Cytogenetika-06-Pohlavni bunky

Cytogenetika 06
Diferenciace
pohlavních buněk
Magda Zrzavá
František Marec
1
Gametogeneze u rostlin
Nižší rostliny – převládá gametofyt
Krytosemenné rostliny - mezi meiózu a vznik gamet vsunut prostorově i časově
nepatrný gametofyt
Střídání sporofytu (2n) a gametofytu (1n) u rostlin
Střídání sporofytu a gametofytu u rostlin
Z diploidní zygoty roste diploidní sporofyt. Diploidní mateřské buňky procházejí
meiózou, vznikne u samičí linie jedna haploidní megaspora, u samčí linie čtyři
haploidní mikrospory. Z nich vznikají haploidní gametofyty, které produkují
haploidní pohlavní buňky – gamety, jejichž splynutím vzniká diploidní zygota.
Vyšší a nižší rostliny se liší tím, jak velkou část v jejich životním cyklu zaujímá
gametofyt a sporofyt. Zatímco u nižších rostlin je gametofyt makroskopický a
významný, u vyšších rosltin tvoří jen mikroskopické struktury s minimem buněk
(pylové zrno a zárodečný vak).
Obrázek z Snustad a Simmons 2012
2
Meióza a oplození u vyšších rostlin
Reprodukce Arabidopsis thaliana
Dospělá rostlina (sporofyt) produkuje v prašnících samčí pohlavní buňky
(mikrospory) a v ovariu umístěném v pestíku samičí pohlavní buňky (megaspory).
Obrázek z Snustad a Simmons 2012
3
Vznik zárodečného vaku
1) 2n mateřská buňka megaspor se meioticky rozdělí 3 produkty
zaniknou, zůstává 1 haploidní megaspora
2) 1n megaspora se 3x mitoticky rozdělí - vzniká zárodečný vak s 8
jádry: 3 antipody, 2 synergidy + vaječná buňka, 2 polární jádra
Produkce zárodečného vaku
1) megasporogeneze: diploidní mateřská buňka projde meiózou, při které
vzniknou 4 buňky. Tři ale zanikají, zůstává jen jedna megaspora.
2) megagametogeneze: megaspora se 3x mitoticky rozdělí, takže vznikne 8
identických haploidních jader v jedné buňce, tzv.zárodečný vak. Následuje
cytokineze, kdy je 6 buněk opatřeno membránou (dvě jádra zůstávají uprostřed),
3 buňky putují k jednomu pólu vaku, druhé 3 k druhému pólu. Jedna prostřední
buňka se stane vajíčkem, buňky vedle ní se nazývají synergidy (z řeckého
„pracovat spolu“). Protilehlé tři buňky se nazývají antipody (z řeckého „na opačné
straně“) a brzy degenerují. Dvě haploidní jádra, která zůstala uprostřed, fúzují,
vznikne diploidní jádro, které po oplodnění dá vzniknou výživnému pletivu
endospermu. Embryonální vak je samičím gametofytem.
4
Vznik pylového zrna
1) 2n pylové mateřské buňky – meióza 4 haploidní buňky = pylová
tetráda
2) každá 1n buňka diferencuje v pylové zrno: mitóza generativní +
vegetativní jádro generativní jádro se mitoticky dělí v průběhu růstu
pylové láčky 2 spermatické buňky
Produkce pylu se dělí na dva za sebou následující procesy: mikrosporogenezi a
mikrogametogenezi:
1) mikrosporogeneze: diploidní mateřská buňka projde meiózou, při které z ní
vzniknou 4 mikrospory.
2) mikrogametogeneze: Jádro mikrospory se mitoticky rozdělí, vznikne jedno
vegetativní a jedno generativní jádro. Generativní jádro se mitoticky rozdělí ještě
jednou, takže výsledné pylové zrno obsahuje 2 spermatické buňky ve vegetativní
buňce (pylové zrno se třemi buňkami = samčí gametofyt).
5
Dvojité oplození
1) Pylové zrno dosedne na bliznu
růst pylové láčky
2) Jedna spermatická buňka splyne
s vaječnou buňkou budoucí
embryo
3) Druhá spermatická buňka splyne
s 2n jádrem uprostřed vznik
triploidního endospermu
Oplození
Když pylové zrno dosedne na bliznu, začne růst pylová láčka až dosáhne vajíčka.
