MİTOZ VE MAYOZ Dr. Selma Yılmaz Tıbbi Biyoloji 1 Referans Kitaplar: Lodish, Alberts Molecular Cell Biology
Mitoz (Mitosis) ve Mayoz (Meiosis) Hücreler iki yolla bölünür ve ürerler: mitoz ve mayoz Mitoz: Tek bir hücreden gelişerek iki hücre bölünmesi işlemidir, bir ebeveyn hücresinden genetik olarak aynı olan iki yavru hücre üretilmesi işlemidir. Mayoz: Bir üreme hücresinin bölünmesidir, iki çekirdeğin birleşmesini kapsar ve herbiri orijinal hücrenin kromozom sayısının yarısını taşıyan dört adet özgün gamet veya seks hücresi üretimi ile sonuçlanır. 2
Mitoz Mitoz ve Mayoz Tek-hücreleri organizmaların üremesinde kullanılır. Ayrıca, dokuların, liflerin ve membranların doğal büyümelerinde de kullanılır. Mayoz Canlıların seksüel üreme yapımında görülür. Erkek ve dişi üreme hücreleri (örn., yumurta ve sperm), yeni, genetik olarak farklı bir yavru yapmak için birleşir. 3
Mitoz ve Mayozun Karşılaştırıl ması
Mitoz ve Mayozun Karşılaştırılması MEIOSIS: MAYOZ; CELL: HÜCRE 5
6 Mitoz (M fazı, Mitotik faz) q Hücre döngüsünün en kısa fazı, 30 dakika-1saat) q Birkaç aşamalıdır q Hücrenin iki eş-kız yavru hücreye bölündüğü zamandır. q M fazı işlemleri en kompleks olanlarıdır. q M fazı 4 ana bölüme ayrılmıştır: profaz, metafaz, anafaz, and telofaz. --ve hücre sitokineze gider sitoplazmanın fiziksel olarak bölünmesi q Bitki hücreleri ek bir aşamaya daha sahiptir, preprophase, bu profazdan önce oluşur.
Hücre Döngüsünün Ana Kontrol Edicileri
Mitotik Olayların Kontrolü İçin Kullanılan Moleküler Mekanizmalar: Mitotik siklin- CDK kompleksleri (MPFs) q Siklinler, siklin-bağımlı kinazlarla (CDKs) bağlandıklarında, maturation-promoting faktörü (MPF) denilen mitotik cyclinbağımlı kinazları (cyclin-cdk) oluşturur. Örn., cdk1 proteinler q MPF ler, diğer proteinleri fosforilasyon yoluyla aktive ederler ve kromozom yoğunlaşmasına ve nüklear zarfın dağılmasına yol açarlar, kızkardeş kromatidlerin ayrılmasını uyararak, anafazı başlatırlar. q Geç anafazda, MPF ler APC ubiquitin ligazlarca cyclinler yıkıldığından inaktiftir. q Nüklear zarfın yeniden yapımı ve sitokinez devamlı aktif şekilde bulunan fosfatazların aktivitesine bağlıdır. q Hücreler bir sonraki aşamaya geçer, döngü tamamlanır. 8
Nüklear laminlerin ve diğer bazı proteinlerin fosforilasyonu erken mitotik olayları uyarır
Kromozom yoğunla ması q Histon H1, multiple cyclin-dependent kinase 1 (CDK1) tarafından fosforlanır. q Histone1, bağlayıcı (linker) DNA ile birleşir, nükleozomların, euchromatin yapısına paketlenmesine yardımcı olur. q Interfaz kromatini sıkı sarmalar yapar ve daha da fazla yoğunlaşır, sonuç olarak mitotik kromozomu oluşturur (heterochromatin). Yüksek-düzeyli kromatin katlanması 10
Mitoz İşlemlerine Genel Bakış İki diploid hücre DNA replikasyonu Mitoz 11
M Fazı İşlemlerine Genel Bakış 12
İnterfaz-Metafaz İnterfaz: Kromozom ve kohezinlerin kopyalanması lerin sentrozomun kopyalanması Profaz: Interfaz mikrotübül yıkımı ve mitotik aster lere değişimi Mitotik asterlerin ayrılması, kromozom kondensasyonu, kinetokor tutunması Prometafaz:Nüklear zarfın yıkımı, kromozomların yakalanması, bi-oryante olarak iğ-ekvatoruna taşınması Metafaz: Kromozomların metafaz düzleminde (plate) dizilmeleri
Interfaz İnterfaz: Kromozom ve kohezinlerin kopyalanması lerin sentrozomun kopyalanması q İnterfaz kromatini sıkıca sarmalanır ve kromozomlar haline gelene kadar yoğunlaşır. q Bu kromozomlar, bir sentromer tarafından birleştirilmiş genetik olarak eş iki kızkardeş kromatidden yapılmıştır. q Sentrozomlar (mikrotübül merkezleri), arkalarında bir iğ-ipliği (spindle) düzeneği yaratarak, nükleusdan uzağa zıt yönlere doğru hareket ederler. 14
Profaz- Prometafaz Profaz: Kopyalanmış kromozomlar yoğunlaşır ve gözle görünür hale gelir. q Interfaz mikrotübül yıkımı ve mitotik asterlere değişimi q Mitotik asterlerin ayrılması q kromozom kondensasyonu q Kinetokorlara tutturulma Kinetochore lar (özel protein kompleksleri) sentromerlerde toplanır ve kromozomları mitotik iğ iplik (spindle) liflerine tuttururlar. Prometafaz: Nüklear membran erir ve iğ iplikleri (spindle) olarak bilinen mitotik düzenek oluşur. q Nüklear zarfın yıkımı, q Kromozomların yakalanması, bi-oryante olarak iğ-ekvatoruna 15 taşınması
Kinetokorlar (özel protein kompleksleri, pembe renk) sentromerlerde toplanır, kromozomları mitotik iğ liflerine bağlar.
