Из Википедии, свободной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску

Хромосомная сегрегация - это процесс у эукариот, при котором две сестринские хроматиды, образованные в результате репликации ДНК , или парные гомологичные хромосомы , отделяются друг от друга и мигрируют к противоположным полюсам ядра . Этот процесс сегрегации происходит как во время митоза, так и во время мейоза . Расщепление хромосом также происходит у прокариот . Однако, в отличие от эукариотической сегрегации хромосом, репликация и сегрегация не разделены во времени. Вместо этого сегрегация происходит постепенно после репликации. [1]

Митотическая сегрегация хроматид [ править ]

Митоз делит хромосомы в ядре клетки .

Во время митоза хромосомная сегрегация обычно является этапом деления клеток (см. Схему митоза). Как показано на схеме митоза, митозу предшествует цикл репликации ДНК, так что каждая хромосома образует две копии, называемые хроматидами . Эти хроматиды разделяются на противоположные полюса, и этому процессу способствует белковый комплекс, называемый когезином . При правильном расщеплении полный набор хроматид оказывается в каждом из двух ядер, а когда деление клетки завершается, каждая копия ДНК, ранее называвшаяся хроматидой, теперь называется хромосомой.

Мейотическая хромосома и сегрегация хроматид [ править ]

Сегрегация хромосом происходит на двух отдельных стадиях во время мейоза, называемых анафазой I и анафазой II (см. Диаграмму мейоза). В диплоидной клетке есть два набора гомологичных хромосом разного родительского происхождения (например, отцовский и материнский набор). Во время фазы мейоза, обозначенной на диаграмме мейоза «интерфаза s», происходит цикл репликации ДНК, так что каждая из изначально присутствующих хромосом теперь состоит из двух копий, называемых хроматидами.. Эти хромосомы (парные хроматиды) затем соединяются с гомологичной хромосомой (также парными хроматидами), присутствующей в том же ядре (см. Профазу I на диаграмме мейоза). Процесс выравнивания парных гомологичных хромосом называется синапсисом (см. Синапсис ). Во время синапсиса обычно происходит генетическая рекомбинация. Некоторые из событий рекомбинации происходят посредством кроссинговера (включая физический обмен между двумя хроматидами), но большинство событий рекомбинации включают обмен информацией, но не физический обмен между двумя хроматидами (см. Зависящий от синтеза отжиг цепей (SDSA) ). После рекомбинации происходит сегрегация хромосом, на что указывают стадии метафазы I и анафазы I на диаграмме мейоза.

Различные пары хромосом разделяются независимо друг от друга, этот процесс называется «независимый набор негомологичных хромосом» . В результате этого процесса каждая гамета обычно содержит смесь хромосом от обоих первоначальных родителей.

Неправильная сегрегация хромосом может привести к тому, что анеуплоидные гаметы будут иметь либо слишком мало, либо слишком много хромосом.

Вторая стадия, на которой происходит сегрегация во время мейоза, - это профаза II (см. Диаграмму мейоза). Во время этой стадии сегрегация происходит аналогично митозу, за исключением того, что в этом случае профазе II не предшествует цикл репликации ДНК. Таким образом, две хроматиды, составляющие каждую хромосому, разделяются на разные ядра , так что каждое ядро ​​получает один набор хроматид (теперь называемых хромосомами), и каждое ядро ​​становится включенным в гаплоидную гамету (см. Стадии, следующие за профазой II на диаграмме мейоза). Этому процессу сегрегации также способствует когезин.. Нарушение правильной сегрегации во время профазы II также может привести к анеуплоидным гаметам. Анеуплоидные гаметы могут подвергаться оплодотворению с образованием анеуплоидных зигот и, следовательно, иметь серьезные неблагоприятные последствия для потомства.

Кроссоверы способствуют сегрегации, но не являются необходимыми [ править ]

Схема мейотических фаз
Современная модель мейотической рекомбинации, инициированной двухцепочечным разрывом или разрывом, с последующим спариванием с гомологичной хромосомой и инвазией цепи для инициирования процесса рекомбинационной репарации. Ремонт разрыва может привести к кроссоверу (CO) или непересечению (NCO) фланкирующих областей. Считается, что рекомбинация CO происходит в рамках модели двойного холлидейского соединения (DHJ), показанной справа выше. Считается, что рекомбинанты NCO возникают в основном в рамках модели отжига зависимых цепей от синтеза (SDSA), показанной слева выше. Большинство событий рекомбинации относятся к типу SDSA.