Pak dojde k dvojitému oplození, kdy jedna spermatická buňka oplodní vajíčko,
vznikne zygota, a druhá spermatická buňka oplodní diploidní jádro uprostřed
vaku a vznikne triploidní endosperm, který vyživuje embryo.
6
Další varianty oplození u rostlin
Většina krytosemenných rostlin má tento typ embryonálního vaku (typ
Polygonum) se dvěma polárními jádry a triploidním endospermem. Ale existují i
jiné varianty, kdy je uprostřed vaku více jader, což dává vzniknou endospermu
s ploidií vyšší než 3, nebo je tam naopak jen jedno jádro, takže vzniká diploidní
endosperm (např. Oenogracea a bazální skupiny krytosemených rostlin
Nymphaceae, Camombaceae).
Obrázek z Baroux et al. 2002
7
Životní cyklus houby Neurospora crassa
1) Z haploidních hyf se uvolňují konidie vznikají do protoperitecií splynutí s
haploidní pohlavní buňkou zygota
2) Zygota se meioticky dělí 4 buňky
3) 1x mitóza 8 askospor v asku
Životní cyklus Neurospora crassa, genetického modelu vřeckovýtrusých hub
Z haploidních vláken, hyf, se uvolňují haploidní mikrokonidie, které oplodní
protoperitecium, ve kterém dojde k fúzi jader. Vznikne diploiní buňka, která se
meioicky rozdělí za vzniku 4 haploidních buněk, které se následně 1x mitoticky
rozdělí. Vznikne osm askospor, které zůstávají pohromadě v tzv. asku.
Obrázek z Snustad a Simmons 2012
8
Tetrádová analýza u houby Sordaria
fimicola
Různobarevné linie – černá (wt) a mutantní rezavá hybridizací vznikají
aska obsahující 8 askospor dvou barev
Kultura S. fimicola obsahující
rezavou a černou linii
Aska obsahující 8 askospor různých
barev – výsledek hybridizace
Hybridizace různých linií a vznik askospor
To, že askospory zůstávají pohromadě v asku organizované podle toho, jak
vznikaly, můžeme u různě barevných linií pozorovat přítomnost crossing-overu a
případně genové konverze. Klasickým modelem této tvz. tetrádové analýzy je
houba Sordaria fimicola, u které jsou kromě původní černé linie k dispozici i
barevní mutanti s červenými a šedými sporami. Pokud na misce pšstujeme
různobarevné linie, v místech, kde se setkávají, dochází k hybridizaci a výsledné
asko obsahuje různobarevné spory, jejichž pořadí ukazuje, zda došlo ke
crossing-overu, případně i ke genové konverzi.
9
Tetrádová analýza u houby Sordaria
fimicola
Možné varianty počtu a pořadí
barev askospor v hybridním
asku:
- 4:4 (hybrid bez c.o.)
- 2:2:2:2 nebo 2:4:2 (hybrid s
c.o.)
- jiný poměr = crossing over v
místě geny pro barvu spory genová konverze (nebo ne)
Crossing-over mezi centromerou a genem pro barvu –
možné varianty barev askospor podle toho, které
chromatidy se účastní c.o.
Osm vzniklých askospor zůstává pohromadě v asku, takže je možné pozorovat,
jestli došlo ke crossing-overu (viditelný by byl pouze c.o. mezi centromerou a
genem pro zbarvení spory, možné poměry 2:2:2:2 nebo 2:4:2) nebo ne (poměr
4:4). Pokud je poměr jiný, ke c.o. došlo v místě genu pro zbarvení spory a vznikl
heteroduplex, který byl následně opraven reparačními mechanismy (genová
konverze) nebo ne.
