Meios

Meios är den specialiserade celldelning som genom en enda DNA-replikation och två successiva kärndelningar reducerar kromosomuppsättningen från diploid till haploid och samtidigt skapar genetisk variation. Korrekt homolog rekombination och kromosomsegregation är avgörande för bildningen av funktionella gameter, medan fel är en central orsak till aneuploidi, infertilitet och tidig graviditetsförlust.

Definition, biologisk funktion och terminologi

Meios förekommer hos eukaryoter med sexuell fortplantning. En premeiotisk S-fas följs av två divisioner: meios I, där homologa kromosomer skiljs åt, och meios II, där systerkromatiderna separeras. Meios I kallas reduktionsdelning eftersom ploidin minskar från diploid till haploid. Meios II är en ekvationell delning, eftersom systerkromatider fördelas utan ytterligare reduktion av antalet kromosomuppsättningar.

En homolog kromosom är den ena av två kromosomer med motsvarande loci och övergripande struktur i en diploid cell; den ena är vanligen maternellt och den andra paternellt nedärvd. Homologer är inte identiska, eftersom de kan bära olika alleler. En systerkromatid är däremot en av de två DNA-kopior som uppstår när en enskild kromosom replikeras. Systerkromatider hålls samman av cohesinkomplex, särskilt vid centromeren.

Under profas I förenas de replikerade homologerna till en bivalent. Eftersom bivalenten innehåller två homologer med två systerkromatider vardera används även termen tetrad. Synaps betecknar den täta, längsgående parningen av homologerna genom det synaptonemala komplexet. Ett chiasma är den cytologiskt synliga förbindelse som efter synapsen motsvarar en genomförd crossover mellan icke-systerkromatider.

Diploidi, 2n, innebär två homologa kromosomuppsättningar, medan haploidi, n, innebär en uppsättning. Hos människan är 2n = 46 och n = 23. Meiosen producerar haploida gameter, och vid befruktningen förenas två sådana kärnor till en diploid zygot. Växlingen mellan meios och befruktning hindrar därmed att kromosomantalet fördubblas för varje generation.

Kromosomtal, ploidi och DNA-innehåll genom meiosen

Notationerna n och C beskriver olika egenskaper. n anger antalet kromosomuppsättningar, medan C anger DNA-mängden relativt ett haploidgenom. Kromosomer räknas efter antalet centromerer, inte efter antalet kromatider eller DNA-molekyler. Därför ändrar DNA-replikation inte kromosomantalet eller ploidin.

Efter S-fasen består var och en av människans 46 kromosomer av två systerkromatider. Cellen har alltså 92 kromatider och 92 linjära dubbelsträngade DNA-molekyler, men fortfarande 46 kromosomer och två homologa kromosomuppsättningar. Centromeren för varje replikerad kromosom räknas funktionellt som en enhet fram till systerkromatidseparationen.

Efter meios I har varje dottercell fått en homolog från varje par. Cellen är därför haploid, n, men varje kromosom har fortfarande två kromatider och DNA-innehållet är 2C. Först i meios II separeras systerkromatiderna, som då räknas som självständiga kromosomer. Slutprodukterna är n, 1C.

Meiotiskt inträde och premeiotisk interfas

Innan meiosen börjar prolifererar könscellsprekursorer mitotiskt. Inträdet i meios innebär ett byte från ett mitotiskt program till ett differentierat program för homologparning, programmerade DNA-brott, rekombination och två på varandra följande divisioner. Beslutet regleras av könscellens utvecklingsstadium och av signaler från den gonadala mikromiljön.

Hos däggdjur deltar retinoidsignalering och transkriptionsfaktorerna STRA8 och MEIOSIN i aktiveringen av meiosspecifika gener. Retinoidsignaleringens exakta betydelse skiljer sig dock mellan kön, utvecklingsstadier och arter. Resultat från musmodeller kan därför inte utan vidare överföras till human fosterutveckling. Även RNA-bindande proteiner och posttranskriptionell reglering är viktiga, särskilt under den långa meiotiska profasen.

Den premeiotiska S-fasen duplicerar genomet och etablerar systerkromatidkohesion. Cohesin laddas så att systerkromatiderna kan hållas samman genom profas I och meios I. Efter S-fasen följer en lång G2-liknande profas I, men ingen ordinär mitotisk G2 med omedelbart inträde i mitos.

Efter meios I kan en kort interkines förekomma. Denna får inte förväxlas med en fullständig interfas: någon ny S-fas sker inte. Förhindrandet av mellanliggande DNA-replikation är nödvändigt för att meios II ska kunna reducera DNA-innehållet från n, 2C till n, 1C.

Profas I: leptoten, zygoten, pachyten, diploten och diakines

Profas I är meiosens längsta och mest särpräglade fas. De redan replikerade homologerna organiseras längs proteinrika kromosomaxlar och bildar bivalenter med fyra kromatider. Förloppet delas cytologiskt in i fem stadier.

I leptoten framträder kromosomerna som tunna trådar. Cohesin och andra axelproteiner organiserar kromatinet i loopar förankrade vid längsgående axelelement. Samtidigt initieras SPO11-beroende dubbelsträngsbrott. Telomerer kan samlas i ett begränsat område av kärnmembranet, en så kallad bouquet-konfiguration, vilket underlättar homologsökning.

Under zygoten kommer homologerna närmare varandra och synapsen fortskrider längs kromosomerna. Det synaptonemala komplexets laterala, transversella och centrala komponenter fungerar som en blixtlåsliknande struktur mellan homologaxlarna. Felaktig synaps mellan icke-homologa segment måste undvikas eller korrigeras.

I pachyten är autosomala homologer normalt fullständigt synapserade. Rekombinationsintermediärerna bearbetas till crossover- eller non-crossoverprodukter. Själva DNA-utbytet är molekylärt och kan inte direkt ses i ett vanligt ljusmikroskop. Det ska skiljas från chiasmata, som blir tydliga först när det synaptonemala komplexet senare upplöses.

I diploten desynapserar homologerna längs merparten av sin längd men hålls ihop vid chiasmata. I kvinnlig human gametogenes kan detta stadium övergå i det långvariga diktyotena arresttillståndet. Under diakines kondenseras kromosomerna ytterligare, nukleolen försvinner, kärnmembranet bryts ned och den första meiotiska spolen organiseras.

Programmerade DNA-brott och homolog rekombination

Meiotisk rekombination inleds genom avsiktligt inducerade dubbelsträngsbrott. Det topoisomerasliknande enzymet SPO11 binder kovalent till DNA och katalyserar brotten. I en human meiocyt bildas minst omkring 200 sådana brott, betydligt fler än antalet slutliga crossovers.

Efter att SPO11 avlägsnats resekteras 5′-ändarna så att 3′-överhäng av enkelsträngat DNA bildas. Dessa täcks av rekombinaserna RAD51 och det meiosspecifika DMC1. Nukleoproteinfilamentet söker en homolog DNA-sekvens, vanligen på den homologa kromosomens icke-systerkromatid, invaderar duplexen och bildar en displacement loop. Den fria 3′-änden fungerar därefter som primer för DNA-syntes från den homologa mallen.

Fortsatt bearbetning kan bilda en dubbel Holliday-junktion. Beroende på hur intermediären löses upp uppstår en crossover, med ömsesidigt utbyte av flankerande kromosomsegment, eller en non-crossover. Vid synthesis-dependent strand annealing, SDSA, återgår den nysyntetiserade strängen till den ursprungliga kromatiden och resultatet blir normalt non-crossover.

Skillnader i heteroduplex-DNA kan korrigeras så att en allelsekvens kopieras över till den andra kromatiden utan ömsesidigt utbyte. Detta kallas genkonversion och kan ge avvikelser från den förväntade mendelska segregationens proportioner. Genkonversion kan förekomma både med och utan crossover.

Endast en minoritet av dubbelsträngsbrotten mognar till crossovers. I human meios ses i genomsnitt omkring 27 crossovers i spermatogenesen och 42 i oogenesen. Vanligen krävs minst en obligat crossover per bivalent för att skapa en stabil fysisk förbindelse och möjliggöra korrekt orientering i metafas I. För få, felplacerade eller alltför tätt liggande crossovers ökar risken för felaktig segregation.

