után ürül ki, és a felszínt megváltoztatva megakadályozza újabb spermiumok behatolását a sejtbe. A pubertáskortól kezdve, hormonális hatásra, ciklusonként egy-egy sejt folytatja a meiózist. A citokinézisben a citoplazma aszimetrikusan válikketté, a nagyobbik sejt a másodlagos oocita (23 kromoszóma), míg a kisebbik sejt a polocita (sarki sejt 23 kromoszóma) lesz. A citoplazma egyenlőtlen szétválását valószínűleg a mitotikus orsó aszimetrikus elhelyezkedése biztosítja. Mindkét sejt újból osztódik, ez a meiózis második osztódása: a sarki sejtből két sarki sejt (23 kromoszóma) lesz, a másodlagos oocita pedig, ismét egyenlőtlenül osztódva, létrehozza a nagy petesejtet (23 kromoszóma), és egy kis polocitát (23 kromoszóma). Emberben, de általában a gerincesekben, ez a második osztódás szintén felfüggesztődik itt, a metafázisban. Az ovuláció alkalmával a sejt ebben a stádiumban kerül ki a petefészekből, és csak a megtermékenyítés hatására fejeződik be a meiózis második osztódása (1.15. ábra).

Spermatogenezis

Míg a legtöbb faj esetében a petesejt az adott élőlény legnagyobb, önálló mozgásra nem képes sejtje, addig a másik gaméta, a spermium a legkisebb, mozgásra is képes sejt.

A spermatogenezis a pubertásban kezdődik, a herecsatornák külső falát alkotó spermatogóniumok egy része folyamatosan mitózissal osztódik. Egy másik csoportja a sejteknek ugyanakkor primer spermatocitává alakul, és belép a meiózis első osztódásába, amelynek a végén két haploid sejt, az ún. másodlagos spermatocita keletkezik. A második meiotikus osztódással jönnek létre a spermatidák.

Ezután egy differenciálódási folyamat kezdődik, amelynek eredményeként a kerek, mozgásképtelen sejtekből aktív mozgásra képes spermiumok lesznek. Ezt a differenciálódási lépést nevezik spermiohisztogenezisnek. A folyamat a Sertoli sejtekbe (dajka sejtek) beágyazódva történik. Innen a spermiumok a herecsatornák lumenébe kerülnek (1.15. ábra).

1.15. ábra - Oogenezis (rózsaszín) és spermatogenezis (kék) összehasonlítása. Részleteket lásd a szövegben – http://www.nature.com/nrg/journal/v11/n2/fig_tab/nrg2723_F1.html#figure-title; 2013. 02. 20.

Oogenezis (rózsaszín) és spermatogenezis (kék) összehasonlítása. Részleteket lásd a szövegben – http://www.nature.com/nrg/journal/v11/n2/fig_tab/nrg2723_F1.html#figure-title; 2013. 02. 20.

A differenciálódott spermium jellegzetes felépítése (feji és farki rész) egyetlen célt szolgál, azt, hogy biztonságosan eljuttassa saját DNS-tartalmát a petesejthez.

A fej tartalmazza a sejtmagot, amelyben a DNS teljesen heterokromatikus állapotban van, hogy minél kisebb helyet foglaljon el. Ennek a szerkezetnek a kialakításában a hisztonok helyett még pozitívabb töltésű (erősebben bázikus) fehérjék, a protaminok vesznek részt.

Közvetlenül a sejtmag előtt, a feji részben, az ún. akroszóma vezikulum található, amely lényegében egy hatalmas szekréciós vezikulum. Az akroszóma vezikulum hidrolitikus enzimeket tartalmaz, ezek feladata a petesejt különböző burkainak a feloldása a megtermékenyítés során.

A spermium farki része a nyakból és az ostorból áll.

Az utóbbi a már ismertetett, 9x2+2 mikrotubulus rendszeren kívül, a perifériásan 9 ún. denz fibrillumot is tartalmaz, amelyekben főleg keratin található. A funkciójuk nem ismert.