10
Genová konverze u houby Sordaria fimicola
Následek rekombinace – nelegitimní vznik
purin-pyrimidinových párů (G-T, C-A) v
krátkém úseku mezi oběma body zlomu =>
heteroduplex DNA je nestabilní – oprava
reparačními enzymy – 2 možnosti:
1) oprava podle původního řetězce žádná
změna
2) oprava podle invadujícího řetězce změna
alely (genová konverze)
Příklad genové konverze: oprava obou heteroduplexů
podle modré alely poměr 6:2
Genová konverze (GK) je změna jedné alely v jinou, která byla přítomna na
nesesterské chromatidě. Ke GK dochází tak, že v místě genu dojde ke c.o., čili
vznikne hybridní dvoušroubovice DNA obsahující vlákna z různých
nesesterských chromatid. Pokud se v tomto úseku obě vlákna liší, dojde v těchto
odlišných místech v chybách v párování. Ty jsou následně odstraněny
„mismatch“ reparačními mechanismy, které jednu z chybně párujících se bází
odstraní a nahradí jinou, která je komplementární k bázi na druhém vlákně. To,
která báze bude odstraněna, je náhoda. Pokud je opravena báze z invadujícího
vlákna, nic se neděje, ale pokud je odstraněna a nahrazena báze z druhého
nerekombinujícího vlákna, je původní alela nahrazena alelou z druhé chromatidy
(= genová konverze). Výsledkem je nemendelistický poměr alel ve vzniklých
buňkách.
11
Gametogeneze u živočichů
Spermatogeneze = diferenciace spermií
Oogeneze = diferenciace vajíček
12
Spermatogeneze vs. oogeneze
Spermatogeneze
• spermatogonia (nediferencované
zárodečné buňky) – mitoticky se
namnoží (zpravidla až v době
dospívání)
• spermatocyt I. řádu (diploidní) –
meióza I, pak krátká interkineze
• 2 spermatocyty II. řádu
(haploidní) – meióza II
• 4 haploidní spermatidy
(nepohyblivé)
• spermiogeneze - diferenciace
spermatozoidů (pohyblivé)
- hlavička (jádro s minimem
cytoplazmy)
- krček (v něm centriola)
- bičík
13
Spermatogeneze vs. oogeneze
Oogeneze
•
•
•
oogonia (nediferencované zárodečné
buňky) – mitoticky se namnoží
(zpravidla dříve než spermatogonia) oocyt I. řádu (diploidní) – meióza I
- u savců tzv. “meiotic arrest“ v
profázi I (fáze: dictyotene) – zrání
vajíčka a pokračování meiózy při
ovulaci
2 haploidní jádra:
- 1. pólové tělísko postupně
zaniká
- 1 oocyt II. řádu (haploidní) –
většina cytoplasmy – meióza II
2 haploidní jádra:
• ootida (haploidní) – většina
cytolasmy, ztrácí centriolu
• 2. pólové tělísko postupně
zaniká
14
Lidská spermatogeneze
- Tvorba spermií začíná v pubertě
- Celý proces trvá 64 dní
- V ejakulátu je průměrně
200 milionů spermií
- Za život celkem 1012 spermií
15
Lidská oogeneze
- lidský oocyt je největší buňka v těle (120 µm)
- při narození 2,5 milionů primárních oocytů
- dozraje cca 400
- do okamžiku zrání meiotický arest v profázi I
(dictyotene)
- během ovulace meióza pokračuje do metafáze II
meióza dokončena až po oplození
Vajíčko + pólová buňka
16
Schéma oplození
u živočichů
17
Oplození u člověka (tradiční)
- Navigace spermií termotaxí a
chemotaxí
- u vajíčka uvolnění hyaluronidázy z
akrosomu štěpení gelu s kumulárními
buňkami kolem vajíčka
- uvolnění akrosinu rozštěpení zona
pellucida a membránu vajíčka obsah
spermie do vajíčka
Spermie jsou na své cestě k vajíčku navigovány termotaxí (teplota se od startu
směrem k vajíčku zvýší o dva stupně) a chemotaxí. K oplození docházejí ve
vejcovodech, kde se spermie setkají s vajíčkem. Glykoproteiny na povrchu
spermie se naváží na glykoproteiny na zona pellucida (= vrstva extracelulární
matrix na povrchu vajíčka ). Pak dojde k uvolnění hyaluronidázy z akrosomu,
která štěpí kyselinu hyaluronovou tvořící gel, ve kterém jsou zanořeny kumulární
buňky obklopující vajíčko (corona radiata = vrstva folikulárních (kumulárních)
buněk,
slouží v výživě a k navigaci spermií k vajíčku). To umožní spermii proniknout až
k zona pellucida a spustit akrosomální reakci. Akrosin rozštěpí zona pellucida a
membránu vajíčka. Buněčná membrána spermie splyne s membránou vajíčka a
obsah spermie se dostává do vajíčka (jádro, centrosom, bičík; paternální
mitochondrie je zlikvidována).
