Meiose wordt onderverdeeld in meiose I en meiose II, die verder worden onderverdeeld in respectievelijk Karyokinesis I en Cytokinesis I en Karyokinesis II en Cytokinesis II. De voorbereidende stappen die tot de meiose leiden, zijn qua patroon en naam identiek aan de interfase van de mitotische celcyclus. De interfase is verdeeld in drie fasen:
- Groeifase 1 (G1): In deze zeer actieve fase synthetiseert de cel een grote hoeveelheid eiwitten, waaronder de enzymen en structurele eiwitten die nodig zijn voor de groei. In G1 bestaat elk chromosoom uit een enkele lineaire DNA-molecule.
- Synthese (S)-fase: Het genetisch materiaal wordt gerepliceerd; elk van de chromosomen van de cel dupliceert om twee identieke zusterchromatiden te worden die aan een centromeer zijn bevestigd. Deze replicatie verandert de ploïdie van de cel niet, aangezien het centromeernummer hetzelfde blijft. De identieke zusterchromatiden zijn nog niet gecondenseerd tot de dicht opeengepakte chromosomen die met de lichtmicroscoop zichtbaar zijn. Dit gebeurt tijdens profase I in de meiose.
- Groeifase 2 (G2): De G2-fase zoals die voor de mitose wordt gezien, is in de meiose niet aanwezig. Meiotische prophase komt het meest overeen met de G2-fase van de mitotische celcyclus.
Interphase wordt gevolgd door meiose I en vervolgens meiose II. Meiose I scheidt de gerepliceerde homologe chromosomen, die elk nog uit twee zusterchromatiden bestaan, in twee dochtercellen, waardoor het chromosomenaantal met de helft wordt verminderd. Tijdens meiose II ontkoppelen de zusterchromatiden zich en worden de resulterende dochterchromosomen verdeeld over vier dochtercellen. Bij diploïde organismen zijn de bij meiose ontstane dochtercellen haploïd en bevatten zij slechts één exemplaar van elk chromosoom. Bij sommige soorten komen de cellen in een rustfase die bekend staat als interkinesis tussen meiose I en meiose II.
Meiose I en II zijn elk verdeeld in profase, metafase, anafase en telofase stadia, vergelijkbaar in doel met hun analoge subfasen in de mitotische celcyclus. Daarom omvat meiose de stadia van meiose I (profase I, metafase I, anafase I, telofase I) en meiose II (profase II, metafase II, anafase II, telofase II).
Tijdens de meiose worden specifieke genen in sterkere mate getranscribeerd. Naast de sterke meiotische fase-specifieke expressie van mRNA, zijn er ook alomtegenwoordige translationele controles (b.v. selectief gebruik van voorgevormd mRNA), die de uiteindelijke meiotische fase-specifieke eiwitexpressie van genen tijdens de meiose reguleren. Aldus bepalen zowel transcriptionele als translationele controles de brede herstructurering van meiosecellen die nodig is om meiose uit te voeren.
Meiose IEdit
Meiose I segregeert homologe chromosomen, die worden samengevoegd als tetrads (2n, 4c), waarbij twee haploïde cellen worden geproduceerd (n chromosomen, 23 bij de mens) die elk chromatideparen bevatten (1n, 2c). Omdat de ploïdie wordt gereduceerd van diploïd tot haploïd, wordt meiose I een reductiedeling genoemd. Meiose II is een equationele deling, analoog aan mitose, waarbij de zusterchromatiden worden gescheiden, waardoor vier haploïde dochtercellen (1n, 1c) ontstaan.
