Meiózis Gametogenezis Dr. habil. Kőhidai László SE – GSI 2019.

Meiózis és mitózis összehasonlítása (1) www.stanford.edu/group/Urchin/ani-plus

Meiótis és mitózis összehasonlítása (2) www.stanford.edu/group/Urchin/ani-plus

Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)

Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)

Krsz - DNS Krsz - DNS 2 2n 2 2n 2 4n 2 4n 1 2n 1 1n 2 2n Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)

Meiózis I. Profázis Leptoten Chrs. kondenzáció Zygoten Homológ chrs. párbaállása megkezdődik Bivalens chrs. Pachyten Párbaállás teljes Crossing over kezdete Diplotene Homológ chrs. Szétválása Kapcsolódás csak a chiasmáknál Meiózis I. Profázis

Szinaptonémás komplex Chromatin Lat. elem Centr.elem 120 nm M. Westergaard – D. Von Wettstein

Crossing over Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)

Szinaptonémális komplex Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)

Szálcsere Egy szál beépülése a másik genomba Asszimiláció A kicserélődő szakasz kiterjedése Felbomlás A genomok elválása „száltöréssel”

Holliday junction

Crossing over (2) Emberi sejtekben 2-3 chiasma/kromoszóma Kék – centromer Zöld - chiasma Emberi sejtekben 2-3 chiasma/kromoszóma Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)

Diakinesis Az egyes kromatidák láthatóvá válnak Homológ krsz. összekapcsolódása a chiasmáknál Crossing over (Chiasma) Centromer Kromatidák a centromernél összekapcsolódva

Szekunder spermatocyta Metafázis I. Anafázis I. Telofázis I.és Citokinezis Homológ krsz. a pólusok felé vándorolnak chiasma A crossing over eredménye a rekombináció Szekunder spermatocyta vagy Szekunder oocyta

Metafázis II. NINCS replikáció ! Oocyták itt várnak a megtermékenyítésig

Spermatidák Anafázis II. Telofázis II. Citokinezis

„Virágcsokor” (buquet) konfiguráció Gelei József (1885-1952) Gelei's technical skill and detailed studies on chromosome conjugation in carefully fixed flatworm tissues led to a first detailed description of the sequential chromosomal events that lead to homologue conjugation during first meiotic prophase. In particular, his three-dimensional reconstructions of the meandering leptotene and bouquet chromosomes, which he obtained by calculating their three-dimensional course from consecutive drawings of focal planes, showed his dedication to the subject. Nature, 2001 „Virágcsokor” (buquet) konfiguráció Leptoten - Zygoten

Magorsó kapcsolódása Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)

Magorsó kapcsolódása Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)

Meiosis I. - Profázis Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)

Állati élet- ciklus Növényi felnőtt zygóta megtermékenyítés meiózis gaméták spórák soksejtű ivartalan nemzedék ivaros

Kettős-helix felbomlása egyes helyeken Molekuláris változások Idő (perc) Sejtbiológiai változások Meiózis fázisai DNS duplikáció vége Axiális elemek kialakulása Szinaptonémás komplex felbomlása Megjelenik Eltűnik Jelen van „Rekombinált” molekulák Kettős-helix felbomlása egyes helyeken

- Szakaszok időtartama - Meiosis I. – Profázis - Szakaszok időtartama - Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)

embr.gen. 6. hét embr.gen. 12. hét embr.gen. 20. hét 7x106 sejt 2x106 sejt embr.gen. 20. hét Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)

- - c-mos Progesteron Protein kináz A cAMP  Mos (Ser-Thr kináz) MAPK  Mos (Ser-Thr kináz) cAMP  MAPK Kináz - Cdc-25C  CDK2 MPF MEIÓZIS

(DNS duplikációja nélkül) Cohesin leválik Mos-MAPK MPF aktív MPF Szeparáz CSF Mos II. Meiotikus osztódás (DNS duplikációja nélkül) [Bc-ubiq.] Bc [Securin] Securin Metafázis II. mikrotubulusok - APC - Ca2+  CSF = cytostatic factor

