Interfaasi kromatiin

    Eukarüootide rakkude tuumad on keerulised ja kõrgetasemeliselt organiseerunud struktuurid. Inimese somaatilise raku umbes 10 mm läbimõõduga tuuma mahub 6x10⁹ bp (2 meetrit) DNA-d. Et sellist kokkupakkimise taset saavutada, on iga DNA molekul seotud histoonidega, seejärel pakitud histoon H1 vahendusel kokku 30 nm kromatiinkiuks e. fibrilliks ning edasi kõrgema järgu struktuuriks. Mitoosi ajal võtab kromatiin kõige enam kondenseerunud seisundi ning selle üksikud elemendid e. kromosoomid on hästi eristatavad. Kromosoomi nimetus tuleneb kreeka keelest ja tähendab värvuvat keha (chromos soma).
    Kui rakutuumi töödelda hüpertoonilise soolalahusega (näiteks 0.5M - 2.0M NaCl), jääb järele lahustumatu jääkvõrgustik e. -toestik (residual framework). Seda nimetataksegi tuuma maatriksiks e. südamikuks (nuclear matrix or scaffold) ja võrreldakse raku tsütoskeletiga. Maatriksi struktuursed komponendid pole veel täpselt määratletud, nii nagu pole selge seegi, mil määral isoleeritud maatriks vastab in vivo tuuma alastruktuuridele. Mõned maatriksi valkudest seostuvad spetsiifilistele DNA järjestustele e. südamiku või maatriksiga seostuvatele aladele, SARs või MARs (scaffold -or matrix-associated regions). Sellised järjestused paiknevad metafaasi kromosoomi lingude aluses. Tuuma maatriks võimaldab kromosoome ja nende alasid (sh. geene) ruumiselt organiseerida ning ajaliselt reguleerida nii DNA replikatsiooni kui ka näiteks transkriptsiooni.
    Suurema aja rakutsüklist (interfaasis) on eukarüoodi kromosoomid dekondenseerunud ja täidavad kogu tuuma ruumi. Iga kromosoom võtab seejuures enda alla kindla ala e. domääni (domain). Seda kinnitavad näiteks mitme-värvi interfaasi-FISH-i uuringud, kus kasutatakse erinevalt märgistatud kromosoomispetsiifilisi proove. Kromatiini kokku- ja lahtipakkimine on valikuline ja lähtub kõrvutiasuvate kromosoomialade eripärast. Nii on näiteks eukromatiini alad interfaasis enamasti dekondenseerunud ja paiknevad hajusalt, kondenseerunud heterokromatiini alad aga võivad assotseeruda ja moodustada tumedamalt värvuvaid kromotsentreid (chromocenter). Tsentromeersed struktuurse heterokromatiini (alfa-satelliit-DNA) alad moodustavad tuumas kindla “ruumilise mustri”, mis on rakutüübi-spetsiifiline ja evolutsiooniliselt konserveerunud. Oletatakse, et tsentromeerid toimivad interfaasis kromatiini struktuurse organisatsiooni keskustena, luues funktsionaalseid kompartmente. Kui mingi kromosoomiala jääb kokkupakituks ka interfaasis, siis on ta funktsionaalselt inaktiivne, aktivatsioon eeldab kromosoomiala dekondenseerunud olekut.
    Põhilised tuuma protsessid viiakse läbi paljukomponentsetes alastruktuurides teatud kohtades. Siia kuuluvad funktsionaalsed domäänid DNA transkriptsiooni, transkripti protsessingu, ribosoomide biogeneesi ja replikatsiooni jaoks. Nii nagu akrotsentriliste kromosoomide rRNA geenid paiknevad tuumakeses lähestikku, võivad ka funktsionaalselt sarnased koe-spetsiifilised geenid lokaliseeruda kindlatesse tuuma kompartmentidesse. Valku kodeerivate geenide eelistatud lokalisatsiooni nukleoplasmas on näidatud näiteks immuunoglobuliini geenide lokalisatsiooni uuringutel in situ hübridisatsiooni ja konfokaal-mikroskoopia abil. On leitud, et Ig kappa ahela geenid paiknevad eelistatult tuuma ümbrise lähedal ning gamma ja lambda ahela geenid tuuma keskel (lambda rohkem tsentris kui gamma). Selline geenide topograafiline jaotus ei sõltu nende transkriptsiooniaktiivsusest ja on erinevates rakutüüpides sama.
    Elektronmikroskoopilised uuringud näitavad, et kromosoomid kinnituvad ka tuumamembraani külge spetsiaalsete DNA piirkondade e. SAR-ide kaudu. Kui rakk läheb mitoosi, siis profaasi alguses, kui tuumamembraan laguneb, kapselduvad tuumamembraani ja tuumakse jäägid kromosoomide külge. Seega pole mitoosi kromosoomide kontakt tütoplasmaga täielik. Nendes kohtades, kus tuumamaterjal on seotud kromosoomidega, saab telofaasis alguse uue toestiku moodustumine. 
    See, kuipalju kromatiin ja teised tuuma komponendid interfaasis liiguvad, pole päris selge. Tsentromeeride ja kromosoomide paiknemine tuumas võib muutuda näiteks vastusena diferentseerumis- ja transkriptsioonisignaalidele ning sõltuda rakutsükli faasist. Üldiselt ollakse aga siiski seisukohal, et interfaasi kromatiin on põhiliselt liikumatu (immobiilne). Fikseeritud materjalis läbi viidud uuringud näitavad, et kromosoomid on interfaasis teatud reeglite järgi organiseerunud. Ka elusrakkudes tehtud uuringud näitavad, et tsentromeerid ei vaheta interfaasis asukohta ning kromosoomid dekondenseeruvad - kondenseeruvad tuumaümbrises samas kohas. Taoline immobiilsus tagatakse sellega, et interfaasi kromosoomid on seotud tuuma maatriksi ja alastruktuuridega ning paiknevad diskreetsete domäänidena.

“Tsüklist väljast” kromosoomid

    Enneaegselt kondenseerunud kromosoomid. Kui mitoosis olevaid rakke liita interfaasis olevate rakkudega, siis interfaasi raku tuumamembraan laguneb ning kromosoomid kondenseeruvad sõltumata sellest, mis rakutsükli faasis rakk parajasti oli. Nähtust nimetatakse kromosoomide enneaegseks kondenseerumiseks, PCC (premature chromosome condensation, PCC). PCC ilmneb 15-20 minutit pärast rakkude fusiooni ning saavutab maksimumi tunni pärast.
    Vastavalt sellele, kuidas enneaegselt kondenseerunud kromosoomid e. PCC kromosoomid välja näevad, saame öelda, mis faasis interfaasi rakk fusiooni ajal oli. Kui ühes mitoosis on koos kahekromatiidsed kondenseerunud metafaasi kromosoomid ja ühekromatiidsed palju pikemad kromosoomid, oli fusiooni ajal tegemist G1-faasis oleva rakuga. Kui näeme koos metafaasi kromosoome ja pulveriseerunud (fragmenteerunud) kromosoome, oli rakk S-faasis. Kromosoomid on vaatamata oma fragmenteerunud väljanägemisele tegelikult pidevad - heledad alad tumedalt värvunud alade vahel on parasjagu replitseeruvad kromosoomipiirkonnad. Kui metafaasis on koos erineva kondensatsiooniastmega kahekromatiidsed kromosoomid, saab teha järelduse, et interfaasi rakk oli fusiooni momendil G2-faasis.
    Kui liita ühe liigi mitootilisi rakke teise liigi interfaasis olevate rakkudega näeme samasugust PCC ilmingut. Olgu see näiteks kasvõi puuviljakärbse ja sojaoa või siis porgandi ja inimese rakkude fusioon - ikka indutseerib mitoosis olev rakk interfaasi kromosoomide kondenseerumise. See näitab, et kromosoomide kokku- ja lahtipakkimise ning mitoosi protsessid on universaalsed.
    Normaalsed somaatilised rakud üksteisega tavaliselt ei liitu, erandiks on tolmuterade emarakud taimehübriidides ning endospermi rakud. Rakkude fusiooni leitakse aga neoplastilistes rakkudes, eriti leukeemiates ja lümfoomides. In vitro rakukultuurides kutsutakse rakkude liitumist esile viirustega (näiteks inaktiveeritud Sendai viirusega) või polüetüleenglükooliga (PEG). Rakkude fusiooni ja PCC-analüüsi kasutatakse interfaasi kromosoomide uurimisel määratlemaks muutusi üleminekul G1-S-G2-M. Kuna hilise G1-faasi ja varase G2-faasi kromosoomid on pikemad kui mitoosi metafaasi kromosoomid, siis kasutatakse PCC-d ka kromosoomide peenstruktuuri uurimiseks. Samuti leiab PCC-meetod rakendust diferentseerunud ja jagunemise lõpetanud rakkude, näiteks spermatozoidide kromosoomianalüüsil.
    Allotsüklilised kromosoomid (allocyclic chromosomes) on teistest erinevalt kokkupakitud kromosoomid, mis meenutavad G1-, S- või G2-faasi PCC kromosoome. Ühte või mitut taolist kromosoomi võib (harva) leida muidu igati normaalsete metafaasi kromosoomide seas. Allotsüklilised kromosoomid võivad tekkida mikrotuumadest nende fusioonil mitoosi metafaasi jõudnud kromosoomidega või mutatsiooni tõttu “kondenseerumise keskuses”. Sellised kromosoomid jäävad kondenseerumistsüklis maha ja moodustavad järgnevas mitoosis mikrotuumi. Allotsükliliste kromosoomide hulka võivad suurendada ka ained, mis kutsuvad esile kromosoomimurdusid. Teatud haiguste, näiteks Bloomi sündroomi puhul on lisaks kromosoomimurdude ja õdekromatiidivahetuse sageduse tõusule suurenenud ka allotsükliliste kromosoomide hulk.
    Kui in vitro kasvavaid rakke töödelda fluorokroomidega (Hoechst 33258, DAPI, DA), mis seostuvad AT-rikaste DNA aladega, siis kondenseeruvad teatud kromosoomipiirkonnad vähem ning jäävad pikemaks. See puudutab eriti 1., 9., 16. ja Y-kromosoomi heterokromatiini alasid. Sama efekti annab rakkude töötlemine DNA aluste analoogidega (5-Aza-C, 5-Aza-dC), mis lülituvad DNA-sse replikatsiooni ajal. Kui rakke mõjutada 5-azadesoksütsütidiiniga kahe rakutsükli vältel, kondenseeruvad õdekromatiidid erinevalt. Kromatiid, mille mõlemad DNA ahelad sisaldavad asendusi, jääb olulislt pikemaks sellest kromatiidist, kus vaid üks DNA ahel on asendustega.

