2.3 cell division and transmission of DNA to daughter cells

chromosomale invalshoek menselijke levenscyclus: mitose

1. 1 diploïde cel (2n) → 2 diploïde dochtercellen (2n)

2. 10¹⁷ mitosen per mensenleven

chromosomale invalshoek menselijke levenscyclus: meiose

1. 1 diploïde cel (2n)

→ man: 4 haploïde gameten (1n)

→ vrouw: 1 haploïde gameet + poollichaampjes

(moet 2n krijgen, dus mag maar 1n van vader + 1n van moeder krijgen → speciale deling nodig voor vorming gameten: meiose)

waarom is er een speciale deling nodig voor de vorming van gameten?

resultaat dat we nodig hebben: 2n (diploïde)

maar krijgt 1 van vader en 1 van moeder → mag maar 1n van elk krijgen (om 2n te bekomen) → gameten mogen maag 1n hebben (ipv 2n zoals meeste cellen)

algemeen verloop meiose

→ chromosomen worden éénmaal gerepliceerd, maar 2 keer verdeeld: gaan van diploïde cel (2n) naar haploïde gameten (1n)

1. meiose I: ‘reductional division’

2. meiose II: ‘equational division’ 

meiose I

= ‘reductional division’

1. verdeling van de homologe autosomen

2. verdeling van de sex chromosomen

3. vorming chiasmata: correcte segregatie + genetische diversiteit

4. zusterchromatiden hangen nog aan elkaar

meiose II

= "‘ equational division’

1. verdeling van de zusterchromatiden (is dus gelijkaardig aan mitose)

tijdens de mitose gebeurt de…

nucleaire divisie

tijdens de cytokinese gebeurt de…

celdeling

prometafase: wat gebeurt er hier?

= syntelic attachement

beide kinetochoren aan één pool vastgehecht: FOUT

prometafase: wat gebeurt er hier?

= merotelic attachement

één kinetochoor ontvangt microtubuli van beide spindle polen: FOUT

bij deling:

1. ene naar juiste kant getrokken

2. andere wordt naar beide kanten getrokken, blijft hangen → kan leiden tot chromosoom verlies, afbraak, scheuren centromeer

prometafase: wat gebeurt er hier?

= monotelic attachement

één zusterkinetochoor ontvant van 1 kant de microtubuli, andere niet/nog niet: FOUT

bij deling:

1. ene (die wel vasthangt) naar juiste kan

2. andere blijft hangen, kan verloren gaan, afbreken, of zelfs zorgen voor aneuploïdie

prometafase: wat gebeurt er hier?

= amphitelic attachement

linkse kinetochoor bindt aan microtubuli rechtse pool, rechtse kinetochoor bindt aan microtubuli linkse pool: ENIGE JUISTE MANIER

wat is de moleculaire lijm tussen gerepliceerd DNA? Hoe ziet dit eruit? (profase)

1. soort hoefijzerstructuur, opgebouwd door Smc1 en Smc3 proteïnen

2. structuur wordt gesloten door Scc1 en Scc3

3. → volledige complex (‘lijm’) = cohesine complex, zal twee zusterchromatiden samenhouden vanaf moment dat DNA gerepliceerd wordt

4. cohesine complex zit over hele lengte van zusterchromatiden heen (tijdens profase) → moet nog worden verwijderd in latere fasen voor segregatie

wat doen Smc1 en Smc3 proteïnen?

= bouwstenen van de hoefijzerstructuur van het cohesinecomplex, dit complex zorgt dat de zusterchromatiden bij elkaar blijven na de DNA verdubbeling (profase)

Smc1 = Structural maintenance of chromosomes protein 1

Smc3 = Structural maintenance of chromosomes protein 3

wat doen Scc1 en Scc3?

