معلومة

كيف تجد الأزواج المتجانسة بعضها البعض

كيف تجد الأزواج المتجانسة بعضها البعض


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.

إذا لم أكن مخطئًا ، فإن المرة الوحيدة التي تحتاج فيها أزواج الكروموسومات المتجانسة إلى العثور على بعضها البعض هي أثناء تكوين الأمشاج استعدادًا لإعادة التركيب المتقاطع. كيف يجدون بعضهم البعض؟


لقد وجدت هذه المراجعة من عام 1999. من الملخص:

استنتج أن تفاعلات الحمض النووي DNA لا يمكن أن تقطع المسافات بين الكروموسومات المتجانسة في النواة ، ويقترح أن تتشكل سلاسل البروتين بين الأجزاء المتجانسة. ترتبط هذه السلاسل بالسلاسل المتجانسة المنبثقة من التسلسلات المتجانسة في الكروموسومات الأخرى ، وتتحرك السلاسل على طول بعضها البعض حتى تلتقي تسلسلات الحمض النووي المتجانسة.

لمزيد من المنشورات الحديثة ، يمكنك البحث في المقالات المقتبس منها هنا.


إيجاد تطابق كروموسوم متماثل أثناء الطور الأول للانقسام الاختزالي

خلال المرحلة الأولى من الانقسام الاختزالي في البشر ، كيف تجد الأزواج المتجانسة بعضها البعض؟ وأيضًا ما الذي يتحقق مما إذا كانت الأزواج صحيحة أم لا؟

هذا السؤال حقا جيد. كظاهرة بيولوجية أساسية مثل الانقسام الاختزالي ، فإن الآليات الجزيئية التي تسهل وتعزز خصوصية اقتران الكروموسوم المتماثل لا تزال كبيرة غير معروفة. ومع ذلك ، فقد تم تحديد العديد من العوامل للتدخل في هذه العملية ، مثل التعرف المتماثل في مواقع متخصصة على طول الكروموسومات والتفاعلات بين التيلوميرات والوسط.

تحرير: خطأ مطبعي ، وتغيير الانقسام إلى الانقسام الاختزالي

كظاهرة بيولوجية أساسية مثل الانقسام

ناهيك عن الانقسام الاختزالي ، وهو ما يدور حوله هذا السؤال ومتى يحدث هذا بالفعل.

أهلا! لقد حصلت بالفعل على درجة الدكتوراه في الانقسام الاختزالي! يتم إجراء الاقتران فعليًا عن طريق إعادة التركيب أولاً. تكسر الخلية عن قصد كروموسوماتها في بضع مئات من المواقع المختلفة. لا يوجد تسلسل إجماعي لمكان حدوث هذه الفواصل ، لكن أفضل أبحاثنا تشير إلى أن بنية الكروماتين تلعب دورًا. يتم استئصال الحمض النووي المكسور ، أو هضمه ، تاركًا نهايات معادة الارتباط. يجب إصلاح الحمض النووي المكسور ، لذا فإن النهايات المؤلفة ستغزو الجزيء الآخر من الحمض النووي الذي يبحث عن التماثل. هذا البحث عن التماثل يقود الاقتران. عندما تجد التماثل ، يمكن إصلاح الكسر. أثناء إعادة التركيب في الانقسام الاختزالي ، يتم تجنيد بروتينات خاصة تشتمل على المركب المشبكي ، أولاً عند الفواصل ، ثم تنتشر على طول الكروموسوم ، مما يؤدي إلى ضغط جوانب المتجانسات ، مما يؤدي إلى إعادة التركيب الإضافي.


العثور على الشريك الصحيح: المغازلة Meiotic

عادة ما يتم فصل الكروموسومات المتجانسة عند مدخل الانقسام الاختزالي & # 13 كيف يتم الاقتران هو أحد الألغاز البارزة في عملية الانقسام الاختزالي & # 13. إن تقليل التباعد بين المتماثلات يجعل من الممكن & # 13 حدوث التفاعلات الصبغية التي تؤدي إلى اكتشاف التماثل وتشكيل & # 13 ثنائية التكافؤ. في العديد من الكائنات الحية ، يتم إنشاء حركات الكروموسوم رقم 13 التي يقودها التيلومير والتي تجمع المتماثلات معًا. الحركات الإضافية & # 13 التي تنتجها التغييرات التوافقية للكروماتين في الانقسام الاختزالي المبكر & # 13 قد تسهل أيضًا الاتصالات المتجانسة. تُظهر الكائنات الحية المستخدمة في دراسة & # 13 الانقسام الاختزالي مجموعة مذهلة من الاستراتيجيات لاكتشاف التماثل. في & # 13 dipterans ، تظل الكروموسومات المتجانسة مقترنة في معظم مراحل التطور & # 13. يبدو أن الاقتران ينشأ كتوازن بين جينات المروج و & # 13 القامع. تستخدم بعض الفطريات والنباتات والحيوانات آليات & # 13 على أساس التفاعلات التأشبية. الآليات الأخرى التي تؤدي إلى التماثل والبحث رقم 13 مستقلة عن إعادة التركيب وتتطلب مواقع الاقتران المتخصصة. في & # 13 الدودة أنواع معينة انيقة، يحمل كل كروموسوم مركز الاقتران & # 13 الذي يتكون من مركب بروتين DNA خاص بالكروموسوم ، وفي الانشطار & # 13 الخميرة شيزوساكارومايس بومب، ال الشركات الصغيرة والمتوسطة 2 يقوم locus بتشفير الحمض النووي الريبي الخاص بالانقسام الاختزالي & # 13 غير المشفر الذي يتوسط في التعرف المتماثل. بالإضافة إلى ذلك ، يلعب تصحيح عدم التطابق & # 13 دورًا مهمًا ، لا سيما في polyploids ، التي طورت أنظمة وراثية تمنع الاقتران بين الكروموسومات غير المتجانسة و # 13 ذات الصلة (homoeologus).

1 المقدمة

الانقسام الاختزالي هو عملية مركزية في دورة حياة جميع الكائنات الحية التي تتكاثر جنسيًا والتي تطورت للتعويض عن ازدواجية عدد الكروموسوم الناتج عند الإخصاب ولتوليد توليفات جديدة بين الأليلات الأبوية التي تعزز التنوع الجيني. تدخل الخلايا الجرثومية الانقسام الاختزالي بعد تكرار كروموسوماتها ، ومن خلال تنفيذ قسمين خلويين متتاليين مع عدم وجود تكرار متداخل للحمض النووي ، تنتج الأمشاج أحادية الصيغة الصبغية. تبدأ الخلايا الجرثومية للكائنات ثنائية الصبغيات بالانقسام الاختزالي الذي يحتوي على مجموعتين من الكروموسومات ، واحدة موروثة من كل والد. يتم تقسيم الكروموسومات المتجانسة في القسم الأول (التقسيم الاختزالي) وتفصل الكروماتيدات الشقيقة بعيدًا عن بعضها البعض في القسم الثاني (القسمة المعادلة). من أجل الفصل الصحيح للكروموسوم ، تتفاعل المتجانسات وتولد ارتباطات مستقرة خلال المرحلة الأولى التي تحافظ عليها مرتبطة في تكوين ثنائي التكافؤ حتى الطور الأول. تسمى الهياكل الخلوية التي تربط كل زوج متماثل في الطور الأول chiasmata. يتعاون تماسك الكروماتيدات الشقيقة مع chiasmata في توفير الاستقرار للروابط بين كل زوج متماثل من خلال الطور الأول. يسمح انهيار الغلاف النووي بتفاعل الأنابيب الدقيقة مع النواة الحركية الشقيقة ، والتي تصبح موجهة إلى نفس قطب المغزل. إن انحلال تماسك الكروماتيد الشقيق ، باستثناء المنطقة المحيطة بالوسط ، يتيح دقة التشقق وفصل الكروموسوم في الطور الأول.

