Синапс и рекомбинация в мейозе: биологические механизмы и значение.

Введение

Биологический феномен в мейозе

Синапс или сизигия – это объединение двух хромосом, происходящее во время мейоза. Он обеспечивает сопоставление гомологичных пар перед их сегрегацией и возможность кроссинговера между ними. Синапс происходит в профазе I мейоза. Когда гомологичные хромосомы вступают в синапс, их концы сначала прикрепляются к ядерной оболочке. Затем эти концевые мембранные комплексы мигрируют при помощи внеядерного цитоскелета, пока соответствующие концы не будут соединены. После этого промежуточные участки хромосом сближаются и могут быть связаны белково-ДНК комплексом, называемым синаптонемальным комплексом. Во время синапса аутосомы удерживаются вместе синаптонемальным комплексом по всей длине, в то время как для половых хромосом это происходит только на одном конце каждой хромосомы. Это не следует путать с митозом. Митоз также имеет профазу, но обычно не предполагает объединения двух гомологичных хромосом. Когда несестринские хроматиды переплетаются, сегменты хроматид с похожей последовательностью могут распадаться и обмениваться в процессе, известном как генетическая рекомбинация или «кроссинговер». Этот обмен образует хиазму – область, имеющую форму буквы X, где две хромосомы физически соединены. По крайней мере одна хиазма на хромосому часто необходима для стабилизации бивалентов вдоль метафазной пластинки во время разделения. Кроссинговер генетического материала также обеспечивает возможную защиту от механизмов «убийства хромосом», устраняя различие между «собственным» и «чужим», посредством которого такой механизм может функционировать. Дальнейшим следствием рекомбинантного синапса является увеличение генетической изменчивости у потомства. Повторная рекомбинация также в целом позволяет генам перемещаться независимо друг от друга из поколения в поколение, обеспечивая независимую концентрацию полезных генов и удаление вредных. После синапса часто происходит тип рекомбинации, называемый рекомбинацией с зависимостью от синтеза нитей (SDSA). Рекомбинация SDSA включает обмен информацией между сопряженными несестринскими гомологичными хроматидами, но не физический обмен. Рекомбинация SDSA не вызывает кроссинговер. Как кроссоверные, так и некроссоверные типы рекомбинации функционируют как процессы восстановления повреждений ДНК, особенно двунитевых разрывов (см. Генетическая рекомбинация). Таким образом, центральная функция синапса заключается в идентификации гомологов путем их объединения – это важный этап для успешного мейоза. Процессы восстановления ДНК и образования хиазм, происходящие после синапса, имеют последствия на многих уровнях, от выживания клеток до влияния на саму эволюцию.

Synapsis or Syzygy is the pairing of two chromosomes that occurs during meiosis. It allows matching up of homologous pairs prior to their segregation, and possible chromosomal crossover between them. Synapsis takes place during prophase I of meiosis. When homologous chromosomes synapse, their ends are first attached to the nuclear envelope. These end membrane complexes then migrate, assisted by the extranuclear cytoskeleton, until matching ends have been paired. Then the intervening regions of the chromosome are brought together, and may be connected by a protein DNA complex called the synaptonemal complex. During synapsis, autosomes are held together by the synaptonemal complex along their whole length, whereas for sex chromosomes, this only takes place at one end of each chromosome. This is not to be confused with mitosis. Mitosis also has prophase, but does not ordinarily do pairing of two homologous chromosomes. When the non sister chromatids intertwine, segments of chromatids with similar sequence may break apart and be exchanged in a process known as genetic recombination or "crossing over". This exchange produces a chiasma, a region that is shaped like an X, where the two chromosomes are physically joined. At least one chiasma per chromosome often appears to be necessary to stabilise bivalents along the metaphase plate during separation. The crossover of genetic material also provides a possible defences against 'chromosome killer' mechanisms, by removing the distinction between 'self' and 'non self' through which such a mechanism could operate. A further consequence of recombinant synapsis is to increase genetic variability within the offspring. Repeated recombination also has the general effect of allowing genes to move independently of each other through the generations, allowing for the independent concentration of beneficial genes and the purging of the detrimental. Following synapsis, a type of recombination referred to as synthesis dependent strand annealing (SDSA) occurs frequently. SDSA recombination involves information exchange between paired non sister homologous chromatids, but not physical exchange. SDSA recombination does not cause crossing over. Both the non crossover and crossover types of recombination function as processes for repairing DNA damage, particularly double strand breaks (see Genetic recombination). The central function of synapsis is therefore the identification of homologues by pairing, an essential step for a successful meiosis. The processes of DNA repair and chiasma formation that take place following synapsis have consequences at many levels, from cellular survival through to impacts upon evolution itself.

Хромосомная тишина

У млекопитающих механизмы контроля удаляют мейотические клетки с дефектным синапсом. Один из таких механизмов контроля – мейотическое умолкание, которое включает транскрипционное подавление генов на асинаптированных хромосомах. Любой участок хромосомы, как у самцов, так и у самок, который остается асинаптированным, подвергается мейотическому умолканию. ATR, BRCA1 и gammaH2AX локализуются на неспаренных хромосомах на стадии пахитены мейоза в человеческих яйцеклетках, что может приводить к умолканию хромосом. Белок, участвующий в реакции на повреждение ДНК, TOPBP1 также был идентифицирован как ключевой фактор в мейотическом умолкании половых хромосом. Таким образом, синапс у дрозофилы не зависит от мейотической рекомбинации, что соответствует представлению о том, что синапс является предварительным условием, необходимым для инициации мейотической рекомбинации. Мейотическая рекомбинация также не требуется для синапса гомологичных хромосом у нематоды Caenorhabditis elegans.