减数分裂
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减数分裂（拉丁语：meiosis）是一种特殊的细胞分裂方式，这种分裂使染色体数目减半，产生单倍体细胞，每条染色体源自于其亲代细胞[1] 。减数分裂是一种特殊的有丝分裂。这个过程会发生在所有有性生殖单细胞或多细胞真核生物体内，包括动物、植物以及真菌[2][3][4][5]。减数分裂涉及两轮分裂，最终产生四个细胞，每个染色体只有一倍遗传物质。此外，在分裂之前，来自每条染色体的父本和母本拷贝的遗传物质会交叉，在每条染色体上产生新的密码组合。 稍后，在受精过程中，由雄性和雌性通过减数分裂产生的单倍体细胞将再次融合产生每个染色体具有两倍遗传物质的细胞，即受精卵。
非整数倍的减数分裂错误是目前已知导致流产的主要因素，也是遗传性胎儿发育不全的最常见原因[6]。
减数分裂在DNA复制之后会进行两轮细胞分裂，产生四个子代细胞，每个细胞会拥有其母细胞的半套染色体。减数分裂开始前，细胞会进入细胞周期的DNA合成期（S期），每条染色体的DNA都复制，从而使染色体由姊妹染色单体组成，通过着丝粒连接在一起。DNA复制后，细胞会立即进入减数分裂I前期，该时期内同源染色体会互相配对（即联会）并且进行交叉互换，DNA剪断并修复，交换一部分遗传信息。而在减数分裂II中，姐妹染色单体的着丝点解开，使两个单体分开。细胞经过减数分裂后形成配子，如精子、孢子或花粉。在雌性动物体内，减数分裂后有二个或三个细胞会形成极体，只有一个会持续发育形成卵细胞。
减数分裂之后，染色体的数目减半，雌雄配子可以通过受精形成合子，细胞中的染色体也因此成为双倍体，各有一半分别来自双亲。因此，减数分裂和受精的交替循环使得有性生殖的生物得以在世代间保持相同数目的染色体。举例来说，人类细胞具有23对染色体（总数量为46条），其中包括了一对性染色体，一半来自母亲，另一半则来自父亲。减数分裂会产生单倍体的配子（卵细胞或精子），各自含有23条染色体。两个配子（一个卵细胞、一个精子）结合时，其合子会重新成为双倍体，染色体又恢复46条染色体即有一半来自于母亲，一半来自于父亲。不同物种染色体数量不同，但减数分裂时都遵循相同模式。
概述
[编辑]减数分裂始于双倍体细胞，这些细胞具有两条相同的染色体，称为同源染色体。首先，细胞进行DNA复制，每条同源染色体分别由两个姊妹染色单体组成，然后每组同源染色体会互相进行同源重组，同源染色体之间形成物理性结合。减数分裂I时，同源染色体借由纺锤体引导分离，形成第一组子代细胞，接着这些子代细胞不再次DNA复制而直接进行减数分裂II。姐妹染色单体会在此时分离，形成总数四颗的第二组子代细胞。在雌性动物体内，通常会形成一个卵细胞以及两个极体（第一子代细胞所形成的极体直接退化而不进行分裂）。由于重组的关系，每个姊妹染色单体具有新的DNA构成，使得子代不会完全同于任何一个亲代。换句话说，每个配子都具有一系列来自于其亲代以及重组过后的染色质。在有性生殖生物中，减数分裂的遗传多样性构成了生物多样性的一部分，从而促使天择的运作。
减数分裂的许多机制与有丝分裂相同。在一些植物、菌类或原生生物身上，减数分裂会形成孢子而不需要借由受精。有些真核生物，如蛭形轮虫，不具有减数分裂的能力，但以单性生殖取代。
细菌及古菌无减数分裂机制，这些生物是透过无性生殖的方式分裂繁衍下一代。
历史
[编辑]1876年，德国生物学家奥斯卡·赫特维希（Oscar Hertwig）在海胆的卵细胞发现并叙述了这种分裂过程，并将其称之为减数分裂。1883年，比利时动物学家爱德华·凡·贝内登在蛔虫卵中，在染色体的级别上描述了减数分裂。然而，真正说明了减数分裂对繁殖及遗传的重要性的，是1890年德国演化生物学家奥古斯特·魏斯曼，他指出若要在演化的过程中维持细胞中染色体数量，需要将双倍体细胞转形为四个单倍体细胞的过程。1911年，美国遗传学家托马斯·亨特·摩尔根在黑腹果蝇体内侦测到减数分裂中的染色体互换，帮助他确定了遗传性状在染色体上传播。
1905年，减数分裂（meiosis，一开始被拼作maiosis）一词由J.B. Farmer及J.E.S. Moore首次提出[7]。这个词由希腊文的μείωσις演变而来，带有“减量、减少”的意义。
发生
[编辑]
在真核生物的生命周期中，不断循环的减数分裂以及受精组成有性生殖，同时也会存在一般的有丝分裂。在多细胞生物中，减数分裂扮演着双倍体及单倍体之间的中间步骤。在生命周期的某些阶段，生殖细胞会产生配子。体细胞则是负责架构整个生物体，但并没有参与配子的产生。
减数分裂及受精作用在单倍体及双倍体交替之间不断循环。依照成体阶段的状态，生命周期可以是双倍体生命周期（diplontic life cycle）、单倍体生命周期（haplontic life cycle）和单双倍体生命周期（haplodiplontic life cycle，此时有两个不同的有机体阶段，一个在单倍体状态，另一个在二倍体状态）。从这个意义上说，利用有性生殖的生命周期有三种类型，根据生物体阶段的位置进行区分[来源请求]。
人类隶属于双倍体生命周期（或称配子型生命周期），在这一周期中，成体发育自一种称为合子的双倍体细胞。双倍体生物通过减数分裂产生单倍体的配子（在人类男性称为精子，在女性称为卵子），再经由受精形成合子。双倍体的合子会借着有丝分裂发育成个体。
在单倍体生命周期（或称合子型生命周期）中，个体以单倍体的形式存在，由称为配子的单倍体细胞进行增生分化而成。两个相反的单倍体个体各贡献单倍体配子去结合成双倍体合子。合子会直接进行减数分裂，形成四个单倍体细胞。这些单倍体细胞会进行有丝分裂而成长为个体。很多菌类以及原生动物都利用这种方式繁衍 [来源请求]。
在单双倍体生命周期（或称孢子型生命周期）中，个体会在单倍体与双倍体之间交替存在。这样的特性也使得这种生命周期被称为世代交替。双倍体个体的生殖细胞会进行减数分裂产生孢子，这些孢子会借由有丝分裂来成长为一个独立的单倍体个体。这些单倍体个体所产生的配子会与自身相反的配子结合形成合子，合子再经由重复的有丝分裂以及分化形成双倍体的个体。单双倍体生命周期可以说是单倍体生命周期与双倍体生命周期的融合[来源请求]。
时期
[编辑]减数分裂分为减数分裂I（英语：meiosis I，简称减I）和减数分裂II（英语：meiosis II，简称减II），进一步分为核分裂I（英语：Karyokinesis I）、细胞分裂I（英语：Cytokinesis I）、核分裂II（英语：Karyokinesis II）、细胞分裂II（英语：Cytokinesis II）。减数分裂的间期与有丝分裂的间期相同。分裂间期分为三个阶段：
- 生长1（G1）期：这个时期非常活跃，细胞合成大量蛋白质，包括生长所需的酶和结构蛋白。在G1中，每条染色体都由一个线性的DNA分子组成。
- 合成（S）期：在这一时期中，遗传物质复制，每个细胞的染色体复制成两个相同的姐妹染色单体，通过着丝粒连接。这种复制不改变细胞的倍性，因为着丝粒数保持不变。相同姐妹染色单体尚未凝聚成光学显微镜可见的密集包装的染色体（这会在减数分裂I前期发生）。
- 生长2（G2）期：减数分裂不存在像有丝分裂的G2期，与有丝分裂的G2期最接近的是减数分裂的前期。
间期之后是减数分裂I，然后是减数分裂II。减数分裂I将复制后的同源染色体（每条仍由两个姐妹染色单体组成）分离到两个子细胞中，从而将每个细胞的染色体数量减少一半，而在减数分裂II中，姐妹染色单体解耦，产生的子染色体分离到四个子细胞中。对于二倍体生物，减数分裂产生的子细胞是单倍体，每条染色体仅包含一倍的遗传物质。在某些物种中，细胞进入减I和减II之间的静止期，即间期II。
减数分裂I和减数分裂II都可以分为前、中、后和末四个阶段，其目的类似于在有丝分裂细胞周期中的类似阶段。因此，减数分裂包括了减数分裂I（前期I、中期I、后期I、末期I）和减数分裂II（前期II、中期II、后期II、末期II）。
减数分裂I
[编辑]减数分裂I（英语：meiosis I，又称减数第一次分裂）会将同源染色体分离，并连接成四分体（2n 4c），产生两个单倍体细胞（n染色体，人类中为 23），每个细胞都包含染色单体对（1n，2c）。在该过程中，倍性从二倍体减少到单倍体，因此减数分裂I又称为reductional division。减数分裂II是类似于有丝分裂的等式分裂，其中姐妹染色单体分离，产生四个单倍体子细胞（1n 1c）。[8]。
前期I
[编辑]前期I（英语：Prophase I），即减数分裂I前期，是整个减数分裂过程中最长的时期（在小鼠的14天占了13天）。在前期I中，同源染色体配对，并通过交叉互换来实现基因重组，每条染色体至少形成可见的交叉（复数chiasmata，单数chiasma）[9]。这个过程有利于同源染色体之间的稳定配对，因此能够在减数分裂I时准确地分离染色体。配对和复制的染色体称为二价体（两条染色体）或四分体（四个染色单体），因此减I前期也被称为“四分体时期”。前期I分为一系列子阶段，根据染色体的外观命名。
细线期
[编辑]减数分裂I前期的第一阶段称为细线期（英语：leptotene，或被称为leptonema），在希腊文中是“细丝”的意思[10]:27。在这个阶段中，细胞核中带有两个姊妹染色单体的独立染色体会各自形成肉眼可见的细线[10]:27[11]:353。染色体各自形成由黏连蛋白（英语：cohesin）介导的线性序列，并且联会复合体的横向部分组装形成一个轴向元素，环从这里开始释放[12]。这个阶段中，酶SPO11会启动重组，该酶产生程序性双链断裂（小鼠每个减数分裂约300个）。[13]该过程会产生单链DNA细丝，由RAD51和DMC1包被，这些细丝侵入同源染色体，形成轴间桥，并导致同源物配对/共同对齐（在小鼠中距离约为400 nm）[12][14]。
偶线期
[编辑]偶线期（英语：Zygotene，又称zygonema），名称来自希腊文“成对丝状”[10]:27，发生在同源染色体约已排列成成对染色体时[15]。在这个阶段中，同源染色体变得更加紧密（~100 nm）并稳定配对（这一过程称为联会），联会复合体中安装了横向和中心元素以连结起来。一般认为，联会发生在重组结节开始时，其结构类似拉链。联会时的成对染色体称为二价染色体或四分体。
粗线期
[编辑]粗线期（英语：pachytene，/ˈpækɪtiːn/ PAK-i-teen，又称pachynema），来自希腊语的“粗线”的意思[10]:27，这是所有染色体发生联会的阶段。在这个阶段中，双链断裂会被修复，从而实现同源重组（包括染色体交叉互换）。[12]大多数断裂都被修复，没有形成导致基因重组的交叉互换[16]。然而，少部分断裂（每个染色体至少一个）在非姐妹的（同源）染色体之间形成交叉，从而导致遗传信息的交换。[17]然而，性染色体并不完全相同，仅在称为拟常染色体区的一小部分同源性区域上交换信息[18]。同源染色单体之间的信息交换导致信息的重组，每条染色体都有其此前拥有的完整信息集，并且没有由于该过程而形成间隙。由于无法在联会复合体中区分染色体，因此通过普通光学显微镜无法感知实际的交叉互换，直到下一阶段才能看到交叉。
双线期
[编辑]双线期（英语：diplotene，又称diplonema），名称来自希腊语的“两条线”。[10]:30在该时期，联会复合体解体，同源染色体彼此略微分开。然而，每个二价的同源染色体在进行交叉互换的地方保持紧密结合。交叉互换保留在染色体上，直到减数分裂I后期同源染色体移动到细胞相反两极时，这种交叉互换的状态才结束。
在人类胎儿卵子发生中，所有发育中的卵母细胞都发育到这个阶段，并在出生前的减I前期停滞[19]。这种状态称为核网期（英语：dictyotene），一直持续到减数分裂恢复为卵母细胞准备排卵，此时已经发生在青春期甚至更晚。
终变期
[编辑]染色体最终进入终变期（英语：diakinesis），来自希腊语的“移过”[10]:30。从终变期开始，四分体的四个部分实际可见。交叉互换结合并有效重叠，交叉点清晰可见。除此之外，该阶段的其余部分与有丝分裂的前中期非常相似。核仁消失，核膜分解，减数分裂纺锤体开始形成。
减数分裂中的纺锤体形成
[编辑]减数分裂纺锤体形成与有丝分裂细胞不同，人和小鼠卵母细胞没有中心体来产生减数分裂纺锤体。在小鼠中，大约80个微管组织中心（MTOC）在卵质中形成一个球体，并开始使微管成核，这些微管伸向染色体，附着在动粒处的染色体上。随时间推移，MTOC会合并，直到形成两个极点，从而产生一个桶形纺锤体。[20]在人类卵母细胞中，纺锤形微管在染色体上开始成核，形成一个最终扩展并包围染色体的星状体[21]。然后染色体沿着微管滑向纺锤体的赤道，此时染色体形成着丝粒，其末端附着在微管上[22]。
中期I
[编辑]同源染色体沿着中期板一起移动：当来自两个纺锤极的动粒微管（kinetochore microtubules）附着在其各自的着丝粒上时，成对的同源染色体沿着平分纺锤体的赤道平面排列，这是由于同源染色体的两个动力持续施加平衡力。染色体独立分类的物理基础是每个二价体相对中期板的方向，相对于其他二价体沿同一赤道线的方向是随机的。[9]蛋白质复合物黏连蛋白将姐妹染色单体从它们复制到后期保持在一起。在有丝分裂中，动粒微管向相反方向拉动的力会产生张力，细胞会感觉到这种张力，并且在所有染色体都正确双向之前不会在后期进行。在减数分裂中，建立张力通常需要每对染色体至少进行一次交叉以及姐妹染色单体之间的黏连蛋白。
后期I
[编辑]动粒微管缩短，将同源染色体（此时每条染色体还是由一对姐妹染色单体组成）拉向相反的两极。非动粒微管延长，将中心体推得更远。细胞拉长以准备向下中心分裂。[9]与有丝分裂不同，只有来自染色体臂的黏连蛋白被降解，而着丝粒周围的黏连蛋白仍然受到一种名为Shugoshin（日语为“守护神”）的蛋白质的保护，[23]这种蛋白质可以防止姐妹染色单体分离，从而允许姐妹染色单体保持在一起，而同源染色体之间分离。
末期I
[编辑]染色体到达两极后，减数分裂I成功结束。现在每个子细胞都有一半的染色体，但每个染色体都由一对姐妹染色单体组成。构成纺锤体网络的微管消失，新的核膜围绕着每个单倍体集。染色体解开回到染色质中。胞质分裂发生，即动物细胞中细胞膜的挤压，植物细胞中细胞壁的形成，从而产生了两个子细胞。然而，胞质分裂并未完全完成，“细胞质桥”使得细胞质在子细胞之间共享，直到减数分裂II结束[24]。
在减数分裂I末期，姐妹染色单体仍然附着在一起。
细胞可能会进入一段运动间期（interkinesis），即间期II，在这个过程中DNA不会复制。
减数分裂II
[编辑]减数分裂II（英语：meiosis II，又称减数第二次分裂）通常涉及姐妹染色单体的分离。在机制上，该过程类似于有丝分裂，不过其遗传结果完全不同。这一次分裂之后，由减数分裂I产生的两个单倍体细胞（具有n条染色体，每个由两个姐妹染色单体组成）产生四个单倍体细胞（n条染色体，在人类中为23条）。减II的四个主要步骤是：前期II、中期II、后期II和末期II。
在前期II（英语：prophase II）中，核仁和核膜再次消失，染色单体缩短增厚。中心体移动到极区，为减数分裂II排列纺锤体纤维。
在中期II（英语：metaphase II），着丝粒（centromeres）包含两个动粒（kinetochores），附着在来自相反两极的着丝粒的纺锤体纤维上。与第一次分裂相比，新的赤道中期板旋转了90度，垂直于先前的赤道板。[25]
随后是后期II（英语：anaphase II），此时剩余的着丝粒不再受Shugoshin保护，姐妹染色单体分离。姐妹染色单体现在依据惯例应当称为姐妹染色体，并向相反的两极移动。[23]
最后是末期II（英语：telophase II），与末期I相似，其特点为染色体去浓缩并延长，纺锤体解体。核膜重新形成并分裂，或者细胞板形成，最终产生总共四个子细胞，每个子细胞具有一组单倍体染色体。
减数分裂现在已经完成，最终有四个新的子细胞。
与有丝分裂的比较
[编辑]将减数分裂与有丝分裂比较可以更好地了解减数分裂。下表展示了减数分裂和有丝分裂的区别。
| 减数分裂 | 有丝分裂 | |
|---|---|---|
| 分裂结果 | 通常是4个细胞，每个细胞的染色体都是先前的一半 | 两个细胞，其中染色体个数保持不变 |
| 功能 | 具有双倍体生命周期的有性繁殖真核生物中产生配子（性细胞） | 细胞分裂、生长、修复、同性繁殖 |
| 何处发生 | 几乎所有的真核生物（动物、植物、真菌和原生生物）；
在性腺中，在配子之前（在双子生命周期中）、在合子之后（在haplontic）、孢子前（单倍体） |
所有真核生物中的所有增殖细胞 |
| 步骤 | 前期 I、中期 I、后期 I、末期 I、
前期 II、中期 II、后期 II、末期 II |
前期、中期、后期、末期 |
| 基因是否与原先一致 | 不一致 | 一致 |
| 交叉互换 | 几乎在每对同源染色体中发生 | 很少 |
| 同源染色体配对 | 有 | 无 |
| 胞质分裂 | 发生在末期I和末期II | 发生在末期 |
| 着丝粒分裂 | 后期I不发生，后期II发生 | 发生在后期 |
参见
[编辑]参考资料
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外部链接
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- Meiosis at Kimball's Biology Pages
- Khan Academy, video lecture
- CCO The Cell-Cycle Ontology
- Stages of Meiosis animation（页面存档备份，存于互联网档案馆）
- "Abby Denburg seminar: Chromosome Dynamics During Meiosis"（页面存档备份，存于互联网档案馆）
