A kromoszómák ( más görögül χρῶμα "szín" + σῶμα "test") egy eukarióta sejt magjában lévő nukleoprotein struktúrák , amelyekben az örökletes információ nagy része koncentrálódik, és amelyeket tárolására, megvalósítására és átvitelére terveztek. A kromoszómák fénymikroszkóp alatt csak a mitotikus vagy meiotikus sejtosztódás időszakában láthatók tisztán. A sejt összes kromoszómájának összessége, amelyet kariotípusnak neveznek , egy fajspecifikus tulajdonság, amelyet viszonylag alacsony szintű egyéni variabilitás jellemez [1] .
Az eukarióta kromoszóma egyetlen és rendkívül hosszú DNS- molekulából jön létre, amely számos gén lineáris csoportját tartalmazza . Az eukarióta kromoszóma alapvető funkcionális elemei a centromerek , a telomerek és a replikációs origók . A replikációs origó (kezdeményezési helyek) és a kromoszómák végein elhelyezkedő telomerek lehetővé teszik a DNS-molekula hatékony replikációját, míg a centromereknél testvér-DNS-molekulák kapcsolódnak a mitotikus orsóhoz , ami biztosítja azok pontos divergenciáját a mitózisban lévő leánysejtekhez [2] ] .
A kifejezést eredetileg az eukarióta sejtekben található struktúrákra utalták, de az utóbbi évtizedekben egyre gyakrabban beszélnek bakteriális vagy vírusos kromoszómákról . Ezért D. E. Koryakov és I. F. Zhimulev [3] szerint tágabb definíció a kromoszóma definíciója, mint egy nukleinsavat tartalmazó szerkezet, amelynek feladata az örökletes információk tárolása, megvalósítása és továbbítása. Az eukarióta kromoszómák DNS-tartalmú struktúrák a sejtmagban, a mitokondriumokban és a plasztidokban . A prokarióta kromoszómák DNS-tartalmú struktúrák egy sejtmag nélkül. A víruskromoszómák egy DNS vagy RNS molekula a kapszidban .
A kromoszómák első leírása különféle szerzők cikkeiben és könyveiben jelent meg a XIX. század 70-es éveiben, és a kromoszómák felfedezésének prioritása különböző embereket kap, nevezetesen: I. D. Chistyakov (1873), A. Schneider (1873), E. Strasburger (1875), O. Buechli (1876) és mások [4] . Leggyakrabban a kromoszómák felfedezésének évét 1882-nek nevezik, felfedezőjük pedig a német W. Fleming anatómus , aki alapvető könyvében „Zellsubstanz, Kern und Zelltheilung” gyűjtött össze és karcsúsított a kromoszómákkal kapcsolatos információkat, kiegészítve saját kutatásainak eredményeit. . A „kromoszóma” kifejezést G. Waldeyer német hisztológus javasolta 1888-ban. A "kromoszóma" szó szerinti fordításban "festett testet" jelent, mivel a fő színezékek, mint az azúrkék, bázikus fukszin, orcein stb., jól kapcsolódnak a kromoszómákhoz [5] .
A Mendel-törvények 1900-as újrafelfedezése után mindössze egy-két évbe telt, mire világossá vált, hogy a kromoszómák a meiózis és a megtermékenyítés során pontosan úgy viselkednek, ahogy azt az "öröklődési részecskéktől" várták. 1902-ben T. Boveri és 1902-1903-ban W. Setton ( Walter Sutton ) egymástól függetlenül terjesztett elő hipotézist a kromoszómák genetikai szerepéről [6] .
Ezeknek az elképzeléseknek a kísérleti megerősítését a 20. század első negyedében végezték T. Morgan , C. Bridges , A. Sturtevant és G. Möller amerikai tudósok . Genetikai kutatásuk tárgya a D.melanogaster gyümölcslégy volt . A Drosophila-n szerzett adatok alapján megfogalmazták az " öröklődés kromoszómális elméletét ", amely szerint az öröklődő információk átvitele olyan kromoszómákhoz kapcsolódik, amelyekben a gének lineárisan helyezkednek el egy bizonyos szekvenciában. Az öröklődés kromoszómaelméletének főbb rendelkezéseit 1915-ben tették közzé a "The mechanizmus of mendelian heredity" (angolul) [7] [6] című könyvben .
1933-ban a kromoszómák öröklődésben betöltött szerepének felfedezéséért T. Morgan fiziológiai és orvosi Nobel-díjat kapott [8] .
