Die Meiose wird in Meiose I und Meiose II unterteilt, die wiederum in Karyokinese I und Zytokinese I bzw. Karyokinese II und Zytokinese II unterteilt werden. Die vorbereitenden Schritte, die zur Meiose führen, sind in Muster und Bezeichnung identisch mit der Interphase des mitotischen Zellzyklus. Die Interphase wird in drei Phasen unterteilt:
- Wachstumsphase 1 (G1): In dieser sehr aktiven Phase synthetisiert die Zelle eine große Anzahl von Proteinen, einschließlich der Enzyme und Strukturproteine, die sie für das Wachstum benötigt. In G1 besteht jedes Chromosom aus einem einzigen linearen DNA-Molekül.
- Synthesephase (S): Das genetische Material wird vervielfältigt; jedes Chromosom der Zelle verdoppelt sich und wird zu zwei identischen Schwesterchromatiden, die an einem Zentromer befestigt sind. Durch diese Replikation wird die Ploidie der Zelle nicht verändert, da die Anzahl der Zentromere gleich bleibt. Die identischen Schwesterchromatiden sind noch nicht zu den dicht verpackten Chromosomen kondensiert, die unter dem Lichtmikroskop sichtbar sind. Dies geschieht in der Prophase I der Meiose.
- Wachstumsphase 2 (G2): Die G2-Phase, wie sie vor der Mitose auftritt, ist in der Meiose nicht vorhanden. Die meiotische Prophase entspricht am ehesten der G2-Phase des mitotischen Zellzyklus.
Nach der Interphase folgt die Meiose I und dann die Meiose II. Bei der Meiose I werden replizierte homologe Chromosomen, die noch aus je zwei Schwesterchromatiden bestehen, auf zwei Tochterzellen aufgeteilt, wodurch sich die Chromosomenzahl halbiert. Während der Meiose II entkoppeln sich die Schwesterchromatiden, und die so entstandenen Tochterchromosomen werden in vier Tochterzellen segregiert. Bei diploiden Organismen sind die aus der Meiose hervorgehenden Tochterzellen haploid und enthalten nur eine Kopie jedes Chromosoms. Bei einigen Arten treten die Zellen zwischen der Meiose I und der Meiose II in eine Ruhephase ein, die als Interkinesis bezeichnet wird.
Die Meiose I und II sind jeweils in die Phasen Prophase, Metaphase, Anaphase und Telophase unterteilt, die dem Zweck der entsprechenden Unterphasen im mitotischen Zellzyklus entsprechen. Daher umfasst die Meiose die Stadien der Meiose I (Prophase I, Metaphase I, Anaphase I, Telophase I) und der Meiose II (Prophase II, Metaphase II, Anaphase II, Telophase II).
Während der Meiose werden bestimmte Gene verstärkt umgeschrieben. Zusätzlich zur starken meiotischen stadienspezifischen Expression von mRNA gibt es auch weitreichende Translationskontrollen (z. B. selektive Verwendung von präformierter mRNA), die die endgültige meiotische stadienspezifische Proteinexpression von Genen während der Meiose regulieren. Somit bestimmen sowohl Transkriptions- als auch Translationskontrollen die umfassende Umstrukturierung der meiotischen Zellen, die für die Durchführung der Meiose erforderlich ist.
Meiose IEdit
Bei der Meiose I segregieren sich homologe Chromosomen, die als Tetraden (2n, 4c) zusammengefügt werden, wodurch zwei haploide Zellen (n Chromosomen, 23 beim Menschen) entstehen, die jeweils Chromatidenpaare (1n, 2c) enthalten. Da die Ploidie von diploid auf haploid reduziert wird, bezeichnet man die Meiose I als reduktive Teilung. Meiose II ist eine äquatoriale Teilung analog zur Mitose, bei der die Schwesterchromatiden segregiert werden und vier haploide Tochterzellen (1n, 1c) entstehen.