تتشكل Chiasmata بعد تتويج لثلاث عمليات رئيسية بدأت في المرحلة الأولى الأولى ، الاقتران المتماثل (أي تفاعل الكروموسومات الذي ينتج عنه تواجد وثيق للمتجانسات على طول طولها بالكامل) ، التشابك العصبي (أي تكوين بنية متشابكة بروتينية معقدة بين كل زوج متماثل) ، والعبور (أي تبادل متبادل للمواد الجينية بين كروماتيدات متماثلة). يمثل التقاطع وعدم التقاطع (التبادل غير المتبادل) النتيجتين المحتملتين اللتين تتبعهما آلية إعادة التركيب المتجانسة لإصلاح كسر واحد مزدوج حبلا DNA (DSB) تم إنشاؤه عند بدء الانقسام الاختزالي. تتضمن عمليات الانتقال التبادل المتبادل للتسلسلات التي تحيط بمواقع الإصلاح وغير المتقاطعة (يشار إليها أيضًا باسم تحويلات الجينات) ، ونقل المعلومات المحلية ، التي تغطي بضع مئات من الأزواج الأساسية ، من متماثل إلى آخر. تتجه غالبية DSBs إلى أن تصبح منتجات غير متقاطعة. تم الكشف عن الخطوات الرئيسية لآلية إعادة التركيب في الخمائر وتم حفظها في حقيقيات النوى الأخرى [1]. يتم البدء في إعادة التركيب الميوتيك بواسطة إنزيم شبيه بالتوبويزوميراز محفوظ ، Spo11 ، والذي يقدم DSBs المبرمجة في الجينوم. يقطع Spo11 الحمض النووي عبر تفاعل يشبه توبويزوميراز لتوليد روابط تساهمية بين البروتين والحمض النووي لنهايات 5-DNA على جانبي الفاصل. يتم تنظيم الآلية الأنزيمية التي تصلح DSBs بطريقة تجعل تسلسل الحمض النووي المفضل كقالب هو تلك الخاصة بالكروموسوم المتماثل بينما يتم منع مشاركة الكروماتيد الشقيق. بعد إزالة Spo11 ، تخضع أطراف DSB لاستئصال حال النواة للخيوط المكونة من 5 لإنتاج ذيول 3 أحادية الجديلة. يمكن أن يغزو أحد هذه الذيول بعد ذلك الحمض النووي المزدوج الشريطة السليم للكروموسوم المتماثل. في معظم حقيقيات النوى ، يتطلب هذا التفاعل ، المعروف باسم غزو الخيوط ، عمل نوعين من إعادة التركيب ، Rad51 و Dmc1 ، اللذان يعملان مع بروتينات أخرى [2]. يمكن معالجة الوسطاء الأوليين لغزو حبلا بطرق مختلفة ، مع نتائج مختلفة لإعادة التركيب (الشكل 1). إذا تم إزاحة نهاية DSB المفردة التي غزت الشريك المتماثل ، بعد تحضير توليف DNA ، وتصلب مع نهاية DSB الأخرى ، يتم إنتاج noncrossover. تسمى هذه العملية التلدين المعتمد على التوليف (SDSA). يؤدي المسار البديل إلى تثبيت وسيطة غزو الخيوط والتقاط نهاية DSB الثانية التي تهيئ تخليق الحمض النووي. يولد الربط وسيطًا جزيئيًا مزدوجًا لمفصل تقاطع Holliday ، والذي يتم حله مما ينتج عنه منتج كروس أوفر. تتباعد التفاعلات المؤتلفة المتقاطعة وغير المتقاطعة عند انتقال اللبتوتين إلى الزيجوتين ، قبل تكوين وسطيات تبادل حبلا واسعة النطاق [3 ، 4]. بروتين Sgs1 من الخميرة في مهدها خميرة الخميرة، وهو متماثل لطائرة BLM للثدييات التي تحافظ على استقرار الجينوم عن طريق منع تراكم وسيطة إعادة التركيب الشاذة ، هو منظم مركزي لاختيار مسار إعادة التركيب في الانقسام الاختزالي الطبيعي [5 ، 6]. يتحكم Sgs1 في إعادة التركيب الانتصافي عن طريق منع تراكم الجزيئات المشتركة غير المنظمة للوسائط. يزيح Sgs1 الشريط الغازي لجزيئات المفصل لتشكيل noncrossovers ويمنع تراكم جزيئات المفصل متعدد الألوان. بالإضافة إلى ذلك ، تقوم Sgs1 بقنوات بعض جزيئات المفاصل الأخرى للتفاعل مع مجموعة من البروتينات الخاصة بالانقسام الاختزالي المشار إليها باسم عائلة ZMM ، والتي تكون مطلوبة لتكوين جزيئات مفصلية مستقرة ووسيطات تقاطع مزدوج في Holyday. يتم حل هذه المركبات الوسيطة لإعادة التركيب المحمية من ZMM لاحقًا ، في نهاية pachytene ، على أنها عمليات انتقال بواسطة عامل متعدد البروتينات يحتوي على نوكلياز Exo1 و MutLγ المركب Mlh1 – Mlh3 ، والذي يتم تنشيطه بواسطة Cdc5 الشبيه بـ kinase polo. غالبًا ما تشكل الجزيئات المشتركة المشتقة من الغزو أحادي الخيط الذي يفلت من سيطرة Sgs1 ، أو تلك التي يتم إنتاجها في غيابه ، مركبات وسيطة متعددة الألوان ، والتي تنتج كلاً من المنتجات المتقاطعة وغير المتقاطعة ، بشكل أساسي تحت تأثير Mus81-Mms4 (MUS81-EME1 في الإنسان ) مركب resolvase الذي يتطلب أيضًا Cdc5 وبدرجة ثانوية من خلال إجراء Yen1 (GEN1) أو Slx1 – Slx4 (BTBD12 / SLX4). تتم مراجعة البروتينات الأخرى المشاركة في مسارات التقاطع وغير المتقاطعة بواسطة [7].


إعادة التركيب المتماثل أثناء الانقسام الاختزالي. تبدأ إعادة التركيب العضلي مع كسر تم إجراؤه بواسطة Spo11 في أحد جزيئي DNA مزدوج الشريطة لكروموسوم واحد. يتم استئصال النهايات الخمسة لهذا الكسر تاركة ذيولًا مكونة من 3 سلاسل من الحمض النووي أحادي الجديلة. عندما تغزو 3 ′ ssDNA كروماتيدًا متماثلًا ، فإن وجود بروتين Sgs1 يمكن أن يعكس وسيط انعكاس حبلا لتشكيل نتيجة غير متقاطعة أو يعزز ارتباط بعض غزو الخيط الشرعي مع مركب البروتين ZMM. يتم حل هذه الجزيئات في تقاطع ، بشكل أساسي بواسطة MutL

المركب synaptonemal عبارة عن مصفوفة بروتينية تتشكل عادة بين كل زوج متماثل ، مما يعزز تفاعلهما ، ويحدث في معظم الكائنات الحية مع التكاثر الجنسي. يبدأ التجمع المركب synaptonemal خلال المرحلة S قبل الحيوية والطور الأول الانقباضي المبكر مع تكوين محور بروتيني واحد ، العنصر المحوري ، على طول الكروماتيدات الشقيقة لكل كروموسوم. في الطور المبكر ، يرتبط العنصر المحوري المتصل بزوج من الكروماتيدات الشقيقة ارتباطًا وثيقًا 100 نانومتر بطولها مع العنصر المحوري للكروموسوم المتماثل ، ثم يتم تسميتها بالعناصر الجانبية. يتم التوسط في التوصيف الطولي للمتماثلات من خلال تركيب العديد من الخيوط المستعرضة وتشكيل العنصر المركزي. المركب synaptonemal هو هيكل يشبه السلم يتكون من عنصرين جانبيين ، الشعيرات المستعرضة والعنصر المركزي (الشكل 2).


رسم كاريكاتوري يوضح التركيب والمكونات الرئيسية للعناصر الجانبية (LEs) والعنصر المركزي (CE) للمجمع synaptonemal في الثدييات. تنبثق حلقات الكروماتين لكل كروموسوم للزوج المتماثل من كل جنيه مصري.

تم تحديد مكونات المركب synaptonemal في أنواع مختلفة (راجعها [8 ، 9]). مركب بروتين cohesin مطلوب لتأسيس التماسك بين الكروماتيدات الشقيقة أثناء تكرار الحمض النووي في الخلايا الجسدية. تعد Cohesins مكونًا من العنصر المحوري / الجانبي ولكن يتم استبدال بعض أعضاء المجمع الانقسامي بمشابهات خاصة بالانقسام الاختزالي. تشكل بروتينات Condensin أيضًا جزءًا من العناصر المحورية / الجانبية وهي ضرورية لضغط الطول المحوري وتخصيص الكروموسوم ، على غرار تأثيرها على تكاثف الكروموسوم الانقسامي. بروتينات أخرى ، مثل SYCP2 و SYCP3 في الفأر ، و Hop1 و Red1 في الخميرة الناشئة ، HIM-3 in ايليجانس ، Asy1 بوصة نبات الأرابيدوبسيس thalianaو ORD في ذبابة الفاكهة، هي أعضاء في العنصر الجانبي. بالإضافة إلى دورها في تكثيف الكروماتين ، تشارك العناصر المحورية / الجانبية في محاذاة المتماثلات. يشارك محور الكروموسومات المتماسك / المتكثف و / أو البروتينات المرتبطة به ، مثل Hop1p و HIM-3 ، في تجميع الخيوط المستعرضة. يتم أيضًا تنظيم الوضع الذي يتم فيه إصلاح DSBs للمنتجات المتقاطعة أو غير المتقاطعة بوساطة بعض بروتينات العناصر الجانبية. تم التعرف على البروتينات التي تشكل الخيوط المستعرضة في عدة أنواع. وتشمل هذه Zip1p بتنسيق س. الخباز، SYCP1 في الثدييات ، C (3) G in ذبابة الفاكهة، SYP-1 و SYP-2 بوصة ج. ايليجانس و ZYP1 في أرابيدوبسيس. تحتوي هذه البروتينات على نطاقات كروية C و N الطرفية مفصولة بمنطقة ملفوفة ممتدة. ترتبط مخففات البروتين المتوازية من خلال الطرف N المتداخل وتشكل رباعي الأبعاد يمتد الفجوة بين العناصر الجانبية. في الماوس ، تتطلب الخيوط المستعرضة المستقرة ارتباطًا بـ SYCP1 tetrameres و SYCE1. البروتينات SYCE1 و SYCE2 تقع في العنصر المركزي. يلزم وجود خيوط مستعرضة وبروتين عنصر مركزي لإكمال مسار التفاعل المؤتلف.

