Biologie

Slovo meióza pochází z řečtiny. Znamená zmenšovat; jde o zmenšování počtu chromozomů v buňce. Meióza je proces snižování počtu chromozomů v eukaryotických buňkách (rostliny, živočichové a houby), který vede k tvorbě pohlavních buněk (gamet/pohlavních buněk) potřebných k pohlavnímu rozmnožování. Při meióze se dvojitá sada chromozomů (diploidní) redukuje na jednu sadu chromozomů (haploidní) a vznikají zárodečné buňky nebo spory. Když se při pohlavním rozmnožování spojí, výsledná zygota je diploid. Tímto způsobem se počet chromozomů druhu při pohlavním rozmnožování zachovává.

Proč?

Jde o počet chromozomů. Pokud by se člověk s n = 46 chromozomů nebo dvěma páry n = 23 chromozomů rozmnožoval bez chromozomální redukce, měly by vaječná buňka i spermie n = 46 chromozomů. Když se spojí a vznikne gameta, zygota (embryo) bude mít n = 92 chromozomů, tedy dvojnásobek potřebného počtu! To by mělo za následek genetické abnormality u dítěte. Dále si představte, že by se toto dítě rozmnožilo s jiným dítětem s n = 92 chromozomy: jejich dítě by mělo 184 chromozomů! Tento počet by se neustále zvyšoval. Pro další existenci každého druhu je tedy nutná redukce chromozomů.

Před zahájením meiózy dochází k replikaci chromozomů v jádře buňky. Při meióze totiž vznikají čtyři dceřiné buňky s polovinou chromozomů mateřské buňky; neboli čtyři haploidní buňky z jedné diploidní buňky. Nezapomeňte, že haploidní a diploidní buňky označují počet chromozomů v buňce: haploidní buňky obsahují jednu sadu chromozomů (n), zatímco diploidní buňky obsahují dvě plné sady chromozomů (2n). Jak vidíte, matematicky to úplně nevychází: mateřská buňka se musí nejprve přeměnit na 4n (tetraploidní) buňku, než začne dělení. Buňka s n = 46 chromozomy se tedy přemění na buňku s n = 92 chromozomy, z níž po meióze vzniknou čtyři buňky s n = 23 chromozomy.

Meióza začíná podobně jako mitóza. Po replikaci chromozomů se všechny chromozomy rozdělí na sesterské chromatidy (dvě identické poloviny chromozomu). Zde však podobnosti končí. Při meióze dochází k dalšímu procesu: rekombinaci neboli křížení. Při rekombinaci se dvojice chromozomů seřadí a rekombinují, takže každý chromozom má v sobě kus jiného chromozomu. Tímto způsobem je zajištěna genetická rozmanitost.

Meióza tedy využívá rekombinaci ke vzniku čtyř haploidních dceřiných buněk, které nejsou identické s diploidní rodičovskou buňkou ani mezi sebou navzájem.

Fáze meiózy

Meióza se dělí na dvě části neboli dělení, z nichž každé se skládá z několika fází. Jedná se o profázi I, metafázi I, anafázi I a telofázi I v meióze I; a profázi II, metafázi II, anafázi II a telofázi II v meióze II. K pochopení těchto fází budete potřebovat určitou terminologii:

• Bivalent – pár homologních chromozomů držený pohromadě chiasou.
• Chiasma – místo křížení, kdy si chromozomy vyměňují genetický materiál.
• Centromera – místo zúžení chromozomu.
• Dyáda – polovina tetrády; jedna polovina synapsovaného páru homologních chromozomů.
• Homologní chromozomy – pár chromozomů vytvořený původním chromozomem a jeho duplikací. Tyto chromozomy nejsou identické.
• Metafázová destička – střední linie buňky.
• Monáda – po oddělení tvoří každý chromozom tetrády monádu. Dyáda bez synapsí ke svému homolognímu chromozomu.
• Jaderný obal – dvojitá membrána, která uzavírá jádro.
• Nukleolus – centrum tvorby rRNA v jádře.
• Sesterské chromatidy – dvě identické chromatidy, které tvoří chromozom.
• Vřeténková vlákna – svazek mikrotubulů probíhající od jednoho pólu buňky ke druhému, po kterém se pohybují chromozomy.
• Synapse/synapse – proces, při kterém se dva homologické chromozomy dostávají do vzájemného fyzického kontaktu.
• Tetráda – dvojice homologických chromozomů držená pohromadě chiasou.

Meióza I

Zde je celý obrázek meiózy I (obrázek 1), podrobně si projdeme jednotlivé fáze. Měli byste být schopni pochopit význam jednotlivých fází a důvod každého kroku. Jakmile tomu porozumíte, budete připraveni na zodpovídání zkušebních otázek o meióze I.