Replikatsioonidomäänid ja -fookused

    Kromosoomide reproduktsioon seisneb kromosoomikomplekti täielikus taastootmises raku poolt igas rakutsüklis. Sellega säilitatakse kromosoomide spetsiifika ja tagatakse rakkude (ja organismide) geneetiline järjepidevus põlvkondades.
    Kromosoomide reproduktsioon sõltub esmajärjekorras DNA replikatsioonist rakutsükli S-faasis. Enamuses prokarüootides algab DNA süntees ühest kindlast punktist kromosoomis e. replikatsiooni originist. Bakteri või viiruse kromosoom moodustab seega ühe replikoni. Eukarüootide DNA replitseerub aeglasemalt kui prokarüootidel. Et nende oluliselt suurem genoom duplitseeruks mõistliku aja jooksul (replikatsiooni kiirus on 0.2-2.0 mm/min. ja S-faas kestab keskmiselt 10 tundi) peab DNA süntees algama korraga väga paljudest kohtadest. Pärmi (Saccharomyces cerevisiae) 17 kromosoomis on umbes 400 replikoni, inimese genoomis aga 10⁵ replikoni. DNA replikatsioon on semikonservatiivne, mistõttu G2 kromosoomis on mõlemas kromatiidis e. DNA molekulis üks ahel uus.
    DNA replikatsioon on S-faasis ajaliselt järjestatud ja toimub replikonide kaupa. Enamiku replikonide suurus on 50-300 kbp. Kõrvutiasuvad replikonid alustavad replikatsiooni sünkroonselt, moodustades replikonide klastreid. Replikonide klastrid koosnevad 10-20 replikonist ja moodustavad kromosoomides replikatsioonidomääne (replication domain). Replikatsioonidomääne on võimalik visualiseerida, kui rakkudesse viia rakutsükli erinevatel ajamomentidel teatud ajaks halogeniseeritud nukleosiide, näiteks BrdU-d (vt. replikatsioonivöödistused). Replikatsioonivöödid sisaldavad tavaliselt mitu megaaluspaari DNA-d ja korreleeruvad üldjoontes G- ja R-vöötidega. Seetõttu arvatakse, et kromosoomide struktuursed domäänid kattuvad replikatsiooni ajaliste domäänidega (timing domain).
    Eukarüootide DNA replikatsioon algab korraga väga paljudest diskreetsetest (eraldiasuvatest) kohtadest tuumas - tuumafookustest e. replikatsioonifookustest (nuclear foci, replication foci), mida nimetatakse ka replikatsioonivabrikuteks (replication factories). Tuuma fookused on suured biokeemilised masinavärgid, mis sisaldavad kümneid kuni sadu replikatsioonikahvleid, millega agregeeruvad replikatsiooniga seotud valgud. Replikatsioonifookuste visualiseerimiseks kasutatakse samuti näiteks BrdU-d (selle lülitumist detekteeritakse BrdU-vastase antikeha ja FITC-konjugeeritud sekundaarse antikehaga). S-faasi alguses võib tuumas näha sadu replikatsioonifookusi, nad on väikesed (<1um) ja jaotuvad ühtlaselt üle kogu tuuma. Kesk-S-faasis leiab DNA süntees aset suuremates lingulistes fookustes, S-faasi lõpus aga paljudes kompaktsetes replikatsioonifookustes tuumaümbrise läheduses.
    Igal geenil on S-faasis oma kindel replitseerumise aeg. Enamus housekeeping geene, samuti mõned koespetsiifilised geenid replitseeruvad S-faasi esimeses pooles. Paljude koespetsiifiliste geenide replikatsioonimuster on aga ontogeneetiliselt reguleeritud - nendes rakkudes, kus vastavat geeni ekspresseeritakse, sünteesitakse DNA S-faasi alguses, mitteekspresseerivates rakkudes aga S-faasi lõpus. Eukromatiini alad, mis sisaldavad palju geene, replitseeruvad kiiremini ja varem kui heterokromatiini alad.
    Kromosoomide reproduktsiooni ei saa vaadata ainult kui DNA replikatsiooni. See hõlmab äsja sünteesitud DNA ja histoonide kokkupakkimise nukleosoomsesse struktuuri ning mittehistoonsete kromosoomikomponentide duplitseerumise ning liitumise kromosoomiga. Nukleosoomid moodustuvad kohe replikatsioonikahvli taga. Vanad histooni oktameerid tõenäoliselt säilivad, uued aga moodustuvad replikatsiooni ajal. Histoonide H3 ja H4 järel lülituvad H2A ja H2B. Kromatiinniidi kokkupakkimine ja kromosoomide südamiku duplitseerumine toimub samas replikatsioonidomäänis kui DNA replikatsioon.