يتطلب التفاعل بين الكروموسومات المتجانسة المذكورة سابقًا وضعها على مقربة جسدية قريبة من النواة. يشير مصطلح المحاذاة عادةً إلى التصرف الطوبولوجي للكروموسومات مع ترتيب الأذرع بالتوازي. يشير الاقتران إلى تفاعلات كروموسوم وثيقة ومستقرة تتضمن نقاطًا متعددة وتؤدي إلى ارتباط وثيق بين المتماثلات بطولها بالكامل. على الرغم من أن الدراسات المبكرة أظهرت أن الكروموسومات المتجانسة لا يتم إقرانها في اللبتوتين [10] تم اقتراح نواة الطور البيني المرتب قبل الحيوي مع محاذاة كروموسوم متماثل قبل المشبكي كجزء من هذا الترتيب [11 ، 12]. ومع ذلك ، فإن الدراسات التي أجريت على كائنات مختلفة تتعارض مع هذا الاقتراح. في الفطريات مع الانقسام الاختزالي الوقحي ، مثل سورداريا ، نيوروسبورا ، و كوبرينوس، الكروموسومات المتجانسة موجودة في نوى مختلفة قبل الإخصاب. بعد karyogamy ، تظل المتجانسات منفصلة حتى بدء التفاعلات [13]. من بين النباتات ، تم استخدام طلاء الكروموسوم لتحديد موضع اثنين من متماثلات الذرة المضافة إلى الشوفان [14] بالإضافة إلى متجانسين من الجاودار المضاف إلى القمح [15]. تشغل أزواج الكروموسومات المطلية هذه مناطق منفصلة في معظم النوى في الطور البيني السابق للحيوية ، مما يستبعد دور الترتيب الأولي في اختيار الشريك الانتصافي. جذب التنظيم المكاني لجينوم الثدييات في الخلايا الجسدية اهتمامًا متزايدًا في العقد الماضي. يتم تنظيم جينوم الثدييات في نواة منظمة حيث يشكل الطي والموضع النسبي للكروموسومات آلية تنظيمية عالية الترتيب للتعبير الجيني [16]. يتم تنظيم كروموسومات الثدييات في مناطق كروموسوم منفصلة وغير متداخلة ، مع تلك الموجودة في المتماثلات عادة لا تكون متجاورة [17]. يشير ترتيب زوج الكروموسوم البشري 1 وزوج كروموسوم الفأر 8 في الحيوانات المنوية إلى غياب الاقتران قبل الحيوي [18]. فقط في الكائنات الحية مثل Dipterans ، يتم إقران الكروموسومات المتجانسة طوال دورة الحياة (الاقتران الجسدي). سلوك الكروموسومات الموسومة ببروتين مثبط GFP-lac أثناء الذكر D. melanogaster أشار الانقسام الاختزالي إلى أن أحداث الاقتران التي لوحظت في القسم الانتصافي الأول كانت استمرارًا لمزاوج ما قبل النشاط الحيوي وليست نتيجة لآليات محددة للانقسام الاختزالي [19]. وهكذا ، باستثناء Dipterans ، يتم تعزيز الاقتران المتماثل من خلال آليات تقلل تدريجياً من الفصل المادي بين المتماثلات وتميز التفاعلات المتماثلة وغير المتجانسة حتى تتوج في تجاور وثيق ومستقر من المتجانسات.

يعد الوضع الذي تقترب فيه الكروموسومات المتجانسة من التقارب المكاني القريب ، وتتعرف على بعضها البعض ، وتخضع لتفاعلات مستقرة ، إحدى الآليات الأكثر سوءًا في عملية الانقسام الاختزالي. يمثل كشف الأساس الجيني والجزيئي المتعلق ببحث وكشف التماثل هدف العديد من الأعمال البحثية الحالية في الكائنات الحية المختلفة. في هذه الورقة ، سأركز على الأنشطة الخلوية التي تجمع المتماثلات معًا وتساعد على اكتشاف علامات تمييز التماثل ، والتي تبلغ ذروتها في تكوين ثنائي التكافؤ المتماثل.

2. حركات كروموسوم يقودها التيلومير تقترب من أزواج متماثلة

تتمثل إحدى سمات العمارة النووية في الطور البيني السابق للحيوية التي ارتبطت بالاقتران الانتصافي في توزيع وتوجيه السنتروميرات والتيلوميرات. في الخلايا النشطة من الناحية الانقسامية للعديد من الأنواع ، تحتفظ الكروموسومات أثناء الطور البيني بجغرافية الطور السابق ، أي تكوين Rabl ، حيث تتركز القسيمات المركزية في جانب واحد من النواة وتنتشر التيلوميرات على الجانب الآخر. يمتد استقطاب الكروموسوم هذا إلى الخلايا ما قبل الحيوية ، خاصة في الأنواع ذات الجينوم الكبير [20] ، ويضمن أن الأجزاء المتجانسة ، على الرغم من وجودها في مناطق منفصلة ، تحافظ على مسافات مماثلة للأقطاب النووية ، مما يقلل من حركات الكروموسوم أثناء الاقتران المتماثل [21] .

في العديد من الكائنات الحية ، تبدأ التيلوميرات في جميع الكروموسومات حركة غير عشوائية عند مدخل الانقسام الاختزالي ، مما يؤدي إلى تجمُّعها التدريجي لتبلغ ذروتها في كتلة ضيقة. يتم دمج هذا التكوين فوق الكروموسومي ، ما يسمى بالباقة ، بالتزامن مع بدء المحاذاة والاقتران والتشابك ، لا سيما في المناطق القريبة من نهايات الكروموسوم ، وبالتالي ، يعتبر حاليًا هيكلًا خاصًا بالانصمام تشارك في تفاعلات الكروموسوم المتماثل [ 22-27]. تم اقتراح أدوار أخرى ، بما في ذلك القرار المتشابك ثنائي التكافؤ وتنظيم إعادة التركيب ، لهيكل الباقة [28]. إن تكوين ترتيب الباقة هو نتيجة لثلاثة أحداث مترابطة: ارتباط التيلوميرات بالمغلف النووي ، وتكتل نهايات الكروموسوم ، وحركة التيلومير بوساطة الهيكل الخلوي (راجعها [29]).

تتطلب التفاعلات الجزيئية المسؤولة عن ربط نهايات الكروموسوم بالمغلف النووي على وجه التحديد وجود تكرارات التيلومير الوظيفية. يضعف تقصير التيلومير في الفئران التي تعاني من نقص التيلوميراز التشابك العصبي ويقلل من تردد إعادة التركيب [30]. إن وجود de novo للتيلومير المتكرر في النهاية المركزية للكروموسومات telocentric المتولدة عن سوء تقسيم centromere للكروموسومات ثنائية الذراعين يغير ديناميكيات السنترومير. تمارس هذه التكرارات التيلوميرية تأثيرًا مهيمنًا على السنترومير ، والذي يمكن أن يندمج مع مجموعة التيلومير بينما تظل القسيمات المركزية الأصلية في القطب المقابل للنواة [15]. عندما تكون متواليات التيلومير موجودة بشكل قاطع ، كما يحدث في كروموسوم حلقة الذرة ، فإنها ترتبط أيضًا بالتيلوميرات الأخرى وتجعل الكروموسوم يدخل الباقة [31].