A nyakon ezeken kívül még egy egymással fúzionált mitokondriumokból álló hüvely (mitokondriális hüvely) is van, ahol a spermium mozgásához szükséges ATP termelődik.

Az utóbbi időszak vizsgálatai kimutatták, hogy a spermatogenezis, illetve az oogenezis során az első osztódás profázisa tekintetében is számos különbség van, ezeket foglalja össze az 1.1. táblázat.

1.1. táblázat - Különbségek a spermatogenezis és az oogenezis első osztódásának profázisában

primer spermatocita primer oocita
A szinapszis kezdődik a kromoszómák  
végeinbelsejében
A szinaptonémás komplex  
tömörebbkevésbé tömör
rövidebbhosszabb
A kiazmák helye a kromoszómák  
végeinbelsejében
A kiazmák száma  
kevesebbtöbb

Meiózis szabályozása

A meiotikus osztódás szabályozását eddig elsősorban a kétéltűek és a halak oogenezise során vizsgálták. Magát az MPF-et is elsőként a kétéltűek oogenezisének szabályozójaként ismerték meg, és csak a későbbiekben derült ki, hogy a mitózis regulálásában is ugyanaz a faktor, a Cdk1-ből és a B-ciklin-ből álló MPF játszik szerepet.

A meiózis szabályozásának elsősorban azokat a pontjait vizsgálják, amelyek különböznek az oogenezis és spermatogenezis során.

Az egyik ilyen pont a meiózisba való belépés, amely az oogenezis során az embrionális korban, míg a spermatogenezisben a pubertáskorban történik. A különbség hátterében a retinsav áll. A retinsav mindkét nemű embrióban termelődik a megfelelő sejtekben, azonban a retinsav metabolizmusában szerepet játszó CYP26B1 aktivitása eltér. Fiú embriókban, aktivitásának köszönhetően, a retinsav lebomlik, míg lány embriókban kisebb mennyiségének, aktivitásának köszönhetően nem bomlik le, és szignálként fokozza a STRA8 transzkripciós faktor expresszióját és hatását, az oogóniumok belépnek a meiózisba.

A meiózis elindul, de diploténben megáll, amelynek a hátterében a primer oocita megemelkedett cAMP-szintje áll. Ez ugyanis olyan protein kináz A regulált változásokat vált ki, amelyek az MPF-et inaktiválják. A folyamat felfüggesztésének feloldása a pubertáskortól ciklusosan egy-egy sejtben megtörténik, valószínűleg elsősorban az LH hatására bekövetkező cAMP-szint csökkenésének hatására indirekt módon aktiválódik az MPF és folytatódik az osztódás.

Ugyanakkor a második osztódás metafázisában (másodrendű oocita) ismét megáll az osztódás. Ebben egy még nem azonosított citosztatikus faktor (CSF) szerepét tételezik fel, amit a c-mos protoonkogén terméke, a Mos fehérje (szerin-treonin kináz), és MAPK útvonalon gátolja az APC aktivitását, ezáltal megáll a folyamat. Az osztódás befejezésének feltétele a megtermékenyítés, amikor megnő a sejt Ca2+ ion szintje, ami aktiválja az APC-t. Az aktív APC ubiqutinálja a B ciklint és a szekurint, amelyek lebomlanak a proteaszómákban. A szekurin hiányában a szeparáz leválasztja a kohezint a kromoszómák centromér régióinál, és a testvérkromatidák a sejt két pólusára tudnak vándorolni. A B ciklin lebomlása pedig inaktiválja az MPF-et és a sejt, amely lényegében már zigóta, befejezi az osztódást.

Ezután a zigóta barázdálódni kezd, sejttani szempontból tekintve egy különleges sejtciklusba, az embrionális sejtciklusba lép. A dolog érdekessége, hogy ugyanaz az MPF ettől kezdve már egy másik folyamatot, a mitózist szabályozza.