Spermatogeneze saranče stěhovavé (Locusta migratoria) Vývoj pohlavních buněk u živočichů zahrnuje několik dějů, které zajistí, že dojde k redukci a promíchání genetického materiálu a vzniklé buňky jsou připraveny na svůj specializovaný úkol. Na hracích kartách pexesa najdete obrázky mikrofotografií jader z testes subadultního samce saranče stěhovavé, které obsahují všechna stádia vývoje spermií (spermatogeneze) od spermatogoniální mitózy, přes meiózu až po zrání spermií (spermiogenezi). Aby bylo pochopitelnější, co se v jednotlivých stádiích děje, část karet obsahuje schémata jednotlivých fází mitózy, meiózy a spermiogeneze. Na počátku je mitóza Buňka, která vstupuje do meiózy, vzniká z kmenové buňky mitózou (obr. 1). Mitóza, narozdíl od meiózy, je dělení, které probíhá v celém těle kdykoli je potřeba více buněk, přičemž produktem jsou dvě diploidní buňky geneticky identické s výchozí mateřskou buňkou. V tomto případě ze zárodečné buňky vzniknou dvě stejné buňky, jedna však zůstane v záloze jako kmenová buňka, zatímco druhá (tzv. spermatogonium) absolvuje replikaci DNA a nastupuje meiózu jako tzv. spermatocyt 1. řádu Obr. 1: Interfáze a spermatogoniální mitóza Obecně o meióze Meióza je typem buněčného dělení, který je vyhrazen pouze pro zárodečné buňky, najdeme ji tedy výhradně v pohlavních orgánech. Jejím úkolem je jednak zredukovat diploidní sadu chromosomů na polovinu, takže splynutím haploidních gamet dojde k vzniku diploidní zygoty, místo toho, aby se sada chromosomů každou generaci zdvojnásobila. Druhým, neméně důležitým úkolem meiózy je promíchání dědičné informace, kterou jedinec tvořící gamety zdědil od matky a od otce, takže vzniknou buňky, z nichž každá obsahuje unikátní kombinaci maternálních a paternálních alel. Způsoby, kterými k tomuto dochází, jsou dva: 1) náhodná segregace chromosomů, což znamená, že každý chromosom z homologního páru má stejnou šanci dostat se do dceřiné buňky s chromosomem jiného homologního páru, a 2) crossing-over, kdy 1
si homologní chromosomy vymění odpovídající si části, takže vzniklé chromosomy obsahují unikátní kombinaci mateřských a otcovských alel. Samotná meióza se dělí na dva celky, nazývané meióza I a meióza II, přičemž obě zásadní události, tedy crossing-over a redukce chromosomových sad, se odehrávají v meióze I. Podobně jako mitóza se meióza I a meióza II dělí na profázi, metafázi, anafázi a telofázi. Pro všechny profáze platí, že při nich dochází ke kondenzaci chromosomů, rozpustí se jaderná membrána, centrosomy putují na opačné konce buňky a vytvoří se dělící vřeténko. Ve všech metafázích se chromosomy seřadí do ekvatoriální roviny a napojí se na vlákna dělícího vřeténka (ale pozor, obě meiotické a mitotická metafáze se liší v tom, jestli jsou homologní chromosomy spárované nebo ne, případně jestli je buňka diploidní nebo haploidní). V anafázi putují chromosomy nebo chromatidy na opačné konce buňky a v telofázi dojde k dekondenzaci chromosomů a obnově jaderné membrány. Rozdělení jádra je následováno rozdělením buňky, tzv. cytokinezí. Meióza nejsou dvě po sobě jsoucí mitózy I když základní dělení meiózy I a meiózy II je stejné jako u mitózy (profáze, metafáze, anafáze a telofáze), meióza I i meióza II se liší od mitózy i od sebe navzájem. Meióza I je unikátní tím, že v její profázi dochází k párování homologních chromosomů, crossing-overu a do dceřiných buněk se rozcházejí homologní chromosomy (ne chromatidy). Během meiózy I také dochází k redukci genetického materiálu, takže z jedné diploidní buňky vznikají dvě tzv. haploidní buňky, které mají jen jednu sadu chromosomů. Meióza II se pak liší od mitózy tím, že začíná a končí haploidní buňkou. Pojďme se teď podívat na jednotlivá stádia meiózy podrobněji. Profáze I (obr. 2) Obr. 2: Meiotická profáze I 2
Profáze meiózy I je stádium, ve kterém se musí najít a spárovat homologní chromosomy a proběhne mezi nimi crossing-over. Protože se tam toho děje tolik a začátek a konce profáze I se vizuálně zásadně liší, byla profáze I rozdělena na pět částí: leptotén, zygotén, pachytén, diplotén a diakineze. V leptoténu začíná kondenzace chromosomů a začínají se hledat homologní chromosomy. V zygoténu jsou homologní chromosomy nahrubo spárované. V pachyténu jsou již homologní chromosomy spárované těsně a vzniká mezi nimi proteinová konstrukce zvaná synaptonemální komplex, která zajistí, že při crossing-overu (který se odehrává rovněž v pachyténu) se prohodí části chromosomů, které si přesně odpovídají. Spárované homologní chromosomy tvoří tzv. bivalent. V diploténu již u sebe homologní chromosomy drží jen pomocí chiasmat, což jsou místa kde došlo ke crossing-overu a chromatidy jsou tam překřížené. Protože během celé profáze stále pokračuje kondenzace chromatinu, jsou v diploténu chromosomy už poměrně krátké a chiasmata jsou krásně viditelná. Podle počtu crossing-overů, ke kterým mezi homologními chromosomy došlo, mají bivalenty různé tvary: křížek (1 chiasma), kruh nebo rybička (2 chiasmata) nebo osmička (3 chiasmata). Během diploténu se také rozpouští jaderná membrána a začíná se tvořit dělící vřeténko. V diakinezi vrcholí kondenzace chromosomů, jaderná membrána již neexistuje a vlákna dělícího vřeténka dosahují do oblasti jádra. Končí profáze I. Metafáze I, anafáze I a telofáze I (obr. 3) V metafázi I se bivalenty seřadí do roviny a napojí se v oblasti centromer na vlákna dělícího vřeténka. V anafázi I začnou k opačným pólům buňky putovat homologní chromosomy. Výsledné buňky tedy budou obsahovat jen jeden chromosom z každého páru, přičemž každý chromosom stále obsahuje dvě chromatidy (ty se budou rozcházet v anafázi II). V telofázi I se obnoví jaderná membrána, chromosomy dekondenzují (někdy ne) a v následné cytokinezi se buňka rozdělí na dvě haploidní buňky (tzv. spermatocyty 2. řádu), které ale díky crossing overu a náhodné segregaci chromosomů nesou různé kombinace maternálních a paternálních alel, čili nejsou geneticky stejné. Obr. 3: Meiotická metafáze telofáze I a 1. cytokineze. Meióza II (obr. 4) 3
Během profáze II se opět rozpustí jaderná membrána, vytvoří se dělící vřeténko a chromosomy, pokud během telofáze I dekondenzovaly, opět kondenzují. V metafázi II se chromosomy srovnají do ekvatoriální roviny a napojí se na vlákna dělícího vřeténka. V anafázi II putují chromatidy k opačným pólům buňky. V telofázi II se obnoví jaderná membrána a chromosomy dekondenzují. Následuje 2. cytokineze. Obr. 4: Meióza II a vzniklé spermatidy Výsledkem samčí meiózy jsou tedy čtyři haploiní buňky - spermatidy, z nichž každá obsahuje z každého páru homologních chromosomů jeden s jedinou chromatidou. A opět díky crossing-overu v pachyténu a náhodné segregaci chromosomů a chromatid v anafázích I a II nese každá z těchto buněk jinou kombinaci genetického materiálu. Protože se jedná o samčí meiózu, jsou všechny čtyři buňky rovnocenné a každá se může stát spermií, která oplodní vajíčko. V případě samičí meiózy je to jinak, protože vajíčko, narozdíl od spermie, musí být vybaveno velkým množstvím živin, které budou potřeba během embryonálního vývoje. Proto při každém dělení buňky během meiózy dochází k nerovnoměrnému rozdělení cytoplazmy, takže výsledkem je jediná ootida (budoucí vajíčko) s drtivou většinou cytoplazmy a tři pólové buňky, které jsou nemají téměř žádnou cytoplazmu. Meiózou to nekončí Vzniklé spermatidy mají ještě daleko v hotovým oplození schopným spermiím. Nyní následuje tzv. spermiogeneze (obr. 5), což je proces, při kterém jsou tyto buňky vybaveny akrosomem a bičíkem, ztratí další část cytoplazmy a přebytečné organely a jejich chromatin je modifikován tak, aby byl maximálně kompaktní. Obr. 5: Spermiogeneze 4
Chromosom X Saranče stěhovavá má chromosomální určení pohlaví XX/X0, to znamená, že samice má dva chromosomy X, samec jen jeden (chromosom Y zcela chybí). Zatímco v samičí meióze má tedy X svého homologního partnera, u samce se vyskytuje pouze v jediné kopii, která je na počátku meiózy přednostně kondenzována a je jasně patrná jako tmavá skvrna již v leptoténu. Zatímco ostatní chromosomy v profázi I tvoří bivalenty a probíhá u nich crossing-over, chromosom X se nemá s kým párovat a tvoří tzv. univalent. V metafázi I, kdy se k opačným pólům buňky rozcházejí homologní chromosomy, X může logicky putovat jen k jednomu pólu a je tak po 1. cytokinezi přítomen jen v jedné z dceřiných buněk. Spermie, které vzniknou z potomků této buňky, budou tedy dělat samice (splynutím s vajíčkem, které vždy obsahuje chromosom X, vznikne jedinec XX, tedy samice), zatímco spermie vniklé z potomků buňky bez X budou dělat samce (jedince X0). Na mikrofotografiích, kde bylo možné chromosom X spolehlivě určit, je označen šipkou. Saranče stěhovavá (Locusta migratoria) (obr. 6) Saranče je oblíbeným modelem pro studium a demonstraci meiózy, protože má relativně malý počet velkých chromosomů a z jednoho subadultního samce lze získat množství materiálu obsahujícího dělící se buňky všech stádií od spermatogoniální mitózy, přes všechny části meiózy, spermiogenezi až po hotové spermie. Počet chromosomů u samce je 2n = 23 (X0) a u samice 2n = 24 (XX). Obr. 6: Samec saranče stěhovavé (Locusta migratoria) Slovníček Alela konkrétní forma genu (např. gen pro barvu oka může mít alelu pro modré oko, alelu pro zelené oko, hnědé oko, atd.) Mitóza typ buněčného dělení, který se odehrává v somatických buňkách, ale předchází i meióze. Účelem mitózy je vytvořit z jedné buňky dvě, které jsou geneticky stejné jako výchozí buňka. Meióza typ buněčného dělení, který je určen výhradně pro vznik gamet. Funkcí meiózy je redukce sad chromosomů na polovinu a promíchání genetické informace. Náhodná segregace chromosomů Rozchod chromosomů, kdy každý chromosom má stejnou šanci dostat se do dceřiné buňky s kterýmkoli jiným chromosomem (samozřejmě kromě svého homologního partnera). Homologní chromosomy pár chromosomů, které nesou stejné geny, ale mohou nést jejich jiné formy alely. V diploidní buňce je vždy jeden homologní chromosom od otce (paternální) a druhý od matky (maternální). Ostatní Obr. 7: Pár homologních chromosomů 5
chromosomy se označují jako nehomologní (obr. 7). Chromatida molekula DNA s asociovanými proteiny. Po rozdělení buňky do S fáze buněčného cyklu je chromosom tvořen jen jednou chromatidou (tedy chromosom = chromatida), od S fáze, kdy se syntetizuje DNA, až do anafáze má každý chromosom dvě chromatidy. Sesterské chromatidy chromatidy, které jsou součástí jednoho chromosomu (obr. 7). Díky mechanismu semikonzervativní replikace DNA každá chromatida obsahuje jedno vlákno z původní DNA, které sloužilo jako matrice při syntéze DNA, a jedno vlákno nově nasyntetizované. Sesterské chromatidy tedy obsahují identickou dědičnou informaci (stejné alely). Nesesterské chromatidy chromatidy homologních chromosomů (obr. 7). Nesou stejné geny, ale mohou nést jejich různé formy (alely). Crossing-over (= rekombinace) výměna části nesesterských chromatid mezi homologními chromosomy. Odehrává se v pachyténu během meiotické profáze I (obr. 8). Chiasma překřížení nesesterských chromatid v místě, kde došlo ke crossing-overu (obr. 8). Bivalent dvojice homologních chromosomů přiložená k sobě odpovídajícími si částmi. Bivalenty se začínají tvořit v zygoténu a setrvávají až do metafáze I, kdy se homologní chromosomy rozejdou k opačným pólům buňky (obr. 8). Synaptonemální komplex proteinová struktura, která během pachyténu v profázi I drží u sebe homologní chromosomy. Tak je zaručeno, že během crossing-overu dojde k výměně odpovídajících si částí nesesterských chromatid (obr. 8). Obr. 8: Bivalent v pachyténu dvojice homologních chromosomů spojených synaptonemálním komplexem. Nesesterské chromatidy jsou překřížené v místě, kde probíhá/proběhl crossing-over. Centrosom organela zodpovědná za organizaci dělícího vřeténka. Skládá ze dvou centriol. Použitá literatura Genetics: A Molecular Perspective. Klug WS, Cummings MR (editoři), Prentice Hall, 2002, ISBN-10: 0130085308. Materiály ke kurzu Cytogenetika na PřF JU (přednášející prof. RNDr. František Marec, CSc.). 6