Prophase IEdit
Die Prophase I ist bei weitem die längste Phase der Meiose (sie dauert bei Mäusen 13 von 14 Tagen). Während der Prophase I paaren sich homologe mütterliche und väterliche Chromosomen, synaptieren und tauschen genetische Informationen aus (durch homologe Rekombination), wobei mindestens eine Kreuzung pro Chromosom entsteht. Diese Kreuzungen werden als Chiasmata (Plural; Singular Chiasma) sichtbar. Dieser Prozess erleichtert die stabile Paarung zwischen homologen Chromosomen und ermöglicht so die genaue Trennung der Chromosomen bei der ersten meiotischen Teilung. Die gepaarten und replizierten Chromosomen werden als Bivalente (zwei Chromosomen) oder Tetraden (vier Chromatiden) bezeichnet, wobei ein Chromosom von jedem Elternteil stammt. Die Prophase I wird in eine Reihe von Unterstadien unterteilt, die nach dem Aussehen der Chromosomen benannt sind.
LeptoteneBearbeiten
Das erste Stadium der Prophase I ist das Leptotene-Stadium, auch Leptonema genannt, was aus dem Griechischen stammt und „dünne Fäden“ bedeutet.27 In diesem Stadium der Prophase I werden die einzelnen Chromosomen – die jeweils aus zwei replizierten Schwesterchromatiden bestehen – „individualisiert“ und bilden sichtbare Stränge im Zellkern.27:353 Die Chromosomen bilden jeweils eine lineare Anordnung von Schleifen, die durch Kohäsin vermittelt werden, und die seitlichen Elemente des Synaptonemkomplexes setzen sich zu einem „axialen Element“ zusammen, von dem die Schleifen ausgehen. Die Rekombination wird in diesem Stadium durch das Enzym SPO11 eingeleitet, das programmierte Doppelstrangbrüche erzeugt (bei Mäusen etwa 300 pro Meiose). Dieser Prozess erzeugt einzelsträngige DNA-Filamente, die von RAD51 und DMC1 ummantelt sind, die in die homologen Chromosomen eindringen, Brücken zwischen den Achsen bilden und zur Paarung/Koausrichtung der Homologen führen (bis zu einem Abstand von ~400 nm bei Mäusen).
ZygoteneEdit
Auf die Leptotene folgt das Zygotene-Stadium, das auch als Zygonema bezeichnet wird, was aus dem Griechischen stammt und „gepaarte Fäden“ bedeutet:27 und das bei einigen Organismen auch als Strauß-Stadium bezeichnet wird, weil sich die Telomere an einem Ende des Zellkerns anhäufen. In diesem Stadium werden die homologen Chromosomen viel enger (~100 nm) und stabiler gepaart (ein Prozess, der Synapsis genannt wird), was durch die Installation der transversalen und zentralen Elemente des Synaptonem-Komplexes vermittelt wird. Man geht davon aus, dass die Synapsis ausgehend von einem Rekombinationsknoten reißverschlussartig erfolgt. Die gepaarten Chromosomen werden als bivalente oder Tetrad-Chromosomen bezeichnet.
PachytenEdit
Das Pachytenstadium (/ˈpækɪtiːn/ PAK-i-teen), auch Pachynema genannt, von griechischen Wörtern, die „dicke Fäden“ bedeuten:27 ist das Stadium, in dem alle autosomalen Chromosomen synapsiert sind. In diesem Stadium ist die homologe Rekombination, einschließlich des chromosomalen Crossovers (Überkreuzung), durch die Reparatur der in Leptoten gebildeten Doppelstrangbrüche abgeschlossen. Die meisten Brüche werden repariert, ohne dass sich Kreuzungen bilden, was zu einer Genkonversion führt. Ein Teil der Brüche (mindestens einer pro Chromosom) bildet jedoch Überkreuzungen zwischen nicht-schwesterlichen (homologen) Chromosomen, was zu einem Austausch von genetischer Information führt. Die Geschlechtschromosomen sind jedoch nicht völlig identisch und tauschen nur über eine kleine homologe Region, die so genannte pseudoautosomale Region, Informationen aus. Der Informationsaustausch zwischen den homologen Chromatiden führt zu einer Rekombination der Informationen; jedes Chromosom verfügt über den vollständigen Satz an Informationen, den es zuvor hatte, und es entstehen keine Lücken. Da die Chromosomen im synaptonemalen Komplex nicht unterschieden werden können, ist der eigentliche Akt des Crossing over mit einem gewöhnlichen Lichtmikroskop nicht wahrnehmbar, und die Chiasmata sind erst im nächsten Stadium sichtbar.
