TEMA 5 – DIVISIÓ CEL·LULAR MEIÒTICA (2014)

Apunte Catalán
Universidad Universidad Autónoma de Barcelona (UAB)
Grado Genética - 2º curso
Asignatura Citogenètica
Profesor J.B.
Año del apunte 2014
Páginas 10
Fecha de subida 11/09/2015
Descargas 6

Vista previa del texto

TEMA 5 – DIVISIÓ CEL·LULAR MEIÒTICA 1. ASPECTES GENERALS Meiosi vs mitosi Funció de la meiosi - Manteniment de la ploïdia  n+n = 2n Increment de la variabilitat genètica mitjançant la barreja dels cromosomes materns i paterns, la recombinació (obtindrem noves barreges al·lèliques) i la segregació independent dels cromosomes homòlegs a meiosi I.
Tindrem 2n gàmetes diferents: o Humans (n=23)  223 = 8,4 · 106 o Ratolí (n=20)  220 = 106 Fases de la meiosi i durada Al llarg de les diferents fases, passem d’una cèl·lula diploide amb dues cromàtides per cromosoma (G2), a una cèl·lula haploide amb 2 cromàtides per cromosoma (1ª divisió meiòtica) i finalment a una cèl·lula haploide amb una cromàtide per cromosoma (2ª divisió meiòtica).
A més, la profase I l’hem de dividir en diverses subfases: - Leptotè  És en aquesta fase on es produeix la condensació de cromosomes individuals i cada cromosoma apareix com a dues cromàtides unides pel centròmer.
- - Zigotè  És al zigotè quan s'aproximen els parells homòlegs, els quals fan sinapsis a través del complex sinaptinemal i formen una tètrada.
Paquitè  Es produeix la condensació de cromosomes fins que són més gruixuts i curts. Apareixen els quiasmes (punts d'entrecreuament de cromàtides) i té lloc l'intercanvi a l'atzar de material genètic entre cromosomes homòlegs: la recombinació genètica.
Diplotè  Aquí, continua la condensació, tot i que arriba un punt en què se separen les cromàtides tot mostrant els quiasmes.
Diacinesi  és quan trobem la condensació màxima de cromosomes. Desapareix el nuclèol i l'embolcall nuclear i s'alliberen els cromosomes al citoplasma.
2. ESDEVENIMENTS CROMOSÒMICS Canvis en la morfologia i estructura dels cromosomes: Participació de cohesines i condensines Es produeixen canvis per possibilitar la recombinació. Les condensines i cohesines meiòtiques estan formades per proteïnes anàlogues a les mitòtiques.
Recombinació meiòtica Mecanisme general En el següent esquema (pàgina següent) sobre la recombinació tenim cadenes o cromàtides homòlogues, no germanes. Doncs, faltaria la cromàtide germana de cadascuna. Tot aquest procés pot quedar avortat en qualsevol pas si hi ha alguna cosa que falla o directament no passa per atzar.
Primer de tot, els cromosomes homòlegs s’han de reconèixer mútuament en l’etapa de (pre)leptoté. Doncs, es produeix l’aparellament. Açò té molt a veure amb la territorialitat cromosòmica, on intervé l’embolcall nuclear.
Després de l’aparellament s’inicia la recombinació. El primer punt són els trencaments de doble cadena gràcies a la proteïna Spo11. Aquí participa Mre11, una exonucleasa que treu nucleòtids en sentit 5’3’. Per tant, es generaran extrems 3’OH protuberants. Un dels extrems fa una recerca d’homologia: busca quina és la seqüència de nucleòtids homòloga a la seva. Açò es produeix per la participació d’enzims que catalitzen el reconeixement: RecA (E. Coli) i Rad51/DMC1 (en eucariotes, treballen de manera coordinada): - - S’encarreguen de la sinapsi i formació de l’heterodúplex.
Forma part del conjunt de cohesines meiòtiques.
Permeten que una molècula de DNA de cadena senzilla s’aparelli amb una regió homòloga de doble cadena  reconeixement d’homologia Cada monòmer presenta més d’un punt d’unió al DNA.