Vajíčko na průnik spermie zareaguje tzv. kortikální reakcí. Kortikální granula
splynou s membránou vajíčka a uvolní do zona pelucida enzymy. Ty způsobí, že
se glykoproteiny na povrchu spojí a tím se zona pellucida stane neprostupnou
pro další spermie.
Proniknutí spermie do vajíčka aktivuje vajíčko, to dokončí meiózu II, prvojádra
splynou a vzniká zygota.
18
Dvoufázová oplozovací reakce:
Rychlý elektrický blok polyspermie → depolarizace plazmatické
membrány vajíčka (elektrický potenciál se mění na +) → brání fúzi s
dalšími spermiemi, nastává ihned po kontaktu
Trvalý blok polyspermie → kortikální reakce - zóna pellucida (ZP) se
mění na membránu oplozovací, odděluje se od plazmatické membrány
a vytváří se perivitelinní prostor → kortikální granula se vylévají na
povrch a enzymaticky pozměňují jeho povrch a tím brání vniknutí
dalších spermií, pozměňují i vlastnosti ZP (60-90 s po kontaktu se
spermií)
19
Lidská zygota od oplození po
uhnízdění
Obrázek z "Human Fertilization" by Ttrue12 - Own work. Licensed under Creative
Commons Attribution-Share Alike 3.0 via Wikimedia Commons http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Human_Fertilization.png#mediaviewer/Fil
e:Human_Fertilization.png
Oplození u člověka („přes VZP“)
21
22
23
24
25
26
„hatching“ - embryo opouští obal
(zóna pelucida)
- zárodek připraven k u hnízdění
v děložní sliznici
27
Umělé oplození u člověka
Vyvinul techniku umělého oplození (IVF, in vitro fertilization) u
člověka ve spolupráci s gynekologem Patrickem Steptoe
- Nejdříve pokus o zrání lidských oocytů in vitro X nakonec
použita přirozeně zralá vajíčka – odebrána laparoskopicky oplození v Petriho misce 8-buněčné embryo vloženo zpět
matce
Robert G. Edwards
- V roce 2010 Nobelova cena za fyziologii a medicínu
Louise Brown, první dítě ze
zkumavky, narozena 25.7.1978
Robert G. Edwards byl živočišný fyziolog, který vyvinul první techniku umělého
oplození u člověka (IVF, in vitro fertilization = oplození ve skle). Nejprve se
pokoušel stimulovat zrání lidských oocytů odebraných z tkáně vaječníků, což se
nedařilo (na rozdíl od králičích oocytů, které studoval předtím), až přišel na to, že
je potřeba nechat je inkubovat delší dobu. Embrya z takto zralých oocytů se ale
nevyvíjela dobře. Nakonec ve spolupráci s gynekologem Patrickem Steptoe
používal přirozeně zralé oocyty odebrané laparoskopicky. Ty oplodnil in vitro a
vyvíjející se embryo vložil zpět do matčiny dělohy. Takto bylo počato první dítě ze
zkumavky, Louise Brown, jejíž matka Lesley Brown měla za sebou devět let
marného snažení o přirozené početí a diagnostikovanou neplodnost kvůli
neprůchodným vejcovodům. Louise se narodila 25.7.1978. Její mladší sestra
Natalie Brown byla první dítě narozené IVF, které přivedlo na svět vlastního
potomka přirozenou cestou. Za vyvinutí techniky umělého oplození u člověka
byla R. Edwardsovi v roce 2010 udělena Nobelova cena za fyziologii a medicínu.
http://www.nobelprize.org/nobel_prizes/medicine/laureates/2010/
28
Mezibuněčné můstky
v gametogenezi živočichů
• Samčí i samičí gametocyty – série mitotických dělení před
meiózou – neúplná cytokineze => klastr sesterských buněk
spojených systémem kanálků
• Příklady: vyšší řády hmyzu (Endopterygota) – konečný počet
sesterských buněk charakteristický pro pohlaví a příslušnou
skupinu (řád) hmyzu
Mezibuněčné můstky v gametogenezi živočichů a jejich význam
(na příkladu vyšších řádů hmyzu - např. Lepidoptera, Diptera, atd.)
Samčí i samičí gametocyty absolvují před meiózou několik mitotických dělení
doprovázených neúplnou cytokinezí, čímž vzniká klastr sesterských meiocytů
spojených systémem kanálků. Konečný počet sesterských meiocytů v klastru je
specifický pro daný druh, popřípadě pohlaví.
