Маълумот

Чӣ тавр ҷуфтҳои гомологӣ якдигарро меёбанд

Чӣ тавр ҷуфтҳои гомологӣ якдигарро меёбанд


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.

Агар ман хато накунам, ягона вақт ҷуфтҳои гомологии хромосомаҳо бояд ҳамдигарро пайдо кунанд, ҳангоми ташаккули гамета ҳангоми омодагӣ ба рекомбинатсияи кроссовер. Чӣ тавр онҳо якдигарро меёбанд?


Ман ин баррасиро аз соли 1999 пайдо кардам. Аз реферат:

Ба хулосае омаданд, ки таъсири мутақобилаи ДНК-ДНК наметавонад масофаи байни хромосомаҳои гомологиро дар ядро ​​пур кунад ва пешниҳод карда мешавад, ки занҷирҳои сафеда дар байни сегментҳои гомологӣ ба вуҷуд меоянд. Инҳо ба занҷирҳои гомологӣ пайваст мешаванд, ки аз пайдарпаии гомологӣ дар дигар хромосомаҳо ба вуҷуд меоянд ва занҷирҳо то ба ҳам омадани пайдарпаии гомологии ДНК якдигар ҳаракат мекунанд.

Барои нашрияҳои навтарин шумо метавонед дар инҷо мақолаҳои истинодшударо ҷустуҷӯ кунед.


Ҷустуҷӯи мувофиқати хромосомаҳои гомологӣ ҳангоми профазаи I мейоз

Ҳангоми профазаи I мейоз дар одамон, ҷуфтҳои гомологӣ чӣ гуна якдигарро меёбанд? Инчунин чӣ тафтиш мекунад, ки оё ҷуфтҳо дурустанд ё не?

Ин саволи воқеан хуб аст. Азбаски мейоз як падидаи биологӣ асосист, механизмҳои молекулавӣ, ки хосияти ҷуфтшавии хромосомаҳои гомологиро осон ва мустаҳкам мекунанд, то ҳол номаълуманд. Бо вуҷуди ин, омилҳои зиёде муайян карда шудаанд, ки ба ин раванд таъсир мерасонанд, ба монанди шинохти гомологӣ дар сайтҳои махсусгардонидашуда дар баробари хромосомаҳо ва таъсири мутақобилаи теломерҳо ва центромерҳо.

Таҳрир: хатоги, тағир додани митоз ба мейоз

Ҳамчун як падидаи биологӣ ҳамчун митоз

Ногуфта намонад, ки мейоз, ки ин савол дар бораи он аст ва кай ин воқеа рӯй медиҳад.

Салом! Ман аслан доктори худро дар мейоз кор кардам! Ҷуфткунӣ аслан бо рекомбинатсия сурат мегирад. Ҳуҷайра қасдан хромосомаҳои худро дар якчанд сад нуқтаҳои гуногун мешиканад. Дар бораи он, ки ин танаффусҳо дар куҷо рух медиҳанд, ҳеҷ гуна консенсус вуҷуд надорад, аммо тадқиқоти беҳтарини мо нишон медиҳад, ки меъмории хроматин нақш мебозад. ДНК -и шикаста резексия карда мешавад ё ҳазм карда мешавад, ки ақсои рекомбиногенӣ боқӣ мемонад. ДНК-и шикаста бояд барқарор карда шавад, бинобар ин, ақсоҳои рекомбиногенӣ ба молекулаи дигари ДНК, ки гомологияро ҷустуҷӯ мекунанд, ворид мешаванд. Ин ҷустуҷӯи гомология ҷуфтшавиро ба вуҷуд меорад. Вақте ки он гомологияро пайдо мекунад, танаффусро таъмир кардан мумкин аст. Ҳангоми рекомбинатсия дар мейоз сафедаҳои махсус, ки аз комплекси синаптонемалӣ иборатанд, ҷалб карда мешаванд, аввал дар танаффусҳо, сипас дар тӯли хромосома паҳн мешаванд, ки паҳлӯҳои гомологҳоро фишурда, рекомбинатсияи иловагиро пеш мебаранд.


Ҷустуҷӯи шарики дуруст: Курси Мейотикӣ

Хромосомаҳои гомологӣ одатан дар даромадгоҳи мейоз ҷудо карда мешаванд , ки чӣ тавр онҳо ҷуфт мешаванд, яке аз асрори барҷастаи раванди мейози мебошад. Коҳиш додани фосила байни гомологҳо имкон медиҳад, ки пайдоиши таъсири мутақобилаи хромосомӣ ба муайянкунии гомология ва ташаккули бивалентҳо оварда расонад. Дар бисёр организмҳо ҳаракатҳои хромосомаҳои теломерӣ ба вуҷуд меоянд, ки гомологҳоро ба ҳам меоранд. Ҳаракатҳои иловагии , ки дар натиҷаи тағироти конформативии хроматин дар аввали мейоз ва#13 ба вуҷуд омадаанд, инчунин метавонанд алоқаҳои гомологиро осон кунанд. Организмҳое, ки дар омӯзиши мейоз истифода мешаванд, як қатор стратегияҳои аҷиби ошкор кардани гомологияро нишон медиҳанд. Дар диптеранҳо, хромосомаҳои гомологӣ дар тӯли аксарияти рушд ҷуфт шуда мемонанд. Чунин ба назар мерасад, ки ҷуфтшавӣ ҳамчун тавозун байни генҳои ҷуфткунии промоутер ва супрессор ба вуҷуд меояд. Баъзе занбурўѓњо, наботот ва њайвонот механизмњоеро, ки дар асоси таъсири мутаќобилаи рекомбинатсия асос ёфтаанд, истифода мебаранд. Механизмҳои дигаре, ки ба ҷустуҷӯи гомологӣ оварда мерасонанд, аз рекомбинатсия мустақиланд ва сайтҳои ҷуфткунии махсусро талаб мекунанд. Дар кирм Caenorhabditis elegans, ҳар як хромосома маркази ҷуфткуниро дар бар мегирад иборат аз комплекси хромосомаи ДНК-сафеда ва дар хамиртуруши тақсимшаванда Schizosaccharomyces pombe, sme2 локус як РНК-и махсуси мейозӣ ва#13-ро рамзгузорӣ мекунад, ки дар шинохти гомологӣ миёнаравӣ мекунад. Илова бар ин, ислоҳи номувофиқатӣ, махсусан дар полиплоидҳо, ки системаҳои генетикиро таҳаввул кардаанд, ки ҷуфтшавии байни хромосомаҳои гомологӣ (гомеоологӣ)-ро пахш мекунанд, нақши муҳим мебозад.

