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