29
Příklad : Lepidoptera
Testes
“stem spermatogonium“ – 1x mitóza:
1 “stem spermatogonium“
1 spermatogonium 6x mitóza
klastr 64 spermatocytů I. řádu –
meióza 256 spermatozoidů –
spojeny v 1 chomáč (“bundle“)
chomáč 256 spermií zavíječe moučného
Příklad 1 - Lepidoptera (Bombyx, Ephestia, Hyalophora cecropia, atd.)
Testes: kmenové ("stem") spermatogonium se mitoticky rozdělí, čímž vzniknou 2
spermatogonia - z nich jedno se stane opět kmenovým spermatogoniem, druhé
prodělá rychle za sebou 6 mitotických dělení. Vznikne klastr 64 spermatocytů 1.
řád, které synchronně nastupují meiózu. Výsledkem je klastr o 256 již
samostatných spermatozoidech, které jsou při kopulaci přeneseny společně jako
jeden chomáč ("bundle") spermií.
30
Příklad : Lepidoptera
Ovaria
“stem ogonium“ – 1x mitóza:
1 “stem oogonium“
1 oogonium – 3x mitóza
klastr 8 oocytů I. řádu – meióza po
pachytene (včetně SCs) 7 oocytů se
mění na nutritivní buňky (“nurse
cells“)
- 1 oocyt pokračuje v meióze =>
vajíčko
- vajíčko před kladením v metafázi I –
meióza dokončena až po nakladení
oplozeného vajíčka
Rostoucí oocyt samičky martináče
Hyalophora cecropia
(spojen kanálky se 7 nutritivními
buňkami)
Příklad 1 - Lepidoptera (Bombyx, Ephestia, Hyalophora cecropia, atd.)
Ovaria: začátek stejný jako u spermatogeneze, ale oogonium podstoupí pouze 3
mitózy, takže vznikne klastr 8 oocytů 1. řádu. Ty se synchronně meioticky dělí až
do stádia pachytene (všechny tvoří SCs), ale u 7 oocytů mizí SCs, jejich
bivalenty se podobají metafázním a pak degenerují. Následně u nich dojde k
dekondenzaci chromosomů a následné polyploidizaci - tyto oocyty se stávájí
nutritivními buňkami (tzv. "nurse cells") a vyživují jediný oocyt, který pokračuje
v meióze. Meióza oocytu se zbrzdí, dlouho přetrvává v pachytene, před kladením
je vajíčko ve stádiu metafáze a meióza dokončena až po nakladení oplozeného
vajíčka.
31
Polyfusom
Vyplněním cytoplazmatických můstků amorfním gelem polyfusom
Schematické nákresy polyfusomu a cysty (klastru) pohlavních buněk v metafázi I
(A) ovárium vosy, Vespa vulgaris;
(B) testes brouka.
EM polyfusomu u zavíječe moučného
Mezibuněčné můstky u hmyzu jsou kanálky spojující sesterské meiocyty. Jsou
zpevněny fibrilárními proteiny, vynikají neúplnou cytokinezí. V centru mají
elektronově husté “midbody”, do kterého vstupují mikrotubuly vřeténka. Prostor
kanálku je postupně vyplněn
amorfním materiálem, vzniká tzv. FUSOM - vzhled gelu. Všemi buňkami klastru
prochází tato spojitá struktura = POLYFUSOM.
32
Význam mezibuněčných můstků a
polyfusomu u hmyzu - hypotéza:
• přenos chemických a fyzikálních stimulů, restrikce počtu
mitóz před nástupem meiózy a synchronizace dělení
– Drosophila - tumorová mutace "otu" má defektní polyfusom => asynchronní
nekoordinované mitózy => nádor
• polyfusom zabraňuje dokončení cytokineze a ovlivňuje pozici
vřeténka
• kanálkem přenos cytoplazmat. materiálu z nutritivních buněk
do oocytu
• polyfusom možná podíl na determinaci oocytu
33
Význam mezibuněčných můstků u
vyšších živočichů včetně savců
(fusomy nepozorovány)
• synchronizace zrání
• restrikce počtu mitóz
• restrikce pohyblivosti
• genetická regulace (vyživovací funkce nepravděpodobná)
34
Dva druhy spermií uzavíječe
moučného (Ephestia kuehniella)
Samci motýlů tvoří dva druhy spermií: sterilní apyrení spermie (= paraspermie),
které neobsahují jádro a jsou produkovány v mnohem větším počtu než fertilní
eupyrení spermie (= euspermie).
