Мейоз (или редукционное деление клетки) — деление ядра эукариотической клетки с уменьшением числа хромосом в два раза. Происходит в два этапа (редукционный и эквационный этапы мейоза). Мейоз не следует смешивать с гаметогенезом — образованием специализированных половых клеток, или гамет, из недифференцированных стволовых. С уменьшением числа хромосом в результате мейоза в жизненном цикле происходит переход от диплоидной фазы к гаплоидной. Восстановление плоидности (переход от гаплоидной фазы к диплоидной) происходит в результате полового процесса. В связи с тем, что в профазе первого, редукционного, этапа происходит попарное слияние (конъюгация) гомологичных хромосом, правильное протекание мейоза возможно только в диплоидных клетках или в чётных полиплоидах (тетра-, гексаплоидных и т. п. клетках). Мейоз может происходить и в нечётных полиплоидах (три-, пентаплоидных и т. п. клетках), но в них, из-за невозможности обеспечить попарное слияние хромосом в профазе I, расхождение хромосом происходит с нарушениями, которые ставят под угрозу жизнеспособность клетки или развивающегося из неё многоклеточного гаплоидного организма. Этот же механизм лежит в основе стерильности межвидовых гибридов. Поскольку у межвидовых гибридов в ядре клеток сочетаются хромосомы родителей, относящихся к различным видам, хромосомы обычно не могут вступить в конъюгацию. Это приводит к нарушениям в расхождении хромосом при мейозе и, в конечном счете, к нежизнеспособности половых клеток, или гамет. Определенные ограничения на конъюгацию хромосом накладывают и хромосомные мутации (масштабные делеции, дупликации, инверсии или транслокации).
Фазы мейоза.
Мейоз состоит из 2 последовательных делений с короткой интерфазой между ними.
Профаза I — профаза первого деления очень сложная и состоит из 5 стадий:
• Фаза лептотены или лептонемы — упаковка хромосом.
• Зиготена или зигонема — конъюгация (соединение) гомологичных хромосом с образованием структур, состоящих из двух соединённых хромосом, называемых тетрадами или бивалентами.
• Пахитена или пахинема — кроссинговер (перекрест), обмен участками между гомологичными хромосомами; гомологичные хромосомы остаются соединенными между собой.
• Диплотена или диплонема — происходит частичная деконденсация хромосом, при этом часть генома может работать, происходят процессы транскрипции (образование РНК), трансляции (синтез белка); гомологичные хромосомы остаются соединёнными между собой.
• Диакинез — ДНК снова максимально конденсируется, синтетические процессы прекращаются, растворяется ядерная оболочка; центриоли расходятся к полюсам; гомологичные хромосомы остаются соединёнными между собой.
Метафаза I — бивалентные хромосомы выстраиваются вдоль экватора клетки.
Анафаза I — микротрубочки сокращаются, биваленты делятся и хромосомы расходятся к полюсам. Важно отметить, что, из-за конъюгации хромосом в зиготене, к полюсам расходятся целые хромосомы, состоящие из двух хроматид каждая, а не отдельные хроматиды, как в митозе.
Телофаза I — хромосомы деспирализуются и появляется ядерная оболочка.
Второе деление мейоза следует непосредственно за первым, без выраженной интерфазы: S-период отсутствует, поскольку перед вторым делением не происходит репликации ДНК.
Профаза II — происходит конденсация хромосом, клеточный центр делится и продукты его деления расходятся к полюсам ядра, разрушается ядерная оболочка, образуется веретено деления.
Метафаза II — унивалентные хромосомы (состоящие из двух хроматид каждая) располагаются на «экваторе» (на равном расстоянии от «полюсов» ядра) в одной плоскости, образуя так называемую метафазную пластинку.
Анафаза II — униваленты делятся и хроматиды расходятся к полюсам.
Телофаза II — хромосомы деспирализуются и появляется ядерная оболочка.
В результате из одной диплоидной клетки образуется четыре гаплоидных клетки. В тех случаях, когда мейоз сопряжён с гаметогенезом (например, у многоклеточных животных), при развитии яйцеклеток первое и второе деления мейоза резко неравномерны. В результате формируется одна гаплоидная яйцеклетка и два так называемых редукционных тельца (абортивные дериваты первого и второго делений).
Кроссинговер (другое название в биологии перекрёст) — явление обмена участками гомологичных хромосом во время конъюгации при мейозе. Помимо мейотического описан также митотический кроссинговер. Поскольку кроссинговер вносит возмущения в картину сцепленного наследования, его удалось использовать для картирования «групп сцепления» (хромосом). Возможность картирования была основана на предположении о том, что, чем чаще наблюдается кроссинговер между двумя генами, тем дальше друг от друга расположены эти гены в группе сцепления и тем чаще будут наблюдаться отклонения от сцепленного наследования. Первые карты хромосом были построены в 1913 г. для классического экспериментального объекта плодовой мушки Drosophila melanogaster Альфредом Стёртевантом, учеником и сотрудником Томаса Ханта Моргана.
Мейоз— это особый тип клеточного деления, возникновение которого связано с появлением полового размножения. При половом размножении два родителя — отец и мать — дают начало новому организму. При оплодотворении сливаются ядра половых клеток родителей, что увеличивает вдвое количество хромосом в зиготе. Следовательно, образование половых клеток должно быть связано с уменьшением количества хромосом в два раза, но таким образом, чтобы совокупность генетического материала обеспечивала преемственность поколений. Закономерное чередование репликации ДНК и, соответственно, хромосом, митозов и мейозов обеспечивает сохранение видоспецифического кариоти-па как в индивидуальном развитии — онтогенезе, так и в череде поколений организмов.
В процессе мейоза из одной диплоидной клетки (2n = 46) образуются 4 гаплоидные клетки (n = 23). Кроме того, в мейозе происходит два вида перегруппировки генетического материала хромосом, т. е. два вида генетической рекомбинации: 1) независимое распределение гомологичных хромосом из разных пар к полюсам деления; 2) кроссинговер — обмен участками между гомологичными хромосомами. Эти процессы обеспечивают широчайший спектр наследственной изменчивости, генетическую неповторимость индивидов даже среди потомков одной пары родителей.
Мейотическое деление у человека не имеет каких-то коренных отличий от мейоза других эукариот. Оно состоит из двух, следующих друг за другом делений, между которыми не происходит удвоения ДНК, а следовательно, и хромосом.
Перед мейозом обязательно проходит интерфаза, в S-периоде которой ДНК реплицируется. Следовательно, в профазе первого мейотического деления выявляющиеся нитевидные хромосомы состоят из двух хроматид. Каждое из двух делений мейоза состоит из про-, мета-, ана- и телофазы с индексами I или II
Первое мейотическое деление протекает значительно дольше, чем второе. Самой длительной фазой первого мейотического деления является профаза, так как именно в этой фазе происходят такие сложные процессы, как образование бивалентов из гомологичных хромосом и кроссинговер.
Метафаза I — биваленты выстраиваются в экваториальной плоскости в цитоплазме. Центромеры хромосом расположены на экваторе, к ним прикреплены нити веретена деления. Число выстроенных бивалентов соответствует гаплоидному набору хромосом и для человека равно 23.
Анафаза I — расхождение гомологичных хромосом к противоположным полюсам клетки. Каждая хромосома состоит из двух сестринских хроматид.
Телофаза I. В этой фазе происходит образование двух дочерних ядер, каждое из которых содержит гаплоидное число хромосом, равное 23. Каждая хромосома состоит из двух сестринских хроматид.
Промежуток между двумя последующими делениями мейоза очень небольшой. Почти сразу начинается второе мейотическое деление. Оно идет по схеме митоза: 23 хромосомы, состоящие из парных сестринских хроматид, связанных в центромерных участках, в каждом из двух образованных ядер проходят профазу и мета-фазу. В анафазе они разъединяются, и сестринские хроматиды каждой хромосомы расходятся к противоположным полюсам, в результате чего образуется четыре гаплоидных ядра (рис. 10).
Рекомбинация генетического материала в мейозе происходит не только за счет процесса кроссинговера. В анафазе первого мейотического деления происходит случайное распределение по отношению к полюсам клетки гомологичных хромосом из каждого бивалента. Это приводит к большому числу возможных комбинаций отцовских и материнских хромосом в гаметах. Рассмотрим процесс подробнее на простом примере.