A sejtciklus során a kromoszóma alakja megváltozik. Az interfázisban ezek nagyon finom struktúrák, amelyek külön kromoszómális területeket foglalnak el a sejtmagban , de vizuális megfigyelés során nem észrevehetők különálló képződményekként. A mitózis során a kromoszómák sűrűn tömörült elemekké alakulnak át, amelyek képesek ellenállni a külső hatásoknak, megőrizni integritásukat és alakjukat [9] [10] . A mitózis profázisának , metafázisának vagy anafázisának stádiumában lévő kromoszómák állnak rendelkezésre fénymikroszkópos megfigyelésre. Mitotikus kromoszómák minden olyan szervezetben láthatók, amelynek sejtjei mitózissal osztódnak, kivéve a S. cerevisiae élesztőgombát , amelynek kromoszómái túl kicsik [11] . A mitotikus kromoszómák általában több mikronos méretűek . Például a legnagyobb emberi kromoszóma, az 1. kromoszóma körülbelül 7-8 µm hosszú a metafázisban és 10 µm a mitózis profázisában [12] .
A mitózis metafázisában a kromoszómák két longitudinális másolatból állnak, úgynevezett testvérkromatidákból , amelyek a replikáció során képződnek . A metafázisú kromoszómákban a testvérkromatidák az elsődleges szűkület régiójában, az úgynevezett centromérában kapcsolódnak össze . A centromer felelős a testvérkromatidák leánysejtekre való szétválasztásáért az osztódás során. A centromeren a kinetochore összeállítása zajlik , egy összetett fehérjeszerkezet, amely meghatározza a kromoszóma kötődését a hasadási orsó mikrotubulusaihoz, a kromoszóma mozgatóihoz mitózisban [13] . A centromer két részre osztja a kromoszómákat, amelyeket karoknak neveznek . A legtöbb fajnál a kromoszóma rövid karját p betűvel , a hosszú karját q betűvel jelöljük . A kromoszóma hossza és a centromer helyzete a metafázisú kromoszómák fő morfológiai jellemzői.
A centromer elhelyezkedésétől függően a kromoszómaszerkezet három típusát különböztetjük meg:
A kromoszómáknak a karhosszarányon alapuló osztályozását 1912-ben S. G. Navashin orosz botanikus és citológus javasolta . S. G. Navashin a fenti három típuson kívül telocentrikus kromoszómákat is megkülönböztetett, vagyis olyan kromoszómákat, amelyeknek csak egy karja van. A modern elképzelések szerint azonban valóban telocentrikus kromoszómák nem léteznek. A második kar, még ha nagyon rövid és egy közönséges mikroszkópban láthatatlan is, mindig jelen van [15] .
Egyes kromoszómák további morfológiai jellemzője az úgynevezett másodlagos szűkület , amely külsőleg abban különbözik az elsődlegestől, hogy nincs észrevehető szög a kromoszóma szegmensei között. A másodlagos szűkületek különböző hosszúságúak, és a kromoszóma hosszának különböző pontjain helyezkedhetnek el. A másodlagos szűkületekben általában nukleoláris szervezők találhatók, amelyek riboszomális RNS -t kódoló gének többszörös ismétlődését tartalmazzák . Emberben a riboszomális géneket tartalmazó másodlagos szűkületek az akrocentrikus kromoszómák rövid karjaiban helyezkednek el, amelyek kis kromoszómaszegmenseket, úgynevezett műholdakat választanak el a kromoszóma fő testétől [16] . A műholddal rendelkező kromoszómákat általában SAT kromoszómáknak nevezik ( lat. SAT (Sine Acid Thymonucleinico) – DNS nélkül).
A kromoszómák monokróm festésével (acetokarmin, acetoorcein, Fölgen vagy Romanovsky-Giemsa festés ) azonosítható a kromoszómák száma és mérete; alakjukat elsősorban a centroméra helyzete, másodlagos szűkületek, műholdak jelenléte határozza meg. Az esetek túlnyomó többségében ezek a jelek nem elegendőek a kromoszómakészlet egyes kromoszómáinak azonosításához. Ezenkívül a monokróm-festett kromoszómák gyakran nagyon hasonlóak a fajok között. A kromoszómák differenciális festése, amelynek különféle módszereit az 1970-es évek elején fejlesztették ki, a citogenetika számára hatékony eszközt biztosított az egyes kromoszómák egészének és részeinek azonosítására, megkönnyítve ezzel a genom elemzését [17] .