35
Paraspermie - sterilní zachránci
U některých skupin v ejakulátu různé
typy spermií – euspermie (schopné
oplození) a paraspermie (sterilní)
Paraspermie – mohou i nemusí mít
jádro (motýli +, drozofila -)
- zřejmě různé funkce (není jisté):
- výživa
- obrana před spermicidy (drozofila)
- zvětšení objemu spermatoforu naplnění samice nechce se pářit s
jinými
- pomoc při kompetici spermií
- pomoc při dopravě euspermií
Příklady morfologie sterilních paraspermií plžů
Stopkoočka – paraspermie
„vyplní“ samici oddálí
další páření
Drosophila
pseudoobscura –
paraspermie chrání před
spermicidním protředím
Samci některých druhů živočichů mají ve svém ejakulátu různé druhy spermií
(např. motýli, mouchy, střevlíci, někteří mořští plži, ryba ropušnice). Ty se dělí na
fertilní euspermie a sterilní paraspermie, které mohou (Diptera) i nemusejí
(Lepidoptera) mít jádro. Role paraspermií není jasná, diskutované možnosti jsou:
1) výživa euspermií 2) pomoc při dopravě euspermií, 2) obrana před
spermicidními látkami, které do reprodukčního traktu vylučuje samice (drozofila),
3) zvětšení objemu spermatoforu, takže samice nemá potřebu se pářit s dalším
samcem (motýli), 4) pomoc při kompetici spermií, neboli souboji se spermiemi
jiného samce uvnitř samice. Role paraspermií se studovala u motýlů, drozofil a
stopkooček a zdá se, že paraspermie u motýlů a stopkooček mají vyživovací roli
a vyplňují samici, čímž oddalují další páření. U drozofil tuto funkci
pravděpodobně nemají, ale slouží jako ochránci euspermií před spermicidním
prostředím pohlavního ústrojí samice, které je pro euspermie smrtící, ale
přítomnost paraspermií tento vliv zmenšuje (prokázáno u D. pseudoobscura).
Chapman 2008
36
Spolupráce spermií
Samice se páří s více samci kompetice spermií
U myšice křovinné spermie
opatřeny háčkem tvorba „vlaků“,
rychlejší než jednotlivé spermie
- většina předčasně vypustí obsah
akrosomu urychluje pohyb vlaku
- altruismus
myšice křovinná
Apodemus sylvaticus
Pokud se v pohlavních orgánech samice setkají spermie více samců, začíná
souboj o to, čí spermie oplodní vajíčko. U různých druhů a skupin si samci
vyvinuly různé mechanismy, jak v tomto boji vyhrát nad ostatními samci,
případně nad samicí, která se snaží ovlivnit kdo bude otcem jejích potomků
selekcí na úrovni spermií (tzv. cryptic female choice). Zajímavý mechanismus byl
objeven u myšice křovinné (Apodemus sylvaticus), kde spermie tvoří vláčky
obsahující tisíce kusů a pohybují se společně a rychleji pohlavním traktem
samice. Za tímto účelem jsou opatřeny háčkem na hlavičce, který, se mohou
chytit jiných spermií. Pohyb vlaku je urychlován tím, že většina spermií
přednostně vypustí obsah akrosomu. Je to altruistický čin, protože se tím
vzdávají možnosti oplodnit vajíčko, pomohou ale oplození vajíčka příbuznou
spermií.
Obrázek z Moore et al. 2002
a) hlavičky dvou spermií, levá s dosud připojeným háčkem, druhá s již
otevřeným, b) chomáč cca 50 spermií, c) Vlak obsahující tisíce spermií má cca 2
mm. V každém shluku jsou spermie organizovány podobně jako na obr. c. d)
Spermie ve vlaku se připojují buď háček za háček, nebo háčkem za bičík (detail
na e). f) Imunolokalizace aktinu v háčku (zelená).
