11.1 Ferli meiósu

Markmið náms

Í lok þessa hluta munt þú geta gert eftirfarandi:

• lýst hegðun litninga í meiósu og muninum á fyrri og seinni meiósuskiptingu
• lýst frumuatburðum sem eiga sér stað í meiósu
• útskýrt muninn á meiósu og mítósu
• útskýrt þá ferla í meiósu sem skapa erfðabreytileika meðal einlitna kynfrumna

Kynæxlun krefst samruna tveggja sérhæfðra frumna, kynfrumna, sem hvor um sig inniheldur eitt litningasett. Þegar kynfrumur renna saman mynda þær okfrumu, eða frjóvgað egg, sem inniheldur tvö litningasett. Frumur með eitt litningasett kallast einlitna og frumur með tvö litningasett kallast tvílitna. Ef æxlunarhringur tegundar sem æxlast með kynæxlun á að halda áfram verður tvílitna fruman að fækka litningasettum sínum á einhvern hátt til að mynda einlitna kynfrumur; annars tvöfaldast fjöldi litningasetta við hverja frjóvgun. Kynæxlun krefst því kjarnaskiptingar sem fækkar litningasettum um helming.

Flest dýr og plöntur og margar einfruma lífverur eru tvílitna og hafa því tvö litningasett. Í hverri líkamsfrumu lífverunnar, það er öllum frumum fjölfruma lífveru nema kynfrumum eða æxlunarfrumum, inniheldur kjarninn tvö eintök af hverjum litningi. Þau kallast samstæðir litningar. Samstæðir litningar eru samsvarandi pör sem bera sömu gen á sömu stöðum eftir endilöngu. Tvílitna lífverur erfa eitt eintak af hverjum samstæðum litningi frá hvoru erfðaframlagi.

Meiósa er kjarnaskipting sem myndar einlitna frumur úr tvílitna frumum og nýtir marga sömu frumuferla og mítósa. Mítósa myndar dótturfrumur þar sem kjarnarnir eru erfðafræðilega eins og upphaflegi móðurkjarninn. Í mítósu eru móður- og dótturkjarnar á sama litnistigi, til dæmis tvílitna hjá flestum fjölfruma dýrum. Plöntur nota mítósu til að vaxa sem gróliðir og til að vaxa og mynda egg og sáðfrumur sem kynliðir; þær nota því mítósu bæði í einlitna og tvílitna frumum, auk annarra litnistiga. Í meiósu er upphafskjarninn alltaf tvílitna en dótturkjarnarnir sem myndast eru einlitna. Til að fækka litningum samanstendur meiósa af einni umferð litningaeftirmyndunar og síðan tveimur umferðum kjarnaskiptingar. Þar sem margir atburðir á skiptingarstigunum eru hliðstæðir atburðum í mítósu eru sömu stigheitin notuð. Þar sem skiptingarnar eru tvær eru ferlið og stigin merkt með I eða II. Meiósa I er því fyrsta meiósuskiptingin og inniheldur prófasa I, prómetafasa I og svo framvegis. Meiósa II, þar sem seinni meiósuskiptingin fer fram, inniheldur prófasa II, prómetafasa II og svo framvegis.

Meiósa I

Á undan meiósu fer millifasi sem samanstendur af G₁-, S- og G₂-fasa og er næstum eins og fasarnir á undan mítósu. G₁-fasinn, fyrri vaxtarfasinn, snýst um frumuvöxt. Í S-fasanum, öðrum fasa millifasa, afritar fruman DNA litninganna. Að lokum fer fruman í gegnum lokaundirbúning fyrir meiósu í G₂-fasanum, seinni vaxtarfasanum.

Við tvöföldun DNA í S-fasanum er hver litningur afritaður og myndar tvö eins eintök, systurlitningsþræði, sem kóhesínprótein halda saman við þráðhaftið þar til í anafasa II. Þessi litningaeintök kallast systurlitningsþræðir óháð því hvort þau eru í kvenkyns eða karlkyns kynfrumu.

Prófasi I

Snemma í prófasa I, áður en litningarnir sjást greinilega í smásjá, eru samstæðir litningar festir á endunum við kjarnahjúpinn með próteinum. Þegar kjarnahjúpurinn byrjar að brotna niður færa prótein tengd samstæðu litningunum parið nær saman. Í mítósu parast samstæðir litningar hins vegar ekki. Samloðunarflóki (synaptonemal complex), próteingrind milli samstæðu litninganna, myndast fyrst á tilteknum stöðum og breiðist síðan út eftir allri lengd litninganna. Þétt pörun samstæðu litninganna kallast litningapörun. Við litningapörun raðast genin á litningsþráðum samstæðu litninganna nákvæmlega saman. Samloðunarflókinn styður við skipti á litningabútum milli samstæðra ósysturlitningsþráða, ferli sem kallast litningavíxl. Eftir skiptin má sjá litningavíxl sem krossmót (eintala: chiasma) (Mynd 11.3).

