Biológia

A meiózis szó a görög nyelvből származik. Azt jelenti, hogy csökken; ez a kromoszómák számának csökkenésére utal a sejten belül. A meiózis az eukarióta sejtekben (növények, állatok és gombák) zajló kromoszóma-csökkenés folyamata, amely az ivaros szaporodáshoz szükséges ivarsejtek (ivarsejtek/nemi sejtek) előállításához vezet. A meiózis során a kettős kromoszómakészlet (diploid) egyetlen kromoszómakészletté (haploid) redukálódik, hogy csírasejtek vagy spórák jöjjenek létre. Amikor ezek az ivaros szaporodás során egyesülnek, a keletkező zigóta diploid. Ily módon a faj kromoszómaszáma az ivaros szaporodás során megmarad.

Miért?

A kromoszómaszámról van szó. Ha egy ember, n = 46 kromoszómával, vagy két pár n = 23 kromoszómával, kromoszómaredukció nélkül szaporodna, akkor a petesejt és a spermium is n = 46 kromoszómával rendelkezne. Amikor ezek összeolvadnak, hogy ivarsejtet alkossanak, a zigótának (embriónak) n = 92 kromoszómája lenne, vagyis a szükséges szám kétszerese! Ez genetikai rendellenességeket eredményezne a gyermeknél. Továbbá, képzeljük el, ha ez a gyermek egy másik, n = 92 kromoszómával rendelkező gyermekkel szaporodna: a gyermeküknek 184 kromoszómája lenne! Ez a szám folyamatosan növekedne. Tehát minden faj fennmaradásához kromoszómacsökkenésre van szükség.

A meiózis megkezdése előtt a sejtmagban lévő kromoszómák replikáción mennek keresztül. Ennek oka, hogy a meiózis során négy leánysejt keletkezik, amelyek a szülősejt kromoszómáinak felével rendelkeznek; vagyis egyetlen diploid sejtből négy haploid sejt keletkezik. Ne feledjük, hogy a haploid és diploid a sejtben lévő kromoszómák számára utal: a haploid sejtek egy kromoszómakészletet (n), míg a diploid sejtek két teljes kromoszómakészletet (2n) tartalmaznak. Mint látható, a matematika nem egészen működik: a szülősejtet először 4n (tetraploid) sejtté kell alakítani, mielőtt az osztódás megkezdődne. Tehát egy n = 46 kromoszómával rendelkező sejtet n = 92 kromoszómával rendelkező sejtté alakítanak át, amelyből a meiózis után négy n = 23 kromoszómával rendelkező sejt keletkezik.

A meiózis ugyanúgy kezdődik, mint a mitózis. A kromoszómák replikációja után minden kromoszóma testvérkromatidákra (a kromoszóma két azonos fele) válik szét. Itt azonban véget érnek a hasonlóságok. A meiózisban egy további folyamat játszódik le: a rekombináció vagy kereszteződés. A rekombináció során a kromoszómapárok felsorakoznak és rekombinálódnak, így minden kromoszómában egy másik kromoszóma egy darabja található. Így biztosítható a genetikai változatosság.

A meiózis tehát a rekombináció segítségével négy haploid leánysejtet hoz létre, amelyek nem azonosak sem a diploid szülősejtjükkel, sem egymással.

A meiózis fázisai

A meiózis két részre vagy osztódásra oszlik, amelyek mindegyike több fázisból áll. Ezek a meiózis I-ben a profázis I, a metafázis I, az anafázis I és a telopházis I; a meiózis II-ben pedig a profázis II, a metafázis II, az anafázis II és a telopházis II. E fázisok megértéséhez szükséged lesz néhány fogalomra:

• Bivalens – homológ kromoszómapár, amelyet egy kiazma tart össze.
• Kiazma – az átkelési pont, amikor a kromoszómák genetikai anyagot cserélnek.
• Centromer – a kromoszóma összeszűkülési pontja.
• Dyad – a tetrad egyik fele; homológ kromoszómák szinkronizált párjának egyik fele.
• Homológ kromoszómák – egy eredeti kromoszóma és annak duplikációja által alkotott kromoszómapár. Ezek a kromoszómák nem azonosak.
• Metafázislemez – a sejt középvonala.
• Monád – a szétválást követően a tetrád minden kromoszómája egy monádot alkot. A tetrád a homológ kromoszómával való szinapszis nélkül.
• Magburkolat – a sejtmagot körülvevő kettős membrán.
• Nukleolusz – az rRNS termelés központja a sejtmagban.
• Testvérkromatidák – a két azonos kromatida, amelyek egy kromoszómát alkotnak.
• Orsórostok – a sejt egyik pólusától a másikig futó mikrotubulusok kötege, amelyek mentén a kromoszómák mozognak.
• Szinapszis/szinapszis – az a folyamat, amelynek során két homológ kromoszóma fizikai kapcsolatba kerül egymással.
• Tetrád – homológ kromoszómapár, amelyet egy kiazma tart össze.

Meiózis I

Itt látható az I. meiózis teljes képe (1. ábra), részletesen végigmegyünk az egyes fázisokon. Meg kell értened az egyes fázisok jelentőségét és az egyes lépések okát. Ha ezt megértetted, felkészült leszel a meiózis I-gyel kapcsolatos vizsgakérdések megválaszolására.

Kép forrása: Wikimedia Commons

1. ábra: Az I. meiózis négy szakasza, a profázist négy alfázisra osztva

1. I. profázis

Az I. profázist három fő esemény jellemzi: a kromatin látható kromoszómákká való kondenzációja, az egyes homológ párokban lévő kromoszómák szinapszisa, és a genetikai anyag kereszteződése e szinapszisban lévő kromoszómák között. Az I. profázis további öt különálló fázisra osztható: leptonéma, zigonéma, pachinéma, diplonéma és diakinesis (2. ábra).

Kép forrása: Wikimedia Commons

2. ábra: A meiózis I. profázisának különböző szakaszai

Leptonéma

Ezt a fázist, amelyet leptotén szakasznak is neveznek, a kromatin látható kromoszómákat alkotó kondenzációja jellemzi. Megkezdődik a homológiakeresés.

Zygonema

Ezt a fázist zigotén szakasznak is nevezik. A homológiakeresés folytatódik, a homológ kromoszómák durva párosításba rendeződnek, bivalenseket alkotva. Megkezdődik a szinaptonemális komplex kialakulása.

Pachynema

Ez a pachytene stádiumként is ismert fázis magában foglalja a szinaptonemális komplex további fejlődését a homológ bivalens párok között, ami a szinapszishoz vezet. Ebben a fázisban egyértelmű, hogy minden bivalens két pár testvérkromatidát tartalmaz. Az egyik pár testvérkromatidái nem testvérkromatidái a másik pár testvérkromatidáinak. A négy kromatidát együttesen tetrádnak nevezzük. A genetikai anyag keresztezése vagy rekombinációja a nonsister kromatidapárok között történik.

Diplonéma

Ezt a fázist diplotén stádiumnak is nevezik. A testvérkromatidapárok elkezdenek szétválni. A nem-nővérkromatidák továbbra is érintkeznek az úgynevezett chiasmák (egyes számban chiasma) pontjain, ahol a genetikai csere a kereszteződés során megtörtént.

Diakinézis

A kromoszómák tovább válnak szét, de a nem-nővérkromatidák chiasmáin keresztül továbbra is kapcsolódnak egymáshoz. A szétválás azt eredményezi, hogy a kiazmák a kromatidák végei felé mozognak, ezt a folyamatot terminalizációnak nevezzük. A magburkolat és a nukleolusz romlik, és az egyes kromoszómák centromérei az orsószálakhoz kapcsolódnak, mielőtt felsorakoznának a metafázislemezen. A kromoszómák még mindig párokban vannak, amelyek tetradiumokat alkotnak.