A differenciális festési módszerek két fő csoportra oszthatók:
A kromoszóma alapja egy jelentős hosszúságú lineáris DNS-makromolekula. Az emberi kromoszómák DNS-molekuláiban 50-245 millió pár nitrogénbázis található . Az emberi sejt magjából származó összes DNS-molekula teljes hossza körülbelül két méter. Ugyanakkor egy tipikus emberi sejtmag , amely csak mikroszkóppal látható, körülbelül 110 mikron térfogatot foglal el, és az átlagos emberi mitotikus kromoszóma nem haladja meg az 5-6 mikront. A genetikai anyag ilyen tömörítése azért lehetséges, mert az eukariótákban a DNS-molekulák jól szervezett rendszere jelen van mind az interfázisos sejtmagban, mind a mitotikus kromoszómában. Az eukariótákban a szaporodó sejtekben a kromoszómák tömörödésének mértéke állandóan rendszeres változást mutat. A mitózis előtt a kromoszómális DNS a DNS lineáris hosszához képest 105- ször tömörül, ami szükséges a kromoszómák sikeres leánysejtekké történő szegregációjához, míg az interfázisú sejtmagban a sikeres transzkripciós és replikációs folyamatokhoz a kromoszómát dekompaktálni kell [12] . Ugyanakkor a sejtmagban lévő DNS soha nem nyúlik meg teljesen, és bizonyos mértékig mindig tele van. Így az interfázisban lévő kromoszóma és a mitózisban lévő kromoszóma közötti számított méretcsökkenés élesztőben csak körülbelül 2-szeres, emberben 4-50-szeres [19] .
A DNS kromatinba történő becsomagolása többszörösen csökkenti a DNS lineáris dimenzióit, ami szükséges a sejtmagban való elhelyezéséhez. A klasszikus elképzelések szerint a csomagolás hierarchikus jellegű. A csomagolás első három szintje a leginkább tanulmányozott: (1) a DNS tekercselése a nukleoszómák köré egy 10 nm átmérőjű nukleoszómális szál kialakításával, (2) a nukleoszómális szál tömörítése az úgynevezett 30 nm-es fibrillum képződésével. , és (3) ez utóbbiak óriásfibrillumok (50-200 ezer bp) hurkokká való összehajtása, amelyek a sejtmag fehérje vázszerkezetéhez – a magmátrixhoz – kapcsolódnak [20] .
A modern elképzelések szerint azonban az ilyen szabályos struktúrák nem fiziológiás körülmények között in vitro keletkező műtermékek . A sejtekben a nukleoszómális fibrillum (eukariótákban és egyes archaeákban) vagy maga a DNS (baktériumokban és egyes archaeákban) hurok- és globuláris struktúrákká gyűrődik, amelyek bizonyos esetekben szabályozási jelentőséggel bírnak [21].
A mitotikus kromoszóma csomagolásának egyik legújabb szintje, egyes kutatók, akik ragaszkodnak a hagyományos nézetekhez, az úgynevezett kromonemát tartják számon , amelynek vastagsága körülbelül 0,1-0,3 mikron [22] . A további tömörítés eredményeként a kromatid átmérője a metafázis idejére eléri a 700 nm-t. A kromoszóma jelentős vastagsága (átmérője 1400 nm) a metafázis stádiumában végül lehetővé teszi, hogy fénymikroszkóppal is lássuk. A kondenzált kromoszóma úgy néz ki, mint az X betű (gyakran egyenlőtlen karokkal), mivel a replikációból származó két kromatid a centromer régióban kapcsolódik egymáshoz (a kromoszómák sorsáról a sejtosztódás során lásd a mitózis és meiózis cikkeket ).
Az aneuploidiával a kariotípus kromoszómáinak száma megváltozik, amelyben a kromoszómák összszáma nem többszöröse az n haploid kromoszómakészletnek . Egy homológ kromoszómapárból egy kromoszóma elvesztése esetén a mutánsokat monoszómásnak , egy további kromoszóma esetén a három homológ kromoszómával rendelkező mutánsokat triszómiásnak , egy homológ pár elvesztése esetén , nulliszómikus [23] . Az autoszomális aneuploidia mindig jelentős fejlődési rendellenességeket okoz, mivel ez a fő oka a spontán vetéléseknek emberekben [24] . Az egyik leghíresebb emberi aneuploidia a 21-es triszómia, amely Down-szindróma kialakulásához vezet [1] . Az aneuploidia a daganatsejtekre jellemző, különösen a szolid tumorsejtekre [25] .
A kromoszómák számában bekövetkezett változást, amely a haploid kromoszómakészlet ( n ) többszöröse, poliploidiának nevezzük. A poliploidia széles körben és egyenetlenül oszlik el a természetben. Poliploid eukarióta mikroorganizmusok ismertek - gombák és algák , poliploidok gyakran megtalálhatók a virágos növények között, de nem a tornatermékenyek között . A többsejtű állatokban a teljes szervezet sejtjeinek poliploiditása ritka, bár gyakran endopoliploidia van néhány differenciált szövetben, például emlősökben a májban , valamint számos rovar bélszövetében, nyálmirigyében, malpighi ereiben [26] .
A kromoszóma-átrendeződések (kromoszóma-rendellenességek) olyan mutációk, amelyek megzavarják a kromoszómák szerkezetét. A szomatikus és csírasejtekben spontán vagy külső hatások ( ionizáló sugárzás , kémiai mutagének , vírusfertőzés stb.) hatására keletkezhetnek. A kromoszóma-átrendeződés következtében a kromoszóma egy töredéke elveszhet, vagy éppen ellenkezőleg, megkétszereződhet ( deléció és duplikáció ); a kromoszóma egy szegmense átvihető egy másik kromoszómába ( transzlokáció ), vagy 180°-kal megváltoztathatja a kromoszómában lévő orientációját ( inverzió ). Vannak más kromoszóma-átrendeződések is.
Sok madárban és hüllőben a kariotípus kromoszómái két különálló csoportot alkotnak: makrokromoszómákat és mikrokromoszómákat. Egyes fajoknál a mikrokromoszómák olyan kicsik és olyan sokak, hogy lehetetlen megkülönböztetni egyiket a másiktól [27] . A mikrokromoszómák rövidek, de gazdagok génekben , kromoszómákban. Például egy csirke kariotípus 39 pár kromoszómát tartalmaz, amelyek közül 6 makrokromoszóma és 33 minikromoszóma. A csirke makrokromoszómái a genomiális DNS kétharmadát, de a gének csak 25%-át, míg a mikrokromoszómák a genomi DNS fennmaradó harmadát és a gének 75%-át tartalmazzák. Így a csirke minikromoszómák génsűrűsége hatszor nagyobb, mint a makrokromoszómákban [28] .
A B kromoszómák olyan extra kromoszómák, amelyek a populációban csak bizonyos egyedeknél vannak jelen a kariotípusban. Gyakran megtalálhatók a növényekben , és leírták gombákban , rovarokban és állatokban . Egyes B-kromoszómák géneket, gyakran rRNS-géneket tartalmaznak , de nem világos, hogy ezek a gének mennyire funkcionálisak. A B kromoszómák jelenléte befolyásolhatja az élőlények biológiai jellemzőit, különösen a növényekben, ahol jelenlétük csökkent életképességgel jár. Feltételezhető, hogy a B kromoszómák fokozatosan elvesznek a szomatikus sejtekben szabálytalan öröklődésük következtében [28] .
A holocentrikus kromoszómák nem rendelkeznek elsődleges szűkülettel, ún. diffúz kinetokorral rendelkeznek, ezért a mitózis során a kromoszóma teljes hosszában orsó mikrotubulusok kötődnek. A holocentrikus kromoszómák osztódási pólusaihoz való kromatidák divergenciája során az egymással párhuzamos pólusokra mennek, míg a monocentrikus kromoszómában a kinetochore megelőzi a kromoszóma többi részét, ami jellegzetes V-alakú divergáló kromatidákhoz vezet. az anafázis szakasz. A kromoszómák fragmentálódása során, például ionizáló sugárzás hatására, a holocentrikus kromoszómák töredékei rendezetten eltérnek a pólusok felé, és a monocentrikus kromoszómák centromereket nem tartalmazó fragmentumai véletlenszerűen oszlanak el a leánysejtek között, és elveszhetnek. [29] .
A holocentrikus kromoszómák protistákban , növényekben és állatokban találhatók. A C. elegans fonálféregnek holocentrikus kromoszómái vannak [30] .
A politén kromoszómák a kromatidák óriási agglomerációi, amelyek bizonyos típusú speciális sejtekben fordulnak elő. Először Edouard-Gérard Balbiani ( fr. Édouard-Gérard Balbiani ) írta le 1881-ben a vérféreg ( Chironomus ) nyálmirigyeinek sejtjeiben , vizsgálatukat már az 1930-as években folytatta Kostov , Painter , Heinz ( német Emil Heintz ) és Bauer ( Hans Bauer ). Politén kromoszómákat találtak a Diptera lárvák nyálmirigyeinek, beleinek , légcsőjének , zsírtestének és Malpighian ereinek sejtjeiben is .
A lámpakefe-kromoszómák a kromoszómák egy óriási formája, amely egyes állatok, különösen egyes kétéltűek és madarak esetében a meiotikus női sejtekben az I. profázis diplotén szakaszában fordul elő [31] . Ezek a kromoszómák transzkripciós szempontból rendkívül aktívak, és a növekvő petesejtekben figyelhetők meg, amikor a tojássárgája kialakulásához vezető RNS -szintézis folyamata a legintenzívebb. Jelenleg 45 olyan állatfaj ismeretes, amelyek fejlődő petesejtekben ilyen kromoszómák figyelhetők meg. Emlős petesejtekben nem termelődik lámpakefe kromoszóma [32] .
A lámpakefe típusú kromoszómákat először W. Flemming írta le 1882-ben. A "lámpakefe kromoszómák" elnevezést J. Rückert német embriológus javasolta 1892 - ben.
A lámpakefe típusú kromoszómák hosszabbak, mint a politén kromoszómák. Például egyes farkú kétéltűek oocitáiban a kromoszómakészlet teljes hossza eléri az 5900 µm-t.
A prokariótáknak ( a legtöbb eukarióta sejtjében állandóan élő archaeák és baktériumok , beleértve a mitokondriumokat és plasztidokat ) nincs kromoszómájuk a szó megfelelő értelmében. Legtöbbjüknek csak egy DNS-makromolekulája van a sejtben, gyűrűbe zárva (ezt a szerkezetet nukleoidnak nevezik ). Lineáris (nem gyűrűbe zárt) DNS-makromolekulákat találtak számos baktériumban. A prokarióta sejtek citoplazmájában a nukleoid vagy lineáris makromolekulák mellett a DNS kisméretű, gyűrűbe zárt DNS-molekulák, úgynevezett plazmidok formájában is jelen lehet , amelyek általában a bakteriális kromoszómához képest kis számú gént tartalmaznak. . A plazmidok összetétele változó lehet, a baktériumok plazmidokat cserélhetnek a parasexuális folyamat során .
Bizonyíték van a nukleoid DNS-hez kapcsolódó fehérjék jelenlétére a baktériumokban , de hisztonokat nem találtak bennük.
A normál emberi kariotípust 46 kromoszóma képviseli. Ez 22 pár autoszóma és egy pár nemi kromoszóma (XY a férfi kariotípusban és XX a női kromoszómákban). Az alábbi táblázat az emberi kromoszómákban található gének és bázisok számát mutatja.
Kromoszóma | Összes bázispár [34] | Gének száma [35] | A fehérjét kódoló gének száma [36] |
---|---|---|---|
egy | 249250621 | 3511 | 2076 |
2 | 243199373 | 2368 | 1329 |
3 | 198022430 | 1926 | 1077 |
négy | 191154276 | 1444 | 767 |
5 | 180915260 | 1633 | 896 |
6 | 171115067 | 2057 | 1051 |
7 | 159138663 | 1882 | 979 |
nyolc | 146364022 | 1315 | 702 |
9 | 141213431 | 1534 | 823 |
tíz | 135534747 | 1391 | 774 |
tizenegy | 135006516 | 2168 | 1914 |
12 | 133851895 | 1714 | 1068 |
13 | 115169878 | 720 | 331 |
tizennégy | 107349540 | 1532 | 862 |
tizenöt | 102531392 | 1249 | 615 |
16 | 90354753 | 1326 | 883 |
17 | 81195210 | 1773 | 1209 |
tizennyolc | 78077248 | 557 | 289 |
19 | 59128983 | 2066 | 1492 |
húsz | 63025520 | 891 | 561 |
21 | 48129895 | 450 | 246 |
22 | 51304566 | 855 | 507 |
X kromoszóma | 155270560 | 1672 | 837 |
Y kromoszóma | 59373566 | 429 | 76 |
Teljes | 3 079 843 747 | 36463 |
21364 |
![]() | ||||
---|---|---|---|---|
Szótárak és enciklopédiák |
| |||
|
emberi kromoszómák | |
---|---|
autoszómák | |
gonoszómák |
Kromoszómák | |||||||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
Fő | |||||||||||
Osztályozás | |||||||||||
Szerkezet |
| ||||||||||
Szerkezetátalakítás és jogsértések | |||||||||||
A kromoszómális nem meghatározása | |||||||||||
Mód |
Genetika | ||
---|---|---|
Kulcsfogalmak | ||
A genetika területei | ||
minták | ||
Kapcsolódó témák |