wprowadzenie

aby umożliwić wzrost i naprawę z ludzkiego ciała starsze starzejące się komórki muszą zostać usunięte i zastąpione młodszymi, bardziej wydajnymi. Sercem tego procesu jest podział komórek, który jest niezbędny nie tylko dla utrzymania ciała fizycznego, ale także dla zapewnienia dziedziczenia genów i różnorodności genetycznej.

stan strumienia

powszechnym błędem jest przekonanie, że po uformowaniu się narządy ciała pozostają statyczne, stopniowo zanikając wraz z wiekiem. W rzeczywistości większość tkanek tworzących narządy znajduje się w stałym stanie zmian, ponieważ starsze komórki ulegają apoptozie (programowana śmierć komórki), zanim zostaną rozbite i zastąpione nowymi (Elmore, 2007).

sercem tego procesu wymiany komórkowej jest podział komórek, który zapewnia ciągłe dostarczanie młodych „komórek potomnych” w celu zastąpienia ich zużytych „rodziców”. Ta wymiana starzejących się komórek zapewnia optymalne funkcjonowanie narządów przez całe nasze życie, chociaż w końcu proces starzenia się zacznie zbierać swoje żniwo.

komórki w różnych częściach ciała są odnawiane w różnym tempie; na przykład komórki nabłonkowe i neutrofile dzielą się szybko, podczas gdy hepatocyty i adipocyty dzielą się powoli. Uważa się, że kilka typów komórek, takich jak niektóre neurony i komórki soczewki oka, trwa całe życie. Oznacza to, że różne tkanki i narządy mają różny wiek (Ramka 1).

interfaza

w dowolnym momencie większość komórek w organizmie nie jest w stanie aktywnego podziału, ale w interfazie – stabilnym stanie między fazami podziału komórki. Jest to czas, kiedy komórki rosną, dojrzewają i wykonują swoje normalne funkcje fizjologiczne. Typowa komórka ludzka spędza około 95% swojego czasu w interfazie (Cooper and Hausman, 2015).

podczas interfazy jądro komórki ma wygląd ziarnisty z powodu obecności chromatyny (więcej szczegółów w części 1). W tym czasie kwas deoksyrybonukleinowy (DNA) jest dość luźno ułożony, bez widocznych chromosomów w otoczce jądrowej. Tuż przed podziałem komórki następuje replikacja DNA-zapewnia to, że identyczna Kopia planu genetycznego (genomu) może zostać przekazana przyszłym komórkom potomnym.

replikacja DNA

pierwszy artykuł z tej serii zbadał parowanie zasad nukleotydów i opisał komplementarną naturę zasad purynowych i pirymidynowych (Knight and Andrade, 2018). Zasada parowania baz komplementarnych DNA jest następująca:

• adenina zawsze paruje z tyminą (A-T)
• cytozyna zawsze paruje z guaniną (C-G)

to komplementarne parowanie zasad stanowi podstawę replikacji DNA podczas interfazy.

replikacja DNA polega na dwóch enzymach komórkowych:

• Helicase – rozwija małą część podwójnej helisy DNA, czyniąc ją jednoniciową. Proces ten jest często opisywany jako analogiczny do cofania zip; gdy DNA jest jednoniciowe, Zasady nukleotydowe nici macierzystej są odsłonięte;
• polimeraza DNA-wypełnia odsłonięte luki za pomocą komplementarnych zasad parowania. Rezultatem są dwie nowe nici potomne DNA, które są genetycznie identyczne z nicią macierzystą.

replikacja DNA jest często określana jako „pół-konserwatywna”, ponieważ każda podwójna helisa potomnego DNA będzie miała jedną nić pochodzącą z oryginalnej macierzystej helisy i jedną zupełnie nową nić zbudowaną z nukleotydów, które zostały rozcięte w ich komplementarne pozycje parowania zasad przez polimerazę DNA (Fig.