يتطلب ربط التيلوميرات بالسطح الداخلي للمغلف النووي وجود بروتينات مرتبطة بنهايات كروموسوم ، مثل Taz1 و Rap1 و Rik1 ، وبروتينات محددة الانقسام التي تشكل جسرًا بين التيلوميرات والغلاف النووي. تشمل هذه البروتينات Ndj1 و Mps3 و Csm4 في الخميرة الناشئة [32 ، 33] و Sad1 ، Kms1 ، Bqt1 و Bqt2 في الخميرة الانشطارية [24 ، 34]. بعض هذه البروتينات الانتصافية ، مثل Sad1 و Kms1 ، هي بروتينات عبر الغشاء بنطاق SUN (Sad1-Unc-84) ومجال KASH (Klarsicht / ANC-1 / Syne homology) ، على التوالي [35]. يتم توجيه بروتين Sad1 إلى النيوكليوبلازم ويرتبط بالتيلوميرات بواسطة مركب Bqt1-Bqt2. يُعتقد أن مجال SUN لـ Sad1 ، الموجود عند الطرف C ، يتفاعل جسديًا من خلال الفضاء بين الغشاء مع مجال KASH لبروتين Kms1 المدمج في الغشاء الخارجي. يتوافق مجال KASH مع منطقة قصيرة من الطرف C للبروتين ويمتد ذيل N-terminus الكبير إلى السيتوبلازم ويربط الغشاء الخارجي بـ dynein ، وهو محرك الأنبوب الدقيق الموجه بنهاية السيتوبلازم. الطفرات في Sad1 أو Kms1 تقلل بشدة من التقاطع وتضعف الفصل المتماثل ، بينما تسبب الطفرات في Dynein عيوبًا أكثر دقة. تلعب بروتينات مجال SUN و KASH دورًا محفوظًا من خلال إنشاء روابط عابرة بين نهايات الكروموسوم ومكونات الهيكل الخلوي عبر الغلاف النووي السليم. بروتين Mps3 من الخميرة الناشئة هو عضو آخر في عائلة بروتين مجال SUN المرتبط بالتيلوميرات بواسطة Ndj1. ومع ذلك ، لم يتم تحديد بروتين مجال KASH قادر على إرضاء Mps3 لبعض مكونات الهيكل الخلوي. في C. ايليجانس، يتفاعل بروتين الغشاء الداخلي النووي SUN-1 مع بروتين مجال KASH ZYG-12 للطبقة الخارجية لربط الكروموسومات ، عبر مراكز الاقتران الخاصة بهم ، بشبكة الأنابيب الدقيقة ودينين السيتوبلازم [36]. في طفرات الجينات الشمس 1 أو زيغ -12، الكروموسومات المتجانسة لا تتزاوج بشكل صحيح وتتشابك بشكل مختلط. يرتبط بروتين الغشاء النووي الداخلي SUN1 على وجه التحديد بالتيلوميرات بين مرحلتي اللبتوتين والدبلوتين أثناء الطور الأول للانقسام الاختزالي في الفئران [37]. تعطيل شمس 1 يمنع تعلق التيلومير بالمغلف النووي ، والاقتران المتماثل الفعال ، والتشابك. ومع ذلك ، لم يتم الإبلاغ عن أي نظير KASH لـ SUN1. في أرابيدوبسيس ، طفرات مزدوجة للجينات شمس 1 و شمس 2 أظهر فشل المشابك وانخفاض تردد chiasma (JL Santos ، الاتصال الشخصي).

التيلوميرات المرتبطة بالمغلف النووي أولاً في عدد من المجاميع الصغيرة ، والتي تخضع لحركات نشطة لتصبح مرتبطة في كتلة ضيقة. يعتبر ارتباط التيلومير وهجرة التيلومير خطوتين مختلفتين في توحيد الباقة كما تم استنتاجه من النتائج الناتجة عن معالجة الخلايا الأولية للقمح والانتصافي بالكولشيسين. يمنع عامل إزالة البلمرة من الأنابيب الدقيقة هجرة التيلومير ويضعف التشابك العصبي ولكنه لا يؤثر على ارتباط التيلومير [38]. يتم إنتاج هذا الارتباط على الأرجح بين التيلوميرات المرتبطة بمواقع الغلاف النووي القريبة جدًا ، كما في حالة نهايات الأذرع المتجانسة في متماثل الكروموسوم. تقع هذه الأذرع بالقرب من بعضها البعض بعد الانقسام السابق للحيوان الأخير وتظهر مستوى طبيعي من الاقتران وتكوين chiasma حتى في وجود الكولشيسين [39].

عند مدخل الانقسام الاختزالي ، تشغل الكروموسومات المتجانسة مناطق منفصلة مكانيًا. قد يصل التباعد بين المتماثلات إلى عدة ميكرومترم في الكائنات الحية ذات الجينوم الكبير على سبيل المثال ، نواة القمح في اللبتوتين هي 24 ميكرومترم في القطر. يتطلب الحد من هذه المسافة حركة كروموسوم نشطة ، والتي بالإضافة إلى ذلك يجب أن تكون موجهة بشكل صحيح لجلب الكروموسومات المتجانسة إلى مسافة قريبة. يقع التباعد بين المتماثلات في نطاق أقل بكثير في الخميرة الانشطارية مع جينوم صغير (13.8 ميجا بايت) وثلاثة أزواج كروموسوم متضمنة في خلية تقيس 3.5 ميكرومترم وقطرها 10 ميكرومترطول دقيقة. في هذا الكائن الحي ، يحدث الانقسام الاختزالي في البيضة الملقحة بعد اندماج نواتين مشيميتين ، ويجب استبدال المتماثلات لتصبح محاذية. يتم الوصول إلى المحاذاة من خلال الحركات المميزة للنواة الممدودة ، والتي تسمى نواة "ذيل الحصان". تتحرك نواة ذيل الحصان ذهابًا وإيابًا عبر البيضة الملقحة لمدة ساعتين تقريبًا. توفر هذه الفترة ، التي تتوافق مع الطور الانتصافي ، الفرصة الوحيدة للكروموسومات للاقتران وإعادة الاتحاد مع شركائها المتجانسين. يتم التوسط في الحركات النووية بواسطة الأنابيب الدقيقة النجمية ، التي تشع من جسم القطب المغزلي (مركز تنظيم الأنابيب الدقيقة في الفطريات) ، ومحرك بروتين داينين ​​[40 ، 41]. خلال هذه العملية ، يتفاعل مركب بروتين Sad1-Kms1 مع التيلوميرات على الجانب النووي ومع محرك بروتين Dynein على الجانب السيتوبلازمي. بهذه الطريقة ، يتم تحريك التيلوميرات بواسطة القوة الدافعة التي يولدها محرك dynein على الأنابيب الدقيقة. تشكل التيلوميرات كتلة قريبة من جسم قطب المغزل ، وهذا الترتيب مع الحركة النووية المتذبذبة يضع المتماثلات في محاذاة.

في الخميرة الناشئة ، يصاحب فرز الكروموسوم والاقتران الناتج في الانقسام الاختزالي المبكر حركات كروموسوم سريعة يقودها التيلومير حيث تتجمع التيلوميرات بالقرب من جسم عمود الدوران لتشكيل الباقة. يتم التوسط في هذه الحركات بواسطة البروتينات المرتبطة بالتيلومير Ndj1 و Mps3 وبواسطة البروتين Csm4 ، والذي لا يشارك في ارتباط الغلاف النووي والتيلومير ولكن في نقل القوة الناتجة عن الهيكل الخلوي [33]. لا تعتمد حركات الكروموسوم التي يقودها التيلومير في الخميرة الناشئة على معقدات الأنابيب الدقيقة من داينين ​​[42] فهي محكومة بخيوط أكتين ، لأن تثبيط بلمرة الأكتين بواسطة اللاتروكولين ب يعطل تكتل التيلومير [43]. يتأثر تكوين الباقة بالكولشيسين في الخلايا العضلية النباتية. ومع ذلك ، لا يتم التوسط في حركة التيلومير بواسطة الأنابيب الدقيقة السيتوبلازمية. تم اقتراح بروتينات مرتبطة بالغشاء أو بروتينات مرتبطة به كهدف للكولشيسين [44].

يُعتقد عمومًا أن تشكيل الباقة يسهل الاقتران المتماثل عن طريق تقليل المساحة النووية حيث يتعين على الكروموسومات أن تتحرك للعثور على الشريك المتماثل [27]. يشير تكوين الباقة إلى أن جميع التيلوميرات ، بغض النظر عن موقعها في المحيط النووي ، تهاجر إلى منطقة صغيرة من الغلاف النووي. من المرجح أن تكون هذه الحركة مستقطبة من خلال موضع جسم عمود الدوران في الخميرة الانشطارية. ومع ذلك ، في الكائنات الحية مثل النباتات ، بدون مركز محدد لتنظيم الأنابيب الدقيقة ، من الصعب تصور كيفية توجيه حركة التيلوميرات لتتقارب في منطقة مقابل القطب المركزي. يمكن للمرء أن يجادل في أن نزعة الرابل تسهل الحركة المستقطبة. ومع ذلك ، فإن قوى الهيكل الخلوي المتقاربة تعمل في جميع أنحاء السطح النووي الكامل لأنها قادرة على تجميع التيلوميرات من telocentrics الموجودة في القطب المركزي وتلك الخاصة بالكروموسومات ثنائية السلاح الموجودة في نصف الكرة المعاكس [15]. يمكن أن تتأثر حركة التيلوميرات بالعوامل غير السيتوبلازمية مثل التشكل الكروموسومي. أصبح هذا التأثير واضحًا عندما تم اتباع هجرة نهايات الكروموسوم الفردية لكروموسوم أحيائي في شكلين مختلفين ، كروموسوم تحت المركز ، أي أن أذرع الكروموسوم لها طول مختلف تمامًا ، وكروموسوم متري ، أي أذرع بطول مماثل. يتوافق وضع التسلح غير المتكافئ مع الكروموسوم القياسي 5R من الجاودار ونشأ التشكل المترسي عن طريق حذف كبير ينتج في الذراع الطويلة لهذا الكروموسوم. الذراع القصيرة هي نفسها في كلا التشكيلين الكروموسومات ، لكن تيلوميرها يصل في كثير من الأحيان إلى قطب التيلومير في البنية المترية أكثر من الدستور تحت المركز [45]. يشير هذا السلوك المتغير إلى أن وجود الذراع الطويلة يمارس بعض المقاومة لحركة التيلومير القصير للذراع أو يتداخل في ارتباطه بالغشاء النووي.

3. حركات الكروموسومات المستقلة عن هجرة التيلومير

يشير مستوى الاقتران المتماثل والتشابك الناتج في الطافرات المعيبة للباقة من الخميرة أو الذرة [25 ، 46] وكذلك في الخلايا المتوسطة حيث يتم تثبيط تكوين الباقة بواسطة الكولشيسين [38] إلى أن تكتل التيلومير ليس ضروريًا تمامًا للاقتران. على الرغم من أن تكتل التيلومير قد يقلل المسافة بين المتماثلات ويسهل التعرف عليها ، فإن هذه القوة المتقاربة تؤثر بشكل أساسي على مناطق الكروموسومات البعيدة ، خاصة في الكروموسومات الكبيرة ذات الأطوال في الزيجوتين بترتيب عشرات أو حتى مائة ميكرومترم. تزاوج كروموسوم واسع النطاق لكروموسومات كبيرة من زهرة الآليوم تشير الأنواع إلى أن قوى الجذب بين المتماثلات تعمل على نقاط مختلفة موزعة بالتساوي عبر معظم طول الكروموسوم [47 ، 48]. من المحتمل أن تكون حركات الكروموسوم التي تجعل اللقاءات المحتملة بين المناطق المتداخلة مشتقة من التغييرات التوافقية للكروماتين التي تؤدي إلى استطالة الكروموسوم (الشكل 3) ، والتي يتم إنتاجها بالتزامن مع تكتل التيلومير عند انتقال اللبتوتين والزيغوتين [15 ، 38]. تضاعف كروموسومات القمح والجاودار طولها خمسة أضعاف في اللبتوتين بالنسبة إلى الطور البيني السابق للحيوية. نظرًا لأن حجم النواة يظل كما هو عند انتقال اللبتوتين إلى الزيجوتين ، أو حتى أنه يتم تقليله ، فإن فتح الكروماتين يلزم الكروموسومات بتحريك وتوسيع النواة بأكملها. هذا الكروماتين يتكشف لا يمنعه الكولشيسين [38] وبالتالي فهو مستقل عن هجرة التيلومير. يمكن للحركة التي يولدها استطالة الكروموسوم أن تسهل حدوث تصادمات مصادفة بين الكروموسومات المتجانسة. يتضح تقليل المسافات الطويلة بين المتجانسات خلال الزيجوتين بشكل خاص في حالة الزيجوت المتغاير لانعكاس يغطي ما يقرب من 95 ٪ من ذراع كروموسوم الجاودار. تم إجراء الملاحظات في خط من القمح مع الإضافة الذرية للكروموسوم 1R [49] ، وبالتالي ، في النوى التي تحتوي على أكثر من 20 ميكرومترم في القطر. أثناء تكوين الباقة ، يقع الجزء الفرعي من الذراع الطبيعي في قطب التيلومير بينما يقع نظيره المتماثل في الذراع المقلوبة في القطب المركزي. ومع ذلك ، فإن هذه المناطق تتزاوج وتتشابك في العديد من الخلايا المتوسطة. يمكن أن تحدث التصادمات بين المناطق المتجانسة البعيدة بعد استطالة الكروموسوم كما هو موضح في الشكل 4.


(أ)
(ب)
(أ)
(ب)

نتائج ومناقشة

بعد حوالي أسبوعين من الدرس التفاعلي ، تم تضمين السؤال التالي في امتحان لاختبار فهم الطلاب المفاهيمي لـ "ploidy":

يوضح الشكل 6 أن الدرس الجديد حقق تحسنًا كبيرًا في فهم الطلاب لمفهوم بلاويدية عند مقارنته بالدرس التقليدي. على الرغم من أن كلا القسمين أظهران نقصًا مشابهًا في الفهم أثناء الاختبار التمهيدي (اختبار فيشر الدقيق للاختلاف ، ص = 0.796) ، أظهر درس النمذجة التفاعلية تحسنًا ملحوظًا في فهم بلاويد: ضعف النسبة المئوية للإجابات الصحيحة مقارنة بالطلاب الذين أجروا المحاضرة التقليدية (اختبار فيشر الدقيق ، ص = 0.008).

تم تدريس قسمين في بيولوجيا الخلية على مستوى السنة الثانية ، متماثلان في الحجم ، يعملان في وقت واحد بتنسيقين مختلفين من قبل مدربين مختلفين (محاضرة تقليدية ، ن = 78 نمذجة تفاعلية ، ن = 77) في محاولة لتحسين فهم الطلاب للانقسام الاختزالي. في الاختبار القبلي ، سُئل الطلاب عما إذا كانت الخلايا ثنائية الصبغة أو أحادية العدد في كل مرحلة من مراحل الانقسام الاختزالي ، وفي الاختبار اللاحق ، سُئلوا في أي مرحلة تصبح الخلية الجرثومية الأولية أحادية العدد. لم يكن هناك فرق بين الفصول لتقييم ما قبل التعليم ، لكن فئة النمذجة التفاعلية أظهرت مكاسب أعلى بكثير في الاختبار اللاحق (ص = 0.008).

"في البداية ، قبل المحاضرة ، كنت أعتقد أنه كان سيحدث هنا [Meiosis II] ولكن بعد ذلك كان لدينا محاضرة تحدثنا فيها عن ذلك ، وهذا يحدث بالفعل هنا [Meiosis I]. أتذكر أنني كنت أفكر ، "حسنًا ، لقد أخطأت من قبل."

"فكرت في شيء الجورب ... وهكذا حصلت على الإجابة الصحيحة."

طالب 1 2 3 4 5 6
اختبار أولي غير صحيح غير صحيح غير صحيح غير صحيح غير صحيح غير صحيح
الاختبار اللاحق صيح صيح صيح غير صحيح غير صحيح غير صحيح
ذكر نموذج جورب للإجابة على السؤال في المقابلة نعم نعم نعم Yesa a This student realized after the fact why her answer was wrong and referenced the sock demonstration specifically in her explanation of why.
لا لا
Accurate explanation of how chromosomes and chromatids related to ploidy نعم نعم نعم لا لا لا
  • Six students were interviewed to allow for more detailed explanations of their answers to the exam question.
  • a This student realized after the fact why her answer was wrong and referenced the sock demonstration specifically in her explanation of why.

Those who persisted in the wrong model did not think about the interactive lesson to answer the question on the exam. One interviewee was able to give the right answer during the follow-up interview even though she had it wrong on the exam. She said that she thought about the sock demonstration after the exam and understood why she had gotten the question wrong. Another specifically stated that she had missed lecture that day. The third did not mention it initially and seemed to have a hazy recollection of the lesson upon prompting. Each of these students had an incorrect model of chromosome structure and/or did not understand the meaning of “ploidy.” For example, one student believed that unreplicated homologous chromosomes joined together to form sister chromatids, and another said that she considered chromatids to be the same as chromosomes and that was what she counted to determine ploidy.

The goal of this interactive modeling exercise was to confront and correct students' misunderstandings about chromosome structure and behavior. Although the concept of “ploidy” was most thoroughly assessed, we were also able to observe learning gains in concepts such as the roles of homologous DNA sequence and spindle fibers in setting up the first division. Although we did not have pretest questions to address these concepts directly, additional questions on subsequent exams (in the experimental group, على سبيل المثال “is crossing over a requirement for meiosis?”) suggest that students did improve their understanding of chromosome structure and behavior beyond the concept of ploidy (data not shown). Future work will look more closely at students' preinstructional and postinstructional conceptual models about these elements of chromosome structure and behavior.


How do homologous pairs of chromosomes find each other during Metaphase 1 of meiosis?

The "finding each other" phase of meiosis is actually during prophase I, prior to metaphase I. I should mention that the answer to this question isn't completely understood, and partly depends on the organism.

There are several processes implicated in homolog pairing during prophase. The first step, in most organisms, is the telomeres becoming bound to the nuclear envelope and clustering together. This is called the "bouquet", and likely helps spatially limit the search space if each chromosome is in close proximity due to their telomeres being tethered, there is less volume to search for your homolog. Telomeres of homologous chromosomes also seem to pair early on at this stage. Following this, it is generally thought that homologous recombination mediates the "fine-scale" alignment of chromosomes down to the base-pair. The cell induces DNA double-strand breaks (via the topoisomerase-like protein spo11) throughout the genome to allow single-strand DNA to search for homology. This process occurs in the context of numerous protein scaffolds that later facilitate the repair of these lesions. Once the DNA finds homologous DNA sequences, it can recombine to form a physical linkage called a cross-over. This physically links the two homologous chromosomes and facilitates the proper segregation of chromosomes at meiosis I.

As I alluded to earlier, some organisms (such as the fruit fly ذبابة الفاكهة سوداء البطن) seem to pair their chromosomes without homologous recombination. Most organisms, however, largely depend on this process in order to pair their homologs.


Dresden International Graduate School for Biomedicine and Bioengineering

The main interest of the lab is meiosis in mammals (Fig 1). Meiosis and gametogenesis are among the most ancient developmental processes widespread among eukaryotes. By generating haploid gametes from diploid mother-cells, meiosis forms the basis of sexual reproduction.

Research on meiosis has very important implications. Errors in meiosis can result in abnormal chromosome numbers/aneuploidy (Down Syndrome), pregnancy loss, poor oocyte quality and infertility. An increase in the frequency of meiotic chromosome segregation defects is a key factor underlying the decline in female fertility during aging.
Despite the importance of meiosis, the molecular basis of meiotic ploidy reduction - the defining feature of meiosis - remains little understood at the molecular and mechanistic level. One main reason is that meiotic gene discovery is markedly incomplete.

Questions, aims, and results

Our vision is to understand the mechanisms that distinguish meiosis from mitosis and enable generation of haploid gametes. One pivotal aspect of meiotic chromosome biology and meiotic ploidy reduction is the segregation of homologous chromosomes during the first meiotic division. This requires that homologous chromosomes find each other and pair, and that each pair of homologs become physically linked via at least one crossover before cells enter the first meiotic metaphase. Besides ensuring correct chromosome segregation during the first meiotic division, crossovers create new allele combinations in gametes, thereby increasing genomic diversity, increasing the chance of creating offsprings with better phenotypic fitness, and providing the basis for faster evolution.

Crossovers are formed by meiotic recombination through a complicated multistep process, whose molecular basis and mechanism are poorly understood. Crossover formation involves an active introduction of DNA double strand breaks (DSBs) into the genome, the use of DSBs for homology search/pairing of homologous chromosomes, and the repair of a subset of DSBs as inter-homolog crossovers. Multiple fundamental questions related to crossover formation remain unanswered, which include:

  • How do homologous chromosomes find each other among many non-homologous chromosomes?
  • How do meiocytes ensure that at least one crossover forms between each homologous chromosome pair?
  • How do meiocytes ensure that recombination at repetitive elements, which are located in multiple copies on multiple chromosomes, do not lead to pairing and crossover formation between non-homologous chromosomes?
  • How do meiocytes ensure that genomic parasites/transposons that evolved to spread and jump in the germline are silenced, and do not cause inappropriate non-homologous interactions?
  • How do meiocytes recognize if chromosome pairing fails, how do they correct such errors, and how defective meiocytes are eliminated, in order to avoid the formation of gametes with aneuploidy/abnormal genomes?

To address key questions of meiotic ploidy reduction, we screen for and characterise novel meiotic proteins, focusing on proteins that are specifically involved in meiotic chromosome segregation and chromosome dynamics in mice. As part of an ongoing functional genomic screening approach, we have been using microarray analysis and next generation sequencing to identify mouse genes that are specifically expressed in meiosis, and are likely involved in aspects of chromosome biology that are required for meiotic ploidy reduction.

Our screening approach has already yielded several novel proteins that are central players in various steps of crossover formation. For example, our discovery of HORMAD1 (Fig 2) and HORMAD2, two proteins that preferentially associate with unpaired/unsynapsed meiotic chromosome cores/axes, allowed us to address how progression in meiosis is coordinated with crossover formation, and how meiotic checkpoints/quality control ensure that only those meiocytes progress in meiosis that correctly paired and synapsed their homologous chromosomes. Currently, we are focusing on the dissection of the molecular mechanisms of HORMADs and HORMAD-dependent meiotic processes, and on the functional, genetic and molecular analysis of our other identified proteins, to understand the mechanism of crossover formation and regulation in mammals.

Figure 1: Mouse oocyte during the first meiotic metaphase. Chromosomes (blue) align on the metaphase spindle, stained by antibodies recognising tubulin (green). Figure 2: HORMAD1 “detects” and preferentially localizes to unsynapsed/unpaired chromosome axes. Chromosome cores/axes (red), HORMAD1 (green) and the unsynapsed chromatin marker ɣH2AX-histone were detected on nuclear surface spreads of a prophase spermatocyte.

Future Projects and Goals

  • Dissection of the molecular mechanisms that underpin crossover formation through the analysis of novel meiosis-specific proteins that have been identified by our screen. We are particularly interested in the mechanism of chromosome pairing and the quality control of the crossover formation process, and we aim to understand how the formation of gametes with abnormal/aneuploid genome is minimized in mammals.
  • A central part of our strategy is the expansion of our screen to comprehensively discover novel meiotic proteins. Analysis of such proteins will allow us to study essential aspects of meiosis that has not been addressed in depth by our screen and work so far. Such aspects may include meiotic control of DSB formation, kinetochore biology, chromatin organisation, suppression of genomic parasites and epigenetics.

Methodological and Technical Expertise

  • mouse genetics
  • علم الخلية
  • germ cell/meiotic cell cultures
  • expression profiling

Currently Recruiting

Attila Tóth is recruiting in the PhD Fall Selection 2021 (call is closed)

Open Projects
  • Controling the position and timing of recombination initiation in mouse meiosis
    Preferred Course of Study/Expertise of Candidate: المعلوماتية الحيوية
  • Understanding how chromosome numbers are halved during gametogenesis
    Preferred Course of Study/Expertise of Candidate: Molecular Biology, Biochemistry, Genetics

since 2017
Professor for Genome Stability and Germline Development, Experimental Center, Medical Faculty of the TU Dresden

2015–2017
Heisenberg-Professor, Institute of Physiological Chemistry, Medical Faculty, TU Dresden, Dresden, Germany

2005–2015
Young group leader, Institute of Physiological Chemistry, Medical Faculty, TU Dresden, Germany

2002–2005
Posdoctorate, Wellcome Trust/Cancer Research UK Gurdon Institute of Cancer and Developmental Biology, Cambridge, UK

2001–2002
Posdoctorate, MRC-LMB, Cambridge, UK

2001
PhD, Institute of Molecular Pathology, Vienna, Austria

1996
Diploma, ELTE (Eötvös Loránd University), Budapest, Hungary

معلومات اكثر

منشورات مختارة

Finsterbusch F, Ravindranathan R, Dereli I, Stanzione M, Tränkner D, Tóth A
Alignment of homologous chromosomes and effective repair of programmed DNA double-strand breaks during mouse meiosis require the minichromosome maintenance domain containing 2 (MCMDC2) protein.
PLoS Genet 12(10):e1006393 (2016)

Stanzione M, Baumann M, Papanikos F, Dereli I, Lange J, Ramlal A, Tränkner D, Shibuya H, de Massy B, Watanabe Y, Jasin M, Keeney S, Tóth A
Meiotic DNA break formation requires the unsynapsed chromosome axis-binding protein IHO1 (CCDC36) in mice.
Nat Cell Biol 18(11):1208–1220 (2016)

Wojtasz L, Cloutier JM, Baumann M, Daniel K, Varga J, Fu J, Anastassiadis K, Stewart AF, Reményi A, Turner JM, Tóth A.
Meiotic DNA double-strand breaks and chromosome asynapsis in mice are monitored by distinct HORMAD2-independent and -dependent mechanisms.
Genes & Development26(9):958–73 (2012)

Daniel K, Lange J, Hached K, Fu J, Anastassiadis K, Roig I, Cooke HJ, Stewart AF, Wassmann K, Jasin J, Keeney S, Tóth A.
Meiotic homologous chromosome alignment and its surveillance are controlled by mouse HORMAD1.
Nat Cell Biol 13(5):599–610 (2011)

Wojtasz L*, Daniel K*, Roig I, Bolcun-Filas E, Xu H, Boonsanay V, Eckmann CR, Cooke HJ, Jasin M, Keeney S, McKay MJ, Tóth A.
Mouse HORMAD1 and HORMAD2, two conserved meiotic chromosomal proteins, are depleted from synapsed chromosome axes with the help of TRIP13 AAA-ATPase.
PLoS Genet 5(10):e1000702 (2009)
*These authors contributed equally to this work

اتصل

Molecular Cell Biology Group/Experimental Center
Institute of Physiological Chemistry
Medical School, MTZ
Dresden University of Technology
Fiedlerstraße 42
01307 Dresden


Introduction to Human Genetics∗

الانقسام الاختزالي

Meiosis consists of one round of DNA replication and two rounds of chromosome segregation. In meiosis, there are two steps: meiosis I and meiosis II. The differences between meiosis and mitosis are (1) homologous chromosomes pair at prophase of meiosis I (2) genetic recombination, called meiotic crossing over, occurs regularly at prophase of meiosis I and (3) the chromosome number is reduced to half after meiosis I, so that the daughter cells resulting from meiosis I are haploid (23 chromosomes) ( Fig. 16.11 ).