1. Муқаддима

Мейоз як раванди марказӣ дар давраи зиндагии ҳама организмҳои аз ҷиҳати ҷинсӣ тавлидкунанда мебошад, ки барои ҷуброни такрори шумораи хромосомаҳои ҳангоми бордоршавӣ тавлидшуда ва тавлиди омезишҳои нав байни аллелҳои волидайн, ки гуногунии генетикиро афзоиш медиҳанд, ба вуҷуд омадааст. Ҳуҷайраҳои ҳомила бо такрор кардани хромосомаҳои худ ба мейоз дохил мешаванд ва бо иҷрои ду тақсимоти пайдарпайи ҳуҷайравӣ бидуни репликатсияи ДНК гаметаҳои гаплоидро ба вуҷуд меоранд. Ҳуҷайраҳои ҷинсии организмҳои диплоид мейозро оғоз мекунанд, ки дорои ду маҷмӯи хромосомаҳо мебошанд, ки яке аз ҳар як волидайн ба мерос гирифта шудааст. Хромосомаҳои гомологӣ дар шӯъбаи якум тақсим мешаванд (шӯъбаи редукционӣ) ва хроматидҳои хоҳар дар тақсимоти дуввум (тақсимоти баробар) аз ҳамдигар ҷудо мешаванд. Барои сегрегатсияи дурусти хромосома, гомологҳо дар давоми профазаи I мутақобила мекунанд ва ассотсиатсияҳои устувор ба вуҷуд меоранд, ки онҳоро дар конфигуратсияи дуҷониба то метафазаи I нигоҳ медоранд. Сохторҳои цитологие, ки ҳар як ҷуфти гомологиро дар метафазаи I мепайванданд, хиасмата номида мешавад. Ҳамгироии хроматидҳои хоҳар бо хиасмата дар таъмини устувории пайвандҳо байни ҳар як ҷуфти гомологӣ тавассути метафаза I. ҳамкорӣ мекунад. Тақсимшавии лифофаи ядроӣ имкон медиҳад, ки микротюбулаҳо бо кинетокорҳои хоҳар, ки ба ҳамон як қутби шпиндель нигаронида шудаанд, ҳамкорӣ кунанд. Парокандагии ҳамбастагии хроматидҳои хоҳар, ба истиснои минтақаи перисентромерикӣ, ҳалли анафазаи I ва сегрегатсияи хромосомаҳоро имкон медиҳад.

Хиазматҳо пас аз анҷоми се раванди асосӣ, ки дар аввали профазаи I оғоз мешаванд, ҷуфтшавии гомологӣ (яъне, таъсири мутақобилаи хромосомаҳо, ки боиси наздикшавии гомологҳо дар тӯли тамоми дарозии онҳо), синапсис (яъне ташаккули сохтори комплексии синаптонемали сафедадор) ба вуҷуд меоянд. байни ҳар як ҷуфти гомологӣ) ва убур (яъне мубодилаи мутақобилаи маводи генетикӣ байни хроматидҳои гомологӣ). Кроссовер ва ғайрикроссовер (мубодилаи ғайримуқаррарӣ) ду натиҷаи имконпазирро ифода мекунанд, ки механизми рекомбинатсияи гомологӣ барои таъмири як шикастани дуқатори ДНК (DSB), ки дар оғози мейоз тавлид шудааст, ифода мекунад. Кроссоверҳо мубодилаи мутақобилаи пайдарпайҳоро дар паҳлӯи маконҳои таъмир ва ғайрикасросверҳо (инчунин табдили генҳо меноманд), интиқоли иттилооти маҳаллӣ, ки чандсад ҷуфти асосиро дар бар мегиранд, аз як гомолог ба дигараш иборат аст. Аксарияти DSB -ҳо ба маҳсулоти ғайри кроссовер табдил ёфтаанд. Қадамҳои асосии механизми рекомбинатсия дар хамиртурушҳо кашф карда шудаанд ва дар дигар эукариотҳо нигоҳ дошта мешаванд [1]. Рекомбинатсияи мейотикӣ аз ҷониби як фермент ба монанди топоизомераза нигоҳ дошта мешавад, Spo11, ки DSB-ҳои барномарезишударо ба геном ворид мекунад. Spo11 ДНК-ро тавассути аксуламали ба топоизомераза монанд бурида тавлид мекунад, то пайвандҳои ковалентии протеин-ДНК бо ақсои 5 ′ ДНК дар ду тарафи танаффус дошта бошанд. Мошинҳои ферментативӣ, ки DSBs -ро таъмир мекунанд, тавре тарҳрезӣ карда шудаанд, ки пайдарпаии ДНК ҳамчун шаблон бартарияти хромосомаҳои гомологӣ мебошанд, дар ҳоле ки иштироки хроматидҳои хоҳар манъ карда шудааст. Пас аз хориҷ кардани Spo11, DSB ба итмом мерасад ва сипас резекцияи нуклеолитикии 5' риштаҳо барои тавлиди думҳои якқабата 3' мегузарад. Пас аз он яке аз ин думҳо метавонад ба ДНК-и дуқабата вайроннашудаи хромосомаи гомологӣ ворид шавад. Дар аксари эукариотҳо, ин реаксия, ки ҳамчун ишғоли ришта маъруф аст, амали ду рекомбиназаро талаб мекунад, Rad51 ва Dmc1, ки дар якҷоягӣ бо дигар сафедаҳо амал мекунанд [2]. Миёнаравҳои ҳуҷуми ибтидоии рахҳо метавонанд минбаъд бо роҳҳои гуногун, бо натиҷаҳои гуногуни маҳсулоти рекомбинатсионӣ коркард карда шаванд (Расми 1). Агар охири ягонаи DSB, ки шарики гомологиро забт кардааст, пас аз омодасозии синтези ДНК кӯчонида шавад ва бо дигар нуги DSB пайваст шавад, ғайрикроссовер ба вуҷуд меояд. Ин раванд SDSA номида мешавад. Роҳи алтернативӣ ба мӯътадилсозии миёнаравҳои ҳуҷуми ришта ва гирифтани охири дуюми DSB, ки синтези ДНК-ро оғоз мекунад, мерасонад. Лигатсионӣ як молекулаи муштараки дугонаи Холлидейро тавлид мекунад, ки ҳал карда мешавад ва маҳсулоти кроссовер медиҳад. Таъсироти рекомбинатсионии кроссовер ва ғайри кроссоверӣ ҳангоми гузариши лептотен-зиготен, пеш аз ташаккули миёнаравҳои васеи мубодилаи занҷирҳо, фарқ мекунанд [3, 4]. Протеини Sgs1 аз хамиртуруши шукуфтан Saccharomyces cerevisiae, гомологи геликазаи ширхӯрон BLM, ки устувории геномро тавассути пешгирии ҷамъшавии мобайнҳои рекомбинатсияи аберрант нигоҳ медорад, танзимгари марказии интихоби роҳи рекомбинатсия дар мейози муқаррарӣ мебошад [5, 6]. Sgs1 рекомбинатсияи мейотикро тавассути пешгирии ҷамъшавии молекулаҳои муштараки танзимнашаванда назорат мекунад. Sgs1 риштаи ҳуҷуми молекулаҳои буғумиро иваз мекунад, то кроссоверҳоро ба вуҷуд орад ва ҷамъшавии молекулаҳои муштараки бисёрхроматидиро пешгирӣ кунад. Илова бар ин, Sgs1 баъзе молекулаҳои дигари муштаракро барои ҳамкорӣ бо як гурӯҳи сафедаҳои хоси мейоз, ки ба оилаи ZMM номида мешаванд, ташкил медиҳанд, ки барои сохтани молекулаҳои устувори муштарак ва дучандон миёнаравҳои пайванди Ҳолидэй заруранд. Ин миёнаравҳои рекомбинатсияи аз ҷониби ZMM ҳифзшуда дертар, дар охири пахитен, ҳамчун кроссоверҳо тавассути омили бисёрпротеини дорои нуклеаза Exo1 ва MutL ҳал карда мешаванд.γ мураккаби Mlh1 – Mlh3, ки тавассути кинои поло ба монанди Cdc5 фаъол карда шудааст. Молекулаҳои муштараке, ки аз ҳуҷуми якзинагӣ ба даст омадаанд, ки аз назорати Sgs1 халос мешаванд ё онҳое, ки дар сурати набудани он истеҳсол мешаванд, аксар вақт миёнаравҳои бисёрхроматидиро ба вуҷуд меоранд, ки асосан маҳсулоти зери таъсири Mus81-Mms4 (MUS81-EME1) мебошанд ) комплекси барҳамдиҳӣ, ки он инчунин бо амали Yen1 (GEN1) ё Slx1 -Slx4 (BTBD12/SLX4) Cdc5 талаб мекунад. Дигар сафедаҳое, ки дар роҳҳои кроссовер ва ғайрикроссовер иштирок мекунанд, аз ҷониби [7] баррасӣ карда мешаванд.