Рекомбинация с кроссовером мейотических хромосом (CO) способствует правильной сегрегации гомологичных хромосом . Это связано с тем, что в конце профазы I мейоза рекомбинация CO обеспечивает физическую связь, которая удерживает вместе гомологичные пары хромосом. Эти связи устанавливаются хиазмами , которые являются цитологическими проявлениями рекомбинации CO. Вместе с сцеплением между сестринскими хроматидами, Рекомбинация CO может помочь обеспечить упорядоченную сегрегацию парных гомологичных хромосом на противоположных полюсах. В подтверждение этого, исследование анеуплоидии в отдельных сперматозоидах с помощью полногеномного секвенирования показало, что в среднем человеческие сперматозоиды с анеуплоидными аутосомами демонстрируют значительно меньшее количество кроссоверов, чем нормальные клетки. [2] После того, как первая сегрегация хромосом в мейозе I завершена, происходит дальнейшая сегрегация хромосом во время второго эквационального деления мейоза II . И правильная начальная сегрегация хромосом в профазе I, и следующая сегрегация хромосом во время эквационального деления в мейозе II необходимы для генерации гамет с правильным числом хромосом.

Рекомбинанты CO получают с помощью процесса, включающего образование и разделение промежуточных продуктов соединения Холлидея . Как показано на рисунке, озаглавленном «Текущая модель мейотической рекомбинации», образование мейотических кроссоверов может быть инициировано двухцепочечным разрывом (DSB). Для введения DSB в ДНК часто используется похожий на топоизомеразу белок SPO11. [3] Рекомбинация CO также может быть инициирована внешними источниками повреждения ДНК, такими как рентгеновское облучение [4] или внутренние источники. [5] [6]

Имеются данные о том, что рекомбинация CO облегчает мейотическую сегрегацию хромосом. [2] Другие исследования, однако, показывают, что хиазма , хотя и является поддерживающей, не является существенной для мейотической сегрегации хромосом. Почкующиеся дрожжи Saccharomyces cerevisiae представляют собой модельный организм, используемый для изучения мейотической рекомбинации. Было обнаружено, что мутанты S. cerevisiae, дефектные по рекомбинации CO на уровне разрешения соединений Холлидея, эффективно подвергаются надлежащей сегрегации хромосом. Путь, который производит большую часть CO в S. cerevisiae и, возможно, у млекопитающих, включает комплекс белков, включая гетеродимер MLH1 - MLH3. (так называемая гамма MutL). [7] MLH1-MLH3 связывается преимущественно с соединениями Холлидея. [8] Это эндонуклеаза, которая делает одноцепочечные разрывы в суперспиральной двухцепочечной ДНК [8] [9] и способствует образованию рекомбинантов CO. [10] Двойные мутанты, удаленные как для MLH3 (основной путь), так и для MMS4 (который необходим для минорного пути разрешения соединения Холлидея), показали резко сниженный кроссинговер по сравнению с мутантами дикого типа (снижение в 6-17 раз); однако жизнеспособность спор была достаточно высокой (62%), а расхождение хромосом оказалось в основном функциональным. [10]

В MSH4 и MSH5 белки образуют гетероциклическое-олигомерные структуры ( гетеродимера ) в S.cerevisiae , и человека. [11] [12] [13] В S. cerevisiae , MSH4 и MSH5 действуют специфически, способствуя кроссоверам между гомологичными хромосомами во время мейоза. [11] Комплекс MSH4 / MSH5 связывает и стабилизирует двойные соединения Холлидея и способствует их разделению в продукты кроссинговера. Гипоморфный (частично функциональный) мутант S. cerevisiae MSH4 показал 30% -ное снижение числа кроссоверов по всему геному и большое количество мейозов с необменными хромосомами.[14] Тем не менее, этот мутант дал начало паттернам жизнеспособности спор, предполагающим, что сегрегация необменных хромосом происходит эффективно. [14] Таким образом, кажется, что рекомбинация CO способствует правильной сегрегации хромосом во время мейоза у S. cerevisiae , но это не существенно.

Делящиеся дрожжи Schizosaccharomyces pombe обладают способностью сегрегировать гомологичные хромосомы в отсутствие мейотической рекомбинации (сегрегация ахиазматов). [15] Эта способность зависит от моторного динеина микротрубочек, который регулирует движение хромосом к полюсам мейотического веретена .

См. Также [ править ]

  • Клеточный цикл
  • Неслучайная сегрегация хромосом

Ссылки [ править ]