Meios I: bivalentorientering och reduktionsdelning

I metafas I orienteras varje bivalent vid spolens ekvatorialplan. De två systerkinetokorerna på en homolog fungerar samordnat och riktas mot samma pol, medan den andra homologens kinetokorer riktas mot motsatt pol. Detta skiljer sig från mitos, där systerkinetokorerna bi-orienteras mot var sin pol.

Chiasmata distalt om cohesinbundna kromosomarmar gör att mikrotubulidrag från motsatta poler skapar mekanisk spänning över bivalenten. Spolkontrollpunkten övervakar kinetokor–mikrotubuli-anslutningen och fördröjer anafas om kromosomer är oanslutna eller felorienterade. Varje bivalent orienteras i princip oberoende av de andra.

Vid anafasstart aktiverar APC/C, anafasfrämjande komplexet/cyclosomen, proteolys av bland annat securin. Därmed frigörs proteaset separas, som klyver cohesin längs kromosomarmarna. Chiasmata kan då upplösas funktionellt och homologerna röra sig mot motsatta poler.

Centromerärt cohesin skyddas under meios I av shugoshin–PP2A, som motverkar cohesinets anafasförberedande fosforylering. Systerkromatiderna förblir därför förenade när homologerna separeras. Detta är reduktionsdelningens definierande händelse.

I telofas I kan kromosomerna delvis dekondenseras och kärnmembran återbildas. Cytokinesen kan vara fullständig eller ofullständig; under spermatogenesen kvarstår cytoplasmabryggor. Efter en eventuell interkines går de haploida n, 2C-cellerna vidare till meios II utan DNA-replikation.

Meios II: ekvationell separation av systerkromatider

Under profas II kondenseras kromosomerna på nytt om de har dekondenserats, kärnmembranet bryts ned och en ny spole bildas. Cellerna börjar meios II som haploida, n, 2C. Någon homolog synaps eller ny programmerad rekombination ska normalt inte ske.

I metafas II orienteras varje replikerad kromosom individuellt. Systerkinetokorerna får nu mikrotubulianslutningar från motsatta poler. Spänningen etableras alltså över systerkinetokorerna, som i mitos, snarare än över homologerna.

Vid övergången till anafas II aktiveras åter APC/C och separas. Skyddet av det centromerära cohesinet har upphört, varför det återstående cohesinet kan klyvas. Systerkromatiderna separeras och räknas därefter som självständiga kromosomer. Telofas II och cytokines ger slutligen kärnor med n, 1C.

Meios II är mekanistiskt mitoslik, men det genetiska utgångsläget är annorlunda. Cellen är redan haploid, någon föregående S-fas har inte inträffat efter meios I och kromatiderna kan innehålla olika kombinationer av maternella och paternella sekvenser. Systerkromatider behöver därför inte längre vara genetiskt identiska efter crossing-over och genkonversion.

Genetisk variation och koppling

Den oberoende fördelningen av kromosomer följer av bivalenternas slumpmässiga orientering i metafas I. För 23 humana kromosompar ger detta (2^{23}), cirka 8,4 miljoner, möjliga kombinationer av helt maternellt eller paternellt härledda kromosomer i en gamet, innan crossing-over beaktas.

Om två föräldrar vardera kan producera minst 8,4 miljoner sådana kombinationer ger slumpmässig befruktning cirka (2^{46}), omkring 70 biljoner, möjliga zygotkombinationer. Rekombinationen gör det verkliga antalet genetiskt olika gameter mycket större, eftersom en enskild kromosom kan vara en mosaik av sekvenser från båda homologerna.

Gener på samma kromosom är genetiskt kopplade. En crossover mellan två loci kan bryta kopplingen och minska kopplingsobalansen mellan alleler. Rekombinationsfrekvensen används därför för genetisk kartläggning. En centimorgan, 1 cM, definieras som 1 procents observerad rekombinationsfrekvens mellan två markörer.

Sambandet mellan genetiskt och fysiskt avstånd är inte konstant. Som grovt genomgenomsnitt har 1 cM ibland motsvarats av ungefär 1 Mb i människans genom, men lokalt kan avvikelsen vara stor. Rekombinations-hotspots kan ha mångfalt högre aktivitet än omgivande DNA, medan coldspots har låg aktivitet. Vid stora avstånd underskattas antalet crossovers dessutom eftersom multipla utbyten kan återställa markörernas parentala kombination.

Rekombinationslandskapet påverkas av kromosomstruktur, sekvensmotiv, kromatin och kön. Crossovers är ofta undertryckta nära centromerer, där de kan störa segregation, medan fördelningen nära telomerer skiljer sig mellan könen. Kvinnlig human meios har totalt omkring 1,6 gånger mer rekombination än manlig, men mönstret varierar mellan kromosomer och individer.

Molekylär kontroll och meiotiska kontrollpunkter

Cyklinberoende kinaser driver de meiotiska fasövergångarna. CDK1–cyklin B, ofta benämnt maturation-promoting factor i oocyter, främjar kärnmembransupplösning, kromosomkondensation och spolbildning. Cyklinsyntes, hämmande fosforylering och ubiquitinberoende proteolys gör aktiviteten pulsatil mellan profas, metafas och anafas.

APC/C initierar anafas genom att märka securin och cyklin B för proteasomal nedbrytning. Securinförlust aktiverar separas, medan minskad CDK-aktivitet bidrar till utträde ur metafas. Cohesin, shugoshin och PP2A gör det möjligt att använda samma separasmekanism två gånger men med olika substrattillgänglighet: armkohesin klyvs i meios I och centromerärt cohesin i meios II.

Den pachytena kontrollen övervakar homolog synaps och kvarstående DNA-brott. Om avsynapsade regioner eller oreparerade brott kvarstår kan progressionen fördröjas, cellen elimineras eller gametogenesen avbrytas. Hos spermatocyter är denna övervakning nära kopplad till hanteringen av X- och Y-kromosomernas osynapserade regioner.

Spolkontrollpunkten registrerar kinetokorer utan korrekt mikrotubulianslutning och hämmar APC/C. Felaktiga synteliska eller meroteliska anslutningar kan lossas och korrigeras, bland annat genom aurorakinasberoende mekanismer. I stora däggdjursoocyter kan kontrollpunkten tolerera enstaka felaktiga anslutningar bättre än i många somatiska celler. Detta har direkt betydelse för den höga oocytaneuploidin.

Efter meios I måste cellen gå direkt till en andra division utan att licensiera en ny S-fas. Kvarvarande eller återaktiverad CDK-aktivitet samt meiosspecifik reglering av replikationsursprung motverkar DNA-replikation. I vertebratoocyter bidrar cytostatisk faktor och MOS–MAPK-signalering till metafas II-arrest genom reglering av APC/C.

Meios vid spermatogenes

En primär spermatocyt har genomgått premeiotisk S-fas och är 2n, 4C. Meios I producerar två sekundära spermatocyter, vardera n, 2C. Dessa går snabbt genom meios II och bildar sammanlagt fyra haploida spermatider, n, 1C, vilka därefter differentierar genom spermiogenes utan ytterligare förändring av ploidin.

Cytokinesen är relativt symmetrisk men ofullständig. Cytoplasmabryggor förbinder cellerna inom en klon och möjliggör synkron utveckling samt utbyte av RNA och proteiner. Detta är särskilt betydelsefullt efter könskromosomsegregationen, eftersom X- respektive Y-bärande spermatider annars skulle uttrycka olika uppsättningar könskromosomala gener.

Hos människan etableras en kontinuerlig spermatogenes från puberteten. Sertolicellerna stödjer könscellernas metabolism, bildar blod–testisbarriären och organiserar den seminifera epitelcykeln. FSH verkar huvudsakligen via Sertoliceller, medan LH stimulerar Leydigcellernas testosteronproduktion. Hög intratestikulär testosteronkoncentration krävs för normal meiotisk progression.

X- och Y-kromosomerna är endast homologa inom de pseudoautosomala regionerna, där synaps och normalt minst en crossover etableras. Övriga delar samlas i en könskropp och genomgår meiotisk könskromosominaktivering. Störd pseudoautosomal rekombination eller defekt tystnad av osynapserat kromatin kan orsaka pachytenarrest och manlig infertilitet.

Meios vid oogenes och meiotiska arrest

Humana oogonier börjar meios under fosterlivet. De primära oocyterna når diploten och övergår till det diktyotena stadiet, där de kan förbli arresterade i flera decennier. Under hela denna tid måste cohesin som etablerades under fosterlivet bidra till att hålla systerkromatider och bivalenter organiserade.

Arresten upprätthålls av signalutbyte mellan oocyten och cumulus- och granulosacellerna. NPPC–NPR2-signalering producerar cGMP i de omgivande cellerna. cGMP diffunderar genom gap junctions till oocyten och hämmar PDE3A, vilket håller cAMP-koncentrationen hög. cAMP–PKA-signalering håller CDK1–cyklin B inaktivt genom reglering av bland annat WEE2 och CDC25B.

Den preovulatoriska LH-stegringen verkar på follikelns somatiska celler och minskar NPR2-aktivitet, cGMP-produktion och kommunikationen genom gap junctions. Oocytens cGMP och därefter cAMP sjunker, PDE3A aktiveras och CDK1–cyklin B övergår till aktiv form. Detta utlöser germinalvesikelupplösning, kromosomkondensation och slutförande av meios I.

Cytokinesen är starkt asymmetrisk. Den sekundära oocyten behåller nästan all cytoplasma, medan den första polkroppen får ett haploidiserat kromosomset men liten cytoplasmavolym. Oocyten går sedan in i meios II och arresteras i metafas II. Först när en spermie aktiverar oocyten, bland annat genom intracellulära kalciumoscillationer, hävs arresten och meios II slutförs med extrusion av den andra polkroppen.

Humana oocyter saknar konventionella centrosomer. Mikrotubuli kärnbildas i anslutning till kromosomer och acentrosomala mikrotubuliorganiserande strukturer, vilka gradvis fokuseras till en bipolär spole. Processen är långsam och felkänslig, med större risk för instabila kinetokoranslutningar än i centrosombärande mitotiska celler.

Variation mellan livscykler och organismgrupper

Meiosens placering i livscykeln varierar, även om reduktionen från diploid till haploid är gemensam. Det är därför inte alltid korrekt att beskriva meios som en process som direkt producerar gameter.

Hos djur är organismen huvudsakligen diploid och meiosen bildar gameter. I haplontiska livscykler är zygoten den kortvariga diploida fasen och genomgår meios, varefter haploida celler växer mitotiskt. Hos växter producerar sporofyten haploida sporer; dessa bildar gametofyter genom mitos, och gameterna bildas sedan mitotiskt.

Hos angiospermer ger meios i en megasporocyt vanligen fyra megasporer, men endast en blir funktionell och utvecklas till embryosäck. Mikrosporocyter ger däremot fyra mikrosporer som kan utvecklas till pollenkorn. Detta ska skiljas från animal oogenes, där polkroppar avskiljs genom asymmetrisk cytokines.

Meios behöver inte alltid vara chiasmatisk. Hanar av Drosophila melanogaster har achiasmatisk meios och använder andra kopplingsmekanismer för homologsegregation. Hos vissa protister sker slutna kärndelningar med intakt kärnmembran, och hos ett fåtal flagellater har sällsynt endivisionsmeios beskrivits. Bakteriell konjugation, transformation och transduktion kan överföra och rekombinera DNA men är inte meios, eftersom bakterier saknar den samordnade eukaryota reduktionsdelningen.

Segregationsfel, aneuploidi och kliniska konsekvenser

Nondisjunction innebär att kromosomstrukturer som ska separeras följer till samma pol. Utfallet beror på om felet sker i meios I eller II.