proces replikacji DNA jest niezwykle szybki i często występują przypadkowe błędy. Polimerazy DNA mają zdolność „korekty”, która pozwala im dwukrotnie sprawdzić nowe nici potomne pod kątem dokładności i skorygować wszelkie błędy (Reha-Krantz, 2010); jednak błędy są czasami pomijane, potencjalnie skutkując mutacjami genetycznymi, które mogą prowadzić do różnych chorób, w tym nowotworów złośliwych.

mitoza

podział komórek następuje poprzez mitozę lub mejozę. Mitoza, często określana jako „normalny” podział komórek, jest niezbędna do wzrostu i naprawy ludzkiego ciała. Większość jądrzastych komórek ludzkich ma 46 chromosomów widocznych podczas podziału komórki – jest to tzw. liczba diploidalna (patrz część 1). Podczas mitozy, liczba diploidalna jest rygorystycznie utrzymywana i, pod warunkiem, że nie ma błędów replikacji DNA, wszystkie komórki potomne otrzymują dopełnienie DNA identyczne jak w komórkach macierzystych.

mitoza występuje w czterech stadiach: profazy, metafazy, anafazy i telofazy (ryc. 2).

profaza

w przypadku profazy prawidłowa transkrypcja i translacja DNA wymaganego do syntezy białek (patrz część 3) zatrzymuje się i luźno ułożone DNA w jądrze, charakterystyczne dla interfazy, zostaje ściśle zwinięte przez enzymy, w tym topoizomerazy polimerazy DNA. Powoduje to kondensację DNA w chromosomach (patrz część 1).

pojawienie się chromosomów w jądrze podczas profazy wskazuje na rychły podział komórek. Na tym etapie, ponieważ DNA zostało już zreplikowane, każdy chromosom składa się z dwóch identycznych chromatyd siostrzanych (dokładnych kopii replikowanego chromosomu) połączonych w Regionie Centralnym, centromerze.

błona jądrowa stopniowo rozpada się, pozostawiając chromosomy pływające swobodnie w cytoplazmie.

Metafaza

organelle cytoplazmatyczne zwane centriolami wytwarzają cienkie kurczliwe wrzecionowate kanaliki, które są przymocowane do każdego chromosomu w jego centromerze, tworząc rusztowanie. Centriole i kanaliki wrzecionowate kierują każdy chromosom do regionu centralnego (równika) komórki.

anafaza

kurczą się kanaliki wrzecionowate, Odciągając w ten sposób każdą chromatydę od swojej identycznej siostry i w kierunku przeciwległych biegunów komórki.

Telofaza

rozdzielone chromatydy są teraz izolowane na dwóch przeciwległych biegunach komórki, gdzie tworzą dwa zestawy po 46 chromosomów każdy. Wokół każdego diploidalnego zestawu chromosomów zaczynają powstawać nowe błony jądrowe. Cytoplazma między dwoma nowymi jądrami zaczyna się rozszczepiać w procesie zwanym cytokinezą, który ostatecznie prowadzi do całkowitego rozdzielenia na dwie nowe komórki.

Cytokineza zapewnia, że każda komórka potomna otrzymuje część cytoplazmy, w tym jej podstawowe organelle, takie jak mitochondria i retikulum endoplazmatyczne. Zapewnia to, że każda nowa komórka ma wewnątrzkomórkowe składniki do budowy własnych cząsteczek i podjęcia metabolizmu komórkowego, pozwalając jej rosnąć, dojrzewać i przetrwać niezależnie.

stopniowo chromosomy w każdym jądrze stają się mniej wyraźne w miarę ich kondensacji, w wyniku czego powstaje mniej gęsto ułożone DNA. Ziarnisty wygląd nukleoplazmy zostaje przywrócony, co wskazuje, że komórka powraca do interfazy. Sekwencje genów zakodowane w luźno ułożonym DNA w jądrze mogą być teraz swobodnie transkrybowane do kwasu rybonukleinowego (RNA) i ostatecznie przekształcane w białka, które umożliwiają wzrost komórkowy i napędzają metabolizm komórkowy (patrz część 3).