Rad51 i DMC1 són complexes proteics que tenen diferents llocs d’unió: un per a l’extrem 3’OH protuberant i un altre per a una seqüència de DNA en forma de doble cadena. Cada monòmer, quan s’uneix, fa una recerca d’homologia, i si en troba, fa una estructura de DNA formada per tres monocadenes de DNA. Queda una monocadena de sortida que pertany a l’original i una doble cadena híbrida. Aquest procés és la sinapsi.
Per tant, RecA en procariotes, i Rad51 i DMC1 en eucariotes, s’uneixen per l’extrem 3’OH protuberant i després fan la recerca d’homologia. Doncs es formarà l’heterodúplex (l’estructura formada per tres monocadenes).
Després de la sinapsi es produeix la síntesi de DNA, seguida de la unió d’extrems i es forma l’intermediari, format per dues estructures de Holliday. Aquestes estructures de Holliday es poden resoldre de dues maneres diferent donant lloc a productes diferents. Són les resolvases qui resolen les estructures de Holliday; ho poden fer de dues maneres diferents: - - Resolució horitzontal (tallant les cadenes que es creuen)  la resolvasa trenca les dues cadenes que es creuen i uneix els extrems. El producte no són cromàtides recombinants pròpiament dites, ja que sols s’intercanvia una de les monocadenes de la molècula de DNA. És una conversió gènica.
Resolució vertical (tallant les cadenes que no es creuen)  es trenquen les monocadenes que en principi eren externes i intercanvien segments. Aquestes cromàtides sí que seran recombinants, ja que comencen i acaben en fragments de cromosomes homòlegs diferents.
Una isomerització és un canvi comformacional d’una molècula. Perquè es produeixi la resolució vertical, només una de les estructures de Holliday ha de patir una isomerització perquè al final les cadenes no creuades s’acaben creuant i que les creuades acaben separades. Primer, l’estructura de Holliday es gira cap endavant i després cap a la dreta; ara quedaran creuades les que abans no ho estaven. Per tant, les externes ara quedaran a l’interior i les internes a l’exterior.
A més, perquè es produeixi el procés de recombinació, no cal que giri el cromosoma complet (la qual cosa seria molt complicada), sinó que sols gira la petita regió en la qual es produeix la recombinació.
Complex sinaptinemal La recombinació és un procés molt relacionat amb el complex sinaptinemal.
A partir de l’embolcall nuclear, surten unes estructures laminars formades, en part, pels cromosomes homòlegs durant la profase I. El complex sinaptinemal estarà format per dos elements laterals/axials units entre ells per l’element central. L’element lateral està format per les proteïnes Sycp2 i Sycp3; en canvi, l’element central està format per elements transversals de Sycp1. Scp1 forma una estructura transversal que uneix els dos elements axials i, al seu torn els dos cromosomes homòlegs.
Als elements laterals trobem unit el domini frontissa de les cohesines, les quals uneixen les dues cromàtides dels cromosomes homòlegs. A més, el complex sinaptinemal està relacionat amb l’aparellament, sinapsi i recombinació entre cromosomes homòlegs.
- A l’etapa de leptotè es comencen a formar els elements laterals a partir de l’embolcall nuclear i es produeixen els trencaments de doble cadena per acció de Mre11.
A zigotè es comencen a unir els elements laterals mitjançant la connexió per l’element central i es produeix la sinapsi.
A paquitè és on trobem la màxima formació del complex sinaptenimal, i és on s’observen les dues unions de Holliday.
A diplotè es desestructura el complex sinaptenimal i per tant, aquest deixa d’unir els cromosomes homòlegs.
Per tant, s’observa per primera vegada cromosomes recombinants.
A diacinesi, ja s’ha acabat la condensació de la cromatina.
Hi ha diverses situacions en les quals els cromosomes recombinen sense la presència del complex sinaptinemal: - Absència en mecanisme de reparació per recombinació homòloga Absència en casos d’aparellament aquiasmàtic Absència en casos d’aparellament quiasmàtic (S. pombe) Però en general, el complex sinaptinemal té una funció estructural: determina l’espai físic que permet la recombinació.
Forma l’esquelet físic que facilita la recombinació entre cromàtides homòlogues.