Aneuploidi kan också uppkomma genom crossoverfel. Avsaknad av obligat crossover ger en univalent med instabil orientering. En alltför centromernära crossover kan störa cohesinskydd och kinetokorgeometri, medan mycket distala crossovers kan ge svag mekanisk koppling. Prematur separation av systerkromatider är särskilt vanlig i åldrande oocyter och kan följas av slumpmässig segregation i meios II.

Human oocytaneuploidi har i olika material uppskattats till omkring 20–40 procent och till över 50 procent efter 40 års ålder. Spermieaneuploidin anges ofta till cirka 1–8 procent. Siffrorna varierar med studiedesign, ålder, infertilitetsselektion och om enstaka kromosomer eller hela genomet undersökts.

Den maternella ålderseffekten kopplas bland annat till successiv förlust eller funktionell försämring av cohesin, som i oocyten måste bevaras från fosterlivet. Även sämre chiasmastabilitet, förändrad spolorganisation, mitokondriell dysfunktion och mindre stringent spolkontroll bidrar. Ålder skapar således inte en enda typ av fel utan försämrar flera samverkande säkerhetsmekanismer.

De flesta autosomala monosomier och många trisomier leder till utebliven implantation eller tidig graviditetsförlust. Bland livsdugliga konstitutionella aneuploidier finns trisomi 21, trisomi 18 och trisomi 13 samt könskromosomavvikelser som 45,X och 47,XXY. Kliniska konsekvenser omfattar utvecklingsavvikelser, intellektuell funktionsnedsättning, gonaddysgenesi, hypogonadism och infertilitet, med varierande fenotyp beroende på kromosom och mosaicism.

Karyotypering ger en genomövergripande bild men kräver delande celler och har begränsad upplösning. FISH är snabb och känslig för utvalda kromosomer men missar avvikelser utanför probpanelen. PGT-A analyserar ett biopsiprov, vanligen från trofektoderm, och resultatet kan påverkas av amplifieringsartefakter, segmentella kopietalsförändringar och embryonal mosaicism. Ett biopsiprov behöver därför inte exakt representera den inre cellmassan eller hela embryot, och ett mosaikresultat är inte liktydigt med en enhetligt aneuploid organism.

Meios jämfört med mitos

Meios och mitos använder båda mikrotubulispole, kinetokorer, cohesin, separas och APC/C, men kromosomerna organiseras och separeras på olika sätt. Meiosens första division saknar direkt mitotisk motsvarighet eftersom homologer först paras, rekombinerar och segregeras som bivalenter.

En vanlig missuppfattning är att homologer och systerkromatider är samma sak. Homologer är två motsvarande kromosomer i ett diploidgenom och kan bära olika alleler. Systerkromatider är replikationsprodukter av samma homolog, även om de efter meiotisk rekombination kan skilja sig genetiskt i berörda segment.

Meios I halverar ploidin från 2n till n men ger inte omedelbart 1C DNA-innehåll. Efter reduktionsdelningen har varje kromosom fortfarande två kromatider och cellen är n, 2C. Meios II reducerar DNA-innehållet till n, 1C utan att ytterligare minska antalet kromosomuppsättningar.

Att meios II liknar mitos innebär därför inte att divisionerna är genetiskt likvärdiga. Meios II börjar med ett rekombinerat haploidgenom, saknar föregående S-fas och fördelar kromatider som redan sorterats från sina homologer. Slutprodukterna representerar olika kombinationer av kromosomer, crossovers och genkonversioner.

Källor

• Meiosis
• Meios
• Category:Meiosis
• Meiosis
• Bild: File:Biological life cycle of humans 2.png — Aiden cormier new version by Sciencia58, CC BY-SA 4.0
• Bild: File:202403 meiosis parent cell.svg — DataBase Center for Life Science (DBCLS), CC BY 4.0
• Bild: File:202403 meiotic prophase I.svg — DataBase Center for Life Science (DBCLS), CC BY 4.0
• Bild: File:Anaphase-1-meiosis.jpg — Bharghavi Ravi Reddy, CC BY-SA 4.0
• Bild: File:Anaphase 2.jpg — Bharghavi Ravi Reddy, CC BY-SA 4.0
• Bild: File:Anaphase meiosis I.png — OlgaMaliuta, CC BY-SA 4.0