37
B chromosomy a drive
B-chromosomy = nadbytečné chromosomy
- vyskytují se u některých druhů rostlin, živočichů
a hub
- různý počet u jedinců v rámci populace (u
některých chybí)
- nepárují se a nerekombinují s A chromosomy
- nemendelistická dědičnost (náhoda nebo drive)
Obsahují:
- hlavně repetitivní DNA (satDNA, ME, rDNA,
telomery, ...), mtDNA
- málo/žádné geny
Počet nejčastěji kolem 3, ale u některých druhů až
několik desítek
- vyšší počty = často snížení fitness hostitele autoregulace + regulace A chromosomy
1. mitóza v pylovém zrnu
žita. Chromatidy B
chromosomu se
nerozcházejí. Dělící vřeténko
je asymetrické po
rozdělení Bs v generativním
jádře
B chromosomy jsou nadbytečné chromosomy, které se vyskytují u některých
druhů rostlin (nejvíce u Compositae, Gramineae, Liliaceae), živočichů (hlavně u
Orthoptera) a hub. Je pro ne typické, že : 1) nejsou pro fungovaní organismu
potřeba (často nenesou žádné geny) a u jedinců v rámci populace se vyskytují v
různém počtu nebo mohou i chybět, 2) nepárují se a nerekombinují se
standartními, tzv. A chromosomy v meióze, 3) jejich dědičnost je nemendelistická
(náhodná nebo vykazuje „drive“, tj. tendenci dostávat se preferenčně do buněk,
které dají vzniknout zygotě).
Počet B chromosomů v jádře je omezen (např. 6 u žita), jejich vyšší počet
vede ke sterilitě (výrazně zpožďují průběh buněčného dělení, takže funkčních
gamet vzniká málo nebo žádné). Na regulaci počtu se mohou podílet A
chromosomy nebo se jedná o autoregulaci samotnými B chromosomy (např. B
chromosomy žita byly uvedeny do genomů druhů z čeledi Poaceae a fungovaly
tam stejně dobře, čili svojí distribuci si řídí samy)
Obrázek: První mitóza v pylovém zrnu žita. Chromatidy B chromosomu drží u
sebe a opožďují se za A chromosomy, a protože je dělící vřeténko asymetrické
(rovina je blíže pólu, z něhož vznikne generativní jádro), B chromosomy se po
rozdělení buňky pasivně dostanou do budoucí spermie.
Jones a Houben 2003
38
B chromosomy a drive
1) Premeiotický drive – B chromosomy
se přednostně dostávají do zárodečné
linie buněk
2) Meiotický drive – u samic asymetrická
meióza – oocyt vs. pólové tělísko B
chromosomy jsou do oocytu
- možný mechanismus – asymetrické
vřeténko (rovina dále od pólu budoucího
oocytu B chromosomy putují mezi
póly více času poblíž vzdálenějšího
pólu
3) Postmeiotický drive – v pylovém zrnu
- a) 1. mitóza přednostně do
generativního jádra,
- b) 2. mitóza přednostně do jádra
oplodňujícího vaječnou buňku
Camnula
pellucida
Lilium
callosum
žito
B chromosomy jen vzácně plní v hostitelském genomu nějakou pozitivní roli. Většinou buď nemají
žádný význam, nebo jsou dokonce nevýhodné, takže by časem byly z genomu odstraněny.
Minimálně některé B chromosomy ale vynalezly mechanismy, jak se dostat přednostně do buněk,
které jim zajistí přenos do další generace. Základem je to, že 1) B univalent putuje v meióze I
žádoucím směrem, 2) se sesterské chromatidy nerozejdou v mitóze k opačným pólům, ale obě
jdou k jednomu pólu.