Zdroj obrázku: Wikimedia Commons

Obrázek 1: Čtyři fáze meiózy I s fází profáze, která je dále rozdělena na čtyři podfáze

1. Profáze I

Profázi I charakterizují tři hlavní události: kondenzace chromatinu do viditelných chromozomů, synapsie chromozomů v každém homologním páru a křížení genetického materiálu mezi těmito synapsovanými chromozomy. Prophase I se dále dělí na pět diskrétních fází: leptonema, zygonema, pachynema, diplonema a diakineze (obrázek 2).

Zdroj obrázku: Wikimedia Commons

Obrázek 2: Jednotlivé fáze profáze meiózy I

Leptonema

Tato fáze, známá také jako fáze leptotenu, je charakteristická kondenzací chromatinu za vzniku viditelných chromozomů. Začíná hledání homologie.

Zygonema

Tato fáze je také známá jako stadium zygotenu. Hledání homologie pokračuje, homologní chromozomy se zarovnávají do hrubých párů a vytvářejí bivalenty. Začíná se vytvářet synaptonemální komplex.

Pachynema

Tato fáze, známá také jako stadium pachytenu, zahrnuje další vývoj synaptonemálního komplexu mezi homologními páry bivalentů, což vede k synapsím. V této fázi je zřejmé, že každý bivalent obsahuje dva páry sesterských chromatid. Sesterské chromatidy jednoho páru jsou nesesterské chromatidy k sesterským chromatidám druhého páru. Dohromady se tyto čtyři chromatidy označují jako tetráda. Dochází ke křížení nebo rekombinaci genetického materiálu mezi dvojicemi nesesterských chromatid.

Diplonema

Tato fáze je také známá jako stadium diplotenu. Páry sesterských chromatid se začínají oddělovat. Nesesterské chromatidy zůstávají v kontaktu v místech známých jako chiasmata (singulárně chiasma), kde během křížení došlo ke genetické výměně.

Diakineze

Chromozomy se dále oddělují, ale jsou stále spojeny prostřednictvím chiasmat nesesterských chromatid. Oddělení vede k posunu chiasmat směrem ke koncům chromatid, což je proces známý jako terminalizace. Jaderný obal a nukleolus se zhorší a centromery jednotlivých chromozomů se připojí k vláknům vřeténka, načež se seřadí na metafázové destičce. Chromozomy jsou stále v párech, které tvoří tetrády.

2. Metafáze I

Tato fáze je podobná metafázi mitózy. The spindle fibers attached to the centromere of each tetrad align the chromosomes so that one half of each tetrad is oriented towards each pole.

Image Source: Wikimedia Commons

Figure 3: The alignment of tetrads during metaphase I of meiosis I

3. Anaphase I

At anaphase I, the chromosomes do not split into their sister chromatids, but each tetrad is split into its chromosome pairs (dyads). These are pulled to opposite poles in a process known as disjunction. Anaphase ends with the same number of dyads at each pole as the haploid number of the parent cell.

Image Source: Wikimedia Commons

Figure 4: The splitting of chromosome dyads during anaphase I

4. Telophase I

In some organisms, telophase I is entered and a nuclear membrane forms around the dyads at each pole, before a short interphase period is reached. In other organisms, telophase I is skipped, and meiosis II is entered.

Image Source: Wikimedia Commons

Figure 5: Formation of nuclear membrane isolating the two dyads

Meiosis II

Once again, we will explore the second meiosis phase much like the first one. Here is a full picture of meiosis II following telophase I:

Image Source: Wikimedia Commons

Figure 6: The four stages of meiosis II, with four haploid cells at the end of this phase

1. Prophase II

Sister chromatids form dyads connected by a centromere. These are situated at the center of the cell. No condensation of chromatic material or dissolving of nuclear membranes need occur.

Image Source: Wikimedia Commons

Figure 7: The sister chromatids from the dyads are attached by a centromere during prophase II

2. Metaphase II

Spindle fibers attached to the centromere of each sister chromatid align the dyads at the metaphase plate, with one half of the dyad facing toward each pole.

Image Source: Wikimedia Commons

Figure 8: The metaphase plate forms separating each half of the dyad

3. Anaphase II

The spindle fibers attached to each sister chromatid shorten, and each is pulled to an opposing pole of the cell.

Image Source: Wikimedia Commons

Figure 9: Like in anaphase I, the sister chromatids are pulled towards opposite ends

4. Telophase II

The chromatids (monads) are situated at the poles of the cell. Cytokinesis occurs, wherein a nuclear membrane forms around each set of chromosomes, and the cell divides into two cells with a haploid number of chromosomes. Thus, four haploid gametes are formed, which can now recombine during sexual reproduction to form a zygote.

Image Source: Wikimedia Commons

Obrázek 10: Během telofáze II vznikají čtyři haploidní dceřiné buňky

Přehled meiózy

Detaily meiózy mohou být ohromující; níže si zdůrazníme některé klíčové body z obou fází meiózy. Během rekombinace si chromozomy jednotlivých rodičů vyměňují špičky svých homologních chromozomů. Tímto způsobem má každý pár homologních chromozomů kousek toho druhého. Místo, kde si chromozomy vyměňují materiál, se nazývá chiasma.