Рекомбинатсияи гомологӣ ҳангоми мейоз. Рекомбинатсияи мейотикӣ аз танаффусе, ки Spo11 дар яке аз ду молекулаи ДНК-и дугонаи як хромосома ба вуҷуд меорад, оғоз меёбад. 5 "ақсои ин танаффус резексия карда шуда, думҳои ДНК-и як-занҷирро тарк мекунанд. Вақте ки 3 'ssDNA ба хроматидҳои гомологӣ ҳуҷум мекунад, ҳузури протеини Sgs1 метавонад миёнаравҳои инверсияҳои риштаро баргардонад, то натиҷаи кроссовер эҷод кунад ё ба иттиҳодияи баъзе миёнаравҳои ҳуҷуми қонунии занҷир бо маҷмӯи сафедаи ZMM мусоидат кунад. Ин молекулаҳо дар кроссовер, асосан аз ҷониби MutL ҳал карда мешаванд

Комплекси синаптонемалӣ як матритсаи сафедадор аст, ки одатан дар байни ҳар як ҷуфти гомологӣ ташаккул меёбад, таъсири мутақобилаи онҳоро тақвият медиҳад ва дар аксари организмҳои таҷдиди ҷинсӣ рух медиҳад. Маҷмӯи маҷмааи синаптонемалӣ дар марҳилаи премейотикии S ва профазаи барвақти мейотикӣ бо ташаккули як меҳвари ягонаи сафедадор, унсури меҳварӣ дар баробари ду хроматиди хоҳари ҳар як хромосома оғоз меёбад. Дар ибтидои профаза, унсури меҳвари ба як ҷуфт хроматидҳои хоҳар пайвастшуда бо ҳам зич алоқаманд аст. 100 нм дар тӯли дарозии он бо элементи меҳвари хромосомаи гомологӣ онҳоро элементҳои паҳлуӣ меноманд. Ҷойгиркунии тӯлонии гомологҳо тавассути насби риштаҳои сершумор ва ташаккули элементи марказӣ сурат мегирад. Комплекси синаптонемалӣ сохтори нардбонест, ки аз ду унсури паҳлуӣ, филаментҳои transverse ва унсури марказӣ ба вуҷуд омадааст (Расми 2).


Мультфильм, ки сохтор ва ҷузъҳои асосии унсурҳои паҳлуӣ (LEs) ва унсури марказии (CE) комплекси синаптонемалиро дар ширхӯрон нишон медиҳад. Доираҳои хроматинии ҳар як хромосомаи ҷуфти гомологӣ аз ҳар як LE ба вуҷуд меоянд.

Дар намудҳои гуногун ҷузъҳои комплекси синаптонемалӣ муайян карда шудаанд (баррасии [8, 9]). Комплекси сафедаи когезин барои муқаррар кардани ҳамоҳангӣ байни хроматидҳои хоҳар ҳангоми такрори ДНК дар ҳуҷайраҳои соматикӣ лозим аст. Когезинҳо ҷузъи унсури меҳварӣ/паҳлӯӣ мебошанд, аммо баъзе аъзои комплекси митозӣ бо паралогҳои хоси мейоз иваз карда мешаванд. Протеинҳои конденсин инчунин як қисми унсурҳои меҳварӣ/паҳлӯиро ташкил медиҳанд ва барои фишурдани дарозии меҳварӣ ва фардикунонии хромосомаҳо, ба монанди таъсири онҳо ба конденсатсияи хромосомаҳои митозӣ, заруранд. Дигар сафедаҳо, ба монанди SYCP2 ва SYCP3 дар муш, Hop1 ва Red1 дар хамиртуруши шукуфта, HIM-3 дар C. elegans, Ася1 дар Arabidopsis thaliana, ва ORD дар Дрозофила, аъзои унсури паҳлуӣ мебошанд. Илова ба нақши онҳо дар конденсатсияи хроматин, унсурҳои axial/lateral дар ҳамоҳангсозии гомологҳо иштирок мекунанд. Меҳвари хромосомаҳои пайвастагӣ/конденсатсионӣ ва/ё сафедаҳои алоқаманд, ба монанди Hop1p ва HIM-3, дар васл кардани нахҳои transverse иштирок мекунанд. Танзими режиме, ки дар он DSB-ҳо ба маҳсулоти кроссовер ё ғайрикроссовер таъмир карда мешаванд, инчунин тавассути баъзе сафедаҳои элементҳои паҳлӯӣ миёнаравӣ мекунанд. Протеинҳое, ки филаментҳои транзитиро ташкил медиҳанд, дар якчанд намудҳо муайян карда шудаанд. Ба онҳо Zip1p дохил мешаванд С. мағзи сар, SYCP1 дар ширхӯрон, C(3)G дар Дрозофила, SYP-1 ва SYP-2 дар $ C. элеганҳо, ва ZYP1 дар Арабидопсис. Ин сафедаҳо дорои доменҳои глобулии C ва N мебошанд, ки бо минтақаи васеи печдор-ҷудошуда ҷудо карда шудаанд. Диммерҳои параллелии сафедаҳо тавассути N-терминини байни ҳамдигар пайваст мешаванд ва тетрамераро ташкил медиҳанд, ки фосилаи байни унсурҳои паҳлуиро фаро мегирад. Дар муш, риштаҳои кундаланг устувори ассотсиатсияи тетрамерҳои SYCP1 ва SYCE1-ро талаб мекунанд. Протеинҳои SYCE1 ва SYCE2 дар унсури марказӣ ҷойгиранд. Барои ба итмом расонидани роҳи мутақобилаи рекомбинатсионии кроссовер филаментҳои транзитӣ ва сафедаи унсури марказӣ лозиманд.