Kromosoomide replikatsioonivöödistused

    Kromosoomide reproduktsiooni põhilised seaduspärasused on kindlaks tehtud DNA replikatsiooni uurimisel. Kromosoomide reproduktsiooni uurimiseks kasutatakse kahte erinevat lähenemist. Esimene neist võeti kasutusele 50-ndate aastate lõpus ja see baseerub radioaktiivse isotoobiga märgistatud nukleotiidide viimisel kromosoomidesse ning autoradiograafilisel analüüsil.
    Nagu öeldud, algab DNA süntees kromosoomi väga paljudes punktides. Seda saab näidata, kui kultuuri keskkonda viia lühiajaliselt ³H-tümidiini, pesta teatud aja pärast maha ja kasvatada rakke jälle tavalises söötmes. Metafaasi kromosoomides võib seejärel näha väikeste eraldiasuvate lõikude märgistumist. Nii tehtigi 60-ndatel aastatel kindlaks, et erinevad kromosoomipiirkonnad alustavad replikatsiooni S-faasi erinevatel ajamomentidel, ja viimasena replitseeruvad heterokromatiini alad. Asjaolu, et kromosoomid ja kromosoomipiirkonnad replitseeruvad asünkroonselt, andis võimaluse ka kromosoome identifitseerida. Nii saab eristada 4. ja 5. kromosoomi; 13., 14. ja 15. ning 21. ja 22. kromosoomi. Autoradiograafilisel meetodil on võimalik eristada ka inaktiivset X-kromosoomi, mis replitseerub S-faasi lõpus, aktiivsest X-kromosoomist. DNA replikatsioonimustri uurimiseks kasutatakse praegusel ajal rohkem küll 70-ndate aastate alguses kasutusele võetud mitteradioaktiivseid replikatsioonivöödistuste meetodeid.
    Replikatsioonivöödistus (replication banding) saadakse valikulisel halogeniseeritud nukleosiidide lülitumisel kas vara- või hiljareplitseeruvatesse klastritesse e. replikatsioonivöötidesse. Replikatsioonivöödistuse saamiseks kasutatakse kõige sagedamini tümidiini analoogi 5-broom-2’-desoksüuridiini (BrdU), kuid ka 5-floor-2’-desoksüuridiini (FUdR) või 5-broom-2’-desoksütsütidiini (BrdC). BrdU ja FUdR lülituvad replitseeruvasse DNA-sse tümidiini, BrdC aga tsütidiini asemel. Kuna kromosoomialad, mis inkorporeerivad halogeniseeritud nukleosiide, värvuvad palju halvemini Giemsa värvi või fluorokroomidega, saab erineval ajal replitseerunud piirkondi eristada. Replikatsioonivöödistuse meetodeid võib kasutada ka kromosoomide diferentsiaalvärvimisel, kusjuures vöödistuse muster annab lisaks veel infot ühes või teises vöödialas paiknevate geenide replikatsiooni aja kohta.
    Replikatsioonivöödistuse saamiseks kasutatakse kas pidevat või katkendlikku märgistamist. Pideval märgistamisel viiakse BrdU kultuuri keskkonda viimasteks tundideks (et märgist ei pesta maha, on märgistamine “pidev”). Metafaasi kromosoomid vöödistuvad väga sarnaselt R-vöödistusega. R-vöödi alade intensiivne värvumine näitab, et need alad olid lõpetanud DNA replikatsiooni enne, kui kultuuri keskkonda lisati BrdU. Halvasti värvunud G-vöödi alad olid lülitanud palju BrdU-d ja seega replitseerunud S-faasi lõpus. Pideval BrdU-ga märgistamisel saadud kromosoomivöödistust ninetatakse ka hiliseks replikatsioonivöödistuseks (kuna BrdU viidi kultuuri S-faasi lõpus). Termin on aga eksitav, sest hilise replikatsioonivöödistuse tumedad vöödid, mis vastavad R-vöötidele, replitseeruvad tegelikult varases või kesk S-faasis. Pidevat märgistamist kasutatakse R-vöödistuse saamiseks ja kuna kromosoomid jäävad tänu BrdU lülitumisele pikemaks, saadakse isegi parem vöötide lahutus kui tavaliste R-vöötide meetoditega. Samal põhjusel kasutatakse BrdU-d ka näiteks kõrglahutusvöödistuse meetodi puhul MTX-i bloki järgselt.
    Kui kasutatakse katkendlikku e. pulseerivat märgistamist (kultuuri lisatakse BrdU, mis 10-15 tunni pärast eemaldatakse ning rakke inkubeeritakse veel 6-7 tundi), siis saadakse nn. varane replikatsioonimuster, mis üldjoontes vastab G-vöödistusele. Tumedalt värvunud G-vöödi alad on inkorporeerinud vähe BrdU-d, mis näitab, et nad replitseerusid S-faasi lõpus, ajal, mil BrdU oli kultuurist juba eemaldatud. Osa sama preparaadi metafaasidest võib vöödistuda G- ja R-vöötide vahepealselt. Need vöödialad on replitseerunud kesk -S-faasis. Ka terminit "varane replikatsioonivöödistus" pole hea kasutada. Õigem on rääkida hoopis vara ja hilja replitseeruvatest vöötidest.
    Replikatsioonivöödid (replication bands) on heledalt või tumedalt värvunud alad metafaasi kromosoomides. Nende teke sõltub replikatsioonivöödistuse meetodist, täpsemalt sellest, millisel ajamomendil S-faasis ja kui pikaks ajaks viidi kultuuri keskkonda BrdU (jt.). Sellest tulenevalt eristatakse varaseid replikatsioonivööte (early replication bands) ja hiliseid replikatsioonivööte (late replication bands) Varased replikatsioonivöödid alustavad ja lõpetavad replikatsiooni S-faasi alguses ja korreleeruvad üldjoontes R-vöötidega, hilised replikatsioonivöödid alustavad ja lõpetavad replikatsiooni kesk- ja hilises S-faasis ja vastavad G-vöödi aladele. Replikatsioonivööte (replikatsioonidomääne) peetaksegi kromosoomi replikatsiooniüksusteks.

Õdekromatiidide eristamine ja -vahetus

    Õdekromatiidide eristamine. Selleks, et mitootiliste kromosoomide kromatiide eristada, kasutatakse tütarkromatiidide ehk täpses tõlkes (ka sisuliselt täpsemas mõttes) õdekromatiidide eristamise e. SCD-meetodit (sister chromatid differentiation, SCD). Meetod eeldab BrdU viimist replitseeruvasse DNA-sse 2 järjestikuse rakutsükli jooksul ja kromosoomide värvimist kas Giemsa värvi või fluorokroomiga. SCD meetodit kasutatakse rakutsükli uuringutes faaside pikkuse määramiseks, in vitro kultuuris 1., 2. ja 3. mitoosi eristamiseks, kuid ennekõike õdekromatiidivahetuse analüüsimiseks.
    Kui rakke kasvatada vaid ühe rakutsükli jooksul broomdesoksüuridiini juuresolekul, siis värvuvad kromosoomid järgnevas mitoosis normaalselt. Õdekromatiidid ei ole eristatavad, sest BrdU on lülitunud mõlema kromatiidi ühte DNA ahelasse. Kui aga rakke inkubeeruda BrdU-i keskkonnas kahe rakutsükli vältel, saab õdekromatiide eristada (2. mitoosis), sest ühes kromatiidis sisaldavad mõlemad DNA ahelad BrdU-d ja teises vaid üks; seetõttu värvub esimene kromatiid halvasti, teine aga normaalselt. Märksa keerulisem pilt saadakse, kui rakud replitseeruvad kolme rakutsükli vältel BrdU-ga keskkonnas. 3. mitoosis ühes metafaasis koos kromosoomid, mille õdekromatiidid on nõrgalt värvunud (pole eristatavad) ja kromosoomid, mille õdekromatiidid on kas siis täielikult või osaliselt eristunud.
    Õdekromatiidide erinevat värvumist nimetatakse ka kromosoomide lateraalseks vöödistuseks. Mis puutub SCD mehhanismi, siis arvatakse, et BrdU lülitumisega DNA kaksikahelasse kaasneb DNA kadu, mistõttu kromatiidi värvumisomadused nõrgenevad. Võimalik, et BrdU inkorporeerumisega DNA-sse toimub mingi muutus ka kromosoomivalkudes, mis mõjutab Giemsa värvi või fluorokroomi seostumist kromosoomiga.
    Õdekromatiidivahetus. S.A.Latt rakendas SCD meetodit 1973. a. õdekromatiidivahetuse e. SCE (sister chromatid exchange, SCE) uurimiseks. Õdekromatiidivahetus näeb välja kui tumedalt ja heledalt värvunud piirkondade vaheldumine ühes kromatiidis, kusjuures üks kromatiid kujutab teise peegelpilti. Taolist kromatiidide värvumist nimetatakse ka “arlekiini mustriks”. Võib öelda, et SCE on tsütoloogiline ilming DNA murdudest ja taasühinemisest ühe komatiidi piires. SCE avastati tegelikult juba 50-ndatel aastatel, kui autoradiograafia meetodil tõestati kromosoomide replikatsiooni semikonservatiivne olemus.
    Õdekromatiidivahetus esineb enamuses eukarüootsetes rakkudes - imetajatel, sh. inimesel, lindudel, kaladel, putukatel ja taimedel. Spontaanse SCE sagedus 2. mitoosis ühe raku kohta on hiina hamstril keskmiselt 2.2-5 ja inimesel 5-8. Soolist erinevust pole, küll on aga leitud seos vanusega (inimesel on SCE kõige sagedasem 30-40 aasta vahel). Pikemates kromosoomides on rohkem õdekromatiidivahetusi kui lühikestes.
    Õdekromatiidivahetuse analüüsi kasutatake genotoksiliste mõjutuste (keemiliste ainete ja kiirguse mõju DNA-le) testimisel. Suur osa klastogeenidest (agensid, mis indutseerivad kromosoomide struktuuri muutusi) kutsuvad esile SCE sageduse tõusu. Suurenenud SCE sagedus võib tõsta mutatsioonide sagedust. Seega on õdekromatiidivahetus esmane jälgitav sündmus, mis võib peegeldada mutageenide pikaajalist mõju.
    Õdekromatiidivahetuse sagedus on oluliselt tõusnud näiteks Bloomi sündroomi e. BS-i (Bloom syndrome, BS) puhul. Haigetel on SCE sagedus üle 10 korra kõrgem kui normis ja väga palju leitakse murdusid ja gäppe. Seetõttu nimetatakse BS-i kromosoomimurru sündroomiks (chromosome breakage syndrome). Sündroomi iseloomustab väike sünnikaal, lühike kasv ja naha valgustundlikkus. Sagedasti esineb erütreemi (naha punetust) ja hingamisteede haigusi. Suur osa BS-patsientidest haigestub juba noores eas pahaloomulisse kasvajasse. Sündroom on sage juutidel. Teiste kromosoomimurrusündroomide, nagu Fanconi aneemia, ataksia-telangiektaasia (AT) või pigmentkuivnahksuse (Xeroderma pigmentosum) puhul ei ole aga SCE sagedus tõusnud. Viimases patsientide grupis võib SCE sagedus siiski tõusta, kui inimene saab UV-kiirgust või puutub kokku kartsinogeenidega. Kõigi nende haiguste põhjuseks on häired DNA reparatsioonisüsteemis.

