Struktura hromozoma metafaze. Centromera: lokacija i uloga u segregaciji hromozoma tokom mitoze i mejoze Funkcije centromere

br. 9, 2007

Centromeri i telomeri hromozoma

A.V. Vershinin

Aleksandar Vasiljevič Veršinjin, doktor bioloških nauka, glavni naučni saradnik. Institut za citologiju i genetiku SB RAS.

Danas skoro svi znaju šta su hromozomi. Ove nuklearne organele, u kojima su svi geni lokalizirani, čine kariotip date vrste. Pod mikroskopom, hromozomi izgledaju kao ujednačene, izdužene tamne štapićaste strukture, a slika koju vidite vjerojatno neće izgledati intrigantan prizor. Štaviše, preparati hromozoma velikog broja živih bića koja žive na Zemlji razlikuju se samo po broju ovih štapića i modifikacijama njihovog oblika. Međutim, postoje dva svojstva koja su zajednička hromozomima svih vrsta. Prvi je prisustvo obavezne kompresije (ili suženja), koja se nalazi ili u sredini ili je pomaknuta na jedan od krajeva hromozoma, nazvana "centromera". Drugi je prisustvo na svakom kraju hromozoma specijalizovane strukture - telomera (slika 1). Različiti geni koji se nalaze duž krakova (dijelova hromozoma od centromere do fizičkog kraja) hromozoma, zajedno sa regulatornim sekvencama DNK, odgovorni su za obavljanje različitih funkcija. Ovo osigurava jedinstvenost genetskih informacija kodiranih u svakom kraku svakog pojedinačnog hromozoma.

Centromerne i telomerne regije zauzimaju poseban položaj jer obavljaju izuzetno važne, ali iste funkcije u hromozomima svih vrsta eukariota. Brojne studije još nisu dale jasan odgovor na pitanje koje su molekularne strukture odgovorne za obavljanje ovih funkcija i kako ih provode, ali je očigledan napredak u tom pravcu u poslednjih godina postignuto.

Prije nego što je razjašnjena molekularna struktura centromera i telomera, vjerovalo se da njihove funkcije trebaju biti određene (kodirane) univerzalnim i istovremeno specifičnim za regiju sekvencama DNK. Ali direktno određivanje primarne nukleotidne sekvence (sekvenciranje DNK) bilo je komplikovano činjenicom da su ove regije, u pravilu, susjedne područjima visoke koncentracije ponavljajućih sekvenci DNK u hromozomima. Šta se danas zna o ovim funkcionalno važnim regijama hromozoma?

Centromere

Sredinom prošlog stoljeća, brojni citološke studije pokazala je odlučujuću ulogu centromere u morfologiji hromozoma. Kasnije je ustanovljeno da je centromera, zajedno sa kinetohorom (struktura koja se sastoji uglavnom od proteina), odgovorna za ispravnu segregaciju hromozoma u ćelije kćeri tokom ćelijska dioba. Vodeća uloga centromere u ovom procesu je očigledna: na kraju krajeva, za nju je vezano vreteno diobe, koje zajedno sa ćelijskim centrima (polovima) čini aparat za diobu stanica. Zbog kontrakcije niti vretena, hromozomi se tokom diobe kreću prema polovima ćelije.

Obično se opisuje pet faza diobe ćelije (mitoza). Radi jednostavnosti, fokusiraćemo se na tri glavne faze u ponašanju hromozoma ćelije koja se deli (slika 2). U prvoj fazi dolazi do postupne linearne kompresije i zadebljanja kromosoma, zatim se formira vreteno stanične diobe koje se sastoji od mikrotubula. U drugom, hromozomi se postepeno pomeraju prema centru jezgra i nižu se duž ekvatora, verovatno da bi se olakšalo vezivanje mikrotubula za centromere. U tom slučaju nuklearna membrana nestaje. On posljednja faza Polovine hromozoma - hromatide - odvojene. Čini se da mikrotubule vezane za centromere, poput tegljača, vuku hromatide prema polovima ćelije. Od trenutka divergencije, bivše sestrinske hromatide nazivaju se kćerki hromozomi. Dolaze do polova vretena i spajaju se u paralelnom uzorku. Formira se nuklearni omotač.

Rice. 2. Glavne faze mitoze.
S lijeva na desno: zbijanje hromozoma, formiranje vretena; poravnanje hromozoma duž ekvatora ćelije,
pričvršćivanje vretena na centromere; kretanje hromatida do polova ćelije.

Pažljivim posmatranjem može se uočiti da je tokom procesa diobe ćelije u svakom hromozomu centromera u stalnom položaju. Održava blisku dinamičku vezu sa ćelijskim centrom (polom). Podjela centromera se događa istovremeno u svim hromozomima.

Metode sekvenciranja razvijene posljednjih godina omogućile su određivanje primarne strukture DNK proširenih dijelova centromera ljudske i voćne mušice. Drosophila i biljke Arabidopsis. Pokazalo se da je u kromosomima ljudi i biljaka centromerna aktivnost povezana s blokom tandemski organiziranih DNK ponavljanja (monomera) slične veličine (170-180 parova nukleotida, bp). Takvi dijelovi se nazivaju satelitskom DNK. Kod mnogih vrsta, uključujući one koje su evolucijski udaljene jedna od druge, veličina monomera je gotovo ista: razne vrste majmuna - 171 np, kukuruz - 180 np, riža - 168 np, kukac chironomus - 155 np. Ovo može odražavati opšte zahtjeve za centromernu funkciju.

Unatoč činjenici da je tercijarna struktura centromera čovjeka i Arabidopsis organizirana slično, pokazalo se da su primarni nukleotidni nizovi (ili nukleotidni red) u njihovim monomerima potpuno drugačiji (slika 3). Ovo je iznenađujuće za regiju hromozoma koja obavlja tako važnu i univerzalnu funkciju. Međutim, prilikom analize molekularna organizacija Centromere Drosophila otkrile su određeni strukturni obrazac, odnosno prisustvo dijelova monomera približno iste veličine. Tako se kod Drosophile centromera X hromozoma sastoji uglavnom od dva tipa vrlo kratkih jednostavnih ponavljanja (AATAT i AAGAG), prekinutih retrotranspozonima (pokretni DNK elementi) i „ostrvima“ složenije DNK. Svi ovi elementi pronađeni su u genomu Drosophila i izvan centromera, ali u njima nisu pronađene DNK sekvence karakteristične za svaku centromeru. To znači da su centromerne DNK sekvence same po sebi nedovoljne i nepotrebne za formiranje centromera.

Rice. 3. Struktura DNK u ljudskim i biljnim centromerama.

Pravokutnici odgovaraju tandemski organiziranim monomerima sa identičnim nukleotidnim sekvencama unutar (primarna struktura DNK). U različite vrste Primarna struktura DNK monomera varira, a sekundarna struktura je spirala. Niz monomera odražava strukturnu organizaciju višeg nivoa DNK.

Ovu pretpostavku potvrđuje i manifestacija centromerne aktivnosti izvan normalnih centromera. Takve necentromere se ponašaju kao normalne centromere: formiraju citološki prepoznatljivu konstrikciju i formiraju kinetohore koji vežu proteine. Međutim, DNK analiza dvije ljudske necentromere i konvencionalne centromere nije otkrila zajedničke sekvence, što sugerira moguću ulogu drugih strukturne komponente hromozoma. Oni mogu biti histonski i nehistonski proteini koji se vezuju za DNK, formirajući nukleosomsku strukturu kromatina.

Funkcionalna uloga strukture centromernog hromatina potvrđuje prisustvo histonskih H3 varijanti specifičnih za svaku biološku vrstu u centromernom hromatinu: kod ljudi se zovu CENP-A, u biljkama - CENH3. Među mnogim proteinima prisutnim u kinetohoru, samo dva, CENH3 i centromerni protein C (CENP-C), direktno se vezuju za DNK. Možda je CENH3, u interakciji s drugim histonima (H2A, H2B i H4), taj koji formira i određuje tip nukleozoma specifičnih za centromere. Takvi nukleosomi mogu poslužiti kao svojevrsna sidra za formiranje kinetohora. Varijante histona H3 u centromerama različitih vrsta slične su kanonskom molekulu histona H3 u područjima interakcije sa drugim histonskim proteinima (H2A, H2B, H4). Međutim, čini se da je područje centromernog histona H3 koje je u interakciji s molekulom DNK pod utjecajem izbor vožnje. Kao što je diskutovano, primarna struktura centromerne DNK razlikuje se između vrsta, a predloženo je da centromerni histon H3 koevoluira sa centromernom DNK, posebno kod Drosophile i Arabidopsis.

Otkriće centromernog histona H3 dovelo je do ekstremnog stava da je centromerna funkcija i njena potpuna nezavisnost od primarne strukture DNK određena nukleosomskom organizacijom i ovim histonom. Ali da li su ovi faktori dovoljni za punu aktivnost centromera? Modeli koji zanemaruju ulogu primarne strukture DNK moraju pretpostaviti slučajnu raspodjelu promjena u centromernoj strukturi DNK među populacijama u odsustvu selekcije. Međutim, analiza satelitske DNK u ljudskim centromerama i Arabidopsis identifikovane konzervirane regije kao i regije sa varijabilnošću većom od prosječne, što ukazuje na pritisak selekcije na centromernu DNK. Osim toga, umjetne centromere su dobivene samo s ponavljanjima humanih a-satelita amplificiranih iz prirodnih centromera, ali ne i iz a-satelita pericentromernih hromozomskih regija.

