Metafāzes hromosomas struktūra. Centromērs: atrašanās vieta un loma hromosomu segregācijā mitozes un meiozes laikā Centromēra funkcijas

2007. gada 9. nr

Hromosomu centrimēri un telomēri

A.V. Veršinins

Aleksandrs Vasiļjevičs Veršinins, bioloģijas zinātņu doktors, galvenais zinātniskais līdzstrādnieks. Citoloģijas un ģenētikas institūts SB RAS.

Mūsdienās gandrīz visi zina, kas ir hromosomas. Šīs kodolorganellas, kurās ir lokalizēti visi gēni, veido noteiktas sugas kariotipu. Zem mikroskopa hromosomas izskatās kā viendabīgas, iegarenas tumšas stieņa formas struktūras, un maz ticams, ka redzamais attēls šķitīs intriģējošs. Turklāt ļoti daudzu uz Zemes dzīvojošu būtņu hromosomu preparāti atšķiras tikai ar šo stieņu skaitu un to formas modifikācijām. Tomēr ir divas īpašības, kas ir kopīgas visu sugu hromosomām. Pirmā ir obligāta saspiešana (vai sašaurināšanās), kas atrodas vai nu vidū, vai pārvietota uz vienu no hromosomas galiem, ko sauc par “centromēru”. Otrais ir specializētas struktūras - telomēru - klātbūtne katrā hromosomas galā (1. att.). Dažādi gēni, kas atrodas gar hromosomu rokām (hromosomas daļas no centromēra līdz fiziskajam galam), kopā ar DNS regulējošām sekvencēm ir atbildīgi par dažādu funkciju veikšanu. Tas nodrošina katras atsevišķās hromosomas katrā rokā kodētās ģenētiskās informācijas unikalitāti.

Centromēriskie un telomēriskie reģioni ieņem īpašu vietu, jo tie veic ārkārtīgi svarīgas, bet vienādas funkcijas visu veidu eikariotu hromosomās. Daudzi pētījumi vēl nav devuši skaidru atbildi uz jautājumu par to, kuras molekulārās struktūras ir atbildīgas par šo funkciju veikšanu un kā tās tās veic, taču ir acīmredzams progress šajā virzienā. pēdējos gados sasniegts.

Pirms tika noskaidrota centromēru un telomēru molekulārā struktūra, tika uzskatīts, ka to funkcijas jānosaka (jākodē) ar universālām un vienlaikus reģionam specifiskām DNS sekvencēm. Bet primārās nukleotīdu secības tiešu noteikšanu (DNS sekvencēšanu) sarežģīja fakts, ka šie reģioni, kā likums, atrodas blakus apgabaliem ar augstu atkārtotu DNS sekvenču koncentrāciju hromosomās. Kas šodien ir zināms par šiem funkcionāli svarīgajiem hromosomu reģioniem?

Centromēri

Līdz pagājušā gadsimta vidum daudzi citoloģiskie pētījumi parādīja centromēra noteicošo lomu hromosomu morfoloģijā. Vēlāk tika noskaidrots, ka centromērs kopā ar kinetohoru (struktūra, kas sastāv galvenokārt no olbaltumvielām) ir atbildīga par pareizu hromosomu segregāciju meitas šūnās. šūnu dalīšanās. Centromēra vadošā loma šajā procesā ir acīmredzama: galu galā tieši tai ir piestiprināta dalīšanas vārpsta, kas kopā ar šūnu centriem (poliem) veido šūnu dalīšanas aparātu. Vārpstas dzīslu saraušanās dēļ hromosomas dalīšanās laikā virzās uz šūnu poliem.

Parasti tiek aprakstīti pieci šūnu dalīšanās posmi (mitoze). Vienkāršības labad mēs pievērsīsimies trim galvenajiem dalīšanās šūnas hromosomu uzvedības posmiem (2. att.). Pirmajā posmā notiek pakāpeniska hromosomu lineāra saspiešana un sabiezēšana, pēc tam veidojas šūnu dalīšanās vārpsta, kas sastāv no mikrotubuliem. Otrajā gadījumā hromosomas pakāpeniski virzās uz kodola centru un sarindojas gar ekvatoru, iespējams, lai atvieglotu mikrotubulu pievienošanos centromēriem. Šajā gadījumā kodola membrāna pazūd. Ieslēgts pēdējais posms Hromosomu pusītes – hromatīdi – atdalās. Šķiet, ka pie centromēriem piestiprinātie mikrotubuli, līdzīgi kā velkonis, velk hromatīdus pret šūnas poliem. Kopš novirzes brīža bijušās māsas hromatīdus sauc par meitas hromosomām. Tie sasniedz vārpstas stabus un saplūst paralēli. Izveidojas kodola apvalks.

Rīsi. 2. Galvenie mitozes posmi.
No kreisās puses uz labo: hromosomu sablīvēšanās, vārpstas veidošanās; hromosomu izlīdzināšana gar šūnas ekvatoru,
vārpstas piestiprināšana pie centromēriem; hromatīdu kustība uz šūnas poliem.

Rūpīgi novērojot, var pamanīt, ka šūnu dalīšanās procesā katrā hromosomā centromērs atrodas nemainīgā stāvoklī. Tas uztur ciešu dinamisku saikni ar šūnas centru (polu). Centromēra dalīšanās notiek vienlaicīgi visās hromosomās.

Pēdējos gados izstrādātās sekvencēšanas metodes ir ļāvušas noteikt primāro DNS struktūru cilvēka un augļu mušu centromēru paplašinātām sekcijām. Drosophila un augi Arabidopsis. Izrādījās, ka gan cilvēku, gan augu hromosomās centromēra aktivitāte ir saistīta ar tandēmi organizētu DNS atkārtojumu (monomēru) bloku, kas ir līdzīga izmēra (170-180 nukleotīdu pāri, bp). Šādas sadaļas sauc par satelīta DNS. Daudzās sugās, tostarp tajās, kas atrodas evolucionāri tālu viena no otras, monomēru izmērs ir gandrīz vienāds: dažādu sugu pērtiķi - 171 np, kukurūza - 180 np, rīsi - 168 np, chironomus kukainis - 155 np. Tas var atspoguļot vispārējās prasības centromēriskajai funkcijai.

Neskatoties uz to, ka cilvēka un Arabidopsis centromēru terciārā struktūra ir organizēta līdzīgi, primārās nukleotīdu secības (jeb nukleotīdu secība) to monomēros izrādījās pilnīgi atšķirīgas (3. att.). Tas ir pārsteidzoši hromosomas reģionam, kas veic tik svarīgu un universālu funkciju. Tomēr, analizējot molekulārā organizācija Drosophila centromēri atklāja noteiktu strukturālu modeli, proti, aptuveni vienāda izmēra monomēru sekciju klātbūtni. Tādējādi Drosofilā X hromosomas centromērs sastāv galvenokārt no divu veidu ļoti īsiem vienkāršiem atkārtojumiem (AATAT un AAGAG), ko pārtrauc retrotransposoni (mobilie DNS elementi) un sarežģītāka DNS “salas”. Visi šie elementi tika atrasti Drosophila genomā un ārpus centromēriem, bet katram centromēram raksturīgas DNS sekvences tajos netika atrastas. Tas nozīmē, ka pašas centromēru DNS sekvences ir nepietiekamas un nevajadzīgas centromēra veidošanai.

Rīsi. 3. DNS struktūra cilvēka un augu centromēros.

Taisnstūri atbilst tandēmā sakārtotiem monomēriem ar identiskām nukleotīdu sekvencēm iekšpusē (primārā DNS struktūra). U dažādi veidi DNS monomēru primārā struktūra ir atšķirīga, un sekundārā struktūra ir spirāle. Monomēru secība atspoguļo DNS augstāka līmeņa strukturālo organizāciju.

Šo pieņēmumu apstiprina arī centromēru aktivitātes izpausme ārpus normāliem centromēriem. Šādi neocentromēri uzvedas kā normāli centromēri: tie veido citoloģiski atšķiramu sašaurināšanos un veido kinetohorus, kas saistās ar olbaltumvielām. Tomēr divu cilvēka neocentromēru un parastā centromēra DNS analīze neatklāja kopīgas sekvences, kas liecina par citu iespējamo lomu strukturālās sastāvdaļas hromosomas. Tie var būt histonu un nehistona proteīni, kas saistās ar DNS, veidojot hromatīna nukleosomu struktūru.

Centromēra hromatīna struktūras funkcionālo lomu apstiprina katrai bioloģiskajai sugai raksturīgo histona H3 variantu klātbūtne centromēriskajā hromatīnā: cilvēkiem tos sauc par CENP-A, augos - par CENH3. No daudzajiem proteīniem, kas atrodas kinetohorā, tikai divi, CENH3 un centromēriskais proteīns C (CENP-C), tieši saistās ar DNS. Iespējams, ka tas ir CENH3, kas mijiedarbojas ar citiem histoniem (H2A, H2B un H4), kas veido un nosaka centromēriem raksturīgo nukleosomu veidu. Šādas nukleosomas var kalpot kā sava veida enkuri kinetohoru veidošanai. Histona H3 varianti dažādu sugu centromēros ir līdzīgi kanoniskajai histona H3 molekulai mijiedarbības zonās ar citiem histona proteīniem (H2A, H2B, H4). Tomēr šķiet, ka centromēra histona H3 reģions, kas mijiedarbojas ar DNS molekulu, ir ietekmēts braukšanas izvēle. Kā apspriests, centromēriskās DNS primārā struktūra atšķiras starp sugām, un ir ierosināts, ka centromēriskais histons H3 attīstās kopā ar centromēru DNS, īpaši Drosophila un Arabidopsis.

Centromēra histona H3 atklāšana radīja galēju viedokli, ka centromēru funkciju un tās pilnīgu neatkarību no primārās DNS struktūras nosaka nukleosomu organizācija un šis histons. Bet vai šie faktori ir pietiekami pilnīgai centromēra aktivitātei? Modeļiem, kas ignorē primārās DNS struktūras lomu, ir jāpieņem nejaušs centromēriskās DNS struktūras izmaiņu sadalījums pa populācijām, ja nav atlases. Tomēr satelīta DNS analīze cilvēka centromēros un Arabidopsis identificēja konservētus reģionus, kā arī reģionus ar lielāku par vidējo mainīgumu, kas norāda uz selekcijas spiedienu uz centromēru DNS. Turklāt mākslīgie centromēri tika iegūti tikai ar cilvēka a-satelītu atkārtojumiem, kas pastiprināti no dabiskajiem centromēriem, bet ne no pericentromēru hromosomu reģionu a-satelītiem.

Modeļi, kuros no paaudzes paaudzē saglabātā centromēra atrašanās vietas un tās funkciju noteikšanā izšķirošais faktors ir DNS terciārā (vai pat augstākas kārtas) struktūra, ir mazāk grūtību izskaidrot. Tās konservatīvisms pieļauj lielas nukleotīdu secības variācijas un neizslēdz primārās struktūras precizēšanu.

Pēdējos gados ir kļuvis acīmredzams, ka nav universālu DNS sekvenču, kas tieši noteiktu centromēru un telomēru funkcijas. Šajos hromosomu reģionos DNS kalpo kā platforma kompleksu, daudzkomponentu DNS-olbaltumvielu kompleksu montāžai, kas nodrošina šo funkciju izpildi. Sīkāka informācija par šo kompleksu papildu organizāciju un to saskaņoto darbību ir atrodama mūsu pārskatā. Līdzās šo kompleksu centromēriem un telomēriem raksturīgajām sastāvdaļām tajos ietilpst arī tie, kas ir iesaistīti vairāku, dažkārt pat pretēju, funkciju veikšanā. Piemēram, Ku70/80 heterodimērs ir daļa no telomēriem un darbojas kā pozitīvs telomēra garuma regulators raugā un negatīvs regulators Arabidopsis. Tajā pašā laikā šis proteīns ir iesaistīts hromosomu pārtraukumu atpazīšanā un to labošanā. Bez šaubām, viena no aktuālākajām pētniecības jomām ir dažādu molekulāro kompleksu, kas nodrošina centromēru un telomēru aktivitāti, regulējošo mehānismu molekulārās būtības apzināšana.

Darbs tika veikts ar Krievijas fonda atbalstu fundamentālie pētījumi(projekts 04-04-48813), INTAS (03-51-5908)
un VRS RAS Integrācijas projektu programma (projekts 45/2).

Literatūra

1. Talberts P.B., Braisons T.D., Henikofs S.// J. Biol. 2004. V.3. 18. pants.

2. Veršinins A.V.// Ģenētika. 2006. V.42. P.1200-1214.

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

4. Skots K.C., Merets S.L., Vilards H.F.//Pašlaik. Biol. 2006. V.16. P.119-129.

5. Mullers H.J. Turpmākie pētījumi par gēnu mutāciju būtību un cēloņiem // Proc. Sestais Int. Congr. Genet. 1932. V.1. P.213-255.

6. Luijs E.J., Veršinins A.V.. // Bioesejas. 2005. V.27. P.685-697.

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

Centromērs ir hromosomas reģions, kam raksturīga noteikta nukleotīdu secība un struktūra. Centromērs spēlē svarīga lomašūnu kodola dalīšanās procesā un gēnu ekspresijas kontrolē (process, kura laikā iedzimtā informācija no gēna tiek pārvērsta par funkcionāls produkts- RNS vai proteīns).

Centromērs ir iesaistīts māsu hromatīdu savienošanā, kinetohora veidošanā (proteīna struktūra hromosomā, kurai šūnu dalīšanās laikā pievienojas vārpstas šķiedras), homologu hromosomu konjugācijā un gēnu ekspresijas kontrolē.

Tieši centromēra reģionā māsas hromatīdi ir savienoti mitozes profāzē un metafāzē, bet homologās hromosomas - mejozes pirmās nodaļas profāzē un metafāzē. Centromēros veidojas kinetohori: proteīni, kas saistās ar centromēru, veido vārpstas mikrotubulu piestiprināšanas punktu mitozes un meiozes anafāzē un telofāzē.

Atkāpes no centromēra normālas darbības rada problēmas hromosomu relatīvajā pozīcijā sadalošajā kodolā, kā rezultātā rodas traucējumi hromosomu segregācijas procesā (to sadalījums starp meitas šūnām). Šie traucējumi izraisa aneuploidiju, kas var būt smagas sekas(piemēram, Dauna sindroms cilvēkiem, kas saistīts ar aneuploīdiju (trisomiju) 21. hromosomā). Lielākajā daļā eikariotu centromēram nav noteiktas tai atbilstošas nukleotīdu secības. Tas parasti sastāv no liela skaita DNS atkārtojumu (piemēram, satelīta DNS), kuros secība atsevišķos atkārtojuma elementos ir līdzīga, bet nav identiska.

Meitas hromosomas veido centromērus tajās pašās vietās, kur mātes hromosoma, neatkarīgi no secības rakstura, kas atrodas centromēru reģionā.

38. B- hromosomas

Hromosoma, kas atrodas hromosomu komplektā, pārsniedz normālu diploīdu hromosomu skaitu, ir klāt kariotipa tikai atsevišķiem indivīdiem populācijā .; B hromosomas ir zināmas daudzos augos un (nedaudz retāk) dzīvniekiem to skaits var ievērojami atšķirties (no 1 līdz vairākiem desmitiem); B-hromosomas bieži sastāv no heterohromatīna (bet var saturēt, šķiet, sekundāri, eihromatīnu) un ir ģenētiski pasīvas, lai gan tām var būt blakusparādības - piemēram, kukaiņiem B-hromosomu klātbūtne bieži izraisa palielinātu spermatozoīdu novirzi; šūnu dalījumos tie var būt stabili, bet biežāk tie ir nestabili (dažkārt tie ir mitotiski stabili, bet tie ir nestabili meiozē, kur bieži vien veido univalentus); dažkārt B hromosomas ir izohromosomas; B hromosomu parādīšanās mehānismi ir dažādi - fragmentācija, papildu hromosomu heterohromatinizācija pēc nepareizas anafāzes segregācijas u.c. Tiek pieņemts, ka B hromosomas pakāpeniski tiek zaudētas somatiskajās šūnās to iedzimtības nevienmērīguma dēļ

39 – Politēna hromosomas

Milzu starpfāzu hromosomas, kas rodas dažu veidu specializētās šūnās divu procesu rezultātā: pirmkārt, daudzkārtēja DNS replikācija, ko nepavada šūnu dalīšanās, un, otrkārt, hromatīdu sānu konjugācija. Šūnas, kurām ir politēna hromosomas, zaudē spēju dalīties, tās ir diferencētas un aktīvi izdalās, tas ir, hromosomu politenizācija ir veids, kā palielināt gēnu kopiju skaitu jebkura produkta sintēzei. Politēna hromosomas var novērot dipterānos, augos šūnās, kas saistītas ar embrija attīstību, un ciliātos makrokodolu veidošanās laikā. Politēna hromosomu izmērs ievērojami palielinās, kas padara tās vieglāk novērojamas un ļāva pētīt gēna aktivitāti pagājušā gadsimta trīsdesmitajos gados. Būtiskā atšķirība no citiem hromosomu veidiem ir tā, ka politēna hromosomas ir starpfāzu, bet visas pārējās var novērot tikai mitotiskās vai meiotiskās šūnu dalīšanās laikā.

Klasisks piemērs ir milzu hromosomas Drosophila melanogaster kāpuru siekalu dziedzeru šūnās. DNS replikāciju šajās šūnās nepavada šūnu dalīšanās, kas noved pie jaunizveidotu DNS virkņu uzkrāšanās. Šie pavedieni ir cieši savienoti visā garumā. Turklāt siekalu dziedzeros notiek homologu hromosomu somatiskā sinapse, tas ir, ne tikai māsas hromatīdi konjugējas savā starpā, bet arī katra pāra homologās hromosomas konjugējas viena ar otru. Tādējādi siekalu dziedzeru šūnās var novērot haploīdu hromosomu skaitu

40 – Lamprush tipa hromosomas

Lampu suku hromosomas, ko pirmo reizi atklāja V. Flemings 1882. gadā, ir īpaša hromosomu forma, ko tās iegūst augošajos oocītos (sieviešu dzimumšūnās) lielākajai daļai dzīvnieku, izņemot zīdītājus.

Visu dzīvnieku, izņemot zīdītājus, augošajos oocītos mejozes I profāzes paplašinātajā diplotēna stadijā daudzu DNS sekvenču aktīva transkripcija noved pie hromosomu transformācijas hromosomās, kas veidotas kā birstītes petrolejas lampu stiklu tīrīšanai (lampu birstes tipa hromosomas). Tie ir ļoti dekondensēti pusbivalenti, kas sastāv no divām māsu hromatīdām. Lampu sukas hromosomas var novērot, izmantojot gaismas mikroskopiju, atklājot, ka tās ir sakārtotas virknē hromomēru (satur kondensētu hromatīnu) un pāros sānu cilpas, kas izplūst no tām (satur transkripcijas aktīvo hromatīnu).

Abinieku un putnu lampas hromosomas var izolēt no oocīta kodola, izmantojot mikroķirurģiskas manipulācijas.

Šīs hromosomas ražo milzīgu daudzumu RNS, kas sintezēta sānu cilpās. Pateicoties to gigantiskajam izmēram un izteiktajai hromomēru cilpas organizācijai, lampu sukas hromosomas daudzus gadu desmitus ir kalpojušas kā ērts modelis hromosomu organizācijas, ģenētiskā aparāta darbības un gēnu ekspresijas regulēšanas pētīšanai I profāzes mejozes laikā. Turklāt šāda veida hromosomas tiek plaši izmantotas DNS sekvenču kartēšanai ar augstu izšķirtspējas pakāpi, pētot tandēma DNS atkārtojumu transkripcijas fenomenu, kas nekodē proteīnus, analizējot chiasmata izplatību utt.

Tās ir divpavedienu, replikētas hromosomas, kas veidojas dalīšanās laikā. Centromēra galvenā funkcija ir kalpot kā vārpstas šķiedru piestiprināšanas vieta. Vārpsta pagarina šūnas un atdala hromosomas, lai nodrošinātu, ka katra jaunā saņem pareizo hromosomu skaitu pēc pabeigšanas vai.

DNS hromosomas centromēriskajā reģionā sastāv no cieši iesaiņotas DNS, kas pazīstama kā heterohromatīns, kas ir ļoti sablīvēta un tāpēc netiek transkribēta. Heterohromatīna klātbūtnes dēļ centromēra reģions tiek iekrāsots ar krāsvielām vairāk tumša krāsa nekā citas hromosomas daļas.

Atrašanās vieta

Centromērs ne vienmēr atrodas hromosomas centrālajā reģionā (skatīt fotoattēlu augstāk). Hromosoma sastāv no īsās rokas (p) un garās rokas (q), kas savienojas centromēra reģionā. Centromēri var atrasties vai nu tuvu vidusdaļai, vai vairākās pozīcijās gar hromosomu. Metacentriskie centromēri atrodas netālu no hromosomu centra. Submetacentriskie centromēri tiek novirzīti uz vienu pusi no centra, lai viena roka būtu garāka par otru. Akrocentriskie centromēri atrodas netālu no hromosomas gala, savukārt telocentriskie centromēri atrodas hromosomas galā vai telomēra reģionā.

Centromēra atrašanās vieta ir viegli nosakāma cilvēka kariotipā. 1. hromosoma ir metacentriskā centromēra piemērs, 5. hromosoma ir submetacentriskā centromēra piemērs, un 13. hromosoma ir akrocentriskā centromēra piemērs.

Hromosomu segregācija mitozē

Pirms mitozes sākuma šūna nonāk stadijā, kas pazīstama kā starpfāze, kur tā replikē savu DNS, gatavojoties šūnu dalīšanai. Tiek veidotas māsas, kuras ir savienotas to centromēros.

Mitozes fāzes laikā specializētās centromēru zonas, ko sauc par kinetohoriem, piestiprina hromosomas pie vārpstas šķiedrām. Kinetohori sastāv no virknes olbaltumvielu kompleksu, kas ģenerē kinetohora šķiedras, kas piestiprinās pie vārpstas. Šīs šķiedras palīdz manipulēt un atdalīt hromosomas šūnu dalīšanās laikā.

Metafāzes stadijā hromosomas tiek turētas uz metafāzes plāksnes ar vienādiem polāro šķiedru spēkiem, nospiežot centromērus.

Anafāzes laikā pārī savienotie centromēri katrā atsevišķā hromosomā sāk atšķirties viens no otra, kad tie vispirms centrējas attiecībā pret šūnas pretējiem poliem.

Telofāzes laikā jaunizveidotajās ietilpst atsevišķas meitas hromosomas. Pēc citokinēzes veidojas divas dažādas.

Hromosomu segregācija meiozē

Mejozes gadījumā šūna iziet cauri diviem dalīšanās procesa posmiem (mejoze I un mejoze II). I metafāzes laikā homologo hromosomu centromēri ir orientēti uz šūnu pretējiem poliem. Tas nozīmē, ka homologās hromosomas savos centromēriskajos reģionos pievienosies vārpstas šķiedrām, kas stiepjas tikai no viena no diviem šūnas poliem.

Kad vārpstas šķiedras saraujas anafāzes I laikā, homologās hromosomas tiek vilktas pret šūnu pretējiem poliem, bet māsas hromatīdas paliek kopā. II meiozes gadījumā vārpstas šķiedras, kas stiepjas no abiem šūnu poliem, pievienojas māsu hromatīdiem to centromēros. Māsas hromatīdas atdalās II anafāzē, kad vārpstas šķiedras velk tās pret pretējiem poliem. Mejozes rezultātā hromosomas tiek atdalītas un sadalītas starp četrām jaunām meitas šūnām. Katrā šūnā ir tikai puse no sākotnējās šūnas hromosomu skaita.

Līdz pagājušā gadsimta vidum daudzi citoloģiskie pētījumi parādīja centromēra izšķirošo lomu hromosomu morfoloģijā. Vēlāk tika atklāts, ka centromērs kopā ar kinetohoru (struktūra, kas sastāv galvenokārt no olbaltumvielām) ir atbildīga par pareizu hromosomu segregāciju meitas šūnās šūnu dalīšanās laikā. Centromēra vadošā loma šajā procesā ir acīmredzama: galu galā tieši tai ir piestiprināta dalīšanas vārpsta, kas kopā ar šūnu centriem (poliem) veido šūnu dalīšanas aparātu. Vārpstas dzīslu saraušanās dēļ hromosomas dalīšanās laikā virzās uz šūnu poliem.

Parasti tiek aprakstīti pieci šūnu dalīšanās posmi (mitoze). Vienkāršības labad mēs pievērsīsimies trim galvenajiem dalīšanās šūnas hromosomu uzvedības posmiem (2. att.). Pirmajā posmā notiek pakāpeniska hromosomu lineāra saspiešana un sabiezēšana, pēc tam veidojas šūnu dalīšanās vārpsta, kas sastāv no mikrotubuliem. Otrajā gadījumā hromosomas pakāpeniski virzās uz kodola centru un sarindojas gar ekvatoru, iespējams, lai atvieglotu mikrotubulu pievienošanos centromēriem. Šajā gadījumā kodola membrāna pazūd. Pēdējā posmā hromosomu puses - hromatīdi - atdalās. Šķiet, ka pie centromēriem piestiprinātie mikrotubuli, līdzīgi kā velkonis, velk hromatīdus pret šūnas poliem. Kopš novirzes brīža bijušās māsas hromatīdus sauc par meitas hromosomām. Tie sasniedz vārpstas stabus un saplūst paralēli. Izveidojas kodola apvalks.

Rīsi. 2. Mitozes galvenie posmi.
No kreisās puses uz labo: hromosomu sablīvēšanās, vārpstas veidošanās; hromosomu izlīdzināšana gar šūnas ekvatoru,
vārpstas piestiprināšana pie centromēriem; hromatīdu kustība uz šūnas poliem.

Pēdējos gados izstrādātās sekvencēšanas metodes ir ļāvušas noteikt primāro DNS struktūru cilvēka un augļu mušu centromēru paplašinātām sekcijām. Drosophila un augi Arabidopsis. Izrādījās, ka gan cilvēku, gan augu hromosomās centromēra aktivitāte ir saistīta ar tandēmi organizētu DNS atkārtojumu (monomēru) bloku, kas ir līdzīga izmēra (170-180 nukleotīdu pāri, bp). Šādas sadaļas sauc par satelīta DNS. Daudzās sugās, tostarp tajās, kas atrodas evolucionāri tālu viena no otras, monomēru izmērs ir gandrīz vienāds: dažādu sugu pērtiķi - 171 np, kukurūza - 180 np, rīsi - 168 np, chironomus kukainis - 155 np. Varbūt tas atspoguļo vispārīgās prasības, būtiska centromēriskajai funkcijai.

Neskatoties uz to, ka cilvēka un Arabidopsis centromēru terciārā struktūra ir organizēta līdzīgi, primārās nukleotīdu secības (jeb nukleotīdu secība) to monomēros izrādījās pilnīgi atšķirīgas (3. att.). Tas ir pārsteidzoši hromosomas reģionam, kas veic tik svarīgu un universālu funkciju. Tomēr, analizējot centromēru molekulāro organizāciju Drosophilā, tika atklāts noteikts struktūras modelis, proti, aptuveni vienāda izmēra monomēru sekciju klātbūtne. Tādējādi Drosofilā X hromosomas centromērs sastāv galvenokārt no divu veidu ļoti īsiem vienkāršiem atkārtojumiem (AATAT un AAGAG), ko pārtrauc retrotransposoni (mobilie DNS elementi) un sarežģītāka DNS “salas”. Visi šie elementi tika atrasti Drosophila genomā un ārpus centromēriem, bet katram centromēram raksturīgas DNS sekvences tajos netika atrastas. Tas nozīmē, ka pašas centromēru DNS sekvences ir nepietiekamas un nevajadzīgas centromēra veidošanai.

Rīsi. 3. DNS struktūra cilvēka un augu centromēros.

Taisnstūri atbilst tandēmā sakārtotiem monomēriem ar identiskām nukleotīdu sekvencēm iekšpusē (primārā DNS struktūra). Dažādās sugās DNS monomēru primārā struktūra atšķiras, un sekundārā struktūra ir spirāle. Monomēru secība atspoguļo DNS augstāka līmeņa strukturālo organizāciju.

Šo pieņēmumu apstiprina arī centromēru aktivitātes izpausme ārpus normāliem centromēriem. Šādi neocentromēri uzvedas kā normāli centromēri: tie veido citoloģiski atšķiramu sašaurināšanos un veido kinetohorus, kas saistās ar olbaltumvielām. Tomēr divu cilvēka neocentromēru un parastā centromēra DNS analīze neatklāja kopīgas sekvences, kas norāda uz citu hromosomas strukturālo komponentu iespējamo lomu. Tie var būt histonu un nehistona proteīni, kas saistās ar DNS, veidojot hromatīna nukleosomu struktūru.

Centromēra hromatīna struktūras funkcionālo lomu apstiprina katrai bioloģiskajai sugai raksturīgo histona H3 variantu klātbūtne centromēriskajā hromatīnā: cilvēkiem tos sauc par CENP-A, augos - par CENH3. No daudzajiem proteīniem, kas atrodas kinetohorā, tikai divi, CENH3 un centromēriskais proteīns C (CENP-C), tieši saistās ar DNS. Iespējams, ka tas ir CENH3, kas mijiedarbojas ar citiem histoniem (H2A, H2B un H4), kas veido un nosaka centromēriem raksturīgo nukleosomu veidu. Šādas nukleosomas var kalpot kā sava veida enkuri kinetohoru veidošanai. Histona H3 varianti centromēros dažādi veidi līdzīgi kanoniskajai histona H3 molekulai mijiedarbības zonās ar citiem histona proteīniem (H2A, H2B, H4). Tomēr šķiet, ka centromēriskā histona H3 reģions, kas mijiedarbojas ar DNS molekulu, atrodas virzošās atlases ietekmē. Kā apspriests, centromēriskās DNS primārā struktūra atšķiras starp sugām, un ir ierosināts, ka centromēriskais histons H3 attīstās kopā ar centromēru DNS, īpaši Drosophila un Arabidopsis.

Henikoff un kolēģi ierosināja modeli, kas apraksta koordinētu DNS un olbaltumvielu evolūciju un noved pie optimāli funkcionējošu centromēru parādīšanās, izmantojot sieviešu dzimumšūnu dalīšanās piemēru. Kā zināms, mejozes procesā viena vecāka šūna divu secīgu dalījumu rezultātā rada četras meitas šūnas. Pēc tam tikai viens no viņiem pārvēršas par nobriedušu mātīti dzimumšūna(gamete), kas nodod ģenētisko informāciju nākamajai paaudzei, bet pārējās trīs šūnas mirst. Saskaņā ar šo modeli evolūcijas procesā mutāciju un citu mehānismu dēļ hromosomās veidojas centromēri ar garākiem satelīta DNS monomēru pavedieniem vai ar primāro nukleotīdu struktūru, kas ir labvēlīgāka saistīšanai un koordinētam darbam ar specifiskām histonu formām CENH3 un CENP-C var rasties. Turklāt dažiem organismiem (Arabidopsis, Drosophila) ir pierādījumi par pozitīvs spiediens tika iegūta atlase CENH3, savukārt citām sugām (graudaugiem, zīdītājiem) CENP-C (4.a att.). Rezultātā šādi centromēri ar uzlabotiem kinetohoriem kļūst “spēcīgāki” un var piestiprināties lielāks skaits vārpstas mikrotubulas (4.b att.). Ja gametās ir vairāk šādu “spēcīgu” centromēru, tad notiek meiotiskās piedziņas process, kas palielina šādu centromēru skaitu un jauna iespēja fiksēts populācijā.

Rīsi. 4. Modelis, kas izskaidro centromēru evolūciju.

Augšpusē – centromēri (pelēki ovāli) satur specializētu proteīnu komplektu (kinetohorus), tostarp histonus CENH3 (H) un CENP-C (C), kas savukārt mijiedarbojas ar vārpstas mikrotubulām (sarkanām līnijām). Dažādos taksonos viens no šiem proteīniem attīstās adaptīvi un saskaņoti ar centromēru primārās DNS struktūras atšķirībām.

Tālāk ir norādītas izmaiņas primārā struktūra vai centromēru DNS organizācija (tumši pelēks ovāls) var radīt spēcīgākus centromērus, kā rezultātā vairāk pievienotas mikrotubulas.

Salīdzinošā genomika palīdz izprast hromosomu centromērisko reģionu veidošanās un aktivitātes mehānismus. Unikāls daudzveidīgas centromēru struktūras piemērs ir 8. hromosoma rīsu genomā. Tajā kopā ar satelītu DNS atkārtojumiem un retrotransposoniem tika atrasti aktīvi transkribēti gēni; 48 no tiem bija sekvences ar augstu homoloģiju ar zināmiem proteīniem. Šie atklājumi atspēko viedokli, kas balstīts uz centromēru pētījumiem cilvēkiem, Drosophila un Arabidopsis, ka centromēros nav aktīvi strādājošu gēnu.

Ja iekšā molekulārā struktūra Tā kā dažādu eikariotu sugu centromēri satur dažas universālas īpašības (DNS organizācija tandēma veidā, salīdzinoši īsi monomēri un šiem lokusiem raksturīgi hromatīna proteīni), ir grūti noteikt jebkādus šo reģionu izmēru modeļus. Jā, raugā Saccharomyces cerevisiae 125 bp DNS sekcija tiek ņemta par minimālo funkcionālo centromēru un raugā Schizosaccharomyces pombe tas ir daudz sarežģītāks un garāks (no 40 līdz 120 tūkstošiem vārdu), tam ir vairāki organizācijas līmeņi. Cilvēkiem hromosomu centromēru galvenā sastāvdaļa - a-satelīta DNS - veido garus tandēmi organizētu monomēru pavedienus (no 250 tūkstošiem līdz 4 miljoniem bp). No 12 rīsu hromosomām 8. hromosomai ir visīsākais pavediena garums ar CentO satelītu (~64 tūkstoši bp); tika noteikta centromēra pozīcija un tā aptuvenais izmērs 2 miljoni bp. Bija iespējams iegūt pilnu šī centromēriskā reģiona DNS secību un tās ietvaros noteikt reģionu (~750 tūkst. bp), kurā tieši veidojas kinetohors. Galvenais CentO klasteris atrodas šajā apgabalā.

Centromēru ievērojamā plastiskums, jo īpaši aktīvie gēni, kas atrodami rīsu 8. hromosomas centromērā, liecina, ka nav stingras robežas starp centromēru un pārējo hromosomu un pat centromēra hromatīna izkliedētas struktūras iespējamība. Tomēr vairāku klasteru esamība hromosomu sašaurināšanās reģionā ir pretrunā nesen publicētajiem datiem par hromatīna barjeras klātbūtni starp pašu centromēru un pericentromērisko heterohromatīnu raugā. Schizosaccharomyces pombe. Barjera ir alanīna tRNS gēns. Barjeras secības dzēšana vai modificēšana noved pie pericentromēriskā heterohromatīna, kas pārvietojas ārpus tā parastajām robežām. Turklāt barjeras trūkums izraisa patoloģisku hromosomu segregāciju meiozē. Protams, jāatceras, ka šie interesantie rezultāti līdz šim attiecas tikai uz vienu rauga veidu.

Visām hromosomām ir divi pleci un atšķaidītā zona, kas atrodas starp tām - centromērs, vai primārais sašaurinājums. Primārā sašaurināšanās zonā atrodas kinetohors- plakana struktūra, kuras proteīni, mijiedarbojoties ar vārpstas mikrotubuliem, nodrošina hromosomu kustību šūnu dalīšanās laikā.

Metafāzes hromosomas struktūra:5 - centromērs; 6 - sekundārā sašaurināšanās; 7 - satelīts; 8 - hromatīdi; 9 - telomēri.

1 - metacentrisks; 2 - submetacentrisks; 3, 4 - akrocentrisks.

Metafāzes hromosoma sastāv no divām hromatīdām. Jebkurai hromosomai ir primārā sašaurināšanās (centromērs)(5), kas sadala hromosomu rokās.

Centromērs (primārā sašaurināšanās) - hromosomas reģions, ko raksturo noteikta nukleotīdu secība un struktūra. Centromērs piedalās māsu hromatīdu savienošanā, kinetohoru veidošanā, homologu hromosomu konjugācijā un ir iesaistīts gēnu ekspresijas kontrolē.

Runājot par hromosomu morfoloģiju, viņi ņem vērā sekojošām zīmēm: centromēra novietojums, roku garums, sekundāra sašaurināšanās un satelīta klātbūtne.

Atkarībā no centromēra stāvokļa cilvēka kariotipa izšķir hromosomas trīs veidi :

1. Metacentrisks, hromosomas vienādas rokas: primārais sašaurinājums (centromērs) atrodas hromosomas centrā (vidū), hromosomas rokas ir identiskas.

2. Submetacentrisks, gandrīz vienādroku hromosomas: centromērs atrodas netālu no hromosomas vidus, hromosomu plaukstas nedaudz atšķiras pēc garuma.

3. Akrocentrisks, ļoti nevienlīdzīgas hromosomas: centromērs atrodas ļoti tālu no hromosomas centra (vidus), hromosomu plecu garums ievērojami atšķiras.

Īso kredītplecu apzīmē ar burtu -

Garo plecu apzīmē ar burtu -

Dažām hromosomām ir sekundārais sašaurinājums(6) un satelīts ( satelīts) (7).

Sekundārā sašaurināšanās- hromosomas sadaļa, kas savieno pavadoni ar hromosomas ķermeni. Sekundārās konstrikcijas reģionā atrodas ribosomu RNS gēni, notiek rRNS sintēze, notiek kodola veidošanās un montāža. Tāpēc šo sekundāro sašaurināšanos sauc arī par nukleolāru organizētāju. Sekundārie sašaurinājumi var būt dažu hromosomu garajā rokā, bet citu īsajā rokā.

Sekundārā sašaurināšanās atšķiras no primārās, jo starp hromosomu segmentiem nav ievērojama leņķa.

Cilvēkiem hromosomām ir sekundāra sašaurināšanās 9, 13, 14, 15, 21 un 22.

Satelīts ( satelīts) - tas ir hromosomu segments, visbiežāk heterohromatisks, kas atrodas distālā attālumā no sekundārās sašaurināšanās. Autors klasiskās definīcijas satelīts - sfērisks ķermenis, kura diametrs ir vienāds ar hromosomas diametru vai mazāks par to, kas savienots ar hromosomu ar plānu pavedienu. Izšķir šādus: 5 veidu satelīti:

mikrosatelīti– sfēriskas formas, mazi pavadoņi, kuru diametrs ir uz pusi vai pat mazāks par hromosomas diametru;

makrosatelīti-pietiekami lielas formas pavadoņi, kuru diametrs pārsniedz pusi no hromosomas diametra;

lineārs- satelīti, kuriem ir gara hromosomu segmenta forma. Sekundārais sašaurinājums ir ievērojami noņemts no gala gala;

terminālis– pavadoņi, kas lokalizēti hromosomas galā;

interkalārs– satelīti, kas atrodas starp diviem sekundāriem sašaurinājumiem.

Hromosomas, kurām ir satelīts, sauc satelīts, tie parasti ir apzīmēti SAT hromosomas. Satelīta forma, izmērs un to savienojošais pavediens ir nemainīgi katrai hromosomai.

Satelīts kopā ar sekundāro vidukli veido satelīta zona.

Hromosomu galus sauc telomēri (9).

Telomēri(no sengrieķu τέλος - beigas un μέρος - daļa) - hromosomu gala sadaļas. Hromosomu telomēriskajiem reģioniem raksturīgs nespēja savienoties ar citām hromosomām vai to fragmentiem un veikt aizsargfunkciju.

Terminu “telomērs” 1932. gadā ierosināja G. Mēlers.

Cilvēkiem telomēriskā reģiona DNS ir atkārtoti atkārtota nukleotīdu secība 5"TTAGGG 3" vienā no DNS nukleotīdu ķēdēm.

Hromosomu funkcijas:

1) iedzimtas informācijas glabāšana,

2) iedzimtas informācijas ieviešana,

3) ģenētiskā materiāla pārnešana no mātes šūnas uz meitas šūnām.

Hromosomu noteikumi

1. Skaitļa noturība. Katra veida organisma somatiskajām šūnām ir stingri noteiktu skaitu hromosomas (cilvēkiem - 46, kaķiem - 38, Drosophila mušām - 8, suņiem -78, vistām -78).

2. Savienošana pārī. Katrai hromosomai somatiskajās šūnās ar diploīdu komplektu ir viena un tā pati homologa (identiska) hromosoma, identiska pēc izmēra un formas, bet atšķirīga pēc izcelsmes: viena no tēva, otra no mātes.

3. Individualitāte. Katrs hromosomu pāris atšķiras no otra pāra pēc izmēra, formas, mainīgām gaišām un tumšām svītrām.

4. Nepārtrauktība. Pirms šūnu dalīšanās DNS dubultojas, kā rezultātā veidojas 2 māsas hromatīdi. Pēc dalīšanās pa vienai hromatīdai nonāk meitas šūnās un līdz ar to hromosomas ir nepārtrauktas – no hromosomas veidojas hromosoma.