buněčný cyklus somatických buněk a jeho regulace
TRANSCRIPT
BUNĚČNÝ CYKLUS SOMATICKÝCH BUNĚK A JEHO REGULACE
Somatické buňky (jakékoliv buňky organismu kromě pohlavních buněk) během své existence
procházejí sérií buněčných cyklů. Výjimkou jsou např. neurony, jsou to plně diferencované
buňky, které setrvávají permanentně v interfázi.
Průběh buněčného cyklu je řízený a kontrolovaný různými mechanismy jako např.
(i) geneticky řízená kontrola v tzv. kontrolních bodech; (ii) délka telomer (viz dále); (iii)
signální molekuly ve vazbě s receptory nebo (iiii) molekuly, které jsou syntetizované
v cyklující buňce (např. cykliny, cyklin-dependentní proteinkinasy nebo cyklus inhibující
proteiny).
Buněčný cyklus somatických buněk sestává ze dvou funkčně odlišných období; z interfáze
a vlastního buněčného dělení – mitózy. Interfáze tvoří větší část buněčného cyklu, mitóza
představuje jeho kratší část. Mitóza je úsek buněčného cyklu, během kterého vzniknou
z rodičovské buňky dvě buňky dceřiné s rovnoměrně rozděleným genetickým materiálem.
Dělení somatických buněk je nezbytné pro růst organismu a diferenciaci tkání.
Vybrané příklady genů podílejících se na regulaci buněčného cyklu
Cykliny a na cyklinech závislé proteinkinasy (Cyclin-Dependent Protein Kinases; Cdk-
proteinkinasy) jsou proteiny, které jsou součástí řídícího systému buněčného cyklu. Jsou to
produkty genů zvaných protoonkogeny (viz Onkogenetika). Katalyzují fosforylaci jiných
proteinů. Vyskytují se buď v inaktivní formě anebo ve formě aktivní, což závisí na vazbě
s dalšími molekulami, které Cdk proteiny fosforylují.
U vyšších živočichů je dosud známo 8 cyklinů, které jsou značeny A, B, C, D, E, F, G a H a
7 typů Cdk-proteinkinas (Cdk1-Cdk7). V jednotlivých fázích buněčného cyklu jsou
přítomné určité typy cyklinů v komplexu s určitou Cdk-proteinkinasou. Cyklické spojení nebo
zrušení vazby jednotlivých typů cyklinů s Cdk molekulami, a jejich následná degradace, je
hlavní reakce, která umožňuje navození postupných fází buněčného cyklu.
Jednotlivé Cdk-proteinkinasy vykazují odlišné funkce v závislosti na fázích buněčného
cyklu. Aktivita Cdk-proteinkinas je zakložena na fosforylaci serinů a threoninů cílových
proteinů, ale jedině pokud Cdk-proteinkinasy vytvoří komplex s příslušnými cykliny. Bez této
vazby jsou Cdk molekuly inaktivní. Působení molekul Cdk je podporováno vazbou s PCNA
(Proliferating Cell Nuclear Antigen) a inhibováno působením inhibitorů proteinkinas.
Zvýšená hladina inhibitorů Cdk-proteinkinas je jedním z regulačních mechanismů, který vede
k zastavení buněčného cyklu ve fázi G1.
TentoTento dokument
dokument slou
sloužžíí se so
uhlasem autora jako
se souhlasem autora jako
dodoplplňňkovýkový stu
dijnstu
dijníí materimateriáá
l l
ke studiu obor
ke studiu oborůů
VysokVysokéé šškoly ch
emicko
koly chemick
o--technologic
technologickkéé
v Praze.
v Praze.
Jeho pou
Jeho použžititíík jin
ým
k jiným úúčč
elelůům a dal
m a dalšíší šíšířřeneníí
bez souhlasu autora je zak
bez souhlasu autora je zakáázzáánono
TentoTento dokument
dokument slou
sloužžíí se so
uhlasem autora jako
se souhlasem autora jako
dodoplplňňkovýkový stu
dijnstu
dijníí materimateriáá
l l
ke studiu obor
ke studiu oborůů
VysokVysokéé šškoly ch
emicko
koly chemick
o--technologic
technologickkéé
v Praze.
v Praze.
Jeho pou
Jeho použžititíík jin
ým
k jiným úúčč
elelůům a dal
m a dalšíší šíšířřeneníí
bez souhlasu autora je zak
bez souhlasu autora je zakáázzáánono
Zjednodušené schéma buněčného cyklu, kontrolní body, účast cyklinů a cyklin-dependentních
proteinkinas
Mitóza
Cyklin A+B : Cdk 1
G1
Kontrolní bod 2
Kontrolní bod 1
M
S
G0G1
G2
G1
Cyklin B : Cdk 2
Cyklin A : Cdk2
S
Cyklin B : Cdk 2
G2
Cyklin D : Cdk2,4,5+6
Cyklin E : Cdk2
Tumor-supresorové geny kódují proteiny, které se uplatňují při inhibici proliferace a růstu
buněk. Jejich ztrátové mutace souvisejí se vznikem různých typů nádorů (viz Onkogenetika).
Nejlépe je prozkoumán vztah průběhu buněčného cyklu a genů Rb-1 a TP53.
