משתמש:Aliza-Avi/אי-הפרדה כרומוזומית

אי הפרדה כרומוזומית (באנגלית: Nondisjunction) מתייחסת להתפלגות לא תקינה של כרומוזומים לקטבי התא במהלך החלוקה. התוצאה הינה תאי בת עם מספר כרומוזומים לא תקין (אנאפלואידיה), המהווה אחד הגורמים לפגמים גנטיים ,הפלות עוברים אבל גם לשינויים אבולוציוניים כגון הופעת מינים חדשים. קלווין ברידג'ס ותומאס האנט מורגן זכו בהכרה על גילוי אי-ההפרדה הכרומוזומית והקשר בינה לשינוי תכונות גנטיות.

מנגנון

אי-הפרדה כרומוזומית יכולה להתרחש במיוזה או במיטוזה. במהלך השלב הראשון של המיוזה (מיוזה I), התנתקות זוגות כרומוזומים הומולוגיים עלולה להיכשל, ואז לאחר אנפאזה I, אחד מתאי הבת יכיל עודף מספרי של כרומוזומים והאחר – חוסר במערך הכרומוזומים. בדומה לכך, בשלב המיוטי השני (מיוזה II), או במיטוזה של תאי גוף מתחלקים, עלול להיות פגם בהפרדה בין כרומטידות אחיות במהלך האנפאזה. גם פגמים אלה יובילו לחוסר איזון במספר הכרומוזומים בין תאי הבת.

אי-הפרדה מיטוטית עלולה להתרחש עקב אי הפעלת טופואיזומראז II, קונדנסין או ספרזה . אירוע כזה יוליך ליצירת שני תאי בת אנאיאופלואידים, האחד עם 2n+1 והשני עם  2n-1 או עודפים/חסרים גדולים אף יותר (פוליפלואידיה).

אי-הפרדה במהלך מיוזה I נובעת מכשל היפרדות הכרומוזומים ההומולוגיים עקב פגמים בחלבוני מחסום הרכבה של ציר החלוקה כמו Med1, Med2,Bub1, וכן במווסתי יציבות מנגנון זה. גם פגם במווסתי קישור מיקרוטובולי-כישור (קינטוכור), לדוגמא MACK, קומפלקס Ndc80 ,קומפלקס Mis I 2. בנוסף לחלבונים אלו, תהליך ה-DSB, בהיבטיו השונים הינו קריטי עבור מיוזה I.

אי-הפרדה במיוזה II נובע מכישלונן של כרומטידיות אחיות להיפרד עקב  הסיבות שהוזכרו לעיל עבור מיוזה I והן עבור מיטוזה (Gottlieb & Tegay, 2020). נתגלה, כי אי-הפרדה במיוזהI  עלול להוליך לתסמונות אנאיאופלואידיות במידה רבה יותר מפגמים במיוזה II.

שחלוף במהלך המיוזה הינו חיוני לא רק ליצירת מגוון גנטי בצאצאים, אלא גם להחזקת כרומוזומים הומולוגיים יחד בצמתי חיבור (Chiasmata), על מנת להבטיח הפרדה תקינה של כרומוזומים הומולוגיים בין תאי הבת (Ohkura, 2015). לצורך הצימוד בין הכרומוזומים ההומולוגיים מתרחש תהליך חיפוש הומולוגיה, זיווג וקשירה פיזית, המכונה סינפסיס. קשירה זו מתווכת ע"י קבוצת חלבונים המרכיבים מבנה פיגום (Synaptonemal complex) המקשר בין הכרומוזומים ההומולוגיים לאורכם. מבנה זה מפורק בעת הפרדת כרומוזומים באופן שווה ומאוזן בחלוקה המיוטית הראשונה (Cohen, 2018)(Page & Hawley, 2004).

שני תהליכים עיקריים מבדלים את הפרדת הכרומוזומים במיוזה לעומת המיטוזה. ראשית, במיטוזה, נוצרים סיבי הקישור ושני כישורים (קינטוכור) בשני קטבי התא הנגדיים. לעומת זאת במיוזה I, הכישורים האחים מתחברים לצינוריות התא (Microtubules) דרך ציר יחיד, כלומר נצמדות לאותו הקוטב ואילו הכרומוזומים ההומולוגיים מחוברים לקטבים הנגדיים באמצעות הקיאסמטה. במיוזה II, כמו מיטוזה, כישורים אחים נצמדים לקטבים הנגדיים. שנית, הסרה הדרגתית של חלבוני Cohesin מהכרומוזומים מתרחשת גם במיוזה וגם במיטוזה, אם כי בניגוד למיטוזה, במיוזה הראשונה חלבוני ה-cohesin מוגנים באזור הצנטרומרים במהלך המעבר בין המטאפאזה לאנאפזה. באופן פרטני, החלבון השמור שוגושין (Sgo) אחראי להגנת הצנטרומר, ובמיוזה הקוהזין Scc1 מוחלף ב- Rec8

(Ohkura, 2015). 

נראה, כי הבקרה המולקולרית על הרכבת ציר החלוקה במיוזה אינה הדוקה כמו במיטוזה. ייתכן והמחסור בנקודות בקרה, או חולשתן, עשוי להיות ההסבר לכך שמיוזה בביציות מציגה רמה גבוהה של הפרדת כרומוזומים שגויה. תאי זרע מכילים צנטרוזומים המניעים את היווצרות ציר החלוקה בשונה מביציות, ולכן בתאי הזרע קיימים מנגנוני בקרה נוספים המבטיחים חלוקה תקינה. אך עדיין קיימים מקרים של אנאפלואידיה הנגזרת ממקור אבהי (Ohkura, 2015).

פגם במנגנון חלוקת התא

כמצוין לעיל, במהלך חלוקה תקינה של תאים מיטוטיים, כרומטידיות אחיות מתחלקות בין תאי הבת ע"י חיבור סיבי הכישור לקטבי התא הנגדיים. מרבית המידע על הגורמים המולקולריים המעורבים בהפרדת כרומוזומים מקורו בניתוח הגנטי והביוכימי של שמר האפיה, Saccharomyces cerevisiae. הקוהזינים, כולל חלבון ה- Scc1p, משמשים כמעין 'דבק' הקושר את הכרומטידות האחיות יחד. הפרדת כרומטידות אחיות מוסדרת ע"י פירוק חלבונים (פרוטאוליזה) בתיווך מערכת ה- ubiquitin, באמצעות שלושה קומפלקסים חלבוניים (E-ligase) - E1, E2 ו-E3. קומפלקס חלבוניE3 , או ציקלוזום (APC / C) ב- S.cerevisiae, מעורב בקידום האנאפאזה קומפלקס זה מפרק באופן ייחודי ומועדף את החלבון Pds1p, כדי לאפשר הפרדת כרומטידות אחיות. השתקה של החלבון Pds1p מעכבת את הפרדת הכרומטידות האחיות ע"י השבתת פעילות החלבון, Esp1p אשר משרה את התפרקות Scc1p

(Forejt, 2001).

כדי להבטיח הפרדה כרומוזומלית מאוזנת, התפתח מנגנון הנקרא מחסום הרכבה של ציר החלוקה (SAC)

(Sun & Kim, 2012)(Nagaoka et al., 2012). המנגנון מבטיח באמצעות מסלול העברת אותות שהתאים לא יכנסו לשלב האנאפאזה, אלא אם הכרומוזומים או הכרומטידות יחוברו כראוי ל-microtubules (Forejt, 2001). למעשה מנגנון זה יכול לאתר מיקרוטובולי שאינם צמודים לכרומוזומים או אובדן מתיחות (loss of tension), ולגרום להשהיית המטאפאזה עד שכל המיקרוטובלי מקטבי הציר יתחברו לסיבי הכישור, ולנקודת מרכז הכישור בפרט ויסתדרו לאורך מישור החלוקה (Sun & Kim, 2012) ניתן אפוא להתייחס לכישור כ"חיישן" המזהה כרומוזומים שאינן צמודים, מה שיוביל לייצור אות הגורם (בסופו של דבר) לעצירת מחזור התא (Forejt, 2001). לאחר סידור הכרומוזומים על מישור החלוקה, ה-SAC מושתק וקומלפקס E3 מופעל- זהו האות להתחיל בשלב האנאפאזה. נקודות הבקרה על החלוקה השוויונית של הכרומוזומים משתנות בהתאם לסוג התא (סומאטי או מיטוטי) (Quevedo et al., 2012).

נקודות הכשל הנפוצות באי ההפרדה הכרומוזומית

אי- הפרדה אינה כשל במנגנון יחיד - היא עלולה להיווצר ע"י פגמים במנגנונים מולקולריים שונים. על כן, ניתן לסווג את אירועי אי ההפרדה הכרומוזומית לאירועים המערבים כרומוזומים בודדים, קבוצות כרומוזומים או מערך כרומוזומים שלם. המנגנונים הספציפיים שבהם אי-הפרדה מתרחשת עשויים להתכתב עם גורמים כמו סוג התא, גיל האם, דמיון גנומי או ארגוני, או הבדלים בין כרומוזומים. נמצאו מגוון פגמים במנגנונים ביולוגיים ומולקולות העשויים להוביל לאי-הפרדה. לדוגמא, שחלוף פגום או משתנה. כמצוין למעלה, במהלך מיוזה I, כרומוזומים הומולוגיים קשורים ומוחזקים יחד ע"י סינפסות. קיאסמטה נוצרות לאורך הכרומוזומים בנקודות בהן מתרחשים שחלופים, וקשרים פיזיים אלה חשובים לשמירה על אחיזת הכרומוזומים ההומולוגיים יחד עד להפרדתם באנאפאזה I. שגיאות בתהליך ההפרדה יכולות להתרחש כתוצאה ממספר סיבות: (1) כשל באיתור ההומולוגיה, או בהיוותרות הכרומוזומים ההומולוגיים מזווגים, (2) פגם בהיווצרות שחלופים, (3) שחלופים בין אזורים לא הומולוגיים, או (4) השחלוף מתרחש במקומות רבים מדי לאורך הכרומוזום. מוטציות בגנים המעורבים ביצירת הצמתים בין הכרומוזומים (סינפסיס), בזיווג הכרומוזומים ההומולוגיים ובהצמדתם קשורות לעלייה בתדירות אירועי אי-הפרדה. שיבוש באחיזת הכרומוזומים עלול גם הוא להוביל לאי-הפרדה: במהלך מיוזה ובמיטוזה, כרומוזומים, כרומטידיות אחיות וכישורים אחים מוחזקים יחד (cohesion) ע"י הקומפלקסים הרב-חלבוניים  cohesins  שהוזכרו למעלה. יש לציין כי חלק מהחלבונים בקומפלקסים הללו הינם ספציפיים למיוזה, אך באופן כללי כל החלבונים דרושים לשמירת הקשר בין כרומוזומים הומולוגיים כך שהשחלוף יתרחש כראוי. במיוזה II ובמיטוזה, הקוהזינים שומרים על צימוד הכרומטידות אחיות עד תום השלבים של מחזור התא הקודמים לחלוקת התא, ועד ליצירת האינטראקציות בין כרומוזומים לציר המיקרוטובולי. מוטציות המתרחשות בגנים המקודדים לחלבונים הללו עלולות להוביל לעליה במספר אירועי אי-הפרדה, שמוגבר עוד יותר עם התקדמות גיל האם. הוצע, כי חלק ממרכיבי הקומפלקסים החלבוניים, או כולם, השומרים על לכידות הכרומוזום והכרומטידות מושפעים מתהליך ההזדקנות. כתוצאה מפגמים אלה, הכרומוזומים והכרומטידות נפרדים בטרם עת ומתאחדים באופן שגוי, מה שמוביל ליצירת גמטות אנאיאופלואידיות. כאמור לעיל, כדי להבטיח הפרדה כרומוזומלית מאוזנת, התפתח מנגנון של מחסום הרכבת ציר החלוקה (SAC) ופגם בו מוביל לאי-הפרדה כרומוזומית. לפיכך, זהו מנגנון משוב חשוב המפקח על קישור המיקרוטובולי, הכישור והצנטרומרים במהלך המיטוזה והמיוזה. פגמים בחלבונים השונים השייכים למנגנון זה גורמים לכניסה מוקדמת לשלב האנאפאזה, לפני שהכרומוזומים נקשרו באופן תקין למיקרוטובלי וכתוצאה מכך מתרחשת אי-הפרדה ואנאיאופולידיות. פגמים אחרים עלולים גם כן להוביל לאי-הפרדה: טלומרים קצרים באופן מיוחד, פגם בצנטרומר, אינטראקציות לקויות בין הכישור למיקרוטובלי ופגם בצנטרוזום, מרכז ארגון המיקרוטובולים MTOC- אברון המורכב משני צנטריולים ואחראי על וויסות מחזור התא באמצעות הרכבה של מיקרוטובולי(. כאשר הפגמים הללו קורים במיוזה, תיפגם ההתפתחות העוברית והעובר עצמו; כאשר הם מתרחשים ברקמות הגוף (רקמות סומאטיות) הם עלולים להוליך להתמרה סרטנית (Sullivan, 2013).

אי הפרדה תקינה של כרומוזומים ותפקידה ביצירת חוסר איזון מספרי בכרומוזומים

כאמור למעלה, הפגם העיקרי שנובע מאי הפרדה תקינה של כרומוזומים בעת חלוקת התא הוא אי-תקינות מספרית במערך הכרומוזומים (קאריוטיפ) בתאי הבת. ניתן להבחין בין שלושה סוגים של אי-תקינות מספרית במערך הכרומוזומים: פוליפלואידיה, אנאופולידיה ומיקסופלואידיה (Strachan & Read, 2010).

פוליפלואידיה

פגם בהפרדת הכרומוזומים בשלבי המיוזה, שיותיר יותר מקאריוטיפ יחיד בתא המין (הגמטה) יגרום לאחר ההפריה ליצירת עובר ראשוני (זיגוטה) עם מספר גדול יותר של עותקי קאריוטיפ מהדיפלואיד - זהו פוליפלואיד. אי הפרדה של כל מערך הכרומוזומים בעת המיוזה (הן במיוזה I – הפרדה בין כרומוזומים הומולוגיים, והן במיוזה II – הפרדה בין כרומטידות אחיות) מתקיים באופן תדיר בצמחים. לכן תוארו זני צמחים פוליפלואידיים שמקורם בפגישת גמטות שעברו אי הפרדה כרומוזומית, וכתוצאה מכך נוצר פרט עם שלושה מערכי כרומוזומים (טריפלואיד), ארבעה מערכי כרומוזומים (טטראפלואיד) ואף פרטים בעלי מספר גדול יותר של עותקי קאריוטיפים. המצב שתואר עד עתה מקורו בהפריה המערבת תאי זרע וביציות מאותו המין (species) ולכן מצבים פוליפלואידיים כאלה מכונים אוטופוליפלואידיה. עם זאת, בצמחים יכולה להתקבל פוליפלואידיה שמקורה בהפריה בה נפגשו תא זרע וביצית משני מינים שונים (מין A ומין B), להם מערך כרומוזומים שונה עם מספר שונה של כרומוזומים; כדי שבן הכלאיים שנוצר יוכל להתרבות, צריך להתרחש חוסר הפרדה כרומוזומית של כל מערך הכרומוזומים החדש בתאי המין שלו כך שכולו יוכפל (דהיינו, יצירת קריוטיפ שכולל את הקאריוטיפים של מין A+מין B גם יחד). כך ייווצר מערך כרומוזומים פוליפלואידי חדש ומאוזן – מצב זה נקרא אלו-פוליפלואידיה. דוגמא טובה לכך היא חיטת הלחם, שהגנום שלה מקורו בשלושה אירועים של אלו-פוליפלואידיה שהתרחשו במהלך האבולוציה. 

בעלי חיים פוליפלואידיים הם נדירים ביותר, עם דוגמאות ספורות בתולעים שטוחות, סרטנים, דו-חיים, דגים ולטאות. בעלי חיים פוליפלואידיים הם עקרים, בעיקר בשל פגיעה במיוזה בשל קושי לחלק באופן מאוזן את הכרומוזומים בין תאי הבת. בנוסף, לכל האנשים הנורמליים יש כמה תאים פוליפלואידים, כמו תאי כבד. פנוטיפ קליני אחר בו נפוצה פוליפלואידיה הינו סרטן (Strachan & Read, 2010)(Rye et al., 2017)(Rédei, 2008)(Ahmad et al., 2010).

אנאיאופלואידיה

אנאיאופלואידיות מתייחסת לנוכחות של מספר לא תקין של כרומוזומים – עודף או חסר של כרומוזומים בודדים או יותר. תאים אנאיאופלואידים נוצרים דרך שני מנגנונים עיקריים: אי-הפרדה או פיגור באנאפאזה. אלה, יגרמו לעיכוב בתנועה של כרומוזום או כרומטידה אל קוטבי התא במהלך אנאפאזה. פיגור בתנועה יותיר את הכרומוזומים הללו רק באחד משני גרעיני הבת. אנאיאופלואידיה כוללת בתוכה מספר מצבים: מונוזומיה- אורגניזמים דיפלואידים חסרי כרומוזום אחד של זוג כרומוזומים הומולוגיים יחידים, נולוזומיה-אורגניזמים דיפלואידים שאיבדו זוג כרומוזומים הומולוגיים, אורגניזמים דיפלואידים בעלי כרומוזום נוסף (טריזומיה) וטטרזומיה נגרמת כשכרומוזום אחד של אורגניזם דיפלואידי קיים בארבע עותקים.  (Strachan & Read, 2010)(Rye et al., 2017)(Ahmad et al., 2010).

אי-הפרדה מיטוטית יכולה לגרום לשוני במספר כרומוזומים בין תאים באותה רקמה (מוזאיסיזם סומטי), כאשר חוסר האיזון בכרומוזום בא לידי ביטוי רק בצאצאיו הישירים של תא המקור בו התרחשה אי-הפרדה. מצב כזה יכול לקרות בהתמרה סרטנית. אי-הפרדה כרומוזומית שמתרחשת במיוזה הינה בעלת משמעות קלינית רבה ביותר, מאחר שרוב העוברים האנאיאופלואידים הללו אינם שורדים. עם זאת, חלק מאירועי האנאיאופלואידיה יאפשר הישרדות של צאצאים בני-קיימא עם מגוון הפרעות התפתחותיות כגון תסמונת דאון (טריזומיה של כרומוזום 21), תסמונת פטאו (טריזומיה של כרומוזום 13), תסמונת אדוארדס (טריזומיה של כרומוזום 18), תסמונת קלינפלטר (זכרים עם הרכב כרומוזומי מין XXY), תסמונת טרנר (נשים עם כרומוזום X יחיד – מונוזומיה X), תסמונת טריפל איקס (XXX) ותסמונת XYY

(Gottlieb & Tegay, 2020).