Hjá mönnum eru X- og Y-kynlitningarnir ekki fullkomlega samstæðir, það er flest gen þeirra eru ólík, en á þeim er lítið samstæðusvæði sem gerir X- og Y-litningunum kleift að parast í prófasa I. Samloðunarflóki myndast aðeins milli samstæðusvæðanna.

Með millibili eftir samloðunarflókanum eru stórar próteinsamstæður sem kallast endurröðunarhnúðar. Þær marka staði krossmóta sem myndast síðar og miðla fjölþrepa ferli litningavíxla, eða erfðaendurröðunar, milli ósysturlitningsþráða. Nálægt endurröðunarhnúðnum er tvíþátta DNA hvers litningsþráðar klippt, endunum er breytt og ný tenging myndast milli ósysturlitningsþráða. Þegar líður á prófasa I byrjar samloðunarflókinn að brotna niður og litningarnir að þéttast. Þegar samloðunarflókinn er horfinn eru samstæðir litningar enn tengdir hver öðrum við þráðhaftið og við krossmótin. Krossmótin haldast fram að anafasa I. Fjöldi krossmóta er breytilegur eftir tegundum og lengd litningsins. Að minnsta kosti eitt krossmót þarf á hverjum litningi til að samstæðir litningar aðskilist rétt í meiósu I, en þau geta verið allt að 25. Eftir litningavíxl brotnar samloðunarflókinn niður og kóhesíntenging milli samstæðra para er fjarlægð. Í lok prófasa I haldast pörin aðeins saman við krossmótin (Mynd 11.4). Þessi pör kallast ferndir vegna þess að nú sjást samtals fjórir systurlitningsþræðir í hverju pari samstæðra litninga.

Litningavíxl eru fyrsta uppspretta erfðabreytileika í kjörnunum sem myndast við meiósu. Eitt litningavíxl milli samstæðra ósysturlitningsþráða leiðir til gagnkvæmra skipta á jafngildu DNA milli litnings sem kom úr eggfrumu og litnings sem kom úr sáðfrumu. Þegar endurraðaður systurlitningsþráður færist í kynfrumu ber hann samsetningu móður- og föðurgena sem var ekki til fyrir litningavíxlin. Litningavíxl geta átt sér stað nánast hvar sem er eftir endilöngum pöruðum litningunum. Mismunandi frumur sem ganga í gegnum meiósu mynda því mismunandi endurraðaða litningsþræði með ólíkum samsetningum móður- og föðurgena. Mörg litningavíxl í armi litnings hafa sömu áhrif: þau skiptast á DNA-bútum og mynda erfðafræðilega endurraðaða litninga.

Prómetafasi I

Lykilatburðurinn í prómetafasa I er tenging örpípla deilispólunnar við þráðhaldsprótein á þráðhöftunum. Þráðhaldsprótein eru fjölpróteinflókar sem tengja þráðhöft litnings við örpíplur deilispólunnar. Örpíplur vaxa frá örpíplumyndunarstöðvum (MTOC). Í dýrafrumum eru þessar stöðvar deilikornamiðjur við gagnstæð skaut frumunnar. Örpíplur frá hvoru skauti færast að miðju frumunnar og tengjast þráðhaldi annars litningsins í samstæðu parinu. Hvor litningur samstæða parsins tengist örpíplu frá gagnstæðu skauti, þannig að í næsta fasa geta örpíplurnar dregið samstæða parið í sundur. Deilispóluþráður sem tengist þráðhaldi kallast þráðhaldsörpípla. Í lok prómetafasa I er hver fernd tengd örpíplum frá báðum skautum og einn samstæður litningur snýr að hvoru skauti. Samstæðir litningar haldast enn saman við krossmótin. Auk þess hefur kjarnahjúpurinn brotnað alveg niður.

Metafasi I

Í metafasa I raðast samstæðir litningar á miðfasaflötinn, nokkurn veginn við miðlínu frumunnar, með þráðhöldin snúin að gagnstæðum skautum. Hvert samstætt par snýr tilviljanakennt við miðbauginn. Ef tveir samstæðir litningar í litningi 1 eru til dæmis merktir a og b geta þeir raðast a-b eða b-a. Þetta skiptir máli fyrir þau gen sem kynfruma ber, því hún fær aðeins annan af tveimur samstæðum litningum. Samstæðir litningar eru ekki eins: þeir bera mismunandi útgáfur af sömu genum og eftir endurröðun við litningavíxl hefur hver kynfruma einstaka erfðasamsetningu sem hefur aldrei verið til áður.