Gen Rb1 se nachází na dlouhém raménku chromosomu 13 (13q14). Je aktivní téměř ve všech
somatických buňkách. Jeho produkt, Rb protein (pRb), je jaderný transkripční faktor, který
má zásadní úlohu při regulaci buněčného dělení, během diferenciace a při indukci apoptózy.
Má schopnost vázat se s nesčetným množstvím proteinů, které se podílejí na buněčné
diferenciaci a proliferaci a regulovat jejich činnost. Inhibiční usměrňování přechodu z G1 do S
fáze Rb proteinem určuje jeho fosforylace. Rb protein je aktivní pokud je nefosforylovaný
nebo málo fosforylovaný. Hlavním cílem aktivního pRb jsou multifunkční transkripční
faktory rodiny E2F. Rodina transkripčních faktorů E2F (E2F1 - E2F6) má rozhodující úlohu
v kontrole buněčného cyklu. Tyto transkripční faktory řídí aktivitu genů podílejících se na
progresi buněčného cyklu, syntéze DNA a apoptóze. Komplex pRB-E2F potlačuje transkripci
genů, jejichž produkty jsou nezbytné pro postup přes G1/S kontrolní bod, jako je například
cyklin D a E. Tím je průběh buněčného cyklu pozastaven. Naopak neaktivní fosforylovaná TentoTento dokument
dokument slou
sloužžíí se so
uhlasem autora jako
se souhlasem autora jako
dodoplplňňkovýkový stu
dijnstu
dijníí materimateriáá
l l
ke studiu obor
ke studiu oborůů
VysokVysokéé šškoly ch
emicko
koly chemick
o--technologic
technologickkéé
v Praze.
v Praze.
Jeho pou
Jeho použžititíík jin
ým
k jiným úúčč
elelůům a dal
m a dalšíší šíšířřeneníí
bez souhlasu autora je zak
bez souhlasu autora je zakáázzáánono
TentoTento dokument
dokument slou
sloužžíí se so
uhlasem autora jako
se souhlasem autora jako
dodoplplňňkovýkový stu
dijnstu
dijníí materimateriáá
l l
ke studiu obor
ke studiu oborůů
VysokVysokéé šškoly ch
emicko
koly chemick
o--technologic
technologickkéé
v Praze.
v Praze.
Jeho pou
Jeho použžititíík jin
ým
k jiným úúčč
elelůům a dal
m a dalšíší šíšířřeneníí
bez souhlasu autora je zak
bez souhlasu autora je zakáázzáánono
forma Rb proteinu vede k uvolnění pRb z vazby s proteiny, které umožňují přechod z G1 do
S fáze (např. faktory E2F). Komplex cyklin D-Cdk 4/6 se podílí na první fázi uvolnění
buněčného cyklu z kontrolního bodu G1. Následuje syntéza cyklinu E, který pak v komplexu
s Cdk 2 posunuje buněčný cyklus z kontrolního bodu G1 do S fáze.
Fosforylace serinů a threoninů proteinu Rb (a tím jeho inaktivace) je vyvolána cyklin-
dependentními proteinkinasami. Cdk fosforylují pRB až po vzniku komplexu Cdk
s příslušným cyklinem. Interakce Cdk s cyklinem je iniciována vazbou molekul růstových
faktorů k receptorům.
Rb protein je v buňkách přítomen neustále. V průběhu buněčného cyklu se pouze střídá jeho
fosforylace a defosforylace. Ve fosforylované neaktivní formě zůstává v průběhu S, G2 a M
fáze.
Tumor-supresorový gen TP53 je nazýván “strážce genomu”, protože na jeho funkci závisí,
zda proběhne kontrola genetického materiálu mezi G1/S fází a opravy chyb (velký repair).
Tento gen se též podílí při kontrole genetického materiálu po replikaci mezi S/G2 fází, v tzv.
post-replikačním kontrolním bodě (malý repair).
Gen TP53 je lokalizován na krátkých raménkách chromosomu 17 (17p13). Produkt genu
TP53, protein p53, je transkripční faktor, který se váže na promotor několika cílových genů a
reguluje jejich transkripci. Produkty těchto genů teprve vykonávají specializované funkce,
jako je pozastavení buněčného cyklu, oprava poškození genetického materiálu nebo navození
apoptózy.
Gen TP53 reaguje na poškození DNA a různé typy stresu (hypoxie, nedostatek růstových
faktorů atp.) zvýšenou expresí a zvýšením stability (prodloužením poločasu degradace)
proteinu p53. Pozastavením buněčného cyklu v G1 fázi umožňuje reparačním mechanismům
provést opravu poškozené DNA. Reakce buněk na aktivaci p53 je závislá jak na hladině p53,
tak i na buněčném typu a na dalších regulačních proteinech, zejména na proteinu Rb.
Produkt genu TP53 je jaderný fosfoprotein p53, který působí jako transkripční faktor pro
několik cílových genů. Uvádíme tři geny, které mají zásadní význam pro regulaci buněčného
cyklu, reparaci poškození genetického materiálu a navození apoptózy. Jsou to geny
CIP1/WAF 1(Cyklin-dependent Inhibitor Protein Kinase / Wild-type p53 dependent growth
Arrest Factor), GADD 45 (Growth Arrest and DNA Damage) a BAX (proapoptotický člen
rodiny Bcl-2; viz apoptóza).