Таъсири мутақобилаи хромосомаҳои гомологии қаблан зикршуда ҷойгиршавии онҳоро дар наздикии ҷисмонӣ ба ядро ​​талаб мекунад. Истилоҳи истилоҳот одатан ба диспетсияи топологии хромосомаҳо бо дастҳои параллел ҷойгиршуда ишора мекунад. Ҷуфткунӣ ба таъсири мутақобилаи наздик ва устувори хромосомаҳо дахл дорад, ки нуқтаҳои сершуморро дар бар мегиранд ва ба ассотсиатсияи маҳрамонаи гомологҳо дар тӯли тамоми дарозии онҳо оварда мерасонанд. Гарчанде ки таҳқиқоти барвақт нишон доданд, ки хромосомаҳои гомологӣ дар лептотен ҷуфт намешаванд [10] як ядрои фармоишии премейотикӣ бо ҳамбастагии хромосомаҳои гомологии пеш аз синаптикӣ ҳамчун як қисми ин тартиб пешниҳод карда шуд [11, 12]. Аммо, тадқиқотҳое, ки дар организмҳои гуногун гузаронида шудаанд, ба ин пешниҳод мухолифанд. Дар занбурўѓњо бо мейози зиготикї, ба монанди Сордария, Нейроспора, ва Копринус, хромосомаҳои гомологӣ пеш аз бордоршавӣ дар ядроҳои гуногун мебошанд. Пас аз кариогамия, гомологҳо то оғози амалҳо ҷудо мешаванд [13]. Дар байни растаниҳо рангкунии хромосома барои муайян кардани мавқеи ду гомологи ҷуворимакка ба овёс [14] ва инчунин ду гомологи ҷавдор, ки ба гандум илова карда шудааст [15] истифода мешуд. Чунин ҷуфтҳои хромосомаҳои рангшуда дар аксари ядроҳо дар интерфазаҳои премейотикӣ қаламравҳои ҷудогонаро ишғол мекунанд ва нақши сохтори премиотикро дар интихоби шарики мейотикӣ рад мекунанд. Ташкили фазоии геномаи ширхӯрон дар ҳуҷайраҳои соматикӣ диққати афзоянда дар даҳсолаи охирро ба худ ҷалб кардааст. Геномаи ширхӯрон дар як ядрои сохторӣ ташкил карда шудааст, ки дар он ҷойгиршавӣ ва ҷойгиршавии нисбии хромосомаҳо механизми танзимкунандаи ифодаи генҳоро ташкил медиҳад [16]. Хромосомаҳои ширхӯрон дар ҳудудҳои хромосомаҳои ҷудогона ва бо ҳам пайваста ташкил карда мешаванд ва бо гомологҳо одатан ҳамсоя нестанд [17]. Ҷойгиршавии ҷуфти хромосомаи 1-и одам ва ҷуфти хромосомаи муш 8 дар сперматогония мавҷуд набудани ҷуфтшавии премейотикро ифода мекунад [18]. Танҳо дар организмҳо ба монанди Dipterans, хромосомаҳои гомологӣ дар тамоми давраи ҳаёт ҷуфт карда мешаванд (ҷуфти соматикӣ). Рафтори хромосомаҳои барчасп бо протеини GFP-lac дар давраи мард D. меланогастер мейоз нишон дод, ки рӯйдодҳои ҷуфтшавӣ, ки дар тақсимоти аввалини майотикӣ ба мушоҳида расидаанд, на идомаи ҷуфтшавии премиотикӣ буданд, на натиҷаи механизмҳои хоси мейоз [19]. Ҳамин тариқ, ба истиснои Диптеранҳо, ҷуфтшавии гомологӣ тавассути механизмҳое мусоидат мекунанд, ки ҷудоии ҷисмониро байни гомологҳо тадриҷан коҳиш медиҳанд ва таъсири мутақобилаи гомологӣ ва ғайригомологиро табъиз мекунанд, то он даме, ки бо ҳамбастагии наздик ва устувори гомологҳо ба охир мерасад.

Тарзи ба наздикии фазоӣ омадани хромосомаҳои гомологӣ, якдигарро шинохтан ва таъсири мутақобилаи устуворро аз сар мегузаронанд, яке аз механизмҳое мебошад, ки раванди мейотикро суст фаҳмидаанд. Муайян кардани заминаи генетикӣ ва молекулавӣ оид ба ҷустуҷӯ ва ошкор кардани гомология ҳадафи бисёре аз корҳои тадқиқотии муосирро дар организмҳои гуногун ифода мекунад. Дар ин мақола, ман ба фаъолиятҳои мобилӣ тамаркуз хоҳам кард, ки гомологҳоро ба ҳам меоранд ва барои ошкор кардани аломатҳои фарқкунандаи гомология, ки бо ташаккули бивалентҳои гомологӣ ба охир мерасанд, кӯмак мерасонам.

2. Ҳаракатҳои хромосомаҳои теломерӣ бо наздикии ҷуфтҳои гомологӣ

Хусусияти меъмории ядроӣ дар интерфазаи премейотикӣ, ки бо ҷуфтшавии мейотикӣ алоқаманд буд, тақсимот ва самти центромерҳо ва теломерҳо мебошад. Дар ҳуҷайраҳои митотикӣ фаъолонаи бисёр намудҳо, хромосомаҳо ҳангоми интерфаза ҷуғрофияи анафазаи қаблиро нигоҳ медоранд, яъне конфигуратсияи Рабл, ки центромераҳо дар як канори ядро ​​мутамарказ шудаанд ва теломерҳо дар тарафи муқобил паҳн шудаанд. Ин поляризатсияи хромосома ба ҳуҷайраҳои премейотикӣ, махсусан дар намудҳое, ки геномҳои калон доранд [20], паҳн мешавад ва кафолат медиҳад, ки сегментҳои гомологӣ, гарчанде ки дар ҳудудҳои ҷудогона ҷойгиранд, масофаи шабеҳро то қутбҳои ядроӣ нигоҳ доранд, ки ҳаракати хромосомаҳоро ҳангоми ҷуфтшавии гомологӣ кам мекунад [21] .