2. I. metafázis

Ez a fázis hasonló a mitózis metafázisához. 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

10. ábra: Négy haploid leánysejt alakul ki a II. telopházis során

Áttekintés a meiózisról

A meiózis részletei túlterhelőek lehetnek; az alábbiakban kiemelünk néhány kulcsfontosságú pontot a meiózis mindkét fázisából. A rekombináció során az egyes szülőkből származó kromoszómák kicserélik homológ kromoszómáik csúcsait. Így minden homológ kromoszómapárnak van egy kis része a másikból. Azt a pontot, ahol a kromoszómák anyagot cserélnek, chiasmának nevezzük.

Kép forrása: Wikimedia Commons

11. ábra: Genetikai anyagcsere a meiózis során és a keletkező ivarsejtek

Miért fontos a meiózis a biológia tanulmányozásában?

A meiózis három fő okból fontos: lehetővé teszi a diploid szervezetek szexuális szaporodását, lehetővé teszi a genetikai sokféleséget, és segíti a genetikai hibák javítását.

1. Lehetővé teszi a diploid szervezetek szexuális szaporodását

Amint már említettük, a meiózis lehetővé teszi egy diploid sejt haploid ivarsejtté történő redukcióját, amely aztán egy másik haploid ivarsejttel rekombinálódva létrehozhat egy diploid zigótát.

2. Lehetővé teszi a genetikai sokféleséget

A meiózis során bekövetkező gének kereszteződése vagy rekombinációja átrendezi a homológ pár egyes kromoszómáiban található allélokat, lehetővé téve az apai és anyai gének keveredését, amelyek közül bármelyik kifejeződhet a keletkező utódban. Ez lehetővé teszi a genetikai sokféleséget egy populációban, ami puffer a genetikai hibák, a populáció betegségekre való fogékonysága és a környezeti változások ellen. E rekombináció nélkül a populációk génállománya stagnálna, és egyetlen esemény egy egész populációt kiirthatna. A genetikai sokféleség azt jelenti, hogy egy adott populáción belül lesznek olyan egyedek, amelyek jobban túlélik az élőhely elvesztését, a táplálék elérhetőségének változását, az időjárási viszonyok változását, a betegségeket vagy más katasztrofális eseményeket, így biztosítva a fajok fennmaradását.

3. Segíti a genetikai hibák javítását

A meiózis során bekövetkező rekombináció tovább segítheti a genetikai hibák javítását a következő generációban. Ha az egyik szülő bizonyos allélján genetikai hiba van, a rekombináció képes ezt az allélt a másik szülő egészséges alléljával helyettesíteni, így egészséges utódok születhetnek.

Miben különbözik a meiózis a mitózistól?

A meiózis során egy diploid szülősejtből két genetikailag azonos diploid leánysejt keletkezik. A meiózis egyetlen diploid szülősejtből négy genetikailag különböző haploid leánysejtet hoz létre. 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. A populációkon belüli genetikai sokféleséget fenntartó meiózis nélkül az organizmusok nem lennének képesek alkalmazkodni a környezetükhöz, nem fejlődnének, és nem élnék túl a katasztrofális eseményeket. Egy populáció genetikai sokfélesége a legmegbízhatóbb eszköze a faj fennmaradásáért folytatott küzdelemben.

Vetítsük mindezt a gyakorlatba. Próbáld ki ezt a sejt- és molekuláris biológiai gyakorló kérdést:

Még több sejt- és molekuláris biológiai gyakorló kérdést keresel?

Nézd meg a többi cikkünket a sejt- és molekuláris biológiáról.

Az Albert.io-n is több ezer gyakorló kérdést találsz. Az Albert.io segítségével testre szabhatod a tanulási élményt, hogy ott gyakorolj, ahol a legnagyobb segítségre van szükséged. Kihívást jelentő gyakorló kérdéseket adunk, hogy segítsünk a sejt- és molekuláris biológia elsajátításában.

Itt kezdhetsz gyakorolni.

Tanárként vagy rendszergazdaként szeretnéd növelni a sejt- és molekuláris biológia tanulók eredményeit?

Itt tudhatsz meg többet iskolai licenceinkről.