Exprese genu CIP1/WAF1 je vázána zejména na hladinu p53, ale je regulována
i mechanismy, které nezávisí na aktivitě genu TP53. Jeho produkt protein 21 (p21) se váže k
cyklin-dependentním proteinkinasám a inhibuje jejich aktivitu jak v G1 tak G2 kontrolním
TentoTento dokument
dokument slou
sloužžíí se so
uhlasem autora jako
se souhlasem autora jako
dodoplplňňkovýkový stu
dijnstu
dijníí materimateriáá
l l
ke studiu obor
ke studiu oborůů
VysokVysokéé šškoly ch
emicko
koly chemick
o--technologic
technologickkéé
v Praze.
v Praze.
Jeho pou
Jeho použžititíík jin
ým
k jiným úúčč
elelůům a dal
m a dalšíší šíšířřeneníí
bez souhlasu autora je zak
bez souhlasu autora je zakáázzáánono
TentoTento dokument
dokument slou
sloužžíí se so
uhlasem autora jako
se souhlasem autora jako
dodoplplňňkovýkový stu
dijnstu
dijníí materimateriáá
l l
ke studiu obor
ke studiu oborůů
VysokVysokéé šškoly ch
emicko
koly chemick
o--technologic
technologickkéé
v Praze.
v Praze.
Jeho pou
Jeho použžititíík jin
ým
k jiným úúčč
elelůům a dal
m a dalšíší šíšířřeneníí
bez souhlasu autora je zak
bez souhlasu autora je zakáázzáánono
bodě. Protein p21 může také tlumit replikaci zpomalením postupu replikační vidlice. Inhibuje
katalytickou aktivitu na PCNA závislé DNA-polymerasy delta.
Produkt genu GADD 45, protein Gadd 45, podněcuje reparaci excizí (vyštěpením) a to buď
přímo a nebo v kooperaci s molekulami PCNA.
Gen BAX má významnou úlohu při navození apoptózy.
Inhibice aktivity proteinkinas je vyvolána i produkty dalších tumor-supresorových genů.
Například růstový faktor TGF-beta (viz Buněčná signalizace), který je inhibitor proliferace na
rozdíl od opačného účinku většiny růstových faktorů, reguluje transkripci tumor-
supresorového genu INK4 (Inhibitor Protein Kinase 4). Transkripce genu INK4 má dvě
možné varianty a tak vznikají dva typy mRNA; jeden pro syntézu proteinu p15 (transkript
INK4B) a druhý pro syntézu proteinu p16 (transkript INK4A). Oba proteiny jsou inhibitory
Cdks, které se podílejí na průběhu G1 fáze; p15 inhibuje aktivitu Cdk4, zatímco p16 inhibuje
Cdk2, Cdk4 a Cdk6. Růstovým faktorem TGF-beta je regulována syntéza i dalších proteinů s
inhibičním účinkem na buněčnou proliferaci, ale též s vlivem na terminální diferenciaci
některých tkání.
Inhibice proliferace buněk je např. také vyvolána nedostatkem růstových faktorů.
Specifické kombinace růstových faktorů, pokud jsou přítomny v dostatečném množství,
stimulují ve většině případů buňky k proliferaci; výjimečně ji primárně inhibují (viz TGF-
beta). Důležitou funkcí růstových faktorů je, kromě stimulace buněčné proliferace, regulace
proteosyntézy a buněčného růstu. Tentýž růstový faktor má většinou schopnost regulovat
proliferaci i buněčný růst. Neplatí to ale absolutně. Variabilita funkce růstových faktorů je
zřejmá i z faktu, že některé řídí diferenciaci buněk v průběhu embryogeneze, jiné se v tomto
období neuplatňují.
Dále se budeme zabývat dalšími ději, které jsou typické pro jednotlivá období buněčného
cyklu.
Průběh buněčného cyklu
Interfáze
Interfáze je období mezi dvěmi mitózami. Jádro je v tomto období ohraničené od cytoplasmy
jadernou membránou. Z funkčního hlediska je interfáze členěna na G1, S a G2 fázi.
G1 fáze
Po ukončení mitózy vstupuje buňka do G1 fáze. G1 fáze má variabilní délku trvání. Některé
buňky (například lymfocyty) setrvávají na počátku interfáze v tzv. klidovém stadiu (Go fázi) a TentoTento dokument
dokument slou
sloužžíí se so
uhlasem autora jako
se souhlasem autora jako
dodoplplňňkovýkový stu
dijnstu
dijníí materimateriáá
l l
ke studiu obor
ke studiu oborůů
VysokVysokéé šškoly ch
emicko
koly chemick
o--technologic
technologickkéé
v Praze.
v Praze.
Jeho pou
Jeho použžititíík jin
ým
k jiným úúčč
elelůům a dal
m a dalšíší šíšířřeneníí
bez souhlasu autora je zak
bez souhlasu autora je zakáázzáánono
TentoTento dokument
dokument slou
sloužžíí se so
uhlasem autora jako
se souhlasem autora jako
dodoplplňňkovýkový stu
dijnstu
dijníí materimateriáá
l l
ke studiu obor
ke studiu oborůů
VysokVysokéé šškoly ch
emicko
koly chemick
o--technologic
technologickkéé
v Praze.
v Praze.
Jeho pou
Jeho použžititíík jin
ým
k jiným úúčč
elelůům a dal
m a dalšíší šíšířřeneníí
bez souhlasu autora je zak
bez souhlasu autora je zakáázzáánono
teprve po aktivaci (antigenní podnět) opět pokračují v buněčném cyklu. Jiné, plně
diferencované buňky (například neurony) setrvávají trvale v Go fázi a dále se nedělí.
V G1 fázi se uplatňuje hlavní kontrolní bod buněčného cyklu (G1 kontrolní bod, viz výše
tumor-supresorové geny).
V G1 fázi nedochází k syntéze DNA. Interfázní chromosom je v G1 fázi tvořen jen jednou
chromatidou obsahující jednu molekulu dvouvláknové DNA.
V G1 fázi probíhá syntéza RNA a proteinů, vytváří se zásoba nukleotidů. Zvětšuje se počet
ribosomů, mitochondrií, endoplasmatického retikula. Buňka se zvětšuje. Po G1 fázi následuje
S fáze.
S fáze
S fáze je období DNA syntézy (replikace). Každý chromosom se replikuje (viz Molekulární
genetika) a stává se dvouchromatidovým chromosomem. Množství DNA se zdvojnásobí.
Syntéza DNA není synchronní pro všechny chromosomy. Synchronně se replikují homologní
páry autosomů. Výjimkou jsou chromosomy X. Inaktivovaný X chromosom (viz Genetická
kontrola prenatálního vývoje) se replikuje později než jeho aktivní homolog. V S fázi jsou
syntetizovány histony.
G2 fáze
V G2 fázi se každý chromosom skládá ze dvou sesterských chromatid; ze dvou identických
molekul DNA. V G2 fázi se uplatňuje G2 kontrolní bod, tzn. kontrola genomu a jeho
postreplikační opravy. DNA tvoří komplex s histony. Ke konci G2 fáze začíná kondenzace
chromatinu (viz chromosomy lidských somatických buněk).
Mitóza
Vlastní dělení buněk - mitóza je plynulý proces, ale v jejím průběhu je možné odlišit čtyři
zásadní fáze.
Profáze
Chromosomy kondenzují a jsou patrné jako dlouhé, tenké struktury. Nastává rozpad jadérka.
Centrioly se pohybují k protilehlým pólům buňky. Centrioly jsou malé organely, které se
během S fáze replikují. V pozdní profázi se rozpadá jaderný obal. Kolem centriol se vytvářejí
vlákna dělícího (mitotického) vřeténka, která se v závěru profáze připojují k centromeře, ke
kinetochoru (struktura ležící v oblasti centromery). Vlákna jsou mikrotubuly tvořené
proteinem tubulinem. TentoTento dokument
dokument slou
sloužžíí se so
uhlasem autora jako
se souhlasem autora jako
dodoplplňňkovýkový stu
dijnstu
dijníí materimateriáá
l l
ke studiu obor
ke studiu oborůů
VysokVysokéé šškoly ch
emicko
koly chemick
o--technologic
technologickkéé
v Praze.
v Praze.
Jeho pou
Jeho použžititíík jin
ým
k jiným úúčč
elelůům a dal
m a dalšíší šíšířřeneníí
bez souhlasu autora je zak
bez souhlasu autora je zakáázzáánono
TentoTento dokument
dokument slou
sloužžíí se so
uhlasem autora jako
se souhlasem autora jako
dodoplplňňkovýkový stu
dijnstu
dijníí materimateriáá
l l
ke studiu obor
ke studiu oborůů
VysokVysokéé šškoly ch
emicko
koly chemick
o--technologic
technologickkéé
v Praze.
v Praze.
Jeho pou
Jeho použžititíík jin
ým
k jiným úúčč
elelůům a dal
m a dalšíší šíšířřeneníí
bez souhlasu autora je zak
bez souhlasu autora je zakáázzáánono
Metafáze
V metafázi jsou chromosomy maximálně kondenzované. Aktivní činností dělícího aparátu
jsou rozmístěné v ekvatoriální rovině. Sesterské chromatidy se oddělují a zůstávají spojené
jen v místě centromery.
Anafáze
Sesterské chromatidy se oddělují, každá se pohybuje k protilehlému pólu buňky. Od té chvíle
se chromatidy chovají jako nezávislé dceřiné chromosomy.
Telofáze
Dceřiné chromosomy (chromatidy) jsou seskupeny u protilehlých pólů, mizí mikrotubuly
dělícího aparátu, začíná tvorba jaderného obalu.
TentoTento dokument
dokument slou
sloužžíí se so
uhlasem autora jako
se souhlasem autora jako
dodoplplňňkovýkový stu
dijnstu
dijníí materimateriáá
l l
ke studiu obor
ke studiu oborůů
VysokVysokéé šškoly ch
emicko
koly chemick
o--technologic
technologickkéé
v Praze.
v Praze.