Tilviljanakennd röðun endurraðaðra litninga á miðfasafletinum, ásamt litningavíxlum milli ósysturlitningsþráða, veldur miklum hluta erfðabreytileika afkvæma. Samstæðir litningar lífveru sem æxlast með kynæxlun eru upphaflega erfðir sem tvö aðskilin sett, eitt frá hvoru foreldri. Hjá mönnum er eitt sett af 23 litningum í eggfrumu og kallast oft móðurlitningar vegna þess að erfðaframlagið kemur oft frá móður. Hitt settið af 23 litningum er í sáðfrumu og kallast föðurlitningar vegna þess að erfðaframlagið kemur frá föður. Hver fruma fjölfruma afkvæmisins hefur afrit af þessum tveimur upphaflegu settum samstæðra litninga. Þegar afkvæmið myndar eigin kynfrumur með meiósu endurraðast þessi tvö litningasett. Í prófasa I mynda samstæðir litningar ferndir. Í metafasa I raðast þessi pör á miðju milli tveggja skauta frumunnar og mynda miðfasaflötinn. Þar sem jafn líklegt er að örpípla mæti litningi sem erfðist frá móður eða föður er röðun ferndanna á miðfasafletinum tilviljanakennd. Litningur sem erfðist frá móður getur því snúið að hvoru skauti sem er og litningur sem erfðist frá föður getur einnig snúið að hvoru skauti sem er. Stefna hverrar ferndar er óháð stefnu hinna 22 ferndanna.

Þessi atburður, tilviljanakennd eða óháð samröðun samstæðra litninga á miðfasafletinum, er annað ferlið sem skapar breytileika í kynfrumum eða gróum. Í hverri frumu sem fer í gegnum meiósu er röðun ferndanna ólík. Fjöldi mögulegra tilbrigða fer eftir fjölda litninga í setti. Tveir möguleikar eru á stefnu við miðfasaflötinn og mögulegur fjöldi raðana er því 2ⁿ í tvílitna frumu, þar sem n er fjöldi litninga í einlitna setti. Menn hafa 23 litningapör og því geta myndast yfir átta milljónir (2²³) erfðafræðilega ólíkra kynfrumna eingöngu vegna tilviljanakenndrar röðunar litninga á miðfasafletinum. Þessi tala inniheldur ekki breytileikann sem áður varð til við litningavíxl milli ósysturlitningsþráða. Vegna þessara tveggja ferla er mjög ólíklegt að tvær einlitna frumur sem myndast við meiósu hafi sömu erfðasamsetningu (Mynd 11.5).

Í stuttu máli skapar meiósa I erfðafræðilega fjölbreyttar kynfrumur á tvo vegu. Í fyrsta lagi mynda litningavíxl milli ósysturlitningsþráða hvers samstæða litningapars í prófasa I endurraðaða litningsþræði með nýjum samsetningum móður- og föðurgena. Í öðru lagi myndar tilviljanakennd samröðun fernda á miðfasafletinum einstakar samsetningar móður- og föðurlitninga sem berast í kynfrumurnar.

Anafasi I

Í anafasa I draga örpíplurnar tengdu litningana í sundur. Systurlitningsþræðirnir haldast þétt saman við þráðhaftið. Krossmótin rofna í anafasa I þegar örpíplur sem tengjast sameinuðu þráðhöldunum draga samstæðu litningana í sundur (Mynd 11.6).

Telófasi I og frymisskipting

Í telófasa I koma aðskildu litningarnir að gagnstæðum skautum. Aðrir dæmigerðir atburðir telófasa geta átt sér stað eða fallið niður, eftir tegundum. Í sumum lífverum afþéttast litningarnir og kjarnahjúpar myndast utan um aðskildu settin af litningsþráðum sem urðu til í telófasa I. Í öðrum lífverum á sér stað frymisskipting, það er efnislegur aðskilnaður frymishluta í tvær dótturfrumur, án þess að kjarnar myndist á ný. Hjá næstum öllum dýrategundum og sumum sveppum aðskilur frymisskipting frumuinnihaldið með klofningsfuru, samdrætti aktínhrings sem leiðir til skiptingar frymis. Í plöntum myndast frumuplata við frymisskiptingu þegar Golgi-bólur renna saman á miðfasafletinum. Frumuplatan leiðir að lokum til myndunar frumuveggja sem aðskilja dótturfrumurnar tvær.

