Ang istraktura ng metaphase chromosome. Centromere: lokasyon at papel sa paghihiwalay ng chromosome sa panahon ng mitosis at meiosis Mga function ng centromere

9, 2007

Centromeres at telomeres ng chromosomes

A.V. Vershinin

Alexander Vasilievich Vershinin, Doktor ng Biological Sciences, Chief Scientific Associate. Institute of Cytology at Genetics SB RAS.

Ngayon halos lahat ay alam kung ano ang mga chromosome. Ang mga nuclear organelle na ito, kung saan ang lahat ng mga gene ay naisalokal, ay bumubuo sa karyotype ng isang partikular na species. Sa ilalim ng isang mikroskopyo, ang mga chromosome ay mukhang pare-pareho, pinahabang madilim na mga istraktura na hugis baras, at ang larawang nakikita mo ay malamang na hindi mukhang isang nakakaintriga na tanawin. Bukod dito, ang mga paghahanda ng mga chromosome ng napakaraming buhay na nilalang na naninirahan sa Earth ay naiiba lamang sa bilang ng mga rod na ito at mga pagbabago sa kanilang hugis. Gayunpaman, mayroong dalawang katangian na karaniwan sa mga chromosome ng lahat ng species. Ang una ay ang pagkakaroon ng isang obligadong compression (o constriction) na matatagpuan alinman sa gitna o displaced sa isa sa mga dulo ng chromosome, na tinatawag na "centromere". Ang pangalawa ay ang presensya sa bawat dulo ng chromosome ng isang espesyal na istraktura - telomeres (Larawan 1). Ang iba't ibang mga gene na matatagpuan sa kahabaan ng mga braso (mga bahagi ng chromosome mula sa centromere hanggang sa pisikal na dulo) ng mga chromosome, kasama ang mga regulatory sequence ng DNA, ay may pananagutan sa pagsasagawa ng iba't ibang mga function. Tinitiyak nito ang pagiging natatangi ng genetic na impormasyon na naka-encode sa bawat braso ng bawat indibidwal na chromosome.

Ang mga rehiyon ng centromeric at telomeric ay sumasakop sa isang espesyal na posisyon, dahil gumaganap sila ng napakahalaga, ngunit ang parehong mga pag-andar sa mga chromosome ng lahat ng eukaryotic species. Maraming mga pag-aaral ang hindi pa nagbibigay ng isang malinaw na sagot sa tanong kung aling mga molekular na istruktura ang may pananagutan sa pagsasagawa ng mga pag-andar na ito at kung paano nila ginagawa ang mga ito, ngunit ang malinaw na pag-unlad sa direksyon na ito ay nakamit sa mga nakaraang taon.

Bago ang elucidation ng molekular na istraktura ng centromeres at telomeres, pinaniniwalaan na ang kanilang mga pag-andar ay dapat matukoy (naka-encode) sa pamamagitan ng unibersal at sa parehong oras na tiyak para sa mga rehiyong ito ng mga pagkakasunud-sunod ng DNA. Gayunpaman, ang direktang pagpapasiya ng pangunahing pagkakasunud-sunod ng nucleotide (pagsunud-sunod ng DNA) ay kumplikado sa katotohanan na ang mga rehiyong ito, bilang panuntunan, ay magkakasamang nabubuhay sa mga chromosome na may mga rehiyon na may mataas na konsentrasyon ng mga paulit-ulit na pagkakasunud-sunod ng DNA. Ano ang kilala ngayon tungkol sa mga functional na mahalagang rehiyon ng chromosome na ito?

Centromeres

Sa kalagitnaan ng huling siglo, maraming mga pag-aaral sa cytological ang nagpakita ng mapagpasyang papel ng centromere sa morpolohiya ng mga kromosom. Nang maglaon, natuklasan na ang centromere, kasama ang kinetochore (isang istraktura na pangunahing binubuo ng mga protina), ay responsable para sa tamang paghihiwalay ng mga chromosome sa mga anak na selula sa panahon ng cell division. Ang patnubay na papel ng centromere sa prosesong ito ay halata: pagkatapos ng lahat, ito ay dito na ang division spindle ay nakakabit, na, kasama ang mga cell center (pole), ay bumubuo ng cell division apparatus. Dahil sa pag-urong ng mga spindle strands, ang mga chromosome ay lumilipat patungo sa mga cell pole sa panahon ng paghahati.

Limang yugto ng paghahati ng selula (mitosis) ay karaniwang inilarawan. Para sa pagiging simple, tututuon natin ang tatlong pangunahing yugto sa pag-uugali ng mga chromosome ng isang cell na naghahati (Larawan 2). Sa unang yugto, ang unti-unting linear compression at pampalapot ng mga chromosome ay nangyayari, pagkatapos ay nabuo ang isang cell division spindle na binubuo ng mga microtubule. Sa pangalawa, ang mga chromosome ay unti-unting lumilipat patungo sa gitna ng nucleus at pumila sa kahabaan ng ekwador, marahil upang mapadali ang pagkakabit ng mga microtubule sa mga sentromer. Sa kasong ito, nawawala ang nuclear membrane. Sa huling yugto, ang mga halves ng chromosome - chromatids - hiwalay. Tila ang mga microtubule na nakakabit sa mga sentromere, tulad ng isang tugboat, ay hinihila ang mga chromatids patungo sa mga poste ng cell. Mula sa sandali ng divergence, ang dating kapatid na mga chromatid ay tinatawag na mga anak na chromosome. Naabot nila ang mga spindle pole at nagsasama-sama sa isang parallel pattern. Ang nuclear envelope ay nabuo.

kanin. 2. Mga pangunahing yugto ng mitosis.
Mula kaliwa hanggang kanan: chromosome compaction, pagbuo ng suliran; pagkakahanay ng mga kromosom sa kahabaan ng ekwador ng selula,
attachment ng spindle sa sentromere; paggalaw ng mga chromatid sa mga pole ng cell.

Sa maingat na pagmamasid, mapapansin ng isa na sa panahon ng proseso ng paghahati ng cell sa bawat chromosome, ang sentromere ay nasa pare-parehong posisyon. Ito ay nagpapanatili ng malapit na dynamic na koneksyon sa cell center (pol). Ang paghahati ng centromere ay nangyayari nang sabay-sabay sa lahat ng chromosome.

Ang mga pamamaraan ng pagkakasunud-sunod na binuo sa mga nakaraang taon ay naging posible upang matukoy ang pangunahing istruktura ng DNA ng mga pinahabang seksyon ng mga centromeres ng human at fruit fly. Drosophila at mga halaman Arabidopsis. Ito ay lumabas na sa mga chromosome ng parehong mga tao at halaman, ang centromeric na aktibidad ay nauugnay sa isang bloke ng magkasunod na organisadong pag-uulit ng DNA (monomer) na magkapareho sa laki (170-180 na mga pares ng nucleotide, bp). Ang mga nasabing seksyon ay tinatawag na satellite DNA. Sa maraming mga species, kabilang ang mga evolutionary na malayo sa bawat isa, ang laki ng mga monomer ay halos pareho: iba't ibang mga species ng monkeys - 171 np, mais - 180 np, bigas - 168 np, chironomus insekto - 155 np. Ito ay maaaring sumasalamin sa mga pangkalahatang kinakailangan para sa centromeric function.

Sa kabila ng katotohanan na ang tertiary na istraktura ng tao at Arabidopsis centromeres ay nakaayos nang katulad, ang mga pangunahing nucleotide sequence (o nucleotide order) sa kanilang mga monomer ay naging ganap na naiiba (Larawan 3). Ito ay nakakagulat para sa isang rehiyon ng chromosome na gumaganap ng isang mahalaga at unibersal na function. Gayunpaman, kapag pinag-aaralan ang molekular na organisasyon ng mga sentromere sa Drosophila, natuklasan ang isang tiyak na pattern ng istruktura, lalo na ang pagkakaroon ng mga seksyon ng mga monomer na humigit-kumulang sa parehong laki. Kaya, sa Drosophila, ang centromere ng X chromosome ay pangunahing binubuo ng dalawang uri ng napakaikling simpleng pag-uulit (AATAT at AAGAG), na nagambala ng mga retrotransposon (mga elemento ng mobile DNA) at "mga isla" ng mas kumplikadong DNA. Ang lahat ng mga elementong ito ay natagpuan sa Drosophila genome at sa labas ng mga sentromere, ngunit ang mga sequence ng DNA na katangian ng bawat sentromere ay hindi natagpuan sa kanila. Nangangahulugan ito na ang mga centromeric DNA sequence mismo ay hindi sapat at hindi kailangan para sa pagbuo ng isang centromere.

kanin. 3. Ang istraktura ng DNA sa sentromer ng tao at halaman.

Ang mga parihaba ay tumutugma sa magkasunod na organisadong mga monomer na may magkaparehong mga pagkakasunud-sunod ng nucleotide sa loob (pangunahing istruktura ng DNA). Sa iba't ibang mga species, ang pangunahing istraktura ng mga monomer ng DNA ay nag-iiba, at ang pangalawang istraktura ay isang helix. Ang pagkakasunud-sunod ng mga monomer ay sumasalamin sa mas mataas na antas ng istrukturang organisasyon ng DNA.

Ang pagpapalagay na ito ay nakumpirma rin sa pamamagitan ng pagpapakita ng aktibidad ng centromeric sa labas ng mga normal na sentromer. Ang ganitong mga neocentromeres ay kumikilos tulad ng mga normal na centromeres: sila ay bumubuo ng isang cytologically distinguishable constriction at bumubuo ng mga kinetochore na nagbubuklod sa mga protina. Gayunpaman, ang pagsusuri ng DNA ng dalawang neocentromeres ng tao at isang conventional centromere ay hindi nagpahayag ng mga karaniwang pagkakasunud-sunod, na nagpapahiwatig ng posibleng papel ng iba pang mga istrukturang bahagi ng chromosome. Maaari silang maging histone at non-histone na mga protina na nagbubuklod sa DNA, na bumubuo sa nucleosome na istraktura ng chromatin.

Ang functional na papel ng centromeric chromatin structure ay nakumpirma ng pagkakaroon ng histone H3 variants na tiyak para sa bawat biological species sa centromeric chromatin: sa mga tao ay tinatawag silang CENP-A, sa mga halaman - CENH3. Kabilang sa maraming mga protina na naroroon sa kinetochore, dalawa lamang, ang CENH3 at centromeric protein C (CENP-C), ay direktang nagbubuklod sa DNA. Marahil ito ay CENH3, na nakikipag-ugnayan sa iba pang mga histones (H2A, H2B at H4), na bumubuo at tumutukoy sa uri ng mga nucleosome na tiyak sa mga sentromer. Ang ganitong mga nucleosome ay maaaring magsilbi bilang isang uri ng mga anchor para sa pagbuo ng kinetochore. Ang mga variant ng histone H3 sa centromere ng iba't ibang species ay katulad ng canonical histone H3 molecule sa mga lugar ng pakikipag-ugnayan sa iba pang mga histone protein (H2A, H2B, H4). Gayunpaman, ang rehiyon ng centromeric histone H3 na nakikipag-ugnayan sa molekula ng DNA ay lumilitaw na nasa ilalim ng impluwensya ng pagpili sa pagmamaneho. Tulad ng tinalakay, ang pangunahing istraktura ng centromeric DNA ay naiiba sa pagitan ng mga species, at ang centromeric histone H3 ay iminungkahi na mag-coevolve sa centromeric DNA, lalo na sa Drosophila at Arabidopsis.

Ang pagtuklas ng centromeric histone H3 ay nagbigay ng matinding pananaw na ang centromeric na function at ang kumpletong kalayaan nito mula sa pangunahing istruktura ng DNA ay tinutukoy ng nucleosomal na organisasyon at ang histone na ito. Ngunit sapat ba ang mga salik na ito para sa buong aktibidad ng sentromere? Ang mga modelong hindi binabalewala ang papel ng pangunahing istruktura ng DNA ay dapat magpalagay ng random na pamamahagi ng mga pagbabago sa centromeric na istraktura ng DNA sa mga populasyon sa kawalan ng pagpili. Gayunpaman, ang pagsusuri ng satellite DNA sa mga sentromer ng tao at Arabidopsis natukoy ang mga conserved na rehiyon pati na rin ang mga rehiyon na may mas mataas kaysa sa average na pagkakaiba-iba, na nagpapahiwatig ng presyon ng pagpili sa centromeric DNA. Bilang karagdagan, ang mga artipisyal na centromeres ay nakuha lamang sa mga pag-uulit ng a-satellite ng tao na pinalakas mula sa mga natural na centromeres, ngunit hindi mula sa mga a-satellite ng mga rehiyon ng pericentromeric chromosome.

Ang mga modelo kung saan ang mapagpasyang salik sa pagtukoy sa posisyon ng centromere (pinapanatili mula sa henerasyon hanggang sa henerasyon) at ang mga tungkulin nito ay ang tersiyaryo (o mas mataas na pagkakasunud-sunod) na istraktura ng DNA ay nahaharap sa mas kaunting mga pangunahing paghihirap para sa pagpapaliwanag. Ang konserbatismo nito ay nagbibigay-daan para sa malalaking pagkakaiba-iba sa pagkakasunud-sunod ng nucleotide at hindi ibinubukod ang fine tuning ng pangunahing istraktura.

Sa mga nagdaang taon, naging malinaw na walang mga unibersal na pagkakasunud-sunod ng DNA na direktang tumutukoy sa mga pag-andar ng mga sentromere at telomere. Sa mga rehiyong ito ng mga chromosome, ang DNA ay nagsisilbing isang plataporma para sa pagpupulong ng mga kumplikado, multicomponent na DNA-protein complex, na nagsisiguro sa pagganap ng mga function na ito. Higit pang mga detalye tungkol sa komplementaryong organisasyon ng mga complex na ito at ang kanilang coordinated na paggana ay matatagpuan sa aming pagsusuri. Kasama ng mga bahaging partikular sa centromere at telomere ng mga complex na ito, kasama rin sa mga ito ang mga kasangkot sa pagsasagawa ng ilang mga function, minsan kahit na kabaligtaran. Halimbawa, ang Ku70/80 heterodimer ay bahagi ng telomeres at gumagana bilang isang positibong regulator ng haba ng telomere sa lebadura at isang negatibong regulator sa Arabidopsis. Kasabay nito, ang protina na ito ay kasangkot sa pagkilala ng mga chromosome break at ang kanilang pag-aayos. Walang pag-aalinlangan, ang isa sa mga pinaka-kaugnay na lugar ng pananaliksik ay upang matukoy ang molekular na kalikasan ng mga mekanismo ng regulasyon ng iba't ibang mga molekular na complex na nagsisiguro sa aktibidad ng mga sentromere at telomere.

Ang gawaing ito ay suportado ng Russian Foundation for Basic Research (proyekto 04-04-48813), INTAS (03-51-5908)
at ang Programa ng Mga Proyekto sa Pagsasama ng SB RAS (proyekto 45/2).

Panitikan

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

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

3. Wu J., Yamagata H., Hayashi-Tsugane M. et al.// Selula ng halaman. 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. Karagdagang pag-aaral sa kalikasan at mga sanhi ng mutation ng gene // Proc. Ika-anim na Int. Sinabi ni Congr. 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.

Ang centromere ay isang rehiyon ng isang chromosome na nailalarawan sa pamamagitan ng isang tiyak na pagkakasunud-sunod at istraktura ng nucleotide. Ang centromere ay gumaganap ng isang mahalagang papel sa proseso ng cell nuclear division at sa kontrol ng gene expression (ang proseso kung saan ang namamana na impormasyon mula sa isang gene ay na-convert sa isang functional na produkto - RNA o protina).

Ang centromere ay kasangkot sa koneksyon ng mga kapatid na chromatids, ang pagbuo ng kinetochore (isang istruktura ng protina sa chromosome kung saan ang mga spindle fibers ay nakakabit sa panahon ng cell division), ang conjugation ng mga homologous chromosome, at kasangkot sa kontrol ng expression ng gene.

Nasa rehiyon ng centromere na ang mga kapatid na chromatids ay konektado sa prophase at metaphase ng mitosis at homologous chromosomes sa prophase at metaphase ng unang dibisyon ng meiosis. Sa centromere, nabuo ang mga kinetochores: ang mga protina na nagbubuklod sa sentromere ay bumubuo ng isang attachment point para sa spindle microtubule sa anaphase at telophase ng mitosis at meiosis.

Ang mga paglihis mula sa normal na paggana ng centromere ay humahantong sa mga problema sa relatibong posisyon ng mga chromosome sa naghahati na nucleus, at bilang isang resulta, sa mga pagkagambala sa proseso ng chromosome segregation (ang kanilang pamamahagi sa pagitan ng mga cell ng anak na babae). Ang mga karamdamang ito ay humahantong sa aneuploidy, na maaaring magkaroon ng malubhang kahihinatnan (halimbawa, Down syndrome sa mga tao na nauugnay sa aneuploidy (trisomy) sa chromosome 21). Sa karamihan ng mga eukaryote, ang centromere ay walang tiyak na pagkakasunud-sunod ng nucleotide na naaayon dito. Karaniwan itong binubuo ng isang malaking bilang ng mga pag-uulit ng DNA (hal., satellite DNA) kung saan ang pagkakasunod-sunod sa loob ng mga indibidwal na elemento ng pag-uulit ay magkatulad ngunit hindi magkapareho.

Ang mga chromosome ng anak na babae ay bumubuo ng mga sentromer sa parehong mga lugar tulad ng mother chromosome, anuman ang likas na katangian ng pagkakasunud-sunod na matatagpuan sa sentromeric na rehiyon.

38. B- mga chromosome

Ang isang chromosome na naroroon sa chromosome set na labis sa normal na diploid na bilang ng mga chromosome ay naroroon sa karyotype lamang sa mga indibidwal na indibidwal sa populasyon.; Ang mga kromosom ng B ay kilala sa maraming halaman at (medyo hindi gaanong madalas) sa mga hayop, ang kanilang bilang ay maaaring mag-iba nang malaki (mula 1 hanggang ilang dosena); Ang B-chromosome ay kadalasang binubuo ng heterochromatin (ngunit maaaring maglaman, tila pangalawa, euchromatin) at genetically passive, bagaman maaari silang magkaroon ng mga side effect - halimbawa, sa mga insekto, ang pagkakaroon ng B-chromosome ay kadalasang nagdudulot ng pagtaas ng sperm aberrance; sa mga dibisyon ng cell maaari silang maging matatag, ngunit mas madalas na sila ay hindi matatag (kung minsan sila ay mitotically stable, ngunit sila ay hindi matatag sa meiosis, kung saan madalas silang bumubuo ng mga univalents); paminsan-minsan B chromosome ay isochromosomes; ang mga mekanismo ng paglitaw ng B chromosome ay iba - fragmentation, heterochromatinization ng mga sobrang chromosome pagkatapos ng maling anaphase segregation, atbp. Ipinapalagay na ang B chromosome ay unti-unting nawawala sa mga somatic cells bilang resulta ng iregularidad ng kanilang mana.

39 – Mga kromosom ng polytene

Mga higanteng interphase chromosome na lumitaw sa ilang uri ng mga dalubhasang selula bilang resulta ng dalawang proseso: una, maramihang pagtitiklop ng DNA na hindi sinamahan ng paghahati ng cell, at pangalawa, lateral conjugation ng mga chromatids. Ang mga cell na may polytene chromosome ay nawawalan ng kakayahang hatiin, sila ay naiiba at aktibong nagtatago, iyon ay, ang polytenization ng mga chromosome ay isang paraan upang madagdagan ang bilang ng mga kopya ng mga gene para sa synthesis ng anumang produkto. Ang mga polytene chromosome ay maaaring maobserbahan sa mga dipteran, sa mga halaman sa mga selula na nauugnay sa pag-unlad ng embryo, at sa mga ciliates sa panahon ng pagbuo ng macronucleus. Ang mga polytene chromosome ay tumataas nang malaki, na ginagawang mas madaling obserbahan ang mga ito at naging posible na pag-aralan ang aktibidad ng gene noong unang bahagi ng 1930s. Ang pangunahing pagkakaiba mula sa iba pang mga uri ng chromosome ay ang polytene chromosome ay interphase, habang ang lahat ng iba ay maaari lamang maobserbahan sa panahon ng mitotic o meiotic cell division.

Ang isang klasikong halimbawa ay ang mga higanteng chromosome sa mga cell ng salivary glands ng Drosophila melanogaster larvae. Ang pagtitiklop ng DNA sa mga cell na ito ay hindi sinasamahan ng cell division, na humahantong sa akumulasyon ng mga bagong gawang DNA strands. Ang mga thread na ito ay mahigpit na konektado sa kanilang haba. Bilang karagdagan, ang somatic synapsis ng mga homologous chromosome ay nangyayari sa mga glandula ng salivary, iyon ay, hindi lamang ang mga kapatid na chromatids ay nag-conjugate sa isa't isa, kundi pati na rin ang mga homologous na chromosome ng bawat pares ay nag-conjugate sa isa't isa. Kaya, sa mga selula ng mga glandula ng salivary ay maaaring maobserbahan ang isang haploid na bilang ng mga chromosome

40 – Mga kromosomang uri ng lampbrush

Ang mga chromosome ng lampbrush, na unang natuklasan ni W. Flemming noong 1882, ay isang espesyal na anyo ng mga chromosome na nakukuha nila sa lumalaking oocytes (mga babaeng germ cell) ng karamihan sa mga hayop, maliban sa mga mammal. Ito ay isang higanteng anyo ng chromosome na lumilitaw sa meiotic na mga babaeng selula sa yugto ng diplotene ng prophase I sa ilang mga hayop, partikular na ang ilang mga amphibian at ibon.

Sa lumalaking oocytes ng lahat ng mga hayop maliban sa mga mammal, sa panahon ng pinalawig na yugto ng diplotene ng prophase I ng meiosis, ang aktibong transkripsyon ng maraming mga pagkakasunud-sunod ng DNA ay humahantong sa pagbabago ng mga chromosome sa mga chromosome na hugis tulad ng mga brush para sa paglilinis ng mga baso ng lampara ng kerosene (mga chromosome ng uri ng lampara ng lampara). Ang mga ito ay mataas na decondensed semi-bivalents na binubuo ng dalawang kapatid na chromatids. Ang mga chromosome ng lampbrush ay maaaring obserbahan gamit ang light microscopy, na nagpapakita na ang mga ito ay nakaayos sa isang serye ng mga chromomere (naglalaman ng condensed chromatin) at ipinares na mga lateral loop na nagmumula sa kanila (naglalaman ng transcriptionally active chromatin).

Ang lampbrush chromosome ng mga amphibian at ibon ay maaaring ihiwalay mula sa oocyte nucleus gamit ang microsurgical manipulation.

Ang mga chromosome na ito ay gumagawa ng isang malaking halaga ng RNA, na na-synthesize sa mga lateral loops. Dahil sa kanilang napakalaking sukat at binibigkas na chromomere-loop na organisasyon, ang mga lampbrush chromosome ay nagsilbi sa loob ng maraming dekada bilang isang maginhawang modelo para sa pag-aaral ng organisasyon ng mga chromosome, ang paggana ng genetic apparatus at ang regulasyon ng expression ng gene sa panahon ng prophase meiosis I. Bilang karagdagan, ang mga chromosome ng ganitong uri ay malawakang ginagamit para sa pagmamapa ng mga pagkakasunud-sunod ng DNA na may mataas na antas ng resolusyon, pag-aaral ng hindi pangkaraniwang bagay ng transkripsyon ng mga pag-uulit ng tandem DNA na hindi naka-encode ng mga protina, pagsusuri sa pamamahagi ng chiasmata, atbp.

Ang mga ito ay double-stranded, replicated chromosome na nabuo sa panahon ng paghahati. Ang pangunahing pag-andar ng sentromere ay magsilbi bilang isang attachment site para sa mga hibla ng spindle. Ang spindle ay nagpapahaba ng mga cell at naghihiwalay ng mga chromosome upang matiyak na ang bawat bago ay makakatanggap ng tamang bilang ng mga chromosome kapag nakumpleto o.

Ang DNA sa sentromeric na rehiyon ng chromosome ay binubuo ng mahigpit na nakaimpake na DNA, na kilala bilang heterochromatin, na lubos na siksik at samakatuwid ay hindi na-transcribe. Dahil sa pagkakaroon ng heterochromatin, ang sentromere na rehiyon ay nabahiran ng mga tina na mas maitim kaysa sa ibang bahagi ng chromosome.

Lokasyon

Ang sentromere ay hindi palaging matatagpuan sa gitnang rehiyon ng chromosome (tingnan ang larawan sa itaas). Ang isang chromosome ay binubuo ng isang maikling braso (p) at isang mahabang braso (q), na nagsasama sa rehiyon ng sentromere. Ang centromeres ay maaaring matatagpuan malapit sa gitna o sa ilang mga posisyon sa kahabaan ng chromosome. Ang metacentric centromere ay matatagpuan malapit sa gitna ng mga chromosome. Ang mga submetacentric centromere ay inilipat sa isang gilid mula sa gitna, upang ang isang braso ay mas mahaba kaysa sa isa. Ang acrocentric centromere ay matatagpuan malapit sa dulo ng chromosome, at ang telocentric centromere ay matatagpuan sa dulo o sa telomere region ng chromosome.

Ang posisyon ng sentromere ay madaling makita sa karyotype ng tao. Ang Chromosome 1 ay isang halimbawa ng isang metacentric centromere, ang chromosome 5 ay isang halimbawa ng isang submetacentric centromere, at ang chromosome 13 ay isang halimbawa ng isang acrocentric centromere.

Chromosome segregation sa mitosis

Bago magsimula ang mitosis, ang cell ay pumapasok sa isang yugto na kilala bilang interphase, kung saan kinokopya nito ang DNA nito bilang paghahanda para sa paghahati ng cell. Ang mga kapatid na babae ay nabuo, na konektado sa kanilang mga sentromer.

Sa panahon ng prophase ng mitosis, ang mga dalubhasang lugar sa sentromer na tinatawag na kinetochores ay nakakabit ng mga kromosom sa mga hibla ng spindle. Ang mga kinetochore ay binubuo ng isang serye ng mga kumplikadong protina na bumubuo ng mga hibla ng kinetochore na nakakabit sa spindle. Ang mga hibla na ito ay tumutulong sa pagmamanipula at paghihiwalay ng mga chromosome sa panahon ng paghahati ng cell.

Sa yugto ng metaphase, ang mga chromosome ay gaganapin sa metaphase plate sa pamamagitan ng pantay na puwersa ng mga polar fibers, pagpindot sa mga sentromere.

Sa panahon ng anaphase, ang mga ipinares na centromeres sa bawat indibidwal na chromosome ay nagsisimulang maghiwalay sa isa't isa habang sila ay unang nakasentro sa kanilang sarili na may kaugnayan sa magkasalungat na pole ng cell.

Sa panahon ng telophase, ang mga bagong nabuo ay kinabibilangan ng mga indibidwal na anak na chromosome. Pagkatapos ng cytokinesis, dalawang magkaibang nabuo.

Chromosome segregation sa meiosis

Sa meiosis, ang cell ay dumaan sa dalawang yugto ng proseso ng paghahati (meiosis I at meiosis II). Sa panahon ng metaphase I, ang mga sentromer ng homologous chromosome ay nakatuon sa magkasalungat na pole ng mga cell. Nangangahulugan ito na ang mga homologous chromosome ay makakabit sa kanilang mga sentromeric na rehiyon sa mga spindle fibers na umaabot mula sa isa lamang sa dalawang pole ng cell.

Kapag ang mga hibla ng spindle ay umikli sa panahon ng anaphase I, ang mga homologous na chromosome ay hinihila patungo sa tapat ng mga cell pole, ngunit ang mga kapatid na chromatids ay nananatiling magkasama. Sa meiosis II, ang mga hibla ng spindle na umaabot mula sa parehong mga cell pole ay nakakabit sa mga kapatid na chromatid sa kanilang mga sentromer. Naghihiwalay ang mga sister chromatids sa anaphase II kapag hinihila sila ng mga hibla ng spindle patungo sa magkabilang pole. Ang Meiosis ay nagreresulta sa paghahati at pamamahagi ng mga chromosome sa apat na bagong anak na selula. Ang bawat cell ay naglalaman lamang ng kalahati ng bilang ng mga chromosome ng orihinal na cell.

Sa kalagitnaan ng huling siglo, maraming mga pag-aaral sa cytological ang nagpakita ng mapagpasyang papel ng centromere sa morpolohiya ng mga kromosom. Nang maglaon ay natagpuan na ang centromere, kasama ang kinetochore (isang istraktura na binubuo pangunahin ng mga protina), ay responsable para sa tamang pagkakaiba-iba ng mga chromosome sa mga anak na selula sa panahon ng cell division. Ang patnubay na papel ng centromere sa prosesong ito ay halata: pagkatapos ng lahat, ito ay dito na ang division spindle ay naka-attach, na, kasama ang mga cell center (pole), ay bumubuo ng apparatus ng cell division. Dahil sa pag-urong ng mga spindle strands, ang mga chromosome ay lumilipat patungo sa mga cell pole sa panahon ng paghahati.

kanin. 2. Ang mga pangunahing yugto ng mitosis.
Mula kaliwa hanggang kanan: chromosome compaction, pagbuo ng suliran; pagkakahanay ng mga kromosom sa kahabaan ng ekwador ng selula,
attachment ng spindle sa sentromere; paggalaw ng mga chromatid sa mga pole ng cell.

kanin. 3. Estruktura ng DNA sa sentromer ng tao at halaman.

Ang mga parihaba ay tumutugma sa magkasunod na organisadong mga monomer na may magkaparehong mga pagkakasunud-sunod ng nucleotide sa loob (pangunahing istruktura ng DNA). Sa iba't ibang mga species, ang pangunahing istraktura ng mga monomer ng DNA ay nag-iiba, at ang pangalawang istraktura ay isang helix. Ang pagkakasunud-sunod ng mga monomer ay sumasalamin sa mas mataas na antas ng istrukturang organisasyon ng DNA.

Iminungkahi ni Henikoff at mga kasamahan ang isang modelo na naglalarawan sa pinag-ugnay na ebolusyon ng DNA at mga protina at humahantong sa paglitaw ng pinakamainam na gumaganang sentromere gamit ang halimbawa ng babaeng germ cell division. Gaya ng nalalaman, sa proseso ng meiosis, ang isang parent cell ay nagbubunga ng apat na anak na selula sa pamamagitan ng dalawang magkakasunod na dibisyon. Kasunod nito, isa lamang sa kanila ang nagiging isang mature na babaeng reproductive cell (gamete), na nagpapadala ng genetic na impormasyon sa susunod na henerasyon, habang ang iba pang tatlong mga cell ay namamatay. Ayon sa modelong ito, sa proseso ng ebolusyon, dahil sa mga mutasyon at iba pang mga mekanismo sa mga chromosome, ang mga centromeres na may mas mahabang mga hibla ng satellite DNA monomers o may pangunahing istraktura ng nucleotide na mas nakakatulong sa pagbubuklod at coordinated na trabaho sa mga tiyak na anyo ng mga histones CENH3 at Maaaring lumitaw ang CENP-C. Bukod dito, sa ilang mga organismo (Arabidopsis, Drosophila), ang ebidensya para sa positibong presyon ng pagpili ay nakuha para sa CENH3, habang para sa iba pang mga species (cereal, mammal) para sa CENP-C (Fig. 4a). Bilang isang resulta, ang mga centromere na may pinahusay na kinetochore ay nagiging "mas malakas" at maaaring mag-attach ng mas malaking bilang ng mga spindle microtubule (Fig. 4b). Kung mayroong higit pang mga "malakas" na sentromere sa mga gametes, kung gayon ang isang proseso ng meiotic drive ay nangyayari, na nagpapataas ng bilang ng mga naturang centromeres, at isang bagong variant ay naayos sa populasyon.

kanin. 4. Modelong nagpapaliwanag sa ebolusyon ng mga sentromere.

Ang nangungunang - centromeres (gray ovals) ay naglalaman ng isang espesyal na hanay ng mga protina (kinetochores), kabilang ang mga histones CENH3 (H) at CENP-C (C), na nakikipag-ugnayan naman sa mga spindle microtubule (mga pulang linya). Sa iba't ibang taxa, ang isa sa mga protina na ito ay nagbabago nang adaptive at kasabay ng pagkakaiba-iba ng pangunahing istruktura ng DNA ng mga sentromere.

Ibaba - Ang mga pagbabago sa pangunahing istraktura o organisasyon ng centromeric DNA (dark grey oval) ay maaaring lumikha ng mas malakas na centromeres, na nagreresulta sa mas maraming microtubule na nakakabit.

Ang paghahambing na genomics ay tumutulong upang maunawaan ang mga mekanismo ng pagbuo at aktibidad ng mga sentromeric na rehiyon ng mga chromosome. Ang isang natatanging halimbawa ng magkakaibang istraktura ng centromere ay ang chromosome 8 sa rice genome. Kasama ng satellite DNA repeats at retrotransposons, ang aktibong na-transcribe na mga gene ay natagpuan sa loob nito; 48 sa kanila ay may mga sequence na may mataas na homology sa mga kilalang protina. Pinabulaanan ng mga natuklasang ito ang opinyon, batay sa mga pag-aaral ng centromeres sa mga tao, Drosophila at Arabidopsis, na walang aktibong gumaganang mga gene sa mga centromeres.

Kung ang molekular na istraktura ng centromeres ng iba't ibang eukaryotic species ay naglalaman ng ilang mga unibersal na katangian (organisasyon ng DNA sa anyo ng tandem, medyo maikling monomer at chromatin proteins na tiyak sa mga loci na ito), kung gayon mahirap matukoy ang anumang mga pattern sa laki ng mga rehiyong ito. . Oo, sa lebadura Saccharomyces cerevisiae ang isang 125 bp na seksyon ng DNA ay kinukuha bilang pinakamababang functional centromere, at sa yeast Schizosaccharomyces pombe ito ay mas kumplikado at mas mahaba (mula 40 hanggang 120 libong mga salita), ay may ilang mga antas ng organisasyon. Sa mga tao, ang pangunahing bahagi ng chromosome centromeres - a-satellite DNA - ay bumubuo ng mahabang mga hibla ng magkasunod na organisadong monomer (mula 250 libo hanggang 4 milyong bp). Sa 12 rice chromosome, ang chromosome 8 ay may pinakamaikling haba ng strand na may CentO satellite (~64 thousand bp); ang posisyon ng centromere at ang tinatayang sukat nito na 2 milyong bp ay natukoy. Posibleng makuha ang kumpletong pagkakasunud-sunod ng DNA ng sentromeric na rehiyong ito at sa loob nito upang matukoy ang rehiyon (~750 thousand bp) kung saan direktang nabuo ang kinetochore. Ang pangunahing CentO cluster ay matatagpuan sa lugar na ito.

Ang kapansin-pansing plasticity ng centromere, lalo na ang mga aktibong gene na matatagpuan sa centromere ng rice chromosome 8, ay nagpapahiwatig na walang mahigpit na hangganan sa pagitan ng centromere at ang natitirang bahagi ng chromosome at maging ang posibilidad ng isang dispersed na istraktura ng centromeric chromatin. Gayunpaman, ang pagkakaroon ng ilang mga kumpol sa rehiyon ng chromosomal constriction ay sinasalungat ng kamakailang nai-publish na data sa pagkakaroon ng isang chromatin barrier sa pagitan ng centromere mismo at pericentromeric heterochromatin sa yeast Schizosaccharomyces pombe. Ang hadlang ay ang alanine tRNA gene. Ang pagtanggal o pagbabago ng pagkakasunud-sunod ng hadlang ay humahantong sa pericentromeric heterochromatin na gumagalaw lampas sa mga normal na hangganan nito. Bukod dito, ang kawalan ng hadlang ay nagdudulot ng abnormal na paghihiwalay ng chromosome sa meiosis. Siyempre, dapat itong alalahanin na ang mga kagiliw-giliw na resulta sa ngayon ay may kinalaman lamang sa isang uri ng lebadura.

Ang lahat ng chromosome ay mayroon dalawang balikat at ang manipis na lugar na matatagpuan sa pagitan nila - sentromere, o pangunahing paghihigpit. Sa lugar ng pangunahing paghihigpit ay matatagpuan kinetochore- isang patag na istraktura, ang mga protina kung saan, nakikipag-ugnayan sa mga microtubule ng spindle, tinitiyak ang paggalaw ng mga chromosome sa panahon ng cell division.

Istraktura ng metaphase chromosome:5 - sentromere; 6 - pangalawang paghihigpit; 7 - satellite; 8 - chromatids; 9 - telomeres.

1 - metacentric; 2 - submetacentric; 3, 4 - acrocentric.

Metaphase chromosome binubuo ng dalawang chromatid. Ang anumang chromosome ay mayroon pangunahing constriction (centromere)(5), na naghahati sa chromosome sa mga braso.

Centromere (pangunahing paghihigpit) - isang rehiyon ng isang chromosome na nailalarawan sa pamamagitan ng isang tiyak na pagkakasunud-sunod at istraktura ng nucleotide. Ang centromere ay nakikibahagi sa koneksyon ng mga kapatid na chromatids, pagbuo ng kinetochore, conjugation ng mga homologous chromosome at kasangkot sa kontrol ng expression ng gene.

Kapag pinag-uusapan ang morpolohiya ng mga chromosome, ang mga sumusunod na katangian ay isinasaalang-alang: ang posisyon ng centromere, ang haba ng mga armas, ang pagkakaroon ng pangalawang constriction at isang satellite.

Depende sa posisyon ng centromere sa karyotype ng tao, ang mga chromosome ay nakikilala. tatlong uri :

1. Metacentric, pantay na mga braso ng chromosome: ang pangunahing constriction (centromere) ay matatagpuan sa gitna (gitna) ng chromosome, ang mga braso ng chromosome ay magkapareho.

2. Submetacentric, halos magkaparehong armado na mga chromosome: ang centromere ay matatagpuan malapit sa gitna ng chromosome, ang mga chromosome arm ay bahagyang naiiba sa haba.

3. Acrocentric, napaka hindi pantay na armadong chromosome: ang centromere ay napakalayo mula sa gitna (gitna) ng chromosome, ang mga braso ng chromosome ay nag-iiba nang malaki sa haba.

Ang maikling pagkilos ay tinutukoy ng titik -

Ang mahabang balikat ay itinalaga ng liham -

Ang ilang mga chromosome ay mayroon pangalawang paghihigpit(6) at satellite( satellite) (7).

Pangalawang paghihigpit- isang seksyon ng chromosome na nag-uugnay sa satellite sa katawan ng chromosome. Sa rehiyon ng pangalawang constriction, matatagpuan ang ribosomal RNA genes, nangyayari ang synthesis ng rRNA, at nangyayari ang pagbuo at pagpupulong ng nucleolus. Samakatuwid, ang pangalawang constriction na ito ay tinatawag ding nucleolar organizer. Ang pangalawang constriction ay maaaring nasa mahabang braso ng ilang chromosome, at sa maikling braso ng iba.

Ang pangalawang constriction ay naiiba mula sa pangunahing constriction sa kawalan ng isang kapansin-pansing anggulo sa pagitan ng mga chromosome segment.

Sa mga tao, ang mga chromosome ay may pangalawang constriction 9, 13, 14, 15, 21 at 22.

Satellite ( satellite) - ito ay isang chromosomal segment, kadalasang heterochromatic, na matatagpuan distal sa pangalawang constriction. Ayon sa mga klasikal na kahulugan, ang satellite ay isang spherical body na may diameter na katumbas o mas mababa sa diameter ng chromosome, na konektado sa chromosome sa pamamagitan ng manipis na sinulid. Ang mga sumusunod ay nakikilala: 5 uri ng satellite:

microsatellites– spheroidal ang hugis, maliliit na satellite na may kalahating diameter o mas mababa pa sa diameter ng chromosome;

macrosatellites– medyo malalaking anyo ng mga satellite na may diameter na higit sa kalahati ng diameter ng chromosome;

linear- mga satellite na may hugis ng mahabang chromosomal segment. Ang pangalawang constriction ay makabuluhang inalis mula sa dulo ng terminal;

terminal– mga satellite na naisalokal sa dulo ng chromosome;

intercalary– mga satellite na naisalokal sa pagitan ng dalawang pangalawang paghihigpit.

Ang mga chromosome na may satellite ay tinatawag satellite, sila ay karaniwang itinalaga Mga kromosom ng SAT. Ang hugis, laki ng satellite at ang thread na nagkokonekta dito ay pare-pareho para sa bawat chromosome.

Ang satellite kasama ang pangalawang baywang ay bumubuo lugar ng satellite.

Ang mga dulo ng chromosome ay tinatawag mga telomere (9).

Telomeres(mula sa sinaunang Greek τέλος - dulo at μέρος - bahagi) - ang mga terminal na seksyon ng mga kromosom. Ang mga telomeric na rehiyon ng chromosome ay nailalarawan sa pamamagitan ng kakulangan ng kakayahang kumonekta sa iba pang mga chromosome o sa kanilang mga fragment at gumaganap ng isang proteksiyon na function.

Ang terminong "telomere" ay iminungkahi ni G. Möller noong 1932.

Sa mga tao, ang DNA ng telomeric na rehiyon ay isang paulit-ulit na paulit-ulit na nucleotide sequence 5"TTAGGG 3" sa isa sa mga DNA nucleotide chain.

Mga function ng chromosome:

1) imbakan ng namamana na impormasyon,

2) pagpapatupad ng namamana na impormasyon,

3) paglilipat ng genetic material mula sa mother cell patungo sa daughter cells.

Mga panuntunan ng Chromosome

1. Katatagan ng bilang. Ang mga somatic cell ng katawan ng bawat species ay may mahigpit na tinukoy na bilang ng mga chromosome (sa mga tao - 46, sa mga pusa - 38, sa Drosophila ay lilipad - 8, sa mga aso - 78, sa mga manok - 78).

2. Pagpapares. Ang bawat chromosome sa somatic cells na may diploid set ay may parehong homologous (magkapareho) chromosome, magkapareho sa laki at hugis, ngunit magkaiba ang pinagmulan: ang isa ay mula sa ama, ang isa ay mula sa ina.

3. Pagkatao. Ang bawat pares ng chromosome ay naiiba sa iba pang pares sa laki, hugis, alternating light at dark stripes.

4. Pagpapatuloy. Bago ang paghahati ng cell, nagdodoble ang DNA upang bumuo ng 2 kapatid na chromatids. Pagkatapos ng paghahati, isang chromatid sa isang pagkakataon ang pumapasok sa mga cell ng anak na babae at, sa gayon, ang mga chromosome ay tuluy-tuloy - isang chromosome ay nabuo mula sa isang chromosome.