מיקסופלואידיה (מצב של גנוטיפ פסיפס- מוזאיקה)

זהו מצב בו חלק מתאי הגוף של הפרט יהיו בעלי קאריוטיפ מאוזן, וחלק עם קאריוטיפ אנאיאופלואידי (מצב של גנוטיפ פסיפס – מוזאיקה בין רקמות ברחבי הגוף). אוכלוסיות התאים השונות מבחינה גנטית נובעות בדרך כלל מאותה זיגוטה ולעיתים רחוקות יותר, מקורם בזיגוטות שונות (כימריזם) (Ahmad et al., 2010).

הערות שוליים

Ahmad, M., Silvera-Redondo, C., & Rodríguez, M. H. (2010). Nondisjunction and chromosomal anomalies. Salud Uninorte, 26(1), 117–133.

Cohen, P. E. (2018). Meiosis overview. In Encyclopedia of Reproduction (Second Edi, Vol. 3). Elsevier. https://doi.org/10.1016/B978-0-12-801238-3.64701-3

Eichenlaub-Ritter, U. (1994). Mechanisms of Nondisjunction in Mammalian Meiosis. Current Topics in Developmental Biology, 29(C), 281–324. https://doi.org/10.1016/S0070-2153(08)60553-0

Forejt, J. (2001). Nondisjunction. Encyclopedia of Genetics, 1345–1347. https://doi.org/10.1006/rwgn.2001.0903

Gottlieb, S. F., & Tegay, D. H. (2020). Genetics, Nondisjunction. In StatPearls. StatPearls Publishing. http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/29489267

Mennuti, M. T. (2019). Cytogenetics: Part 1, general concepts and aneuploid conditions. In Perinatal Genetics. Elsevier. https://doi.org/10.1016/B978-0-323-53094-1.00004-7

Nagaoka, S. I., Hassold, T. J., & Hunt, P. A. (2012). Human aneuploidy: Mechanisms and new insights into an age-old problem. Nature Reviews Genetics, 13(7), 493–504. https://doi.org/10.1038/nrg3245

Ohkura, H. (2015). Meiosis: An overview of key differences from mitosis. Cold Spring Harbor Perspectives in Biology, 7(5), 1–15. https://doi.org/10.1101/cshperspect.a015859

Page, S. L., & Hawley, R. S. (2004). THE GENETICS AND MOLECULAR BIOLOGY OF THE SYNAPTONEMAL COMPLEX. Annual Review of Cell and Developmental Biology, 20(1), 525–558. https://doi.org/10.1146/annurev.cellbio.19.111301.155141

Quevedo, O., García-Luis, J., Matos-Perdomo, E., Aragón, L., & Machín, F. (2012). Nondisjunction of a single chromosome leads to breakage and activation of DNA damage checkpoint in G2. PLoS Genetics, 8(2), 22–24. https://doi.org/10.1371/journal.pgen.1002509

Rédei, G. P. (2008). Polyploidy in Animals. Encyclopedia of Genetics, Genomics, Proteomics and Informatics, 1533–1533. https://doi.org/10.1007/978-1-4020-6754-9_13235

Rye, C., Wise, R., Jurukovski, V., Jean, D., Choi, J., & Avissar, Y. (2017). CCAP Biology. OpenStax.

Strachan, T., & Read, A. (2010). Human Molecular Genetics. In Gene Expression (4th ed.). New York : Garland Science/Taylor & Francis Group.

Sullivan, B. A. (2013). Nondisjunction. Brenner’s Encyclopedia of Genetics: Second Sullivan, B. A. (2013). Nondisjunction. Brenner’s Encyclopedia of Genetics: Second Edition, 3(1), 90–93. Https://Doi.Org/10.1016/B978-0-12-374984-0.01056-1Edition, 3(1), 90–93.

Sun, S.-C., & Kim, N.-H. (2012). Spindle assembly checkpoint and its regulators in meiosis. Human Reproduction Update, 18(1), 60–72. https://doi.org/10.1093/humupd/dmr044