Jeho pou
Jeho použžititíík jin
ým
k jiným úúčč
elelůům a dal
m a dalšíší šíšířřeneníí
bez souhlasu autora je zak
bez souhlasu autora je zakáázzáánono
TentoTento dokument
dokument slou
sloužžíí se so
uhlasem autora jako
se souhlasem autora jako
dodoplplňňkovýkový stu
dijnstu
dijníí materimateriáá
l l
ke studiu obor
ke studiu oborůů
VysokVysokéé šškoly ch
emicko
koly chemick
o--technologic
technologickkéé
v Praze.
v Praze.
Jeho pou
Jeho použžititíík jin
ým
k jiným úúčč
elelůům a dal
m a dalšíší šíšířřeneníí
bez souhlasu autora je zak
bez souhlasu autora je zakáázzáánono
Cytokineze
Chromosomy začínají dekondenzovat. Obnovuje se jadérko. Kolem dceřiných jader je
jaderná membrána. Jádro přechází do stádia interfáze.
Obrázky převzaty z otevřené encyklopedie Wikipedia
Mitóza je mechanismus, který zajišťuje genetickou identitu somatických buněk.
Apoptóza
Apoptóza, geneticky řízená buněčná smrt. Je to fyziologický proces, který udržuje rovnováhu
mezi buněčnou proliferací a smrtí buněk. Geneticky programovanou buněčnou smrtí je
regulováno množství buněk tkání během ontogeneze i postnatálního života, uplatňuje se při
morfogenezi a podílí se na přirozené obměně buněk v tkáních. Apoptózou jsou odstraňovány
nepotřebné, změněné nebo poškozené buňky. U dospělého organismu má apoptóza
nezastupitelnou úlohu v tkáních, které prodělávají cyklické změny například vlivem kolísání
hladiny hormonů (endometrium, prsní žlázy, prostata) a i ve tkáních, ve kterých dochází
k pravidelné obměně buněk (například střevní epithel, lymfocyty). Je nedílnou součástí
procesu stárnutí a smrti organismu. Její základní úlohou je udržování homeostázy v tkáních.
Průběh apoptózy můžeme rozdělit na tři fáze:
1) signál, kterým je buňka nevratně odsouzena k zániku;
2) kaskáda nitrobuněčných dějů. V buňce jsou aktivovány enzymy kaspasy, dochází
k rozpadu cytoskeletu, zániku enzymů nutných pro replikaci a reparaci DNA a
k aktivaci endonukleasy, která specificky štěpí DNA mezi nukleosomy (základními
strukturními jednotkami eukaryotních chromosomů). Fragmenty DNA mají
charakteristickou délkou, přibližně 180 párů bází a násobky této délky.
V elektroforetickém gelu, mají typické uspořádání - tzv. apoptotický "žebříček".
3) zanikající buňka se odděluje od sousedních buněk. Rozpadající se buňky jsou
formovány do apoptotických tělísek, která jsou odstraňována fagocytózou bez
poškození okolí. Při programované buněčné smrti nedochází k zánětlivé reakci. TentoTento dokument
dokument slou
sloužžíí se so
uhlasem autora jako
se souhlasem autora jako
dodoplplňňkovýkový stu
dijnstu
dijníí materimateriáá
l l
ke studiu obor
ke studiu oborůů
VysokVysokéé šškoly ch
emicko
koly chemick
o--technologic
technologickkéé
v Praze.
v Praze.
Jeho pou
Jeho použžititíík jin
ým
k jiným úúčč
elelůům a dal
m a dalšíší šíšířřeneníí
bez souhlasu autora je zak
bez souhlasu autora je zakáázzáánono
TentoTento dokument
dokument slou
sloužžíí se so
uhlasem autora jako
se souhlasem autora jako
dodoplplňňkovýkový stu
dijnstu
dijníí materimateriáá
l l
ke studiu obor
ke studiu oborůů
VysokVysokéé šškoly ch
emicko
koly chemick
o--technologic
technologickkéé
v Praze.
v Praze.
Jeho pou
Jeho použžititíík jin
ým
k jiným úúčč
elelůům a dal
m a dalšíší šíšířřeneníí
bez souhlasu autora je zak
bez souhlasu autora je zakáázzáánono
Obrázek převzat z otevřené encyklopedie Wikipedia
Pochopení a následné využití znalostí o regulaci průběhu buněčného cyklu a navození
apoptózy jsou v současné době jednou z priorit molekulární farmakologie, zejména při vývoji
léčiv s protinádorovými účinky. V kapitole zabývající se problematikou vzniku maligních
nádorů (viz Onkogenetika) vysvětlíme, proč právě cílené zásahy do regulace buněčného cyklu
včetně navození apoptózy jsou v současnosti předmětem výzkumu a vývoje nových
protinádorových farmak.
Meióza
Meióza je typ dělení, kdy z diploidních zárodečných buněk vznikají haploidní gamety.
Primordiální zárodečné buňky (embryonální buňky, ze kterých gamety vznikají) se
začínají diferencovat ve stěně žloutkového vaku. V šestém týdnu embryonálního vývoje
z něho migrují do urogenitálních lišt. Podílí se spolu se somatickými buňkami na vzniku
primitivní gonády. Primitivní gonády se diferencují v souhlasu s heterochromosomální
výbavou na testes (XY) nebo ovaria (XX). Primordiální zárodečné buňky dospějí po řadě
mitotických dělení do stádia primárních spermatocytů a nebo oocytů. Z nich meiotickým
dělením vznikají gamety. Vznik samičích a samčích gamet se liší zejména v časovém
průběhu.