‘sluiten’ de hoefijzerstructuur, helpen dus bij het vormen van het cohesinecomplex, dit complex zorgt dat de zusterchromatiden bij elkaar blijven na de DNA verdubbeling (profase)

Scc1 = Sister chromatid cohesion protein 1

Scc3 = Sister chromatid cohesion protein 3

wat gebeurt er met het cohesine complex in de verschillende fasen?

cohesine complex = ‘lijm’ tussen gerepliceerd DNA

1. profase: cohesine complex over hele lengte van zusterchromatiden

2. metafase: cohesine complex wordt verwijderd thv chromosoomarmen, blijft alleen bestaan thv centromeer/primaire constrictie/primary constriction

3. anafase: ‘point of no return’: separase knipt cohesine complex thv het centromeer → zusterchromatiden worden gescheiden 

wat is spindle assembly checkpoint?

mechanisme dat ervoor zorgt dat cel alleen in anafase gaat als alle kinetochoren juist zijn verbonden, bestaat uit;

1. MCC (Mitotic Checkpoint Complex)

2. APC/C (Anaphaser Promoting Complex/Cyclosome)

3. securin

4. separase

werking spindle assembly checkpoint: kinetochoren fout verbonden

→ cel mag niet in anafase gaan

1. vorming van Mitotic Checkpoint Complex (MCC) (gebeurt wanneer minstens één kinetochoor fout verbonden is)

2. MCC inhibeert Anaphase Promoting Complex/Cyclosome (APC/C)

3. APC/C kan securine niet afbreken

4. separase blijft geïnhibeerd door securine → Ssc1 wordt niet geknipt → zusterchromatiden blijven gebonden

werking spindle assembly checkpoint: kinetochoren juist verbonden

→ cel mag in anafase gaan

1. geen vorming van Mitotic Checkpoint Complex (MCC)

2. geen inhibitie van Anaphase Promoting Complex/Cyclosome (APC/C) (want geen MCC)

3. APC/C zal securine poly-ubiquitineren→ securine wordt afgebroken

4. separase wordt niet meer geïnhibeerd door securine → separase kan Ssc1 knippen → zusterchromatiden kunnen uit elkaar

profase meiose I

1. homologe recombinatie: maternale allel gaat recombineren met maternale allel → belangrijk voor genetische diversiteit em om correcte chromosoomsegregatie v homologen mogelijk te maken

→ vorming chiasma

2. distaal vd chiasmata w de chromosoomarmen/bivalenten bij elkaar gehouden door het meiotisch cohesine complex (Rec8)

metafase meiose I

1. zusterkinetochoren (gele platen) worden naar zelfde spindle pool getrokken → paternale bv naar rechts, maternale naar links

2. cohesinecomplex houdt chromosoomarmen bij elkaar → moet worden verwijderd voor segregatie

anafase meiose I

1. als bivalenten correct zijn vastgehecht: cohesines aan chromosoomarmen worden afgebroken door separase, cohesines blijven thv centromeren

2. cohesines thv centromeer gaan pas worden verwijderd bij meiose II

anafase meiose II

1. cohesines thv centromeer worden afgebroken door separase → chromosomen kunnen worden verdeeld

wat wordt gevormd door homologe recombinatie?

chiasma(ta)

1. ong 55 chiasmata per cel in humane mannelijke meiose

2. ong 90 chiasmata per cel in humane vrouwelijke meiose

wat zijn de vijf stadia gedurende de profase meiose I

1. leptoteen

2. zygoteen

3. pachyteen

4. diploteen

5. diakinese

meiose I profase: leptoteen

1. DNA is verdubbeld

2. 2 zusterchromatiden beginnen al te condenseren (zijn ongepaard: maternaal en paternaal liggen apart)

3. vorming DNA dubbelstrengbreuken (DSB) dmv topo-isomerase 11/SPO11 (gebeurt willekeurig over DNA in genoom)

meiose I profase: zygoteen

1. DSB gevormd in leptoteen moeten worden hersteld:

2. intacte matrijs om breuk te herstellen zoeken in homologe chromosoom (←→ ipv zusterchromatiden zoals bij mitose) → homologe chromosomen paren, gaan in synapsis

