Χρωμοσωμικός διαχωρισμός

Ο χρωμοσωμικός διαχωρισμός ή διαχωρισμός χρωμοσωμάτων (Chromosome segregation) είναι η διαδικασία στα ευκαρυωτικά κύτταρα κατά την οποία δύο αδελφές χρωματίδες που σχηματίζονται ως συνέπεια της αντιγραφής του DNA ή σύζευξης ομολόγων χρωμοσωμάτων, διαχωρίζονται το ένα από το άλλο και μεταναστεύουν σε αντίθετους πόλους του πυρήνα του κυττάρου. Αυτή η διαδικασία διαχωρισμού συμβαίνει τόσο κατά τη μίτωση όσο και κατά τη μείωση. Ο διαχωρισμός χρωμοσωμάτων συμβαίνει επίσης στα προκαρυωτικά κύτταρα. Ωστόσο, σε αντίθεση με τον διαχωρισμό των ευκαρυωτικών χρωμοσωμάτων, η αντιγραφή και ο διαχωρισμός δεν διαχωρίζονται χρονικά. Αντίθετα, ο διαχωρισμός συμβαίνει προοδευτικά μετά την αντιγραφή.

 Μιτωτικός διαχωρισμός χρωματίδων 

Κατά τη διάρκεια της μίτωσης, ο διαχωρισμός των χρωμοσωμάτων συμβαίνει συνήθως ως ένα βήμα στην κυτταρική διαίρεση (βλ. διάγραμμα μίτωσης). Όπως υποδεικνύεται στο διάγραμμα μίτωσης, προηγείται της μίτωσης ένας γύρος αντιγραφής του DNA, έτσι ώστε κάθε χρωμόσωμα να σχηματίζει δύο αντίγραφα που ονομάζονται χρωματίδες. Αυτές οι χρωματίδες διαχωρίζονται σε αντίθετους πόλους, μια διαδικασία που διευκολύνεται από ένα πρωτεϊνικό σύμπλεγμα που αναφέρεται ως συνεκτίνη. Μετά τον σωστό διαχωρισμό, ένα πλήρες σύνολο χρωματιδίων καταλήγει σε καθέναν από τους δύο πυρήνες, και όταν ολοκληρωθεί η κυτταρική διαίρεση, κάθε αντίγραφο DNA που προηγουμένως αναφερόταν ως χρωματίδα ονομάζεται τώρα χρωμόσωμα.

 Μειωτικός διαχωρισμός χρωμοσωμάτων και χρωματίδων 
Ο διαχωρισμός των χρωμοσωμάτων συμβαίνει σε δύο ξεχωριστά στάδια κατά τη διάρκεια της μείωσης που ονομάζονται Μείωση (βιολογία)#Ανάφαση I και ανάφαση II (βλ. διάγραμμα μείωσης). Σε ένα διπλοειδές κύτταρο υπάρχουν δύο σύνολα ομολόγων χρωμοσωμάτων διαφορετικής γονικής προέλευσης (π.χ. ένα πατρικό και ένα μητρικό σύνολο). Κατά τη διάρκεια της φάσης της μείωσης που ονομάζεται μεσόφαση s στο διάγραμμα μείωσης, υπάρχει ένας γύρος αντιγραφής του DNA, έτσι ώστε κάθε ένα από τα αρχικά υπάρχοντα χρωμοσώματα να αποτελείται τώρα από δύο αντίγραφα που ονομάζονται χρωματίδες. Αυτά τα χρωμοσώματα (ζευγάρια χρωματίδων) στη συνέχεια ζευγαρώνουν με το ομόλογο χρωμόσωμα (επίσης ζευγαρωμένα χρωματίδες) που υπάρχει στον ίδιο πυρήνα (βλ. πρόφαση Ι στο διάγραμμα μείωσης). Η διαδικασία ευθυγράμμισης των ζευγαρωμένων ομολόγων χρωμοσωμάτων ονομάζεται σύναψη (βλ. Σύναψη). Κατά τη σύναψη, συμβαίνει συνήθως γενετικός ανασυνδυασμός. Μερικά από τα συμβάντα ανασυνδυασμού συμβαίνουν με επιχιασμό (που περιλαμβάνει φυσική ανταλλαγή μεταξύ δύο χρωματιδίων), αλλά τα περισσότερα συμβάντα ανασυνδυασμού περιλαμβάνουν ανταλλαγή πληροφοριών, αλλά όχι φυσική ανταλλαγή μεταξύ δύο χρωματιδίων (βλ. Σύνθετοεξαρτώμενη αναδιάταξη αλυσίδας (SDSA)). Μετά τον ανασυνδυασμό, συμβαίνει διαχωρισμός χρωμοσωμάτων όπως υποδεικνύεται από τα στάδια μετάφαση Ι και ανάφαση Ι στο διάγραμμα της μείωσης.