Metaphase Metafaz: Kromozomlar iğ ipliklerinin ortasındaki metafaz düzleminde( plate) dizilirler. q Kromozomların sentromerlerinin her iki kısmında bulunan motor proteinler, kromozomların zıt sentromer çekimine göre yerleşmesine yardım eder, sonuçta kromozomları bazen metafaz düzlemi veya iğ-ipliği ekvator çizgisi olarak adlandırılan, hücrenin ortasında dikey bir düzleme yerleştirirler.
Anafaz-Sitokinez Anafaz: APC/C aktive edilmiştir ve kohezin (cohesin)ler yıkılmıştır. Anafaz A: Kromozomların kutuplara gidişi Anafaz B: İğlerin-kutuplara ayrılması Telophase: Nüklear zarfın yeniden yapılması, kasılma halkasının yapılması Sitokinez: İnterfaz mikrotübül sisteminin yeniden yapılanması, kasılma halkasının kesim oyuğu oluşumu
Anafaz Anafaz: Her bir kopyalanmış kromozomun kızkardeş kromatidleri iki ayrı iğ ipi kutbuna doğru çekilerek birbirinden ayrılır. q APC/C aktive edilmiştir ve kohezin (cohesin)ler yıkılmıştır. Anafaz A: Kromozomların kutuplara gidişi. Anafaz B: İğlerinkutuplara ayrılması q İğ-iplikleri anafaz sırasında kısalmaya başlar, kızkardeşleri sentromerlerinde birbirinden ayırır. q Ayrılan kromozomlar hücrenin zıt yönündeki sentrozomlara doğru çekilirler. q Hücre döngüsünün bu aşamasında, hücrenin ayrılan iki kısmı artık resmi olarak kız-yavru kromozomlar adlandırılır.
Kızkardeş Kromatidlerin Ayrılmasının Regülasyonunda APC/C nin Rolü Separase cohesin (protein kompleksi) lerin Scc1 bileşenini kırar.
Telofaz Telofaz: Nüklear zarfın yeniden yapılması, kasılma halkasının yapılması q Telofaz mitotik hücre bölünmesinin son aşamasıdır. q Telofazda, kız-yavru kromozomlar ebeveyn hücrenin kendisine ait olan kısmına tutunurlar. q Önceki fazlar tekrarlanır, ancak tersine doğru. q Mitotik iğ iplikleri sökülür, ve nükleer membranlar ayrılmış yavru kromozomların etrafını sarar. q Yeni oluşan nükleus içerisinde, kromozomlar sarmallarını gevşetir (decondense) ve bir kromatin olma düzeyine geri dönerler.
Sitokinez Sitokinez: Sonuncu işlem sitokinez yavru kromozomların yavru hücreler haline gelmesi için gereklidir. q Sitokinez hücre bölünmesinin bir parçası değildir, ancak hücre döngüsünün sonunu belirler ve yavru kromozomların iki yeni hücreye ayrılmalarını gerçekleştiren işlemdir. 22 Ø Mitoz sayesinde, bu iki yeni hücre genetik olarak birbirinin ve orjinal ebeveyn hücrenin tamamen aynısıdır; şimdi bu iki yeni hücre, kendilerine ait olan interfazlara girerler.
