減數分裂
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減數分裂（拉丁語：meiosis）是一種特殊的細胞分裂方式，這種分裂使染色體數目減半，產生單倍體細胞，每條染色體源自於其親代細胞[1] 。減數分裂是一種特殊的有絲分裂。這個過程會發生在所有有性生殖單細胞或多細胞真核生物體內，包括動物、植物以及真菌[2][3][4][5]。減數分裂涉及兩輪分裂，最終產生四個細胞，每個染色體只有一倍遺傳物質。此外，在分裂之前，來自每條染色體的父本和母本拷貝的遺傳物質會交叉，在每條染色體上產生新的密碼組合。 稍後，在受精過程中，由雄性和雌性通過減數分裂產生的單倍體細胞將再次融合產生每個染色體具有兩倍遺傳物質的細胞，即受精卵。
非整數倍的減數分裂錯誤是目前已知導致流產的主要因素，也是遺傳性胎兒發育不全的最常見原因[6]。
減數分裂在DNA複製之後會進行兩輪細胞分裂，產生四個子代細胞，每個細胞會擁有其母細胞的半套染色體。減數分裂開始前，細胞會進入細胞週期的DNA合成期（S期），每條染色體的DNA都複製，從而使染色體由姊妹染色單體組成，通過着絲粒連接在一起。DNA複製後，細胞會立即進入減數分裂I前期，該時期內同源染色體會互相配對（即聯會）並且進行交叉互換，DNA剪斷並修復，交換一部分遺傳信息。而在減數分裂II中，姐妹染色單體的着絲點解開，使兩個單體分開。細胞經過減數分裂後形成配子，如精子、孢子或花粉。在雌性動物體內，減數分裂後有二個或三個細胞會形成極體，只有一個會持續發育形成卵細胞。
減數分裂之後，染色體的數目減半，雌雄配子可以通過受精形成合子，細胞中的染色體也因此成為雙倍體，各有一半分別來自雙親。因此，減數分裂和受精的交替循環使得有性生殖的生物得以在世代間保持相同數目的染色體。舉例來說，人類細胞具有23對染色體（總數量為46條），其中包括了一對性染色體，一半來自母親，另一半則來自父親。減數分裂會產生單倍體的配子（卵細胞或精子），各自含有23條染色體。兩個配子（一個卵細胞、一個精子）結合時，其合子會重新成為雙倍體，染色體又恢復46條染色體即有一半來自於母親，一半來自於父親。不同物種染色體數量不同，但減數分裂時都遵循相同模式。
概述
[編輯]減數分裂始於雙倍體細胞，這些細胞具有兩條相同的染色體，稱為同源染色體。首先，細胞進行DNA複製，每條同源染色體分別由兩個姊妹染色單體組成，然後每組同源染色體會互相進行同源重組，同源染色體之間形成物理性結合。減數分裂I時，同源染色體藉由紡錘體引導分離，形成第一組子代細胞，接著這些子代細胞不再次DNA複製而直接進行減數分裂II。姐妹染色單體會在此時分離，形成總數四顆的第二組子代細胞。在雌性動物體內，通常會形成一個卵細胞以及兩個極體（第一子代細胞所形成的極體直接退化而不進行分裂）。由於重組的關係，每個姊妹染色單體具有新的DNA構成，使得子代不會完全同於任何一個親代。換句話說，每個配子都具有一系列來自於其親代以及重組過後的染色質。在有性生殖生物中，減數分裂的遺傳多樣性構成了生物多樣性的一部分，從而促使天擇的運作。
減數分裂的許多機制與有絲分裂相同。在一些植物、菌類或原生生物身上，減數分裂會形成孢子而不需要藉由受精。有些真核生物，如蛭形輪蟲，不具有減數分裂的能力，但以單性生殖取代。
細菌及古菌無減數分裂機制，這些生物是透過無性生殖的方式分裂繁衍下一代。
歷史