3. vorming van bivalenten

4. synapsis dmv synamtonemaal complex

meiose I profase: pachyteen

1. synapsis compleet

2. homologe recombinatie compleet

3. → vorming chiasmata

meiose I profase: diploteen

1. gedeeltelijke separatie 

2. nog bij elkaar gehouden door chiasmata

meiose I profase: diakinese

1. verdere condensatie

2. overgang naar metafase vd meiose I

welke fase?

meiose I profase: leptoteen

welke fase?

meiose I profase: zygoteen

welke fase?

meiose I profase: pachyteen

welke fase?

meiose I profase: diploteen

welke fase?

meiose I profase: diakinese

welke fase/wat gebeurt er in elke stap?

→ meiose I profase: leptoteen, zygoteen, pachyteen

1. gerepliceerd maternaal en paternaal chromosoom

2. DSB gemaakt door SPO11 → moet worden gerepareerd: opzoek naar intacte matrijs op homologe chromosoom (bv hier gaat paternale in maternale zoeken

3. tijdens proces: balken opgebouwd uit cohesine complexen: axiale/laterale elementen, bestaande uit SCP2/SCP3

4. eens homologe elkaar gevonden hebben: ‘rits’ wordt ‘toegezipt’ door transverse filament/SCP1 → blijven hierdoor nauw bij elkaar

→ 3+4 = synaptonemaal complex

wat is dit + wat doet het?

tijdens meiose I profase: leptoteen/zygoteen/pachyteen

SPO11: induceert dubbelstrengbreuken (DSB)

wat is dit + wat doet het?

tijdens meiose I profase: leptoteen/zygoteen/pachyteen

transverse filaments/SCP1: ‘rits’ die wordt toegezipt om homologen bij elkaar te houden

wat is dit + wat doet het?

tijdens meiose I profase: leptoteen/zygoteen/pachyteen

axiale/laterale elementen, bestaan uit SCP2/SCP3: hiermee wordt synaptonemaal complex gevormd

wat is dit + wat doet het?

tijdens meiose I profase: leptoteen/zygoteen/pachyteen

synaptonemaal complex: wordt gevormd door axiale/laterale element (SCP2/SCP3) + ‘rits’ (transverse filament/SCP1)

hoe gebeurt de homologe recombinatie tijdens de meiose I?

→ gebeurt van leptoteen tot pachyteen (in pachyteen vervolledigd)

1. 2 DNA dubbelstrengen waarbij DNA DSB gevormd zijn

2. bij maken DSB: ontstaan van 3’ single stranded overhang

3. 3’ single stranded overhang: gaat opzoek naar intacte matrijs in homologe chromosoom

4. eenmaal homologie gevonden: strand invasion + DNA synthese proces zal optreden: 

• vorming displacement loop, wordt uitgebreid dmv DNA synthese, fragmentjes worden aan elkaar geligeerd → krijgen double holiday junction

5. oplossen double holiday junction op twee manieren:

1. vorming non-recombinant 

2. vorming recombinant

manieren om double holiday junction op te lossen tijdens homologe recombinatie van meiose I

1. vorming non-recombinant: klieving horizontaal op beide kruispunten → blauw links hangt aan blauw rechts, rood links aan rood rechts)

2. vorming recombinant: kruispunten worden op verschillende manieren opgelost (rechts horizontaal geknipt, links verticaal geknipt) → rood links aan blauw rechts, rood rechts aan blauw links → chiasma gevormd en recombinatie volledig uitgevoerd

bespreek wat we hier zien

→ meiose I profase: leptoteen

1. groen: γH2AX → merker voor DSB

2. rood: SCP3 → axiale/laterale element dat wordt opgebouwd thv synaptonemaal complex (zal worden toegezipt als homologen elkaar vinden)

3. blauw: DNA

→ zien heel veel DSB!!!!

bespreek wat we hier zien

→ meiose I profase: vroeg leptoteen

1. groen: Rad51 → bindt aan enkelstrengig stukje → kan je vroege recominatienodules zien