A més, es poden observar unes estructures al mig dels complex: nòduls de recombinació. A microscòpia electrònica es detecta perquè es veu com una regió més densa. Els nòduls de recombinació es formen cada certs intervals de nucleòtids i contenen les proteïnes necessàries per a la recombinació. És el complex qui permet que el nòdul es localitzi allà.
Per tant, els nòduls de recombinació marquen els llocs on es produiria la recombinació meiòtica: és un mecanisme multienzimàtic que interactua amb determinades regions de DNA en l’espai que possibilita el complex sinaptinemal (100nm ample). Marquen el lloc on es fa la recombinació per a la visualització citològica. En trobem de dos tipus: - Primerencs: abundants, llocs d’inici d’entrecreuaments (abans paquitè). Estan formats per les proteïnes Dmc1 i Rad51.
Tardans: menys nombrosos (1 o 2 per cromosoma), llocs d’entrecreuaments estables (paquitè) i més grans. Conté tots aquells enzims necessaris per a dur a terme el final de la recombinació.
Els nòduls primerencs sols evolucionaran a tardans si es confirma l’homologia entre cromàtides.
Per tant, el complex sinaptinemal és una estructura proteica que deixa espai entre els cromosomes homòlegs i és el lloc on es depositen els nòduls de recombinació, formats per les proteïnes que intervenen en la recombinació, les quals van canviant al llarg del procés si els nòduls primerencs es converteixen en tardans.
Quan acaba profase I (diplotè – diacinesi), els cromosomes es condensen encara més gràcies a l’activació de les condensines. A diacinesi – metafase I, es trenca l’embolcall nuclear perquè els microtúbuls puguin interaccionar amb els cinetocors.
El cromosoma a Metafase I 1. Morfologia La degradació del complex sinaptinemal separa els cromosomes homòlegs.
Cada parell de cromosomes homòlegs forma un bivalent, amb 4 cromàtides i 1 complex sinaptinemal. A metafase I, els bivalents estan molt més condensats i presenten diferents formes, però el complex sinaptinemal ja no està. Doncs, com es mantenen els cromosomes homòlegs junts? En la recombinació hi ha intercanvi de segments de cromàtides homòlogues, però no de cohesines. Alguns llibres diuen que els cromosomes homòlegs es mantenen junts gràcies als quiasmes (el quiasma és la expressió citològica de la recombinació). Però açò és una simplificació, ja que en realitat son les cohesines.
Els quiasmes es poden produir entre cromàtides homòlogues, i qualsevol d’aquestes poden participar en el procés de recombinació per a l’intercanvi de segments. Per tant, la unió entre cromàtides germanes mitjançant cohesines permet que els cromosomes homòlegs es mantinguin units a diacinesi/metafase I, malgrat la dissolució del complex sinaptinemal.
Un bivalent és una estructura que pot presentar diferents formes: forma de 8, cercle, creu, filament... La seua forma depèn de les que vegades que el bivalent hagi recombinat i d’on es localitzen els quiasmes.
- 1 quiasma: el bivalent pot presentar forma de creu (si el quiasma es troba en posició intersticial) o de filament (si es terminal). Per tant, com més prop del centròmer es trobi el quiasma, més forma de creu tindrà.
- 2 quiasmes: el bivalent tindrà forma de cercle, que podrà estar buit (si els quiasmes es troben en posició terminal) o plens (si al menys un d’ells, són intersticials). Per tant, com més cap als telòmers es produeixin els quiasmes, més perfecte serà el cercle.
Estimació teòrica del percentatge de recombinació - - El percentatge de recombinació amb dos quiasmes serà: (0+50+50 +100)/4 = 50% En conjunt, les quatre combinacions originen 16 cromàtides diferents, de les quals 8 són recombinants i 8 són normals.
La presència de tres quiasmes originaria 23 = 8 tipus de combinacions diferents, totes amb la mateixa freqüència. El resultat final seria la formació de 32 cromàtides: 8 no recombinants, 8 cromàtides doblerecombinants (no recombinants), 16 cromàtides amb un intercanvi únic o triple. Com a mitjana 50% de recombinació.
Mateix resultat per 4, 5, 6... quiasmes.