Tvær einlitna frumur eru afrakstur fyrri meiósuskiptingar tvílitna frumu. Frumurnar eru einlitna vegna þess að við hvort skaut er aðeins einn litningur af hverju samstæðu pari. Þess vegna er aðeins eitt fullt litningasett til staðar. Frumurnar teljast því einlitna, þótt hver litningur samanstandi enn af tveimur systurlitningsþráðum. Systurlitningsþræðir eru aðeins afrit af öðrum litningi samstæða parsins, fyrir utan breytingar sem urðu við litningavíxl. Í meiósu II aðskiljast þessir tveir systurlitningsþræðir og mynda fjórar einlitna dótturfrumur.

Tengill í námsefni

Horfið á þetta myndband um meiósu til að rifja upp ferlið.

Meiósa II

Í sumum tegundum fara frumur í stuttan millifasa, eða millikínasa, áður en þær fara í meiósu II. Í millikínasa er enginn S-fasi og litningar tvöfaldast því ekki. Frumurnar tvær sem mynduðust í meiósu I ganga samtímis í gegnum atburði meiósu II. Í meiósu II aðskiljast systurlitningsþræðirnir í dótturfrumunum tveimur og mynda fjórar nýjar einlitna kynfrumur. Gangur meiósu II er svipaður mítósu, nema að hver fruma sem skiptir sér hefur aðeins eitt sett samstæðra litninga og hver litningur hefur tvo litningsþræði. Hver fruma hefur því helmingi færri systurlitningsþræði til að aðskilja en tvílitna fruma í mítósu. Að litningainnihaldi eru frumur í upphafi meiósu II svipaðar einlitna frumum í G₂-fasa sem eru að undirbúa mítósu.

Prófasi II

Ef litningarnir afþéttust í telófasa I þéttast þeir aftur. Ef kjarnahjúpar mynduðust brotna þeir niður í bólur. Örpíplumyndunarstöðvarnar (MTOC) sem tvöfölduðust í millikínasa færast í sundur í átt að gagnstæðum skautum og nýjar deilispólur myndast.

Prómetafasi II

Kjarnahjúparnir eru alveg brotnir niður og deilispólan er fullmynduð. Hver systurlitningsþráður myndar sérstakt þráðhald sem tengist örpíplum frá gagnstæðum skautum.

Metafasi II

Systurlitningsþræðirnir eru fullþéttir og raðast við miðbaug frumunnar.

Anafasi II

Systurlitningsþræðirnir eru dregnir í sundur af þráðhaldsörpíplum og færast í átt að gagnstæðum skautum. Örpíplur sem ekki tengjast þráðhöldum lengja frumuna.

Telófasi II og frymisskipting

Litningarnir koma að gagnstæðum skautum og byrja að afþéttast. Kjarnahjúpar myndast utan um litningana. Ef móðurfruman var tvílitna, eins og oftast er, aðskilur frymisskipting nú frumurnar tvær í fjórar einstakar einlitna frumur. Frumurnar sem myndast eru erfðafræðilega einstakar vegna óháðrar samröðunar föður- og móðurlitninga og vegna endurröðunar móður- og föðurbúta litninga, með genasettum sínum, sem á sér stað við litningavíxl. Allt ferli meiósu er sýnt á Mynd 11.7.

Samanburður á meiósu og mítósu

Mítósa og meiósa eru báðar form kjarnaskiptingar í heilkjörnungafrumum. Þær eiga ýmislegt sameiginlegt en fela einnig í sér marga ólíka ferla sem leiða til mjög ólíkrar útkomu (Mynd 11.8). Mítósa er ein kjarnaskipting sem myndar tvo kjarna sem venjulega skiptast í tvær nýjar frumur. Kjarnarnir sem verða til við mítósu eru erfðafræðilega eins og upphaflegi kjarninn. Þeir hafa sama fjölda litningasetta: eitt sett í einlitna frumum og tvö sett í tvílitna frumum. Meiósa samanstendur hins vegar af tveimur kjarnaskiptingum sem mynda fjóra kjarna sem venjulega skiptast í fjórar nýjar, erfðafræðilega ólíkar frumur. Kjarnarnir fjórir sem myndast við meiósu eru ekki erfðafræðilega eins og innihalda aðeins eitt litningasett. Það er helmingur litningasetta upphaflegu frumunnar, sem er tvílitna.