[編輯]1876年，德國生物學家奧斯卡·赫特維希（Oscar Hertwig）在海膽的卵細胞發現並敘述了這種分裂過程，並將其稱之為減數分裂。1883年，比利時動物學家愛德華·凡·貝內登在蛔蟲卵中，在染色體的級別上描述了減數分裂。然而，真正說明了減數分裂對繁殖及遺傳的重要性的，是1890年德國演化生物學家奧古斯特·魏斯曼，他指出若要在演化的過程中維持細胞中染色體數量，需要將雙倍體細胞轉形為四個單倍體細胞的過程。1911年，美國遺傳學家托馬斯·亨特·摩爾根在黑腹果蠅體內偵測到減數分裂中的染色體互換，幫助他確定了遺傳性狀在染色體上傳播。
1905年，減數分裂（meiosis，一開始被拼作maiosis）一詞由J.B. Farmer及J.E.S. Moore首次提出[7]。這個詞由希臘文的μείωσις演變而來，帶有「減量、減少」的意義。
發生
[編輯]
在真核生物的生命週期中，不斷循環的減數分裂以及受精組成有性生殖，同時也會存在一般的有絲分裂。在多細胞生物中，減數分裂扮演著雙倍體及單倍體之間的中間步驟。在生命週期的某些階段，生殖細胞會產生配子。體細胞則是負責架構整個生物體，但並沒有參與配子的產生。
減數分裂及受精作用在單倍體及雙倍體交替之間不斷循環。依照成體階段的狀態，生命週期可以是雙倍體生命週期（diplontic life cycle）、單倍體生命週期（haplontic life cycle）和單雙倍體生命週期（haplodiplontic life cycle，此時有兩個不同的有機體階段，一個在單倍體狀態，另一個在二倍體狀態）。從這個意義上說，利用有性生殖的生命周期有三種類型，根據生物體階段的位置進行區分[來源請求]。
人類隸屬於雙倍體生命週期（或稱配子型生命週期），在這一周期中，成體發育自一種稱為合子的雙倍體細胞。雙倍體生物通過減數分裂產生單倍體的配子（在人類男性稱為精子，在女性稱為卵子），再經由受精形成合子。雙倍體的合子會藉著有絲分裂發育成個體。
在單倍體生命週期（或稱合子型生命週期）中，個體以單倍體的形式存在，由稱為配子的單倍體細胞進行增生分化而成。兩個相反的單倍體個體各貢獻單倍體配子去結合成雙倍體合子。合子會直接進行減數分裂，形成四個單倍體細胞。這些單倍體細胞會進行有絲分裂而成長為個體。很多菌類以及原生動物都利用這種方式繁衍 [來源請求]。
在單雙倍體生命週期（或稱孢子型生命週期）中，個體會在單倍體與雙倍體之間交替存在。這樣的特性也使得這種生命週期被稱為世代交替。雙倍體個體的生殖細胞會進行減數分裂產生孢子，這些孢子會藉由有絲分裂來成長為一個獨立的單倍體個體。這些單倍體個體所產生的配子會與自身相反的配子結合形成合子，合子再經由重複的有絲分裂以及分化形成雙倍體的個體。單雙倍體生命週期可以說是單倍體生命週期與雙倍體生命週期的融合[來源請求]。
時期
[編輯]減數分裂分為減數分裂I（英語：meiosis I，簡稱減I）和減數分裂II（英語：meiosis II，簡稱減II），進一步分為核分裂I（英語：Karyokinesis I）、細胞分裂I（英語：Cytokinesis I）、核分裂II（英語：Karyokinesis II）、細胞分裂II（英語：Cytokinesis II）。減數分裂的間期與有絲分裂的間期相同。分裂間期分為三個階段：
- 生長1（G1）期：這個時期非常活躍，細胞合成大量蛋白質，包括生長所需的酶和結構蛋白。在G1中，每條染色體都由一個線性的DNA分子組成。
- 合成（S）期：在這一時期中，遺傳物質複製，每個細胞的染色體複製成兩個相同的姐妹染色單體，通過着絲粒連接。這種複製不改變細胞的倍性，因為着絲粒數保持不變。相同姐妹染色單體尚未凝聚成光學顯微鏡可見的密集包裝的染色體（這會在減數分裂I前期發生）。
- 生長2（G2）期：減數分裂不存在像有絲分裂的G2期，與有絲分裂的G2期最接近的是減數分裂的前期。