Figure 16.11 . The process of meiosis.


دورات حياة كائنات التكاثر الجنسي

الإخصاب والانقسام الاختزالي بالتناوب الجنسي دورات الحياة. ما يحدث بين هذين الحدثين يعتمد على الكائن الحي. تقلل عملية الانقسام الاختزالي عدد الكروموسوم بمقدار النصف. الإخصاب ، وهو انضمام اثنين من الأمشاج الفردية ، يعيد الحالة ثنائية الصيغة الصبغية. هناك ثلاث فئات رئيسية لدورات الحياة في الكائنات متعددة الخلايا:

(1) ثنائي الصبغة المهيمن – the multicellular diploid stage is the most obvious life stage, as with most animals including humans

(2) هيمنة أحادية الصيغة الصبغية – the multicellular haploid stage is the most obvious life stage, as with all fungi and some algae

(3) تناوب الأجيال – the two stages are apparent to different degrees depending on the group, as with plants and some algae

دورة حياة ديبلويد-المهيمن

Nearly all animals employ a diploid-dominant life-cycle strategy. The only haploid cells produced by the organism are the gametes. في وقت مبكر من تطور الجنين ، تسمى الخلايا ثنائية الصبغيات المتخصصة خلايا جرثومية, are produced within the gonads, the testes and ovaries. Germ cells are capable of mitosis to carry on the cell line and meiosis to produce gametes. بمجرد تكوين الأمشاج الفردية ، فإنها تفقد القدرة على الانقسام مرة أخرى. لا توجد مرحلة حياة أحادية العدد متعددة الخلايا. يحدث الإخصاب مع اندماج اثنين من الأمشاج ، عادة من أفراد مختلفين ، واستعادة الحالة ثنائية الصبغة (الشكل 1).

الشكل 1. في الحيوانات ، يشكل البالغون المتكاثرون جنسيًا أمشاج أحادية العدد من الخلايا الجرثومية ثنائية الصبغيات. يؤدي اندماج الأمشاج إلى تكوين خلية بويضة مخصبة أو زيجوت. سيخضع الزيجوت إلى جولات متعددة من الانقسام الفتيلي لإنتاج نسل متعدد الخلايا. تتولد الخلايا الجرثومية في وقت مبكر من تطور البيضة الملقحة.

دورة حياة هابلويد المهيمن

Most fungi and algae employ a life-cycle type in which the “body” of the organism is haploid. The haploid cells making up the tissues of the dominant multicellular stage are formed by mitosis. أثناء التكاثر الجنسي ، تنضم خلايا أحادية العدد المتخصصة من فردين لتشكيل زيجوت ثنائي الصبغة. تخضع البيضة الملقحة على الفور للانقسام الاختزالي لتشكيل أربع خلايا أحادية العدد تسمى الأبواغ. على الرغم من أن هذه الأبواغ أحادية العدد مثل "الوالدين" ، إلا أنها تحتوي على تركيبة جينية جديدة من والدين. If conditions are questionable for success, the spores can remain dormant for a period of time. Eventually, when conditions are favorable, the spores form multicellular haploid structures by many rounds of mitosis (Figure 2).

اتصال فني

الشكل 2. الفطريات ، مثل قالب الخبز الأسود (Rhizopus nigricans) ، لها دورات حياة مفردة الصبغيات. تنتج المرحلة أحادية الصيغة الصبغية متعددة الخلايا خلايا أحادية الصيغة الصبغية عن طريق الانقسام الفتيلي الذي يندمج لتشكيل زيجوت ثنائي الصبغة. يخضع الزيجوت للانقسام الاختزالي لإنتاج جراثيم أحادية العدد. كل بوغ يؤدي إلى كائن أحادي الخلية متعدد الخلايا عن طريق الانقسام. (الائتمان "zygomycota" صورة مجهرية: تعديل العمل بواسطة "Fanaberka" / ويكيميديا ​​كومنز)

إذا حدثت طفرة بحيث لم يعد الفطر قادرًا على إنتاج نوع ناقص التزاوج ، فهل سيظل قادرًا على التكاثر؟

تناوب الأجيال

The third life-cycle type, employed by some algae and all plants, is a blend of the two others. تحتوي الأنواع التي تتناوب الأجيال على كائنات متعددة الخلايا أحادية الصيغة الصبغية وثنائية الصبغيات كجزء من دورة حياتها. تسمى النباتات متعددة الخلايا أحادية العدد مشيجية, producing gametes from specialized cells. Meiosis is not directly involved in the production of gametes in this case. The organism that produces the gametes is already a haploid. يشكل الإخصاب بين الأمشاج زيجوت ثنائي الصبغة. سيخضع الزيجوت لعدة جولات من الانقسام ويؤدي إلى نبات متعدد الخلايا ثنائي الصبغة يسمى نبت بوغي. ستخضع الخلايا المتخصصة للنبات البوغي للانقسام الاختزالي وتنتج جراثيم أحادية العدد. سوف تتطور الجراثيم لاحقًا إلى المشيجات (الشكل 3).

الشكل 3. للنباتات دورة حياة تتناوب بين كائن أحادي الخلية متعدد الخلايا وكائن ثنائي الصبغيات متعدد الخلايا. The diploid plant is called a sporophyte, producing haploid spores by meiosis. The spores develop into multicellular, haploid plants called gametophytes that produce gametes. سوف تندمج الأمشاج الخاصة بشخصين لتشكيل زيجوت ثنائي الصبغة يصبح البوغ. (الائتمان "السرخس": تعديل العمل بواسطة Cory Zanker Credit "sporangia": تعديل العمل بواسطة & # 8220Obsidian Soul & # 8221 / Wikimedia Commons Credit "gametophyte and sporophyte": تعديل العمل بواسطة "Vlmastra" / ويكيميديا ​​كومنز)

يأخذ التكاثر الجنسي أشكالًا عديدة في الكائنات متعددة الخلايا. ومع ذلك ، في مرحلة ما من كل نوع من أنواع دورة الحياة ، ينتج الانقسام الاختزالي خلايا أحادية الصيغة الصبغية تندمج مع الخلية أحادية الصيغة الصبغية لكائن حي آخر. The mechanisms of variation, including crossing over, random assortment of homologous chromosomes, and random fertilization, are present in all versions of sexual reproduction. Nearly every multicellular organism on Earth employs sexual reproduction. This is strong evidence for the benefits of producing offspring with unique gene combinations.


Pairing centers: common features of meiotic chromosomes?

As described above, in ذبابة الفاكهة, analyses of pairing have failed to identify any additional PCs and have instead indicated that general homology pairing is the predominant pairing mechanism. Moreover, nothing similar to the PCs of C. ايليجانس or the X–Y chromosome pair in ذبابة الفاكهة has been described in other organisms. Nevertheless, as summarized below, phenomena suggestive of PC-like properties have been described for specialized chromosomal sites, including nucleolus organizer regions (NORs), telomeres and centromeres. As noted above, telomere meiotic function above has similarity to the functioning of C. ايليجانس PCs. However, the data on centromere pairing are particularly intriguing and will be analyzed in some depth below.

Nucleolus organizer regions

In general NORs are not thought to have prominent roles in pairing or synapsis. In organisms in which preferential synapsis initiation sites have been mapped, these sites do not coincide with NORs (Page and Hawley, 2004). Indeed in budding yeast, NORs are apparently excluded from synapsis (Tsubouchi et al., 2008). However, PC-like behavior has been reported for NORs in ahp2 المسوخ نبات الأرابيدوبسيس thaliana. AHP2 is a homolog of the homologous-pairing protein 2 (HOP2), which is conserved among yeast, animals and plants and has been shown, in several organisms, to be required for proper homolog partner choice. في أرابيدوبسيس، ال ahp2 mutation was found to severely disrupt meiotic pairing and synapsis at most genomic sites. However, the short arms of chromosomes 2 and 4, where the two NORs are located, exhibit normal pairing frequencies and normal SC formation. These findings indicate that the NORs act as cis-acting pairing and synapsis initiation sites in ahp2 mutants (Stronghill et al., 2010), in a manner reminiscent of C. ايليجانس PCs. The extent to which NORs contribute to pairing of chromosomes 2 and 4 in wild-type plants, and whether NORs exhibit similar behavior in other organisms, still remains to be determined.