Helsti munurinn á mítósu og meiósu kemur fram í meiósu I, sem er mjög ólík mítósu. Í meiósu I mætast samstæð litningapör og bindast saman með samloðunarflóka. Síðan myndast krossmót og litningarnir gangast undir litningavíxl milli ósysturlitningsþráða. Að lokum raðast litningarnir á miðfasaflötinn sem ferndir, með þráðhaldsörpíplur frá gagnstæðum deilispóluskautum tengdar við þráðhald hvors samstæða litningsins í ferndinni. Allir þessir atburðir eiga sér aðeins stað í meiósu I.

Þegar krossmótin leysast upp og ferndin brotnar í sundur þannig að samstæðir litningar færast að öðru skautinu eða hinu hefur litnistigið, það er fjöldi litningasetta í hverjum verðandi kjarna, minnkað úr tveimur í eitt. Af þessari ástæðu er meiósa I kölluð rýriskipting. Engin slík fækkun litningasetta á sér stað í mítósu.

Meiósa II er hliðstæð mítósuskiptingu. Í þessu tilviki raðast tvöfölduðu litningarnir, aðeins eitt sett þeirra, á miðfasaflötinn með aðskilin þráðhöld tengd þráðhaldsörpíplum frá gagnstæðum skautum. Í anafasa II, eins og í anafasa mítósu, skiptast þráðhöldin og annar systurlitningsþráðurinn, sem nú kallast litningur, er dreginn að öðru skautinu en hinn að hinu skautinu. Ef litningavíxl hefðu ekki átt sér stað væru afurðirnar tvær úr hverri einstakri meiósu II-skiptingu eins, líkt og í mítósu. Þær eru hins vegar ólíkar vegna þess að alltaf hefur orðið að minnsta kosti eitt litningavíxl á hverjum litningi. Meiósa II er ekki rýriskipting því þótt færri eintök af erfðamenginu séu í frumunum sem myndast er enn eitt litningasett til staðar, eins og í lok meiósu I.

Þróunarfræðileg tenging

Ráðgátan um þróun meiósu

Sum einkenni lífvera eru svo útbreidd og grundvallandi að stundum er auðvelt að gleyma því að þau þróuðust eins og önnur einföld einkenni. Meiósa er svo flókin röð frumuatburða að líffræðingar hafa átt erfitt með að prófa tilgátur um hvernig hún gæti hafa þróast. Þótt meiósa sé órjúfanlega tengd kynæxlun og kostum hennar og göllum er mikilvægt að aðgreina spurningarnar um þróun meiósu og þróun kyns, því snemmbúin meiósa gæti hafa verið gagnleg af öðrum ástæðum en nú. Ein leið til að varpa ljósi á hvernig hún gæti hafa þróast er að hugsa út fyrir hefðbundinn ramma og ímynda sér hverjir fyrstu kostir meiósu gætu hafa verið.

Meiósa og mítósa eiga augljósa frumuferla sameiginlega og rökrétt er að meiósa hafi þróast út frá mítósu. Erfiðleikinn felst í skýrum mun á meiósu I og mítósu. Adam Wilkins og Robin Holliday¹ tóku saman þá einstöku atburði sem þurftu að verða til að meiósa gæti þróast út frá mítósu. Þessi skref eru pörun samstæðra litninga og litningapörun, litningavíxl, að systurlitningsþræðir haldist fastir saman í anafasa og bæling DNA-eftirmyndunar í millifasa. Þeir færa rök fyrir því að fyrsta skrefið sé erfiðast og mikilvægast og að skilningur á þróun þess myndi skýra þróunarferlið betur. Þeir leggja til erfðafræðilegar tilraunir sem gætu varpað ljósi á þróun litningapörunar.

Aðrar nálganir eru einnig notaðar til að skilja þróun meiósu. Mismunandi form meiósu finnast í einfruma frumverum. Sum virðast vera einfaldari eða frumstæðari form meiósu. Samanburður á meiósuskiptingum mismunandi frumvera gæti varpað ljósi á þróun meiósu. Marilee Ramesh og samstarfsmenn² báru saman gen sem koma að meiósu í frumverum til að skilja hvenær og hvar meiósa gæti hafa þróast. Þótt rannsóknir standi enn yfir benda nýlegar rannsóknir á meiósu í frumverum til þess að sumir þættir meiósu gætu hafa þróast síðar en aðrir. Slíkur erfðafræðilegur samanburður getur sagt okkur hvaða þættir meiósu eru elstir og hvaða frumuferla þeir gætu hafa fengið að láni frá eldri frumum.

Tengill í námsefni

Smellið í gegnum skrefin í þessari gagnvirku hreyfimynd til að bera saman meiósuskiptingu við mítósu á How Cells Divide.