  1. ^ Нильсен, HJ; Youngren, B .; Hansen, FG; Остин, С. (2007-12-01). «Динамика хромосомной сегрегации Escherichia coli во время многократной репликации» . Журнал бактериологии . 189 (23): 8660–8666. DOI : 10.1128 / JB.01212-07 . ISSN  0021-9193 . PMC  2168957 . PMID  17905986 .
  2. ^ а б Лу С, Цзун Ц., Фан В, Ян М, Ли Дж., Чепмен А. Р., Чжу П, Ху X, Сюй Л, Ян Л, Бай Ф, Цяо Дж, Тан Ф, Ли Р, Се XS (2012) . «Исследование мейотической рекомбинации и анеуплоидии отдельных сперматозоидов путем секвенирования всего генома» . Наука . 338 (6114): 1627–30. Bibcode : 2012Sci ... 338.1627L . DOI : 10.1126 / science.1229112 . PMC 3590491 . PMID 23258895 .  
  3. ^ Сансы CL, Pezza RJ (2015). «Соединение путем разрыва и восстановления: механизмы обмена цепей ДНК в мейотической рекомбинации» . FEBS Дж . 282 (13): 2444–57. DOI : 10.1111 / febs.13317 . PMC 4573575 . PMID 25953379 .  
  4. ^ Дернбург AF, McDonald K, Литейщик G, Barstead R, Dresser M, Villeneuve AM (1998). «Мейотическая рекомбинация у C. elegans инициируется консервативным механизмом и не обязательна для гомологичных синапсов хромосом». Cell . 94 (3): 387–98. DOI : 10.1016 / s0092-8674 (00) 81481-6 . PMID 9708740 . S2CID 10198891 .  
  5. ^ Farah JA, Кроми G, Davis L, Steiner WW, Smith GR (2005). «Активация альтернативного, rec12 (spo11) -независимого пути мейотической рекомбинации делящихся дрожжей в отсутствие эндонуклеазы лоскута ДНК» . Генетика . 171 (4): 1499–511. DOI : 10.1534 / genetics.105.046821 . PMC 1456079 . PMID 16118186 .  
  6. ^ Pauklin S, Burkert JS, Martin J, Осман F, Weller S, бултон SJ, Уитби MC, Petersen-Mahrt SK (2009). «Альтернативная индукция мейотической рекомбинации из одноосновных повреждений ДНК дезаминаз» . Генетика . 182 (1): 41–54. DOI : 10.1534 / genetics.109.101683 . PMC 2674839 . PMID 19237686 .  
  7. ^ Zakharyevich К, Тан S, Ма Да, Хантер N (2012). «Определение совместных путей разрешения молекул в мейозе позволяет идентифицировать кроссинговер-специфичную резольвазу» . Cell . 149 (2): 334–47. DOI : 10.1016 / j.cell.2012.03.023 . PMC 3377385 . PMID 22500800 .  
  8. ^ а б Ранджа Л., Ананд Р., Сейка П. (2014). «Гетеродимер Saccharomyces cerevisiae Mlh1-Mlh3 представляет собой эндонуклеазу, которая предпочтительно связывается с соединениями Холлидея» . J. Biol. Chem . 289 (9): 5674–86. DOI : 10.1074 / jbc.M113.533810 . PMC 3937642 . PMID 24443562 .  
  9. ^ Рогачева М.В., Манхарт CM, Чен С, Гуарне А, Суртиз Дж, Алани Э (2014). «Mlh1-Mlh3, фактор мейотического кроссовера и репарации ошибочного спаривания ДНК, является эндонуклеазой, стимулированной Msh2-Msh3» . J. Biol. Chem . 289 (9): 5664–73. DOI : 10.1074 / jbc.M113.534644 . PMC 3937641 . PMID 24403070 .  
  10. ^ a b Sonntag Brown M, Lim E, Chen C, Nishant KT, Alani E (2013). «Генетический анализ мутаций mlh3 выявляет взаимодействия между факторами, способствующими кроссоверу, во время мейоза у пекарских дрожжей» . G3: Гены, геномы, генетика . 3 (1): 9–22. DOI : 10,1534 / g3.112.004622 . PMC 3538346 . PMID 23316435 .  
  11. ^ a b Pochart P, Woltering D, Hollingsworth NM (1997). «Сохранение свойств между функционально различными гомологами MutS в дрожжах» . J. Biol. Chem . 272 (48): 30345–9. DOI : 10.1074 / jbc.272.48.30345 . PMID 9374523 . 
  12. ^ Winand NJ, Panzer JA, Колоднер RD (1998). «Клонирование и характеристика гомологов человека и Caenorhabditis elegans гена MSH5 Saccharomyces cerevisiae». Геномика . 53 (1): 69–80. DOI : 10.1006 / geno.1998.5447 . PMID 9787078 . 
  13. ^ Bocker Т, Barusevicius А, Т Сноуден, Rasio D, Guerrette S, D Robbins, Шмидт С, Burczak Дж, Кроче СМ, Copeland Т, Kovatich AJ, Фишел R (1999). «hMSH5: гомолог MutS человека, который образует новый гетеродимер с hMSH4 и экспрессируется во время сперматогенеза». Cancer Res . 59 (4): 816–22. PMID 10029069 . 
  14. ^ a b Кришнапрасад Г. Н., Ананд М. Т., Лин Г., Теккедил М. М., Штейнметц Л. М., Нишант К. Т. (2015). «Вариация частот кроссовера нарушает гарантию кроссовера, не влияя на сегрегацию мейотических хромосом у Saccharomyces cerevisiae» . Генетика . 199 (2): 399–412. DOI : 10.1534 / genetics.114.172320 . PMC 4317650 . PMID 25467183 .  
  15. Перейти ↑ Davis L, Smith GR (2005). «Динеин способствует расщеплению ахиазматов у Schizosaccharomyces pombe» . Генетика . 170 (2): 581–90. DOI : 10.1534 / genetics.104.040253 . PMC 1450395 . PMID 15802518 .