Kontrola mitozy

mitoza jest monitorowana za pomocą szeregu „punktów kontrolnych”, które zapewniają dokładną koordynację każdego etapu podziału komórek. Niestety, nawet przy rygorystycznych mechanizmach kontroli jakości, proces podziału komórek może stać się rozregulowany i niekontrolowany, co czasami prowadzi do złośliwości (British Society for Cell Biology).

mejoza

inny rodzaj podziału komórek, mejoza, dotyczy tylko komórek germinalnych w jądrach i jajnikach. Jest ona niezbędna do tworzenia GAMET – plemników i komórek jajowych – i jest odpowiedzialna za wprowadzenie zmienności genetycznej poprzez „tasowanie” naszej „talii genów”, zapewniając, że geny przenoszone przez plemniki i komórki jajowe są wysoce zmienne.

podczas mejozy diploidalna liczba chromosomów (46) jest zmniejszana o połowę, aby zapewnić plemnikom i komórkom jajowym haploidalną liczbę chromosomów (23), tak że podczas zapłodnienia, gdy plemnik haploidalny przenika do haploidalnej komórki jajowej, liczba diploidalna zostaje przywrócona. Zapewnia to również, że każde potomstwo otrzymuje mniej więcej połowę swoich genów od matki, a połowę od ojca. W przeciwieństwie do tego, co dzieje się w mitozie, komórki potomne nie otrzymują identycznego dopełniacza DNA z komórek macierzystych.

mejoza występuje w dwóch fazach, mejoza I (ryc. 3) i mejoza II (ryc. 4), z których każda obejmuje cztery etapy (profazę, metafazę, anafazę i telofazę).

mejoza i

profaza I. podobnie jak w mitozie, replikacja DNA zachodzi podczas interfazy, więc na początku profazy i każdy chromosom składa się z dwóch identycznych chromatyd. W każdej z 23 par chromosomów obecnych w naszych komórkach, jeden chromosom będzie pochodził od matki, a jeden od ojca. Te homologiczne chromosomy łączą się bardzo ściśle, pozwalając segmentom sąsiadujących chromatyd siostrzanych na zamianę w procesie zwanym „crossing over”. Podczas przekraczania, odcinki chromosomów matczynych i ojcowskich są cięte, wymieniane i łączone na miejscu, z otrzymanymi nowymi chromosomami o różnym asortymencie genów. Proces ten zapewnia zmienność genetyczną i jest w dużej mierze odpowiedzialny za różnorodność genetyczną i fizyczną w populacji. Po przekroczeniu, koperta jądrowa stopniowo rozpada się, pozostawiając chromosomy zawieszone w cytoplazmie.

Metafaza I. Kanaliki wrzecionowate tworzą się i przyczepiają do chromosomów w ich centromerach. Chromosomy są przenoszone do centralnego regionu komórki (równika).

anafaza I. kanaliki wrzecionowate kurczą się, oddzielając każdy członek każdej homologicznej pary chromosomów do przeciwnych biegunów w komórce. Rozmieszczenie chromosomów matczynych i ojcowskich podczas metafazy I, a następnie ich segregacja podczas anafazy I, jest całkowicie przypadkowe. Ten niezależny asortyment chromosomów zapewnia, że plemniki i komórki jajowe otrzymują dobrą mieszankę chromosomów matki i ojca.

Telofaza I. Liczba chromosomów na każdym biegunie komórki została zmniejszona o połowę z 46 (Liczba diploidalna) do 23 (liczba haploidalna). Nowa błona jądrowa stopniowo tworzy się wokół każdego haploidalnego zestawu chromosomów, a cytokineza prowadzi do rozszczepienia cytoplazmy. Ostatecznie powstają dwie nowe haploidalne komórki potomne.

mejoza II

każda nowa haploidalna komórka potomna przechodzi teraz drugą fazę podziału komórek, mejozę II (ryc. Etapy mejozy II są w większości identyczne jak w przypadku mitozy:

• profaza II – rozpada się błona jądrowa, pozostawiając chromosomy zawieszone w cytoplazmie;
• Metafaza II – tworzą się kanaliki wrzecionowe, przyłączają się do centromeru każdego chromosomu i manewrują chromosomami w Region równikowy;
• anafaza II – kanaliki wrzecionowe kurczą się, ciągnąc każdą chromatydę poza jej siostrzaną chromatydą w kierunku przeciwnych biegunów komórki;
• Telofaza II – wokół każdego chromosomu tworzy się nowa otoczka jądrowa haploidalny zestaw chromosomów, a cytokineza powoduje rozszczepienie komórki; w ten sposób powstają dwie nowe haploidalne komórki potomne.

tworzenie gamety

u mężczyzn plemniki powstają w kanalikach nasiennych jąder. Komórki germinalne w jądrach (spermatogonia) powodują powstanie diploidalnych spermatocytów pierwotnych, które następnie ulegają mejozie, w wyniku czego powstają cztery haploidalne plemniki. Dorosłe samce produkują ogromne ilości plemników w tempie 80-300 milionów dziennie.

liczba komórek jajowych wytwarzanych przez kobiety w okresie rozrodczym jest znacznie niższa. Komórki germinalne jajników (oogonia) powodują powstanie diploidalnych pierwotnych oocytów, które następnie przechodzą mejozę, tworząc haploidalne komórki jajowe (oocyty). Około dwóch milionów komórek jajowych jest obecnych przy urodzeniu, ale większość z nich stopniowo degeneruje się z wiekiem. Oznacza to, że w ciągu swoich płodnych lat kobieta uwolni średnio około 400 żywych komórek jajowych (VanPutte et al, 2017).

Niedysponowanie

kluczową funkcją mejozy jest tworzenie GAMET, które mają haploidalną liczbę 23 chromosomów. Z wiekiem separacja chromosomów homologicznych, która występuje podczas mejozy, staje się mniej wydajna, co oznacza, że dodatkowe chromosomy mogą być przenoszone do GAMET. Zjawisko to nazywa się niedyspozycją.

niedojrzałość często powoduje, że komórki jajowe starszych kobiet mają dodatkową kopię chromosomu 21. Gdy komórka plemnikowa zapłodni taką komórkę jajową, dostarczy własną kopię chromosomu 21, co spowoduje trisomię 21 i dziecko z zespołem Downa (patrz część 1).

chociaż wiek matki jest powszechnie cytowany jako główny czynnik ryzyka posiadania dziecka z zaburzeniami chromosomowymi, obecnie uznaje się, że zespół Downa i inne przykłady aneuploidii (dodatkowe lub brakujące chromosomy) również rutynowo występują w wyniku niedyspozycji podczas tworzenia plemników.

chociaż wiek matki jest powszechnie wymieniany jako główny czynnik ryzyka posiadania dziecka z zespołem Downa lub innymi rodzajami aneuploidii, teraz wiemy, że wiek ojca jest również czynnikiem ryzyka, ponieważ te warunki genetyczne występują również w wyniku niedysponowania podczas tworzenia plemników (US National Down Syndrome Society). Obecne dowody wskazują, że około 90% przypadków trisomii 21 wynika z dodatkowej kopii chromosomu 21 w komórce jajowej, około 4% z dodatkowej kopii w plemniku, a pozostałe przypadki z błędów w podziale komórek podczas rozwoju prenatalnego (US National Institute of Child Health and Human Development).

wnioski

geny są podstawowymi jednostkami dziedziczenia. Krzyżowanie się chromosomów podczas mejozy i niezależny wybór chromosomów zapewnia, że plemniki i komórki jajowe mają losową kombinację genów odziedziczonych po matce i ojcu. Gwarantuje to różnorodność genetyczną. Geny ostatecznie kodują informacje do budowy białek, które budują nasze ciała i enzymów, które kontrolują naszą biochemię. Część 3 będzie badać translację sekwencji DNA do białek.

• po przeczytaniu tego artykułu sprawdź swoją wiedzę z NT Self-assessment. Jeśli uzyskasz 80% lub więcej, możesz pobrać spersonalizowany certyfikat i przechowywać w swoim portfolio NT jako dowód CPD do rewalidacji
• weź samoocenę NT do tego artykułu