La meiosi

Le fasi della meiosi

Il crossover porta ad uno scambio di segmenti omologhi tra i cromatidi della coppia di cromosomi

Per effetto del cross-over, le 4 cellule risultanti dalla meiosi avranno 4 cromatidi diversi

Riproduzione sessuata e variabilità Si ha riproduzione sessuata allorché si formano delle cellule specializzate, i gameti, soggetti ad una divisione riduzionale (meiosi); di norma, un gamete maschile e uno femminile si fondono tra loro con la fecondazione, ricostruendo il patrimonio diploide Per effetto della segregazione casuale dei cromosomi, la meiosi determina la formazione di 2n combinazioni diverse di cellule figlie (n = numero aploide, ossia numero di coppie di cromosomi omologhi; nell’uomo, n = 23) Per effetto del crossover (almeno 1 per coppia di cromosomi omologhi), si creano nuove associazioni alleliche e il numero delle diverse combinazioni aumenta vertiginosamente Per effetto dell’incontro casuale dei due gameti, con la fecondazione si ha un ulteriore elemento di variabilità dovuto all’incontro di due diversi patrimoni genetici

In che cosa differisce la meiosi dalla mitosi In che cosa differisce la meiosi dalla mitosi? Che problemi deve risolvere la cellula nella regolazione della meiosi? Una sola fase S, due divisioni cellulari Necessità di tenere uniti i cromosomi omologhi in meiosi I (e di separarli in meiosi II come se si trattasse di una normale mitosi) Scambi (crossover), chiasmi e separazione dei cromatidi che hanno subito lo scambio (risoluzione dei chiasmi) Mancanza di interfase tra la meiosi I e la meiosi II Interruzioni anche lunghissime (anni) nel processo di meiosi della femmina (2 interruzioni!) Ripresa della meiosi I e della meiosi II nella femmina

LA MEIOSI GENERA LE DIVERSITA’ LA MITOSI E’ UN PROCESSO CONSERVATIVO

Fasi della Meiosi DIVISIONE RIDUTTIVA PROFASE I 1. leptotene ANAFASE I: i componenti di una coppia di cromosomi omologhi si dirigono verso i poli opposti; i centromeri non si sono divisi quindi i cromosomi sono composti da due cromatidi e sono detti diade PROFASE I 1.    leptotene 2.    zigotene (sinapsi) 3.    pachitene (crossing-over; tetrade) 4.    diplotene (chiasmi) 5.    diacinesi TELOFASE I: 2 cellule figlie con meta’ dei cromosomi formati ciascuno da due cromatidi METAFASE I

II DIVISIONE MEIOTICA PROFASE II METAFASE II ANAFASE II: si dividono i cromatidi di ciascun cromosoma TELOFASE II: citocinesi  4 cellule con metà numero dei cromosomi formati ciascuno da un cromatide

Crossing over: rottura e scambio di parti di cromatidi e loro successiva ricongiunzione.

ovogenesi processo che trasforma la cellula iniziale,diploide,oogonio,in ovocellula aploide:avviene in tempi molto separati rispetto alla produzione dei gameti maschili(cfr.) 1-durante la vita fetale le cellule diploidi,oogoni, si moltiplicano per mitosi,originando milioni di oociti primari diploidi:alla nascita sono presenti nelle ovaie circa 2.000.000 di oociti primari che hanno iniziato la profase della meiosi 1 2-dalla pubertà fino alla menopausa, ogni mese un oocita primario circondato da altre cellule (follicolo) riprende la sua attività meiotica e verso il 14 giorno del ciclo si trasforma in una cellula aploide (ovocita secondario) e un polocita aploide che poi può suddividersi in due polociti e quindi degenerare 3-nelle 24-36 ore dopo la ovulazione l'ovocita secondario si divide con la meiosi 2 generando la cellula uovo, aploide, e un nuovo polocita, aploideche si fermano nella metafase II della meiosi 4-in definitiva, da una cellula diploide,oogonio,si ottengono con la meiosi 4 cellule aploidi:1 cellula uovo e tre polociti che sono destinati a scomparire