Дар бисёр организмҳо, теломераҳои ҳама хромосомаҳо дар даромадгоҳи мейоз ҳаракати ғайричашмдоштро оғоз мекунанд, ки боиси гурӯҳбандии прогрессивии онҳо дар як кластери сахт мегардад. Ин конфигуратсияи супрахромосомавӣ, ки гулдастаи ном дорад, дар якҷоягӣ бо оғози ҳамоҳангӣ, ҷуфтшавӣ ва синапсис, махсусан дар минтақаҳои ба ақсои хромосома наздикшуда муттаҳид карда мешавад, аз ин рӯ, дар айни замон он ҳамчун сохтори махсуси мейотикӣ дар таъсири мутақобилаи хромосомаҳои гомологӣ ба ҳисоб меравад. 22-27]. Барои сохтори гулдастаҳо нақшҳои дигар, аз ҷумла ҳалли дувалентии ба ҳам пайвастан ва танзими рекомбинатсия низ пешниҳод шудаанд [28]. Ташаккули ороиши гулдаст натиҷаи се ҳодисаи ба ҳам вобастагӣ аст: пайвастшавии теломерҳо ба лифофаи ҳастаӣ, кластершавии нугҳои хромосома ва ҳаракати теломерии бо ситоскелетон (баррасии [29]).

Таъсири мутақобилаи молекулавӣ, ки ба пайваст кардани нӯги хромосома ба лифофаи ҳастаӣ масъул аст, махсусан мавҷудияти такрори функсионалии теломераро талаб мекунад. Кӯтоҳшавии теломер дар мушҳои норасоии теломераза синапсро бад мекунад ва басомади рекомбинатсияро коҳиш медиҳад [30]. Ҳузури де новои теломер дар охири центромерии хромосомаҳои телосентрикӣ, ки дар натиҷаи тақсимоти нодурусти хромосомаҳои ду даста ба вуҷуд омадаанд, такрор мешавад, динамикаи центромераро тағйир медиҳад. Ин такрори теломерҳо ба центромера таъсири сис-бартаридошта мерасонанд, ки метавонанд ба кластери теломер дохил шаванд, дар ҳоле ки центромерҳои аслӣ дар қутби муқобили ядро ​​мемонанд [15]. Ҳангоме ки пайдарпаии теломерӣ ба таври байнишаҳрӣ ҷойгир мешаванд, чунон ки дар хромосомаи ҳалқаи ҷуворимакка рӯй медиҳад, онҳо инчунин бо дигар теломерҳо пайваст мешаванд ва хромосомаро вориди гулдаста мегардонанд [31].

Пайваст кардани теломерҳо ба сатҳи дарунии лифофаи ҳастаӣ мавҷудияти хромосомаҳои конститутсионии сафедаҳои марбут ба монанди Taz1, Rap1 ва Rik1 ва сафедаҳои хоси мейозиро талаб мекунад, ки байни теломерҳо ва лифофаи ҳастаӣ пул ташкил медиҳанд. Ин сафедаҳо Ndj1, Mps3 ва Csm4 -ро дар хамиртуруши навдаи [32, 33] ва Sad1, Kms1, Bqt1 ва Bqt2 дар хамиртуруши тақсимшаванда [24, 34] дар бар мегиранд. Баъзе аз ин сафедаҳои майотикӣ, ба монанди Sad1 ва Kms1, сафедаҳои трансмембранӣ бо домени SUN (Sad1-Unc-84) ва домени KASH (Klarsicht/ANC-1/Syne) мебошанд, [35]. Протеини Sad1 ба нуклеоплазма нигаронида шудааст ва бо теломерҳо аз ҷониби комплекси Bqt1-Bqt2 пайваст карда шудааст. Гумон меравад, ки домени SUN-и Sad1, ки дар терминали C ҷойгир аст, тавассути фазои байнимембранӣ бо домени KASH протеини Kms1, ки дар мембранаи беруна муттаҳид шудааст, ҷисмонӣ ҳамкорӣ мекунад. Домени KASH ба як минтақаи кӯтоҳи C-терминали сафеда мувофиқат мекунад ва думи калони N-terminalus ба цитоплазма дароз шуда мембранаи беруниро бо динамин пайваст мекунад, ки мотории микротюбули цитоплазмавии минус ба охир нигаронида шудааст. Мутацияҳо дар Sad1 ё Kms1 кроссоверро ба таври ҷиддӣ коҳиш медиҳанд ва сегрегатсияи гомологиро вайрон мекунанд, дар ҳоле ки мутатсияҳо дар динейн нуқсонҳои нозукро ба вуҷуд меоранд. Протеинҳои домени SUN ва KASH тавассути муқаррар кардани робитаҳои муваққатӣ байни ақсои хромосома ва ҷузъҳои ситоскелетӣ дар лифофаи ядроии солим нақши ҳифзшударо мебозанд. Протеини Mps3 хамиртуруши шукуфон як узви дигари оилаи протеини домени SUN мебошад, ки бо теломерҳо аз ҷониби Ndj1 пайваст аст. Аммо, ягон протеини домени KASH қодир нест, ки Mps3 -ро ба баъзе ҷузъҳои ситоскелетӣ монанд кунад. Дар C. elegans, протеини мембранаи дарунии ядроии SUN-1 бо сафедаи домени KASH ZYG-12 аз қабати берунӣ пайваст шуда, хромосомаҳоро тавассути марказҳои ҷуфткунии онҳо ба шабакаи микротюбулаҳо ва динини цитоплазмӣ пайваст мекунад [36]. Дар мутантҳои генҳо офтоб-1 ё зиг-12, хромосомаҳои гомологӣ дуруст ҷуфт намешаванд ва ба таври фоҳиша синапс мекунанд. Протеини мембранаи ядроии дохилӣ SUN1 махсусан бо теломерҳо байни марҳилаҳои лептотен ва диплотен ҳангоми профази мейози I дар мушҳо алоқаманд аст [37]. Вайрон кардани офтоб1 пайвастшавии теломер ба лифофаи ҳастаӣ, ҷуфти муассири гомологӣ ва синапсиро пешгирӣ мекунад. Аммо, то ҳол ягон ҳамтои KASH барои SUN1 гузориш нашудааст. Дар Арабидопсис, мутантҳои дукарата барои генҳо офтоб 1 ва офтоб 2 нишон додани нокомии синапсис ва кам шудани басомади хиасма (JL Santos, муоширати шахсӣ).

