Centromere su hromozomske strukture odgovorne za smjer kretanja hromozoma tokom mitoze. Funkcije centromera uključuju adheziju sestrinske hromatide, formiranje kinetohora, uparivanje homolognih hromozoma i učešće u kontroli genetske ekspresije. Kod većine eukariota, centromere ne sadrže specifičnu sekvencu DNK. Obično sadrže ponavljanja (npr. satelitsku DNK) koja su slična, ali nisu identična. Kod nematode Caenorhabditis elegans i nekih biljaka hromozomi su holocentrični, tj. formiranje kinetohora nije lokalizirano na određenom području, već se događa difuzno duž cijele dužine hromozoma.
Centromere kvasca
Centromere Sp Duga je 35-110 kb (što je hromozom duži, to je centromera manja) i sastoji se od dva domena - centralnog jezgra i spoljašnjeg ponavljajućeg regiona (otr), predstavljenog heterohromatinom (slika 1). Centralni region jezgra sastoji se od regiona nerepetitivne DNK (cnt) i regiona obrnute
ponavlja (imt) duž ivica cnt. U regionu centralnog jezgra, normalni histon H3 je zamenjen njegovim kolegom (CENP-A u Sc) i kinetohor se sklapa na ovoj lokaciji. Markerski geni umetnuti u centromernu sekvencu postaju transkripcijski neaktivni. Njihova tišina zavisi od pozicije, na primjer, jača je na vanjskim ponavljanjima, a manje je izražena u središnjoj regiji. Proteini Mis6, Mis12, Mal2 i Sim4 vezuju se za centralni region centromere. Centralna regija je djelimično probavljena mikrokoknom nukleazom, što ukazuje na posebnu organizaciju hromatina, a ta organizacija ne zavisi od DNK (DNK prenesena u Sp ili u druge dijelove hromozoma ne zadržava ovu organizaciju). Eksterni ponavljanja su spakovana u nukleozome, sa deacetiliranim histonima (koristeći Clr3, Clr6 i Sir2 deacetilaze). Clr4 metiltransferaza dimetilira H3K9, na kojem se nalaze Swi6 (analogno HP1) i Chp1. Tako se na centromeri formira heterohromatin
(vidi recenziju Heterochromatin). Swi6 je odgovoran za vezivanje kohezina na spoljašnji region ponavljanja. otr se sastoji od dg i dh ponavljanja razdvojenih drugim ponavljanjima. Unutrašnji i eksterni ponavljanja sadrže klastere tRNA gena. Utvrđeno je da dg ponavljanja igraju primarnu ulogu u uspostavljanju centromerne aktivnosti.
DNK regiona centralnog jezgra je bogat AT i sastoji se od tri sekcije cnt1, cnt3 - 99% homologne, smeštene duž rezova od cnt2 homologne sa njima za 48%. Lijevi i desni imr su obrnuti i jedinstveni su za svaku centromeru.
Rice. jedan
Svih 16 centromera sc dugi su 90 bp i sadrže tri elementa: CDEI, CDEII i CDEIII (slika 2). CDEII je AT bogat nekonzervativni razmak dug 78-90 bp koji razdvaja CDEI i CDEIII. CDEI je dugačak 8 bp. Ovaj region nije od suštinskog značaja za aktivnost centromera, ali njegovo brisanje povećava verovatnoću neusklađenosti hromozoma tokom mitoze. SDEII - 78-90 bp, sadrži ~90% AT parova. Delecije u ovoj regiji prekidaju formiranje centromere bez ometanja segregacije hromozoma. SDEIII - 26 bp sadrži nesavršene palindrome. Jedna nukleotidna supstitucija u ovoj regiji potpuno prekida centromernu aktivnost.
Rice. 2
Rice. 3 Kromosomske centromerne DNK sekvence sc
ljudska centromera
Ljudska centromera predstavlja područje od 1-4 Mb AT-bogatog a-satelita dužine ~171 bp ( alphaoid). Prisutni su i drugi sateliti. Unutar ponavljanja utvrđuje se mjesto formiranja centromera, koje se naziva neocentromera. Primarna sekvenca DNK u uspostavljenoj neocentromeri je irelevantna. Ne postaju svi a-sateliti centromera, uprkos prisustvu dva lokusa bogata a-satelitima, samo jedan od njih postaje aktivna centromera. Intaktna DNK koja sadrži alfa i smještena je u jezgro ne formira aktivnu centromeru, tako da primarni mehanizam za formiranje aktivne centromere ostaje nejasan.