2. rood: SCP3 → axiale/laterale element dat wordt opgebouwd thv synaptonemaal complex (zal worden toegezipt als homologen elkaar vinden)

3. blauw: DNA

bespreek wat we hier zien

→ meiose I profase: laat leptoteen-vroeg zygoteen

1. groen: Rad51 → bindt aan enkelstrengig stukje → zien dat er veel DSB zijn gevormd + bezig die te herstellen dmv homologe recombinatie

2. rood: SCP3 → axiale/laterale element → homologen vinden elkaar → laterale componenten dichter bij elkaar → meer/intenser/dikkere rode lijnen

3. blauw: DNA

bespreek wat we hier zien

→ meiose I profase: laat zygoteen

1. groen: Rad51 → kan vroege recombinatie nodules nog zien

2. rood: SCP3 → axiale/laterale element → nog meer homologen hebben elkaar gevonden, ‘rits

3. blauw: DNA

bespreek wat we hier zien

→ meiose I profase: vroeg pachyteen

1. groen: Rad51 → naarmate proces verder gaat, gaan er andere proteïnen nodig: RAD51 initeel meer nodig, later minder + vroege recombinatie nodules zijn vervangen door late recombinatie nodules

2. rood: SCP3 → axiale/laterale element

3. blauw: DNA

bespreek wat we hier zien

→ meiose I profase: mid pachyteen

1. groen: Mlh1 (merker voor gentische cross-over) → 1 puntje = 1 late recombinatienodule: maar aantal leiden tot recombinant, alle andere worden opgelost als non recombinant

2. rood: SCP3 → axiale/laterale element → synaptonemaal complex tussen 2 homloge chromosomen

3. blauw: DNA → homologe chromosomen die elkaar gevonden hebben (maternaal en paternaal), hiertussen wordt chiasma gevormd

bespreek wat we hier zien

→ meiose I profase: diploteen

1. groen: Rad51 → (bijna) niet meer detecteerbaar: want homologe recombinatie is al gebeurd

2. rood: SCP3 → axiale/laterale element → ‘rits’ gaat terug open, zien hoe sluiting tussen homologen terug opengaat (staven gaan terug open)

3. blauw: DNA

bespreek wat we hier zien

→ meiose I profase: diakinese

1. groen: Y chromosoom

2. rood: X chromosoom

3. blauw: DNA

→ chromosomen gaan sterk condenseren, nucleaire membranen verdwijnen

→ thv chromosoom armen: genetische cross-over is gebeurd

→ ‘lijm’ moet nog worden verwijderd voor chromosomen nr spindle pool kunnen

→ X en Y hangen aan elkaar vast door ‘lijm’ thv pseudo autosomale regio

hoe wordt er gezorgd voor genetische diversiteit bij meiose?

1. independent assortment

2. homologe recombinatie

wat is independent assortment?

= bij de segregatie: niet alle paternalen gaan naar één kant, en maternale naar andere kant

→ er zijn 2²³ mogelijkheden → zorgt voor genetische diversiteit

wordt correct uitgevoerd door homologe recombinatie

wat is homologe recombinatie?

= paternale en maternale wisselen genetische informatie uit → zorgt voor genetische diversiteit

gebeurt quasi random, maar er zijn wel hotspots voor recombinatie (zitten verpreid)

verschil mitose en meiose: locatie

1. mitose: alle weefsels

2. meiose: gespecialiseerde kiemlijncellen in teelbal en eierstok

verschil mitose en meiose: producten 

1. mitose: diploïde somatische cellen

2. meiose: haploïde spermacellen/eicellen

verschil mitose en meiose: DNA replicatie en celdeling

1. mitose: 1 ronde replicatie per celdeling

2. meiose: 1 ronde replicatie per 2 celdelingen

verschil mitose en meiose: duur profase

1. mitose: kort (ong 30 min in menselijke cellen)

