减数分裂

生物学

jiǎn shù fēn liè

减数分裂是分两个阶段进行的细胞分裂,产生四个染色体数目减半、基因组合各不相同的性细胞。

Definition

减数分裂是一种特殊的细胞分裂方式,用来产生性细胞,男性产生精子,女性产生卵子,其染色体数目只有平常的一半,这样精子和卵子结合后,后代才能获得一整套完整的染色体。一个二倍体细胞经过两次分裂,产生四个单倍体配子:在减数分裂I中,同源染色体配对,通过交叉互换交换片段,然后分开;在减数分裂II中,姐妹染色单体分开,因此自由组合和交叉互换使每个配子都获得不同的等位基因组合,这正是有性生殖中变异的来源。这两次分裂之前只进行一轮DNA复制。在前期I,同源染色体沿联会复合体配对,并在交叉点处发生互惠重组,这既产生了新的等位基因组合,也把同源染色体物理连接在一起,使它们能在中期I的纺锤体上正确定向。减数分裂I是减数性分裂(同源染色体分开,而姐妹染色单体则通过受保护蛋白保护的着丝粒黏连蛋白保持连接),减数分裂II是等数性分裂(染色单体分开);分离过程中的错误被称为不分离,会产生非整倍体配子,母源不分离的发生率会随年龄增长而升高。

Example

人的体细胞含有$46$条染色体;减数分裂产生的精子和卵子各含有$23$条染色体,二者结合后又恢复为$23 + 23 = 46$条。由于$23$对染色体中的每一对都有两种排列方式,仅自由组合一项,就能在一个人的配子中产生$2^{23}$种,约$840$万种不同的染色体组合,交叉互换还会进一步增加这个数字。人类男性每次减数分裂能产生四个有功能的精子,而女性则只产生一个卵子外加若干极体,卵细胞会从出生前一直停滞在前期I,直到排卵才继续,这一停滞有时可长达$40$年以上;21三体综合征(唐氏综合征)正是由21号染色体的不分离引起的,通常发生在卵子的减数分裂I阶段。

Key Insight

减数分裂会重新洗牌基因,因此没有任何两个精子或卵子是完全相同的,这也是为什么兄弟姐妹外貌相似却并不完全一样的原因。有丝分裂保持染色体数目不变,而减数分裂则把它减半;如果没有减数分裂,染色体数目就会一代一代不断翻倍。减数分裂正是有性生殖能在不改变DNA序列本身的情况下产生变异的原因:重组和自由组合重新洗牌了已有的等位基因,为自然选择在每一代都提供了新的组合去检验。