Sredinom prošlog stoljeća brojne citološke studije pokazale su odlučujuću ulogu centromera u morfologiji hromozoma. Kasnije je otkriveno da je centromera, zajedno sa kinetohorom (struktura koja se sastoji uglavnom od proteina), odgovorna za ispravnu divergenciju hromozoma u ćelije kćeri tokom ćelijske deobe. Vodeća uloga centromere u ovom procesu je očigledna: na kraju krajeva, za nju je vezano vreteno diobe, koje zajedno sa ćelijskim centrima (polovima) čini aparat stanične diobe. Usled kontrakcije niti vretena, hromozomi se tokom deobe pomeraju do polova ćelije.
Obično se opisuje pet faza diobe ćelije (mitoza). Radi jednostavnosti, fokusiraćemo se na tri glavne faze u ponašanju hromozoma ćelije koja se deli (slika 2). U prvoj fazi dolazi do postupnog linearnog skupljanja i zadebljanja hromozoma, zatim se formira vreteno stanične diobe koje se sastoji od mikrotubula. Na drugom, hromozomi se postepeno pomiču prema centru jezgra i nižu se duž ekvatora, vjerovatno da bi se olakšalo vezivanje mikrotubula za centromere. U ovom slučaju, nuklearni omotač nestaje. U posljednjoj fazi, polovice hromozoma - hromatide - divergiraju. Čini se da mikrotubule pričvršćene za centromere, poput poteznice, povlače hromatide do polova ćelije. Od trenutka divergencije, bivše sestrinske hromatide nazivaju se kćerki hromozomi. Dolaze do polova vretena i spajaju se paralelno. Formira se nuklearni omotač.
Rice. 2. Glavne faze mitoze.
S lijeva na desno: zbijanje hromozoma, formiranje fisijskog vretena; poravnanje hromozoma duž ekvatora ćelije,
pričvršćivanje vretena na centromere; kretanje hromatida prema polovima ćelije.
Pažljivim posmatranjem može se vidjeti da je u procesu diobe ćelije u svakom hromozomu centromera u stalnom položaju. Održava blisku dinamičku vezu sa ćelijskim centrom (polom). Podjela centromera se događa istovremeno u svim hromozomima.
Metode sekvenciranja razvijene posljednjih godina omogućile su određivanje primarne strukture DNK proširenih dijelova ljudskih centromera, voćnih mušica Drosophila i biljke Arabidopsis. Pokazalo se da je u hromozomima ljudi i biljaka centromerna aktivnost povezana s blokom tandemski organiziranih ponavljanja (monomera) DNK koji su slične veličine (170-180 parova nukleotida, bp). Takve regije nazivaju se satelitskom DNK. Kod mnogih vrsta, uključujući i one koje su evolucijski udaljene jedna od druge, veličina monomera je gotovo ista: različite vrste majmuna - 171 bp, kukuruz - 180 bp, riža - 168 bp, kukac Chironomus - 155 bp. Možda ovo odražava opšte zahtjeve potrebne za funkciju centromera.
Unatoč činjenici da je tercijarna struktura centromera čovjeka i Arabidopsis organizirana na isti način, pokazalo se da su primarni nukleotidni nizovi (ili red nukleotida) u njihovim monomerima potpuno drugačiji (slika 3). Ovo je iznenađujuće za regiju hromozoma koja obavlja tako važnu i raznovrsnu funkciju. Međutim, prilikom analize molekularne organizacije centromera u Drosophili, utvrđen je određeni strukturni obrazac, odnosno prisustvo sekcija monomera približno iste veličine. Tako se kod Drosophile centromera X-hromozoma sastoji uglavnom od dva tipa vrlo kratkih jednostavnih ponavljanja (AATAT i AAGAG), prekinutih retrotranspozonima (pokretni DNK elementi) i „ostrvima“ složenije DNK. Svi ovi elementi pronađeni su u genomu Drosophila i izvan centromera, međutim u njima nisu pronađene sekvence DNK karakteristične za svaku centromere. To znači da centromerne DNK sekvence same po sebi nisu dovoljne i nisu neophodne za formiranje centromere.
Rice. 3. Struktura DNK u ljudskim i biljnim centromerama.
Pravokutnici odgovaraju tandem organiziranim monomerima s identičnom nukleotidnom sekvencom unutar (primarna struktura DNK). Kod različitih vrsta, primarna struktura DNK monomera se razlikuje, a sekundarna je spirala. Niz monomera odražava strukturnu organizaciju višeg nivoa DNK.