23 Summary of major events in the eukaryotic cell cycle and the fate of a single parental chromosome
Mayoz: Özel Bir Hücre Bölünmesi (Meiosis) Seksüel üreme, döllenme (fertilization), iki ayrı organizmadan gelen iki hücrenin birleşmesidir. Eğer bu iki hücrenin herbiri bir set kromozom içerirse, o zaman ortaya çıkan hücre iki set kromozom içerir. Haploid hücreler bir set kromozom içerirler. İki set kromozom içeren hücrelere diploid denir. 24
Mayoz 25 Hayvan ve bitkilerin çoğu diploid tir, iki set kromozomları vardır. Organizmanın somatik hücrelerinin herbirinde (çokhücreli canlıların gametleri veya üreme hücreleri hariç, bütün hücrelerinde), çekirdek her kromozomdan iki kopya bulundurur, bunlar homolog kromozomlar olarak adlandırılır. Somatik hücrelere bazen vücut hücreleri de denir. Döllenmeye ilaveten, seksüel üreme, kromozom setinin sayısını azaltan bir nükleer bölünme içerir. Mayoz denilen haploid hücreler oluşturan nükleer bölünme, mitozla alakalıdır.
Mayoz Mitoz, bir hücrenin üreme döngüsünün bir parçasıdır, genetik olarak orijinal ebeveyn nükleusu ile aynı olan benzer kız-yavru çekirdeklerle sonuçlanır. Mitozda, ebeveyn ve yavru çekirdek aynı ploidy (kromozom sayısı) seviyesindedir çoğu bitki ve hayvan için diploid. Mayoz mitozunkinin aynısı olan birçok mekanizma kullanır. Ancak, başlangıç nükleusu her zaman diploid ve mayoz bölünme sonucunda ortaya çıkan çekirdekler haploid dir. 26
X kromozomunun p ve q kollarının, bandlarının ve alt-bantlarının şematik gösterimi 27 Haploid bir sperm (n) ve bir yumurtanın diploid bir (2n) zigot oluşturması.
28 Mayoz Kromozom sayısındaki bu azalmayı gerçekleştirmek için, mayoz, bir tur kromozom kopyalama ve iki tur nükleer bölünme içerir. Bölünme aşamaları mitoz olayları ile benzer olduğundan aynı isimlerle adlandırılır. Ancak, iki tur bölünme olduğundan, ana işlemler ve aşamalar I veya II ile verilir. Yapılacak nükleusun kromozom seti sayısı ikiden bire indirilmiştir. Bu nedenle, mayoz I azaltma bölünmesi diye de adlandırılır. Mitoz sırasında kromozom düzeyinde böyle bir azalma söz konusu değildir.
Premayotik hücre (2n) Mayoz Mayoz I Replike edilmiş Kromozomlar (4n) Profazda homolog kromozomlar arasında sinapsis ve rekombinasyon Metafazda kız-yavru hücreler(2n) Mayoz II
Mayoz Aşamaları Hücre bölünmesinde iki temel mayoz aşaması oluşur: meiosis 1 and meiosis 2. Her ikisi de dört alt aşamaya bölünür. Meiosis 1: profaz 1, metafaz 1, anafaz 1, ve telofaz 1 Meiosis 2: profaz 2, metafaz 2, anafaz 2, ve telofaz 2. Sitokinez mayozda da rol oynar; ancak mitozda olduğu gibi, mayozun kendisinden ayrı bir işlemdir. 30
31 Mayoza Genel bakış
Mayoz I (Azaltma bölünmesi) S fazında DNA kopyalanması sırasında, her kromozom iki eş kopya üreterek kopyalanır, kızkardeş kromatidler sentromerde cohesin proteinler tarafından birbirine tutunurlar. Cohesin kromatidleri anafaz II ye kadar birlikte tutar. Sentrozomlar,mikrotübüleri mayoz iğ-ipliklerine organize ederler, onlarda kopyalanır. Bu hücrenin profaz I e, yani ilk mayoz fazına girmesini sağlar. 32
Profaz I 33 q Mitoz da olduğu gibi, nükleer membran yok olur, kromatinden kromozomlar oluşur, sentrozomlar birbirini iter, iğ-ipliklerini yaratırlar. q Her iki ebeveynden gelen homolog (benzer) kromozomlar eşleşir ve crossing over (çapraz değişim) olarak bilinen bir işlemle DNA değişimi yapılır. q Bu durum genetik farklılıkla (genetik diversity)sonuçlanır. q Bu eşleşmiş kromozomlar her bir ebeveynden gelen tetrad lar olarak adlandırılır.
Profaz I Synaptonemal compleks, iki homolog kromozom arasındaki protein tabakasıdır, ilk önce spesifik bir konumda oluşur ve sonra kromozom uzunluğu boyunca yayılırlar. Homolog kromozomların yaptığı sıkı eşleşmeye synapsis denir. Synapsisde, homolog kromozomların kromatidleri üzerinde bulunan genler tam karşılık gelecek şekilde sıralanır. Synaptonemal kompleks, kızkardeş olmayan (non-sister) homolog kromatidler arasında kromozomal segment değişimini (crossing over) destekler. Crossing over değişim sonrası görsel olarak chiasmata 34 (singular =chiasma) şeklinde izlenebilir.