間期之後是減數分裂I，然後是減數分裂II。減數分裂I將複製後的同源染色體（每條仍由兩個姐妹染色單體組成）分離到兩個子細胞中，從而將每個細胞的染色體數量減少一半，而在減數分裂II中，姐妹染色單體解耦，產生的子染色體分離到四個子細胞中。對於二倍體生物，減數分裂產生的子細胞是單倍體，每條染色體僅包含一倍的遺傳物質。在某些物種中，細胞進入減I和減II之間的靜止期，即間期II。
減數分裂I和減數分裂II都可以分為前、中、後和末四個階段，其目的類似於在有絲分裂細胞周期中的類似階段。因此，減數分裂包括了減數分裂I（前期I、中期I、後期I、末期I）和減數分裂II（前期II、中期II、後期II、末期II）。
減數分裂I
[編輯]減數分裂I（英語：meiosis I，又稱減數第一次分裂）會將同源染色體分離，並連接成四分體（2n 4c），產生兩個單倍體細胞（n染色體，人類中為 23），每個細胞都包含染色單體對（1n，2c）。在該過程中，倍性從二倍體減少到單倍體，因此減數分裂I又稱為reductional division。減數分裂II是類似於有絲分裂的等式分裂，其中姐妹染色單體分離，產生四個單倍體子細胞（1n 1c）。[8]。
前期I
[編輯]前期I（英語：Prophase I），即減數分裂I前期，是整個減數分裂過程中最長的時期（在小鼠的14天占了13天）。在前期I中，同源染色體配對，並通過交叉互換來實現基因重組，每條染色體至少形成可見的交叉（複數chiasmata，單數chiasma）[9]。這個過程有利於同源染色體之間的穩定配對，因此能夠在減數分裂I時準確地分離染色體。配對和複製的染色體稱為二價體（兩條染色體）或四分體（四個染色單體），因此減I前期也被稱為「四分體時期」。前期I分為一系列子階段，根據染色體的外觀命名。
細線期
[編輯]減數分裂I前期的第一階段稱為細線期（英語：leptotene，或被稱為leptonema），在希臘文中是「細絲」的意思[10]:27。在這個階段中，細胞核中帶有兩個姊妹染色單體的獨立染色體會各自形成肉眼可見的細線[10]:27[11]:353。染色體各自形成由黏連蛋白（英語：cohesin）介導的線性序列，並且聯會複合體的橫向部分組裝形成一個軸向元素，環從這裡開始釋放[12]。這個階段中，酶SPO11會啟動重組，該酶產生程序性雙鏈斷裂（小鼠每個減數分裂約300個）。[13]該過程會產生單鏈DNA細絲，由RAD51和DMC1包被，這些細絲侵入同源染色體，形成軸間橋，並導致同源物配對/共同對齊（在小鼠中距離約為400 nm）[12][14]。
偶線期
[編輯]偶線期（英語：Zygotene，又稱zygonema），名稱來自希臘文「成對絲狀」[10]:27，發生在同源染色體約已排列成成對染色體時[15]。在這個階段中，同源染色體變得更加緊密（~100 nm）並穩定配對（這一過程稱為聯會），聯會複合體中安裝了橫向和中心元素以連結起來。一般認為，聯會發生在重組結節開始時，其結構類似拉鏈。聯會時的成對染色體稱為二價染色體或四分體。
粗線期
[編輯]粗線期（英語：pachytene，/ˈpækɪtiːn/ PAK-i-teen，又稱pachynema），來自希臘語的「粗線」的意思[10]:27，這是所有染色體發生聯會的階段。在這個階段中，雙鏈斷裂會被修復，從而實現同源重組（包括染色體交叉互換）。[12]大多數斷裂都被修復，沒有形成導致基因重組的交叉互換[16]。然而，少部分斷裂（每個染色體至少一個）在非姐妹的（同源）染色體之間形成交叉，從而導致遺傳信息的交換。[17]然而，性染色體並不完全相同，僅在稱為擬常染色體區的一小部分同源性區域上交換信息[18]。同源染色單體之間的信息交換導致信息的重組，每條染色體都有其此前擁有的完整信息集，並且沒有由於該過程而形成間隙。由於無法在聯會複合體中區分染色體，因此通過普通光學顯微鏡無法感知實際的交叉互換，直到下一階段才能看到交叉。