Теломерҳои ба лифофаи ҳастаӣ пайвастшуда аввал дар як қатор агрегатҳои хурд, ки ҳаракатҳои фаъолро аз сар мегузаронанд, то дар кластери сахт пайваст шаванд. Ассотсиатсияи теломерҳо ва муҳоҷирати теломерҳо ду қадами мухталиф дар муттаҳидсозии гулдастаҳо мебошанд, ки аз натиҷаҳое, ки дар натиҷаи табобати гемаи премиотикӣ ва мейозии гандум бо колхицин ба даст омадаанд, гирифта мешаванд. Ин агенти деполимеризатсияи микротюбула муҳоҷирати теломериро бозмедорад ва синапсисро вайрон мекунад, аммо ба ассотсиатсияи теломерҳо таъсир намекунад [38]. Ин ассотсиатсия ба эҳтимоли зиёд дар байни теломерҳо, ки ба ҷойҳои хеле наздики лифофаҳои ҳастаӣ васл карда шудаанд, ба монанди дар сурати ақсои дастҳои гомологии изохромосома ба вуҷуд меояд. Ин дастҳо пас аз охирин митозии премиотикӣ ба ҳам наздиканд ва сатҳи муқаррарии ҷуфтшавӣ ва ташаккули хиасмаҳоро ҳатто дар ҳузури колхицин нишон медиҳанд [39].

Дар даромадгоҳи мейоз хромосомаҳои гомологӣ ҳудуди фазоӣ ҷудошударо ишғол мекунанд. Фосилаи байни гомологҳо метавонад ба чанд нафар расад μм дар организмҳои дорои геноми калон, масалан, ядрои гандум дар лептотен аст 24 μдиаметри м. Паст кардани чунин масофа ҳаракати фаъолонаи хромосомаҳоро талаб мекунад, ки илова бар он бояд ба таври наздик ба наздикии хромосомаҳои гомологӣ равона карда шавад. Фосила байни гомологҳо дар хамиртуруши тақсимшаванда бо як геноми хурд (13,8 Мб) ва се ҷуфти хромосомаҳои ба як ҳуҷайра дохилшаванда ба андозаи хеле камшуда меафтад μдиаметри м ва 10 μм дарозӣ дорад. Дар ин организм, мейоз дар зигота пас аз омезиши ду ядрои гаметалӣ ба амал меояд ва гомологҳоро барои мувофиқ шудан иваз кардан лозим аст. Ҳамоҳангӣ тавассути ҳаракатҳои хоси ядрои дарозшуда ба даст меояд, ки онро ядрои "асп думи" меноманд. Ядрои аспи аспӣ тақрибан 2 соат дар саросари зигота пеш ва пеш ҳаракат мекунад. Ин давра, ки ба профазаи мейозӣ мувофиқ аст, ягона имкониятро барои хромосомаҳо ҷуфт кардан ва дубора бо шарикони гомологии худ фароҳам меорад. Ҳаракатҳои ядроӣ тавассути микротюбулаҳои астралӣ, ки аз бадани шпиндель (маркази ташкилкунандаи микротюбула дар занбурӯғҳо) паҳн мешаванд, ва мотор протеини сафедаи динейн миёнаравӣ мекунанд [40, 41]. Дар ин раванд, комплекси сафедаи Sad1-Kms1 бо теломерҳо дар тарафи нуклеоплазма ва бо муҳаррики протеини динейн дар тарафи цитоплазма ҳамкорӣ мекунад. Ҳамин тариқ, теломераҳоро қувваи ҳаракатдиҳандае, ки муҳаррики динейн дар микротюбула тавлид мекунад, ҳаракат мекунанд. Теломерҳо як кластерро дар наздикии бадани шпиндель-қутб ташкил медиҳанд ва ин созиш дар якҷоягӣ бо ҳаракати тербелатории ядроӣ гомологҳои мувофиқро ҷойгир мекунад.

Дар хамиртуруши шукуфтан, ҷудокунӣ ва ҷуфткунии хромосомаҳо, ки дар мейозҳои барвақт ба вуҷуд омадаанд, бо ҳаракатҳои тези хромосомаҳои теломерӣ ҳамроҳӣ мекунанд, ки дар он теломерҳо дар наздикии бадани шпиндель-қутб ҷамъ шуда, гулдастаро ташкил медиҳанд. Ин ҳаракатҳо тавассути сафедаҳои ба теломер пайвастшуда Ndj1 ва Mps3 ва бо протеини Csm4, ки дар пайвастагии лифофаи теломерии ядроӣ иштирок намекунанд, балки дар интиқоли қуввае, ки аз ситоскелет тавлид мешавад, миёнаравӣ карда мешаванд [33]. Ҳаракатҳои хромосомаҳои теломерӣ дар хамиртуруши шукуфта аз маҷмӯаҳои динейн-микротубулҳо вобаста нестанд [42] онҳо аз ҷониби филаментҳои актин идора карда мешаванд, зеро ҷилавгирӣ аз полимеризатсияи актин тавассути латрукулин В кластеризатсияи теломерҳоро халалдор мекунад [43]. Ба ташаккули гулдаста колхицин дар мейозитҳои растанӣ таъсир мерасонад. Аммо, ҳаракати теломер тавассути микротубулаҳои цитоплазмӣ миёнаравӣ намекунад. Тубулин ё сафедаҳои марбут ба тубулин ҳамчун ҳадафи колхицин пешниҳод карда шуданд [44].

Умуман чунин мешуморанд, ки ташаккули гулдаст бо кам кардани фазои ҳастаӣ ҷуфти гомологиро осон мекунад, ки дар он хромосомаҳо бояд барои пайдо кардани шарики гомологӣ ҳаракат кунанд [27]. Ташаккули гулдаста маънои онро дорад, ки ҳама теломерҳо, сарфи назар аз мавқеъашон дар периферияи ядроӣ, ба як минтақаи хурди лифофаи ҳастаӣ муҳоҷират мекунанд. Ин ҳаракат эҳтимолан аз ҷониби мавқеи бадани шпиндель-қутб дар хамиртуруши тақсимшавӣ поляризатсия карда мешавад. Бо вуҷуди ин, дар организмҳо, ба монанди растаниҳо, бидуни маркази муайяни ташкили микротубулҳо, тасаввур кардан душвор аст, ки ҳаракати теломерҳо дар минтақаи муқобили қутби центромера чӣ гуна муттаҳид мешаванд. Яке метавонад баҳс кунад, ки дисплейи Рабл ҳаракати қутбшударо осон мекунад. Бо вуҷуди ин, қувваҳои конвергентии ситоскелет дар тамоми сатҳи пурраи ядроӣ амал мекунанд, зеро онҳо қодиранд теломерҳои телоцентрикҳои дар қутби центромера ҷойгиршуда ва хромосомаҳои дуқабата дар нимкураи муқобил ҷойгиранд [15]. Ба ҳаракатнокии теломерҳо омилҳои ғайриситоплазмӣ, ба монанди конформатсияи хромосомӣ таъсир расонида метавонанд. Ин таъсир замоне аён шуд, ки муҳоҷирати ақсои хромосомаҳои хромосомаи дуқабата дар ду конфигуратсияи гуногун, хромосомаи субметацентрӣ, яъне дастҳои хромосома дарозии хеле гуногун ва хромосомаи метацентрӣ, яъне бозуи дарозии шабеҳро пайгирӣ карданд. Вазъияти нобаробари аслиҳа ба хромосомаи стандартии 5R аз ҷавдор мувофиқат мекунад ва конформатсияи метацентрикӣ дар натиҷаи ҳазфкунии калон дар бозуи дарози ин хромосома ба вуҷуд омадааст. Дасти кутоҳ дар ҳарду конформатсияи хромосома якхела аст, аммо теломераи он дар конститутсияи метацентрикӣ нисбат ба конститутсияи субметацентрӣ бештар ба қутби теломер мерасад [45]. Ин рафтори тағирёбанда нишон медиҳад, ки ҳузури бозуи дароз ба ҳаракати теломераи бозуи кӯтоҳ муқовимат мекунад ё ба пайвастшавии он ба мембранаи ҳастаӣ халал мерасонад.

3. Ҳаракатҳои хромосомӣ, ки аз муҳоҷирати теломерӣ мустақил нестанд

Сатҳи ҷуфтҳои гомологӣ ва синапсис, ки дар мутантҳои нокифояи хамиртуруши ё ҷуворимакка [25, 46] тавлид карда мешаванд, инчунин дар меиоцитҳое, ки ташаккули гулдастаро колхицин манъ мекунад [38] нишон медиҳад, ки кластеркунии теломерҳо барои ҷуфтшавӣ комилан зарур нест. Гарчанде ки кластеркунии теломерҳо метавонад масофаи байни гомологҳоро коҳиш диҳад ва шинохти онҳоро осон кунад, ин қувваи конвергентивӣ асосан ба минтақаҳои хромосомаҳои дисталӣ таъсир мерасонад, алахусус дар хромосомаҳои калон бо дарозии зиготении даҳҳо ва ҳатто садҳо μм. Ҷуфти васеъи хромосомаҳои хромосомаҳои калон Алюминий намудҳо нишон медиҳанд, ки қувваҳои ҷалби байни гомологҳо дар нуқтаҳои гуногун, ки тавассути аксари дарозии хромосомаҳо баробар тақсим шудаанд, амал мекунанд [47, 48]. Ҳаракатҳои хромосома, ки вохӯриҳои имконпазирро дар байни минтақаҳои байни вараҷа ба вуҷуд меоранд, эҳтимолан аз тағироти конформативии хроматин, ки ба дарозшавии хромосома оварда мерасонанд, оварда шудаанд (Расми 3), ки ҳамзамон бо кластеркунии теломера ҳангоми гузариши лептотен-зиготен тавлид мешаванд [15, 38]. Хромосомаҳои гандум ва ҷав дарозии худро дар лептотен нисбат ба интерфазаи премиотикӣ панҷ маротиба зиёд мекунанд. Азбаски андозаи ядро ​​дар гузариши лептотен-зиготен бетағйир мемонад ё ҳатто кам мешавад, кушодашавии хроматин хромосомаҳоро маҷбур мекунад, ки тамоми ядроро ҳаракат ва паҳн кунанд. Ин ҷараёни хроматинро колхицин манъ намекунад [38] ва аз ин рӯ, аз муҳоҷирати теломерҳо мустақил нест. Ҳаракате, ки дарозии хромосома ба вуҷуд меорад, метавонад ба пайдоиши бархӯрди тасодуфӣ байни хромосомаҳои гомологӣ мусоидат кунад. Камшавии масофаи дур байни гомологҳо ҳангоми зиготен махсусан дар ҳолати гетерозиготҳо барои инверсия, ки қариб 95% бозуи хромосомаи ҷавдорро фаро мегирад, аён аст. Мушоҳидаҳо дар як саф гандум бо илова кардани дисомикии хромосомаи 1R [49] ва аз ин рӯ, дар ядроҳои зиёда аз 20 гузаронида шуданд. μм дар диаметри. Ҳангоми ташаккули гулдаста қисми зердисталии бозуи муқаррарӣ дар қутби теломер ҷойгир аст, дар ҳоле ки ҳамтои гомологии он дар бозуи баръакс дар қутби центромера ҷойгир аст. Бо вуҷуди ин, чунин минтақаҳо дар бисёр мейоцитҳо ҷуфт мешаванд ва синапс мекунанд. Бархӯрдҳо дар байни минтақаҳои гомологии дур метавонанд пас аз дарозшавии хромосома тавре ки дар расми 4 нишон дода шудааст, ба вуҷуд оянд.


(а)
(б)
(а)
(б)

НАТИҶА ВА ГУФТУГӮ

Тақрибан 2 ҳафта пас аз дарси интерактивӣ, саволи зерин ба имтиҳон дохил карда шуд, то фаҳмиши консептуалии хонандагон дар бораи "плоиди" -ро санҷад:

Тасвири 6 нишон медиҳад, ки дарси нав дар фаҳмиши хонандагон дар бораи мафҳуми плоиди дар муқоиса бо дарси анъанавӣ беҳбудиҳои назаррасе ба бор овард. Гарчанде ки ҳарду бахш дар давоми пеш аз санҷиш ҳамин гуна нофаҳмиро нишон доданд (санҷиши дақиқи Фишер барои фарқият, саҳ = 0.796), дарси моделсозии интерактивӣ такмили назарраси фаҳмиши плоидиро нишон дод: фоизи ҷавобҳои дурустро дар муқоиса бо донишҷӯёне, ки лексияи анъанавӣ доштанд (тести дақиқи Фишер, саҳ = 0.008).

Ду бахши ҳамзамон, ба андозаи якхела, дараҷаи дуввум дар зинаи биологияи ҳуҷайраҳо аз ҷониби устодони гуногун дар ду формати гуногун таълим дода шуданд (лексияи анъанавӣ, Н = 78 моделсозии интерактивӣ, Н = 77) бо кушиши бехтар намудани фахмиши хонандагон дар бораи мейоз. Дар озмоиши пешакӣ аз донишҷӯён пурсида шуд, ки оё ҳуҷайраҳо дар ҳар як марҳилаи мейоз диплоид ё гаплоиданд ва дар посттест аз онҳо пурсиданд, ки дар кадом марҳила ҳуҷайраи ҷинсии пешакӣ гаплоид мешавад. Байни синфҳо барои баҳодиҳии пешакӣ фарқият вуҷуд надошт, аммо синфи моделсозии интерактивӣ дар санҷиши пас аз санҷиш фоидаи зиёдтар нишон дод (саҳ = 0.008).

"Дар аввал, пеш аз лексия, ман фикр мекардам, ки ин дар ин ҷо рӯй медиҳад [Меиози II], аммо баъд мо лексия доштем, ки дар он мо дар бораи он сӯҳбат кардем ва ин воқеан дар ин ҷо рӯй медиҳад [Меиози I]. Ман дар ёд дорам, ки фикр мекардам: "Хуб, ман пештар хато карда будам".

"Ман дар бораи чизи ҷӯроб фикр кардам ... ва ҳамин тавр ҷавоби дуруст гирифтам."

Донишҷӯ 1 2 3 4 5 6
Претест нодуруст нодуруст нодуруст Нодуруст Нодуруст Нодуруст
Посттест Дуруст Дуруст Дуруст нодуруст Нодуруст нодуруст
Модели ҷӯробро барои посух додан ба савол дар мусоҳиба зикр кард Бале Бале Бале Yesa a This student realized after the fact why her answer was wrong and referenced the sock demonstration specifically in her explanation of why.
Не Не
Accurate explanation of how chromosomes and chromatids related to ploidy Бале Бале Бале Не Не Не
  • 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, масалан. “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 Drosophila melanogaster) 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
  • цитология
  • 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: Биоинформатика
  • 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

Маълумоти бештар

Нашрияҳои интихобшуда

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

Тамос

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∗

Мейоз

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.


Сиклҳои ҳаёти организмҳои бо роҳи ҷинсии такрористеҳсолкунанда

Fertilization and meiosis alternate in sexual давраҳои зиндагӣ. Он чизе, ки байни ин ду ҳодиса рух медиҳад, аз организм вобаста аст. The process of meiosis reduces the chromosome number by half. Бордоршавӣ, пайвастшавии ду gametes гаплоид, ҳолати диплоидро барқарор мекунад. There are three main categories of life cycles in multicellular organisms:

(1) diploid-dominant – the multicellular diploid stage is the most obvious life stage, as with most animals including humans

(2) haploid-dominant – the multicellular haploid stage is the most obvious life stage, as with all fungi and some algae

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

Diploid-Dominant Life Cycle

Nearly all animals employ a diploid-dominant life-cycle strategy. The only haploid cells produced by the organism are the gametes. Early in the development of the embryo, specialized diploid cells, called germ cells, 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. Пас аз ба вуҷуд омадани гаметаҳои гаплоид, онҳо қобилияти дубора тақсим шуданро гум мекунанд. Марҳилаи ҳаёти гаплоидҳои бисёрҳуҷайра вуҷуд надорад. Fertilization occurs with the fusion of two gametes, usually from different individuals, restoring the diploid state (Figure 1).

Figure 1. In animals, sexually reproducing adults form haploid gametes from diploid germ cells. Fusion of the gametes gives rise to a fertilized egg cell, or zygote. The zygote will undergo multiple rounds of mitosis to produce a multicellular offspring. The germ cells are generated early in the development of the zygote.

Haploid-Dominant Life Cycle

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. Ҳангоми таҷдиди ҷинсӣ, ҳуҷайраҳои махсуси гаплоидии ду нафар ҳамроҳ шуда, зиготаи диплоидро ташкил медиҳанд. The zygote immediately undergoes meiosis to form four haploid cells called spores. Although haploid like the “parents,” these spores contain a new genetic combination from two parents. 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).

Пайвастшавии санъат

Figure 2. Fungi, such as black bread mold (Rhizopus nigricans), have haploid-dominant life cycles. The haploid multicellular stage produces specialized haploid cells by mitosis that fuse to form a diploid zygote. The zygote undergoes meiosis to produce haploid spores. Each spore gives rise to a multicellular haploid organism by mitosis. (credit “zygomycota” micrograph: modification of work by “Fanaberka”/Wikimedia Commons)

Агар мутация ба вуқӯъ ояд, то замбуруг дигар наметавонад навъи ҷуфтшавандаро ба вуҷуд орад, оё вай то ҳол тавлид карда метавонад?

Алтернативии наслҳо

The third life-cycle type, employed by some algae and all plants, is a blend of the two others. Species with alternation of generations have both haploid and diploid multicellular organisms as part of their life cycle. The haploid multicellular plants are called гаметофитҳо, 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. Бордоршавӣ байни гаметаҳо зиготаи диплоидро ташкил медиҳад. The zygote will undergo many rounds of mitosis and give rise to a diploid multicellular plant called a спорофит. Ҳуҷайраҳои махсусгардонидашудаи спорофитҳо мейоз мегузаранд ва спораҳои гаплоидро ба вуҷуд меоранд. The spores will subsequently develop into the gametophytes (Figure 3).

Figure 3. Plants have a life cycle that alternates between a multicellular haploid organism and a multicellular diploid organism. The diploid plant is called a sporophyte, producing haploid spores by meiosis. The spores develop into multicellular, haploid plants called gametophytes that produce gametes. The gametes of two individuals will fuse to form a diploid zygote that becomes the sporophyte. (credit “fern”: modification of work by Cory Zanker credit “sporangia”: modification of work by “Obsidian Soul”/Wikimedia Commons credit “gametophyte and sporophyte”: modification of work by “Vlmastra”/Wikimedia Commons)

Sexual reproduction takes many forms in multicellular organisms. However, at some point in each type of life cycle, meiosis produces haploid cells that will fuse with the haploid cell of another organism. 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 Дрозофила, 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. elegans or the X–Y chromosome pair in Дрозофила 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. elegans 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 мутантҳои Arabidopsis 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. Дар Арабидопсис, 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. elegans 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. elegans 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 Дрозофила 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.

Дар Дрозофила 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 Дрозофила 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 Дрозофила 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 Дрозофила and could also contribute to its high efficiency. Thus, although the Дрозофила 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.

Ҷолиб аст, Дрозофила 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 Дрозофила 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.


Хулосаи бахш

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. Дар мейоз, ду даври тақсимоти ядроӣ мавҷуданд, ки дар натиҷа чаҳор ядро ​​ва одатан чаҳор ҳуҷайраҳои духтарона мавҷуданд, ки ҳар кадоме аз нисфи шумораи хромосомаҳо ҳамчун ҳуҷайраи волидайн мебошанд. 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.

Саволҳои иловагии худтанзимкунӣ

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?

Ҷавобҳо

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.