DiplotenEdit
Im Diplotenstadium, das auch als Diplonema bezeichnet wird und aus dem Griechischen stammt und „zwei Fäden“ bedeutet,:30 löst sich der synaptonemale Komplex auf und die homologen Chromosomen trennen sich ein wenig voneinander. Die homologen Chromosomen der beiden Bivalente bleiben jedoch an den Chiasmen, den Bereichen, in denen das Crossing-over stattgefunden hat, fest miteinander verbunden. Die Chiasmen verbleiben an den Chromosomen, bis sie beim Übergang zur Anaphase I durchtrennt werden, damit sich die homologen Chromosomen zu den gegenüberliegenden Polen der Zelle bewegen können.
In der fötalen Oogenese des Menschen entwickeln sich alle Eizellen bis zu diesem Stadium und werden vor der Geburt in der Prophase I angehalten. Dieser Schwebezustand wird als Dictyotene-Stadium oder Dictyate bezeichnet. Es dauert so lange, bis die Meiose wieder aufgenommen wird, um die Eizelle auf den Eisprung vorzubereiten, was in der Pubertät oder sogar noch später geschieht.
DiakineseBearbeiten
Die Chromosomen verdichten sich während der Diakinese weiter, was aus dem Griechischen stammt und „Durchgang“ bedeutet.30 Dies ist der erste Punkt in der Meiose, an dem die vier Teile der Tetraden tatsächlich sichtbar sind. Die Stellen, an denen sich die Tetraden kreuzen, verschränken sich und überlappen sich, so dass die Chiasmata deutlich sichtbar werden. Abgesehen von dieser Beobachtung ähnelt der Rest des Stadiums stark der Prometaphase der Mitose; die Nukleoli verschwinden, die Kernmembran zerfällt in Bläschen, und die meiotische Spindel beginnt sich zu bilden.
Bildung der meiotischen SpindelEdit
Im Gegensatz zu mitotischen Zellen haben Eizellen von Mensch und Maus keine Zentrosomen zur Bildung der meiotischen Spindel. Bei Mäusen bilden etwa 80 MicroTubule Organizing Centers (MTOCs) eine Kugel im Ooplasma und beginnen, Mikrotubuli zu nukleieren, die sich in Richtung der Chromosomen ausbreiten und sich am Kinetochor an den Chromosomen festsetzen. Mit der Zeit verschmelzen die MTOCs, bis sich zwei Pole gebildet haben und eine tonnenförmige Spindel entsteht. In menschlichen Eizellen beginnt die Nukleation der Spindelmikrotubuli an den Chromosomen und bildet ein Sternchen, das sich schließlich ausdehnt und die Chromosomen umgibt. Die Chromosomen gleiten dann entlang der Mikrotubuli zum Äquator der Spindel, wo die Kinetochoren der Chromosomen endständige Verbindungen mit den Mikrotubuli bilden.
Metaphase IEdit
Homologe Paare bewegen sich gemeinsam entlang der Metaphaseplatte: Während sich die Kinetochoren-Mikrotubuli beider Spindelpole an ihren jeweiligen Kinetochoren anlagern, richten sich die gepaarten homologen Chromosomen entlang einer Äquatorialebene aus, die die Spindel halbiert, da die Mikrotubuli, die von den beiden Kinetochoren der homologen Chromosomen ausgehen, kontinuierlich gegenläufige Kräfte auf die Bivalente ausüben. Diese Verbindung wird als bipolare Verbindung bezeichnet. Die physikalische Grundlage für die unabhängige Anordnung der Chromosomen ist die zufällige Ausrichtung der einzelnen Bivalente entlang der Metaphasenplatte in Bezug auf die Ausrichtung der anderen Bivalente entlang derselben Äquatorlinie. Der Proteinkomplex Cohesin hält die Schwesterchromatiden vom Zeitpunkt ihrer Replikation bis zur Anaphase zusammen. In der Mitose erzeugt die Kraft der Kinetochor-Mikrotubuli, die in entgegengesetzte Richtungen ziehen, Spannungen. Die Zelle spürt diese Spannung und fährt erst dann mit der Anaphase fort, wenn alle Chromosomen richtig bi-orientiert sind. In der Meiose ist für den Aufbau der Spannung normalerweise mindestens ein Crossover pro Chromosomenpaar erforderlich, zusätzlich zum Kohäsin zwischen den Schwesterchromatiden (siehe Chromosomentrennung).