La spermatogenesi inizia alla pubertà e decresce lentamente con la età: non esiste una vera andropausa:ogni giorno vengono prodotti alcuni milioni di spermatozoi mediante il processo di meiosi e vengono conservati nell'epididimo e nel deferente e periodicamente espulsi mediante la eiaculazione. Il tempo necessario per la maturazione degli spermatozoi è di 8-9 settimane circa. Nei tubuli seminiferi sono presenti: cellule del Sertoli che nutrono e sostengono le cellule in maturazione cellule interstiziali del Leydig che producono ormoni(testosterone) (che favorisce la maturazione degli spermatozoi) cellule spermatogoniche(diploidi) destinate a diventare spermatozoi

3 punti critici Appaiamento Crossing-over Separazione

Un complesso proteico, il sinaptonema, unisce tra loro i cromosomi omologhi durante zigotene e pachitene e facilita lo scambio Asse del sinaptonema Cromatidi Un ovocita in profase I; DNA in blu, sinaptonema in rosso, cromosomi X in verde (Ab anti-XLR, una proteina associata ai cromosomi X)

La profase meiotica, la formazione del sinaptonema e i chiasmi

Model of the synaptonemal complex structure Model of the synaptonemal complex structure. The synaptonemal complex (SC) is a proteinaceous structure formed by a lateral element (LE), central element (CE) and transverse filaments. The LE comprises cohesins (Rec8/C(2)M/SYN1, STAG3/Rec11, SMC1-   and SMC3), the structural proteins SCP2 and SCP3 and the HORMA-domain proteins Hop1/HIM3/Asy1. The transverse filaments are formed by the proteins Zip1/SCP1/C(3)G/SYP1. (Adapted with permission from Page & Hawley (2004) Annual Review of Cell and Developmental Biology 20 ©2004 by Annual Reviews

Crossing-over

Crossing over

Crossover o scambio nel corso dell’anafase i chiasmi si spostano alle estremità dei cromosomi (risoluzione dei chiasmi)

Cosa succede nella regione della ricombinazione? http://nitro.biosci.arizona.edu/courses/EEB320-2004/Lecture44/lecture44.html Vi sono prove che vi sia sintesi de novo di DNA per “riparare” le regioni in cui si è formato un heteroduplex

At metaphase I, microtubules of the spindle fibers attach to the sister kinetochores of one homologue, pulling both sister chromatids toward one pole of the cell; sister kinetochores of the other homologue pulling those sisters toward the opposite pole.

At anaphase I, the cohesin between the chromosome arms breaks down allowing the chiasmata to slip apart. Result: the homologous dyads separate and migrate toward their respective poles

Il modello di Holliday-Whitehouse http://www.mun.ca/biology/scarr/UW_recombination_animation.gif http://departments.oxy.edu/biology/Stillman/bi221/102300/recombination.htm 1 3 2 4

Chiasmi in cellule meiotiche di mais

SEPARAZIONE

Differenze tra anafase mitotica e anafase meiotica E’ stata identificata una nuova famiglia proteica (shugoshin) che protegge le proteine di coesione nei centromeri dei cromatidi fratelli durante la meiosi I. Inoltre è stato stabilito che shugoshin svolge un ruolo fondamentale per il cinetocore evitando l’instabilità cromosomica durante la mitosi.

Stepwise resolution of sister chromatid cohesion ensures the two consecutive nuclear divisions of meiosis. Note that homologous chromosomes are held together by chiasmata (strand exchanges) plus arm cohesion, which is resolved by separase in anaphase of meiosis I. According to the current model, sister chromatids remain paired at this time because shugoshin 2 (Sgo2) mediates dephosphorylation of Rec8 by recruiting PP2A to centromeric cohesin. Following relocalization of Sgo2 in meiosis II, residual cohesin is probably phosphorylated and then cleaved by separase to segregate sister chromatids.