Nejprve se budeme zabývat vlastním meiotickým dělením.
Meióza je dělení, při kterém je redukován počet chromosomů z diploidního (2n) na
haploidní (n). Gamety vznikají po dvou následných děleních; meióze I a meióze II, mezi
kterými je krátká interfáze (interkineze), ale nedochází k replikaci DNA. Pro meiózu I je TentoTento dokument
dokument slou
sloužžíí se so
uhlasem autora jako
se souhlasem autora jako
dodoplplňňkovýkový stu
dijnstu
dijníí materimateriáá
l l
ke studiu obor
ke studiu oborůů
VysokVysokéé šškoly ch
emicko
koly chemick
o--technologic
technologickkéé
v Praze.
v Praze.
Jeho pou
Jeho použžititíík jin
ým
k jiným úúčč
elelůům a dal
m a dalšíší šíšířřeneníí
bez souhlasu autora je zak
bez souhlasu autora je zakáázzáánono
TentoTento dokument
dokument slou
sloužžíí se so
uhlasem autora jako
se souhlasem autora jako
dodoplplňňkovýkový stu
dijnstu
dijníí materimateriáá
l l
ke studiu obor
ke studiu oborůů
VysokVysokéé šškoly ch
emicko
koly chemick
o--technologic
technologickkéé
v Praze.
v Praze.
Jeho pou
Jeho použžititíík jin
ým
k jiným úúčč
elelůům a dal
m a dalšíší šíšířřeneníí
bez souhlasu autora je zak
bez souhlasu autora je zakáázzáánono
charakteristické párování homologních chromosomů v profázi I a jejich rozchod v anafázi I.
Meióza I je tedy vlastní redukční dělení. Meióza II se podobá mitotickému dělení.
V anafázi II dochází k rozchodu sesterských chromatid k pólům buňky.
První meiotické dělení (meióza I)
Profáze I a její stádia
Leptotén - u chromosomů není ještě možné rozlišit jejich sesterské chromatidy.
Zygotén - párují se homologní chromosomy a podélně k sobě přiléhají. Jsou spojeny
trojvrstevným proteinovým synaptonemálním komplexem, což je specializovaná struktura,
která leží mezi vlákny chromatinu.
Pachytén - každý chromosomový pár tvoří bivalent s dobře rozlišitelnými všemi čtyřmi
chromatidami (tetráda). Mezi chromatidami může docházet k překřížení (crossing-overu)
a výměnám úseků genetického materiálu (rekombinacím). Výměnou homologních úseků mezi
nesesterskými chromatidami (viz Vazba genů) může u potomků dojít ke změně v postavení
alel (jiné kombinaci) na homologních chromosomech, než jaké bylo na chromosomech rodiče.
Výměna homologních úseků mezi sesterskými chromatidami uspořádání alel neovlivňuje.
Diplotén - homologní chromosomy se uvolňují z bivalentu. Sesterské chromatidy stále drží
pospolu centromera.
Diakineze - chromosomy se maximálně spiralizují (zkracují).
Metafáze I
Na počátku metafáze I mizí jaderný obal. Tvoří se dělící vřeténko. Párové chromosomy jsou
přiřazené k sobě a leží v ekvatoriální rovině.
Anafáze I - dvouchromatidové chromosomy jednotlivých homologních párů se pohybují
pomocí mikrotubulů dělícího vřeténka k protilehlým pólům buňky. Počet chromosomů je tak
redukován na polovinu. Po rozdělení má tedy každá buňka haploidní počet chromosomů.
Rozchod párových chromosomů je náhodný. Dochází k nezávislé segregaci a kombinaci
chromosomů v gametách. Z toho vyplývá, že původně paternální a maternální chromosomy se
dostávají do náhodných kombinací. Možný počet kombinací chromosomů v gametách
člověka (23 párů) je 223.
Telofáze I - pro telofázi I je charakteristické seskupení haploidní sady chromosomů
v protilehlých pólech buňky. TentoTento dokument
dokument slou
sloužžíí se so
uhlasem autora jako
se souhlasem autora jako
dodoplplňňkovýkový stu
dijnstu
dijníí materimateriáá
l l
ke studiu obor
ke studiu oborůů
VysokVysokéé šškoly ch
emicko
koly chemick
o--technologic
technologickkéé
v Praze.
v Praze.
Jeho pou
Jeho použžititíík jin
ým
k jiným úúčč
elelůům a dal
m a dalšíší šíšířřeneníí
bez souhlasu autora je zak
bez souhlasu autora je zakáázzáánono
TentoTento dokument
dokument slou
sloužžíí se so
uhlasem autora jako
se souhlasem autora jako
dodoplplňňkovýkový stu
dijnstu
dijníí materimateriáá
l l
ke studiu obor
ke studiu oborůů
VysokVysokéé šškoly ch
emicko
koly chemick
o--technologic
technologickkéé
v Praze.
v Praze.