Anaphase IEdit
Kinetochore-Mikrotubuli verkürzen sich und ziehen homologe Chromosomen (die jeweils aus einem Paar Schwesterchromatiden bestehen) zu entgegengesetzten Polen. Die Mikrotubuli, die nicht zum Kinetochor gehören, verlängern sich und schieben die Zentrosomen weiter auseinander. Die Zelle dehnt sich in Vorbereitung auf die Teilung in der Mitte aus. Anders als bei der Mitose wird nur das Kohäsin der Chromosomenarme abgebaut, während das Kohäsin, das das Zentromer umgibt, durch ein Protein namens Shugoshin (japanisch für „Schutzgeist“) geschützt bleibt, das die Trennung der Schwesterchromatiden verhindert. Dadurch können die Schwesterchromatiden zusammenbleiben, während die Homologen segregiert werden.
Telophase IEdit
Die erste meiotische Teilung endet effektiv, wenn die Chromosomen die Pole erreichen. Jede Tochterzelle hat nun die halbe Anzahl von Chromosomen, aber jedes Chromosom besteht aus einem Chromatidenpaar. Die Mikrotubuli, aus denen das Spindelnetz besteht, verschwinden, und eine neue Kernmembran umgibt jeden haploiden Satz. Die Chromosomen wickeln sich wieder zu Chromatin auf. Die Zytokinese, das Einklemmen der Zellmembran in tierischen Zellen oder die Bildung der Zellwand in pflanzlichen Zellen, findet statt und vervollständigt die Bildung von zwei Tochterzellen. Die Zytokinese ist jedoch nicht vollständig abgeschlossen, so dass bis zum Ende der Meiose II „Zytoplasma-Brücken“ entstehen, die die gemeinsame Nutzung des Zytoplasmas durch die Tochterzellen ermöglichen. Die Schwesterchromatiden bleiben während der Telophase I verbunden.
Die Zellen können in eine Ruhephase eintreten, die als Interkinesis oder Interphase II bezeichnet wird. Während dieses Stadiums findet keine DNA-Replikation statt.
Meiose IIBearbeiten
Meiose II ist die zweite meiotische Teilung und beinhaltet in der Regel eine gleichberechtigte Segregation oder Trennung der Schwesterchromatiden. Mechanisch ähnelt der Vorgang der Mitose, die genetischen Ergebnisse sind jedoch grundlegend anders. Das Endergebnis ist die Bildung von vier haploiden Zellen (n Chromosomen, beim Menschen 23) aus den zwei haploiden Zellen (mit n Chromosomen, die jeweils aus zwei Schwesterchromatiden bestehen), die in der Meiose I entstanden sind. Die vier Hauptschritte der Meiose II sind: Prophase II, Metaphase II, Anaphase II und Telophase II.
In der Prophase II kommt es zum Verschwinden der Nukleoli und der Kernhülle sowie zur Verkürzung und Verdickung der Chromatiden. Die Zentrosomen bewegen sich zu den polaren Regionen und richten Spindelfasern für die zweite meiotische Teilung aus.
In der Metaphase II enthalten die Zentromere zwei Kinetochoren, die an den Spindelfasern der Zentrosomen an den gegenüberliegenden Polen ansetzen. Die neue äquatoriale Metaphasenplatte ist im Vergleich zur Meiose I um 90 Grad gedreht und steht senkrecht zur vorherigen Platte.
Danach folgt die Anaphase II, in der das verbleibende zentromerische Kohäsin, das nicht mehr durch Shugoshin geschützt ist, gespalten wird, so dass sich die Schwesterchromatiden entmischen können. Die Schwesterchromatiden werden nun Schwesterchromosomen genannt, da sie sich auf die entgegengesetzten Pole zubewegen.
Der Prozess endet mit der Telophase II, die der Telophase I ähnelt und durch Dekondensation und Verlängerung der Chromosomen sowie den Abbau der Spindel gekennzeichnet ist. Die Kernhüllen bilden sich neu und durch Spaltung oder Zellplattenbildung entstehen schließlich insgesamt vier Tochterzellen, jede mit einem haploiden Chromosomensatz.
Die Meiose ist nun abgeschlossen und es entstehen vier neue Tochterzellen.