雙線期
[編輯]雙線期（英語：diplotene，又稱diplonema），名稱來自希臘語的「兩條線」。[10]:30在該時期，聯會複合體解體，同源染色體彼此略微分開。然而，每個二價的同源染色體在進行交叉互換的地方保持緊密結合。交叉互換保留在染色體上，直到減數分裂I後期同源染色體移動到細胞相反兩極時，這種交叉互換的狀態才結束。
在人類胎兒卵子發生中，所有發育中的卵母細胞都發育到這個階段，並在出生前的減I前期停滯[19]。這種狀態稱為核網期（英語：dictyotene），一直持續到減數分裂恢復為卵母細胞準備排卵，此時已經發生在青春期甚至更晚。
終變期
[編輯]染色體最終進入終變期（英語：diakinesis），來自希臘語的「移過」[10]:30。從終變期開始，四分體的四個部分實際可見。交叉互換結合併有效重疊，交叉點清晰可見。除此之外，該階段的其餘部分與有絲分裂的前中期非常相似。核仁消失，核膜分解，減數分裂紡錘體開始形成。
減數分裂中的紡錘體形成
[編輯]減數分裂紡錘體形成與有絲分裂細胞不同，人和小鼠卵母細胞沒有中心體來產生減數分裂紡錘體。在小鼠中，大約80個微管組織中心（MTOC）在卵質中形成一個球體，並開始使微管成核，這些微管伸向染色體，附着在動粒處的染色體上。隨時間推移，MTOC會合併，直到形成兩個極點，從而產生一個桶形紡錘體。[20]在人類卵母細胞中，紡錘形微管在染色體上開始成核，形成一個最終擴展並包圍染色體的星狀體[21]。然後染色體沿着微管滑向紡錘體的赤道，此時染色體形成着絲粒，其末端附着在微管上[22]。
中期I
[編輯]同源染色體沿着中期板一起移動：當來自兩個紡錘極的動粒微管（kinetochore microtubules）附着在其各自的着絲粒上時，成對的同源染色體沿着平分紡錘體的赤道平面排列，這是由於同源染色體的兩個動力持續施加平衡力。染色體獨立分類的物理基礎是每個二價體相對中期板的方向，相對於其他二價體沿同一赤道線的方向是隨機的。[9]蛋白質複合物黏連蛋白將姐妹染色單體從它們複製到後期保持在一起。在有絲分裂中，動粒微管向相反方向拉動的力會產生張力，細胞會感覺到這種張力，並且在所有染色體都正確雙向之前不會在後期進行。在減數分裂中，建立張力通常需要每對染色體至少進行一次交叉以及姐妹染色單體之間的黏連蛋白。
後期I
[編輯]動粒微管縮短，將同源染色體（此時每條染色體還是由一對姐妹染色單體組成）拉向相反的兩極。非動粒微管延長，將中心體推得更遠。細胞拉長以準備向下中心分裂。[9]與有絲分裂不同，只有來自染色體臂的黏連蛋白被降解，而着絲粒周圍的黏連蛋白仍然受到一種名為Shugoshin（日語為「守護神」）的蛋白質的保護，[23]這種蛋白質可以防止姐妹染色單體分離，從而允許姐妹染色單體保持在一起，而同源染色體之間分離。
末期I
[編輯]染色體到達兩極後，減數分裂I成功結束。現在每個子細胞都有一半的染色體，但每個染色體都由一對姐妹染色單體組成。構成紡錘體網絡的微管消失，新的核膜圍繞着每個單倍體集。染色體解開回到染色質中。胞質分裂發生，即動物細胞中細胞膜的擠壓，植物細胞中細胞壁的形成，從而產生了兩個子細胞。然而，胞質分裂並未完全完成，「細胞質橋」使得細胞質在子細胞之間共享，直到減數分裂II結束[24]。
在減數分裂I末期，姐妹染色單體仍然附着在一起。
細胞可能會進入一段運動間期（interkinesis），即間期II，在這個過程中DNA不會複製。
減數分裂II