Проанализируем распределение первой и второй пары гомологичных хромосом в анафазе I. Известно, что в каждой паре гомологичных хромосом в процессе оплодотворения одна хромосома приходит из гаметы отца, другая — из гаметы матери. Обозначим заглавными буквами хромосомы отца, а строчными — хромосомы матери. Таким образом, А и а — первая пара хромосом, В и b — вторая пара. В профазе I образуются биваленты. В метафазе I они выстраиваются в экваториальной плоскости: А//а, В//b. В анафазе I гомологичные хромосомы из бивалентов расходятся к противоположным полюсам: к одному полюсу пойдут хромосомы А и В, т.е. отцовские, а к другому, а и b, т.е. материнские. Но у этого события может быть и другой исход, когда расположение хромосом в метафазе на экваторе будет другим: А//а, b//В. Тогда к одному полюсу пойдут хромосомы А и b, а к другому — а и В, т.е. сочетание хромосом на полюсах будет содержать одну отцовскую и одну материнскую. Наличие двух пар гомологичных хромосом обеспечивает, как мы видим, образование четырех типов гамет, качественно отличающихся друг от друга сочетанием отцовских и материнских хромосом. У человека 23 пары хромосом. Разнообразие гамет оценивается как 223. Это примерно 10 миллионов вариантов разнообразных сочетаний отцовских и материнских хромосом из каждой пары гомологов. При оплодотворении практически равновероятна встреча любого из сперматозоидов с овулировавшей яйцеклеткой. Это увеличивает число возможных генотипов детей (223 • 223). Частота генетической рекомбинации в результате независимого распределения разных пар гомологов выше, чем частота рекомбинации в результате кроссинговера.
Наследование признаков, сцепленных с полом.Хромосомы X и Y гомологичны, так как у них есть общие гомологичные участки, где локализованы аллельные гены. Однако эти хромосомы, несмотря на гомологию отдельных локусов, различаются по морфологии. Помимо общих участков Х- и Y-хромосомы имеют большой набор генов, по которым они различаются. В Х-хромосоме имеются гены, которые отсутствуют в Y-хромосоме, в свою очередь, в Y-хромосо-ме имеются гены, которых нет в Х-хромосоме. Таким образом, у мужчин в половых хромосомах имеются гены, которые не имеют второго аллеля в гомологичной хромосоме. В этом случае признак определяется не парой аллельных генов, как обычно менделирующий признак, а только одним аллелем. Такое состояние гена называется гемизиготным (рис. 15). Признаки, развитие которых обусловлено одним аллелем, расположенным в одной из альтернативных половых хромосом, называются сцепленными с полом. Они развиваются преимущественно у одного из двух полов. Эти признаки наследуются по-разному у лиц мужского и женского пола.
Признаки, сцепленные с Х-хромосомой, могут быть и рецессивными, и доминантными. Рецессивные признаки — гемофилия, дальтонизм, атрофия зрительного нерва и миопатия Дюшена. Доминантные — рахит, не поддающийся лечению витамином D, и темная эмаль зубов.
Рассмотрим сцепленное с Х-хромосомой наследование на примере рецессивного гена гемофилии. У мужчины половые хромосомы XY. Ген гемофилии локализован в Х-хромосоме и не имеет аллеля в Y-хромосоме, т. е. находится в гемизиготном состоянии. Следовательно, несмотря на то, что признак рецессивный, у мужчин он проявляется:
N — ген нормальной свертываемости крови;
h — ген гемофилии;
XhY — мужчина с гемофилией;
XNY — мужчина здоров.
У женщин половые хромосомы XX. Признак определяется парой аллельных генов, поэтому гемофилия проявляется только в гомозиготном состоянии:
XNXN — женщина здорова;
XNXh — гетерозиготная женщина (носительница гена гемофилии), здорова;
XhXh — женщина-гемофилик.
Основные формальные характеристики Х-сцепленного рецессивного наследования следующие. Обычно поражаются мужчины. Все их фенотипически здоровые дочери являются гетерозиготными носительницами, так как от отца в процессе оплодотворения получают Х-хромосому:
