Meióza seminář Kateřina Vopěnková vopenkova@med.muni.cz • mitóza probíhá, když tkáň obsahující daný typ buněk zaznamená signál k buněčnému dělení – růst nebo regenerace tkáně • meióza je řízena hormonálně, a slouží k tvorbě gamet ve vaječnících žen a varlatech u mužů – pro reprodukci vaječníky varlata Účel mitózy a meiózy Princip meiózy Jak se meióza liší od mitózy? • meióza vede k tvorbě haploidních buněk – nemůže se opakovat • dvě po sobě jdoucí buněčná dělení, vedoucí k separaci: 1) homologních chromozomů 2) sesterských chromatid už ne – kvůli crossing-overu, ke kterému dochází při prvním meiotickém dělení (výměna částí DNA mezi dvěma homologními chromozomy) Jsou separované sesterské chromatidy identické? Homologní rekombinace vedoucí ke crossing-overu: 01:38 Nehlasovalo:21 (21,0%) A. způsobuje genetickou variabilitu gamet (bez crossing-overu by gamety byly geneticky identické) B. je spouštěna v zárodečných buňkách a slouží k nalezení a navázání dvou chromozomů stejného páru C. probíhá po spojení spermie a vajíčka v zygotě mezi homologními chromozomy pocházejícími od otce a od matky D. probíhá při meióze I u mužů, a při meióze II u žen Homologní rekombinace vedoucí ke crossing-overu: 01:38 Nehlasovalo:21 (21,0%) A. způsobuje genetickou variabilitu gamet (bez crossing-overu by gamety byly geneticky identické) B. je spouštěna v zárodečných buňkách a slouží k nalezení a navázání dvou chromozomů stejného páru C. probíhá po spojení spermie a vajíčka v zygotě mezi homologními chromozomy pocházejícími od otce a od matky D. probíhá při meióze I u mužů, a při meióze II u žen 1) Replikace DNA - vytvoří 2 identické molekuly DNA (poloviny chromozomu) – sesterské chromatidy 2) Párování chromozomů - každý chromozom se páruje s druhým chromozomem stejného páru (stejné geny – párování homologní rekombinací – crossing-over) - ale mohou obsahovat různé alely (varianty) obsažených genů 3) Oddělení dvou chromozomů každého páru - do 2 geneticky odlišných buněk 4) Oddělení dvou polovin (chromatid) každého chromozomu - vznik 4 buněk – gamet Průběh klíčových procesů v meióze a vznik genetické variability gamet ZDE VZNIKÁ VARIABILITA GAMET Homologní chromozomy si během profáze I při párování mohou vyměnit část genetického materiálu procesem homologní rekombinace mezi homologními chromozomy (chromozomy stejného páru) – obsahují stejné geny ve stejném pořadí, ale mohou nést jejich odlišné varianty (alely) Výsledkem crossing-overu může být nová kombinace alel na chromozomu Crossing-over může proběhnout mezi homologními chromozomy na jednom místě, nebo na více místech zároveň (příklad ukazuje jednoduchý crossing-over) A – zdravý gen pro hemoglobin a – mutovaný gen pro hemoglobin (v homozygotním stavu vede k srpkovité anémii) b – zdravý gen pro kolagen B – mutovaný gen pro kolagen (zodpovědný za onemocnění Osteogenesis imperfecta) A A a a a aA A b b B B b b B B CROSSING-OVER Vznik genetické variability v gametách – crossing-over Homologní chromozomy (které obsahují geny pro stejné proteiny nebo RNA, ale mohou to být jejich různé varianty – alely) se v anafázi meiózy I náhodně rozcházejí do dvou dceřiných buněk V zárodečné buňce je před začátkem meiózy 23 párů chromozomů, a každý z těchto párů má 2 možnosti, jak se rozejít do dceřiných buněk → dohromady 223 možností, jak se chromozomy jednoho člověka mohou nakombinovat do gamet Vznik genetické variability v gametách – segregace celých homologních chromozomů v meióze I Meióza I Meióza II Možnost 2 Kombinace 3 Kombinace 4 Dvě stejně pravděpodobné varianty uspořádání homologních chromozomů v ekvatoriální rovině v metafázi I Možnost 1 Metafáze II Gamety Kombinace 1 Kombinace 2 Příklad rozchodu dvou párů chromozomů (v lidské buňce je 23 párů chromozomů) Chromozom zděděný od matky Chromozom zděděný od otce karyotyp ženy karyotyp muže chromozomy vajíčka této ženy (efekt crossing-overu) chromozomy spermie tohoto muže (efekt crossing-overu) embryo replikace DNA párování homologních chromozomů rozchod celých chromozomů replikace DNA párování homologních chromozomů rozchod celých chromozomů rozchod chromatid rozchod chromatid Mužská zárodečná buňka Ženská zárodečná buňka nediferencované zárodečné buňky (kmenové buňky zárodečných tkání) se také dělí mitózou – udržování zásoby zárodečných buněk Jak se při párování v meióze poznají homologní chromozomy, když mají téměř vždy odlišné alely genů? Tay-Sachsova choroba – u velké části pacientů inzerce 4 nukleotidů oproti standardní variantě genu Srpkovitá anémie – substituce 1 nukleotidu oproti zdravé variantě Rozdíl mezi dvěma variantami (alelami) stejného genu vzniká obvykle replikační chybou nebo působením mutagenu (pokud je v zárodečných buňkách, může se přenést do další generace dědičností) – rozdíly bývají v naprosté většině malé → v rámci sekvenční homologie nukleotidů celého chromozomu zanedbatelné V příkladech jsou vždy uvedené pouze úseky genů – celé geny mají stovky až tisíce (někdy desetitisíce) nukleotidů (±0,1%) Alely genu OCA2 pro iontový kanál upravující pH v melanozomech Meióza a strukturní aberace chromozomů Jak mohou změny ve struktuře chromozomů ovlivnit meiózu? • tyto dva chromozomy nemusí být v profázi I rozpoznány jako homologní (párové) a pacient může tvořit aberantní nebo žádné gamety Delece Duplikace Reciproká translokace Inverze Chromozomové inverze jako příčina neplodnosti takové dva chromozomy jednoho páru nejsou rozpoznány homologní rekombinací v profázi I meiózy – tvorba aberantních gamet, nebo zastavení meiózy v kontrolním bodě a nedokončení tvorby gamet – neplodnost 14 21 14 21 t(14;21) Robertsonovská translokace ztráta částí chromozomů bez centromer Translokace jako příčina tvorby abnormálních gamet Více o gametách u pacientů s aneuploidiemi a translokacemi ve cvičení č. 10 – Lidský karyotyp → nesprávné rozdělení chromozomů do gamet narušené párování chromozomů při meióze Tvorba aberantních gamet může vést k vývojovým vadám u potomků, opakovaným spontánním potratům, nebo neplodnosti Vyberte správná tvrzení týkající se meiózy: 01:29 Nehlasovalo:28 (28,0%) A. Celý proces meiózy trvá u žen 1 měsíc B. Produkce gamet trvá u mužů 2-3 dny C. Ženské gamety jsou náchylnější k non-disjunkcím ve srovnání s mužskými D. Většina pacientů s Downovým syndromem zdědí tuto aneuploidii po svých rodičích, kteří mají také aneuploidii v somatických buňkách Vyberte správná tvrzení týkající se meiózy: 01:29 Nehlasovalo:28 (28,0%) A. Celý proces meiózy trvá u žen 1 měsíc B. Produkce gamet trvá u mužů 2-3 dny C. Ženské gamety jsou náchylnější k non-disjunkcím ve srovnání s mužskými D. Většina pacientů s Downovým syndromem zdědí tuto aneuploidii po svých rodičích, kteří mají také aneuploidii v somatických buňkách Gametogeneze 74 dní ...začíná u embrya a je zastavena v diplotene profáze I až do puberty MUŽI ŽENY ...od puberty každý měsíc jedno vajíčko pokračuje do metafáze II (ovulace) ...celý proces je dokončen pouze v případě oplození vajíčka Meiotické non-disjunkce • nerovnoměrné rozdělení chromozomů nebo chromatid do nově vznikajících buněk v průběhu meiózy • obvykle v důsledku selhání kontrolního bodu metafáze/anafáze v meióze Metafáze I Metafáze II Anafáze I Nondisjunkce v jedné buňce v anafázi II Gamety 23 chromozomů 23 chromozomů 24 chromozomů 22 chromozomů Normální lidský karyotyp (muž) Numerické chromozomové aberace Nejčastější numerické chromozomové aberace u člověka: Trizomie – přebývající chromozom jednoho chromozomového páru (celkem 47 chromozomů v buňce) Monozomie – chybějící chromozom jednoho chromozomového páru (celkem 45 chromozomů v buňce) Triploidie – přebývající celá sada chromozomů (každý chromozom je v buňce třikrát místo v páru – celkem 69 chromozomů v buňce) Meióza a numerické aberace chromozomů Monozomie a trizomie způsobují vážné vývojové vady Proč chybějící nebo přebývající chromozomy způsobují vývojové vady? 01:56 Nehlasovalo:22 (22,0%) A. Lichý počet chromozomů v jádře každé buňky narušuje průběh mitózy, buňky se nemohou dělit a dochází tak k narušení vývoje orgánů B. Lichý počet chromozomů v jádře zárodečných buněk narušuje průběh meiózy a vznikají aberantní gamety – člověk s monozomií či trizomií je zdravý, ale má postižené potomky C. Vývojové vady jsou způsobeny nedostatečnou nebo nadbytečnou produkcí proteinů v buňkách Proč chybějící nebo přebývající chromozomy způsobují vývojové vady? 01:56 Nehlasovalo:22 (22,0%) A. Lichý počet chromozomů v jádře každé buňky narušuje průběh mitózy, buňky se nemohou dělit a dochází tak k narušení vývoje orgánů B. Lichý počet chromozomů v jádře zárodečných buněk narušuje průběh meiózy a vznikají aberantní gamety – člověk s monozomií či trizomií je zdravý, ale má postižené potomky C. Vývojové vady jsou způsobeny nedostatečnou nebo nadbytečnou produkcí proteinů v buňkách • trizomie chromozomu 21 - 1 ze 700 až 800 živě narozených dětí • poruchy vývoje srdce • pomalejší růst, pomalejší mentální vývoj • pomalejší motorický vývoj - slabší svalový tonus, potřeba fyzioterapie • zvýšené riziko leukemie • průměrná délka života s moderní léčbou je 60 let http://www.youtube.com/watch?v=bEVkbuooXo4 Downův syndrom • trizomie chromozomu 18 - 1 ze 6000 až 7000 živě narozených dětí (přes 50 % těhotenství končí spontánním potratem) • těžké vývojové poruchy - vrozené malformace srdce, plic, trávicího a urogenitálního traktu - časté rozštěpy rtu nebo patra • průměrná délka života v řádu měsíců (jen 5% dětí se dožívá 1 roku) Edwardsův syndrom v češtině dokument Zachraňte Edwardse: https://www.youtube.com/watch?v=IwvwvRDQ56w • trizomie chromozomu 13 - 1 ze 10 000 a více živě narozených dětí • velmi těžké vývojové poruchy - vrozené malformace srdce, centrální nervové soustavy, plic, urogenitálního traktu, polycystické ledviny - časté obličejové rozštěpy a polydaktylie - hluchota, poškození vývoje očí • průměrná délka života v řádu týdnů (jen 5-10% dětí se dožívá 1 roku) Patauův syndrom Proč se symptomy Downova, Edwardsova a Patauova syndromu liší? Symptomy se odvíjí od toho, které geny (a tedy které proteiny) jsou v buňkách vyvíjejícího se embrya přítomné v nadměrném množství Vývojové vady obecně jsou obvykle spojené s narušením buněčné signalizace, v důsledku čehož dochází k narušení mnoha buněčných procesů – například diferenciace buněk nebo, buněčného dělení, atd. - buňky například diferencují předčasně nebo pozdě, a proto diferencované (specializované) buňky určitého typu nevznikají ve správném množství - nebo nedochází k jejich dělení ve správný čas - mechanismus dělení může být narušený v důsledku nadbytku některého důležitého regulačního proteinu, může docházet k nesprávně orientovanému dělení (viz minulý seminář), atd. - a další mechanismy narušení vývoje orgánů Obecné symptomy syndromů způsobených numerickými chromozomovými aberacemi závisí na tom, které typy proteinů jsou ve zvýšené dávce – které geny jsou umístěny na daném chromozomu (chromozomovém páru) U kterých chromozomových párů trizomie nezpůsobují potraty? 02:38 Nehlasovalo:27 (27,0%) A. Trizomie chromozomu 1 B. Trizomie chromozomu 13 C. Trizomie chromozomu 15 D. Trizomie chromozomu 21 E. Trizomie chromozomu X U kterých chromozomových párů trizomie nezpůsobují potraty? 02:38 Nehlasovalo:27 (27,0%) A. Trizomie chromozomu 1 B. Trizomie chromozomu 13 C. Trizomie chromozomu 15 D. Trizomie chromozomu 21 E. Trizomie chromozomu X Trizomie • čím větší chromozom přebývá, tím více genů je přítomných ve zvýšené dávce – příslušné funkce v organismu tím mohou být narušeny – ne všechny typy proteinů ale způsobí poruchy funkcí, když jsou ve 150% dávce Klinický případ Šestnáctiletá pacientka má výrazně podprůměrnou výšku, chlapeckou postavu a ještě u ní nenastoupila menstruace. Jaká vyšetření navrhujete? Šestnáctiletá pacientka má výrazně podprůměrnou výšku, chlapeckou postavu a ještě u ní nenastoupila menstruace. Jaká vyšetření navrhujete? • jeden chybějící gonozom • snížená hladina estrogenu v krvi • srdeční šelest, dvojcípá aortální chlopeň (dva cípy místo tří) - dvě kopie chromozomu X jsou nezbytné během embryonálního vývoje k započetí vývoje ženských reprodukčních orgánů • vaječníky se nevyvíjí správně → neplodnost (možnost porodit dítě za použití darovaného vajíčka a in vitro fertilizace) • bez estrogenové terapie nedochází k vývoji sekundárních pohlavních znaků - estrogen také jako prevence osteoporózy • snížená citlivost na růstový hormon somatotropin – bez léčby somatotropinem vzrůst jen okolo 140-160 cm • častější kardiovaskulární problémy (dvojcípá aortální chlopeň, zúžená aorta, obecně hypoplastické levé srdce) Turnerův syndrom Mají obecně vážnější dopad na vývoj organismu monozomie nebo trizomie? • obecně monozomie – nedostatečné množství několika stovek až tisíc typů proteinů obvykle vede ke spontánnímu potratu vyvíjejícího se embrya • ale mnoho typů trizomií také vede k potratům