Rozšíril sa aforizmus Jacquesa Monoda: „Čo platí pre E. coli, platí aj pre iné baktérie (slona)“. Našťastie v skutočnosti veci nie sú také nudné. Donedávna bola všeobecne akceptovanou myšlienkou kruhová štruktúra bakteriálnych chromozómov. V roku 1989 bol však prvýkrát opísaný lineárny bakteriálny chromozóm u spirochéty Borrelia burgdorfery, ktorá bola identifikovaná elektroforézou v pulznom elektrickom poli. Veľkosť tohto genómu bola iba 960 kb. Čoskoro sa zistilo, že lineárne a kruhové chromozómy koexistujú súčasne v Agrobacterium tumefaciens, zatiaľ čo grampozitívne baktérie rodu Streptomyces, ktoré majú jeden z najväčších bakteriálnych genómov (~ 8000 kb), majú jeden lineárny chromozóm. Zdá sa, že aktinomycéta Rhodococcus fascians má tiež lineárny chromozóm. Lineárne chromozómy v baktériách často koexistujú s lineárnymi plazmidmi a sú v prírode široko distribuované.
Lineárne chromozómy a plazmidy najviac preštudovaných baktérií rodu Streptomyces obsahujú terminálne invertované repetície (TIR), ku ktorým sú kovalentne pripojené terminálne proteíny (TP). Napriek tomu, že takéto štruktúry sú charakteristické pre chromozómy adenovírusov a bakteriofága f29 Bacillus subtilis, mechanizmus replikácie chromozómov streptomycét sa výrazne líši od mechanizmu vírusových genómov. Ak sa vo vírusoch syntéza DNA iniciuje na konci chromozómu pomocou TP kovalentne naviazaného na nukleotid ako semeno a pokračuje celým genómom až na jeho koniec, potom replikácia chromozómu a lineárnych plazmidov streptomycét začína od vnútornej oblasti pôvod replikácie oriC. Syntéza DNA sa šíri oboma smermi od začiatku replikácie podľa štandardného semikonzervatívneho mechanizmu a končí na koncoch lineárnych molekúl DNA s tvorbou 3'-terminálnych medzier (obr. I.50, A). Najjednoduchším riešením problému vyplnenia tejto medzery by mohla byť priama iniciácia replikácie telomerických oblastí chromozómov z TP proteínu kovalentne naviazaného na iniciačný nukleotid, ktorý sa vyskytuje v adenovírusoch (pozri obr. I.50, b). Streptomycéty skutočne používajú TR na replikáciu telomerických oblastí; mechanizmus rozpoznávania telomér je však v tomto prípade výrazne odlišný. V súčasnosti sa zvažujú tri modely na vyplnenie medzier v telomerických oblastiach lineárnych bakteriálnych chromozómov.
Ryža. I.50. Model dokončenia telomerických oblastí chromozómov a plazmidov Streptomyces
A– štruktúra telomér po replikácii: horné vlákno DNA je úplne replikované, spodné vlákno má jednovláknovú medzeru, sú označené štyri palindromické nukleotidové sekvencie; b– nepravdepodobný mechanizmus zahŕňajúci terminálny proteín a DNA polymerázu; c–d– alternatívne replikačné modely založené na iných mechanizmoch. 1 - koncový proteín 2 - DNA polymeráza, 3 - palindróm, 4 - materské vlákno DNA 5 - detská reťaz 6 – reparatívna syntéza
Podľa prvého modelu jednovláknová oblasť teloméry obsahujúca sekvenciu TIR tvorí koncovú vlásenku prostredníctvom komplementárnych interakcií nukleotidov vo vnútorných oblastiach medzery a 3'-koncových nukleotidov (pozri obr. I.50, V). V tomto prípade sa syntéza DNA, opravujúca jednovláknovú medzeru, iniciuje v dvojvláknovej oblasti tvorenej palindromickými sekvenciami I-IV za účasti TP a DNA polymerázy a pokračuje pozdĺž 3'-koncovej jednovláknovej oblasti chromozómu. Podľa druhého modelu TR iniciuje replikáciu na plne dvojvláknovej dcérskej DNA, pričom vytesňuje 5'-koncový reťazec rodičovskej DNA, ku ktorému je TR pridružený (pozri obr. 1.50, G). Vytesnené vlákno sa potom spáruje s vyčnievajúcim 3' koncom chromozómu, po čom sa táto rozvetvená štruktúra rozloží homológnou rekombináciou. Tento model predpokladá účasť na vypĺňaní medzier proteínu RecA (na prenos reťazca DNA) a génových produktov ruv(na vyriešenie štruktúry Holiday), ktorá je podporená genetickými údajmi. V treťom modeli jednovláknový palindróm I tvorí vlásenku, ktorej 3' koniec slúži ako primér pre syntézu DNA, ktorý vypĺňa medzeru (pozri obrázok I.50, d). TR tvorí jednovláknový zlom oproti pôvodnému 3' koncu, čo je primér pre následnú syntézu DNA. V dôsledku toho sa vlásenka rozvinie a obnoví sa štruktúra telomér. Tento model je podobný modelu "rolling hairpin" navrhnutého na vysvetlenie replikačného mechanizmu genómu parvovírusu. V tomto modeli sa úloha TR líši od jeho funkcie ako semenného proteínu v príkladoch diskutovaných vyššie.