Ovu pretpostavku potvrđuje i manifestacija centromerne aktivnosti izvan normalnih centromera. Takve necentromere se ponašaju kao obične centromere: formiraju citološki prepoznatljivu konstrikciju i formiraju kinetohor koji se vezuje za protein. Međutim, DNK analiza dvije ljudske necentromere i uobičajene centromere nije otkrila zajedničke sekvence, što ukazuje na moguću ulogu drugih strukturnih komponenti hromozoma. Oni mogu biti histonski i nehistonski proteini koji se vezuju za DNK, formirajući nukleozomsku strukturu hromatina.
Funkcionalna uloga centromerne strukture hromatina potvrđuje prisustvo histonskih H3 varijanti specifičnih za svaku biološku vrstu u centromernom hromatinu: kod ljudi se zovu CENP-A, u biljkama - CENH3. Među mnogim proteinima prisutnim u kinetohoru, samo dva, CENH3 i centromerni protein C (CENP-C), vezuju se direktno za DNK. Moguće je da je CENH3, u interakciji sa drugim histonima (H2A, H2B i H4), taj koji formira i određuje tip nukleozoma specifičnih za centromere. Takvi nukleosomi mogu poslužiti kao svojevrsno sidro za formiranje kinetohora. Varijante histona H3 u centromerama različitih vrsta slične su kanonskom H3 molekulu histona na mjestima interakcije sa drugim histonskim proteinima (H2A, H2B, H4). Međutim, mjesto centromernog histona H3, koje stupa u interakciju s molekulom DNK, očigledno je pod djelovanjem pokretačke selekcije. Kao što je već diskutovano, primarna struktura centromerne DNK razlikuje se među vrstama, i sugerirano je da centromerni histon H3 koevoluira sa centromernom DNK, posebno kod Drosophile i Arabidopsis.
Otkriće centromernog histona H3 dovelo je do ekstremne tačke gledišta, prema kojoj je centromerna funkcija i njena potpuna nezavisnost od primarne strukture DNK određena nukleosomskom organizacijom i ovim histonom. Ali da li su ovi faktori dovoljni za punu aktivnost centromera? Modeli koji zanemaruju ulogu primarne strukture DNK moraju pretpostaviti slučajnu raspodjelu promjena u centromernoj strukturi DNK u različitim populacijama u odsustvu selekcije. Međutim, analiza satelitske DNK u ljudskim centromerama i Arabidopsis otkrili su očuvane regije kao i regije s varijabilnosti većom od prosječne, što ukazuje na pritisak selekcije na centromernu DNK. Osim toga, umjetne centromere su dobivene samo s ponavljanjima humanih a-satelita amplificiranih iz prirodnih centromera, ali ne i iz a-satelita pericentromernih regija hromozoma.
Modele u kojima je odlučujući faktor u određivanju položaja centromere (koju se čuva iz generacije u generaciju) i njenih funkcija tercijarna (ili čak višeg reda) struktura DNK, teže je objasniti. Njegov konzervativizam dozvoljava velike varijacije u sekvenci nukleotida i ne isključuje fino podešavanje primarne strukture.
Henikoff i kolege su predložili model koji opisuje koordiniranu evoluciju DNK i proteina i dovodi do pojave optimalno funkcionalnih centromera na primjeru diobe ženskih zametnih stanica. Kao što znate, u procesu mejoze, jedna roditeljska ćelija daje četiri ćelije kćeri kroz dvije uzastopne diobe. Nakon toga, samo jedna od njih se pretvara u zrelu žensku reproduktivnu ćeliju (gametu), koja prenosi genetske informacije na sljedeću generaciju, dok ostale tri ćelije umiru. Prema ovom modelu, u toku evolucije, zbog mutacija i drugih mehanizama u hromozomima, centromere sa dužim lancima satelitskih DNK monomera ili sa primarnom nukleotidnom strukturom koja je pogodnija za vezivanje i koordiniran rad sa specifičnim oblicima CENH3 i CENP -C histoni mogu nastati. Istovremeno, kod nekih organizama (arabidopsisa, Drosophila) dobijeni su dokazi o pozitivnom selekcijskom pritisku za CENH3, dok su za druge vrste (žitarice, sisari) za CENP-C (Sl. 4a). Kao rezultat, takve centromere sa poboljšanim kinetohorom postaju „jače“ i mogu pričvrstiti veći broj mikrotubula vretena (slika 4b). Ako u gametama ima više takvih “jakih” centromera, tada dolazi do procesa mejotičkog pogona, koji povećava broj takvih centromera i fiksira se nova varijanta u populaciji.
Rice. 4. Model koji objašnjava evoluciju centromera.
Iznad, centromeri (sivi ovali) sadrže specijalizirani skup proteina (kinetohore), uključujući histone CENH3 (H) i CENP-C (C), koji zauzvrat stupaju u interakciju s mikrotubulama vretena (crvene linije). U različitim taksonima, jedan od ovih proteina evoluira adaptivno iu skladu s divergencijom primarne strukture DNK centromera.
Dno – Promjene u primarnoj strukturi ili organizaciji centromerne DNK (tamno sivi oval) mogu stvoriti jače centromere, što rezultira većim pričvršćivanjem mikrotubula.
Komparativna genomika pomaže u razumijevanju mehanizama formiranja i aktivnosti centromernih regija hromozoma. Jedinstven primjer raznolike strukture centromera je hromozom 8 u genomu riže. Zajedno sa ponavljanjem satelitske DNK i retrotranspozonima, sadrži aktivno transkribovane gene; 48 od njih imalo je sekvence sa visokom homologijom sa poznatim proteinima. Ovi nalazi pobijaju mišljenje formirano na osnovu proučavanja centromera ljudi, Drosophila i Arabidopsis da u centromerama nema aktivnih gena.
Ako molekularna struktura centromera različitih eukariotskih vrsta sadrži neke univerzalne karakteristike (organizaciju DNK u obliku tandema, relativno kratkih monomera i hromatinskih proteina specifičnih za ove lokuse), onda je teško identificirati bilo kakve pravilnosti u veličinama ovih regioni. Da, kvasac Saccharomyces cerevisiae segment DNK od 125 bp uzima se kao minimalna funkcionalna centromera, a kod kvasca Schizosaccharomyces pombe mnogo je složeniji i duži (od 40.000 do 120.000 bp) i ima nekoliko nivoa organizacije. Kod ljudi, glavna komponenta centromera hromozoma, a-satelitska DNK, formira dugačke niti tandemski organizovanih monomera (od 250.000 do 4 miliona bp). Među 12 pirinčanih hromozoma u hromozomu 8, dužina lanca sa satelitom CentO je najkraća (~64 hiljade bp); odredio je položaj centromere i njegovu približnu veličinu od 2 miliona bp. Bilo je moguće dobiti kompletnu sekvencu DNK ovog centromernog regiona i odrediti region (~750 hiljada bp) unutar njega, gde se direktno formira kinetohor. Glavni CentO klaster se nalazi u ovoj oblasti.
Iznenađujuća plastičnost centromera, posebno aktivnih gena koji se nalaze u centromeri rižinog hromozoma 8, sugerira odsustvo stroge granice između centromera i ostatka hromozoma, pa čak i mogućnost raštrkane strukture centromernog hromatina. Međutim, nedavno objavljeni podaci o prisutnosti hromatinske barijere između same centromere i pericentromernog heterohromatina u kvascu govore protiv postojanja nekoliko klastera u području suženja hromozoma. Schizosaccharomyces pombe. Barijera je alanin tRNA gen. Brisanje ili modifikacija sekvence barijere dovodi do oslobađanja pericentromernog heterohromatina izvan njegovih uobičajenih granica. Štaviše, odsustvo barijere uzrokuje abnormalnu segregaciju hromozoma tokom mejoze. Naravno, treba imati na umu da se ovi najzanimljiviji rezultati do sada odnose samo na jednu vrstu kvasca.
U zavisnosti od funkcionalnog i fiziološkog stanja, ćelija se može deliti na različite načine. Metode podjele somatskih ćelija mitoza, amitoza ili endomitoza. polne ćelije podijeliti po mejozi.
Mitoza - indirektna dioba ćelije, praćena spiralizacijom hromozoma. Postoji nekoliko faza u mitozi:
I Profaza (od grčkog "pro" - prije, "faze" - izgled). Dolazi do spiralizacije i skraćivanja hromozoma. Nukleol i nuklearna membrana nestaju, centriole se razilaze prema polovima ćelije i formira se diobeno vreteno. Hromozomi se sastoje od dvije hromatide povezane centromerom. Profaza je najduža faza mitoze. Set genetskog materijala - 2n 4s.
II Metafaza (od grčkog "meta" - sredina). Kromosomi, koji se sastoje od dvije hromatide, poređaju se u ekvatorijalnoj ravni ćelije. Vlakna vretena su vezana za centromere. U vretenu podjele razlikuju se dvije vrste niti: 1) hromozomske, povezane s primarnim suženjima hromozoma, 2) centrosomske, koje povezuju polove diobe. Skup genetskog materijala u ovom trenutku je 2n 4s.