Kinetokorun Mayoz I ve II de iğ iplikleri Bağlanması ve Kromozomları Bağlayan Cohesinlerin Stabilizasyonu Aynı tarafa bakan kinetokorlar
36 Profaz I Insan gibi türlerde, X ve Y seks kromozomları homolog olmasalar bile (genlerinin çoğu farklı), küçük bir bölgedki homoloji X ve Y kromozomlarının profaz I sırasında eşleşmelerine izin verir. Homoloji içeren bölgeler arasında kısmi synaptonemal kompleksi oluşur. Profazın ilerleyen aşamalarında, synaptonemal kompleks yıkılmaya başlar ve kromozomlar yoğunlaşmaya başlar. Synaptonemal kompleksi gittiğinde, homolog kromozomlar sentromerde ve chiasmata da birbirlerine tutulu kalır. Chiasmata anafaz I e kadar kalır.
Synaptonemal kompleksi ve sinapsis Homolog kromozomlar 37 Kızkardeş kromatidler
Profaz I: Çapraz Geçiş (Crossover) Homolog kromozomlar karşılıklı gelir Kromatid Çapraz geçişi 38 Çapraz geçiş (crossover) homolog kromozomların kızkardeş olmayan kromatidleri arasında oluşur. Sonuç, homolog kromozomlar arasında genetik materyal değişimidir. Rekombinant kromatidler NonRekombinant kromozomlar
Metaphase 1: Iğ ipliklerinden bazıları kromozomların sentromerlerine bağlanır. Lifler tetradları hücrenin merkezi boyunca bir dikey düzlemde çekerler. Anaphase 1: Tetradlar birbirinden ayrı yöne çekilir, bir çift hücrenin bir yanına diğer yarısı öbür yanına gider. Bu işlemde, mitoz daki gibi kromatidlerin değil, kromozomun tamamının çekildiğini anlamak önemlidir. Anafazın sonu telofazın başında bir yerde, sitokinez hücreyi iki yavru hücreye bölmeye başlar. Telofaz I: iğiplik düzeneği yok olur ve şimdi ebeveyn hücrenin/ yeni hücrenin zıt bölgelerinde bulunan kromozomların etrafında nükleer membran oluşur. 39
40 Kromozom Dizilimi Işlemi Mayoz I Ve Mayoz II De Farklıdır
Mayoz II 41 Profaz II Kromozomlar yeniden yoğunlaşır. Nükleer zarf veziküllere dağılır.. Yeni iğ-iplikleri oluşur. Prometafaz II Nükleer zarf tamamen yıkılır, iğ ipliği yapımı tamamlanır. Kızkardeş kromatidlerin her biri zıt kutba ait mikrotübüle bağlanabileceği kendine ait bir kinetokor oluşturur. Metafaz II Kardeş kromatidler maksimum düzeyde yoğunlaşır ve hücrenin ekvator bölgesinde karşılıklı dizilirler.
Anafaz II Mayoz II Kardeş kromatidler kinetokor mikrotubulleri tarafından zıt kutuplara çekilir. Kinetokorsuz olan mikrotübüller hücreyi uzatır. Telofaz II ve Sitokinez Kromozomlar zıt kutuplara ulaşırlar ve dekonse olmaya başlarlar. Kromozomların etrafında nükleer zarf oluşur. Sitokinez iki hücreyi dört farklı haploid hücreye ayırır. 42
Mayoz II q Bu aşamada, yeni oluşmuş çekirdeklerin ikiside haploiddir. q Yapılan hücreler genetik olarak da farklıdır, q çünkü paternal (babadan) ve maternal (anneden) homologların rastgele karışmıştır ve q çünkü cross over esnasında, paternal ve maternal kromozom segmentleri (üzerlerindeki kendi gen setleriyle) yeniden şekillenmiştir (recombining). 43 Mayoz örnekleri: Spermatogenesis ve oogenesis
Uniparental Disomi (Uniparental Disomy) (UPD) Uniparental disomy (UPD) bir kişinin bir kromozomun iki kopyasını veya kromozomun bir kısmını ebeveynlerindewn sadece birinden alıp, diğer ebeveyninden hiç kopya almamasıdır. UPD ler: Heterodisomy: Sadece bir ebeveynden bir çift eş-olmayan kromozomun gelmesi ( mayoz I erken aşamalarındaki hata) gelmesi veya Isodisomy: Sadece bir ebeveynden gelen bir kromozomun çiftlenmesi (eş) (mayoz II nin geç aşamalarındaki hata) 44