Nie je známe, koľko foriem lineárnych bakteriálnych chromozómov existuje v prírode. Neskúmali sa ani taxonomické problémy spojené s topológiou chromozómov v kráľovstve eubaktérií. Ak je každý typ chromozómov charakteristický pre samostatnú taxonomickú doménu, potom možno predpokladať, že topológia chromozómov hrá dôležitú úlohu vo vývoji baktérií. Alternatívne môžu byť topologické výmeny chromozómov relatívne častými udalosťami a lineárne a kruhové chromozómy sú prítomné iba v blízko príbuzných bakteriálnych druhoch. Nestabilita chromozómov streptomycét (tvorba rozšírených delécií a amplifikácia nukleotidových sekvencií) bola v poslednom čase spojená s prestavbami v ich terminálnych oblastiach, z ktorých niektoré boli sprevádzané tvorbou kruhových chromozómov. Evolučnú úlohu topológie bakteriálnych chromozómov teda možno určiť len ako výsledok budúcich štúdií.
eukaryotické replikátory
Eukaryotické chromozómy obsahujú lineárne molekuly DNA, a preto pretrvávajú rovnaké problémy spojené s ich replikáciou, o ktorých sa hovorilo v súvislosti s reprodukciou lineárnych bakteriálnych chromozómov. Problémy, ktoré musia eukaryotické bunky riešiť pri replikácii svojich chromozómov, sú však nepochybne závažnejšie, keďže veľkosť v nich obsiahnutej DNA výrazne presahuje veľkosť chromozomálnej DNA bakteriálnych buniek. Navyše, vzhľadom na mnohobunkovosť väčšiny eukaryotov, vzniká potreba jemnejšej koordinácie replikácie DNA v jednotlivých plne diferencovaných a diferencujúcich sa bunkách, čo je jedným z hlavných cieľov regulácie bunkového cyklu u týchto organizmov. V tomto ohľade je organizácia replikácie DNA v eukaryotoch charakterizovaná množstvom významných znakov.
Ryža. I.51. Štruktúra kvasinkových replikátorov S. cerevisiae
Naznačené je vzájomné usporiadanie rôznych regulačných prvkov v replikátoroch. ARS1, ARS307 A ARS305. ACS, kanonická sekvencia ARS; DUE, prvok odvíjania DNA. Dolné indexy označujú príslušnosť regulačných prvkov k zodpovedajúcim replikátorom
Iniciácia replikácie u eukaryotov nastáva na špecifických viacnásobných nukleotidových sekvenciách – replikátoroch. Najviac študované sú kvasinkové replikátory S . cerevisiae, najprv identifikované ako autonómne sa replikujúce sekvencie ( ARS autonómne sa replikujúce sekvencie) schopné podporovať replikáciu extrachromozomálnych plazmidov v kvasinkových bunkách. Štúdia štruktúry ARS1 ukázali, že tento chromozomálny prvok pozostáva z niekoľkých krátkych regulačných sekvencií. Podobná organizácia je charakteristická aj pre ostatné ARS kvasnice (obr. I.51). najmä ARS307 okrem kanonickej postupnosti ACS, spoločné pre všetkých ARS, obsahujú ďalšie dva prvky - B1 a B2, ktoré sú potrebné na to, aby replikátor vykonával svoje funkcie in vivo. Hoci tieto sekvencie nie sú striktne konzervované medzi replikátormi, sú funkčne zameniteľné v rámci skupín (B1, B2, atď.). Zmena polohy vo vzťahu k ACS bráni ich fungovaniu.
Prvým krokom pri iniciácii replikácie v kvasinkách je interakcia regulačných sekvencií replikátora s najmenej šiestimi rôznymi proteínmi, ktoré tvoria komplex, ktorý rozpoznáva komplex na rozpoznávanie pôvodu (ORC). ARS určuje miesto iniciácie replikácie v kvasinkových bunkách. Prvok B3 ARS1 interaguje s proteínom Abf1, ktorý stimuluje replikáciu s doménou charakteristickou pre proteíny aktivátora transkripcie, zatiaľ čo B1 interaguje s ORC. Zostávajúce regulačné sekvencie kvasinkového počiatku replikácie tvoria predtým neznámy pomenovaný prvok DNA odvíjací element DUE(prvok na odvíjanie DNA), o ktorom sa predpokladá, že uľahčuje odvíjanie reťazcov DNA počas iniciácie replikácie. Bodové mutácie v prvku B2 neovplyvňujú funkcie replikátora, čo je spoločná vlastnosť štruktúrnych prvkov, kým mutácie v ACS, B1 a B3 narúšajú iniciáciu replikácie, ako by sa dalo očakávať od regulačných prvkov nukleových kyselín interagujúcich s proteínmi.
Štúdie replikátorov v kvasinkách S. pombe ukázali, že pôvod replikácie ura4 zahŕňa tri samostatné replikátory, ktoré sú umiestnené na 5 kb úseku DNA. U cicavcov sú počiatky replikácie vzdialené ~100 kb. jeden od druhého; niektoré z nich už boli klonované a študované na molekulárnej úrovni. Zistilo sa, že syntéza DNA v jednotlivých replikónoch prebieha v dvoch smeroch a pohyb replikačnej vidlice sa uskutočňuje prednostne jedným smerom, ktorý sa môže meniť v závislosti od štádia vývoja organizmu a úrovne expresie génov obsahujúcich replikátory. Frekvencia používania jednotlivých replikátorov sa počas ontogenézy mení, v bunkách dospelého organizmu klesá. Porovnanie primárnych štruktúr šiestich jednotlivých eukaryotických replikátorov ukázalo, že všetky obsahujú DUE-prvky, miesta pripojenia jadrovej matrice (SAR/MAR), kanonické ARS kvasinkové sekvencie, pyrimidínové trakty a predtým neidentifikovanú kanonickú sekvenciu WAWTTDDWWWDHWGWHMAWTT, kde W = A/T, D = A/C/T, H = A/C/T a M = A/C. Existujú samostatné správy, že živočíšne replikátory obsahujú purínové trakty, kanonické sekvencie interagujúce s transkripčnými faktormi a proteínmi replikačného komplexu, oktamérny motív zosilňovača, väzbové miesta pre onkogénne produkty, sekvencie bohaté na AT a ohnuté oblasti DNA. V súčasnosti nie je celkom jasné, aký priamy vzťah majú všetky tieto regulačné sekvencie k iniciácii replikácie DNA. Predpokladá sa, že mnohé z nich sú zapojené do regulácie transkripcie (a teda regulácie génovej expresie) ako takej, keďže väčšina v súčasnosti známych replikátorov sa nachádza v 5'-terminálnych sekvenciách funkčných génov.
Schéma štruktúry chromozómu v neskorej profáze metafázy mitózy. 1 - chromatid; 2 - centroméra; 3 - krátke rameno; 4 - dlhé rameno.
Sada ľudských chromozómov.
Chromozómy sú nukleoproteínové štruktúry v jadre eukaryotickej bunky, ktoré sú ľahko viditeľné v určitých fázach bunkového cyklu. Chromozómy predstavujú vysoký stupeň kondenzácie chromatínu, ktorý je neustále prítomný v bunkovom jadre. Tento termín bol pôvodne navrhnutý tak, aby označoval štruktúry nachádzajúce sa v eukaryotických bunkách, no v posledných desaťročiach sa čoraz viac hovorí o bakteriálnych chromozómoch. Chromozómy obsahujú väčšinu genetickej informácie.
Základom chromozómu je lineárna makromolekula kyseliny deoxyribonukleovej značnej dĺžky. V natiahnutej forme môže dĺžka ľudského chromozómu dosiahnuť 5 cm, okrem toho obsahuje päť špecializovaných proteínov H1, H2A, H2B, H3 a H4 a množstvo nehistónových proteínov. Aminokyselinová sekvencia histónov je vysoko konzervovaná a prakticky sa nelíši v rôznych skupinách organizmov.
V interfáze chromatín nie je kondenzovaný, ale aj v tomto čase sú jeho vlákna komplexom DNA a proteínov. Makromolekula DNA sa obopína okolo oktomérov histónových proteínov H2A, H2B, H3 a H4 a vytvára štruktúry nazývané nukleozómy. Vo všeobecnosti celý dizajn trochu pripomína korálky. Sekvencia takýchto nukleozómov spojených proteínom H1 sa nazýva jadrové vlákno alebo nukleozomálne vlákno s priemerom približne 10 nm.
V skorej interfáze je každý z budúcich chromozómov založený na jednej molekule DNA. Vo fáze syntézy vstupujú molekuly DNA do procesu replikácie a zdvojenia. V neskorej interfáze pozostáva základ každého chromozómu z dvoch identických molekúl DNA vytvorených ako výsledok replikácie a vzájomne prepojených v oblasti centromerickej sekvencie.
Pred začiatkom delenia bunkového jadra sa chromozóm, v tomto momente reprezentovaný reťazcom nukleozómov, začne špirálovať, čiže zbaľovať, pričom pomocou proteínu H1 vytvorí hrubšie chromatínové vlákno alebo chromatídu s priemerom 30 nm. V dôsledku ďalšej špirály priemer chromatíd dosiahne v čase metafázy 700 nm. Značná hrúbka chromozómu v štádiu metafázy napokon umožňuje vidieť ho vo svetelnom mikroskope. Kondenzovaný chromozóm vyzerá ako X, pretože dve chromatidy vyplývajúce z replikácie sú stále navzájom spojené na centromére.
Chromozomálna konstrikcia, v ktorej je lokalizovaná centroméra a ktorá rozdeľuje chromozóm na ramená.
Morfologický znak, ktorý umožňuje identifikovať jednotlivé chromozómy v sade. Líšia sa od primárneho zúženia v neprítomnosti viditeľného uhla medzi segmentmi chromozómu. Sekundárne zúženia sú krátke a dlhé a sú lokalizované v rôznych bodoch pozdĺž dĺžky chromozómu. U ľudí ide o 13, 14, 15, 21 a 22 chromozómov.
Existujú štyri typy chromozómovej štruktúry:
Typ chromozómu je konštantný pre každý homológny chromozóm a môže byť konštantný u všetkých zástupcov rovnakého druhu alebo rodu.
Satelit je zaoblené alebo predĺžené telo oddelené od hlavnej časti chromozómu tenkým chromatínovým vláknom, ktorého priemer je rovnaký alebo mierne menší ako chromozóm. Chromozómy, ktoré majú spoločníka, sa bežne označujú ako chromozómy SAT. Tvar, veľkosť satelitu a vlákno, ktoré ho spája, sú pre každý chromozóm konštantné.
Zóny jadierka sú špeciálne oblasti, s ktorými je spojený výskyt niektorých sekundárnych zúžení.
Chromoném je špirálovitá štruktúra, ktorú možno vidieť v dekompaktovaných chromozómoch prostredníctvom elektrónového mikroskopu. Prvýkrát ho pozoroval Baranetsky v roku 1880 v chromozómoch prašníkov Tradescantia, termín zaviedol Veydovsky. Chromonema môže pozostávať z dvoch, štyroch alebo viacerých vlákien v závislosti od skúmaného objektu. Tieto vlákna tvoria špirály dvoch typov:
K porušeniu štruktúry chromozómov dochádza v dôsledku spontánnych alebo vyvolaných zmien.
V roku 1989 bol opísaný lineárny bakteriálny chromozóm v spirochéte Borrelia burgdorfery, ktorá bola identifikovaná elektroforézou v pulznom elektrickom poli. Veľkosť genómu bola iba 960 kb. Zistilo sa, že lineárne a kruhové chromozómy koexistujú súčasne v Agrobacterium tumefaciens a grampozitívne baktérie rodu Streptomyces, ktoré majú jeden z najväčších bakteriálnych genómov (asi 8000 kb), majú jeden lineárny chromozóm. Zdá sa, že zástupca aktinomycét Rhodococcus fascians má tiež lineárny chromozóm. Lineárne chromozómy v baktériách často koexistujú s lineárnymi plazmidmi a sú v prírode široko distribuované.
Lineárne chromozómy a plazmidy najviac preštudovaných baktérií rodu Streptomyces obsahujú terminálne invertované repetície (TIR), ku ktorým sú kovalentne pripojené terminálne proteíny (TP). Napriek tomu, že takéto štruktúry sú charakteristické pre chromozómy adenovírusov a bakteriofág psi29 Bacillus subtilis, mechanizmus replikácie chromozómov streptomycét sa výrazne líši od mechanizmu vírusových genómov. Ak sa syntéza DNA vo vírusoch iniciuje na konci chromozómu pomocou TP kovalentne naviazaného na nukleotid ako semeno a pokračuje celým genómom až na jeho koniec, potom replikácia chromozómu a plazmidov lineárnych streptomycét začína od vnútornej oblasti pôvod replikácie oriC .
Syntéza DNA sa šíri obojsmerne od začiatku replikácie podľa štandardného semikonzervatívneho mechanizmu a končí na koncoch lineárnych molekúl DNA s tvorbou 3"-terminálnych medzier (obr. I.50, a). Najjednoduchšie riešenie problémom vyplnenia tejto medzery by mohla byť priama iniciačná replikácia telomerických oblastí chromozómov z TP proteínu kovalentne naviazaného na iniciačný nukleotid, ktorá prebieha v adenovírusoch (obr. 1.50, b) Streptomycéty skutočne využívajú TP na replikáciu telomerických oblasti, mechanizmus rozpoznávania telomér je však v tomto prípade výrazne odlišný.Existujú tri modely na vyplnenie medzier v telomerických oblastiach lineárnych bakteriálnych chromozómov.
Nie je známe, koľko foriem lineárnych bakteriálnych chromozómov existuje v prírode. Neskúmali sa ani taxonomické problémy spojené s topológiou chromozómov v kráľovstve eubaktérií. Ak je každý typ chromozómov charakteristický pre samostatnú taxonomickú doménu, potom možno predpokladať, že topológia chromozómov hrá dôležitú úlohu vo vývoji baktérií. Alternatívne môžu byť topologické výmeny chromozómov relatívne častými udalosťami a lineárne a kruhové chromozómy sú prítomné iba v blízko príbuzných bakteriálnych druhoch. Nestabilita chromozómov streptomycét (tvorba rozšírených delécií a amplifikácia nukleotidových sekvencií) je spojená s prestavbami v ich koncových úsekoch, z ktorých niektoré boli sprevádzané tvorbou kruhových chromozómov.
Nájdeme odpoveď na túto otázku a tiež určíme, aké dôležité sú pre živé organizmy. Aký je mechanizmus ich umiestnenia a konštrukcie?
Chromozómy sú dôležitou súčasťou génového mechanizmu. Pôsobia ako úložisko DNA. Niektoré vírusy majú jednovláknové molekuly, ale vo väčšine prípadov sú dvojvláknové a sú lineárne alebo uzavreté v kruhu. Ale DNA sa nachádza v chromozómoch výlučne v bunkových organizmoch. To znamená, že toto ukladanie sa nepoužíva vo vírusoch v obvyklom zmysle, pretože takú úlohu zohráva samotný mikroorganizmus. Keď sú zvinuté, molekuly sú umiestnené kompaktnejšie. Chromozómy sú tvorené chromatínom. Ide o špeciálne vlákno, ktoré vzniká, keď sa eukaryotická DNA obalí okolo špeciálnych proteínových častíc nazývaných históny. Sú umiestnené v určitom intervale, takže štruktúra je stabilná.
Sú hlavnými štrukturálnymi prvkami bunkového jadra. Vďaka schopnosti sebareplikácie môžu chromozómy poskytnúť genetické spojenie medzi generáciami. Treba poznamenať rozdiel v ich dĺžke u rôznych zvierat a ľudí: ich veľkosť sa môže meniť od zlomkov po desiatky mikrónov. Ako chemický základ pre konštrukciu sa používajú nukleoproteíny, ktoré sa tvoria z proteínov, ako sú protamíny a históny. Chromozómy sú neustále v A to platí pre všetky možné vyššie formy života. Vyššie uvedené tvrdenie o tom, kde sú chromozómy v živočíšnej bunke, sa teda dá aplikovať na rastliny s presne rovnakou istotou. Pozrite sa von oknom. Aké stromy za ním môžete vidieť? Lipa, dub, breza, orech? Alebo možno kríky ríbezlí a malín? Pri odpovedi na otázku, kde sú chromozómy v rastlinách, ktoré boli uvedené, môžeme povedať, že sú na rovnakom mieste ako v živočíšnych organizmoch - v r.
Vlastníkom je mnohobunkový eukaryot, ktorý sa skladá z genómu otca a matky. Prostredníctvom procesu meiózy sa navzájom konjugujú. Tým je zabezpečená plynulosť procesu výmeny úsekov - prejazd. Párenie je v týchto prípadoch možné.Je to nevyhnutné na zabezpečenie fungovania génov v bunkách, ktoré sa nedelia, ale sú v pokojovom stave. Dôsledkom toho je, že chromozómy sú v jadre a aby mohli pokračovať vo funkcii delenia, nesmú opustiť jeho hranice. Samozrejme, nájsť nukleotidové zvyšky v samotnej bunke nie je ťažké. Ale vo väčšine prípadov je to buď genóm v mitochondriách, alebo oddelené časti celku, ktoré sa odlomili a teraz sú vo „voľnom plávaní“. Je veľmi ťažké stretnúť sa s kompletným chromozómom mimo jadra. A ak sa tak stane, je to len kvôli fyzickému poškodeniu.
Toto je názov celej sady chromozómov, ktoré sú v jadre bunky. Každý biologický druh má svoj stály a charakteristický súbor, ktorý sa počas evolúcie zafixoval. Môže byť dvoch typov: jednoduchý (alebo haploidný, vyskytujúci sa u zvierat) a dvojitý (alebo diploidný). Sady sa líšia počtom chromozómov, ktoré sú v nich prítomné. Takže u koní je ich počet dva. Ale v prvokoch a niektorých spórových rastlinách môže ich počet dosiahnuť tisíce. Mimochodom, ak hovoríme o tom, kde sú chromozómy v baktériách, treba poznamenať, že aj oni sa spravidla nachádzajú v jadre, ale je tiež možné, že budú „voľne“ plávať v cytoplazme. Ale to platí len pre jednobunkovce. Okrem toho sa líšia nielen množstvom, ale aj veľkosťou. Človek má v sade 46 chromozómov.
Priamo to súvisí s ich špirálovitosťou. Takže, keď sú v medzifázovom štádiu, sú najviac nasadené. Ale na začiatku procesu delenia sa chromozómy začnú intenzívne skracovať tým, že sa uskutočnia ich spiralizácia. Najväčší stupeň tohto stavu pripadá na štádium metafázy. Vytvárajú sa na ňom pomerne krátke a husté štruktúry. Metafázový chromozóm sa tvorí z dvoch chromatidov. Tie zase pozostávajú z takzvaných elementárnych filamentov (chromonem).
Rozlišujú sa v závislosti od umiestnenia centroméry (primárna konstrikcia). Ak sa táto zložka stratí, chromozómy stratia svoju schopnosť deliť sa. A tak primárna konstrikcia rozdeľuje chromozóm na dve ramená. Môžu sa vytvoriť aj sekundárne (v tomto prípade sa získaný výsledok nazýva satelit). Každý druh organizmov má svoje špecifické (číselne, veľkosťou alebo tvarom) sady chromozómov. Ak je dvojitý, potom je označený ako karyotyp.
Tieto nosiče prvýkrát opísal I.D. Chistyakov v roku 1874. V roku 1901 Wilson upozornil na prítomnosť paralelizmu v ich správaní. Potom sa zameral na mendeleovské faktory dedičnosti pri meióze a oplodnení a dospel k záveru, že gény sa nachádzajú na chromozómoch. V rokoch 1915-1920 to Morgan a jeho spolupracovníci dokázali. Na chromozómoch Drosophila lokalizovali niekoľko stoviek génov, čím vytvorili prvú genetickú mapu. Údaje získané v tom čase tvorili základ celého následného rozvoja vedy v tomto smere. Aj na základe týchto informácií bola vyvinutá chromozomálna teória dedičnosti, podľa ktorej je vďaka týmto konkrétnym nosičom zabezpečená kontinuita buniek a celých organizmov.
Výskum pokračoval a počas biochemických a cytochemických experimentov v 30. – 50. rokoch minulého storočia sa zistilo, z čoho sa skladajú. Ich zloženie je:
Chromozómy sa tvoria z deoxyribonukleoproteínových vlákien. Môžu byť združené. V roku 1953 bola budova otvorená a mechanizmus jej automatickej reprodukcie bol demontovaný. Získané poznatky o jadrovom kóde slúžili ako základ pre vznik novej vedy – genetiky. Teraz nielenže vieme, kde sa chromozómy v bunke nachádzajú, ale máme aj predstavu o tom, z čoho sú vyrobené. Keď sa v bežných každodenných rozhovoroch hovorí o dedičnom aparáte, väčšinou majú na mysli jednu DNA, no teraz už viete, že je to len jej súčasť.
Gény, ktoré sú zodpovedné za pohlavie cicavca (vrátane človeka), sú v špeciálnom páre. Môžu existovať aj iné prípady organizácie, v ktorých je všetko určené pomerom jednotlivých typov pohlavných chromozómov. Zvieratá s týmto typom definície sa nazývajú autozómy. U ľudí (a tiež iných cicavcov) je ženské pohlavie určené rovnakými chromozómami, ktoré sú označené ako X. Pre mužov sa používajú X a Y. Ako však prebieha výber pohlavia dieťaťa? Spočiatku dozrieva nositeľka (vajíčko), v ktorom sa nachádza X. A pohlavie je vždy určené obsahom spermatocytov. Obsahujú chromozómy X aj Y v rovnakých pomeroch (plus/mínus). Pohlavie nenarodeného dieťaťa závisí od nosiča, ktorý ako prvý oplodní. A ako výsledok sa môže objaviť buď žena (XX), alebo muž (XY). Takže sme nielen zistili, kde sa nachádzajú ľudské chromozómy, ale prišli sme aj na vlastnosti ich umiestnenia a kombinácie pri vytváraní nového organizmu. Stojí za zmienku, že tento proces je trochu uľahčený v jednoduchších formách života, takže keď sa zoznámite s tým, čo majú a ako postupujú, môžete si všimnúť malé rozdiely od tu opísaného modelu.
Chromozomálnu DNA možno považovať za templát, ktorý pracuje na syntéze špecifických molekúl mediátorovej RNA. Tento proces však môže pokračovať iba vtedy, ak je určitá oblasť dešpiralizovaná. Keď už hovoríme o možnosti fungovania génu alebo celého chromozómu, treba poznamenať, že na ich fungovanie môžu byť potrebné určité podmienky. Počuli ste už o inzulíne? Gén zodpovedný za jeho produkciu sa nachádza v celom ľudskom tele. Ale môže sa aktivovať a fungovať len vtedy, keď je v správnych bunkách, ktoré vytvárajú pankreas. A takýchto prípadov je pomerne dosť. Ak hovoríme o vylúčení celého chromozómu z metabolizmu, môžeme si spomenúť na tvorbu tela pohlavného chromatínu.
V roku 1922 Peitner vyslovil hypotézu, že ľudia majú 48 chromozómov. Samozrejme, nebolo to povedané z ničoho nič, ale na základe určitých údajov. Ale v roku 1956 vedci Tire a Levan pomocou najnovších metód na štúdium ľudského genómu zistili, že v skutočnosti má človek iba 46 chromozómov. Dali aj popis nášho karyotypu. Páry sú očíslované od jednej do dvadsaťtri. Aj keď poslednému páru často nie je priradené číslo, ale samostatne sa nazýva to, z čoho pozostáva.
V celom článku sme teda určili, akú úlohu majú chromozómy, kde sa nachádzajú a ako sú postavené. Samozrejme, hlavný dôraz bol kladený na ľudský genóm, ale myslelo sa aj na zvieratá a rastliny. Vieme, kde sa chromozómy v bunke nachádzajú, znaky ich umiestnenia, ako aj možné premeny, ktoré s nimi môžu nastať. Ak hovoríme o genóme, nezabudnite, že to môže byť aj v iných častiach, nielen v jadre. Ale to, aké budú predmety dieťaťa, je ovplyvnené presne tým, čo je v chromozómoch. Okrem toho vlastnosti organizmu silne nezávisia od ich počtu. Takže keď sme hovorili o tom, kde sú chromozómy v rastlinnej bunke a živočíšnych organizmoch, veríme, že naša úloha bola dokončená.
Chromozóm je organizovaná štruktúra DNA a proteínu nachádzajúceho sa v bunkách. Toto je jeden kus DNA stočený do špirály, ktorý obsahuje mnoho génov, regulačných prvkov a iných nukleotidových sekvencií. Chromozómy tiež obsahujú proteíny viazané na DNA, ktoré slúžia na balenie DNA a kontrolu jej funkcie. Chromozomálna DNA kóduje všetky alebo väčšinu genetických informácií organizmu; niektoré druhy obsahujú aj plazmidy alebo iné extrachromozomálne genetické prvky.
alebo Downova choroba, tiež známa ako trizómia 21, je dedičná porucha spôsobená prítomnosťou časti alebo všetkých 3 kópií 21 chromozómov. Zvyčajne sa spája s oneskoreným fyzickým vývojom, črtami tváre alebo miernym až stredne ťažkým intelektuálnym...
Chromozómy sa medzi rôznymi organizmami značne líšia. Molekula DNA môže byť okrúhla alebo lineárna a môže obsahovať od 100 000 do viac ako 375 000 000 nukleotidov v dlhom reťazci. Eukaryotické bunky (bunky s jadrami) majú zvyčajne veľké lineárne chromozómy, zatiaľ čo prokaryotické bunky (bunky bez definovaných jadier) majú menšie okrúhle chromozómy, aj keď z tohto pravidla existuje veľa výnimiek. Okrem toho môžu bunky obsahovať chromozómy niekoľkých typov; napríklad mitochondrie vo väčšine eukaryotov a chloroplasty v rastlinách majú svoje vlastné malé chromozómy.
V eukaryotoch sú jadrové chromozómy naplnené proteínmi do hustej štruktúry nazývanej chromatín. To umožňuje, aby sa do bunkového jadra zmestili veľmi dlhé molekuly DNA. Štruktúra chromozómov a chromatínu sa mení v priebehu bunkového cyklu. Chromozómy sú základným stavebným kameňom bunkového delenia a musia sa reprodukovať, deliť a úspešne prejsť do svojich dcérskych buniek, aby sa zabezpečila genetická diverzita a prežitie ich potomstva. Chromozómy môžu byť duplikované alebo neduplikované. Neduplikované chromozómy sú jednoduché lineárne vlákna, v ktorých duplikované chromozómy obsahujú dve identické kópie (nazývané chromatidy) spojené centromérou.
Zhutnenie duplikovaných chromozómov počas mitózy a meiózy vedie ku klasickej štvorramennej štruktúre. Chromozomálna rekombinácia hrá dôležitú úlohu v genetickej diverzite. Ak sa s týmito štruktúrami nesprávne zaobchádza prostredníctvom procesov známych ako chromozomálna nestabilita a translokácia, bunka môže prejsť mitotickou katastrofou a zomrieť, alebo môže neočakávane uniknúť apoptóze, čo vedie k progresii rakoviny.
V praxi je „chromozóm“ dosť vágny pojem. Pre prokaryoty a vírusy, kde nie je chromatín, je vhodnejší termín genofor. V prokaryotoch je DNA zvyčajne organizovaná v slučke, ktorá sa tesne ovíja okolo seba, niekedy sprevádzaná jednou alebo menšími kruhovými molekulami DNA nazývanými plazmidy. Tieto malé okrúhle genómy sa nachádzajú aj v mitochondriách a chloroplastoch, čo odráža ich bakteriálny pôvod. Najjednoduchšie genofóry sa nachádzajú vo vírusoch: sú to molekuly DNA alebo RNA - krátke lineárne alebo okrúhle genofóry, ktoré často nemajú štrukturálne proteíny.
slovo " chromozóm“ je tvorené gréckymi slovami „χρῶμα“ ( chroma, farba) a "σῶμα" ( soma, telo) kvôli vlastnosti chromozómov podliehať veľmi silnému zafarbeniu určitými farbivami.
V sérii experimentov, ktoré sa začali v polovici 80. rokov 19. storočia, Theodore Boveri definitívne preukázal, že chromozómy sú vektormi dedičnosti. Jeho dve zásady boli podsekvencia chromozómy a individualita chromozómov. Druhý princíp bol veľmi originálny. Wilhelm Roux navrhol, že každý chromozóm nesie inú genetickú záťaž. Boveri bol schopný túto hypotézu otestovať a potvrdiť. S pomocou znovuobjavenia uskutočneného v ranej práci Gregora Mendela na začiatku 20. storočia bol Boveri schopný zaznamenať spojenie medzi pravidlami dedičnosti a správaním chromozómov. Boveri ovplyvnil dve generácie amerických cytológov: medzi nimi Edmunda Beechera Wilsona, Waltera Suttona a Theophilusa Paintera (Wilson a Painter s ním skutočne spolupracovali).
Vo svojej slávnej knihe Bunka vo vývoji a dedičnosti Wilson spojil nezávislú prácu Boveriho a Suttona (okolo roku 1902), pričom chromozómovú teóriu dedičnosti nazval „Sutton-Boveriho teória“ (mená sa niekedy zamieňajú). Ernst Mair poznamenáva, že túto teóriu ostro spochybnili niektorí slávni genetici, ako napríklad William Bateson, Wilhelm Johansen, Richard Goldschmidt a T.H. Morgan, všetci mali dosť dogmatické myslenie. Nakoniec sa podarilo získať úplný dôkaz z chromozómových máp v Morganovom vlastnom laboratóriu.
Prokaryoty - baktérie a archaea - majú zvyčajne jeden okrúhly chromozóm, ale existuje veľa variácií.
Vo väčšine prípadov sa veľkosť chromozómov baktérií môže líšiť od 160 000 párov báz v endosymbiotickej baktérii Candidatus Carsonella ruddii až 12 200 000 párov báz v baktérii žijúcej v pôde Sorangium cellulosum. Spirochety rodu borélie sú výraznou výnimkou z tejto klasifikácie spolu s baktériami ako napr Borrelia burgdorferi(príčina lymskej choroby) obsahujúci jeden lineárny chromozóm.
Štruktúra v sekvenciách
Prokaryotické chromozómy majú menšiu štruktúru založenú na sekvencii ako eukaryoty. Baktérie majú zvyčajne jeden bod (počiatok duplikácie), odkiaľ začína duplikácia, zatiaľ čo niektoré archaea obsahujú viacero bodov pôvodu duplikácie. Gény v prokaryotoch sú často organizované do operónov a zvyčajne neobsahujú intróny, na rozdiel od eukaryotov.
Balenie DNA
Prokaryoty nemajú jadrá. Namiesto toho je ich DNA organizovaná do štruktúry nazývanej nukleoid. Nukleoid je samostatná štruktúra, ktorá zaberá špecifickú oblasť bakteriálnej bunky. Táto štruktúra je však dynamická, udržiavaná a transformovaná pôsobením proteínov podobných histónom, ktoré sa viažu na bakteriálny chromozóm. V archaea je DNA v chromozómoch ešte organizovanejšia, pričom DNA je zabalená do štruktúr podobných eukaryotickým nukleozómom.
Bakteriálne chromozómy majú tendenciu viazať sa na bakteriálnu plazmatickú membránu. V aplikáciách molekulárnej biológie to umožňuje jeho izoláciu z plazmidovej DNA centrifugáciou lyzovanej baktérie a sedimentáciou membrán (a pripojenej DNA).
Prokaryotické chromozómy a plazmidy sú, podobne ako eukaryotická DNA, vo všeobecnosti nadzávitnicové. DNA musí byť najprv izolovaná v oslabenom stave, aby sa získala transkripcia, regulácia a duplikácia.
Eukaryoty (bunky s jadrami nachádzajúce sa v rastlinách, kvasinkách a zvieratách) majú veľké lineárne chromozómy obsiahnuté v bunkovom jadre. Každý chromozóm má jednu centroméru s jedným alebo dvoma ramenami vyčnievajúcimi z centroméry, hoci vo väčšine prípadov tieto ramená nie sú ako také viditeľné. Okrem toho má väčšina eukaryotov jeden okrúhly mitochondriálny genóm a niektoré eukaryoty môžu mať ďalšie malé okrúhle alebo lineárne cytoplazmatické chromozómy.
V jadrových chromozómoch eukaryotov existuje nekompaktovaná DNA v semi-usporiadanej štruktúre, kde je obalená okolo histónov (štrukturálnych proteínov), čím vzniká kompozitný materiál nazývaný chromatín.
Chromatin
Chromatín je komplex DNA a proteínu, ktorý sa nachádza v jadre eukaryota, ktorý obsahuje chromozómy. Štruktúra chromatínu sa medzi rôznymi štádiami bunkového cyklu veľmi líši, ako to vyžaduje DNA.
Medzifázový chromatín
Počas interfázy (obdobie bunkového cyklu, kedy sa bunka nedelí) možno rozlíšiť dva typy chromatínu:
Metafázový chromatín a delenie
Počas skorých štádií mitózy alebo meiózy (bunkového delenia) sú vlákna chromatínu čoraz hustejšie. Prestávajú fungovať ako prístupný genetický materiál (transkripčné zastávky) a stávajú sa kompaktnou prenosnou formou. Tento kompaktný tvar zviditeľňuje jednotlivé chromozómy a tvoria klasickú štvorramennú štruktúru s párom sesterských chromatidov pripojených k sebe na centromére. Kratšie ramená sa nazývajú „ p ramená" (z francúzskeho slova " drobná"- malé) a dlhšie ramená sa nazývajú " q ramená"(list" q' nasleduje za písmenom' p» v latinskej abecede; q-g "grande" - veľký). Toto je jediný prirodzený kontext, v ktorom sú jednotlivé chromozómy viditeľné optickým mikroskopom.
Počas mitózy rastú mikrotubuly z centrozómov umiestnených na opačných koncoch bunky a tiež sa pripájajú k centromére v špecializovaných štruktúrach nazývaných kinetochory, z ktorých jedna je prítomná na každej sesterskej chromatíde. Špeciálna sekvencia báz DNA v oblasti kinetochórov spolu so špeciálnymi proteínmi zabezpečuje dlhodobé pripojenie k tejto oblasti. Mikrotubuly potom ťahajú chromatidy smerom k centrozómom, takže každá dcérska bunka zdedí jednu sadu chromatidov. Keď sa bunky delia, chromatidy sa uvoľnia a DNA sa môže znova prepísať. Napriek svojmu vzhľadu sú chromozómy štrukturálne vysoko kompaktné, čo umožňuje týmto obrovským štruktúram DNA zapadnúť do bunkových jadier.
ľudské chromozómy
Chromozómy u ľudí možno rozdeliť do dvoch typov: autozómy a pohlavné chromozómy. Určité genetické znaky sú spojené s pohlavím osoby a prenášajú sa prostredníctvom pohlavných chromozómov. Autozómy obsahujú zvyšok genetickej informácie, ktorá sa zdedí. Všetky pôsobia počas delenia buniek rovnakým spôsobom. Ľudské bunky obsahujú 23 párov chromozómov (22 párov autozómov a jeden pár pohlavných chromozómov), čo dáva celkovo 46 na bunku. Okrem nich existuje v ľudských bunkách mnoho stoviek kópií mitochondriálneho genómu. Sekvenovanie ľudského genómu poskytlo množstvo informácií o každom chromozóme. Nižšie je uvedená tabuľka, ktorá zostavuje štatistiky pre chromozómy na základe informácií o ľudskom genóme inštitútu Sanger v databáze VEGA (Vertebrate Genome Comments). Počet génov je hrubý odhad, pretože je čiastočne založený na génovej predikcii. Celková dĺžka chromozómov je tiež hrubý odhad založený na odhadovanej veľkosti oblastí nekonzistentných heterochromatínov.
|
Chromozómy |
Gény |
Celkový počet komplementárnych párov báz nukleových kyselín |
Usporiadané komplementárne páry báz nukleových kyselín |
|
X (pohlavný chromozóm) | |||
|
Y (pohlavný chromozóm) | |||
|
Celkom |
3079843747 |
2857698560 |
eukaryoty
Tieto tabuľky uvádzajú celkový počet chromozómov (vrátane pohlavných chromozómov) v bunkových jadrách. Napríklad diploidné ľudské bunky obsahujú 22 rôznych druhov autozómov, z ktorých každý je prítomný v dvoch kópiách, a dva pohlavné chromozómy. To dáva celkom 46 chromozómov. Iné organizmy majú viac ako dve kópie svojich chromozómov, ako napr hexaploid chlebová pšenica obsahuje šesť kópií siedmich rôznych chromozómov, spolu teda 42 chromozómov.
|
Počet chromozómov v niektorých rastlinách |
|
||||
|
rastlinné druhy |
|
||||
|
Arabidopsis thaliana(diploidný) |
|
||||
|
|
|||||
|
záhradný slimák |
|
||||
|
tibetská líška |
|
||||
|
domáce prasa |
|
||||
|
laboratórny potkan |
|
||||
|
škrečok sýrsky |
|
||||
|
|
|||||
|
domáce ovce |
|
||||
|
|
|||||
|
|
|||||
|
kralrybarov |
|
||||
|
Priadka morušová |
|
||||
|
|
|
|
|||
|
Počet chromozómov v iných organizmoch |
|||||
|
Druhy |
Veľké chromozómy |
Medziľahlé chromozómy |
mikrochromozómy |
||
|
Trypanosoma brucei | |||||
|
holub domáci ( Columba livia domestics) | |||||
|
2 pohlavné chromozómy | |||||
|
|
|
|
|
|
|
Normálni členovia určitých eukaryotických druhov majú rovnaký počet jadrových chromozómov (pozri tabuľku). Iné eukaryotické chromozómy, teda mitochondriálne a plazmidom podobné malé chromozómy, sa značne líšia v počte a na bunku môže byť tisíc kópií.
Druhy s nepohlavným rozmnožovaním majú jednu sadu chromozómov, rovnakú ako v bunkách organizmu. Nepohlavné druhy však môžu byť haploidné a diploidné.
Sexuálne sa rozmnožujúce druhy majú somatické bunky (bunky tela), ktoré sú diploidné a majú dve sady chromozómov, jednu od matky a jednu od otca. Gaméty, reprodukčné bunky, sú haploidné [n]: majú jednu sadu chromozómov. Gaméty sa získavajú meiózou diploidnej zárodočnej bunky. Počas meiózy si príslušné chromozómy otca a matky môžu navzájom vymieňať malé časti (crossover), a tým vytvárať nové chromozómy, ktoré nie sú dedené len od jedného alebo druhého rodiča. Keď sa samčie a samičie gaméty spoja (oplodnenie), vytvorí sa nový diploidný organizmus.
Niektoré živočíšne a rastlinné druhy sú polyploidné: majú viac ako dve sady homológnych chromozómov. Poľnohospodársky významné rastliny, ako je tabak alebo pšenica, sú v porovnaní s predkami často polyploidné. Pšenica má haploidný počet siedmich chromozómov, ktoré sa nachádzajú v niektorých kultúrnych rastlinách, ako aj u divokých predkov. Najbežnejšie cestoviny a chlebové pšenice sú polyploidné, majú 28 (tetraploidných) a 42 (hexaploidných) chromozómov v porovnaní so 14 (diploidnými) chromozómami vo voľnej pšenici.
prokaryoty
Prokaryotické druhy ako celok majú jednu kópiu každého hlavného chromozómu, ale väčšina buniek môže ľahko prežiť s viacerými kópiami. Napríklad, Buchnera, symbiont vošiek, má veľa kópií svojho chromozómu, v rozsahu od 10 do 400 kópií na bunku. Avšak u niektorých veľkých baktérií ako napr Epulopiscium fishelsoni, môže byť prítomných až 100 000 kópií chromozómu. Počet kópií plazmidov a plazmidom podobných malých chromozómov, ako u eukaryotov, sa značne líši. Počet plazmidov v bunke je takmer úplne určený rýchlosťou delenia plazmidov - rýchle delenie vytvára vysoký počet kópií.
Vo všeobecnosti karyotyp je charakteristickým chromozomálnym doplnkom eukaryotických druhov. Príprava a štúdium karyotypov je súčasťou cytogenetiky.
Hoci duplikácia a transkripcia DNA sú v eukaryotoch vysoko štandardizované, to isté sa nedá povedať o ich karyotypoch, ktoré sú zvyčajne veľmi variabilné. Typy počtu chromozómov a ich podrobná organizácia sa môžu líšiť. V niektorých prípadoch môžu existovať významné rozdiely medzi jednotlivými druhmi. Často sa vyskytuje:
Počas vývoja z oplodneného vajíčka sa môžu vyskytnúť aj výkyvy v karyotype.
Technika určenia karyotypu sa bežne označuje ako karyotypizácia. Bunky môžu byť čiastočne blokované delením (v metafáze) v umelých podmienkach (v reakčnej skúmavke) s kolchicínom. Tieto bunky sú potom zafarbené, odfotografované a usporiadané do karyogramu so sadou usporiadaných chromozómov, autozómov v poradí dĺžky a pohlavných chromozómov (tu X/Y) na konci.
Rovnako ako u mnohých pohlavne sa rozmnožujúcich druhov, aj ľudia majú špeciálne gonozómy (pohlavné chromozómy, na rozdiel od autozómov). Pre ženy je to XX a pre mužov XY.
Historická poznámka
Štúdium ľudského karyotypu trvalo mnoho rokov, kým bola zodpovedaná najzákladnejšia otázka: Koľko chromozómov je v normálnej diploidnej ľudskej bunke? V roku 1912 Hans von Winivarter ohlásil 47 chromozómov v spermatogónii a 48 v oogónii, vrátane mechanizmu určovania pohlavia XX/XO. Painter v roku 1922 si nebol istý diploidným číslom osoby - 46 alebo 48, najprv sa prikláňal k 46. Neskôr svoj názor upravil zo 46 na 48 a správne trval na tom, že človek má systém XX/XY.
Na konečné vyriešenie problému boli potrebné nové techniky:
Až v roku 1954 bolo potvrdené ľudské diploidné číslo 46. Vzhľadom na techniky Winivartera a Paintera boli ich výsledky celkom pozoruhodné. Šimpanz (najbližší žijúci príbuzný moderného človeka) má 48 chromozómov.
Chromozomálne abnormality sú narušenia normálneho chromozomálneho obsahu bunky a sú hlavnou príčinou genetických stavov u ľudí, ako je Downov syndróm, hoci väčšina abnormalít má malý alebo žiadny účinok. Niektoré chromozomálne poruchy nespôsobujú ochorenie u nosičov, ako sú translokácie alebo chromozomálne inverzie, hoci môžu viesť k zvýšenej šanci mať dieťa s chromozómovou poruchou. Abnormálny počet chromozómov alebo sád chromozómov, nazývaný aneuploidia, môže byť smrteľný alebo môže viesť k genetickým poruchám. Rodinám, ktoré môžu niesť chromozomálne preskupenie, sa ponúka genetické poradenstvo.
Získanie alebo strata DNA z chromozómov môže viesť k rôznym genetickým poruchám. Príklady medzi ľuďmi:
