Tema 5 (2014)

Apunte Catalán
Universidad Universidad Autónoma de Barcelona (UAB)
Grado Genética - 2º curso
Asignatura citogenetica
Año del apunte 2014
Páginas 13
Fecha de subida 05/02/2015
Descargas 3

Vista previa del texto

TEMA 5. Divisió cel·lular meiòtica.
5.1 Teoria cromosòmica de l’herència 5.2. Aspectes generals Mitosi vs. Meiosi 1. Origina 2 // 4 cèl·lules.
2. Es manté la ploïdia // 4 cèl·lules haploides 3. Una única fase S seguida de divisió cel·lular // fase S + 2 divisions cel·lulars consecutives 4. normalment no hi ha aparellament entre cromosomes homòlegs a profase // sí que es dona aparellament dels cromosomes homòlegs en profase I i és complert.
5. No aparellament à no recombinació // com a mínim s’ha de formar un quiasma entre cromosomes homòlegs 6. Els cinetocors germans s’orienten cap a un pol cel·lular diferent i es separen els cromosomes en les dues cèl·lules filles (pèrdua de la cohesió entre cromàtides germanes en la metafase) // a la 1ª divisió meiòtica hi ha una cosegregació de cinetocors germans però amb un manteniment durant la metafase de la cohesió en regió pericentromèrica en cromosomes germans.
7. Els centròmers es divideixen en anafase // es perd la cohesió de cromosomes germans a anafase II i es divideixen els centròmers.
8. És un procés conservatiu (cèl·lules filles són idèntiques a les progenitores) // indueix a variació genètica de les filles respecte les progenitores 9. En cèl·lules haploides /diploides // sempre en cèl·lules diploides Funció · Mantenir la ploïdia de l’espècie (n+n=2n) · Increment de la variabilitat genètica que s’aconsegueix mitjançant la recombinació entre cromàtides homòlogues (no entre germanes perquè cal que es formi una estructura proteica que possibilita la recombinació i s’estructura entre cr homòlegs).
Fases i durada La primera divisió meiòtica és reduccional i es divideix en 4 etapes: profase I (es divideix també en 5: leptotè, zigotè, paquitè, diplotè i diacinesi), metafase I, anafase I i telofase I. Després es dóna un procés d’interfase més o menys llarga i la segona divisió meiòtica que es divideix també en 4 parts: profase, metafase, anafase i telofase II.
Això des del punt de vista cromosòmic: un cicle de des/condensació de la cromatina que té dues funcions bàsiques: 1. La recombinació meiòtica entre cromosomes homòlegs. Es produeix perquè, els cromosomes, durant la metafase I es condensen (canvien la seva estructura).
2. La segregació dels cromosomes (que en el cas de la meiosi la és sintèlica a la primera divisió i en la segona divisió meiòtica és amfitèlica).
5.3. Esdeveniments cromosòmics Respecte a les condensines i cohesines s’aplica el mateix que vam explicar per la mitosi. La diferencia és que les subunitats de les condensines i cohesines mitòtiques i meiòtiques són diferents. En la mitosi la que tanca l’anell de les cohesines mitòtiques es Scc1 i en les meiòtiques Rec8.
Recombinació meiòtica: Mecanisme general Hi ha dues cromàtides homòlogues (taronja i vermella) formades per dues monocadenes. Això passa a profase I (a l’esquema només es representen una cromàtide de cada cromosoma homòleg però hi ha dos cromàtides per cromosomahomòleg).
L’aparellament és el procés amb el que comença la recombinació i en el que es reconeixen els cromosomes materns i paterns. Es dóna a l’inici de la profase I. Aquí comença la primera etapa, amb la formació de trencaments de la doble cadena. Spo11 trenca la doble cadena de DNA per regions concretes. En els punts de trencament hi actua la maquinària de resposta del dany en el DNA (complex proteic que s’anomena Mre11, una exonucleasea). El que fa aquesta és reconèixer els extrems 5’ lliures i realitza una activitat exonucleasa en sentit 5’à3’ deixant els dos extrems 3’ (-OH) protuberants un al costat de l’altre). Llavors actua un altre enzim que és bàsic (en procariotes és RecA) i en eucariotes s’anomena Rad51. És una proteïna que forma part del conjunt les cohesines meiòtiques. Rad51 s’uneix específicament a l’extrem 3’ -OH protuberant i després busca homologia, seqüències de nts complementaris, en la cadena homòloga (l’altra cadena de DNA). Aquesta recerca la fa en el cromosoma homòleg i un cop la troba forma una estructura de DNA formada per 3 monocadenes que és transitòria. La molècula és molt inestable i ràpidament és corregida formant una monocadena i una cadena doble amb la particularitat que la doble cadena està formada per la monocadena de l’extrem 3’ protuberant i una de les cadenes del cromosoma homòleg vermell (i desplaça a l’altra vermella amb la que no és complementària). Aquest fenomen s’anomena sinapsi cromosòmica (l’acció de Rad51).
El següent pas és la síntesi de DNA en les cadenes grogues que s’han unit a les vermelles. Això es fa utilitzant com a motlle les cadenes vermelles i posteriorment, mitjançant les lligases, s’uneixen els fragments de cadena nova a les cadenes que s’havien fragmentat. Això genera creuaments de molècules de DNA i aquests s’anomenen unió /estructura de Holliday. Aquesta situació es pot resoldre de 2 maneres que donen lloc a 2 productes diferents: · · (Esquerre) Resolucions horitzontals (simplificació): hi ha un complex proteic (resolvasa) que resol l’estructura de Holliday. En un punt de creuament es trenca la monocadena taronja i la vermella i s’uneixen. Hi ha hagut un intercanvi de material genètic però els extrems són iguals. Aquesta solució no dóna lloc a molècules de DNA recombinants (es dóna el fenomen de conversió gènica).
Les resolvases trenquen, reparen i reuneixen les dues monocadenes que es creuen. El resultat són dobles cadenes amb un fragment d’una cromàtide intercanviada però els extrems són els mateixos (les cromàtides obtingudes no són recombinants).
(Dreta) Una molècula recombinant hauria de començar taronja i acabar sent vermella.
Perquè es generi recombinació, la resolució de l’estructura de Holliday s’ha de donar, en un creuament, de forma vertical i l’altre, horitzontalment. Això passa quan es donen isomeritzacions de les unions de Holliday.
Una de les dues unions Holliday es resol tallant i reunint les cromàtides que es creuen originàriament i passa el mateix que en el model de l’esquerra. En l’altre, enlloc de resoldre-la tallant les monocadenes internes, es trenquen les externes (que no es creuen). Abans hi ha un intercanvi de fragments perquè això es produeixi, una isomerització (canvi conformacional d’una molècula) d’una de les dues unions de Holliday (la de l’esquerra en el nostre cas).
http://engels.genetics.wisc.edu/Holliday/index.html Quan es dóna el procés de la dreta (1a isomerització, 1r gir) al microscopi veiem l’estructura de la foto en blanc i negre. Després de les dues isomeritzacions el que s’acaba creuant són les dues monocadenes externes que inicialment no es creuaven. Això facilita que es doni el trencament de les molècules externes.
Aquestes isomeritzacions, com que el cromosoma és molt dinàmic i flexible, es poden donar en segments determinats del cromosoma, no cal que giri el cromosoma sencer.
Recombinació meiòtica: el complex sinaptinemal (CS) L’estructura que sempre està present en tota la recombinació és el complex sinaptinemal. A la foto veiem cèl·lules meiòtiques en paquitè.
NE=embolcall nuclear. D’ell surten estructures laminars amb dos eixos laterals i un de central.
Això es l’estructura del complex sinaptinemal.
El complex és una estructura proteica bàsicament formada per: Sycp1 (groc). Formen l’eix central mitjançant una xarxa filamentosa al centre del complex. Aquesta xarxa està connectada a banda i banda amb els elements laterals formats per bàsicament dues proteïnes: Sycp2 i Sycp3. Aquestes es troben, d’una banda connectades a l’eix central i interaccionant entre elles.
A l’element lateral també s’hi uneixen específicament les cohesines meiòtiques (anells blaus).
Quan parlem d’un CS el que tenim és una estructura proteica unida a un complex de cohesines que estan unint cromàtides germanes. Per tant, el que el complex possibilita és la unió entre cromosomes homòlegs en aquesta fase de la meiosi. Facilita la recombinació.
El que es veu de color fosc al voltant de SC a la foto de microscòpia electrònica són cromàtides germanes de cada un dels dos cromosomes homòlegs.
Hi ha una relació estreta entre el procés general de la recombinació (2a fila de la taula) i les característiques del CS les fases de profase (1ª fila).
· Leptotè: inici de la condensació de cromosomes i comencen a aparèixer els elements axials del CS sobre les cromàtides germanes. Aquesta etapa coincideix amb l’aparellament de cromosomes homòlegs i es comencen a formar els trencaments de doble cadena (induïts per Spo11).
· Zigotè: comença la sinapsi (aparellament entre monocadenes de diferents cromàtides homòlogues, Rec A és l’encarregat d’induir aquest procés). El que s’observa és l’estructuració de l’element central que facilita la sinapsi entre cromosomes homòlegs. Els trencaments de doble cadena induïts per Spo11 desapareixen (es processen pels mecanismes de reparació del dany al DNA).
· · · Paquitè: Tots els elements del CS estan plenament desenvolupats. Coincideix amb les dobles unions de Holliday abans de les isomeritzacions.
Diplotè: CS s’elimina (es perden els elements laterals i centrals) i correspon a la etapa de recombinació en la que s’observen molècules recombinants (després de la isomeritzacions).
Diacinesi: s’observa un augment de la condensació cromosòmica.
Abans s’associava el complex amb la recombinació perquè es creia que tenia activitat catalítica. Avui aquesta opció es desestima ja que les dades indiquen que es una estructura proteica amb funció totalment estructural per possibilitar la recombinació durant la profase I (habiliten un espai d’actuació adequat). Hi ha resultats experimentals que donen suport a aquesta visió de la funció del complex. Un exemple és que les cèl·lules somàtiques poden recombinar per reparar el DNA i no es forma un complex (no és imprescindible). També que es pot donar l’aparellament aquiasmàtic (observat en Saccaromices pombe on no cal tampoc la formació del complex.
Però sobretot, que s’ha observat que dins del complex hi ha unes estructures que es denominen nòduls de recombinació. Els nòduls s’observen clarament en paquitè.
Són estructures que recluten proteïnes que participen i reaccionen en funció als trencaments del DNA pel procés de recombinació. Els primerencs son els que apareixen abans de paquitè (petits). Tardans són molt més gruixuts aglutinen més proteïnes.
En l’esquema que expliquem les unions Holliday en els tres primers passos podríem trobar nòduls primerencs i a partir del quart pas endavant trobaríem nòduls tardans.
El cromosoma a Metafase I: morfologia Perquè els cromosomes recombinin cal que hi hagi un grau de condensació elevat i adequat.
Per aquest motiu en la majoria de les espècies cal que es generi el complex sinaptinemal.
Quan les cèl·lules superen la profase I els cromosomes estan formant bivalents, que són estructures altament condensades. Descriurem la morfologia del bivalent en metafase I.
A paquitè els bivalents estan units pel CS però aquest s’elimina a diplotè i a metafase I ja no el trobem. Tot i així, els cromosomes homòlegs estan units formant bivalents. En aquesta etapa l’estructura responsable de la unió dels bivalents no són els quiasmes sinó les cohesines. Els quiasmes són la observació citològica de la recombinació.
Blau: són les cohesines que uneixen cromàtides germanes. Hi ha hagut un intercanvi i quan es doni la segregació sintèlica el cromosoma de baix s’endurà part el cromosoma de dalt (la part que ha recombinat). A metafase I els cromosomes estan units per les cohesines dels segments intercanviats (els que han recombinat i es mantenen units des de diplotè fins a anafase I).
VI: són diferents les unions Holliday (entre cromàtides que ja s’han resolt a metafase) i la recombinació de metafase I. Després de la recombinació no s’han desestabilitzat les cohesines i les cromàtides estan unides com si encara no haguessin recombinat (unides a la seva cromàtide germana). Per això observem les creus, vuits... quan encara no s’han separat els cromosomes homòlegs després de la recombinació. I els segments intercanviats estaran units per cohesines. És per això un cercle tancat format per dos cromosomes significa que hi ha dos quiasmes. Quan més centromèric és el punt de recombinació més llarg serà el segment de les cromàtides unides que s’han intercanviat. La morfologia dels bivalents depèn directament del nombre i posició dels quiasmes.
Detall de les diferents molècules que determinen la morfologia dels cromosomes en metafase I.
Per separar els cromosomes s’han de degradar les cohesines del segment horitzontal (periquiasmàtiques), als segments intercanviats. Les que estan al voltant del centròmer són resistents a l’acció de les separases a metafase I.
Unint els segments o cromàtides germanes trobem els complexes de cohesines, que en absència del CS, són el que facilita que quan els mtúbuls tiben de l’estructura les cromàtides germanes no se separin però sí que puguin segregar els cromosomes homòlegs.
Cohesines dels segments intercanviats= periquiasmàtiques.
Cromosoma a metafase I: Factors que influeixen en el nombre i localització dels quiasmes Perquè els quiasmes es situen en una regió concreta i no en una altra? Quin és el percentatge màxim teòric de recombinació que té una cromàtide sinó està influenciada per cap factor.
Cada línia significa una cromàtide (les unions Holliday aquí ja no es donen, el que visualitzem com a creuaments són recombinacions).
Quantes cromàtides recombinants es poden generar? (aquelles que intercanvien un fragment amb els homòlegs que va des del punt de trencament / fragmentació fins al telòmer).
o o o o · Si no hi ha quiasmes à no cromàtides recombinants à 0%de recombinació.
· 1 quiasma à 50% de cromàtides recombinants · 2 quiasmes à els 2 quiasmes es poden formar de 4 formes diferents: Els 2 quiasmes s’estableixen entre les mateixes cromàtides (entre la 2a i la 3a cromàtide). Aquests dos quiasmes, com que han afectat a les mateixes cromàtides al final del procés no generen cromàtides recombinants (un quiasme anul·la l’acció de l’altre)à % total de recombinació =0.
També es poden formar 2 quiasmes entre la 1a i 3a cromàtide i entre la 2a i la 3a cromàtide. Si això es dóna (2a a 3a no donarà una cromàtide recombinant) les altres sí. El percentatge màxim de recombinació serà del 50%.
El resultat final serà el mateix que l’anterior si es dóna entrecreuament entre la 2a i la 3a cromàtide i la 2a amb la 4a.
Es poden produir 2 quiasmes entre les 4 cromàtides: 1a recombina amb la 4a i la 2a amb la tercera à totes les cromàtides seran recombinants à 100% de recombinació.
Aquestes són les 4 opcions que teòricament es poden donar, però totes tenen la mateixa probabilitat de donar-se, per tant si les sumes i ho divideixes entre quatre et surt que el % màxim de recombinació que és el 50%. (0+50+50+100)/4= 50%. I això, per combinatòria, passa igual amb 3, 4, ... quiasmes entre 2 cromosomes homòlegs. à Freqüència màxima de recombinació entre 2 cromosomes homòlegs és el 50%.
Hi ha una sèrie de factors genètics i ambientals que influencien el nombre i localització de quiasmes que es formen entre 2 cromosomes homòlegs Factors genètics: · Presència de Hot spots. Punts calents de recombinació: seqüències de nts que permeten que s’iniciï la recombinació, actuen com a senyals de reconeixement de la maquinària enzimàtica de la recombinació. L’inici de la recombinació no es produeix a qualsevol lloc del genoma sinó que es dóna de forma altament regulada pels hot spots.
· · · · · Fenòmens d’interferència. Es coneix gràcies a observacions al microscopi. Se sap que quan una cromàtide participa en un intercanvi difícilment participarà en un segon intercanvi. Aquest fenomen s’anomena interferència de cromàtides. La interferència de quiasmes també existeix i vol dir que perquè es produeixin 2 quiasmes hi ha d’haver una distància X entre ells que els separi (sinó no sen formen 2).
Proximitat al centròmer. A mida que ens apropem a la regió centromèrica la presència de quiasmes disminueix.
Heterocromatina. La presència d’aquesta fa que no es formin quiasmes.
Sexe. L’homogamètic presenta més quiasmes que l’heterogamètic (en humans: les dones presentaran més quiasmes que els homes).
Efecte intercromosòmic. Quan un individu presenta una transformació cromosòmica estructural de normal presenta alteracions en el nombre i localització de quiasmes.
Ambientals: · · · En vegetals hi ha una relació molt clara entre contingut d’H2O i nombre de quiasmes (estrés hídric).
Canvis dràstics de temperatura produeixen canvis dràstics en el procés de recombinació.
Edat. (Sobretot en dones) a edats maternes avançades queda afectada la recombinació i augmenta la probabilitat d’aneuploïdies.
Segregació sintèlica de cromosomes homòlegs en anafase I A anafase I es produeix la segregació sintèlica de cromosomes homòlegs (hi ha reducció de la polïdia) i els cromosomes resultants de la 1a divisió segueixen units per la regió pericentromèrica.
En la segona divisió aquests cromosomes es segreguen de forma amfitèlica.
Ens trobem amb dos cromosomes homòlegs amb quiasmes (units per cohesines). Les cohesines o la proteïna que forma part de les cohesines i que tanca els anells és Rec8 en les cohesines meiòtiques i Scc1 en les mitòtiques.
En un sistema meiòtic, al igual que en el mitòtic, la unió dels mtúbuls als cinetocors és irregulada i inespecífica. No hi ha selecció del cinetocor. D’alguna manera els bivalents han d’aplicar sistemes de correcció per seleccionar les unions que possibiliten la segregació sintèlica. Això ho fa, en part, la proteïna Aurora quinasa que en absència d’equilibri de forces, talla unions entre mtúbul i cinetocor. En un sistema meiòtic amb només aurora quinasa però, no es donaria la segregació sintèlica correcta de cromosomes homòlegs perquè no s’asseguraria una unió bipolar dels microtúbuls als cinetocors.
Cal alguna cosa més, la monoplina. Aquesta proteïna actua durant la primera divisió meiòtica i si hi ha cinetocors germans que s’uneixen a mtúbuls de pols diferents el que fa és tallar les unions fins que només s’uneixen, cada cinetocor dels cromosomes germans a un pol. Si això no es dóna i cada cinetocor està unit al mateix pol del fus, no hi ha equilibri de forces i per molt que actuï Aurora quinasa no tindrà l’efecte desitjat. Per això, quan la monopolina aconsegueix que les unions dels microtúbuls als cinetocors siguin biorientades en els homòlegs l’aurora quinasa actuarà eficientment fins que s’aconsegueixi un equilibri de forces. Llavors s’estabilitzaran les unions.
Un cop les unions s’han estabilitzat i s’activa APC, aquesta actua sobre la securina (xaperona que segresta la separasa fent que aquesta s’alliberi). Un cop lliure separasa actua específicament contra Rec8 que tanca els anells de cohesines. APC només s’activarà quan tots els bivalents presentin una orientació sintèlica Encara que sols un no presenti unió sintèlica s’alliberen proteïnes com Mad2 que inhibeixen APC. Això es dóna de forma sincrònica afectant a tots els bivalents de cop.
El que cal perquè una anafase I sigui eficient: · · Que els cromosomes homòlegs segreguin.
Que les cromàtides germanes es mantinguin unides perquè posteriorment formaran els cromosomes en metafase II. Hi ha unes cohesines que formen part dels bivalents (segments que han recombinat) i altres que no (pericentromèriques). Aquests dos tipus de cohesines no presenten diferències observables. Perquè es mantinguin les pericentromèriques i s’eliminin les que es troben entre segments intercanviats, el que sembla que passa és que, gràcies a una proteïna centromèrica, la sugosina (que forma part del cinetocor) i mitjançant fosforilacions diferencials de les coehsines, aquestes queden protegides de la separasa. Un cop eliminades les cohesines dels segments intercanviats no hi ha cohesines que mantinguin el bivalent unit i pot segregar.
L’interval entre la 1a divisió meiòtica i la 2a és variable (hi ha espècies que no tenen interfase entre aquestes dues fases i d’altres espècies amb una interfase curta). S’inicia la profase I (condensació ) i s’arriba a anafase II on es dóna la segregació amfitèlica.
El cromosoma a Metafase II: Morfologia Característiques del cromosoma en metafase II i com es produeix la segregació amfitèlica.
Les cèl·lules són haploides amb cromosomes de dues cromàtides. Les cromàtides germanes estan molt separades perquè no hi ha cohesines als braços (s’acaben d’eliminar per facilitar la segregació de cromosomes homòlegs). Presenten un aspecte rinxolat i esfilagarsat i es troben en un estat de condensació menor i més estirats. Aquest fet s’explica perquè la interfase entre M1 i M2 o es curta o es inexistent i impedeix que la condensació dels cromosomes en aquest punt es produeixi, no hi ha temps.
Característiques estructurals molt diferents i clares entre cromosomes meiòtics i mitòtics.
Segregació amfitèlica de cromàtides germanes a Anafase II La segregació amfitèlica de cromàtides germanes en metafase II es produeix igual que un procés mitòtic.
Ens trobem amb cromàtides recombinants que estan unides per la regió pericentromèrica gràcies a les cohesines que no s’han eliminat perquè son resistents a la separasa gràcies a la sugosina i les fosforilacions diferencials que han patit anteriorment i que les protegeixen davant de la separasa.
Quan els cromosomes es troben correctament alineats al pla equatorial APC s’activa (de cop), actua sobre la securina que allibera a la separasa i aquesta actua contra Rec8. La sugosina ja no hi és present en aquest pas, per tant, les cohesines restants no queden protegides contra les separases, s’han eliminat les fosforilacions diferencials. Aquest fet facilita la segregació de cromàtides germanes.
En la segregació en meiosi II no actua la monopolina.
Aquest procés el que genera són gàmetes que si es fecunden podran generar un zigot i, per tant, permetran que sorgeixi un nou individu per perpetuar l’espècie.És per aquest motiu que ha de ser un procés molt regulat. El nombre de cromosomes ha de ser correcte en les cèl·lules del individu fill per passar els punts de control i que el procés tiri endavant.
Punts de control mitosi i meiosi · Final de la fase G2: la cèl·lula s’assegura que no hi ha regions desaparellades (que tot el DNA s’ha replicat correctament per poder entrar a la fase de divisió). Detecta regions asinàptiques i intenta corregir l’anomalia. Sinó la pot corregir porta la cèl·lula a apoptosi. També mira que el medi sigui adequat i que la cèl·lula sigui prou gran per dividir-se.
· Tant a anafase I com II hi ha un punt de control que verifica que els cromosomes estiguin correctament alineats al pla equatorial de la cèl·lula de forma sintèlica en AI i de forma amfitèlica en AII.
· En el cas de l’espermatogènesi hi ha un punt que verifica que la expressió gènica està donant-se de forma correcta.
NOTA: Web que pot anar bé tipu BioCel: http://genomasur.com/lecturas/Guia12a.htm 5.4. Divisions meiòtiques no convencionals No totes les espècies segueixen aquest model típic de meiosi, la quiasmàtica (basada en la formació de quiasmes). Existeixen dos tipus més de meiosi per les que es pot donar la reducció del nombre de cromosomes: · · Meiosi aquiasmàtica. La sinapsi entre cromosomes homòlegs es produeix sense aparició dels quiasmes (no hi ha intercanvi de material).
Meiosi inversa. Existeix en poques espècies. La primera divisió meiòtica és equacional (no reduccional) i la segona sí que és reduccional (característca d’espècies que tenen cromosomes holocinètics(centròmer difús), que poden unir-se per tota la llargada del cromosoma al fus). Això passa de la següent manera: Llibre cito online: http://books.google.es/books?id=VcmrQY8FdksC&pg=PA294&lpg=PA294&dq=meiosi+inversa &source=bl&ots=lim2JJHL3H&sig=7Uw8pF-bRupu_gPIoT3-1r0cqDU&hl=es&sa=X&ei=MLRjUuIFOGX1AW-qoCgBA&ved=0CDgQ6AEwAQ#v=onepage&q=meiosi%20inversa&f=false ...