Profase IEdit
Profase I is verreweg de langste fase van de meiose (die bij muizen 13 van de 14 dagen duurt). Tijdens profase I paren homologe maternale en paternale chromosomen zich aan elkaar, synapsen en wisselen genetische informatie uit (door homologe recombinatie), waarbij per chromosoom ten minste één crossover wordt gevormd. Deze crossovers worden zichtbaar als chiasmata (meervoud; enkelvoud chiasma). Dit proces vergemakkelijkt een stabiele koppeling tussen homologe chromosomen en maakt daardoor een nauwkeurige scheiding van de chromosomen bij de eerste meiotische deling mogelijk. De gepaarde en gerepliceerde chromosomen worden bivalenten (twee chromosomen) of tetrads (vier chromatiden) genoemd, waarbij van elke ouder één chromosoom afkomstig is. Profase I is verdeeld in een reeks substadia die worden genoemd naar het uiterlijk van de chromosomen.
LeptoteneEdit
Het eerste stadium van profase I is het leptotene stadium, ook bekend als leptonema, van Griekse woorden die “dunne draden” betekenen.:27 In dit stadium van profase I worden individuele chromosomen – elk bestaande uit twee gerepliceerde zusterchromatiden – “geïndividualiseerd” om zichtbare strengen in de kern te vormen.De chromosomen vormen elk een lineaire reeks lussen die door cohesine worden gevormd, en de laterale elementen van het synaptonemale complex komen samen en vormen een “axiaal element” van waaruit de lussen voortkomen. Recombinatie wordt in deze fase geïnitieerd door het enzym SPO11 dat geprogrammeerde dubbelstrengbreuken creëert (ongeveer 300 per meiose bij muizen). Dit proces genereert enkelstrengs DNA filamenten bedekt met RAD51 en DMC1 die de homologe chromosomen binnendringen, inter-as bruggen vormen, en resulteren in de koppeling/co-alignering van homologen (tot een afstand van ~400 nm in muizen).
ZygoteneEdit
Leptotene wordt gevolgd door het zygotene stadium, ook bekend als zygonema, van Griekse woorden die “gepaarde draden” betekenen,:27 dat in sommige organismen ook wel het boeketstadium wordt genoemd vanwege de manier waarop de telomeren zich aan één uiteinde van de kern groeperen. In dit stadium worden de homologe chromosomen veel nauwer (~100 nm) en stabieler gepaird (een proces dat synapsis wordt genoemd), bemiddeld door de installatie van de dwarse en centrale elementen van het synaptonemale complex. Synapsis wordt verondersteld plaats te vinden op een rits-achtige manier beginnend vanuit een recombinatieknobbel. De gepaarde chromosomen worden bivalente of tetradchromosomen genoemd.
PachyteneEdit
Het pachytene stadium (/ˈpækɪtiːn/ PAK-i-teen), ook bekend als pachynema, van Griekse woorden die “dikke draden” betekenen.:27 is het stadium waarin alle autosomale chromosomen gesynapseerd zijn. In dit stadium wordt de homologe recombinatie, met inbegrip van de chromosoomkruising (crossing over), voltooid door de reparatie van de dubbele strengbreuken die in leptoteen zijn ontstaan. De meeste breuken worden gerepareerd zonder dat er crossovers ontstaan, wat resulteert in genconversie. Een subset van breuken (ten minste één per chromosoom) vormt echter crossovers tussen niet-zuster (homologe) chromosomen, wat resulteert in de uitwisseling van genetische informatie. Geslachtschromosomen zijn echter niet volledig identiek en wisselen alleen informatie uit over een klein gebied van homologie dat het pseudoautosomale gebied wordt genoemd. De uitwisseling van informatie tussen de homologe chromatiden resulteert in een recombinatie van informatie; elk chromosoom heeft de volledige set informatie die het voorheen had, en er zijn geen hiaten ontstaan als gevolg van het proces. Omdat de chromosomen in het synaptonemale complex niet van elkaar te onderscheiden zijn, is de eigenlijke handeling van het kruisen niet waarneembaar door een gewone lichtmicroscoop, en chiasmata zijn pas zichtbaar in het volgende stadium.
DiploteneEdit
Tijdens het diplotene stadium, ook bekend als diplonema, van Griekse woorden die “twee draden” betekenen,:30 valt het synaptonemale complex uit elkaar en scheiden de homologe chromosomen zich een beetje van elkaar. De homologe chromosomen van elk bivalent blijven echter stevig aan elkaar gebonden bij de chiasmata, de gebieden waar de kruising plaatsvond. De chiasmata blijven op de chromosomen totdat ze worden verbroken bij de overgang naar anafase I om homologe chromosomen in staat te stellen zich naar tegenoverliggende polen van de cel te verplaatsen.
In de foetale oogenese bij de mens ontwikkelen alle zich ontwikkelende oöcyten zich tot dit stadium en worden vóór de geboorte in profase I gearresteerd. Deze opgeschorte toestand wordt de dictyotene fase of dictyate genoemd. Het duurt tot de meiose wordt hervat om de eicel voor te bereiden op de ovulatie, die plaatsvindt in de puberteit of zelfs later.
DiakinesisEdit
Chromosomen condenseren verder tijdens het diakinesis stadium, van Griekse woorden die “bewegen door” betekenen.:30 Dit is het eerste punt in de meiose waar de vier delen van de tetrads daadwerkelijk zichtbaar zijn. De plaatsen van kruising verstrengelen zich, overlappen elkaar effectief, waardoor chiasmata duidelijk zichtbaar worden. Afgezien van deze waarneming lijkt de rest van het stadium sterk op de prometafase van de mitose; de nucleoli verdwijnen, het kernmembraan valt uiteen in blaasjes, en de meiotische spindel begint zich te vormen.
Meiotische spindelvormingEdit
In tegenstelling tot mitotische cellen hebben menselijke en muizen oöcyten geen centrosomen om de meiotische spindel te produceren. Bij muizen vormen ongeveer 80 MicroTubule Organizing Centers (MTOC’s) een bol in het ooplasma en beginnen microtubuli te kernen die naar de chromosomen reiken en zich aan de chromosomen aan de kinetochore vastmaken. Na verloop van tijd smelten de MTOC’s samen tot zich twee polen hebben gevormd, waardoor een tonvormige spindel ontstaat. In menselijke oöcyten begint de nucleatie van spindelmicrotubuli op de chromosomen, waarbij een aster wordt gevormd dat zich uiteindelijk uitbreidt om de chromosomen te omgeven. Chromosomen glijden dan langs de microtubuli naar de evenaar van de spindel, op welk punt de chromosoom kinetochores end-on aanhechtingen vormen aan microtubuli.
Metaphase IEdit
Homologe paren bewegen samen langs de metafase plaat: Terwijl de kinetochormicrotubuli van beide spoelpolen zich aan hun respectieve kinetochores hechten, richten de gepaarde homologe chromosomen zich uit langs een equatoriaal vlak dat de spoel in tweeën deelt, als gevolg van voortdurende tegenwichtskrachten die op de bivalenten worden uitgeoefend door de microtubuli die afkomstig zijn van de twee kinetochores van homologe chromosomen. Deze aanhechting wordt een bipolaire aanhechting genoemd. De fysische basis van de onafhankelijke rangschikking van chromosomen is de willekeurige oriëntatie van elk bivalent langs de metafaseplaat, ten opzichte van de oriëntatie van de andere bivalenten langs dezelfde equatoriale lijn. Het eiwitcomplex cohesine houdt de zusterchromatiden bijeen vanaf het moment van hun replicatie tot de anafase. In mitose ontstaat spanning door de kracht van kinetochore microtubuli die in tegengestelde richtingen trekken. De cel voelt deze spanning en gaat niet verder met de anafase totdat alle chromosomen op de juiste manier in twee richtingen zijn georiënteerd. In meiose is voor het tot stand brengen van spanning gewoonlijk ten minste één crossover per chromosomenpaar nodig, naast cohesine tussen de zusterchromatiden (zie Chromosoomsegregatie).