I. II. Interfázis Profázis Metafázis Anafázis Telofázis Profázis Jon. C. Glase

Sisterchromatide exchange (SCE) SCE frekvencia nő: BrdU sávok

Meiotikus non-disjunctio Non-disjunctio – Meiózis I. Non-disjunctio – Meiózis II. Meiózis I. Meiózis II. Euploid Euploid Triszómia Monoszómia Triszómia Triszómia Monoszómia Monoszómia 100% károsodott „CSAK” 50% károsodott

Gametogenesis fázisai Primordialis ivarsejt Férfi Nő Spermatogonium Elsőrendű spermatocyta Másodrendű spermatocyta Spermatida Spermatozoon - Spermium 2n ?? n Oogonium Elsőrendű oocyta Másodrendű oocyta Ovum Ovum - Petesejt

Gametogenesis fázisai Primordialis ivarsejt 2n Spermatogonium 2n Elsőrendű spermatocyta 2n MEIÓZIS I. Másodrendű spermatocyta ?n MEIÓZIS II. Spermatida n Spermatozoon - Spermium n

A “plazma-hidak” szerepe X Y Az “Y” kromoszómát tartalmazó spermatocyták és spermatidák fejlődéséhez nélkülözhetetlen az “X” kromoszóma jelenléte

Az oogenesis fázisai Primordialis ivarsejt 2n Oogonium 2n Elsőrendű oocyta 2n MEIÓZIS I. Másodrendű oocyt n + Sarki-test MEIÓZIS II. Ovum n

Függelék Kiegészítő anyag: Megtermékenyítés

Primordialis ivarsejtek (PGC) Differenciálódás - a fejlődés korai szakaszában – még nincsenek gonádok - endodermális elhelyezkedés, távol a gonadális fejlődés helyétől Migráció - keringési rendszerrel \vagy a mesenterium mentén - “homing” és “kolonizáció” – „genital ridge” A primordiális diploid ivarsejtek mitotikus osztódással diploid ivarsejteket hoznak létre

Ovuláció Másodrendű oocyta: “be vannak fagyasztva” a II. meiotikus osztódás metafázisába Körülvevő rétegek: Corona radiata (cumulus oophorus) - follicularis sejtek Zona pellucida – a petesejt felé a következő réteg, amelyet extracellularis matrix proteinjei képeznek és biztosítják a fajspecifikus megtermékenyítést

Az Oocytát körülvevő rétegek Oocyta Corona radiata sejtjei Zona pellucida

Ovum jellemzése Tápanyagok és az érés sorám felhalmozódó anyagok tárolása (A petesejtből származó tápanyag tartalékok addig elegendőek, amíg az embryo az anyai szervezetből exogen anyagok felvételére nem képes) A petesejt tartalmazza az anyai kromoszóma-hányadot (n) Szükséges, hogy a megtermékenyítő spermium kivételével többit kilökje

Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)

Spermatogenesis –A vezetékek felépítése Tubuli seminiferi contorctii a spermatogenesis 5 fázisban zajlik Spermatogonium Elsőrendű spermatocyta Másodrendű spermatocyta Spermatida Spermatozoon Járulékos sejtek: Sertolli sejtek - spermiogenesis Leydig sejtek - tesztoszteron szintézis

Spermiogenesis Spermatida Spermatozoon A citoplazma nagy részének eltávolítása Sejtmag kondenzáció és morfológia változása - Hisztonok - Gén-aktivitás Acrosoma kialakulása Mitochondriumok aggregációja Centriolumok Farok - Mikrotubulusok elrendeződése és megnyúlása

A spermium jellemzése el kell hogy érje és penetráljon a petesejtbe aktiválja a petesejt magi és citoplazmatikus osztódását, mely szükséges az embrionális fejlődéshez az apai kromoszóma-hányad (n) „szállítója” meghatározza az embrió nemét

Spermium-érérs Kerek, „Ebihal-szerű”, mozgásképtelen sejt mozgásképes (Spermatogonium) „Ebihal-szerű”, mozgásképes (Spermatida) Meiózis - 1 diploid (2n) sejt - 4 haploid (n) ivarsejt Centriolum - Flagellum Golgi apparatus - acrosomalis vesiclum Mitochondrium - a fej és a flagellum összekötése (középdarab) Fej alakja - citoplazma térfogata csökken, - nucleus kondenzált

Spermium-érérs (2) ÁBA

Spermium-érérs (3) Acrosomalis vezikulum - proteineket és összetett cukrokat bontó enzimeket tartalmaz petesejt felismerése a petesejt külső rétegeinek bontása Flagellum – propellerként hajtja a spermiumot ATP igényes az ATP-t a mitochondriumok szintetizálják a dynein enzimatikus aktivitása szükséges az ATP hidrolíziséhez

Emberi hímivarsejt felépítése Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)

A spermium motilitása passzív transport - aktív, flagellaris mozgás - epididymis aktív, flagellaris mozgás - a tub. seminiferi.-ben proteáz inhibitor, anti-capacitációs faktorok

? Spermiumok száma (1) spermium\ml ejaculatum (ml) 100-150 millió\ml - 1940s 3.5 60-80 millió\ml - 1990s 2.8 ? 10 nap abstinencia - 4x sejtszám AZONBAN a pathológiás formák is gyakoribbak

Mi lehet az oka a drámai (50%) számbeli Spermiumok (2) Mi lehet az oka a drámai (50%) számbeli csökkenésnek ? A scrotum hűtő hatása nem érvényesül egyes új öltözékekben (farmer nafdrág, alsónadrág típusa) (Texasban a megtermékenyítés gyakorisága nyáron sokkal kisebb) Dohányzás Stress szarvasmarha 5 milliárd\ ejaculatum DE 12 million elegendő nyúl 200 millió\ ejaculatum DE 1000 éri csak el a petesejtet

Megtermékenyítés Figure 21-2 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)

Spermium és a pH pH lúgos pH savas uterus Prostata Ondóhólyag Cowpers mirigy pH lúgos vagina pH savas oxytocin és prostaglandin az uterus összehúzódását idézi elő

Kapacitáció az élettani megtermékenyítés esszenciális lépése a spermium-endothel kapcsolat indukálja az ú.n. anti-kapacitációs-faktorok eltávolítása a spermium oxigén-felhasználása nő a follikuláris folyadék komponensei maximális kapacitációt idéznek elő hiperaktív mozgás

Spermium az uterusban A kapacitáció kezdetének helye

Oocyta az uterusban méhenkívüli terheség perisztaltikus mozgás csilló csapás

Megtermékenyítés ha a spermium ‘vár’ rövid idő – leány magzat ha az ovuláció időben távol van a megtermékenyítéstől – fiú magzat

A spermium mozgása Negatív rheotaxis: A sejtek a petevezetőben áramló mucus-szal szemben úsznak www.stanford.edu/group/Urchin/ani-plus

Kemoattraktánsok vagy kemoattraktáns képzők a női nemi szervekben Cervicalis mucus Uterus Follicularis folyadék Cumulus sejtek Maga az intakt, nem-megtermékenyített petesejt 2

Tengerisün gamonok kemotaktikus hatásai Koaguláció Hyaluronidase Gynogamon II. Androgamone II. Gynogamon I. Androgamone I. 1

A follicularis folyadék jellemzése Összetétele a menstruációs ciklustól függ LH Progesteron (1-100 mg/ml) Adrenalin (0.001 mg/ml) Oxytocin (0.01 U/ml) Insulin (repellens) Kallikrein Anti-thrombin III. = spermium receptor Atrial natriuretic peptide (ANP) 1000 Da = hőrezisztens peptid 3