Modeli u kojima je odlučujući faktor u određivanju položaja centromera (sačuvanog iz generacije u generaciju) i njegovih funkcija tercijarna (ili čak višeg reda) struktura DNK susreću se sa manje fundamentalnih poteškoća za objašnjenje. Njegov konzervativizam dozvoljava velike varijacije u sekvenci nukleotida i ne isključuje fino podešavanje primarne strukture.

Poslednjih godina postalo je očigledno da ne postoje univerzalne sekvence DNK koje direktno određuju funkcije centromera i telomera. U ovim regionima hromozoma DNK služi kao platforma za sklapanje složenih, višekomponentnih DNK-protein kompleksa, koji obezbeđuju obavljanje ovih funkcija. Više detalja o komplementarnoj organizaciji ovih kompleksa i njihovom koordinisanom funkcioniranju možete pronaći u našem pregledu. Uz komponente ovih kompleksa specifične za centromere i telomere, oni uključuju i one koje su uključene u obavljanje nekoliko funkcija, ponekad čak i suprotnih. Na primjer, heterodimer Ku70/80 je dio telomera i radi kao pozitivan regulator dužine telomera u kvascu i negativan regulator u Arabidopsisu. Istovremeno, ovaj protein je uključen u prepoznavanje lomova hromozoma i njihovu popravku. Bez sumnje, jedno od najrelevantnijih područja istraživanja je identifikacija molekularne prirode regulatornih mehanizama različitih molekularnih kompleksa koji osiguravaju aktivnost centromera i telomera.

Radovi su izvedeni uz podršku Ruske fondacije osnovna istraživanja(projekat 04-04-48813), INTAS (03-51-5908)
i Program integracionih projekata SB RAN (projekat 45/2).

Književnost

1. Talbert P.B., Bryson T.D., Henikoff S.// J. Biol. 2004. V.3. Član 18.

2. Vershinin A.V.// Genetika. 2006. V.42. P.1200-1214.

3. Wu J., Yamagata H., Hayashi-Tsugane M. et al.// Plant Cell. 2004. V.16. P.967-976.

4. Scott K.C., Merrett S.L., Willard H.F.//Curr. Biol. 2006. V.16. P.119-129.

5. Muller H.J. Daljnje studije o prirodi i uzrocima genskih mutacija // Proc. Sixth Int. Kongr. Genet. 1932. V.1. P.213-255.

6. Louis E.J., Vershinin A.V.. // BioEssays. 2005. V.27. P.685-697.

7.Lange T.de// Genes Dev. 2005. V.19. P.2100-2110.

Centromera je regija hromozoma koju karakteriše specifična sekvenca i struktura nukleotida. Centromere igra važnu ulogu u procesu stanične nuklearne diobe i u kontroli ekspresije gena (proces tokom kojeg se nasljedna informacija iz gena pretvara u funkcionalan proizvod- RNK ili protein).

Centromera je uključena u povezivanje sestrinskih hromatida, formiranje kinetohora (struktura proteina na hromozomu za koju su vezana vlakna vretena tokom deobe ćelije), konjugaciju homolognih hromozoma i uključena je u kontrolu ekspresije gena.

U području centromera sestrinske hromatide su povezane u profazi i metafazi mitoze, a homologni hromozomi u profazi i metafazi prve podjele mejoze. Na centromerama se formiraju kinetohori: proteini koji se vezuju za centromere formiraju tačku vezivanja za mikrotubule vretena u anafazi i telofazi mitoze i mejoze.

Odstupanja od normalnog funkcionisanja centromera dovode do problema u relativnom položaju hromozoma u jezgri koja se dijeli, a kao rezultat toga, do poremećaja u procesu segregacije hromozoma (njihova distribucija između ćelija kćeri). Ovi poremećaji dovode do aneuploidije, koju može imati teške posledice(na primjer, Downov sindrom kod ljudi povezan s aneuploidijom (trizomijom) na kromosomu 21). Kod većine eukariota, centromera nema specifičnu sekvencu nukleotida koja joj odgovara. Obično se sastoji od velikog broja ponavljanja DNK (npr. satelitske DNK) u kojima je sekvenca unutar pojedinačnih ponovljenih elemenata slična, ali nije identična.

Kćerki hromozomi formiraju centromere na istim mestima kao i majčinski hromozom, bez obzira na prirodu sekvence koja se nalazi u centromernom regionu.

38. B– hromozomi

Kromosom prisutan u hromozomskom skupu iznad normalnog diploidnog broja hromozoma prisutan je u kariotipu samo kod pojedinačnih pojedinaca u populaciji.; B hromozomi su poznati u mnogim biljkama i (nešto rjeđe) kod životinja njihov broj može značajno varirati (od 1 do nekoliko desetina); B-hromozomi se često sastoje od heterohromatina (ali mogu sadržavati, naizgled sekundarno, euhromatin) i genetski su pasivni, iako mogu imati nuspojave – na primjer, kod insekata, prisustvo B-hromozoma često uzrokuje povećanu aberanciju sperme; u diobama stanica mogu biti stabilne, ali češće su nestabilne (ponekad su mitotički stabilne, ali su nestabilne u mejozi, gdje često formiraju univalentne); povremeno su B hromozomi izohromozomi; mehanizmi pojave B hromozoma su različiti - fragmentacija, heterohromatinizacija dodatnih hromozoma nakon pogrešne anafazne segregacije itd. Pretpostavlja se da se B hromozomi postepeno gube u somatskim stanicama kao rezultat nepravilnosti njihovog nasljeđivanja.

39 – Politenski hromozomi

Ogromni interfazni hromozomi koji nastaju u nekim tipovima specijalizovanih ćelija kao rezultat dva procesa: prvo, višestruka replikacija DNK koja nije praćena deobom ćelije, i drugo, lateralna konjugacija hromatida. Stanice koje imaju politenske hromozome gube sposobnost dijeljenja, diferenciraju se i aktivno luče, odnosno politenizacija kromosoma je način da se poveća broj kopija gena za sintezu bilo kojeg proizvoda. Politenski hromozomi se mogu uočiti kod dvokrilaca, u biljkama u ćelijama koje su povezane sa razvojem embrija i kod trepetljika tokom formiranja makronukleusa. Politenski hromozomi značajno se povećavaju u veličini, što ih čini lakšim za uočavanje i što je omogućilo proučavanje aktivnosti gena još 1930-ih. Osnovna razlika u odnosu na druge tipove hromozoma je u tome što su politenski hromozomi interfazni, dok se svi ostali mogu posmatrati samo tokom mitotičke ili mejotičke deobe ćelije.

Klasičan primjer su džinovski hromozomi u stanicama pljuvačnih žlijezda larvi Drosophila melanogaster Replikacija DNK u tim stanicama nije praćena diobom stanica, što dovodi do akumulacije novoizgrađenih DNK lanaca. Ove niti su čvrsto povezane duž svoje dužine. Osim toga, u pljuvačnim žlijezdama dolazi do somatske sinapse homolognih hromozoma, odnosno ne samo da se sestrinske hromatide konjugiraju jedna s drugom, već i homologni hromozomi svakog para konjugiraju jedni s drugima. Tako se u ćelijama pljuvačnih žlezda može uočiti haploidni broj hromozoma

40 – Hromozomi tipa Lampbrush

Lampbrush hromozomi, koje je prvi otkrio W. Flemming 1882. godine, posebna su forma hromozoma koju dobijaju u rastućim oocitima (ženskim zametnim stanicama) većine životinja, s izuzetkom sisara. Ovo je džinovski oblik hromozoma koji nastaje u mejotičkim ženskim stanicama u diplotenskom stadiju profaze I kod nekih životinja, posebno kod vodozemaca i ptica.

U rastućim jajnim ćelijama svih životinja osim sisara, tokom produžene diplotene faze profaze I mejoze, aktivna transkripcija mnogih DNK sekvenci dovodi do transformacije hromozoma u hromozome u obliku četkica za čišćenje stakla kerozinskih lampi (hromozomi tipa lampe). Oni su visoko dekondenzovani polu-bivalenti koji se sastoje od dvije sestrinske hromatide. Lampbrush hromozomi se mogu promatrati pomoću svjetlosne mikroskopije, pokazujući da su organizirani u niz hromomera (koji sadrže kondenzirani hromatin) i uparene bočne petlje koje izlaze iz njih (sadrže transkripcijski aktivan kromatin).

Lampbrush hromozomi vodozemaca i ptica mogu se izolovati iz jezgre oocita pomoću mikrohirurške manipulacije.

Ovi hromozomi proizvode ogromnu količinu RNK, sintetizirane na bočnim petljama. Zbog svoje gigantske veličine i izražene organizacije hromomerne petlje, hromozomi lampe su decenijama služili kao zgodan model za proučavanje organizacije hromozoma, funkcionisanja genetskog aparata i regulacije ekspresije gena tokom profazne mejoze I. Osim toga, hromozomi ovog tipa se široko koriste za mapiranje DNK sekvenci sa visokim stupnjem rezolucije, proučavanje fenomena transkripcije tandemskih ponavljanja DNK koji ne kodiraju proteine, analizu distribucije chiasmata itd.

To su dvolančani, replicirani hromozomi koji se formiraju tokom diobe. Glavna funkcija centromere je da služi kao mjesto vezivanja za vretenasta vlakna. Vreteno izdužuje ćelije i razdvaja hromozome kako bi se osiguralo da svaki novi dobije tačan broj hromozoma kada se završi ili.

DNK u centromernom području hromozoma sastoji se od čvrsto zbijenog DNK, poznatog kao heterohromatin, koji je veoma kompaktan i stoga nije transkribovan. Zbog prisustva heterohromatina, područje centromera je više obojeno bojama tamne boje od ostalih dijelova hromozoma.

Lokacija

Centromera nije uvijek smještena u središnjem dijelu hromozoma (vidi sliku iznad). Hromozom se sastoji od kratkog kraka (p) i dugog kraka (q), koji se spajaju u području centromera. Centromere se mogu nalaziti ili blizu sredine ili na nekoliko pozicija duž hromozoma. Metacentrične centromere se nalaze blizu centra hromozoma. Submetacentrične centromere su pomaknute na jednu stranu od centra, tako da je jedan krak duži od drugog. Akrocentrične centromere se nalaze blizu kraja hromozoma, a telocentrične centromere se nalaze na kraju ili u predelu telomera hromozoma.

Položaj centromera se lako otkriva u ljudskom kariotipu. Hromosom 1 je primjer metacentrične centromere, hromozom 5 je primjer submetacentrične centromere, a hromozom 13 je primjer akrocentrične centromere.

Segregacija hromozoma u mitozi

Prije početka mitoze, stanica ulazi u fazu poznatu kao interfaza, gdje replicira svoju DNK u pripremi za diobu ćelije. Formiraju se sestre koje su povezane na svojim centromerama.

Tokom profaze mitoze, specijalizovane oblasti na centromerima koje se nazivaju kinetohori vezuju hromozome za vlakna vretena. Kinetohori se sastoje od niza proteinskih kompleksa koji stvaraju kinetohorna vlakna koja se vežu za vreteno. Ova vlakna pomažu u manipulaciji i razdvajanju hromozoma tokom ćelijske diobe.

U fazi metafaze, hromozomi se drže na metafaznoj ploči jednakim silama polarnih vlakana, pritiskajući centromere.

Tokom anafaze, uparene centromere na svakom pojedinačnom hromozomu počinju da se razilaze jedna od druge dok se prvo centriraju u odnosu na suprotne polove ćelije.

Tokom telofaze, novoformirani uključuju pojedinačne ćerke hromozome. Nakon citokineze formiraju se dva različita.

Segregacija hromozoma u mejozi

U mejozi, stanica prolazi kroz dvije faze procesa diobe (mejoza I i mejoza II). Tokom metafaze I, centromere homolognih hromozoma su orijentisane na suprotne polove ćelija. To znači da će se homologni hromozomi vezati u svojim centromernim regijama za vretenasta vlakna koja se protežu samo od jednog od dva pola ćelije.

Kada se vlakna vretena stežu tokom anafaze I, homologni hromozomi se povlače prema suprotnim polovima ćelija, ali sestrinske hromatide ostaju zajedno. U mejozi II, vlakna vretena koja se protežu od oba ćelijska pola vezuju se za sestrinske hromatide na njihovim centromerama. Sestrinske hromatide se odvajaju u anafazi II, kada ih vlakna vretena povlače prema suprotnim polovima. Mejoza rezultira razdvajanjem i distribucijom hromozoma između četiri nove ćelije kćeri. Svaka ćelija sadrži samo polovinu broja hromozoma originalne ćelije.

Sredinom prošlog stoljeća brojne citološke studije pokazale su odlučujuću ulogu centromera u morfologiji hromozoma. Kasnije je otkriveno da je centromera, zajedno sa kinetohorom (struktura koja se sastoji uglavnom od proteina), odgovorna za ispravnu segregaciju hromozoma u ćelije kćeri tokom ćelijske deobe. Vodeća uloga centromere u ovom procesu je očigledna: na kraju krajeva, za nju je vezano vreteno diobe, koje zajedno sa ćelijskim centrima (polovima) čini aparat za diobu stanica. Zbog kontrakcije niti vretena, hromozomi se tokom diobe kreću prema polovima ćelije.

Obično se opisuje pet faza diobe ćelije (mitoza). Radi jednostavnosti, fokusiraćemo se na tri glavne faze u ponašanju hromozoma ćelije koja se deli (slika 2). U prvoj fazi dolazi do postupne linearne kompresije i zadebljanja kromosoma, zatim se formira vreteno stanične diobe koje se sastoji od mikrotubula. U drugom, hromozomi se postepeno pomeraju prema centru jezgra i nižu se duž ekvatora, verovatno da bi se olakšalo vezivanje mikrotubula za centromere. U tom slučaju nuklearna membrana nestaje. U posljednjoj fazi, polovice hromozoma - hromatide - razdvajaju se. Čini se da mikrotubule vezane za centromere, poput tegljača, vuku hromatide prema polovima ćelije. Od trenutka divergencije, bivše sestrinske hromatide nazivaju se kćerki hromozomi. Dolaze do polova vretena i spajaju se u paralelnom uzorku. Formira se nuklearni omotač.

Rice. 2. Glavne faze mitoze.
S lijeva na desno: zbijanje hromozoma, formiranje vretena; poravnanje hromozoma duž ekvatora ćelije,
pričvršćivanje vretena na centromere; kretanje hromatida do polova ćelije.

Metode sekvenciranja razvijene posljednjih godina omogućile su određivanje primarne strukture DNK proširenih dijelova centromera ljudske i voćne mušice. Drosophila i biljke Arabidopsis. Pokazalo se da je u kromosomima ljudi i biljaka centromerna aktivnost povezana s blokom tandemski organiziranih DNK ponavljanja (monomera) slične veličine (170-180 parova nukleotida, bp). Takvi dijelovi se nazivaju satelitskom DNK. Kod mnogih vrsta, uključujući one koje su evolucijski udaljene jedna od druge, veličina monomera je gotovo ista: razne vrste majmuna - 171 np, kukuruz - 180 np, riža - 168 np, kukac chironomus - 155 np. Možda se to odražava Opšti zahtjevi, neophodan za centromernu funkciju.

Unatoč činjenici da je tercijarna struktura centromera čovjeka i Arabidopsis organizirana slično, pokazalo se da su primarni nukleotidni nizovi (ili nukleotidni red) u njihovim monomerima potpuno drugačiji (slika 3). Ovo je iznenađujuće za regiju hromozoma koja obavlja tako važnu i univerzalnu funkciju. Međutim, prilikom analize molekularne organizacije centromera u Drosophili, otkriven je određeni strukturni obrazac, odnosno prisustvo sekcija monomera približno iste veličine. Tako se kod Drosophile centromera X hromozoma sastoji uglavnom od dva tipa vrlo kratkih jednostavnih ponavljanja (AATAT i AAGAG), prekinutih retrotranspozonima (pokretni DNK elementi) i „ostrvima“ složenije DNK. Svi ovi elementi pronađeni su u genomu Drosophila i izvan centromera, ali u njima nisu pronađene DNK sekvence karakteristične za svaku centromeru. To znači da su centromerne DNK sekvence same po sebi nedovoljne i nepotrebne za formiranje centromera.

Rice. 3. Struktura DNK u ljudskim i biljnim centromerama.

Pravokutnici odgovaraju tandemski organiziranim monomerima sa identičnim nukleotidnim sekvencama unutar (primarna struktura DNK). Kod različitih vrsta, primarna struktura DNK monomera varira, a sekundarna struktura je spirala. Niz monomera odražava strukturnu organizaciju višeg nivoa DNK.

Ovu pretpostavku potvrđuje i manifestacija centromerne aktivnosti izvan normalnih centromera. Takve necentromere se ponašaju kao normalne centromere: formiraju citološki prepoznatljivu konstrikciju i formiraju kinetohore koji vežu proteine. Međutim, DNK analiza dvije ljudske necentromere i konvencionalne centromere nije otkrila zajedničke sekvence, što ukazuje na moguću ulogu drugih strukturnih komponenti hromozoma. Oni mogu biti histonski i nehistonski proteini koji se vezuju za DNK, formirajući nukleosomsku strukturu kromatina.

Funkcionalna uloga strukture centromernog hromatina potvrđuje prisustvo histonskih H3 varijanti specifičnih za svaku biološku vrstu u centromernom hromatinu: kod ljudi se zovu CENP-A, u biljkama - CENH3. Među mnogim proteinima prisutnim u kinetohoru, samo dva, CENH3 i centromerni protein C (CENP-C), direktno se vezuju za DNK. Možda je CENH3, u interakciji s drugim histonima (H2A, H2B i H4), taj koji formira i određuje tip nukleozoma specifičnih za centromere. Takvi nukleosomi mogu poslužiti kao svojevrsna sidra za formiranje kinetohora. Histone H3 varijante na centromerima razne vrste slično kanonskom molekulu histona H3 u područjima interakcije sa drugim histonskim proteinima (H2A, H2B, H4). Međutim, čini se da je regija centromernog histona H3 koja je u interakciji s molekulom DNK pod utjecajem pokretačke selekcije. Kao što je diskutovano, primarna struktura centromerne DNK razlikuje se između vrsta, a predloženo je da centromerni histon H3 koevoluira sa centromernom DNK, posebno kod Drosophile i Arabidopsis.

Modeli u kojima je odlučujući faktor u određivanju položaja centromera (sačuvanog iz generacije u generaciju) i njegovih funkcija tercijarna (ili čak višeg reda) struktura DNK nailaze na manje fundamentalnih poteškoća za objašnjenje. Njegov konzervativizam dozvoljava velike varijacije u sekvenci nukleotida i ne isključuje fino podešavanje primarne strukture.

Henikoff i kolege su predložili model koji opisuje koordiniranu evoluciju DNK i proteina i dovodi do pojave optimalno funkcionalnih centromera na primjeru diobe ženskih zametnih stanica. Kao što je poznato, u procesu mejoze, jedna roditeljska ćelija daje četiri ćelije kćeri kroz dvije uzastopne diobe. Nakon toga, samo se jedna od njih pretvara u zrelu ženku polne ćelije(gameta), koja prenosi genetske informacije na sljedeću generaciju, dok ostale tri ćelije umiru. Prema ovom modelu, u procesu evolucije, zbog mutacija i drugih mehanizama u hromozomima, nastaju centromere sa dužim lancima satelitskih DNK monomera ili sa primarnom nukleotidnom strukturom koja je pogodnija za vezivanje i koordiniran rad sa specifičnim oblicima histona CENH3 i CENP-C može nastati. Štaviše, kod nekih organizama (Arabidopsis, Drosophila) postoje dokazi za pozitivan pritisak selekcija je dobijena za CENH3, dok su za ostale vrste (žitarice, sisari) za CENP-C (Sl. 4a). Kao rezultat, takve centromere s poboljšanim kinetohorima postaju "jače" i mogu se pričvrstiti veći broj mikrotubule vretena (slika 4b). Ako u gametama ima više takvih „jakih“ centromera, tada dolazi do procesa mejotičkog nagona koji povećava broj takvih centromera, a nova opcija fiksiran u populaciji.

Rice. 4. Model koji objašnjava evoluciju centromera.

Vrh - centromeri (sivi ovali) sadrže specijalizirani skup proteina (kinetohore), uključujući histone CENH3 (H) i CENP-C (C), koji zauzvrat stupaju u interakciju s mikrotubulama vretena (crvene linije). U različitim taksonima, jedan od ovih proteina evoluira adaptivno iu skladu s divergencijom primarne strukture DNK centromera.

Ispod su promjene na primarna struktura ili organizacija centromerne DNK (tamno sivi oval) može stvoriti jače centromere, što rezultira više pričvršćene mikrotubule.

Komparativna genomika pomaže u razumijevanju mehanizama formiranja i aktivnosti centromernih regija hromozoma. Jedinstven primjer raznolike strukture centromera je hromozom 8 u genomu riže. Uz satelitske DNK ponavljanja i retrotranspozone, u njemu su pronađeni aktivno transkribovani geni; 48 od njih imalo je sekvence sa visokom homologijom sa poznatim proteinima. Ovi nalazi pobijaju mišljenje, zasnovano na studijama centromera kod ljudi, Drosophila i Arabidopsis, da u centromerama nema aktivnih gena.

Ako u molekularna struktura Budući da centromeri različitih eukariotskih vrsta sadrže neke univerzalne karakteristike (organizacija DNK u obliku tandema, relativno kratki monomeri i hromatinski proteini specifični za ove lokuse), teško je identificirati bilo kakve obrasce u veličini ovih regija. Da, u kvascu Saccharomyces cerevisiae sekcija DNK od 125 bp uzima se kao minimalna funkcionalna centromera, a kod kvasca Schizosaccharomyces pombe mnogo je složeniji i duži (od 40 do 120 hiljada riječi), ima nekoliko nivoa organizacije. Kod ljudi, glavna komponenta hromozomskih centromera - a-satelitska DNK - formira dugačke niti tandemski organiziranih monomera (od 250 tisuća do 4 milijuna bp). Među 12 pirinčanih hromozoma, hromozom 8 ima najkraću dužinu lanca sa CentO satelitom (~64 hiljade bp); određen je položaj centromere i njena približna veličina od 2 miliona bp. Bilo je moguće dobiti kompletnu sekvencu DNK ovog centromernog regiona i unutar njega odrediti region (~750 hiljada bp) gde se direktno formira kinetohor. Glavni CentO klaster se nalazi u ovoj oblasti.

Izvanredna plastičnost centromera, posebno aktivnih gena koji se nalaze u centromeri rižinog hromozoma 8, sugerira da ne postoji stroga granica između centromera i ostatka hromozoma, pa čak i mogućnost dispergirane strukture centromernog hromatina. Međutim, postojanje nekoliko klastera u području hromozomske konstrikcije je u suprotnosti s nedavno objavljenim podacima o prisutnosti kromatinske barijere između same centromere i pericentromernog heterohromatina u kvascu. Schizosaccharomyces pombe. Barijera je gen za alanin tRNA. Brisanje ili modifikacija sekvence barijere dovodi do toga da se pericentromerni heterohromatin kreće izvan svojih normalnih granica. Štaviše, odsustvo barijere uzrokuje abnormalnu segregaciju hromozoma u mejozi. Naravno, treba imati na umu da se ovi zanimljivi rezultati do sada odnose samo na jednu vrstu kvasca.

Svi hromozomi imaju dva ramena i istanjeno područje koje se nalazi između njih - centromere ili primarna konstrikcija. U području primarnog suženja nalazi se kinetohor- ravna struktura, čiji proteini, u interakciji s mikrotubulama vretena, osiguravaju kretanje hromozoma tokom diobe ćelije.

Struktura hromozoma metafaze:5 - centromera; 6 - sekundarna konstrikcija; 7 - satelit; 8 - hromatide; 9 - telomeri.

1 - metacentrično; 2 - submetacentrični; 3, 4 - akrocentrično.

Metafazni hromozom sastoji se od dvije hromatide. Svaki hromozom ima primarna konstrikcija (centromera)(5), koji dijeli hromozom na krakove.

Centromere (primarna konstrikcija) - regija hromozoma koju karakteriše specifična sekvenca i struktura nukleotida. Centromera učestvuje u povezivanju sestrinskih hromatida, formiranju kinetohora, konjugaciji homolognih hromozoma i uključena je u kontrolu ekspresije gena.

Kada se govori o morfologiji hromozoma, oni uzimaju u obzir sledeći znakovi: položaj centromere, dužina krakova, prisustvo sekundarne konstrikcije i satelita.

Ovisno o položaju centromere u ljudskom kariotipu, razlikuju se hromozomi tri vrste :

1. Metacentričan, jednaki krakovi hromozoma: primarna konstrikcija (centromera) nalazi se u centru (sredini) hromozoma, krakovi hromozoma su identični.

2. Submetacentrični, hromozomi skoro jednakih krakova: centromera se nalazi blizu sredine hromozoma, krakovi hromozoma se neznatno razlikuju po dužini.

3. Akrocentrično, hromozomi sa vrlo nejednakim rukama: centromera je veoma udaljena od centra (sredine) hromozoma, krakovi hromozoma značajno variraju u dužini.

Kratka poluga je označena slovom -

Dugo rame je označeno slovom -

Neki hromozomi imaju sekundarna konstrikcija(6) i satelit ( satelit) (7).

Sekundarna konstrikcija- dio hromozoma koji povezuje satelit sa tijelom hromozoma. U području sekundarne konstrikcije nalaze se geni ribosomske RNK, dolazi do sinteze rRNA i formiranja i sklapanja nukleola. Ovo sekundarno suženje se stoga naziva i nukleolarnim organizatorom. Sekundarne konstrikcije mogu biti na dugom kraku nekih hromozoma, a na kratkom kraku drugih.

Sekundarna konstrikcija se razlikuje od primarne po tome što nema vidljivog ugla između segmenata hromozoma.

Kod ljudi, hromozomi imaju sekundarnu konstrikciju 9, 13, 14, 15, 21 i 22.

Satelit ( satelit) - ovo je hromozomski segment, najčešće heterokromatski, koji se nalazi distalno od sekundarne konstrikcije. By klasične definicije satelit - sferično tijelo promjera jednakog ili manjeg od promjera hromozoma, koje je s hromozomom povezano tankom niti. Razlikuju se sljedeće: 5 vrsta satelita:

mikrosateliti– sferoidnog oblika, mali sateliti prečnika pola ili čak manjeg od prečnika hromozoma;

makrosateliti- dosta velike forme sateliti čiji prečnik prelazi polovinu prečnika hromozoma;

linearno- sateliti koji imaju oblik dugog kromosomskog segmenta. Sekundarna konstrikcija je značajno uklonjena sa kraja terminala;

terminal– sateliti lokalizovani na kraju hromozoma;

interkalarni– sateliti locirani između dva sekundarna suženja.

Zovu se hromozomi koji imaju satelit satelit, obično se označavaju SAT hromozomi. Oblik, veličina satelita i nit koja ga povezuje su konstantni za svaki kromosom.

Satelit zajedno sa sekundarnim strukom čine satelitsko područje.

Zovu se krajevi hromozoma telomere (9).

Telomere(od starogrčkog τέλος - kraj i μέρος - dio) - krajnji dijelovi hromozoma. Telomerne regije hromozoma karakteriziraju nedostatak sposobnosti povezivanja s drugim kromosomima ili njihovim fragmentima i obavljanja zaštitne funkcije.

Termin “telomera” je predložio G. Möller 1932. godine.

Kod ljudi, DNK telomerne regije je nukleotidna sekvenca koja se više puta ponavlja 5"TTAGGG 3" u jednom od nukleotidnih lanaca DNK.

Funkcije hromozoma:

1) čuvanje nasljednih podataka,

2) sprovođenje naslednih podataka,

3) prenos genetskog materijala sa ćelije majke na ćelije kćeri.

Pravila hromozoma

1. Konstantnost broja. Somatske ćelije svake vrste organizma imaju strogo određeni broj hromozomi (kod ljudi - 46, kod mačaka - 38, kod muva Drosophila - 8, kod pasa -78, kod pilića -78).

2. Uparivanje. Svaki hromozom u somatskim ćelijama sa diploidnim setom ima isti homologni (identični) hromozom, identične veličine i oblika, ali različitog porekla: jedan od oca, drugi od majke.

3. Individualnost. Svaki par hromozoma razlikuje se od drugog para po veličini, obliku, naizmjeničnim svijetlim i tamnim prugama.

4. Kontinuitet. Prije diobe ćelije, DNK se udvostručuje, što rezultira 2 sestrinske hromatide. Nakon diobe, jedna po jedna hromatida ulazi u ćelije kćeri i tako su hromozomi neprekidni – od hromozoma se formira hromozom.