Anafase IEdit
Kinetochore microtubuli worden korter, waardoor homologe chromosomen (die elk uit een paar zusterchromatiden bestaan) naar tegenovergestelde polen worden getrokken. Niet-kinetochore microtubuli worden langer, waardoor de centrosomen verder uit elkaar worden geduwd. De cel rekt uit ter voorbereiding op deling in het centrum. Anders dan bij mitose wordt alleen de cohesine van de chromosoomarmen afgebroken, terwijl de cohesine rond het centromeer beschermd blijft door een eiwit met de naam Shugoshin (Japans voor “beschermgeest”), dat voorkomt dat de zusterchromatiden van elkaar gescheiden worden. Hierdoor kunnen de zusterchromatiden bij elkaar blijven terwijl de homologe chromatiden worden gescheiden.
Telofase IEdit
De eerste meiotische deling eindigt effectief wanneer de chromosomen bij de polen aankomen. Elke dochtercel heeft nu de helft van het aantal chromosomen, maar elk chromosoom bestaat uit een paar chromatiden. De microtubuli die het spindelnetwerk vormen, verdwijnen, en een nieuw kernmembraan omgeeft elke haploïde set. De chromosomen ontrollen zich weer tot chromatine. Cytokinese, het samenknijpen van het celmembraan in dierlijke cellen of de vorming van de celwand in plantencellen, vindt plaats en maakt de vorming van twee dochtercellen compleet. De cytokinese is echter niet volledig voltooid, waardoor “cytoplasmabruggen” ontstaan die het mogelijk maken het cytoplasma tussen de dochtercellen te delen tot het einde van meiose II. Zusterchromatiden blijven tijdens telofase I aan elkaar vastzitten.
Cellen kunnen een periode van rust ingaan die bekend staat als interkinesis of interfase II. Tijdens deze fase vindt geen DNA-replicatie plaats.
Meiose IIEdit
Meiose II is de tweede meiose-deling, en omvat gewoonlijk equationele segregatie, of scheiding van de zusterchromatiden. Mechanisch gezien is het proces vergelijkbaar met mitose, maar de genetische resultaten zijn fundamenteel verschillend. Het eindresultaat is de productie van vier haploïde cellen (n chromosomen, 23 bij de mens) uit de twee haploïde cellen (met n chromosomen, elk bestaande uit twee zusterchromatiden) geproduceerd in meiose I. De vier belangrijkste stappen van meiose II zijn: profase II, metafase II, anafase II, en telofase II.
In profase II zien we de verdwijning van de nucleoli en de nucleaire envelop weer, evenals de verkorting en verdikking van de chromatiden. Centrosomen verplaatsen zich naar de poolgebieden en regelen de spindelvezels voor de tweede meiotische deling.
In metafase II bevatten de centromeren twee kinetochores die zich vasthechten aan de spindelvezels van de centrosomen aan de tegenoverliggende polen. De nieuwe equatoriale metafaseplaat wordt ten opzichte van meiose I 90 graden gedraaid, loodrecht op de vorige plaat.
Dit wordt gevolgd door anafase II, waarin de resterende centromerische cohesine, die niet meer door Shugoshin wordt beschermd, wordt gekliefd, waardoor de zusterchromatiden kunnen segregeren. De zusterchromatiden worden nu volgens afspraak zusterchromosomen genoemd, omdat zij naar tegenover elkaar liggende polen bewegen.
Het proces eindigt met telofase II, die vergelijkbaar is met telofase I, en wordt gekenmerkt door decondensatie en verlenging van de chromosomen en de ontmanteling van de spindel. De nucleaire omhulsels worden opnieuw gevormd en splitsing of celplaatvorming levert uiteindelijk in totaal vier dochtercellen op, elk met een haploïd stel chromosomen.
De meiose is nu voltooid en eindigt met vier nieuwe dochtercellen.