Structura cromozomului metafazic. Metode de diviziune a celulelor somatice și germinale Ce este un centromer în definiția biologiei

05.03.2020

Adenoizi

Colegiat YouTube

1 / 3

Cromozomi, cromatide, cromatină etc.

ZNO Biology Nucleus Gene Cromozom

Gene, ADN și cromozomi

Subtitrări

Înainte de a vă scufunda în mecanismul diviziunii celulare, cred că va fi util să vorbim despre vocabularul asociat ADN-ului. Există multe cuvinte, iar unele dintre ele sună asemănător. Ele pot fi confuze. Pentru început, aș dori să vorbesc despre modul în care ADN-ul generează mai mult ADN, face copii ale lui sau despre modul în care produce proteine \u200b\u200bîn general. Am vorbit deja despre acest lucru în videoclipul ADN. Lasă-mă să desenez o mică bucată de ADN. Am A, G, T, lasă-mă să am două T și apoi două C. O zonă atât de mică. Continuă așa. Desigur, aceasta este o spirală dublă. Fiecare scrisoare are propria ei. Le voi picta cu această culoare. Deci, A corespunde cu T, G corespunde cu C, (mai precis, G formează legături de hidrogen cu C), T - cu A, T - cu A, C - cu G, C - cu G. Această spirală întreagă se întinde, pentru exemplu, în această direcție ... Deci, există câteva procese diferite pe care trebuie să le facă acest ADN. Una dintre ele are legătură cu celulele din corpul dvs. - trebuie să vă faceți mai multe celule ale pielii. ADN-ul tău trebuie să se copieze singur. Acest proces se numește replicare. Replici ADN-ul. Îți voi arăta replicarea. Cum se poate copia acest ADN? Aceasta este una dintre cele mai remarcabile caracteristici ale structurii ADN-ului. Replicare. Fac o simplificare generală, dar ideea este că două fire de ADN se separă și nu se întâmplă de la sine. Acest lucru este facilitat de masa proteinelor și enzimelor, dar voi vorbi în detaliu despre microbiologie într-un alt videoclip. Deci aceste lanțuri se separă unele de altele. Voi muta lanțul aici. Se separă unul de celălalt. Voi lua un alt lanț. Acesta este prea mare. Acest lanț va arăta cam așa. Se separă unul de celălalt. Ce se poate întâmpla după asta? Voi elimina fragmente redundante aici și aici. Iată deci dubla noastră helică. Toți erau conectați. Acestea sunt perechi de baze. Acum se separă unul de celălalt. Ce poate face fiecare dintre ei după despărțire? Acum pot deveni o matrice unul pentru celălalt. Uite ... Dacă acest fir este singur, acum, dintr-o dată, o bază de timină poate intra și se poate alătura aici, iar aceste nucleotide încep să se alinieze. Timină și citozină, apoi adenină, adenină, guanină, guanină. Și așa continuă. Și apoi, în această altă parte, pe lanțul verde care a fost atașat anterior la cel albastru, se va întâmpla același lucru. Vor fi adenină, guanină, timină, timină, citozină, citozină. Ce s-a intamplat? Prin separarea și atragerea bazelor complementare, am creat o copie a acestei molecule. Mergem la microbiologie în viitor, aceasta este doar pentru o idee generală a modului în care ADN-ul se copiază. Mai ales când ne uităm la mitoză și meioză, pot spune: „Aceasta este etapa în care are loc replicarea”. Acum, un alt proces despre care veți auzi multe. Am vorbit despre el în videoclipul ADN. Aceasta este o transcriere. În videoclipul ADN, nu am acordat prea multă atenție modului în care ADN-ul se dublează, dar unul dintre lucrurile minunate despre designul cu două fire este ușurința cu care se poate dubla. Tocmai ați împărțit 2 benzi, 2 spirale, iar apoi devin o matrice pentru un alt lanț, apoi apare o copie. Acum transcriere. Aceasta trebuie să se întâmple cu ADN-ul pentru a se forma proteinele, dar transcripția este un pas intermediar. Aceasta este etapa în care treci de la ADN la ARNm. Apoi, acest ARNm părăsește nucleul celulei și se îndreaptă spre ribozomi. Voi vorbi despre asta în câteva secunde. Deci putem face la fel. Aceste lanțuri sunt din nou separate în timpul transcrierii. Una se separă aici, iar cealaltă se separă ... iar cealaltă se va separa aici. Perfect. Ar putea avea sens să folosiți doar o jumătate a lanțului - o să îndepărtez una. În acest fel. Vom transcrie partea verde. Iat-o. Voi șterge toate acestea. Culoare greșită. Așa că șterg totul. Ce se întâmplă dacă, în loc de nucleotide de acid dezoxiribonucleic care se împerechează cu această catenă de ADN, aveți acid ribonucleic sau ARN, care se pereche. Voi descrie ARN-ul în magenta. ARN-ul se va împerechea cu ADN-ul. Timina din ADN se va împerechea cu adenina. Guanină, acum, când vorbim despre ARN, în loc de timină, vom avea uracil, uracil, citozină, citozină. Și va continua. Acesta este ARNm. ARN informațional. Acum se separă. Acest ARNm este detașat și părăsește nucleul. Părăsește nucleul și apoi are loc difuzarea. Transmisie. Să scriem acest termen. Transmisie. Provine din ARNm ... În videoclipul ADN, am avut puțin ARNt. ARN-ul de transport era ca un camion care transporta aminoacizii către ARNm. Toate acestea se întâmplă într-o parte a celulei numită ribozom. Traducerea are loc de la ARNm la proteină. Am văzut cum se întâmplă acest lucru. Deci, de la ARNm la proteine. Aveți acest lanț - voi face o copie. Voi copia tot lanțul dintr-o dată. Acest lanț se separă, părăsește nucleul și apoi aveți aceste mici camioane de ARNt, care, de fapt, conduc în sus, ca să spunem așa. Deci, să spunem că am un ARNt. Să vedem adenină, adenină, guanină și guanină. Acesta este ARN. Acesta este un codon. Un codon are 3 perechi de baze și un aminoacid atașat la acesta. Aveți alte părți ale ARNt. Să spunem uracil, citozină, adenină. Și un alt aminoacid atașat la acesta. Apoi aminoacizii se combină și formează un lanț lung de aminoacizi, care este o proteină. Proteinele formează aceste forme ciudate, complexe. Pentru a vă asigura că înțelegeți. Vom începe cu ADN-ul. Dacă facem copii ale ADN-ului, aceasta este replicarea. Replici ADN-ul. Deci, dacă facem copii ale ADN-ului, aceasta este replicarea. Dacă începeți cu ADN și creați mARN dintr-un șablon de ADN, atunci aceasta este transcrierea. Să o notăm. "Transcriere". Adică, transcrieți informații dintr-o formă în alta - transcriere. Acum că ARNm părăsește nucleul celulei ... voi atrage celula pentru a atrage atenția asupra sa. Ne vom ocupa de structura celulei în viitor. Dacă este o celulă întreagă, nucleul este centrul. Aici se află tot ADN-ul, toată replicarea și transcrierea are loc aici. Apoi, ARNm părăsește nucleul, iar apoi în ribozomi, despre care vom discuta mai detaliat în viitor, are loc traducerea și se formează o proteină. Deci, de la ARNm la proteină este traducere. Traduceți din codul genetic în așa-numitul cod proteic. Deci, acesta este difuzat. Acestea sunt exact cuvintele care sunt utilizate în mod obișnuit pentru a descrie aceste procese. Asigurați-vă că le utilizați corect atunci când denumiți diferitele procese. Acum, pentru o altă parte a terminologiei ADN-ului. Când am întâlnit-o prima dată, am crezut că este extrem de confuză. Acest cuvânt este „cromozom”. Voi scrie cuvintele aici - tu însuți poți aprecia cât de confuze sunt: \u200b\u200bcromozom, cromatină și cromatidă. Cromatidă. Deci, cromozomul, am vorbit deja despre asta. Este posibil să aveți o catenă de ADN. Aceasta este o dublă helix. Acest lanț, dacă îl măresc, este de fapt două lanțuri diferite. Au perechi de baze conectate. Tocmai am desenat perechi de baze conectate între ele. Vreau să fiu clar: am trasat această mică linie verde aici. Aceasta este o spirală dublă. Înfășoară în jurul proteinelor numite histone. Histone. Las-o să se întoarcă așa și cumva așa, și apoi cumva așa. Aici aveți substanțe numite histone, care sunt proteine. Să le desenăm așa. Ca aceasta. Aceasta este o structură, adică ADN în combinație cu proteine \u200b\u200bcare îl structurează, forțându-l să se înfășoare tot mai mult. În cele din urmă, în funcție de stadiul vieții celulei, se vor forma diverse structuri. Și când vorbești despre acid nucleic, care este ADN, și îl combini cu proteine, atunci vorbești despre cromatină. Deci cromatina este ADN plus proteinele structurale care dau ADN-ului forma sa. Proteine \u200b\u200bstructurale. Ideea cromatinei a fost folosită pentru prima dată din cauza a ceea ce au văzut oamenii când s-au uitat la o celulă ... Vă amintiți? De fiecare dată am desenat nucleul celular într-un anumit mod. Ca să spunem așa. Acesta este nucleul celulei. Am desenat structuri foarte distincte. Acesta este unul, acesta este altul. Poate că este mai scurt și are un cromozom omolog. Am desenat cromozomii, nu? Și fiecare dintre acești cromozomi, așa cum am arătat în ultimul videoclip, sunt în esență structuri lungi de ADN, lanțuri lungi de ADN înfășurate strâns unul în jurul celuilalt. L-am desenat cam așa. Dacă mărim, vedem un lanț și este într-adevăr înfășurat în jurul său astfel. Acesta este cromozomul ei omolog. Amintiți-vă, în videoclipul despre variabilitate, am vorbit despre un cromozom omolog care codifică aceleași gene, dar o versiune diferită a acestora. Albastrul este de la tată și roșu de la mama, dar în esență codifică aceleași gene. Deci, acesta este un fir pe care l-am primit de la tatăl meu cu ADN-ul acestei structuri, noi îl numim cromozom. Deci cromozomul. Vreau să clarific că ADN-ul ia această formă numai în anumite etape ale vieții, când se reproduce, adică replicat. Mai exact, nu așa ... Când celula se împarte. Înainte ca o celulă să devină capabilă de divizare, ADN-ul capătă această formă bine definită. În cea mai mare parte a vieții unei celule, atunci când ADN își face treaba, când produce proteine, adică proteinele sunt transcrise și traduse din ADN, nu se pliază așa. Dacă ar fi pliat, ar fi dificil ca sistemul de replicare și transcripție să pătrundă în ADN, să producă proteine \u200b\u200bși să facă orice altceva. De obicei ADN ... Lasă-mă să desenez din nou nucleul. De cele mai multe ori, nici măcar nu îl puteți vedea cu un microscop cu lumină obișnuit. Este atât de subțire încât întreaga catenă de ADN este complet distribuită în nucleu. Îl desenez aici, altul ar putea fi aici. Și atunci ai un lanț mai scurt ca acesta. Nici măcar nu se vede. Nu se află în această structură bine definită. De obicei arată așa. Să existe un lanț atât de scurt. Puteți vedea doar acest tip de amestec de combinații de ADN și proteine. Aceasta este ceea ce oamenii numesc în general cromatină. Acest lucru trebuie notat. „Cromatină” Deci, cuvintele pot fi foarte ambigue și foarte confuze, dar utilizarea obișnuită atunci când vorbești despre un fir ADN bine definit, o structură bine definită ca aceasta, este un cromozom. Termenul "cromatină" se poate referi fie la o structură precum un cromozom, o combinație de ADN și proteine \u200b\u200bcare îl structurează, fie la o tulburare a multor cromozomi care conțin ADN. Adică din mulți cromozomi și proteine \u200b\u200bamestecate împreună. Vreau ca acest lucru să fie clar. Acum cuvântul următor. Ce este cromatida? Doar în caz că nu am făcut-o încă ... Nu-mi amintesc dacă l-am marcat. Aceste proteine \u200b\u200bcare asigură structura cromatinei sau alcătuiesc cromatina și, de asemenea, asigură structura sunt numite „histone”. Există diferite tipuri care oferă structură la diferite niveluri, le vom acoperi mai detaliat. Deci, ce este cromatida? Când ADN-ul se reproduce ... Să spunem că a fost ADN-ul meu, este într-o stare normală. O versiune este de la tată, o versiune este de la mama. Acum este reprodus. Versiunea de la tată arată așa la început. Acesta este un lanț mare de ADN. Se creează o versiune diferită a sa, identică dacă sistemul funcționează corect, iar această parte identică arată astfel. Ele sunt inițial atașate una de cealaltă. Sunt atașați unul de celălalt într-un loc numit centromer. Acum, chiar dacă am 2 lanțuri lipite aici. Două lanțuri identice. Un lanț aici, unul aici ... Deși, permiteți-mi să-l portretizez diferit. În principiu, acest lucru poate fi descris în mai multe moduri diferite. Acesta este un lanț aici și acesta este un alt lanț aici. Adică avem 2 exemplare. Codifică exact același ADN. Deci asta este. Sunt identice, așa că îl numesc în continuare cromozom. Să notăm și asta. Acest lucru se numește în mod colectiv cromozom, dar acum fiecare copie individuală se numește cromatidă. Deci aceasta este o cromatidă și aceasta este alta. Uneori sunt numite cromatide surori. Pot fi numite și cromatide gemene, deoarece împărtășesc aceleași informații genetice. Deci acest cromozom are 2 cromatide. Acum, înainte de replicare sau înainte de duplicarea ADN, puteți spune că acest cromozom are o singură cromatidă. O poți numi cromatidă, dar nu trebuie. Oamenii încep să vorbească despre cromatide atunci când două dintre ele sunt prezente pe cromozom. Aflăm că în mitoză și meioză, aceste 2 cromatide se separă. Când se separă, chiar acolo catena de ADN pe care o numeați odată cromatidă, veți numi acum un cromozom separat. Deci acesta este unul dintre ei și iată un altul care s-ar fi putut despărți în acea direcție. O voi înconjura pe aceasta în verde. Deci, acesta se poate mișca în acest fel și acesta, pe care l-am încercuit în portocaliu, de exemplu, acesta ... Acum, că sunt separați și nu mai sunt conectați de un centromer, ceea ce am numit inițial un cromozom cu două cromatide acum numiți doi cromozomi separați. Sau ai putea spune că ai acum doi cromozomi separați, fiecare alcătuit dintr-o cromatidă. Sper că acest lucru clarifică puțin semnificația termenilor ADN. Le-am găsit întotdeauna destul de confuze, dar vor fi un instrument util atunci când vom începe mitoza și meioza și vorbesc despre cromozomul care devine cromatid. Veți întreba cum un cromozom a devenit doi cromozomi și cum o cromatidă a devenit un cromozom. Totul se învârte în jurul vocabularului. Aș alege unul diferit în loc să-l numesc cromozom și fiecare dintre acești cromozomi separați, dar așa au decis să îl numească pentru noi. Poate vă întrebați de unde vine cuvântul „șchiop”. Poate știți vechea bandă Kodak numită „cromo”. În principiu, „chromo” înseamnă „culoare”. Cred că provine din cuvântul grecesc pentru culoare. Când oamenii s-au uitat prima dată la nucleul unei celule, au folosit un colorant, iar ceea ce numim cromozomi a fost colorat cu un colorant. Și am putut să o vedem printr-un microscop luminos. Partea „soma” provine din cuvântul „soma” care înseamnă „corp”, adică obținem un corp colorat. Așa a apărut cuvântul „cromozom”. De asemenea, cromatina se colorează ... Sper că acest lucru clarifică puțin conceptele de „cromatidă”, „cromozom”, „cromatină”, iar acum suntem pregătiți să studiem mitoza și meioza.

Funcții

Centromerul participă la îmbinarea cromatidelor surori, la formarea kinetocorei, la conjugarea cromozomilor omologi și este implicat în controlul expresiei genelor.

În regiunea centromerului, cromatidele surori sunt conectate în profaza și metafaza mitozei și cromozomii omologi în profaza și metafaza primei diviziuni a meiozei. Pe centromeri, se formează kinetocori: proteinele care se leagă de centromer formează un punct de atașare pentru microtubulii fusului în anafaza și telofaza mitozei și meiozei.

Abaterile de la funcționarea normală a centromerului duc la probleme în aranjarea reciprocă a cromozomilor în nucleul de divizare și, ca rezultat - la perturbări în procesul de segregare a cromozomilor (distribuția lor între celulele fiice). Aceste tulburări duc la aneuploidie, care poate avea consecințe grave (de exemplu, sindromul Down la om, asociat cu aneuploidie (trisomie) pe cromozomul 21).

Secvență centromerică

În majoritatea eucariotelor, centromerul nu are o secvență de nucleotide specifică corespunzătoare acestuia. De obicei, constă dintr-un număr mare de repetări ale ADN-ului (de exemplu, ADN-ul satelit), în care secvența din elementele individuale care se repetă este similară, dar nu identică. La om, secvența principală care se repetă se numește α-satelit, dar există mai multe alte tipuri de secvențe în această regiune. Cu toate acestea, s-a constatat că repetările satelitului α sunt insuficiente pentru formarea kinetocorului și că sunt cunoscuți centromeri funcționali care nu conțin ADN-satelit α de către heterocromatină, ceea ce este posibil esențial pentru funcționarea acestuia. În această cromatină, histona normală H3 este înlocuită cu histona centromerică specifică CENP-A (CENP-A este caracteristică drojdiei de brutar S. cerevisiae, dar nucleozomi specializați similari par a fi prezenți în toate celulele eucariote). Se consideră că prezența CENP-A este necesară pentru asamblarea cinetocorei la centromer și poate juca un rol în moștenirea epigenetică a locației centromerului.

În unele cazuri, cum ar fi nematodele Caenorhabditis elegans, la Lepidoptera, precum și la unele plante, cromozomi holocentric... Aceasta înseamnă că cromozomul nu are nicio caracteristică constricție primară - o zonă specifică, de care sunt atașați în principal microtubulii fusului de fisiune. Ca urmare, kinetocorul este difuz, iar microtubulii se pot atașa pe toată lungimea cromozomului.

Aberații centromere

În unele cazuri, o persoană a observat formarea suplimentar neocentrometru... Acest lucru este de obicei combinat cu inactivarea centromerului vechi, deoarece dicentric cromozomii (cromozomii cu doi centromeri activi) sunt de obicei distruși în timpul mitozei.

În unele cazuri neobișnuite, s-a observat formarea spontană a neocentromerilor pe fragmente de cromozomi dezintegrați. Unele dintre aceste noi poziții constau inițial din euchromatină și nu conțineau deloc ADN satelit alfa.

Toți cromozomii au doi umeri și zona subțiată situată între ele - centromer, sau constricție primară. În zona constricției primare se află kinetochore - o structură plană, ale cărei proteine, interacționând cu microtubulii fusului de fisiune, asigură mișcarea cromozomilor în timpul diviziunii celulare.

Structura cromozomului metafazic: 5 - centromer; 6 - constricție secundară; 7 - satelit; 8 - cromatide; 9 - telomeri.

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

Cromozomul metafazic este format din două cromatide. Orice cromozom are constricție primară (centromer) (5), care împarte cromozomul în umeri.

Centromer (constricție primară) - o secțiune a unui cromozom caracterizată printr-o secvență și o structură de nucleotide specifice. Centromerul participă la îmbinarea cromatidelor surori, la formarea kinetocorei, la conjugarea cromozomilor omologi și este implicat în controlul expresiei genelor.

În regiunea centromerului, cromatidele surori sunt conectate în profaza și metafaza mitozei și cromozomii omologi în profaza și metafaza primei diviziuni a meiozei. Pe centromeri se formează kinetocori: proteinele care se leagă de centromer formează un punct de atașare pentru microtubulii fusului în anafaza și telofaza mitozei și meiozei.

Când se vorbește despre morfologia cromozomilor, se iau în considerare următoarele semne: poziția centromerului, lungimea umerilor, prezența unei constricții secundare și a unui satelit.

În funcție de poziția centromerului în cariotipul uman, cromozomii sunt izolați trei tipuri :

1. Metacentric, brațe egale ale cromozomului: constricția primară (centromerul) este situată în centrul (mijlocul) cromozomului, brațele cromozomului sunt aceleași.

2. Submetacentric, cromozom aproape armat: centromerul este situat aproape de mijlocul cromozomului, brațele cromozomului diferă ușor în lungime.

3. Acrocentric, cromozomi foarte inegali: centromerul este foarte departe de centrul (mijlocul) cromozomului, brațele cromozomului diferă semnificativ în lungime.

Umărul scurt este indicat de scrisoare -

Umărul lung este notat cu litera -

Unii cromozomi au constricție secundară (6) și satelit( satelit) (7).

Tractare secundară- o secțiune a unui cromozom care leagă satelitul de corpul cromozomului. În regiunea constricției secundare, sunt localizate genele de ARN ribozomal, se sintetizează ARNr, iar nucleolul este format și asamblat. O astfel de constricție secundară este, prin urmare, numită și organizator nucleolar. Constricțiile secundare pot fi găsite pe unii cromozomi pe brațul lung, în altele pe brațul scurt.

Constricția secundară diferă de cea primară în absența unui unghi vizibil între segmentele cromozomului.

La om, cromozomii au o constricție secundară. 9, 13, 14, 15, 21 și 22.

Satelit ( satelit) - Acesta este un segment cromozomial, cel mai adesea heterocromatic, situat distal de constricția secundară. Conform definițiilor clasice, un satelit este un corp sferic cu un diametru egal sau mai mic decât diametrul cromozomului, care este conectat la cromozom printr-un fir subțire. Sunt următoarele 5 tipuri de sateliți:

microsateliți- sateliți sferoidali, mici, cu diametrul de jumătate sau chiar mai mic decât diametrul cromozomului;

macro sateliți - forme destul de mari de sateliți cu un diametru care depășește jumătate din diametrul cromozomului;

liniar - sateliți sub forma unui segment cromozomial lung. Constricția secundară este departe de capătul terminalului;

terminal - sateliți localizați la capătul cromozomului;

intercalare - sateliți localizați între două constricții secundare.

Se numesc cromozomi care au un satelit satelit, sunt de obicei notate Cromozomii SAT. Forma, dimensiunea satelitului și firele care îl conectează sunt constante pentru fiecare cromozom.

Satelitul împreună cu constricția secundară constituie zona satelit.

Capetele cromozomilor se numesc telomeri (9).

Telomeri (din greaca veche τέλος- capăt și μέρος- parte) - secțiuni de capăt ale cromozomilor. Regiunile telomerice ale cromozomilor se caracterizează prin lipsa capacității de a se conecta cu alți cromozomi sau a fragmentelor acestora și de a îndeplini o funcție de protecție.

Termenul „telomer” a fost propus de G. Möller în 1932.

La om, ADN-ul regiunii telomerice este o secvență repetitivă de nucleotide 5 "TTAGGG 3" într-unul dintre lanțurile de nucleotide ADN.

Funcții cromozomiale:

1) stocarea informațiilor ereditare,

2) implementarea informațiilor ereditare,

3) transferul materialului genetic de la celula mamă la fiică.

Regulile cromozomiale

1. Constanța numărului. Celulele somatice ale organismului fiecărei specii au un număr strict definit de cromozomi (la om - 46, la pisici - 38, la musca fructelor - 8, la câini - 78, la pui - 78).

2. Împerecherea. Fiecare cromozom din celulele somatice cu un set diploid are același cromozom omolog (identic), identic ca mărime, formă, dar inegal în origine: unul de la tată, celălalt de la mamă.

3. Individualitate. Fiecare pereche de cromozomi diferă de cealaltă pereche prin mărime, formă, alternând dungi deschise și întunecate.

4. Continuitate. Înainte de divizarea celulară, ADN-ul este dublat și rezultatul este de 2 cromatide surori. După divizare, o cromatidă intră în celulele fiice și, astfel, cromozomii sunt continui - din cromozom se formează un cromozom.

9, 2007

Centromeri și telomeri ai cromozomilor

A.V. Vershinin

Alexandru Vasilievici Vershinin, Doctor în științe biologice, cercetător științific șef Institutul de Citologie și Genetică SB RAS.

Aproape toată lumea știe ce sunt cromozomii astăzi. Aceste organite nucleare, în care se află toate genele, constituie cariotipul unei specii date. La microscop, cromozomii arată ca niște structuri omogene, alungite în formă de tijă întunecată, iar imaginea văzută este puțin probabil să pară o priveliște fascinantă. Mai mult, preparatele cromozomilor unei mari varietăți de ființe vii care locuiesc pe Pământ diferă doar prin numărul acestor tije și modificările formei lor. Cu toate acestea, există două proprietăți care sunt comune tuturor cromozomilor. Primul este prezența unei compresii obligatorii (sau constricții), situată fie în mijloc, fie deplasată la unul dintre capetele cromozomului, numit „centromer”. Al doilea este prezența la fiecare capăt al cromozomului unei structuri specializate - un telomer (Fig. 1). Diferite gene localizate de-a lungul brațelor (părți ale unui cromozom de la centromer până la capătul fizic) ale cromozomilor, împreună cu secvențe de ADN reglatoare, sunt responsabile pentru o varietate de funcții. Acest lucru asigură unicitatea informațiilor genetice codificate în fiecare braț al fiecărui cromozom individual.

Regiunile centromerice și telomerice ocupă o poziție specială, deoarece îndeplinesc extrem de importante, dar aceleași funcții în cromozomii tuturor tipurilor de eucariote. Numeroase studii nu au oferit încă un răspuns clar la întrebarea care sunt structurile moleculare responsabile pentru îndeplinirea acestor funcții și modul în care le îndeplinesc, dar în ultimii ani s-au realizat progrese evidente în această direcție.

Înainte de elucidarea structurii moleculare a centromerilor și telomerilor, se credea că funcțiile lor ar trebui să fie determinate (codificate) de către secvențe ADN universale și în același timp specifice pentru aceste regiuni. Cu toate acestea, determinarea directă a secvenței de nucleotide primare (secvențierea ADN) a fost complicată de faptul că aceste regiuni, de regulă, sunt adiacente în cromozomi cu regiuni cu concentrație mare de secvențe repetate de ADN. Ce se știe astăzi despre aceste regiuni importante din punct de vedere funcțional ale cromozomilor?

Centromeri

Până la mijlocul secolului trecut, numeroase studii citologice au arătat rolul decisiv al centromerului în morfologia cromozomială. Ulterior s-a constatat că centromerul, împreună cu kinetocorul (o structură constând în principal din proteine), este responsabil pentru separarea corectă a cromozomilor în celulele fiice în timpul diviziunii celulare. Rolul de îndrumare al centromerului în acest proces este evident: la urma urmei, este atașat fusul de diviziune care, împreună cu centrele celulare (poli), constituie aparatul de diviziune celulară. Datorită contracției filamentelor fusului, cromozomii se deplasează în timpul divizării către polii celulei.

Cinci etape ale diviziunii celulare (mitoza) sunt de obicei descrise. Pentru simplitate, ne vom concentra pe trei etape principale în comportamentul cromozomilor unei celule care se divizează (Fig. 2). În prima etapă, există o compresie liniară graduală și îngroșarea cromozomilor, apoi se formează un fus de diviziune celulară, format din microtubuli. În al doilea rând, cromozomii se deplasează treptat spre centrul nucleului și se aliniază de-a lungul ecuatorului, probabil pentru a facilita atașarea microtubulilor la centromeri. În acest caz, anvelopa nucleară dispare. În ultima etapă, jumătățile cromozomilor - cromatide - diverg. Se pare că microtubulii atașați centromerilor ca un remorcher trag cromatide către polii celulei. Din momentul divergenței, fostele cromatide surori se numesc cromozomi fiice. Acestea ajung la polii fusului și se reunesc în paralel. Se formează un anvelopă nucleară.

Smochin. 2. Principalele etape ale mitozei.
De la stanga la dreapta: compactarea cromozomilor, formarea unui fus de fisiune; alinierea cromozomilor de-a lungul ecuatorului celulei,
atașarea fusului de fisiune la centromeri; mișcarea cromatidelor către polii celulei.

Cu o observație atentă, puteți vedea că în procesul de diviziune celulară în fiecare cromozom, centromerul este într-o poziție constantă. Menține o conexiune dinamică strânsă cu centrul celulei (polul). Împărțirea centromerilor are loc simultan în toți cromozomii.

Metodele de secvențiere dezvoltate în ultimii ani au făcut posibilă determinarea structurii primare a ADN a secțiunilor extinse ale centromerilor umani, musca fructelor Drosophila și plante Arabidopsis... S-a dovedit că atât în \u200b\u200bcromozomii oamenilor cât și ai plantelor, activitatea centromerică este asociată cu un bloc de repetări ADN organizate în tandem (monomeri), de dimensiuni apropiate (170-180 perechi de nucleotide, np). Astfel de regiuni se numesc ADN satelit. La multe specii, inclusiv cele care sunt îndepărtate evolutiv unele de altele, dimensiunea monomerilor este aproape aceeași: diverse specii de maimuțe - 171 puncte de bază, porumb - 180 puncte de bază, orez - 168 puncte de bază, insecta chironomus - 155 puncte de bază. Acest lucru poate reflecta cerințele generale pentru funcția centromerică.

În ciuda faptului că structura terțiară a centromerilor umani și arabidopsi este organizată în același mod, secvențele primare de nucleotide (sau ordinea nucleotidelor) din monomerii lor s-au dovedit a fi complet diferite (Fig. 3). Acest lucru este surprinzător pentru o regiune a cromozomului care îndeplinește o funcție atât de importantă și universală. Cu toate acestea, la analiza organizării moleculare a centromerilor din Drosophila, s-a constatat o anumită regularitate structurală, și anume prezența unor regiuni de monomeri de aproximativ aceeași dimensiune. Astfel, în Drosophila, centromerul cromozomului X constă în principal din două tipuri de repetări simple foarte scurte (AATAT și AAGAG), întrerupte de retrotranspozoni (elemente mobile de ADN) și „insule” de ADN mai complex. Toate aceste elemente au fost găsite în genomul Drosophila și în afara centromerilor, dar nu au fost găsite în ele secvențe de ADN caracteristice fiecărui centromer. Aceasta înseamnă că secvențele de ADN de centromer în sine sunt insuficiente și inutile pentru formarea unui centromer.

Smochin. 3. Structura ADN în centromeri de oameni și plante.

Dreptunghiurile corespund monomerilor organizați în tandem cu o secvență nucleotidică identică în interior (structură ADN primară). La diferite specii, structura primară a ADN-ului monomerilor este diferită, iar cea secundară este o spirală. Secvența monomerilor reflectă organizarea structurală a ADN-ului la un nivel superior.

Această presupunere este confirmată de manifestarea activității centromerului în afara centromerilor normali. Astfel de neocentromeri se comportă ca centromeri obișnuiți: formează o constricție distinctă citologic și formează un kinetocor care leagă proteinele. Cu toate acestea, analiza ADN a doi neocentromeri umani și a unui centromer comun nu a dezvăluit secvențe comune, ceea ce sugerează un posibil rol pentru alte componente structurale ale cromozomului. Pot fi proteine \u200b\u200bhistonice și non-histonice care se leagă de ADN, formând structura nucleozomală a cromatinei.

Rolul funcțional al structurii centromerice a cromatinei este confirmat de prezența variantelor de histonă H3 specifice fiecărei specii biologice în cromatina centromerică: la om sunt numite CENP-A, la plante - CENH3. Dintre numeroasele proteine \u200b\u200bprezente în kinetocor, doar două, CENH3 și proteina centromerică C (CENP-C), se leagă direct de ADN. Poate că CENH3, care interacționează cu alte histone (H2A, H2B și H4), formează și determină tipul de nucleozom specific centromerului. Astfel de nucleozomi pot servi ca un fel de ancore pentru formarea unui cinetocor. Variante de histonă H3 în centromeri de diferite specii sunt similare cu molecula canonică de histonă H3 în zonele de interacțiune cu alte proteine \u200b\u200bhistonice (H2A, H2B, H4). Cu toate acestea, regiunea histonei centromerice H3 care interacționează cu molecula de ADN este aparent sub influența selecției de conducere. După cum sa menționat deja, structura primară a ADN-ului centromeric diferă între specii și s-a sugerat că histona centromerică H3 co-evoluează cu ADN-ul centromeric, în special în Drosophila și Arabidopsis.

Descoperirea histonei centromerice H3 a dat naștere la punctul de vedere extrem, potrivit căruia funcția centromerică și independența sa completă față de structura primară a ADN sunt determinate de organizarea nucleozomală și de această histonă. Dar sunt acești factori suficienți pentru ca centromerul să fie pe deplin activ? Modelele care ignoră rolul structurii primare a ADN-ului ar trebui să presupună o distribuție aleatorie a modificărilor structurii ADN-ului centromeric în diferite populații în absența selecției. Cu toate acestea, analiza ADN-ului satelit în centromeri umani și Arabidopsis au identificat regiuni conservate precum și regiuni cu variabilitate mai mare decât media, indicând presiunea de selecție asupra ADN-ului centromeric. În plus, centromerii artificiali au fost obținuți numai cu repetări ale unui satelit uman amplificat de la centromeri naturali, dar nu de la a-sateliți ai regiunilor pericentromerice ale cromozomilor.

Modele în care factorul decisiv în determinarea poziției centromerului (păstrat din generație în generație) și a funcțiilor sale este structura terțiară (sau chiar de ordin superior) a ADN-ului sunt dificultăți mai puțin fundamentale pentru explicație. Conservatorismul său permite variații mari în secvența nucleotidică și nu exclude ajustarea fină a structurii primare.

În ultimii ani, a devenit evident că nu există secvențe universale de ADN care să determine în mod direct funcțiile centromerilor și telomerilor. În aceste regiuni ale cromozomilor, ADN servește drept platformă pentru asamblarea complexelor complexe, multicomponente ADN-proteine, care asigură aceste funcții. Mai multe detalii despre organizarea complementară a acestor complexe și funcționarea lor coordonată pot fi găsite în revizuirea noastră. Împreună cu componentele acestor complexe specifice centromerilor și telomerilor, acestea includ și cele care sunt implicate în îndeplinirea mai multor funcții, uneori chiar opuse. De exemplu, heterodimerul Ku70 / 80 face parte din telomeri și funcționează ca un regulator pozitiv al lungimii telomerilor în drojdie și ca un regulator negativ în planta Arabidopsis. În același timp, această proteină este implicată în recunoașterea rupturilor cromozomiale și în refacerea lor. Fără îndoială, una dintre cele mai urgente domenii de cercetare este identificarea naturii moleculare a mecanismelor de reglare a diferitelor complexe moleculare care asigură activitatea centromerilor și telomerilor.

Această lucrare a fost susținută de Fundația Rusă pentru Cercetare de Bază (proiect 04-04-48813), INTAS (03-51-5908)
și Programul de proiecte de integrare a SB RAS (proiectul 45/2).

Literatură

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

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

3. Wu J., Yamagata H., Hayashi-Tsugane M. și colab. // Celula plantei. 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.Alte studii privind natura și cauzele mutațiilor genetice // Proc. Al șaselea Int. 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 // Gene Dev. 2005. V.19. P.2100-2110.

Centromerii sunt structuri cromozomiale responsabile de direcția mișcării cromozomilor în timpul mitozei. Funcțiile centromerilor includ adeziunea cromatidelor surori, formarea kinetocorei, asocierea cromozomilor omologi și implicarea în controlul expresiei genetice. În majoritatea eucariotelor, centromerii nu conțin o secvență specifică de ADN. De obicei conțin repetări (de exemplu, ADN satelit) care sunt similare, dar nu identice. În nematodul Caenorhabditis elegans și unele plante, cromozomii sunt holocentri, adică formarea kinetocorei nu este localizată într-o anumită zonă, ci apare difuz pe toată lungimea cromozomului.

Centromeri de drojdie

Centromer Sp Lungimea de 35-110 kb (cu cât cromozomul este mai lung, cu atât centromerul este mai mic) și constă din două domenii - regiunea crustală centrală și regiunea exterioară a repetițiilor (otr), reprezentate de heterocromatină (Fig. 1). Regiunea crustală centrală constă dintr-o zonă de ADN care nu se repetă (cnt) și o zonă de inversat
repetă (imt) de-a lungul marginilor cnt. În cortexul central, histona normală H3 este înlocuită de analogul său (CENP-A în Sc), iar kinetocorul este colectat în acest loc. Genele marker inserate în secvența centromerică devin inactive transcripțional. Tăcerea lor depinde de poziție, de exemplu, de repetițiile externe, este mai puternică, iar în regiunea centrală este mai puțin pronunțată. Proteinele Mis6, Mis12, Mal2 și Sim4 se leagă de regiunea centrală a centromerului. Regiunea centrală este parțial digerată de nuclează micrococică, ceea ce indică o organizare specială a cromatinei, iar această organizare nu depinde de ADN (ADN-ul transferat către Sp sau către alte părți ale cromozomului nu reține o astfel de organizare). Repetările externe sunt împachetate în nucleozomi, cu histone deacetilate (folosind deacetilaze Clr3, Clr6 și Sir2). Metiltransferaza Clr4 dimetilați H3K9, pe care se așează Swi6 (analogul HP1) și Chp1. Astfel, heterocromatina se formează pe centromer
(vezi revizuirea Heterochromatin). Swi6 este responsabil pentru atașarea coezinelor la regiunea repetărilor externe. otr constă din repetiții dg și dh, separate de alte repetiții. Repetările interne și externe conțin grupuri de gene ARNt. S-a constatat că repetările dg au un rol primordial în stabilirea activității centromerice.
ADN-ul regiunii nucleului central este bogat în AT și constă din trei regiuni cnt1, cnt3 sunt 99% omoloage, situate de-a lungul marginilor cnt2, care este 48% omologă pentru acestea. Imr stânga și dreapta sunt inversate și unice pentru fiecare centromer.

Smochin. unu

Toți cei 16 centromeri Scau o lungime de 90 pb și conțin trei elemente: CDEI, CDEII și CDEIII (Fig. 2). CDEII este un distanțier bogat în AT, neconservat, de 78-90 bp, care separă CDEI și CDEIII. CDEI are o lungime de 8 bp. Acest site nu este esențial pentru activitatea centromerică, dar ștergerea acestuia crește probabilitatea de nealiniere a cromozomilor în timpul mitozei. CDEII - 78-90 bp, conține ~ 90% perechi AT. Ștergerile din această regiune întrerup formarea centromerului fără a perturba divergența cromomozomială. CDEIII - Luni 26 conține palindromi imperfecți. O singură substituție nucleotidică în această regiune întrerupe complet activitatea centromerică.

Smochin. 2

Smochin. 3 Secvențe de ADN centromeric al cromozomilor Sc

Centromeri umani

Centromerul uman este o regiune de 1-4 Mp a unui satelit bogat în AT cu o lungime de ~ 171 bp ( alfoid). Sunt prezenți și alți sateliți. În cadrul repetărilor, se stabilește un loc de formare a unui centromer, numit neocentromer. Secvența primară de ADN din neocentromerul stabilit este irelevantă. Nu toți a-sateliții devin un centromer, în ciuda prezenței a doi loci bogați într-un satelit, doar unul dintre ei devine un centromer activ. ADN-ul intact care conține un alfoid și plasat în nucleu nu formează un centromer activ; prin urmare, mecanismul principal pentru formarea unui centromer activ rămâne neclar.

Sunt cromozomi dublu catenari, reproduși, care se formează în timpul diviziunii. Funcția principală a centromerului este de a servi ca punct de atașare pentru fibrele fusului de fisiune. Fusul prelungește celulele și separă cromozomii pentru a se asigura că fiecare nou primește numărul corect de cromozomi când este finalizat sau.

ADN-ul din regiunea centromerică a cromozomului este compus dintr-un ambalaj dens, cunoscut sub numele de heterocromatină, care este foarte compact și, prin urmare, nu este transcris. Datorită prezenței heterocromatinei, regiunea centromerului este colorată cu coloranți mai întunecați decât alte părți ale cromozomului.

Locație

Centromerul nu este întotdeauna localizat în regiunea centrală a cromozomului (vezi fotografia de mai sus). Cromozomul este format dintr-un braț scurt (p) și un braț lung (q), care se conectează la regiunea centromerică. Centromerii pot fi localizați atât aproape de mijloc, cât și în mai multe poziții de-a lungul cromozomului. Centromerii metacentrici sunt situați în apropierea centrului cromozomilor. Centromerii submetacentrici sunt deplasați într-o parte din centru, astfel încât un braț este mai lung decât celălalt. Centromerii acrocentrici sunt localizați aproape de capătul cromozomului, iar centromerii telocentrici sunt situați la capătul sau în regiunea telomerilor cromozomului.

Poziția centromerului este ușor de detectat în cariotipul uman. Cromozomul 1 este un exemplu de centromer metacentric, cromozomul 5 este un exemplu de centromer submetacentric, iar cromozomul 13 este un exemplu de centromer acrocentric.

Divergența cromozomilor în mitoză

Înainte de începerea mitozei, o celulă intră într-o etapă cunoscută sub numele de interfază, unde își reproduce ADN-ul în pregătirea diviziunii celulare. Se formează surori care sunt conectate în centromeriile lor.

În timpul profazei mitozei, zonele specializate de pe centromeri numiți cinetocori atașează cromozomii la fibrele fusiforme. Kinetochorele sunt alcătuite dintr-o serie de complexe proteice care generează fibre kinetochore care se atașează la fusul de fisiune. Aceste fibre ajută la manipularea și separarea cromozomilor în timpul diviziunii celulare.

În stadiul metafazei, cromozomii sunt ținuți pe placa metafazică de forțe egale ale fibrelor polare, apăsând pe centromeri.

În timpul anafazei, centromeri asociați în fiecare cromozom individual încep să divergă unul de celălalt, deoarece sunt mai întâi centrate în raport cu polii opuși ai celulei.

În timpul telofazei, cele nou formate includ cromozomi fiici separați. După citokinezie, se formează două diferite.

Divergența cromozomilor în meioză

În meioză, celula trece prin două etape ale procesului de divizare (meioza I și meioza II). În timpul metafazei I, centromerii cromozomilor omologi sunt orientați către polii opuși ai celulelor. Aceasta înseamnă că cromozomii omologi se vor atașa în regiunile lor centromerice de fibrele fusului de divizare care se extind doar de la unul dintre cei doi poli ai celulei.

Când fibrele fusului se contractă în timpul anafazei I, cromozomii omologi sunt atrași către polii opuși ai celulelor, dar cromatidele surori rămân împreună. În meioza II, fibrele fusului care se extind de la ambii poli ai celulelor se atașează de cromatidele surori din centromeri. Cromatidele surori se separă la anafaza II când fibrele fusului le trag spre poli opuși. Meioza are ca rezultat divizarea și distribuția cromozomilor între patru celule fiice noi. Fiecare celulă conține doar jumătate din numărul de cromozomi ai celulei originale.