Per tant, sigui quin sigui el nombre de quiasmes que presenti un bivalent, el percentatge màxim de recombinants serà del 50%. Recordem que una cromàtide recombinant serà aquella que té els extrems pertanyents a diferents cromàtides originals: Factors que influeixen en el nombre i localització dels quiasmes a) Genètiques  Presència de Hot-spots de recombinació: són regions del cromosoma que presenten una taxa de recombinació més elevada del normal (presentn més del 40% dels quiasmes) i consisteixen en una seqüència de 13 nucleòtids. CCNCCNTNNCCNC. Aquesta seqüència consens és reconeguda per PRDM9, una proteïna que consta de 3 dominis: - Metilasa: metila la lisina 4 de la histona H3.
- Domini amb estructura de dits de Zn: estructura típica proteica d’unió al DNA.
- KRAB.
Els dits de Zn reconeixen els nucleòtids de manera específica. Quan reconeixen aquesta seqüència de 13 nucleòtids, la metilasa metila la lisina 4 de la histona H3 del nucleosoma on es troba aquella seqüència (mai es trobarà en el DNA espaiador). Aquesta és una modificació epigenètica que indica on s’ha de començar el procés de recombinació: Spo11 reconeixerà la metilació i produirà els trencaments de doble cadena, però no de forma aleatòria, sinó de forma dirigida.
     Fenòmens d’interferència: relacionats amb la impossibilitat de crear/resoldre DHJ (unions de Holliday) a partir de DSB (trencaments de doble cadena). La interferència limita la recombinació entre cromàtides. Segurament és deguda a que si hi ha massa unions de Holliday, seran massa difícils de resoldre, ja que calen isomeritzacions que no es podran produir.
- Interferència de cromàtides: els quiasmes són interdependents, és a dir, quan una cromàtide participa en una recombinació difícilment podrà participar en una altra.
- Interferència de quiasmes: distancia mínima per a la formació d’un quiasma.
Proximitat del centròmer, que disminueix la freqüència de quiasmes. La presència de quiasmes situats al voltant del centròmer provocaria problemes de segregació a anafase I per la pèrdua de les cohesines. Quiasma  Transició metafase/Anafase  Degradació cohesines periquiasmàtiques.
Heterocromatina, que disminueix la freqüència de quiasmes. Açò ve relacionat amb la proximitat del centròmer, el qual es troba sempre en forma d’heterocromatina.
Sexe: l’heterogamètic (XY) presenta una freqüència de quiasmes inferior a l’homogamètic (XX).
Efectes intercromosòmics: els individus que presenten insercions, delecions, reversions... presenten menys quiasmes del normal.
b) Ambientals  Edat: la freqüència de quiasmes disminueix amb l’edat de l’individu. Açò afecta a la cohesió i per tant, la segregació dels cromosomes pot ser errònia i que es produeixin trisomies.
 Temperatura: variacions en la temperatura provoquen canvis dràstics en la freqüència de recombinació. Açò afecta a la fertilitat dels individus.
 Contingut d’aigua (estrès hídric), important en plantes. Té relació amb la floració.
2. Segregació sintèlica de cromosomes homòlegs a anafase I Tenim un bivalent, on hi ha cohesines que uneixen cromàtides germanes i els quiasmes mantenen els cromosomes homòlegs units. Però com s’aconsegueix la unió sintèlica dels microtúbuls al cinetocor? Aquí hi participen els complexes de cohesines i quiasmes.
En la meiosi, a part de la AURKB intervé la monopolina, que forma part del cinetocor. Si els microtúbuls units als cinetocors germans provenen de pols oposats, la monopolina desfà aquesta unió.
Sols es mantindran les unions quan els microtúbuls enganxats a cinetocors germans provinguin del mateix pol del fus. Només quan tenim la unió sintèlica/bipolar, en la qual als cinetocors homòlegs els arriben microtúbuls de pols diferents, la monopolina i la AURKB es desactivaran per la tensió i es formarà la placa metafàsica.
Quan en la mitosi es produeix la unió amfitèlica, la separasa actua sobre les cohesines i segrega les cromàtides germanes; però en la meiosi, aquesta cohesió s’ha de mantenir fins a metafase II.
- Acció de la separasa sobre les cohesines periquiasmàtiques.
Protecció de les cohesines pericentromètiques mitjançant fosforilacions diferencials.
Les cohesines patiran modificacions addicionals i es podran classificar en dos tipus: - Les cohesines dels extrems dels cromosomes són fosforilades per la Polo like kinasa.
Les cohesines de la regió pericentromèrica es troben protegides per la sugusina (Sgo1) i la fosfatasa PP2A perquè quedin sense fosforilar.
La sugusina recluta la fosfatasa cap a la zona pericentromèrica perquè desfosfori-li les cohesines que ha fosforilat la Polo like kinasa. La separasa elimina les cohesines fosforilades i per tant, aquestes s’obrin i els braços dels cromosomes perden cohesivitat. Ara és quan podran separar-se els cromosomes homòlegs.
Tot açò està sotmès a punts de control. Per exemple, el SAC, dirigit per les proteïnes MAD. Quan la unió de tots els bivalents és sintèlica amb equilibri de forces, APC allibera la separasa i es produeix l’anafase.
El cromosoma a Metafase II La meiosi II és com una mitosi. Partim d’una cromatina pseudodescondensada que la tornem a condensar per separar les cromàtides germanes que estan cohesionades sols per la regió pericentriomèrica.
Morfologia Les cèl·lules a metafase II ja són haploides. Els cromosomes: - - Tenen dues cromàtides.
Les cromàtides es troben molt separades per l’absència de cohesines als braços, es troben unides únicament per la regió centromèrica (cohesines pericentromèriques) Els braços cromosòmics presenten aspecte enrinxolat relacionat amb la presència d’una interfase curta entre ambdues divisions meiòtiques que impedeix l’activitat plena de les condensines.
Segregació amfitèlica de cromàtides germanes a anafase II Les cohesines es fosforilen d’alguna de les següents maneres: - La ciclina A2 inhibeix la sugusina i la fosfatasa PP2A.
Hi ha un inhibidor de la fosfatasa PP2A.
La fosforilació es deguda a la tensió, que inactiva les proteïnes cinetocòriques.
Les cohesines són sensibles a la separasa. S’ha de aconseguir un equilibri sintèlic/bipolar a l’igual que a la mitosi. La separasa actuarà sobre Rec8 (com la Scc1), la molècula que tanca l’anell (cohesina) que uneix les cromàtides germanes.
Punts de control La meiosi és un sistema molt controlat: 3. DIVISIONS MEIÒTIQUES NO CONVENCIONALS La meiosi més habitual és la quiasmàtica, la que hem explicat fins ara. Però, també hi ha altres models menys comuns: - Meiosi aquiasmàtica: es produeix en el sexe heterogamètic d’alguns dípters, lepidòpters i invertebrats.
Consisteix en una sinapsi paral·lela entre cromosomes homòlegs sense necessitat de quiasmes. Per tant, no hi ha complex sinaptinemal ni recombinació.
- Meiosi inversa: la fan els Nematodes (Ascaris), insectes (Lepidòpters) i plantes (Lazula), els quals tenen cromosomes holocèntrics (tot el cromosoma es comporta com a centròmer). És al revés que la meiosi quiasmàtica: la primera divisió és equacional (es separen les cromàtides de cromosomes homòlegs) y la segona divisió reductora (s’envia un cromosoma homòleg amb una sola cromàtide a cada cèl·lula filla).
CONCEPTES I CONEIXEMENTS FONAMENTALS - - El procés de la recombinació s'inicia amb la sinapsi i trencaments de doble cadena en una de les molècules de DNA. Es formen extrems protuberants que envaeixen la cadena homologa produint l'intermediari de Holliday.
Les molècules recombinants es formen per escissió i unió dels intermediaris.
El quiasma es l'expressió citològica de la recombinació. El seu nombre i la seva localització es troben condicionats per factors genètics i ambientals.
Els cromosomes homòlegs arriben configurant un bivalent a metafase I. L'orientació sintèlica es l'única que possibilita la segregació de cromosomes homòlegs a anafase I.
Els quiasmes juguen un paper central en la cosegregació de cinetocors germans a anafase I.
L'orientació amfitèlica es l'única que possibilita la segregació de cromàtides germanes a anafase II.
Existeixen formes no convencionals de realitzar la meiosi.
...