Διαφορετικά ζεύγη χρωμοσωμάτων διαχωρίζονται ανεξάρτητα το ένα από το άλλο, μια διαδικασία που ονομάζεται ανεξάρτητος συνδυασμός μη ομολόγων χρωμοσωμάτων. Αυτή η διαδικασία έχει ως αποτέλεσμα κάθε γαμέτης να περιέχει συνήθως ένα μείγμα χρωμοσωμάτων και από τους δύο αρχικούς γονείς.

Ο ακατάλληλος διαχωρισμός χρωμοσωμάτων (βλ. μη διαχωρισμός, δισωμίας) μπορεί να οδηγήσει σε ανευπλοειδείς γαμέτες που έχουν είτε πολύ λίγα, είτε πάρα πολλά χρωμοσώματα.

Το δεύτερο στάδιο στο οποίο συμβαίνει ο διαχωρισμός κατά τη μείωση είναι η προφάση II (βλ. διάγραμμα μείωσης). Κατά τη διάρκεια αυτού του σταδίου, ο διαχωρισμός συμβαίνει με μια διαδικασία παρόμοια με αυτή κατά τη μίτωση, εκτός από το ότι σε αυτήν την περίπτωση η προφάση II δεν προηγείται ενός γύρου αντιγραφής του DNA. Έτσι, οι δύο χρωματίδες που αποτελούν κάθε χρωμόσωμα διαχωρίζονται σε διαφορετικούς πυρήνες, έτσι ώστε κάθε πυρήνας να λαμβάνει ένα μόνο σύνολο χρωματιδίων (που τώρα ονομάζονται χρωμοσώματα) και κάθε πυρήνας να περιλαμβάνεται σε ένα απλοειδή γαμέτη (βλ. τα στάδια που ακολουθούν την προφάση II στο διάγραμμα μείωσης). Αυτή η διαδικασία διαχωρισμού διευκολύνεται επίσης από την συνεκτίνη. Η αποτυχία του σωστού διαχωρισμού κατά την πρόφαση II μπορεί επίσης να οδηγήσει σε ανευπλοειδείς γαμέτες. Οι ανευπλοειδείς γαμέτες μπορούν να γονιμοποιηθούν για να σχηματίσουν ανευπλοειδείς ζυγώτες και, ως εκ τούτου, να έχουν σοβαρές αρνητικές συνέπειες για τους απογόνους.

 Οι επιχιασμοί διευκολύνουν τον διαχωρισμό, αλλά δεν είναι απαραίτητοι 

Ο μειωτικός ανασυνδυασμός χρωμοσωμικού επιχιασμού (CO) διευκολύνει τον σωστό διαχωρισμό των ομολόγων χρωμοσωμάτων. Αυτό συμβαίνει επειδή, στο τέλος της μειωτικής προφάσης Ι, ο ανασυνδυασμός CO παρέχει έναν φυσικό σύνδεσμο που συγκρατεί τα ομόλογα ζεύγη χρωμοσωμάτων μαζί. Αυτές οι συνδέσεις δημιουργούνται από τα χιάσματα, τα οποία είναι οι κυτταρολογικές εκδηλώσεις του ανασυνδυασμού CO. Μαζί με τη σύνδεση συνοχής μεταξύ των αδελφών χρωματίδων, ο ανασυνδυασμός CO μπορεί να βοηθήσει στη διασφάλιση του εύτακτου διαχωρισμού των ζευγαρωμένων ομόλογων χρωμοσωμάτων σε αντίθετους πόλους. Προς υποστήριξη αυτού, μια μελέτη της ανευπλοειδίας σε μεμονωμένα σπερματοζωάρια με αλληλούχιση ολόκληρου του γονιδιώματος διαπίστωσε ότι, κατά μέσο όρο, τα ανθρώπινα σπερματοζωάρια με ανευπλοειδικά αυτοσώματα εμφανίζουν σημαντικά λιγότερους επιχιασμούς από τα φυσιολογικά κύτταρα. Μετά την ολοκλήρωση του πρώτου διαχωρισμού χρωμοσωμάτων στη μείωση Ι, υπάρχει περαιτέρω διαχωρισμός χρωμοσωμάτων κατά τη δεύτερη εξισωτική διαίρεση της μείωσης II. Για τη δημιουργία γαμετών με τον σωστό αριθμό χρωμοσωμάτων απαιτούνται τόσο ο σωστός αρχικός διαχωρισμός των χρωμοσωμάτων στην πρόφαση Ι όσο και ο επόμενος διαχωρισμός χρωμοσωμάτων κατά την εξισωτική διαίρεση στη μείωση II.