Le proteine Shugoshin sono fortemente coinvolte nei processi di segregazione cromosomica funzionando come protettori dalla dissociazione dei complessi di coesina centromerica dal DNA

La funzione di queste proteine si esplica nella regione centromerica del cromosoma dove vengono specificatamente reclutate per interazione diretta con Bub1 (una proteina del checkpoint mitotico). Shugoshin a sua volta interagisce con la proteina fosfatasi 2A che grazie alla sua attività serina/treonina fosfatasica antagonizza la fosforilazione operata dalla polo-like chinasi Plk1 (il principale effettore del "prophase pathway") della subunità SA2 della coesina. Questo meccanismo shugoshin-mediato previene la dissociazione dei complessi di coesina dalle regioni centromeriche e quindi mantiene la coesione tra i cromatidi fratelli fino alla metafase dove è necessaria per controbilanciare la forza generata dai microtubuli sui cinetocori.

By different approaches it was demonstrated that SGOL2 is necessary for protecting centromeric cohesion during mammalian meiosis I. In vivo, the loss of SGOL2 promotes a premature release of the meiosis-specific REC8 cohesin complexes from anaphase I centromeres

La regolazione della meiosi nell’oocita

La meiosi nell’ovocita è interrotta due volte: in profase I (dal periodo prenatale all’ovulazione) e in metafase II (in attesa della fecondazione). L’attività MPF è indispensabile per la ripresa.

L’andamento di MPF nella regolazione della meiosi nell’oocita è correlato alle 2 fasi di ripresa del ciclo

Che cosa regola l’andamento dell’MPF nella meiosi Che cosa regola l’andamento dell’MPF nella meiosi? 1- arresto in G2 (può durare molti anni) L’attività MPF è bloccata prima dell’ovulazione con due meccanismi principali, entrambi dipendenti da un elevato livello di cAMP (che determina a sua volta un alto livello di PKA). I livelli elevati di cAMP dipendono dal contatto con le cellule del follicolo (passaggio attraverso giunzioni comunicanti o stimolazione dell’adenilato ciclasi dell’ovocita). cAMP inibisce indirettamente la fosfatasi cdc25 (che attiva MPF) e le kinasi che inibiscono la kinasi Myt (che inibisce MPF). cAMP

Che cosa regola l’andamento dell’MPF nella meiosi Che cosa regola l’andamento dell’MPF nella meiosi? 2- I ripresa e I divisione meiotica Al momento dell’ovulazione, il progesterone attiva un recettore di superficie accoppiato a una proteina G, che inibisce l’adenilato ciclasi (l’enzima che sintetizza cAMP); i livelli di MPF si innalzano e la I divisione meiotica può aver luogo, con l’espulsione del I globulo polare. PG  progesterone

Che cosa regola l’andamento dell’MPF nella meiosi Che cosa regola l’andamento dell’MPF nella meiosi? 3- arresto in metafase II La telofase I non è completa: il nucleo non si despiralizza del tutto e la ciclina mitotica non viene completamente degradata in quanto le stesse kinasi che hanno attivato MPF stimolano un fattore CSF (fattore citostatico), che inibisce APC. Esse inoltre attivano Bub1, un fattore del checkpoint della metafase, che contribuisce a inibire APC. Di conseguenza, il nucleo non passa attraverso una seconda fase S, né attraverso una seconda profase e progredisce direttamente fino alla metafase II. Questa però non può essere completata a causa dell’inibizione di APC e di Bub1.

