Meiosis, ivarsejtek Dr. Röhlich Pál prof. emeritus Meiosis, petesejt, oogenesis, spermium, spermatogenesis ÁOK 2013/2014 I. félév: sejtbiológia alapjai 2013. 10. 11.

Meiosis Aszexuális és szexuális szaporodás, előnyök, hátrányok. Az élővilágban a szexuális szaporodás terjedt el, két egyed ivarsejtjei egyesülve új egyed fejlődését indítják el. Génvariánsok (allélok) Genetikai rekombináció, értelme: egy populációban a genetikai állomány sokféleségét biztosítja. A genetikai sokféleség jelentősége: a sokféle egyed közül drasztikus környezeti változáskor egyesek életben maradnak és tovább szaporodnak (a faj túlélése). Hibás egyedek kiiktatódnak (genetikai állomány „karbantartása”, alkalmazkodása). Meiosis Ivarsejtek (gaméták) érési osztódása. Genetikai rekombinációval kiegészített kettős osztódás, utódsejtek haploidok. Meiosis I (1. érési osztódás). 2 diploid sejt keletkezik a homológ kromoszómák szétválásával genetikai rekombináció (crossing over + homolog kromoszómák véletlenszerű szétosztása) Meiosis II (2. érési osztódás). 2-2 haploid sejt keletkezik egyszerű mitosissal, testvérkromatidok szegregálódnak a két sejtbe Meiosis, petesejt, oogenesis, spermium, spermatogenesis

Meiosis I Profázis I (leghosszabb, legbonyolultabb szakasz)  A meiosisba belépő sejt DNS-replikációval előzőleg megkettőzte kromoszómáit, DNS molekulák száma 4n! Az apai homológ kromoszóma két kromatidja Az anyai homológ kromoszóma két kromatidja Profázis I (leghosszabb, legbonyolultabb szakasz) 1. Leptoten szakasz: a homológ kromoszómák addig mozognak, míg megtalálják egymást és azonos orientációban egymás mellé illeszkednek.  2. Zygoten szakasz: a két homológ párosodni kezd, synaptonemális komplex-szel összekötődik, minden gén azonos magasságban van.

A crossing over vázlatosan 3. Pachyten szakasz: a homológok teljes hosszukban párosodnak, rekombinációs csomók jelennek meg a párosodó kromoszómákon (bivalenseken), a kromatidok itt felszakadnak, a szabad végek átkereszteződnek. Mozaikszerű átépülés (apai és anyai szakaszok váltják egymást a kromatidokon) A crossing over vázlatosan Nemcsak gének, hanem génszakaszok is kicserélődhetnek. Az X és Y kromoszómák is párosodnak néhány szakaszukkal! Bivalens. Átkeresztezett kromatidok. Átépült kromatidok az átkeresztezés után Több rekombinációs csomó a párosodó kromoszómákon (a 4 kromatid egyetlen fonálként mutatkozik). Vörös: emberi petesejt bivalensei, zöld: rekombinációs csomók.

4. Diploten szakasz: a synaptonemalis komplex eltűnik, a kromoszómák széthúzódnak, az átkereszteződések ezzel láthatókká válnak (chiasma, „crossing over”). Egyes kromoszómarészek kibomlanak hurkokká, itt transzkripció zajlik. („lámpakefe-kromoszómák”).  5. Diakinesis: kromoszómák leválnak a magburokról, hurkok eltűnnek (transzkripció megszűnik). A homológ kromoszómákat az átkereszteződések, a testvérkromatidokat a centromerfehérjék tartják össze. 

Metafázis, anafázis, telofázis a meiosis I-ben hasonló a mitosiséhoz. Különbség: 1. anafázis I-ben a homológ kromoszómák (és nem a kromatidok!) válnak szét a 2 utódsejtbe. A homológ kromoszómákat a szétválás előtt csak a crossing over (chiasma) tartja össze, mindegyik kromoszómának csak 1 kinetochorja van! Az egyik homológ csak az egyik, a másik homológ csak a másik pólus felé vándorolhat. 2. Az eredetileg apai és anyai kromoszómák véletlenszerű kombinációban osztódnak szét a két utódsejtbe (aszerint, hogy a tetrád melyik oldalával áll be a metafázisban a pólusok felé). Emberben a kombinációs lehetőségek száma > 8 millió! eredetileg apai eredetileg anyai  A meiosis I „a kártyákat kétszer keveri meg”: 1. a profázis I-ben átépíti a kromatidokat a crossing overrel, 2. a meta- és anafázis I-ben véletlenszerűen osztja szét az apai és anyai kromoszómákat

Meiosis II  A meiosis eredménye: Pro-, meta-, ana- és telofázis mint mitosisban (előtte DNS replikáció nincs!). Különbség: 23 kromoszóma (tehát feleannyi, mint a testi sejtekben) válik szét egy-egy kromatidra. Eredmény: két haploid sejt. Mindegyik kromoszóma 2 kromatidján 1-1 kinetochor, tehát a kromatidok húzódnak szét.  A meiosis eredménye: 4 ivari sejt (gaméta), ezek mindegyike különbözik egymástól genetikailag.