Zdroj obrázku: Wikimedia Commons

Obrázek 11: Výměna genetického materiálu během meiózy a výsledné gamety

Proč je meióza důležitá při studiu biologie?

Meióza je důležitá ze tří hlavních důvodů: umožňuje pohlavní rozmnožování diploidních organismů, umožňuje genetickou diverzitu a napomáhá opravě genetických defektů.

1. Umožňuje pohlavní rozmnožování diploidních organismů

Jak již bylo zmíněno, meióza umožňuje redukci diploidní buňky na haploidní gametu, která se poté může rekombinovat s jinou haploidní gametou a vytvořit diploidní zygotu.

2. Umožňuje genetickou rozmanitost

Křížení neboli rekombinace genů, ke které dochází při meióze, přeskupuje alely přítomné v každém chromozomu homologního páru, což umožňuje smíchání otcovských a mateřských genů, z nichž každý se může projevit ve výsledném potomkovi. To umožňuje genetickou rozmanitost v populaci, která je nárazníkem proti genetickým vadám, náchylnosti populace k nemocem a změnám prostředí. Bez této rekombinace by genofond populací stagnoval a jediná událost by mohla celou populaci vyhubit. Genetická rozmanitost znamená, že v dané populaci budou existovat určití jedinci, kteří budou lépe schopni přežít ztrátu životního prostředí, změnu dostupnosti potravy, změnu počasí, nemoci nebo jiné katastrofické události, což zajistí kontinuitu druhu.

3. Napomáhá opravě genetických defektů

Rekombinace, ke které dochází při meióze, může dále pomoci při opravě genetických defektů v další generaci. Pokud se na určité alele jednoho z rodičů vyskytne genetický defekt, rekombinace může tuto alelu nahradit zdravou alelou druhého rodiče, což umožní vznik zdravého potomstva.

Jak se liší meióza od mitózy?

Mitóza je tvorba dvou geneticky identických diploidních dceřiných buněk z jedné diploidní rodičovské buňky. Při meióze vznikají z jedné diploidní rodičovské buňky čtyři geneticky odlišné haploidní dceřiné buňky. These germ cells can then combine in sexual reproduction to form a diploid zygote.

Meiosis only occurs in eukaryotic organisms which reproduce sexually, whereas mitosis occurs in all eukaryotic organisms, including those which reproduce asexually.

The table below summarizes the similarities and differences between meiosis and mitosis.

Meiosis	Mitosis
Similarities
Can only occur in eukaryotes
DNA replication occurs first
Production of daughter cells based on parent cell’s genetic material
Means of cell replication in plants, animals, and fungi
Differences
Starts as diploid; ends as haploid	Starts as diploid; ends as diploid
Chromosome number is reduced	Chromosome number is conserved
Chromosome pairs undergo synapsis	No synapsis occurs
Used for sexual reproduction	Used for growth/healing/asexual reproduction
2 nuclear divisions	1 nuclear division
8 phases	5 phases
Daughter cell not identical to parent cell	Daughter cell identical to parent cell
Results in 4 daughter cells	Results in 2 daughter cells
Produces germ cells	Produces somatic cells
Occurs only in sexual organisms	Occurs in asexual and sexual organisms

Wrapping Up Meiosis and Biology

We now know that meiosis is the process of chromosomal reduction which allows the production of haploid germ cells necessary for sexual reproduction. Meiosis is furthermore important for its role in enabling genetic diversity and facilitating the repair of genetic defects through recombination.

The benefits that meiotic reproduction gives over mitotic reproduction are that mitotic reproduction produces identical cells, conserving the chromosomal set and the genes within, whereas meiosis allows for the expression of new traits because of the process of crossing over. Bez meiózy, která udržuje genetickou rozmanitost v populacích, by se organismy nemohly přizpůsobovat prostředí, vyvíjet se ani přežívat katastrofické události. Genetická rozmanitost populace je jejím nejspolehlivějším nástrojem v boji o přežití druhu.

Převeďme vše do praxe. Vyzkoušejte si tuto cvičnou otázku z buněčné a molekulární biologie:

Hledáte další cvičení z buněčné a molekulární biologie?

Podívejte se na naše další články o buněčné a molekulární biologii.

Tisíce cvičných otázek najdete také na Albert.io. Albert.io vám umožní přizpůsobit si výuku a zaměřit se na procvičování tam, kde potřebujete nejvíce pomoci. Poskytneme vám náročné cvičné otázky, které vám pomohou dosáhnout mistrovství v buněčné a molekulární biologii.

Začněte s procvičováním zde.

Jste učitel nebo správce, který má zájem o zlepšení výsledků studentů buněčné a molekulární biologie?

Dozvíte se více o našich školních licencích zde.

Zde se dozvíte více o našich školních licencích.