III Anafaza (od grčkog "ana" - gore). Najkraća faza podjele. Centromere hromozoma se razdvajaju, hromatide (kromosomi kćeri) postaju nezavisni. Vlakna vretena pričvršćena za centromere povlače kćerke hromozome do polova ćelije. Set genetskog materijala - 2n 2s.
IV telofaza. Hromozomi, koji se sastoje od jedne hromatide, nalaze se na polovima ćelije. Hromozomi se despiralizuju (opuštaju). Na svakom polu formiraju se nuklearna membrana i jezgre oko kromosoma. Filamenti fisijskog vretena se raspadaju. Citoplazma ćelije je podijeljena (citokineza = citotomija). Formiraju se dvije kćerke ćelije. Skup genetskog materijala ćelija kćeri je 2n 2s.
Podjela citoplazme sužavanjem u različitim stanicama odvija se na različite načine. U životinjskim ćelijama, invaginacija citoplazmatske membrane tokom ćelijske deobe se dešava od ivica do centra. U biljnim ćelijama u centru se formira pregrada koja se zatim povećava prema zidovima ćelije.
Biološki značaj mitoze. Kao rezultat mitoze, dolazi do tačne raspodjele genetskog materijala između dvije kćeri ćelije. Ćerke ćelije dobijaju isti set hromozoma koji je imala matična ćelija - diploidne. Mitoza održava konstantnost broja hromozoma u nizu generacija i služi kao ćelijski mehanizam za rast, razvoj organizma, regeneraciju i aseksualnu reprodukciju. Mitoza je osnova aseksualne reprodukcije u organizmima. Broj ćerki ćelija formiranih tokom mitoze je 2.
Amitoza(od grčkog "a" - negacija, "mitos" - nit) - direktna podjela ćelije, u kojoj je jezgro u interfaznom stanju. Hromozomi nisu otkriveni. Podjela počinje promjenama na jezgrama. Velike jezgre su podijeljene suženjem. Nakon toga slijedi podjela jezgra. Jezgro se može podijeliti samo jednim suženjem ili fragmentirati. Rezultirajuće kćerke jezgre mogu biti nejednake veličine.
To. amitoza dovodi do pojave dvije ćelije sa jezgrima različite veličine i broja. Često se nakon amitoze ne formiraju dvije ćelije, tj. nakon nuklearne fisije ne dolazi do odvajanja citoplazme (citokineze). 2 i formiraju se višenuklearne ćelije. Amitoza se javlja u zastarjelim, degenerirajućim somatskim stanicama.
Endomitoza- proces u kojem udvostručavanje hromozoma u ćeliji nije praćeno nuklearnom diobom. Kao rezultat toga, broj hromozoma u ćeliji se množi, ponekad i desetinama puta u poređenju sa prvobitnim brojem. Endomitoza se javlja u ćelijama koje intenzivno funkcionišu.
Ponekad se reprodukcija hromozoma odvija bez povećanja njihovog broja u ćeliji. Svaki hromozom se udvostručuje mnogo puta, ali hromozomi kćeri ostaju međusobno povezani (fenomen politenije). Kao rezultat, formiraju se ogromni hromozomi.
Mejoza - poseban oblik diobe stanica, u kojem se od diploidnih majčinih zametnih stanica formiraju haploidne kćeri ćelije. Fuzija muških i ženskih haploidnih zametnih ćelija tokom oplodnje dovodi do pojave zigote sa diploidnim setom hromozoma. Kao rezultat toga, organizam kćer koji se razvija iz zigote ima isti diploidni kariotip kao i majčinski organizam.
Mejoza uključuje dvije uzastopne diobe.
I mejotička podjela naziva se redukcija. Uključuje 4 faze.
Profaza I. Najduža etapa. Uslovno se dijeli na 5 faza.
1) Leptoten. Nukleus je uvećan. Počinje spiralizacija hromozoma, od kojih se svaki sastoji od dvije hromatide.
2) Zigoten. Dolazi do konjugacije homolognih hromozoma. Homologni hromozomi su oni koji imaju isti oblik i veličinu. Hromozomi se privlače i vezuju jedan za drugi cijelom dužinom.