Spermium kemotaxis (1) A spermium populáció heterogén Folliculáris folyadékra adott válasz 70 % pozitív respiratoricus válasz 20 % negatív A válaszkészség függ a spermiumok korától: korai érett öreg Csak ezek a sejtek mutatnak normális kemotaxist 5

Spermium kemotaxis (2) Ca2+ hatással van: kemotaxis sejtlégzés acrosomalis reakció corticalis reakció fertilizáció adhézió Calmodulin – NAD-kináz – exocitózis foszfatázok, foszforiláció guanil cikláz cGMP cGMP-dep. Ca2+ csatornák Ca2+ felvétel ha a spermium eléri a petesejtet 6

Spermium kemotaxis (3) Metilációs rendszer Flagellum – protein carboxyl-methylase Fej-flagellum – MAP Foszfolipid metiláció csökkenése (min. 40%) cAMP-dep. foszforiláció Protein kináz inhibitorok - gátlók (42 kD kináz) 7

Spermium kemotaxis (4) Közös receptor-gén család szaglás és spermiumok Az általános kemoattraktáns fMLP kemoattrakánsként hat nem csak PMN sejteken de a spermiumokon is. (PMN-ok aggregációját indukálja a női gentitális rendszerben) p-nitrophenyl-glycerol (PNPG) repellens spermiumokban – contraceptív hatás 8

Megtermékenyítés Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)

Megtermékenyítés (1) Acrosoma - Golgi-ból alakul ki - az enzimeket kristályos formában tárolja equatoriális zóna Jellemző enzimek: - hyaluronidáz (hyase) - proteáz - foszfatáz - corona penetráló enzimek

Megtermékenyítés (2) zona pellucida kocsonyás réteg “speract” proteáz receptorok proteáz PH-20 hyase PH-20 – „jelly layer” proteáz - corona radiata corona radiata

Acrosoma reakció www.stanford.edu/group/Urchin/ani-plus

A spermium enzimei galaktozil transzferáz - N-acetilglukózamin a ZP3-ban faj specifikus adhézió receptor tirozin kináz - IP3 –Ca2+ triggereli acrosomalis reakció proacrosine - ZP2-vel kapcsolt, - acrosinra alakul át - a zona pellucidát oldja fel

Fúzió és penetratio A petesejt plazma membránjában: szelektinek integrinek A spermium membránban: PH-30 komplex dizintegrin (RGD, TDE) viralis fúziós protein

Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)

Kortikális reakció Polispermia-gátlás ZP1 - struktúrális protein ZP2 - struktúrális pr. + receptor ZP3 - struktúrális pr. + receptor ZP3 - IP3 indukciója IP3 - Ca2+-szint nő www.stanford.edu/group/Urchin/ani-plus a zona pellucida rigiditása növekszik a ZP2 és ZP3 lebomlása véd az adhéziótól és a további spermiumok belépésétől

A NOS hatása NOS = Nitric oxide synthase az enzim a spermium egyik komponense NOS-t az acrosomalis reakció aktiválja NOS nitrogén oxidot (NO) termel a petesejt szintén felszabadít NOS-t a termelt NO kalicum felszabadulást vált ki a Ca2+ feedback-kel aktiválja a NOS-t www.stanford.edu/group/Urchin/ani-plus

Anya Apa centriolumok mitochondriumok

Megtermékenyítést követő lépések Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)

Normospermia www.stanford.edu/group/Urchin/ani-plus

Polispermia www.stanford.edu/group/Urchin/ani-plus

Polispermia-gátlás

A megtermékenyítés művi gátlása hormonokkal antitestekkel - ZP3 vagy PH-30 ellen galaktozil transzferáz vagy PH-30 kötődés gátlása szerkezetileg homológ ligandummal

Köszönetnyilvánítás / Referenciák Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008) Joyce Leary: Fertilization (2001) www.ucalgary.ca/UofC/eduweb/virtualembryo/ arbl.cvmbs.colostate.edu/hbooks/pathphys/reprod/ www.stanford.edu/group/Urchin/ani-plus www.dac.neu.edu/biology/c.ellis/