Centromeres and centric heterochromatin

Centromeres have been reported to pair during meiosis in a wide variety of organisms (reviewed by Stewart and Dawson, 2008). In addition to clustering of both homologous and non-homologous centromeres, which is a common feature of pre-meiotic and early meiotic nuclei, the pairwise association of centromeres before the general onset of pairing and synapsis has also been observed in budding yeast and wheat (Martinez-Perez et al., 1999 Tsubouchi and Roeder, 2005). In both of these cases, however, early pairwise associations are not homologous but instead involve apparently random ‘couplings’ of centromeres, with the pairings becoming homologous as cells proceed through meiotic prophase. However, this transition appears to be driven by homologous interactions initiated in other chromosomal regions rather than by any homologous interactions of the centromeres themselves. FISH analyses in wheat show that telomeric and sub-telomeric regions pair earlier than centromeres in meiosis and that the transition from non-homologous to homologous centromere associations is driven by the progression of synapsis from the telomere towards the center of the chromosome. This suggests that the homology at specific sequences near telomeres, rather than at centromeres, is involved in the correct recognition and selection of partners (Corredor et al., 2007). Moreover, when the wheat centromeres are replaced with those from the corresponding rice chromosomes there is no effect on the pairing patterns in wheat nuclei, indicating that centromeres have no role in the sorting of homologous from non-homologous chromosomes. Similarly, interchromosomal ‘centromere swaps’ have no effect on meiotic chromosome pairing and segregation in budding yeast (Clarke and Carbon, 1983).

Remarkably, however, in budding yeast, these non-homologous centromere couplings seem to have an important role in synapsis. During zygotene (by which time non-homologous couplings have been largely replaced by homologous associations), a majority of the segments of the polymerized SC central element proteins (including the molecular zipper ZIP1) either have one end at a centromere or incorporate a centromere within them. This is consistent with the idea that synapsis frequently initiates at centromeres and can propagate either unidirectionally or bidirectionally (Tsubouchi et al., 2008). Moreover, ZIP1 localizes to centromeres before the onset of general synapsis, and the early non-homologous centromere couplings are completely dependent on ZIP1 (Tsubouchi and Roeder, 2005). Thus, centromeres in yeast share some similarity to PCs in C. ايليجانس and initiate synapsis, but, unlike PCs, they do not appear to have a main role for pairing partner identification.

Centromere pairing has also been reported later in meiotic prophase, after the disassembly of the SC in a number of organisms (Stewart and Dawson, 2008). In budding and fission yeast and ذبابة الفاكهة females, these interactions are important for segregation of achiasmate chromosomes (i.e. those that lack chiasmata). In budding yeast, the centromeres of achiasmate chromosomes pair with each other during late prophase, irrespective of whether the chromosomes are homologs or non-homologs, and these chromosomes segregate preferentially to opposite poles with moderate efficiency (Kemp et al., 2004). Recent evidence shows that these late-prophase centromere couplings, like the early-prophase couplings described above, require ZIP1. Moreover, loss of ZIP1 randomizes segregation of achiasmate chromosomes (Gladstone et al., 2009). In the same study, it was also found that centromeres of homologous chromosomes pair in late prophase and that this pairing promotes the orientation of homologous centromeres to opposite poles. Thus, the budding yeast centromere provides an example of a chromosome pairing site with important roles in both synapsis and segregation, but which does not contribute directly to homologous partner choice.

في ذبابة الفاكهة females, centromeric heterochromatin regions pair throughout meiotic prophase and this pairing serves to promote the segregation of achiasmate homolog pairs (Dernburg et al., 1996 Karpen et al., 1996). Unlike in yeast, achiasmate chromosome segregation in ذبابة الفاكهة is at least partly homology driven [i.e. non-exchange X chromosomes segregate preferentially from other non-exchange X chromosomes, rather than from a non-exchange non-homolog (Hawley et al., 1992)] this is also more efficient as it yields segregation frequencies of

100% in many cases. However, achiasmate centric pairing in ذبابة الفاكهة is not limited to centromeres. Mapping studies have shown that the pairing ability is diffusely distributed throughout large tracts of centric heterochromatin and that pairing frequency depends on the length of heterochromatic homology (Hawley et al., 1992 Karpen et al., 1996). The involvement of such extensive regions probably explains the homology dependence of achiasmate segregation in ذبابة الفاكهة and could also contribute to its high efficiency. Thus, although the ذبابة الفاكهة case provides the only compelling example in which centric pairing drives chromosome assortment and segregation on a homologous basis, it is unclear what role the centromeres themselves have in this process. An interesting possibility is that centromere associations do occur, perhaps non-homologously, as in budding yeast, but that these serve to promote homology testing and, eventually, enable the formation of stable connections within flanking heterochromatic domains.

ومن المثير للاهتمام، ذبابة الفاكهة also provides what is perhaps the only clear example of truly homologous centromere pairing (as opposed to centric heterochromatic pairing), but in male rather than female meiosis. Using a GFP-tagged centromere protein to visualize centromeres in live cells, centromeres have been found to cluster non-specifically in early prophase, when euchromatic sequences are tightly paired, then to sort into pairwise and strictly homologous associations shortly after the loss of homologous pairing in the chromosome arms (Vazquez et al., 2002 Yan et al., 2010). A recent FISH study demonstrated that this pairing is centromere-specific and does not extend even into very nearby pericentromeric heterochromatin (heterochromatin situated near to a centromere) (Tsai et al., 2011), and thus could be an example of PC-like behavior. However, homologous centromere pairing is short-lived centromeres become unpaired by mid-prophase I and remain unpaired throughout the remainder of meiosis I. The functional significance of these transient pairings and the basis for the homology dependence is unknown. Centromeres of different ذبابة الفاكهة chromosomes appear not to share DNA sequence homology (Sun et al., 2003), so there could be a sequence basis for such specificity. Alternatively, the specificity could be entirely adventitious, driven by the homologous pairing of linked arms earlier in prophase. Centromere pairing occurs shortly after the homologous chromosome pairs have resolved into separate nuclear territories, so that, when they pair, it is probable that a centromere only has access to the centromere of its homolog. It will be of interest to determine how centromeres pair in experimental situations in which both homologous and non-homologous pairing partners are available.

Overall, the evidence indicates that centromeres pair actively and specifically with each other, but that such pairings are generally not homology driven. Centromere pairing can nevertheless play important roles in synapsis and homolog segregation.


ملخص القسم

Sexual reproduction requires that diploid organisms produce haploid cells that can fuse during fertilization to form diploid offspring. As with mitosis, DNA replication occurs prior to meiosis during the S-phase of the cell cycle. Meiosis is a series of events that arrange and separate chromosomes and chromatids into daughter cells. During the interphases of meiosis, each chromosome is duplicated. In meiosis, there are two rounds of nuclear division resulting in four nuclei and usually four daughter cells, each with half the number of chromosomes as the parent cell. The first separates homologs, and the second—like mitosis—separates chromatids into individual chromosomes. During meiosis, variation in the daughter nuclei is introduced because of crossover in prophase I and random alignment of tetrads at metaphase I. The cells that are produced by meiosis are genetically unique.

Meiosis and mitosis share similarities, but have distinct outcomes. Mitotic divisions are single nuclear divisions that produce daughter nuclei that are genetically identical and have the same number of chromosome sets as the original cell. Meiotic divisions include two nuclear divisions that produce four daughter nuclei that are genetically different and have one chromosome set instead of the two sets of chromosomes in the parent cell. The main differences between the processes occur in the first division of meiosis, in which homologous chromosomes are paired and exchange non-sister chromatid segments. The homologous chromosomes separate into different nuclei during meiosis I, causing a reduction of ploidy level in the first division. The second division of meiosis is more similar to a mitotic division, except that the daughter cells do not contain identical genomes because of crossover.

أسئلة إضافية للتحقق الذاتي

1. Describe the process that results i the formation of a tetrad.

2. Explain how the random alignment of homologous chromosomes during metaphase I contributes to the variation in gametes produced by meiosis.

3. What is the function of the fused kinetochore found on sister chromatids in prometaphase I?

4. In a comparison of the stages of meiosis to the stages of mitosis, which stages are unique to meiosis and which stages have the same events in both meiosis and mitosis?

الإجابات

4. All of the stages of meiosis I, except possibly telophase I, are unique because homologous chromosomes are separated, not sister chromatids. In some species, the chromosomes do not decondense and the nuclear envelopes do not form in telophase I. All of the stages of meiosis II have the same events as the stages of mitosis, with the possible exception of prophase II. In some species, the chromosomes are still condensed and there is no nuclear envelope. Other than this, all processes are the same.


شاهد الفيديو: اضخم مفاجأة لعيد ميلادها الـ مع بعض (قد 2022).


تعليقات:

  1. Brocleigh

    في رأيي ، هذا ليس صحيحا.

  2. Ewart

    ليس سيئًا

  3. Akigar

    جودة سيئة ولكن يمكنك أن ترى

  4. Renny

    بالتأكيد ، سوف نذهب ونقرأ!

  5. Fejind

    اللمعان

  6. Aiekin

    كيفية تنزيل المساعدة

  7. Deagmund

    أعتقد أنك مخطئ. اكتب لي في PM.

  8. Kinnard

    فإنه لا معنى له.

  9. Akill

    أعتقد أن هذه فكرة رائعة. أتفق معها تمامًا.



اكتب رسالة