3) Pahitena. Završava se konvergencija hromozoma. Udvojeni hromozomi se nazivaju bivalenti. Sastoje se od 4 hromatide. Broj bivalenta = haploidni skup hromozoma ćelije. Spiralizacija hromozoma se nastavlja. Bliski kontakt između hromatida omogućava razmenu identičnih regiona u homolognim hromozomima. Ovaj fenomen se naziva crossing over (ukrštanje hromozoma).
4) Diploten. Pojavljuju se sile odbijanja hromozoma. Kromosomi koji čine bivalenti počinju se udaljavati jedan od drugog. Istovremeno, oni ostaju međusobno povezani na nekoliko tačaka - hijazme. Na ovim lokacijama može doći do prelaska. Dolazi do dalje spiralizacije i skraćivanja hromozoma.
5) Diakineza. Odbijanje hromozoma se nastavlja, ali oni ostaju dvovalentni na svojim krajevima. Nukleol i nuklearna membrana se rastvaraju, filamenti fisionog vretena se razilaze prema polovima. Set genetskog materijala - 2n 4s.
Metafaza I Bivalenti hromozoma nalaze se duž ekvatora ćelije, formirajući metafaznu ploču. Za njih su pričvršćena vlakna vretena. Set genetskog materijala - 2n 4s.
Anafaza I Hromozomi divergiraju do polova ćelije. Samo jedan od para homolognih hromozoma dolazi do polova. Set genetskog materijala - 1n 2s.
Telofaza I. Broj hromozoma na svakom polu ćelije postaje haploidan. Hromozomi se sastoje od dvije hromatide. Na svakom polu se formira nuklearna membrana oko grupe hromozoma, hromozomi se despiralizuju, a jezgro postaje interfaza. Set genetskog materijala - 1n 2s.
Nakon telofaze I, u životinjskoj ćeliji počinje citokineza, a u biljnoj ćeliji počinje formiranje ćelijskog zida.
Interfaza II nalazi samo u životinjskim ćelijama. Nema dupliciranja DNK.
II mejotička podjela naziva se ekvatorijalna. To je kao mitoza. Razlika od mitoze je u tome što se iz hromozoma koji imaju dvije hromatide formiraju hromozomi koji se sastoje od jedne hromatide. II mejotička dioba razlikuje se od mitoze i po tome što se u ćeliji tokom diobe formiraju dvije grupe hromozoma i, shodno tome, dva vretena diobe. Skup genetskog materijala u profazi II - 1n 2s, počevši od metafaze II - 1n 1s.
Biološki značaj mejoze. To dovodi do smanjenja broja kromosoma za polovicu, što određuje postojanost vrsta na Zemlji. Ako se broj hromozoma ne smanji, tada bi u svakoj narednoj generaciji dolazilo do povećanja hromozoma za faktor dva. Omogućava heterogenost gameta prema sastavu gena (crossingover može nastati u profazi, slobodna rekombinacija hromozoma može doći u metafazi). Slučajni susret zametnih ćelija (= gameta) - spermatozoida i jajne ćelije sa različitim skupom gena uzrokuje kombinativnu varijabilnost. Geni roditelja se kombinuju tokom oplodnje, pa njihova djeca mogu imati znakove koje roditelji nisu imali. Broj formiranih ćelija je 4.
To su dvolančani, replicirani hromozomi koji se formiraju tokom diobe. Glavna funkcija centromere je da služi kao mjesto vezivanja za vlakna fisijskog vretena. Vreteno produžuje ćelije i razdvaja hromozome kako bi se osiguralo da svaki novi dobije tačan broj hromozoma kada se završi ili .
DNK u centromernom području hromozoma sastoji se od gusto zbijenog hromatina poznatog kao heterohromatin, koji je veoma kompaktan i stoga se ne transkribuje. Zbog prisustva heterohromatina, region centromera je obojen bojama tamnijim od ostalih delova hromozoma.
Lokacija
Centromera nije uvijek smještena u središnjem dijelu hromozoma (vidi sliku iznad). Kromosom se sastoji od kratkog kraka (p) i dugog kraka (q), koji se spajaju u centromernom području. Centromere se mogu nalaziti i blizu sredine i na nekoliko pozicija duž hromozoma. Metacentrične centromere se nalaze blizu centra hromozoma. Submetacentrične centromere su pomaknute na jednu stranu od centra, tako da je jedan krak duži od drugog. Akrocentrične centromere se nalaze blizu kraja hromozoma, a telocentrične centromere se nalaze na kraju ili u predelu telomera hromozoma.
