Mejoza, gametogeneza i oplođenje
Stranica Rekombinacija i krosingover je već detaljno opisala šta se dešava unutar profaze I mejoze - sinapsu, sinaptonemalni kompleks, krosingover. Stranica Numeričke hromozomske aberacije je opisala šta se dešava kad mejoza I ili II PUKNE (nedisjunkcija). Ova stranica popunjava prazninu između njih dvije - kako izgleda NORMALAN tok mejoze, i kako se ona ugrađuje u proizvodnju polnih ćelija kod žena i muškaraca.
Mejoza I — reduciona dioba. Mejozi prethodi interfaza (G1, S, G2), ista kao kod mitoze - u S fazi se svaki hromozom udvostruči u dva sestrinska hromatida, povezana kohezinom na centromeri. U profazi I se homologni hromozomi upare (sinapsa, puna razrada na stranici o rekombinaciji) i formiraju tetrade - strukture od četiri hromatida, vidljive tek pošto ih chijazme drže na okupu. U prometafazi I se mikrotubuli vretena vežu za kinetohore, sa po jednim homologom svake tetrade okrenutim ka svakom polu. U metafazi I se tetrade nasumično raspoređuju duž ekvatorijalne ravni - koji će homolog (majčinski ili očinski) biti okrenut ka kom polu je slučajno, i nezavisno je za svaku od 23 tetrade (puna razrada u nastavku). U anafazi I se razdvajaju HOMOLOGNI hromozomi, ne sestrinski hromatidi - svaki i dalje nosi dva hromatida, samo se sad razilaze na dva pola. Krajnji rezultat, poslije telofaze I, su dvije ćelije koje su haploidne po BROJU RAZLIČITIH hromozoma (23, po jedan iz svakog para), iako svaki od njih još uvijek ima dva sestrinska hromatida - upravo zato se mejoza I zove reduciona dioba: ona prepolovi broj hromozoma, ne broj hromatida.
Mejoza II. Za razliku od mejoze I, mejoza II NIJE reduciona dioba - mehanika joj je slična mitozi, samo što svaka ćelija koja se dijeli kreće od haploidnog, ne diploidnog broja hromozoma - nema nove S faze, hromozomi se ne repliciraju iznova. U profazi II se hromozomi ponovo kondenzuju i formira se novo vreteno; u metafazi II se sestrinski hromatidi poravnaju na ekvatoru; u anafazi II se konačno razdvajaju SESTRINSKI HROMATIDI, isto kao u mitotičkoj anafazi. Rezultat su četiri jedinstvene haploidne ćelije - haploidne i po broju hromozoma i po broju hromatida.
Nezavisno raspoređivanje — drugi, samostalan izvor raznolikosti. Pored krosingovera (koji mijenja SADRŽAJ pojedinačnog hromozoma razmjenom segmenata unutar homolognog para), postoji i potpuno odvojen mehanizam: nasumična orijentacija CIJELIH homolognih hromozoma (kakvi god da jesu nakon krosingovera koji se već desio u profazi I) jednih naspram drugih u metafazi I. Pošto je za svaku od 23 tetrade podjednako vjerovatno da će majčinski ili očinski primjerak biti okrenut ka datom polu, i pošto je orijentacija svake tetrade nezavisna od orijentacije ostalih, broj mogućih kombinacija je 2 na broj parova - kod čovjeka 2 na 23, preko osam miliona genetički različitih gameta, i to i bez računanja dodatne varijacije koju unosi krosingover. Efekti ova dva mehanizma se sabiraju, ne preklapaju - zajedno čine da su dvije haploidne ćelije nastale istom mejozom praktično uvijek genetički različite.
Oogeneza. Kod žena proces počinje davno prije rođenja: oogonije umnožavanjem mitozom daju i do sedam miliona primarnih oocita na vrhuncu, oko 20. sedmice gestacije - svaki od njih uđe u mejozu I i odmah bude zaustavljen - unutar profaze I, tačnije u njenom produženom diploten stadijumu (kod oocita nazvanom dictyate). U tom zastoju oocit ostaje decenijama, sve do puberteta, kada svakim ciklusom po jedan (ili nekoliko) nastavi mejozu. Nastavak mejoze I je NEJEDNAK - gotovo sva citoplazma i organele idu u jednu ćeliju (sekundarni oocit), dok druga (prvo polarno tijelo) dobija samo mali dio citoplazme i obično propadne. Sekundarni oocit odmah biva zaustavljen po drugi put, sad u metafazi II, i ostaje tu sve do ovulacije i eventualnog oplođenja - tek ako do njega dođe, mejoza II se završava, dajući zrelu jajnu ćeliju i drugo polarno tijelo. Ovaj proces je izrazito rasipnički: od tih sedam miliona na vrhuncu, rođenjem ostane samo 1-2 miliona, pubertetom oko 300.000, a tokom cijelog života se ovulira svega 400-500.
Spermatogeneza. Kod muškaraca je obrazac potpuno drugačiji - kontinuiran, ne epizodičan. Spermatogonije su prisutne pri rođenju, ali neaktivne sve do puberteta, kad ih hormoni prednje hipofize aktiviraju i pokrenu proizvodnju koja traje do starosti. Svaki primarni spermatocit prolazi kroz mejozu I i II JEDNAKIM diobama citoplazme, dajući na kraju četiri ravnopravna, funkcionalna spermatida - koji potom kroz spermiogenezu (rast flagele, sazrijevanje bez daljih dioba) postaju zreli spermatozoidi. Cijeli proces traje oko 74 dana, a testisi dnevno proizvode 200-300 miliona spermatozoida.
Zašto starost majke povećava rizik nedisjunkcije. Stranica o brojnim aberacijama je već pomenula da rizik nedisjunkcije raste sa starošću roditelja - ovdje je mehanizam koji to objašnjava, specifičan za majku. Kohezin, protein koji drži sestrinske hromatide (i indirektno, preko chijazmi, homologne hromozome) povezanim sve do trenutka razdvajanja, mora izdržati koliko god dugo oocit ostane zaustavljen u dictyate zastoju - a to može biti i nekoliko decenija. Sa starenjem, količina funkcionalnog kohezina u oocitu opada, pa hromozomi/hromatidi gube čvrstinu veze koja ih pravilno usmjerava tokom diobe - upravo taj gubitak objašnjava zašto stariji oocit ima veći rizik da nedisjunkcija poremeti mejozu kad se konačno nastavi. Zanimljivo, ovo se dešava UPRKOS tome što je stopa krosingovera (koja bi teorijski trebalo da POMAŽE pravilnoj segregaciji, jačajući vezu chijazmama) viša u oogenezi nego u spermatogenezi - efekat decenijskog starenja kohezina očigledno nadjačava tu prednost.
Oplođenje. Spermatozoid se veže za zonu pellucidu koja okružuje jajnu ćeliju, što pokreće akrozomalnu reakciju - oslobađanje enzima koji razgrađuju omotače oko oocita i omogućavaju fuziju membrana. Jedro spermatozoida ulazi u oocit, ali NE i njegove mitohondrije - zato se mitohondrijalna DNK nasljeđuje isključivo od majke. Odmah po fuziji sa prvim spermatozoidom, jajna ćelija mijenja svoju membranu da spriječi ulazak bilo kog drugog - ovaj blok protiv polispermije je upravo ono što, kad zakaže, dovodi do dispermije i triploidije, već opisane na stranici o brojnim aberacijama.
Česta zabuna
Čest je utisak da "haploidna ćelija" znači da svaki njen hromozom ima samo jedan hromatid. Poslije mejoze I to nije tačno: ćelija JESTE haploidna po broju RAZLIČITIH hromozoma (23), ali svaki od njih se i dalje sastoji od dva sestrinska hromatida sve do mejoze II.
Druga zabuna je tretiranje mejoze I i mejoze II kao "iste vrste diobe, samo dvaput". Funkcionalno su različite: mejoza I je reduciona (razdvaja homologne hromozome, prepolovi broj hromozoma, jedinstvena mejozi - nema ekvivalent u mitozi), mejoza II je ekvaciona (razdvaja sestrinske hromatide, mehanički skoro identična mitozi, samo počev od haploidnog broja).
Treća zabuna je da oogeneza i spermatogeneza proizvode podjednako po četiri funkcionalne gamete iz svakog pokrenutog ciklusa. Spermatogeneza zaista daje četiri ravnopravna spermatozoida. Oogeneza matematički takođe daje četiri ćelije, ali samo jedna je funkcionalna jajna ćelija - preostale tri su polarna tijela koja propadaju, posljedica namjerno nejednake diobe citoplazme.
Klinička korelacija
Decenijski dictyate zastoj objašnjava zašto rizik hromozomske greške kod djeteta raste sa starošću majke znatno izraženije nego sa starošću oca - svaki oocit koji žena ovulira u četrdesetim godinama je bio zaustavljen u mejozi I gotovo koliko i sama žena ima godina, dok se spermatozoidi proizvode kontinuirano, u ciklusima od svega mjesec i po. Ovo je mehanistička osnova preporuke da se prenatalno testiranje na trizomije (već opisano na stranici o brojnim aberacijama) posebno razmatra kod trudnica starije životne dobi.
Izvori
- OpenStax Biology, 1. izdanje (2016), pog. 11.1 (The Process of Meiosis) i pog. 43.3 (Human Reproductive Anatomy and Gametogenesis) - primarni izvor za faze mejoze I/II, formulu nezavisnog raspoređivanja (2 na 23), i osnovni tok oogeneze/spermatogeneze
- StatPearls (NCBI Bookshelf): "Genetics, Female Gametogenesis" - primarni izvor za mehanizam degradacije kohezina tokom dictyate zastoja kao objašnjenje veze starosti majke i nedisjunkcije
- Wikipedia: Meiosis (podfaze profaze I - leptoten/zigoten/pahiten/diploten/diakineza, dictyate kao produženi diploten), Oogenesis, Spermatogenesis, Fertilisation - unakrsna provjera i dopuna konkretnim brojkama koje OpenStax ne navodi (broj primarnih oocita kroz život, trajanje spermatogeneze, mehanika oplođenja)