Jeho pou
Jeho použžititíík jin
ým
k jiným úúčč
elelůům a dal
m a dalšíší šíšířřeneníí
bez souhlasu autora je zak
bez souhlasu autora je zakáázzáánono
Cytokineze
Po telofázi I se buňka dělí na dvě haploidní dceřiné buňky a vstupuje do interfáze. Při
spermatogenezi je cytoplasma rozdělena mezi dceřiné buňky rovnoměrně. Při oogenezi je
rozdělení cytoplasmy nepravidelné. Jeden produkt dělení - sekundární oocyt, získá téměř
všechnu cytoplasmu a druhá buňka se stane prvním polárním tělískem.
Interfáze (interkineze)
Interfáze trvá krátce. Chromosomy jen částečně dekondenzují. Nenastává S fáze.
Následující obrázek schematicky znázorňuje průběh prvního meiotického dělení.
TentoTento dokument
dokument slou
sloužžíí se so
uhlasem autora jako
se souhlasem autora jako
dodoplplňňkovýkový stu
dijnstu
dijníí materimateriáá
l l
ke studiu obor
ke studiu oborůů
VysokVysokéé šškoly ch
emicko
koly chemick
o--technologic
technologickkéé
v Praze.
v Praze.
Jeho pou
Jeho použžititíík jin
ým
k jiným úúčč
elelůům a dal
m a dalšíší šíšířřeneníí
bez souhlasu autora je zak
bez souhlasu autora je zakáázzáánono
TentoTento dokument
dokument slou
sloužžíí se so
uhlasem autora jako
se souhlasem autora jako
dodoplplňňkovýkový stu
dijnstu
dijníí materimateriáá
l l
ke studiu obor
ke studiu oborůů
VysokVysokéé šškoly ch
emicko
koly chemick
o--technologic
technologickkéé
v Praze.
v Praze.
Jeho pou
Jeho použžititíík jin
ým
k jiným úúčč
elelůům a dal
m a dalšíší šíšířřeneníí
bez souhlasu autora je zak
bez souhlasu autora je zakáázzáánono
Meióza I - metafáze
diakineze diplotén
pachytén zygotén leptotén
Meióza I – interkineze (despiralizace)
Meióza I - telofáze Meióza I - anafáze
Profáze I
Druhé meiotické dělení (meióza II)
TentoTento dokument
dokument slou
sloužžíí se so
uhlasem autora jako
se souhlasem autora jako
dodoplplňňkovýkový stu
dijnstu
dijníí materimateriáá
l l
ke studiu obor
ke studiu oborůů
VysokVysokéé šškoly ch
emicko
koly chemick
o--technologic
technologickkéé
v Praze.
v Praze.
Jeho pou
Jeho použžititíík jin
ým
k jiným úúčč
elelůům a dal
m a dalšíší šíšířřeneníí
bez souhlasu autora je zak
bez souhlasu autora je zakáázzáánono
TentoTento dokument
dokument slou
sloužžíí se so
uhlasem autora jako
se souhlasem autora jako
dodoplplňňkovýkový stu
dijnstu
dijníí materimateriáá
l l
ke studiu obor
ke studiu oborůů
VysokVysokéé šškoly ch
emicko
koly chemick
o--technologic
technologickkéé
v Praze.
v Praze.
Jeho pou
Jeho použžititíík jin
ým
k jiným úúčč
elelůům a dal
m a dalšíší šíšířřeneníí
bez souhlasu autora je zak
bez souhlasu autora je zakáázzáánono
Průběh druhého meiotického dělení (meioza II) je obdobný dělení mitotickému. Vznikají
čtyři haploidní buňky (viz následující obrázek).
Meióza zajišťuje procesem rekombinací a náhodnou segregací chromosomů maternálního a
paternálního původu variabilitu genetického v gametách ve srovnání s genomy rodičů.
Profáze II
Gamety
Metafáze II
Anafáze II
TentoTento dokument
dokument slou
sloužžíí se so
uhlasem autora jako
se souhlasem autora jako
dodoplplňňkovýkový stu
dijnstu
dijníí materimateriáá
l l
ke studiu obor
ke studiu oborůů
VysokVysokéé šškoly ch
emicko
koly chemick
o--technologic
technologickkéé
v Praze.
v Praze.
Jeho pou
Jeho použžititíík jin
ým
k jiným úúčč
elelůům a dal
m a dalšíší šíšířřeneníí
bez souhlasu autora je zak
bez souhlasu autora je zakáázzáánono
TentoTento dokument
dokument slou
sloužžíí se so
uhlasem autora jako
se souhlasem autora jako
dodoplplňňkovýkový stu
dijnstu
dijníí materimateriáá
l l
ke studiu obor
ke studiu oborůů
VysokVysokéé šškoly ch
emicko
koly chemick
o--technologic
technologickkéé
v Praze.
v Praze.
Jeho pou
Jeho použžititíík jin
ým
k jiným úúčč
elelůům a dal
m a dalšíší šíšířřeneníí
bez souhlasu autora je zak
bez souhlasu autora je zakáázzáánono
V anafázi I i II může dojít k chybám při rozchodu chromosomů k pólům buňky. Během
anafáze může též dojít ke ztrátě chromosomu, např. při nesprávné koordinaci napojení vlákna
dělícího vřeténka ke kinetochoru. Porucha rozchodu (nondisjunkce) homologních
chromosomů v anafázi I nebo chromatid v anafázi II, nebo ztráta chromosomu, je příčinou
numerických chromosomálních odchylek (numerických aberací). Gamety se změněným
počtem chromosomů mohou být příčinou potratů nebo vzniku vývojových vad (viz
Cytogenetika - syndromy podmíněné numerickými odchylkami chromosomů).
Následující obrázek znázorňuje disjunkci (rozchod) a nondisjunkci jednoho páru
homologních chromosomů v meióze I a v meióze II. Maternální chromosom je zbarven
červeně, paternální modře. K nondisjunkci dochází většinou při oogenezi.
Anafáze II –rozchod sesterských chromatid
Anafáze I –rozchod homologních chromosomů
Nondisjunkce –2. meiotické dělení Nondisjunkce –1. meiotické dělení
TentoTento dokument
dokument slou
sloužžíí se so
uhlasem autora jako
se souhlasem autora jako
dodoplplňňkovýkový stu
dijnstu
dijníí materimateriáá
l l
ke studiu obor
ke studiu oborůů
VysokVysokéé šškoly ch
emicko
koly chemick
o--technologic
technologickkéé
v Praze.
v Praze.
Jeho pou
Jeho použžititíík jin
ým
k jiným úúčč
elelůům a dal
m a dalšíší šíšířřeneníí
bez souhlasu autora je zak
bez souhlasu autora je zakáázzáánono
TentoTento dokument
dokument slou
sloužžíí se so
uhlasem autora jako
se souhlasem autora jako
dodoplplňňkovýkový stu
dijnstu
dijníí materimateriáá
l l
ke studiu obor
ke studiu oborůů
VysokVysokéé šškoly ch
emicko
koly chemick
o--technologic
technologickkéé
v Praze.
v Praze.
Jeho pou
Jeho použžititíík jin
ým
k jiným úúčč
elelůům a dal
m a dalšíší šíšířřeneníí
bez souhlasu autora je zak
bez souhlasu autora je zakáázzáánono
Gametogeneze
Spermatogeneze
Spermie vznikají v semenných kanálcích testes od počátku pohlavní dospělosti. Kanálky
jsou vyplněny spermatogoniemi, které jsou v různých stádiích vývoje. Tyto buňky se
vyvinuly po sérii mitóz z primordiálních zárodečných buněk. Poslední typ vývojové řady je
primární spermatocyt. Primární spermatocyt prodělává první meiotické dělení. Vznikají dva
haploidní sekundární spermatocyty. Sekundární spermatocyty ihned přecházejí do druhého
meiotického dělení. Z každého vznikají dvě spermatidy, které se diferencují (bez dalšího
dělení) do spermií.
Oogeneze
Oogeneze je na rozdíl od spermatogeneze zahájena před narozením. Vajíčko se vyvíjí
z oogonií (buněk kortexu ovaria), které vznikly z primordiálních zárodečných buněk sérií
přibližně 30ti mitóz. Každé oogonium je obaleno vrstvou folikulárních buněk. Do třetího
měsíce prenatálního vývoje se oogonia postupně diferencují na primární oocyty.
Nesynchronně vstupují do profáze meiózy I. V době narození jsou všechny v profázi I.
V profázi I je meiotické dělení přerušeno (stadium zvané dictyotén) a oocyty v tomto stádiu
setrvávají do sexuální dospělosti. V sexuální dospělosti jednotlivé folikuly dozrávají, nastává
ovulace. Oocyt pokračuje v meióze I, rozdělí se na sekundární oocyt s většinou cytoplasmy a
organelami a na polární tělísko. Ihned začíná meióza II, která během ovulace dospěje do
metafáze. Meióza II je dokončena pouze po oplodnění (fertilizaci). Až po fertilizaci je druhé
meiotické dělení ukončeno, vznikne vajíčko a druhé polární tělísko. Chromosomy vajíčka a
spermie vytvoří prvojádra obalená jadernou membránu. Prvojádra fúzují a vznikne diploidní
zygota. Chromosomy zygoty se replikují a zygota se následně mitoticky rozdělí na dvě
dceřiné buňky. Tím je zahájen embryonální vývoj.
TentoTento dokument
dokument slou
sloužžíí se so
uhlasem autora jako
se souhlasem autora jako
dodoplplňňkovýkový stu
dijnstu
dijníí materimateriáá
l l
ke studiu obor
ke studiu oborůů
VysokVysokéé šškoly ch
emicko
koly chemick
o--technologic
technologickkéé
v Praze.
v Praze.
Jeho pou
Jeho použžititíík jin
ým
k jiným úúčč
elelůům a dal
m a dalšíší šíšířřeneníí
bez souhlasu autora je zak
bez souhlasu autora je zakáázzáánono
TentoTento dokument
dokument slou
sloužžíí se so
uhlasem autora jako
se souhlasem autora jako
dodoplplňňkovýkový stu
dijnstu
dijníí materimateriáá
l l
ke studiu obor
ke studiu oborůů
VysokVysokéé šškoly ch
emicko
koly chemick
o--technologic
technologickkéé
v Praze.
v Praze.
Jeho pou
Jeho použžititíík jin
ým
k jiným úúčč
elelůům a dal
m a dalšíší šíšířřeneníí
bez souhlasu autora je zak
bez souhlasu autora je zakáázzáánono