Položaj centromera se lako otkriva u ljudskom kariotipu. Hromosom 1 je primjer metacentrične centromere, hromozom 5 je primjer submetacentrične centromere, a hromozom 13 je primjer akrocentrične centromere.
Segregacija hromozoma u mitozi
Prije početka mitoze, stanica ulazi u fazu poznatu kao interfaza, gdje replicira svoju DNK u pripremi za diobu ćelije. Formiraju se sestre, koje su povezane na svojim centromerama.
U profazi mitoze, specijalizovane regije na centromerama koje se nazivaju kinetohori pričvršćuju hromozome za vlakna vretena. Kinetohori se sastoje od niza proteinskih kompleksa koji stvaraju kinetohorna vlakna koja se vežu za vreteno. Ova vlakna pomažu u manipulaciji i razdvajanju hromozoma tokom ćelijske diobe.
U fazi metafaze, hromozomi se drže na metafaznoj ploči jednakim silama polarnih vlakana, pritiskajući centromere.
Tokom anafaze, uparene centromere u svakom pojedinačnom hromozomu počinju da se razilaze jedna od druge, jer su prvo centrirane u odnosu na suprotne polove ćelije.
Tokom telofaze, novoformirani hromozomi uključuju odvojene ćerke hromozome. Nakon citokineze formiraju se dva različita.
Segregacija hromozoma u mejozi
U mejozi, stanica prolazi kroz dvije faze procesa diobe (mejoza I i mejoza II). Tokom metafaze I, centromere homolognih hromozoma su orijentisane na suprotne polove ćelija. To znači da će se homologni hromozomi vezati u svojim centromernim regijama za vretenasta vlakna koja se protežu samo od jednog od dva pola ćelije.
Kada se vlakna vretena stežu tokom anafaze I, homologni hromozomi se povlače prema suprotnim polovima ćelije, ali sestrinske hromatide ostaju zajedno. U mejozi II, vlakna vretena koja se protežu od oba ćelijska pola vezuju se za sestrinske hromatide na njihovim centromerama. Sestrinske hromatide se odvajaju u anafazi II kada ih vlakna vretena povlače prema suprotnim polovima. Mejoza rezultira podjelom i distribucijom hromozoma između četiri nove ćelije kćeri. Svaka ćelija sadrži samo polovinu broja hromozoma iz originalne ćelije.
Centromera je dio hromozoma koji karakterizira specifična sekvenca i struktura nukleotida. Centromera igra važnu ulogu u procesu diobe ćelijskog jezgra i u kontroli ekspresije gena (proces tokom kojeg se nasljedna informacija iz gena pretvara u funkcionalni proizvod - RNK ili protein).
Centromera je uključena u povezivanje sestrinskih hromatida, formiranje kinetohora (proteinska struktura na hromozomu za koju su vezana vlakna fisionog vretena tokom deobe ćelije), konjugaciju homolognih hromozoma i uključena je u kontrolu gena. izraz.
Upravo su u području centromere povezane sestrinske hromatide u profazi i metafazi mitoze i homologni hromozomi u profazi i metafazi prve podjele mejoze. Na centromerima dolazi do formiranja kinetohora: proteini koji se vezuju za centromere formiraju tačku vezivanja za mikrotubule fisionog vretena u anafazi i telofazi mitoze i mejoze.
Odstupanja od normalnog funkcioniranja centromera dovode do problema u međusobnom rasporedu hromozoma u diobenom jezgru, a kao rezultat toga, do kršenja procesa segregacije hromozoma (njihova distribucija između stanica kćeri). Ovi poremećaji dovode do aneuploidije, koja može imati teške posljedice (na primjer, Downov sindrom kod ljudi, povezan s aneuploidijom (trizomijom) na 21. kromosomu). Kod većine eukariota, centromera nema specifičnu sekvencu nukleotida koja joj odgovara. Obično se sastoji od velikog broja ponavljanja DNK (npr. satelitske DNK) u kojima je sekvenca unutar pojedinačnih ponavljajućih elemenata slična, ali ne i identična.
Kćerki hromozomi formiraju centromere na istim mestima kao i majčinski hromozom, bez obzira na prirodu sekvence koja se nalazi u regionu centromera.
38. B– hromozomi
Kromosom prisutan u hromozomskom skupu iznad normalnog diploidnog broja hromozoma prisutan je u kariotipu samo kod određenih pojedinaca u populaciji.; B-hromozomi su poznati u mnogim biljkama i (nešto rjeđe) kod životinja, njihov broj može značajno varirati (od 1 do nekoliko desetina); često se B-hromozomi sastoje od heterohromatina (ali mogu sadržavati - očigledno sekundarno - euhromatin) i genetski su pasivni, iako mogu imati nuspojave - na primjer, kod insekata, prisustvo B-hromozoma često uzrokuje povećanu aberaciju sperme; u diobama stanica mogu biti stabilne, ali češće nestabilne (ponekad mitotički stabilne, ali nestabilne u mejozi, gdje često formiraju univalentne); povremeno su B hromozomi izohromozomi; mehanizmi pojave B-hromozoma su različiti - fragmentacija, heterohromatinizacija dodatnih hromozoma nakon pogrešne anafazne divergencije itd. Pretpostavlja se da se B hromozomi postepeno gube u somatskim ćelijama kao rezultat njihovog nepravilnog nasljeđivanja.
39 - Politenski hromozomi
Ogromni interfazni hromozomi koji nastaju u nekim tipovima specijalizovanih ćelija kao rezultat dva procesa: prvo, višestruka replikacija DNK, koja nije praćena deobom ćelije, i drugo, lateralna konjugacija hromatida. Stanice koje imaju politenske hromozome gube sposobnost dijeljenja, diferenciraju se i aktivno luče, odnosno politenizacija hromozoma je način povećanja broja kopija gena za sintezu proizvoda. Politenski hromozomi se mogu uočiti kod Diptera, u biljkama u ćelijama koje su povezane sa razvojem embrija, u trepavicama tokom formiranja makronukleusa. Politenski hromozomi značajno se povećavaju u veličini, što ih čini lakšim za uočavanje i što je omogućilo proučavanje aktivnosti gena 1930-ih. Osnovna razlika od ostalih tipova hromozoma je u tome što su politenski hromozomi interfazni, dok se svi ostali mogu uočiti samo tokom mitotičke ili mejotičke deobe ćelije.
Klasičan primjer su džinovski hromozomi u ćelijama larvi pljuvačne žlezde Drosophila melanogaster (Drosophila melanogaster).Replikacija DNK u ovim ćelijama nije praćena deobom ćelije, što dovodi do akumulacije novoizgrađenih DNK lanaca. Ove niti su međusobno čvrsto povezane duž dužine. Osim toga, u pljuvačnim žlijezdama dolazi do somatske sinapse homolognih hromozoma, odnosno ne samo da se sestrinske hromatide konjugiraju jedna s drugom, već se homologni hromozomi svakog para konjugiraju jedni s drugima. Tako se u ćelijama pljuvačnih žlezda može uočiti haploidni broj hromozoma
40 - Lampbrush hromozomi
Lampbrush hromozomi, koje je prvi otkrio W. Flemming 1882. godine, poseban su oblik hromozoma koji oni dobijaju u rastućim oocistama (ženskim polnim ćelijama) većine životinja, sa izuzetkom sisara. Ovo je divovski oblik hromozoma koji se javlja u mejotičkim ženskim stanicama u diplotenskom stadiju profaze I kod nekih životinja, posebno kod nekih vodozemaca i ptica.
U rastućim oocitima svih životinja osim sisara, tokom produžene diplotene faze profazne mejoze I, aktivna transkripcija mnogih DNK sekvenci dovodi do transformacije hromozoma u hromozome u obliku četkica za čišćenje stakla kerozinskih lampi (hromozomi tipa lampe). Oni su visoko dekondenzovani polu-bivalenti koji se sastoje od dvije sestrinske hromatide. Kromosomi tipa Lampbrush mogu se promatrati pomoću svjetlosne mikroskopije, a vidi se da su organizirani kao niz hromomera (koji sadrže kondenzirani hromatin) i uparenih bočnih petlji koje izlaze iz njih (sadrže transkripcijski aktivan kromatin).
Lampbrush hromozomi vodozemaca i ptica mogu se izolovati iz jezgre oocita mikrohirurškim postupcima.
Ovi hromozomi proizvode ogromnu količinu RNK sintetizirane na bočnim petljama. Zbog svoje gigantske veličine i izražene organizacije hromomerne petlje, hromozomi lampe su decenijama služili kao zgodan model za proučavanje organizacije hromozoma, funkcionisanja genetskog aparata i regulacije ekspresije gena tokom profazne mejoze I. Osim toga, hromozomi ovog tipa se naširoko koriste za mapiranje DNK sekvenci sa visokim stupnjem rezolucije, proučavanje fenomena transkripcije tandemskih ponavljanja DNK koji ne kodiraju proteine, analizu distribucije chiasmata itd.
Učitavanje...