Tuuma jagunemine

    Raku tuuma jagunemine e. karüokinees (karyokinesis) kujutab endast korrapäraste sündmuste rida, millega eukarüoodi kromosoomides olev geneetiline info jagatakse tütartuumade vahel. Karüokineesile järgneb normaalselt tsütokinees e. tsütoplasma jagunemine (cytokinesis). Karüokinees on konservatiivne protsess, mille mehhanism on sama enamiku taimede ja loomade rakkudes. Erinevused puudutavad põhiliselt mitoosi käävi moodustumist ja tsütokineesi viisi.
    Eristatakse otsest ja kaudset raku tuuma jagunemist. Otsest tuuma jagunemist (direct nuclear division) nimetatakse amitoosiks e. lihtpooldumiseks. Amitoos (amitosis) on raku tuuma jagunemine läbinöördumisega, ilma, et kromosoomid nähtavaks muutuksid ja mitoosi kääv moodustuks, st. ilma, et tekiks mitoosile iseloomulikke struktuurimuutusi. Amitoos võimaldab tuumamaterjali jaotamise raku aktiivse elutegevuse ajal. Amitoosi esineb ainuraksetel ja alamatel seentel. Nii näiteks on kingloomadel (Paramaceum) kaks erineva funktsiooniga tuuma: metaboolselt inertne mikrotuum, mis jaguneb mitootiliselt ja meiootiliselt ning transkriptsiooniaktiivne makrotuum, mis võib jaguneda amitootiliselt. Loomadel ja taimedel on tuuma amitootilist jagunemist täheldatud polüploidsetes ja diferentseerunud rakkudes, samuti patoloogiliselt muutunud kudedes, sh. kasvajarakkudes. Polüploidse raku tuum võib jaguneda amitootiliselt ja selle tulemusena tekib kaks tütartuuma (järgmisel jagunemisel juba neli). Seeläbi suureneb oluliselt aktiivne pind tuuma ja tsütoplasma vahel, DNA hulk rakus aga ei muutu. 
    Raku tuuma kaudne jagunemine (indirect nuclear division) on märksa keerulisem protsess, mille käigus jagatakse tuuma geneetiline materjal võrdselt ja täpselt kahe tütartuuma vahel. Tuuma kaudse jagunemise peamiseks viisiks on mitoos. Karüokineesi mõistet kasutatakse sageli mitoosi sünonüümina, kuigi päris täpne see pole. Mitoosi erivormiks on meioos (meiosis), kus organismile omane kromosoomiarv väheneb poole võrra ning  geneetiline materjaloos on väga täpne protsess ning juhul, kui selles häireid ei esine, on tütartuumad omavahel ja vanemtuumaga geneetiliselt identsed. Tegelikult on kromosoomide reproduktsioon ja jaotumine tütartuumade vahel mõningatel juhtudel vähem täpne ning sellest tulenevad kõrvalekalded normaalsest kromosoomistikust. 

Kromosoomide dünaamika mitoosis

    Mitoosis jaotatakse replitseerunud kromosoomid (kromatiidid) erakordselt täpselt tütartuumade vahel. Mitoosi mehhanism töötab ühtviisi hästi nii kahe kui ka mitmesaja kromosoomi korral. Enne mitoosi algust peab olema toimunud kaks sündmust: tsentrioolide jagunemine eelmise mitoosi telofaasis (see puudutab loomarakke ja ka paljude alamate organismide rakke) ja kromosoomide reproduktsioon interfaasi sünteesi e. S-faasis. Mitoos on pidev protsess, milles võib eristada 5 faasi: profaas, prometafaas, metafaas, anafaas ja telofaas. Mitoos vältab harilikult 0.5-2 tundi, s.o. ajaliselt vähem kui 10% rakutsüklist. Kõige kauem kestavad pro- ja telofaas.
    Profaas algab mitoosi käävi moodustumisega ja kromosoomide kondenseerumisega. Samaaegselt kromosoomide lühenemisega hakkavad kaduma tuumakesed. Mõlemas tuuma jagunemise protsessis, nii mitoosis kui ka meioosis koosneb kääv mikrotuubulitest, mida nimetatakse kääviniitideks. Kääv moodustub jagunemise alguses, juhib kromosoomide reastumist ja jaotumist poolustele ning läheb laiali (laguneb) tuuma jagunemise järel. Samaaegselt käävi moodustumisega hakkavad kromosoomid kondenseeruma ja muutuvad järjest lühemaks ning kompaktsemaks tänu kromatiinniidi keerdumisele (coiling), mis muudab nad funktsionaalsest interfaasi vormist kondenseerunud "transpordi vormi". Profaasi lõpus hakkab tuumamembraan lagunema ja tuumakesed kaduma. Tuumamembraani lagunemine saab ilmselt alguse lamiinide fosforüleerimisest, mistõttu kaob tuuma laamina terviklikkus. See viib tuumamembraani lagunemisele.
    Prometafaasi alguses jätkub tuumamembraani lagunemine ja organellide eemaldamine käävi piirkonnast. Nii näiteks liiguvad väikesed membraaniga põiekesed aktiivselt mööda kääviniite poolustele. Kui tuumamembraan laguneb, siis liigub kääv tuuma ruumi ja võtab rakus keskse asukoha.Mikrotuubuleid, mis lähtuvad pooluselt teise pooluse suunas, nimetatakse poolustevahelisteks e. intertsonaalseteks mikrotuubuliteks (interzonal microtubules), kromosoome ühendavad aga poolustega kromatiidide kinetohoori piirkonda kinnituvad mikrotuubulid e. kinetohoori mikrotuubulid (kinetochore fiber microtubules). Perifeersesse tsütoplasmasse ulatuvad astraalsed mikrotuubulid (astral microtubules).
    Kõik liikumised mitoosis sõltuvad mikrotuubulitest. Nii on näidatud, et mikrotuubulite inhibiitorite lisamisel keskkonda kromosoomide liikumine peatub. Mikrotuubulid seostuvad "-" otsaga mitoosi poolustele ja kasvavad alaühikute lisandumise läbi "+" otsale, mis on n.ö. kiiresti kasvav ots. Mikrotuubulid on dünaamilised struktuurid, mis assotseeruvad ja dissotseeruvad poolestusajaga vähem kui 30 sekundit. Interakteerudes oma "+" otsaga kas kinetohooriga või vastaspooluselt lähtuvate mikrotuubulitega stabiliseeruvad mikrotuubulid teatud määral. On teada ka rida valke (düneiin, kinesiin), mis seostudes käävi mikrotuubulitele reguleerivad käävi stabiilsust ning genereerivad ja suunavad liikumisi piki mikrotuubuleid.
    Prometafaasis vabanevad kromosoomid tsütoplasmasse ja seni kuni kääviniidid pole veel kinetohooridele kinnitunud, liiguvad kromosoomid kaootiliselt või seisavad paigal. Pärast seda, kui kromosoomid seostuvad kromatiidide vastaskülgedel paiknevate kinetohooride kaudu vastaspoolustega, hakkavad nad liikuma edasi-tagasi. Jõudnud käävi ekvaatorile, jätkavad nad juba väiksema amplituudiga liikumist. Mitoosi kääv on pikk ja õhuke.
    Metafaasis mitoosi poolused liginevad ja kääviniidid painduvad külgedele, mistõttu mitoosi kääv muutub lühemaks ja laiemaks. Metafaas on hetkelise tasakaalu seisund, mil kromsosoomid koonduvad raku ekvatoriaaltasandile ja moodustavad nn. metafaasplaadi. Metafaas lõpeb kromatiidide lahknemisega.
    Anafaasis toimub kromatiidide eraldumine. Kui kromatiidid on juba eraldunud, siis muutuvad nad n.ö. täieõiguslikeks kromosoomideks, mis käituvad teineteisest sõltumatult. Lahknenud kromosoomid hakkavad liikuma mitoosi pooluste suunas. Liikumine on katkendlik ja suhteliselt aeglane (1-2 um/min.), mis on 20-50 korda väiksem kui kromosoomide liikumise kiiruses mikrotuubulitega liitumisel. Anafaasis eristatakse kromosoomide liikumist poolustele (anafaas A) ja pooluste kaugenemist teineteisest (anafaas B). Loomarakus toimub kromosoomide lahknemine mõlema mehhanismi läbi, st. nii kromosoomide liikumise kui ka poolustevahelise kauguse suurenemisega. Enamikus taimerakkudes tagab kromosoomide jaotumise anafaas A, pärmidel ja seentel aga domineerib anafaas B. Kinetohooril on aktiivne osa anafaas A kromosoomide liikumises. On näidatud, et kinetohoori kääviniidid on kui trass, mida mööda kromosoomid liiguvad. Mikrotuubulid lühenevad kinetohooripoolsest "+" otsast, selles piirkonnas paikneb näiteks kinesiin, mis juhib kromosoomide liikumist. Arvatakse, et kinetohoori mikrotuubulite depolümeriseerumine limiteerib kromosoomide liikumise kiiruse ja on oluline ka liikumise suuna määramisel. Samaaegselt kinetohoori mikrotuubulite lühenemisega toimub poolustevaheliste mikrotuubulite pikenemine (anafaas B) tänu tubuliini monomeeride lisandumisele mikrotuubulitele. Düneiinil (või selle taolistel MAP-valkudel) on oluline osa kahe pooluse eemaldumisel.
    Telofaas. Kromatiidide jõuades poolustele hakkab taastuma tuumamembraan. Kõigepealt lamiinid defosforüleeritakse ning tuumamembraani osad agregeeruvad ümber kromosoomide, liituvad seejärel omavahel ja moodustavad tuumamembraani. Seejärel kaotavad kromatiidid oma kompaktse struktuuri ja pikenevad, st. dekondenseeruvad. Tuumadesse ilmuvad jälle tuumakesed. Laguneb mitoosi kääv. Telofaasi lõpus jagunevad tsentrioolid (uus tekib risti vanaga) järgmise mitoosi jaoks.
    Mitoosile järgnev tsütokinees viib reeglina ühetuumsete rakkude moodustumisele. Tsütoplasma jaotumine toimub looma- ja taimerakus erinevalt. Loomarakus nöördub tsütoplasma sisse (furrowing or cleavage) aktiinist ja müosiinist koosneva rõnga abil; taimerakus aga moodustub kahe tütartuuma vahele nn. rakuplaat (cell plate), mis koosneb plasmamembraanist ja uuest primaarsest rakukestast.

Mitoosi modifikatsioonid ja häired

    Mitoositsükkel on evolutsiooniliselt väga konservatiivne protsess. Eelpoolkirjeldatud raku jagunemise viis, mitoos, esineb kõigil fotosünteesivatel taimedel ja ilmselt kõigil hulkraksetel loomadel (kindlasti kõigil neil, keda on uuritud). Seentel, vetikatel ja paljudel ainuraksetel täheldatakse teist tüüpi tuuma mitootilist jagunemist, kusjuures erinevused on põhiliselt seotud mitoosiaparaadi ehituse ja funktsioneerimisega. Väikese ülevaate mitoosi erinevustest indiviidide põhirühmades annab tabel 11.
   Tuumasisesed mitoosid esinevad ainuraksetel ja mõnedel teistel alamatel organismidel. Esineb kahte tüüpi tuumasiseseid mitoose: 1) kääv moodustub väljapoole tuuma ja 2) kääv moodustub tuuma sees. Mõlemal juhul jääb tuumamembraan terveks ega lagune mitoosi käigus. 
    Esimese tüübi näiteks võib tuua lihtsamad eukarüoodid Gyrodinium cohnii ja Barbulanympha. Vaguviburiliste seltsi (Dinoflagellata) kuuluval Gyrodinium cohnii`l kinnituvad kromosoomid tuumamembraanile, mitte käävi mikrotuubulitele, mis paiknevad väljaspool tuuma. Mikrotuubulid veavad tuuma kaheks ning replitseerunud kromatiidid jaotuvad tütartuumadesse. Barbulanympha`l on olemas juba mitoositsentrid, millest lähtuvad poolustevahelised ja kromosomaalsed mikrotuubulid. Poolustevahelised mikrotuubulid läbivad kanali sees tuuma ja eemaldavad pooluseid tänu kääviniitide pikenemisele. Kromosomaalsed mikrotuubulid kinnituvad kromosoomide tsentromeeri piirkonda läbi tuuma poori kompleksi ja aitavad kaasa kromatiidide liikumisele poolustele.
    Teise tuumasisese mitoosi tüübi näiteks on pagaripärm (Saccharomyces cerevisiae). Interfaasi G1-faasis duplitseerub käävi polaarkeha e. SPB (spindle pole body, SPB) ja moodustunud SPB-d liiguvad eri poolustele tuuma sees. Tuumamembraani vastavad piirkonnad diferentseeruvad mikrotuubuleid organiseerivateks keskusteks, milles moodustuvad käävi mikrotuubulid. Mikrotuubulid kinnituvad kromosoomide kinetohoori piirkonda ning kromatiidid lahknevad anafaasis.

Tabel 11 Mitoosi võrdlus erinevates indiviidide rühmades
 

Aspekt	Rühm
Tuumamembraan:
tuumamembraan kaob	enamik taimi ja loomi
tuumamembraan säilib	paljud ainuraksed, pärm
Mitoositsentrid:
astraalne kääv	enamik loomi, paljud alamad taimed
anastraalne kääv	enamik kõrgemaid taimi ja mõned selgrootud
Käävi ehitus:
poolustevahelised, kinetohoori ja astraalsed     mikrotuubulid	loomad, paljud alamad organismid
poolustevahelised ja kinetohoori mikrotuubulid	õistaimed ja kõrgemad paljasseemnetaimed
mikrotuubulid formeeruvad tuumamembraani sees	osa ainurakseid, pärm, mõned taimed ja loomad
Kromosoomide jaotumine:
anafaas A ja B	enamik loomi
anafaas A	enamik taimi ja mõned loomad
anafaas B	seened ja mõned ainuraksed

    Mitoositsükkel võib kõrvale kalduda või seiskuda kõigis tsükli faasides; põhilised kõrvalekalded tulenevad aga häiretest kromosoomide reproduktsiooni ja jaotumise protsessides. Reeglina viivad need siis ka normaalsest kromosoomistikust erineva kromosoomide komplekti tekkele .
    Pärilikkuse kromosoomiteooriast kasvas välja arusaam, et kõikides organismi somaatilistes kudedes on sama kromosomaalne konstitutsioon. Tegelikult võib aga diferentseerumisega kaasneda muutus kromosoomides, mistõttu ühes või teises koes võib kromosoomistik teatud määral erineda. Näitena võib tuua heterokromatiini üle- ja alareplikatsiooni, polüteensete kromosoomide esinemise ovariaalsetes toiterakkudes, nahaepiteelis ja kahetiivaliste vastsete süljenäärmetes või polüploidsete tuumade sageda esinemise maksarakkudes. Mitoosi modifikatsioone võib väga sageli näha neoplastilistes kudedes. Lisaks ontogeneesis täheldatavatele mitoositsükli kõrvalekalletele on mõnedel liikidel modifitseeritud rakutsüklid evolutsiooniliselt kinnistunud e. liigile omaseks muutunud.
    Endoreduplikatsioon (endoreduplication) on kõige tavalisem mitoosi modifikatsioon, mis leiab aset siis, kui kromosoomid replitseeruvad kaks korda kahe mitoosi protsessi vahepeal. Normaalselt replitseerub genoom interfaasi S-faasis ainult üks kord rakutsükli jooksul. Endoreduplikatsiooni puhul on häirunud kontrollsüsteem, mis peaks takistama DNA replikatsiooni kordumist.
   Kaks korda replitseerunud kromosoomid koosnevad neljast kromatiidist ja neid nimetatakse kaksik- e. diplokromosoomideks (diplochromosomes). Kui endoreduplikatsioonile järgnevad normaalne mitoos ja tsütokinees, siis on tulemuseks kaks tetraploidset rakku, kus DNA hulk on tõusnud poole võrra. Nähtus on eukarüootidel laialt levinud ja viib kõige sagedamini somaatilisele polüploidiseerumisele. Juhuslikult esineb endoreduplikatsiooni tõenäoliselt kõigis kudedes, sagedamini aga sekretoorse funktsiooniga rakkudes ja kasvajarakkudes nii taimedel kui ka loomadel. Näiteks inimese fibroblastide kultuuris on 3-5% jagunevatest rakkudest tetraploidid.
    Järjestikuseid replikatsioone võib olla 3, 4 või enamgi ja kromosoomid koosnevad siis vastavalt 8, 16 jne. kromatiidist. Endoreduplikatsiooni modifikatsiooniks on polüteensus e. paljuniidilisus, mille puhul replitseerunud kromatiidid jäävad pärast korduvat DNA sünteesi kokku. Kromosoomid ei kondenseeru ning mitoosi ei toimu.
    Endomitoos (endomitosis) on samuti üks somaatilise polüploidiseerumise vorme, mis on üsna tavaline diferentseerunud või diferentseeruvates kudedes. Endomitoosi käigus replitseeruvad kromosoomid üks kord interfaasi S-faasis (nagu normaalselt), kuid sellele ei järgne tuuma jagunemist. Kuna mitoosi käävi ei teki ja tuumamembraan ei lagune, siis on tulemuseks kahekordistunud kromosoomiarvuga (ja DNA hulgaga) tuuma teke. 
    Endomitoos meenutab tavalist mitoositsüklit selles mõttes, et endoprofaasis kromosoomid kondenseeruvad ja muutuvad valgusmikroskoobis nähtavaks. Kuna käävi ei moodustunud, siis kromosoomid ei reastu metafaasplaadile ning endoanafaatilisele kromatiidide lahknemisele järgneb endotelofaas, mis lõpetab protsessi, ilma, et tuum jaguneks. Rakk läheb interfaasi, omades duplitseerunud kromosoomide arvu. Endomitoosi esineb putukatel, loomadel ja taimedel. Inimese normaalsetest kudedest on endomitoosi leitud näiteks platsentas ja maksakoes. Sage on endomitoos aga kasvajarakkudes.
    C-mitoos e. K-mitoos (colchicine mitosis) on esile kutsutud täieliku või osalise käävi inaktiveerumise poolt, mille tulemusena on häiritud kromosoomide liikumine ja kromatiidide lahknemine anafaasis. Kuni metafaasini käituvad kromosoomid normaalselt, metafaasis aga ei kogune metafaasplaadile, vaid on laiali rakus. Täieliku käävi inaktiveerumisega kaasneb tuuma taastumine. Tekib kahekordistunud kromosoomiarvuga (tetraploidne) tuum. Osaline käävi inhibeerimine häirib kromosoomide normaalset anafaatilist liikumist poolustele, mille tulemusena tekib palju väikesi tuumi (mikrotuumi). C-mitoos on üliharv normaalsetes rakkudes, võib aga esineda kasvajarakkudes. 
    C-mitoosi saab indutseerida kolhitsiini ja teiste käävi inhibiitoritega, mille toime aluseks on võime seostuda tubuliini alfa-beeta-dimeeriga. See hoiab ära mitoosi käävi moodustumise ja kromosoomide normaalse lahknemise poolustele.
    Restitutsiooni (restitutio) e. terviku taastamine osast all mõeldakse mitoosi katkemist ning tuuma enneaegset üleminekut interfaasi. Mitoos võib katkeda näiteks pro- ja metafaasis ning see viib tetraploidse tuuma tekkele. Kui mitoos katkeb anafaasis, siis jääb kromosoomide jaotumine kahet rühma pooleli ning moodustub üks hantlikujuline või sagaraline tuum. Kui rakus on kaks samaaegselt jagunevat tuuma (see võib ette tulla näiteks maksarakkudes), siis võivad restitutsiooni korral metafaasplaadid või ka anafaasi kromosoomid liituda ühte tuuma. Restitutsioon on haruldane nähtus normaalsetes rakkudes, esineb aga näiteks kasvajarakkudes.
    Multipolaarsuse (multipolarity) all mõeldakse enam kui kahe mitoositsentri olemasolu ühes rakus. Nähtus võib tekkida, kui rakus on mitu tuuma ning igal neist on omad mitoositsentrid; munaraku viljastumisel mitme spermiga (polüspermia) või vähemalt kahe tsentrioolide järjestikuse jagunemise tagajärjel. Kui mitoositsentreid on üle kahe, häirub normaalne käävi moodustumine ning tagajärjeks võib olla 3, 4 ja enama poolusega mitoosikääv. Kui multipolaarsele anafaasile ja telofaasile järgneb tsütoplasma jagunemine, tekib kolm või enam tütarrakku, millel on ebanormaalne kromosomaalne konstitutsioon ning mis tavaliselt enam ei jagune. Multipolaarsus võib olla üheks mehhanismiks, mille läbi polüploidsed rakud saavad vähendada oma ploidsuse astet. Nähtus on sage kasvajarakkudes.

Normaalne meioos

    Meioos e. vähenemine (meiosis) on suguliselt sigivate organismide raku tuuma jagunemise viis, mille tulemusena organismile omane kromosoomiarv väheneb poole võrra. Raku tuuma kromosoomide arvu järgi jaguneb enamiku organismide elutsükkel haploidseks (n) ja diploidseks (2n) faasiks, milles genoom esineb vastavalt ühe- või kahekordselt. Mida kõrgemal arenguastmel on organism, seda lühem on haplofaas ning prevaleerib diplofaas. Diploidsetel organismidel on somaatilistes rakkudes iga kromosoom esindatud kahe väga sarnase koopiana e. homoloogina, kus sisalduvad samad geenilookused samas järjestuses.
    Meioos leiab erinevatel organismidel aset erinevas arenguetapis ning vastavalt sellele, kus meioos toimub, eristatakse sügootset meioosi (mõnedel vetikatel, seenetel); eoselist e. spoorset meioosi (sammaltaimedel, sõnajalgtaimedel, ka kõrgematel taimedel) ja gameetset meioosi (kõikidel loomadel, mõnedel alamatel taimedel).
    Rakke, mille tuum jaguneb meiootiliselt, nimetatakse meiotsüütideks. Enamusel loomadel on meiotsüütideks primaarsed ootsüüdid ja spermatotsüüdid, kõrgematel taimedel aga sporotsüüdid.
    Vastupidiselt mitootilistele rakkudele on meiootilised rakud juba diferentseerunud rakud, mis on geneetiliselt programmeeritud andma tütarrakke (gameete või spoore), mis nii geneetiliselt kui ka morfoloogiliselt erinevad mitootilisest emarakust. 
    Meioosi peamised erinevused mitoosist on järgmised:
1) meioosi profaas kestab kaua;
2) tuum jaguneb kaks korda järjest ning kahe jagunemise vahepeal puudub S-faas, st. kromosoomid replitseeruvad vaid üks kord;
3) homoloogsed kromosoomid paarduvad ja orienteeruvad vastaspoolustele;
4) meioosi-spetsiifiline mehhanism tagab ainult ühe funktsionaalse kinetohoori moodustumise duplitseerunud tsentromeeri piirkonda;
5) homoloogide vahel esineb sageli krossingover;
6) homoloogsed kromosoomid segregeeruvad e. eralduvad tütartuumadesse;
7) õdekromatiidid jäävad kokku 2. jagunemise metafaasini;
8) kromosoomiarv redutseerub e. väheneb meioosis poole võrra (kvantitatiivne erinevus mitoosist);
9) geneetiline materjal rekombineerub (kvalitatiivne erinevus mitoosist).

Normaalses meioosi protsessis eristatakse järgmisi staadiume:
    Premeiootiline e. meioosieelne interfaas. Mitoosieelses interfaasis sünteesitakse küll põhiline osa DNA-st, kuid sünteesiprotsessid jätkuvad ka profaasis. Keskmiselt 0.3 - 2.0% DNA-st sünteesitakse veel leptoteenis, sügoteenis ning pahhüteenis ja see omab tähtsust homoloogide paardumisel ja geneetilisel rekombineerumisel. Mõnedel liikidel (taimed, imetajad, sh. inimene) võivad kromosoomid meioosieelses interfaasis kondenseeruda sarnaselt mitoosi profaasi kromosoomidega. Seejärel lähevad kromosoomid tagasi dekondenseerunud olekusse ning alles siis alustavad meiootilist jagunemist.
    I. Reduktsioon- e. taandjagunemine.
    Profaas I on ajaliselt kõige pikem meioosi staadium (90% ja enam), milles eristatakse 5 alastaadiumi.
    1. Leptoteen. Leptoteenis kromosoomid kondenseeruvad ja muutuvad nähtavaks kui peened kromatiinniidid. Arvatakse, et selles staadiumis asetuvad homoloogsed kromosoomid juba lähestikku. Iga kromosoom kinnitub tsentromeersete aladega tuumamembraani külge erilise kinnitusdiski (attachment plaque) abil, moodustades nn. bukette. 
    2. Sügoteen. Sünaptonemaalse kompleksi moodustumine algas leptoteeni lõpus ning jätkub kogu sügoteeni vältel. On näidatud, et homoloogide konjugeerumine algab kromosoomis mitmest kohast korraga. Kõigepealt liituvad mõlema homoloogi külge sünaptonemaalse kompleksi (synaptonemal complex) lateraalsed elemendid, mis koosnevad valgust ja RNA-st. Lateraalsete elementide vahele tekib tsentraalne element. Sünaptonemaalne kompleks esineb kõigil organismidel, kus leiavad aset kromosoomide konjugeerumine ja krossing-over. Need nähtused puuduvad näiteks äädikakärbse spermatogeneesis. Kromosoomide paardumine võib olla häiritud kromosoomiaberratsioonide puhul. Näiteks, kui ühes homoloogis on mingi ala inverteerunud, siis peab paardumisel moodustuma ling; translokatsioonide puhul aga moodustuvad vastavad translokatsioonifiguurid. Konjugeerunud homoloogseid paare nimetatakse bivalentideks ja kuna kumbki homoloog koosneb kahest õdekromatiidist, siis nimetatakse taolist struktuuri ka tetraadiks. Bivalendi pikkus on umbes 1/5 sama kromosoomi pikkusest leptoteenis.
    3. Pahhüteen. Pahhüteenis on sünaps täielik, paardunud kromosoomid on paksemad, selgelt nähtavate kromomeeridega. Kromomeeride muster vastab mitoosi kromosoomide G-vöödistuse mustrile. Kui homoloogsed kromosoomid on kogu pikkuses konjugeerunud, moodustuvad sünaptonemaalse kompleksi rekombinatiivsed sõlmed, mis kujutavad endast multiensüümkomplekse. Neis piirkondades toimub pahhüteenis krossingover (crossing over), st. homoloogsete segmentide vahetus kahe mitte õdekromatiidi vahel. Näha saab seda kohta tsütogeneetiliselt alles diploteenis. 
    Inimese ootsüütide XX-bivalent ei kondenseeru analoogselt autosomaalsetele bivalentidele heteropüknootiliselt, st. mõlemad X-kromosoomid on aktiivsed. Spermatotsüütides konjugeeruvad X- ja Y-kromosoom lühikesi õlgasid pidi (ots-otsaga), moodustunud XY-bivalent kondenseerub ja inaktiveerub.
    Juhul, kui homolooge on enam kui kaks, siis moodustuvad meioosi profaas I-s trivalendid, kvadrivalendid jne. Näitena võib tuua 21. kromosoomi trisoomia e. Downi sündroomiga naised, kes autosomaalse trisoomiaga inimestest on teadaolevalt ainsatena järglasi saanud. Kui kolm homoloogset kromosoomi konjugeeruvad, siis moodustub trivalent. Anafaas I-s läheb kolmest homoloogist 2 ühele ja üks teisele poolusele (sekundaarne mittelahknemine). Vahemärkusena olgu öeldud, et primaarse mittelahknemise korral läheb bivalent tervikuna ühele poolusele ja teisele ei lähe mitte midagi. Downi sündroomiga naiste järglaskonnas ongi lahknemine ootuspäraselt 1:1 (Downi sündroomiga laps : normaalne laps).
    4. Diploteen. Diploteenis jätkub kromosoomide kondenseerumine. Homoloogid hakkavad eemalduma, jäädes kokku kohtades, kus toimus krossing-over. Neid kohti võib näha nüüd kiasmidena. Diploteenis võib meioos peatuda. Inimese oogeneesis on loote arengu 9-ks kuuks kõik ootsüüdid jõudnud diploteeni staadiumi ja siin meioos peatub (staadiumi nimetatakse nüüd ka diktioteeniks). Edasine meiootiline jagunemine toimub ootsüüdi küpsemise käigus tsükliliselt suguhormoonide toimel. Nii kestab naise ootsüütides ditktioteen keskmiselt 12-50 aastat. Diktioteeni kromosoomid on lambiharikromosoomid, kus toimub aktiivne RNA ja valkude süntees.
    5. Diakinees. Diakineesis lakkab RNA süntees, kaob ära kromosoomide lambihari-välimus ja jätkub nende kondenseerumine. Kromosoomid eralduvad tuumamembraani küljest ning valgusmikroskoobis saab bivalendis eristada 4 kromatiidi.
    Metafaas I. Lühikesele prometafaasile, mil kaob tuumamembraan, järgneb bivalentide kogunemine metafaasplaadile. Kahe mitoositsentri vahele moodustub mitoosikääv. Homoloogsed kromosoomid, mida hoiavad kuni anafaasini koos kiasmid, orienteeruvad juhuslikult pooluste suunas.
    Anafaas I. Reduktsioonjagunemise anafaasis segregeeruvad homoloogsed kromosoomid. Segregatsiooni all mõeldakse isa- ja emapoolsete kromosoomide eraldumist sugurakkude valmimisel meioosi käigus. Geneetiline segregatsioon võib aset leida ka mitootilise krossing-overi tagajärjel. Tänu ema - ja isapoolsete kromosoomide sõltumatule lahknemisele kombineeruvad mittealleelsed geenid. Võimalike kombinatsioonide arv sõltumatu lahknemise korral on 2ⁿ; inimesel seega 2²³. Homoloogid püsivad koos veel telomeersetes piirkondades paiknevate kiasmide kaudu. 
    Telofaas I. Eristub kaks võrdset gruppi kahekromatiidilisi kromosoome, kus igat homoloogi on üks, st. kromosoomiarv on haploidne. Kui kahe homoloogse kromosoomi vahel on toimunud krossingover, siis ühe kromosoomi kromatiidid pole enam identsed.
    Interkinees. Kahe jagunemise vahel toimub kinetohooride ümberorientatsioon vastavalt teise jagunemise tasapinnale. Kromosoomid ei reprodutseeru, st. DNA sünteesi ei toimu.
    II. Ekvatsioon- e. võrdjagunemine. Ekvatsioonjagunemine on võrreldes reduktsioonjagunemisega kiirem. Protsess on põhimõtteliselt samalaadne kui mitoos, v.a. see, et kromosoomiarv on haploidne. Ka on kromosoomid lühemad kui mitoosis. 

Meioosi modifikatsioonid ja häired

    Normaalse meioosi modifikatsioonid e. variandid võivad esineda adaptatiivsete muutustena, mis on iseloomulikud liigile, soole või puudutavad teatud tüüpi kromosoome.
    Üheastmeline meioos (one step meiosis). Normaalse meioosi variandiks on nn. üheastmeline meioos, mis esineb mõnedel ainuraksetel. Sellisel juhul jaguneb tuum ühe korra. Arvatakse, et ühekromatiidilised (replitseerumata) kromosoomid paarduvad kergelt või ei paardu üldse. Homoloogid orienteeruvad paralleelselt jaotumise teljega käävi ekvaatorile ja segregeeruvad reeglipäraselt poolustele. Üheastmelises meioosis puuduvad krossing-over ja ei moodustu kiasme ning tuum jaguneb vaid ühe korra.
    Akiasmiline meioos. Akiasmilise meioosi (aciasmic meiosis) puhul ei toimu krossing-overit ja seega ei moodustu ka kiasme. Ülejäänud osas toimub meioos normaalselt. Selline meioositüüp on tavaliselt piiratud sooga ja esineb näiteks isastel äädikakärbestel ja emastel siidiliblikatel. Akiasmilise meioosi puhul on rekombinatsiooniühikuks kogu kromosoom. Taoline meioos vähendab geneetilise rekombineerumise ulatust, seega ka varieeruvust.
    Postreduktsiooniline meioos (postreductional meiosis). Nendel organismidel, kellel on kromosoomis lokaliseerunud tsentromeer, on normaalne kiasmiline meioos reeglina reduktsiooniline ja vähendab esimeses jagunemises kromosoomiarvu poole võrra. Vähestel liikidel on aga kromosoomid holotsentrilised ja seostuvad kääviga kogu ulatuses. Seetõttu käituvad kromatiidid meioosis teineteisest sõltumatute struktuuridena. Meioosi I anafaasis liiguvad eraldunud kromatiidid üks ühele, teine teisele poolusele ja 1. jagunemise telofaasis on poolustele jõudnud vähenemata e. redutseerumata arv kromosoome (kromatiide). Interkineesis reassotseeruvad homoloogsed kromatiidid ja on II metafaasis paardunud seisundis. Kromosoomiarvu vähenemine leiab aset II anafaasis ja telofaasis. Taoline "postreduktsiooniline" meioos esineb mõnedel putukatel (liblikalised) ja taimedel (loalised). 
    Apomeioos. Apomeioosi (apomeiosis) all mõeldakse meioosi ilma kromosoomiarvu vähenemiseta. Apomeioos võib viia apomiksisele, mis mõnedel taimedel asendab sugulist paljunemist, loomadel aga on aluseks partenogeneesile, kus järglane areneb viljastamata munarakust. Esineb näiteks alamatel vähkidel ja paljudel putukatel (lehetäi, mesilased jt.).
    Enamik meioosi häireid viib kromosoomide mittelahknemisele või kromosoomide kaoni, mis omakorda viib aneuploidsete gameetide moodustumisele. Meioosi anomaaliad võivad tekkida erinevates meioosi staadiumites, kuid on kõige sage-damini seotud häiretega homoloogsete kromosoomide paardumisel e. konjugeerumisel. Häired võivad aset leida leptoteenis (kromosoomid ei paardu), pahhüteenis (ei moodustu kiasme) või näiteks diploteenis (homoloogid ei lahkne) ja selle tulemuseks on kromosoomide (kromatiidide) tütartuumadesse jaotumise anomaaliad. 

Meioosi kromosoomide uurimine ja kirjeldamine

    Olemasolevad metoodikad võimaldavad analüüsida peaaegu kõiki meioosi staadiume, eriti aga pahhüteeni, diakineesi ja metafaas I ja II. Meioosiuuringuid on ootsüütides raskem läbi viia kui spermatotsüütides, kuna ovaariumid paiknevad kõhuõõnes ning oogenees ei ole pidev protsess. Enamik I meiootilise jagunemise profaasist toimub juba looteeas. Mõni nädal enne sündi on kõik ootsüüdid jõudnud diploteeni staadiumisse ning lähevad pikka puhkefaasi, mis kestab minimaalselt 10-12 aastat ja maksimaalselt 50-55 aastat. Esimene meiootiline jagunemine lõpeb ovulatsiooni ajal, kui folliikul ovaariumis küpseb. Teine meiootiline jagunemine lõpeb alles pärast viljastumist. Oogeneesi ja spermatogeneesi erinevustest tulenevad ka erinevused meioosi kromosoomide uurimisel meiotsüütides naisel ja mehel. Meioosi kromosoomide uuringuid viiakse enamasti läbi loomadel ja taimedel. 
    Testikulaarne materjal. Mehe meioosi uuritakse testise biopsia rakkudest kas otseselt või pärast kultiveerimist 48 tundi in vitro. 1956. aastal määrasid C.E.Ford ja J.L.Hamerton esmakordselt õigesti testise biopsiast saadud surupreparaadis spermatotsüütide I jagunemise bivalentide arvuks inimesel 23. Tänapäeval eelistatakse uurimismaterjalina biopsia rakususpensioonist saadud kromosoomipreparaate. Selleks viiakse testise biopsia teel saadud materjal hüpotoonilisse lahusesse ja inkubeeritakse 0.5-4 tundi. Pahhüteeni bivalentide analüüsil nn. kromomeeri meetodil (chromomere technique) annab häid tulemusi veel palju pikemaajalisem hüpotoonilise lahusega mõjutamine (8-10 tundi). Materjal fikseeritakse metanool:jää-äädikhappega (2:1) ja valmistatakse kromosoomipreparaat, mis värvitakse Giemsa värvi või fluorokroomiga. Kasutada saab ka diferentsiaalvärvimise meetodeid.
    Ovariaalne materjal. I ja II meiootilise jagunemise metafaasi uurimine naisel sai võimalikuks pärast preovulatsioonifaasis olevate ootsüütide "in vitro küpsemise" meetodi väljatöötamist. Folliiklite küpsemise ja superovulatsiooni esilekutsumiseks kasutatakse gonadotropiine. Ovaariumi biopsia teel saadud materjal pannakse hepariniseeritud soolalahusesse. Folliikul tükeldatakse mikroskoobi all, viiakse söötmesse ja vabastatakse ootsüütidest. Ootsüüte kultiveeritakse 28-35 tundi (et saada metafaas I) või 36-43 tundi (metafaas II). Inkubeerimisaja lõpus viiakse ootsüüdid hüpotoonilisse lahusesse, fikseeritakse, tehakse kromosoomipreparaat ja värvitakse. Ootsüütides saab meioosi varaste staadiumite (leptoteen, sügoteen, pahhüteen ja diploteen) kromosoome uurida loote ovaariumites. Kohe pärast eemaldamist viiakse ovaarium fiksaatorisse ja hoitakse 24-48 tundi. Fikseeritud ovaariumi kude purustatakse, saadud rakususpensioonist valmistatakse kromosoomipreparaat ning värvitakse Giemsa värviga.
    Kromosoomiuuringuid saab läbi viia peaaegu kõigis meioosi staadiumites ja nii on välja töötatud ka meioosi kromosoomide nomenklatuuri süsteem. Lühendeid PI, MI, AI, MII jne. kasutatakse tähistamaks vastavalt meioosi 1. jagunemise profaasi, esimest metafaasi, esimest anafaasi, 2. jagunemise metafaasi jne. Selle järele märgitakse eraldiolevate kromosomaalsete elementide arv. Sugukromosoomid esitatakse XY või XX kujul, kui nad moodustavad bivalendi või X,Y kujul, kui nad asuvad eraldi. Näiteks tähistab MI,23,XY 1. jagunemise metafaasis olevat primaarset spermatotsüüti, milles on 23 bivalenti, sealhulgas XY. ISCN-is on ära toodud meioosi pahhüteeni kromosoomide vöödistuse muster 850-vöödi staadiumis. Meiootilistele kromosoomidele iseloomulikud struktuurid, kromomeerid, vastavad G- vöötidele, kromomeeridevahelised alad aga R-vöötidele. Inimese pahhüteeni kromosoomide unikaalseks jooneks võib pidada 9. kromosoomi heterokromatiinses vöödis 9q12 paiknevat puffilaadset struktuuri. Üheks meioosi diploteeni kromosoome iseloomustavaks näitajaks on kiasmide hulk bivalendi kohta. Meioosi I profaasi ja I metafaasi kromosoomide analüüsil kasutatakse ka Q-, G- ja C-vöödistuse meetodeid.

Meiootiline ja mitootiline krossingover

    Krossingoveri (crossing over) all mõeldakse sündmusi, mis viivad geneetilisele rekombineerumisele aheldunud markerite vahel nii pro- kui ka eukarüoodi rakus. Formaalselt võttes on see homoloogsete kromosoomide vastavate alade (segmentide) retsiprookne vahetus sümmeetrilise murru ja ristipidise taasühinemise tagajärjel. Eukarüoodis võib krossingover olla meiootiline ja mitootiline.
    Meiootiline krossingover. Krossingover on tsütogeneetiliselt määratletav kui kiasm homoloogsete kromosoomide vahel meiotsüüdis e. meiootilises rakus. Vahetuse toimumise tõenäosus sõltub kahe kromosoomipiirkonna vahelisest kaugusest ning seda hinnatakse geneetiliselt rekombinantsete indiviidide sageduse järgi heterosügootide järglaskonnas. Krossingover on alati retsiprookne ning selles osalevad vaid kaks kromatiidi bivalendi neljast kromatiidist (tavaliselt mitte-õdekromatiidid). Seetõttu puudutab krossingover vaid kahte neljast meioosis tekkinud rakust. 
    Krossingover tekib komplementaarsete DNA ahelate murru ja taasühinemise läbi sünaptonemaalse kompleksi moodustumise käigus. Pahhüteenis toimunud krossingoveri kohad on diploteenis nähtavad kui kiasmid. Heteromorfsete bivalentide analüüsil näidati, et ema- ja isapoolsed kromatiidid jäävad alati kiasmist ühele poole, mis tõestab tsütogeneetiliselt, et kiasmid tekivad krossingoveri tagajärjel (mitte vastupidi).
    Tüüpilises bivalendis on vähemalt üks kiasm. Kui karüotüübis on erineva suurusega kromosoomid, siis on suuremates kromosoomides tavaliselt rohkem kiasme (mõnikord 6-8). Näiteks inimese spermatotsüütides on keskmiselt 50 kiasmi: suurtes kromosoomides 4, keskmistes 2-3 ja väikestes 1. Arvatakse, et esimene kiasm tekib juhuslikus kohas; järgmine ei saa aga tekkida väga lähedal, kahe kiasmi vahel peab olema teatud vahemaa; seda nimetatakse kiasmi interferentsiks.   
   Mitootiline krossingover. Ka somaatilistes ning goniaalsetes rakkudes võib homoloogsete kromosoomide vahel toimuda krossingover, mis viib täiendavale geneetilisele rekombineerumisele. Nii saavad heterosügootidel tekkida rakud, mis on homosügootsed retsessiivse alleeli osas ja mis avaldub mosaiiksusena. Mitootilise krossingoveriga seletatakse näiteks üksikute retsessiivse fenotüübiga täppide ilmumist äädikakärbse kehal.
    Mitootiline krossingover esineb ka imetajatel, sh. inimesel ning mehhanism on siin sama, mis meiootilise krossingoveri puhul - ühinevad kaks homoloogi ja toimub ema- ja isapoolsete genoomi osade vahetus. Krossingoveri toimumise kohti näeme mitoosi metafaasis kiasmidena (nagu meioosi diploteenis). Pärast homoloogide lahkuminekut anafaasis eralduvad kohe ka kromatiidid. Nende jaotumisel tütarrakkude vahel on neli kombinatiivset võimalust. Kombineerumise tulemusena on tütarrakus 50%-lise tõenäosusega vastava kromosoomipiirkonna osas uniparentaalne disoomia (uniparental disomy) st. mõlemates homoloogides paiknevad antud piirkonnas ühelt vanemalt saadud alleelid.
    Mitootilisi kiasme kirjeldatakse kõigis kromosoomipiirkondades, kuid kõige sagedamini terminaalsetes alades. Inimesel on nende sageduseks antud 1/1000 raku kohta. Viimasel ajal oletatakse aga, et mitootiline krossingover võib somaatilistes rakkudes tegelikult märksa sagedamini toimuda. Arvatakse, et mitootiline krossingover võib aset leida ka embrüonaalse arengu kõige varasemates järkudes. Kui see toimub aga hilisemates postsügootsetes jagunemistes, siis tekib vaid osades rakkudes mingi ebatavaline imprintingu (vanemspetsiifilise geeniekspressiooni) muster.