Che cosa regola l’andamento dell’MPF nella meiosi Che cosa regola l’andamento dell’MPF nella meiosi? 4- II ripresa e II divisione meiotica La fecondazione, causa un influsso di Ca++. Questo inibisce tutte le attività kinasiche che contribuiscono al blocco della meiosi (CSF); la meiosi può riprendere e completarsi, con l’espulsione del II globulo polare. Ca++

Ecco tutto il processo nell’ovocita di Xenophus Note the photos of the Xenopus oocyte on the bottom.  The dark animal pole is where the pigment granules and nucleus are located, and the white vegetal pole is at the bottom -where yolk is stored.   The white spot appears at meiosis I (MI).  It is believed that progesterone (PG) binds to a seven-transmembrane domain receptor located in the plasma membrane (this of course is very unusual; most steroids enter the cytoplasm to bind to a receptor that then goes into the nucleus to alter gene activity; see Science 300:594, 2003).  Then Protein kinase A (cAMP dept protein kinase; PKA) is somehow inhibited by the bound progesterone receptor (the progesterone receptor would inhibit Gs or stimulate Gi).  Without progesterone, PKA inhibits both Mos and Polo-Like Kinase Kinase 1 (PLKK1).  With progesterone, PKA activity drops and PLKK1 and Mos are active.  In one subsequent path, Mos activates Map kinase kinase (or MEK; this kinase can be inhibited by the drug U0126), which activates Map kinase (MAPK) which can feedback and activate Mos, and Map kinase stimulates RSK (an S6 kinase).  Rsk then inhibits myt 1 (a dual specificity kinase).  Since myt inhibits Maturation Promoting Factor (also called M phase or meiosis promoting factor; MPF; more specifically), inhibition of myt leads to MPF activation. Myt inhibits formation of the MPF complex of cdc2 kinase and cyclin. There is a second path involved here too: activated PLKK1 activates "Polo-Like Kinase from Xenopus" (PLX), which turns on CDC25.  The latter is a phosphatase that removes inhibitory phosphorylation from cdc2 (a subunit of MPF).  This also activates MPF. Note that the activity of MPF is graphed in the lower part of the figure.  It increases first to induce the white spot appearance (the white spot is produced when MPF causes the nucleus moves up near the surface to push away pigment granules).  After this first peak of MPF, there is a second peak of MPF about 1.5 hrs after white spot appearance- this produces the Meiosis II stage (MII).  Note that MPF can induce two positive feedback systems by stimulating  both cdc25 and Mos; but MPF can also stimulate its own destruction (through stimulation of APC activity; APC destroys cyclin of MPF, turning off MPF).  Thus, the second rise in MPF is due to a decrease in MPF (APC destruction of the initial peak of MPF) and then inhibition of APC by both CSF and Bub 1. To be fertilizable, the cell must reach this second Meiosis II stage (MII).  There are many changes (such as calcium store development, development of connections between cortical calcium stores and the plasma membranes, etc) that take place during oocyte maturation to the egg that leads to successful fertilization.  In addition, note that rise in Cytostatic Factor (CSF) activity at MI.  CSF keeps MPF activity high (because it inhibits the degradative system called APC) and the cell arrests in meiosis II.  Normally, APC would destroy MPF activity and this allows meiosis to finish.  Since MPF activity has to decrease to allow anaphase to begin, if MPF is maintained high by CSF, the cell arrests in metaphase II of meiosis (MII). Only when the cell is fertilized, and the calcium level increases, is CSF destroyed.  MPF activity then decreases and the zygote is allowed to finish meiosis.  How does insulin work? It is believed that it enters at the level of MEK.

Cicline, CDK e altre kinasi nella meiosi dell’ovocita La regolazione della meiosi è molto più complessa di quanto non sia qui spiegata!

MAPK nella meiosi dell’ovocita Le kinasi hanno un ruolo molto importante nella regolazione di tutti gli stadi della meiosi, in particolare la kinasi mos che è al vertice della cascata di kinasi

Alcune kinasi si localizzano in siti specifici nel corso di mitosi e meiosi; in meiosi la kinasi Aurora (in rosso) ha probabilmente il ruolo di regolare il corretto rapporto tra microtubuli e cinetocore che consente di tenere uniti i cromatidi fratelli in meiosi I. La stessa kinasi sembra importante per l’attivazione di mos.

Due meccanismi per spiegare il ruolo della sintesi proteica, indispensabile per la ripresa della meiosi I