Petesejt és spermiumok 

Petesejt (ovum, oocyta) sejtmag (vesicula germinativa) zona pellucida corona radiata Nagyság: a szervezet legnagyobb sejtje, szabad szemmel is látható emberben (kb. 100 μm). Eltérő különböző állatfajokban (madár!) Szíkállomány: tartalék tápanyagok (szíkszemcsék. lipidek, szénhidrátok, fehérjék). Emberben cytoplasma 5%-a, madárban 95%-a. Tartalék RNS: mRNS, tRNS, rRNS (előkészület a korai fejlődéshez) Kortikális granulumok: szekréciós granulumok széli cytoplasmában (spermium behatolásakor exocytosis, anyaguk a z. pellucidához kötődve gátolja további spermiumok behatolását) Hiányzanak: a centriolumok! Peteburok: zona pellucida Glikoproteinek kovalens kötésekkel létrejött hálózata. Szerepe: mechanikai védelem, korai osztódó sejtek (blastomerák) összetartása, barrier idegen fajú spermiumokkal és polyspermiával szemben. Specifikus kötődés spermiummal. Corona radiata: tápláló sejtek, nyúlványaikkal átfúrják a z. pellucidát, nexusok (gap junctions). Nexusok genetikai hibája sterilitást okoz. 

A petesejt kialakulása: Oogenesis ősivarsejt szaporodási fázis, (mitosisok) oogoniumok (2n) Helye: petefészek (ovarium) Tüszők (folliculusok): tüszőhám körülveszi a fejlődő petesejtet egy, majd több rétegben. Két megállás a meiosisban: Profázis I-ben (diplotén) évekre, akár 4 évtizedre! Ez lehet az oka, hogy idős szülőnőknél sokkal gyakoribb a non-disjunction (nem minden homológ kromoszómapár válik szét). Leány újszülöttben összes petesejt a profázis I-ben van. 2. Metafázis II-ben, (csak a spermium behatolásakor fejeződik be a 2. érési osztódás). Ha nincs megtermékenyítés, a petesejt a metafázis II-ben elpusztul (tehát a spermium „menti meg”). növekedési fázis DNS-szintézis (4n), növekedés primer oocyta (4n) további növekedés, kortikális granulumok, zona pellucida kialakulása meiosis I érési fázis szekunder oocyta (2n) sarkitest (2n) spermium (n) meiosis II metafázis II megtermékenyítés  sarkitest (n) zygota

Spermium     acrosoma sapka DNS („mag”) Piciny, mozgékony sejt, feladata az apa haploid kromoszómakészletét eljuttatni a petesejthez és beindítani a pete fejlődési programját. Extrém DNS-kondenzáció: histonokat kis bázikus fehérjék: protaminok helyettesítik. Mozgásapparátus (ostor): axonema: 9x2 + 2 MT, mitochondriális hüvely a középdarabban a mozgás energiaigényéhez, laterális rostok és rostos gyűrűk támasztó szerepe. Acrosoma: megtermékenyí-téshez szükséges apparátus (bontó enzimeket tartalmazó, lapos szekréciós vakuolum) Hiányzik: ER, Golgi! Mozgás: kígyózó, hullámszerű csapkodás. Folyadékáramlással szemben (- rheotaxis). pH-függőség: optimális pH 7,2-7,4 (pH 6,2-6,5 mellett mozdulatlan)  Középdarab a mitochondriális hüvellyel és laterális rostokkal    Fődarab a rostos gyűrűvel és laterális rostokkal, EM kép

A spermiumok kialakulása: Spermatogenesis Cytokinesisek elmaradnak, ezért cytoplasmahidak kötik össze a sejteket egészen a spermiumok kialakulásáig DNS-replikáció DNS-szintézis 

Spermiohistogenesis  Célja: a mozgásapparátus és az acrosoma kialakítása Acrosoma kialakul a Golgi-apparátus trans-cisternájából A cytoplasma hátrahúzódik A centriolumok egyikéből basalis test lesz, kinő az ostor. Mitochondriumok spirális hüvelyt alkotnak a középdarabban. A cytoplasma nagyobb része lefűződik (residualis test)

Oogenesis és spermatogenesis összehasonlítása, számszerű adatok Petesejt: Oogoniumok száma: több millió Primer oocyták száma: születéskor kb. 1 millió pubertás elején: kb. 400 ezer Ovulációk száma: 400-500 (ennyi petesejt érik meg, többi elpusztul) Leggyakoribb hiba az érésben: non-disjunction (következményes aneuploidia), 25%! Spermium: Ejakulátumban a spermiumok száma: 200-400 millió (ebből egy vesz részt a megtermékenyítésben) Nincsenek stop és start mechanizmusok, mint a petesejt érésében, pubertástól kezdve folyamatos a spermiumok érése és produkciója. Meiosis időtartama 24 nap „Akadályfutás”: 15-20 cm-es út a női ivarutakban, áramlással szemben! (hasonlat: 6 km úszás folyón felfelé). További akadályok: a hüvely savi pH-ja, a petevezeték labirintusa. Hibás egyedek kiszűrődnek (a pete közelébe kb. 500 jut el). Női ivarutak hatása a spermiumra: kapacitáció Leggyakoribb hiba az érésben: aránylag nagy a mutációs arány (gyakori osztódások!)

Felhasznált illusztrációk forrása:  Röhlich: Szövettan, 3. kiadás, Semmelweis Kiadó Budapest  Alberts – Johnson – Lewis – Raff – Roberts – Walter: Molecular biology of the cell. 5. kiadás, Garland Science  Saját prep. és/vagy felvétel, ill. rajz