[編輯]減數分裂II（英語：meiosis II，又稱減數第二次分裂）通常涉及姐妹染色單體的分離。在機制上，該過程類似於有絲分裂，不過其遺傳結果完全不同。這一次分裂之後，由減數分裂I產生的兩個單倍體細胞（具有n條染色體，每個由兩個姐妹染色單體組成）產生四個單倍體細胞（n條染色體，在人類中為23條）。減II的四個主要步驟是：前期II、中期II、後期II和末期II。
在前期II（英語：prophase II）中，核仁和核膜再次消失，染色單體縮短增厚。中心體移動到極區，為減數分裂II排列紡錘體纖維。
在中期II（英語：metaphase II），着絲粒（centromeres）包含兩個動粒（kinetochores），附着在來自相反兩極的着絲粒的紡錘體纖維上。與第一次分裂相比，新的赤道中期板旋轉了90度，垂直於先前的赤道板。[25]
隨後是後期II（英語：anaphase II），此時剩餘的着絲粒不再受Shugoshin保護，姐妹染色單體分離。姐妹染色單體現在依據慣例應當稱為姐妹染色體，並向相反的兩極移動。[23]
最後是末期II（英語：telophase II），與末期I相似，其特點為染色體去濃縮並延長，紡錘體解體。核膜重新形成並分裂，或者細胞板形成，最終產生總共四個子細胞，每個子細胞具有一組單倍體染色體。
減數分裂現在已經完成，最終有四個新的子細胞。
與有絲分裂的比較
[編輯]將減數分裂與有絲分裂比較可以更好地了解減數分裂。下表展示了減數分裂和有絲分裂的區別。
| 減數分裂 | 有絲分裂 | |
|---|---|---|
| 分裂結果 | 通常是4個細胞，每個細胞的染色體都是先前的一半 | 兩個細胞，其中染色體個數保持不變 |
| 功能 | 具有雙倍體生命周期的有性繁殖真核生物中產生配子（性細胞） | 細胞分裂、生長、修復、同性繁殖 |
| 何處發生 | 幾乎所有的真核生物（動物、植物、真菌和原生生物）；
在性腺中，在配子之前（在雙子生命周期中）、在合子之後（在haplontic）、孢子前（單倍體） |
所有真核生物中的所有增殖細胞 |
| 步驟 | 前期 I、中期 I、後期 I、末期 I、
前期 II、中期 II、後期 II、末期 II |
前期、中期、後期、末期 |
| 基因是否與原先一致 | 不一致 | 一致 |
| 交叉互換 | 幾乎在每對同源染色體中發生 | 很少 |
| 同源染色體配對 | 有 | 無 |
| 胞質分裂 | 發生在末期I和末期II | 發生在末期 |
| 着絲粒分裂 | 後期I不發生，後期II發生 | 發生在後期 |
參見
[編輯]參考資料
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外部連結
[編輯]
- Meiosis Flash Animation（頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）
- Animations from the U. of Arizona Biology Dept.（頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）
- Meiosis at Kimball's Biology Pages
- Khan Academy, video lecture
- CCO The Cell-Cycle Ontology
- Stages of Meiosis animation（頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）
- "Abby Denburg seminar: Chromosome Dynamics During Meiosis"（頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）