Drive B chromosomů se může odehrávat v různých částech ontogeneze. 1) Premeiotický drive
se odehrává během vývoje jedince (embryo/jen v pohlavních orgánech), kdy B chromosomy jsou
přednostně do buněk zárodečné linie, naopak chybějí nebo jsou podreprezentované v
somatických buňkách. Výhodou této strategie je to, že potenciální nepříznivý vliv B chromosomu
na hostitelský genom se v somatických buňkách neprojeví nebo projeví méně, čímž se zvýší
životaschopnost jedince. tato strategie byla pozorována u různých sarančí (např. Camnula
pellucida) a u rostlin (Crepis capillaris) 2) Meiotický drive se týká samičí meiózy, kdy tři produkty
zanikají a do další generace se dostane jen budoucí vajíčko. B chromosomy se dokáží
přednostně dostat do oocytu/ootidy, ne do polárního tělíska. Možný mechanismus je založen na
faktu, že dělící vřeténko v samičí meióze je asymetrické a ekvatoriální rovina je vzdálenější od
pólu, ze kterého bude budoucí oocyt/ootida. B chromosomy putují od pólu k pólu a tak více času
stráví v oblasti vzdálenějšího pólu. Zvyšují tak pravděpodobnost, že při rozdělení buňky budou na
správném místě. Nalezeno u různých druhů sarančí a u rostlin, např. Lilium callosum. 3)
Postmeiotický drive byl pozorován v pylových zrnech vyšších rostlin, kde haploidní jádro prodělá
postupně dvě mitózy. V první vzniká vegetativní jádro, jehož existence končí v pylové láčce, a
generativní jádro, ze kterého druhou mitózou vzniknou dvě spermatické buňky – jedna oplodní
vajíčko, druhá 2n jádro, ze kterého vzniká endosperm. Drive B chromosomů byl pozorován jak v
první mitóze, kdy obě chromatidy B chromosomu jdou přednostně do generativního jádra (opět
díky asymetrickému vřeténku), i v druhé mitóze, kdy se dostanou do jádra, které oplodní vaječnou
buňku.
Všechny tyto mechanismy by nevyhnutelně vedly k tomu, že by se počet B chromosomů v
každé generaci zvyšoval. Nicméně je evidentní, že počet B chromosomů je omezen, protože
nejčastější počet B chromosomů je kolem tří, výjimečně se u některých druhů najdou jedinci, kteří
mají několik desítek B chromosomů. (Gregory 2005 The evolution of the genome)
39
Drive B chromosomů žita
Drive v 1. mitóze pylového zrna B do generativního jádra
Mechanismus: ncRNA z satDNA na dlouhém raménku regulace koheze
sesterských chromatid pomocí pericentromerických repetic sesterské
chromatidy se nerozejdou spolu k bližšímu pólu
Model popisující akumulaci B chromosomů u žita
Organizace pericentromerického heterochromatinu u
B chromosomů žita. Červená = FISH signál
centromerického transposonu A a B chromosomů,
zeleně – repetice specifická pro B chromosomy.
Pericentromerický chromatin u B chromosomů je
mnohem větší než u A.
Drive u B chromosomů žita
B chromosomy žita vykazují drive v první mitóze pylového zrna, kdy se sesterské
chromatidy nerozcházejí a díky asymetrickému dělícímu vřeténku se pasivně
dostanou do generativního jádra, čímž je zajištěna jejich cesta do další generace.
V druhé mitóze pólového zrna se už rozcházejí normálně. Za to, že sesterské
chromatidy drží pohromadě, je zodpovědný úsek na dlouhém raménku. Když
chybí, chromatidy se v první mitóze rozejdou normálně. Tento úsek obsahuje
dvě rodiny repetic, které jsou v prašnících transkribovány do RNA, čili mají
pravděpodobně regulační funkci, která funguje i trans, takže jediný kompletní B
chromosom zajistí nondisjunkci i všem zkráceným B chromosomům, kterým tento
klíčový úsek chybí. Cílem regulační ncRNA je patrně pericentromerický
heterochromatin B chromosomů, který obsahuje kromě transposonů obsažených
i v centromerách A chromosomů i sekvence z mitochondriální DNA (což není nic
neobvyklého, B chromosomy a pohlavní chromosomy mají tendenci akumulovat
mtDNA a rDNA) a další repetice. I když tyto úseky nejsou součástí aktivní
centromery (centromerický histon CenH3 na ně nesedá), zřejmě jsou
zodpovědné za kohezi chromatid v 1. mitóze pylového zrna, protože (asi)
komplikují rozpletení DNA v tomto úseku, což je klíčové pro rozchod sesterských
chromatid.
Banaei-Moghaddam et al. 2012
40
O čem to bylo
- Rostliny – střídání sporofytu a gametofytu - gametofyt u nižších
rostlin významný, u vyšších rostlin mikroskopický útvar
- Vznik gamet u vyšších rostlin + dvojité oplození
- Vřeckovýtrusé houby – po meióze a mitóze vřecka obsahují 8
askospor tetrádová analýza – studium crossing-overu a genové
konverze
- Živočichové – vznik spermií a vajíčka, oplození
- IVF u člověka
- Cytoplazmatické můstky u živočichů
- Paraspermie a euspermie
- B chromosomy a drive
Konec