Τα ανασυνδυασμένα CO παράγονται με μια διαδικασία που περιλαμβάνει τον σχηματισμό και την ανάλυση ενδιαμέσων συνδέσμων Holliday. Όπως υποδεικνύεται στο σχήμα με τίτλο "Ένα τρέχον πρότυπο μειωτικού ανασυνδυασμού", ο σχηματισμός μειωτικών επιχιασμών μπορεί να ξεκινήσει με θραύση διπλής αλυσίδας (double-strand break, DSB). Η εισαγωγή DSB στο DNA χρησιμοποιεί συχνά την πρωτεΐνη SPO11 που μοιάζει με τοποϊσομεράση. Ο ανασυνδυασμός CO μπορεί επίσης να ξεκινήσει από εξωτερικές πηγές βλάβης του DNA, όπως η ακτινοβολία Χ, ή εσωτερικές πηγές.

Υπάρχουν ενδείξεις ότι ο ανασυνδυασμός CO διευκολύνει τον μειωτικό διαχωρισμό των χρωμοσωμάτων. Άλλες μελέτες, ωστόσο, δείχνουν ότι το χίασμα, αν και υποστηρικτικά, δεν είναι απαραίτητα για τον διαχωρισμό των μειωτικών χρωμοσωμάτων. Η εκβλάστηση της ζύμης Saccharomyces cerevisiae είναι ένας οργανισμός-πρότυπο που χρησιμοποιείται για τη μελέτη του μειωτικού ανασυνδυασμού. Μεταλλάξεις του S. cerevisiae με ελαττωματικό ανασυνδυασμό CO στο επίπεδο της ανάλυσης του συνδέσμου Holliday βρέθηκαν να υφίστανται αποτελεσματικά τον σωστό διαχωρισμό των χρωμοσωμάτων. Η οδός που παράγει την πλειονότητα των CO στο S. cerevisiae, και πιθανώς στα θηλαστικά, περιλαμβάνει ένα σύμπλεγμα πρωτεϊνών που περιλαμβάνει το ετεροδιμερές MLH1-MLH3 (που ονομάζεται MutL γάμμα). Το MLH1-MLH3 συνδέεται κατά προτίμηση με τουςς συνδέσμους Holliday.Είναι μια ενδονουκλεάση που κάνει μονόκλωνες θραύσεις σε υπερσπειρωμένο δίκλωνο DNA, και προάγει τον σχηματισμό ανασυνδυασμένων CO. Διπλά μεταλλάγματα με διαγραφή τόσο για την MLH3 (κύρια οδό) όσο και για την MMS4 (η οποία είναι απαραίτητη για μια δευτερεύουσα οδό ανάλυσης του συνδέσμου Holliday) έδειξαν δραματικά μειωμένο επιχιασμό σε σύγκριση με τον άγριο τύπο (μείωση 6 έως 17 φορές). Ωστόσο, η βιωσιμότητα των σπορίων ήταν αρκετά υψηλή (62%) και ο χρωμοσωμικός διαχωρισμός εμφανίστηκε ως επί το πλείστον λειτουργικός.

Οι πρωτεΐνες MSH4 και MSH5 σχηματίζουν μια ετεροολιγομερή δομή (ετεροδιμερές) στο S. cerevisiae και στους ανθρώπους. Στο S. cerevisiae, οι MSH4 και MSH5 δρουν ειδικά για να διευκολύνουν τους επιχιασμούς μεταξύ ομολόγων χρωμοσωμάτων κατά τη διάρκεια της μείωσης. Το σύμπλοκο MSH4/MSH5 συνδέεται και σταθεροποιεί διπλούς συνδέσμους Holliday και προάγει την ανάλυσή τους σε προϊόντα επιχιασμού. Ένα υπομορφικό (μερικώς λειτουργικό) μεταλλαγμένο στέλεχος MSH4 του S. cerevisiae έδειξε μείωση 30% σε ολόκληρο το γονιδίωμα στους αριθμούς επιχιασμού και μεγάλο αριθμό μειώσεων με μη ανταλλακτικά χρωμοσώματα. Παρ 'όλα αυτά, αυτό το μεταλλαγμένο προϊόν προκάλεσε μοτίβα βιωσιμότητας σπορίων, υποδηλώνοντας ότι ο διαχωρισμός των μη ανταλλάξιμων χρωμοσωμάτων έλαβε χώρα αποτελεσματικά. Έτσι, φαίνεται ότι ο ανασυνδυασμός CO διευκολύνει τον σωστό διαχωρισμό των χρωμοσωμάτων κατά τη μείωση στο "S. cerevisiae", αλλά δεν είναι απαραίτητος.

Η σχάση της ζύμης Schizosaccharomyces pombe έχει την ικανότητα να διαχωρίζει ομόλογα χρωμοσώματα απουσία μειωτικού ανασυνδυασμού (αχιασματικός διαχωρισμός). Αυτή η ικανότητα εξαρτάται από τη δυνεΐνη των κινητήριων μικροσωληνίσκων που ρυθμίζει την κίνηση των χρωμοσωμάτων προς τους πόλους της μειωτικής ατράκτου.

Παραπομπές

Κατηγορία:Χρωμοσώματα
Κατηγορία:Αντιγραφή DNA
Κατηγορία:Κυτταρικός κύκλος