2. meiose: lang (duurt langer d homologe recombinatie)

verschil mitose en meiose: paren van maternale en paternale homologen

1. mitose: nee

2. meiose: ja tijdens meiose I

verschil mitose en meiose: recombinatie

1. mitose: zeldzaam en abnormaal

2. meiose: tijdens elke meiose: normaal minstens 1 keer in elk chromosoomarm na paren van paternale en maternale homologen

verschil mitose en meiose: dochtercellen

1. mitose: genetisch identiek (in principe)

2. meiose: genetisch anders door independent assortement en homologe recombinatie

verschil mitochondriale DNA replicatie/segregatie en gewone DNA replicatie/segregatie

mitochondriale DNA replicatie is veel ‘chaotischer’:

1. replicatie mtDNA → verhoging aantal mtDNA-kopieën in cel, zonder dat er een gelijke repliatie van individuele mtDNA’s vereist is

2. segregatie van mtDNA-moleculen in dochtercellen kan ongelijk zijn (heteroplasmie)

mitochondriale DNA segregatie: wat is hier speciaal aan?

segregatie van mtDNA-moleculen in dochtercellen kan ongelijk zijn (heteroplasmie)

mitochondriale DNA replicatie: wat is hier speciaal aan?

replicatie van mtDNA-moleculen → verhoging aantal mtDNA-kopieën, zonder dat er een gelijke replicatie van individuele mtDNA’s vereist is.

wat is heteroplasmie?

= aanwezigheid van een gemengde populatie mtDNA binnen één persoon/cel

→ ontstaat door mutaties in mtDNA verschillende varianten naast elkaar bestaan

wat is homoplasmie?

= één type mtDNA aanwezig in één persoon/cel (identiek)

overzicht van de oögenese

= vrouwelijke gametogenese, in ovarium: begint met primordiale kiemcellen

1. meer chiasmata/homologe recombinatie tov spermatogenese (man)

2. meiose I: start foetaal, tot punt van pachyteen/diploteeen (homologe recombinatie vervolledigd), dan stopt dit tem puberteit

3. eerste meiotische deling: bij ovulatie: van primaire → secundaire oocyt + poollichaampje (C)

4. tweede meiotische deling: bij fertilisatie: secundaire deelt → mature eicel (haploïd) (is al gefertiliseerd) + poollichaampje (D)

5. rond eicel: glycoproteïne wand = zona pellucida → bescherming tegen polyspermie (= meerdere spermacellen bevruchten 1 eicel)

overzicht spermatogenese

= mannelijke gametogenese, in testis: begint met primordiale kiemcellen

1. minder chiasmata/homologe recombinatie tov oögenese (vrouw)

2. spermatogonia (afgeleid van primordiale kiemcellen) prolifereren dmv mitose voornamelijk in de pubertijd (B)

3. meiose I: primaire spermatocy → secundaire spermatocyten (C)

4. meiose II: secundaire spermatocyten → spermatiden (D)

5. spermatiden gaan nog morfogenese ondergaan (metamorfose) → mature spermacellen (E)

wat is er verschillend bij de spermatogenese en de oögenese?

1. tijd

   1. spermatogenese: spermatogonia (afgeleid van primordiale kiemcellen) prolifereren vnl in pubertijd

   2. oögenese: meiose I start al foetaal

2. homologe recombinatie/chiasmata

   1. spermatogenese: veel minder homologe recombinatie/chiasmata

   2. oögenese: veel meer homologe recombinatie/chiasmata

wanneer begint meiose I bij de oögenese?

foetaal, tot op punt van pachyteen/diploteen (dus homologe recombinatie vervolledigd), dan stopt dit tem de pubertijd

wanneer gebeurt de eerste meiotische deling bij de oögenese?

bij de ovulatie (oocyt per oocyt dus): primaire oocyt → secundaire oocyt + poollichaampje (asymmetrisch)

wanneer gebeurt de tweede meiotische deling bij de oögenese?

bij fertilisatie: secundaire oocyt → mature eicel (haploïd,is al gefertiliseerd) + poollichaampje

wat is er nodig om de tweede meiotische deling te doen bij de vrouw?

bevruchting