Schéma kondenzovaného (metafázového) chromozomu. [1] Chromatid – jedna ze dvou identických částí chromozomu po S fázi. [2] Centromera – bod, kde se dotýkají obě chromatidy a kde se připojují mikrotubuly. [3] Krátké rameno. [4] Dlouhé rameno.
Chromozómy jsou organizované struktury DNA a bílkovin, které se nacházejí v buňkách. Chromozómy obsahují jediný souvislý kus DNA, který obsahuje mnoho genů, regulačních prvků a dalších nukleotidových sekvencí. Chromozómy také obsahují bílkoviny vázané na DNA, které slouží k zabalení DNA a kontrole jejích funkcí. Slovo chromozom pochází z řeckého χρῶμα (chroma, barva) a σῶμα (soma, tělo) díky jejich vlastnosti, že jsou velmi silně barveny některými barvivy.
Chromozomy se mezi různými organismy značně liší. Molekula DNA může být kruhová nebo lineární a může obsahovat cokoliv od desítek kilobasových párů až po stovky megabázových párů. Typicky eukaryotické buňky (buňky s jádry) mají velké lineární chromozomy a prokaryotické buňky (buňky bez jader) menší kruhové chromozomy, i když existuje mnoho výjimek z tohoto pravidla. Navíc buňky mohou obsahovat více než jeden typ chromozomu; například mitochondrie ve většině eukaryot a chloroplasty v rostlinách mají své vlastní malé chromozomy.
U eukaryot jsou jaderné chromozomy baleny bílkovinami do kondenzované struktury zvané chromatin. To umožňuje, aby se masivně dlouhé molekuly DNA vešly do buněčného jádra. Struktura chromatinu se mění v průběhu buněčného cyklu a je zodpovědná za uspořádání chromozomů do klasické čtyřramenné struktury během mitózy a meiózy.
Jedná se o stručnou historii výzkumu ve složitém oboru, kde každý postup byl těžce vybojován a v té době často vášnivě zpochybňován.
Vizuální objev chromozomů. V učebnicích se často píše, že chromozomy byly poprvé pozorovány v rostlinných buňkách švýcarským botanikem Karlem Wilhelmem von Nägelim v roce 1842. Tento názor však byl, možná rozhodně, zpochybněn Henrym Harrisem, který čerstvě recenzoval primární literaturu. Podle jeho názoru je tvrzení Nägeliho, že viděl dělení spór matečných buněk, mylné, stejně jako některé jeho interpretace. Harris zvažuje další kandidáty, zejména Wilhelma Hofmeistera, jehož publikace v letech 1848-9 obsahují desky, které rozhodně ukazují mitotické události. Hofmeistera si také vybral Cyril Darlington.
Práce dalších cytologů jako Walther Flemming, Eduard Strasburger, Otto Bütschli, Oskar Hertwig a Carl Rabl by měla být rozhodně uznána. Použití bazofilních anilinových barviv byla nová technika pro efektivní barvení chromatinového materiálu v jádře. Jejich chování v živočišných (salamandrových) buňkách bylo později podrobně popsáno Waltherem Flemmingem, který v roce 1882 „poskytl vynikající přehled o stavu pole“. Název chromozom vynalezl v roce 1888 Heinrich von Waldeyer. Nicméně van Benedenova monografie z roku 1883 o oplodněných vajíčkách parazitické škrkavky Ascaris maglocephala byla vynikající prací tohoto období. Jeho závěry jsou klasické:
„Není snadné určit, kdo jako první rozpoznal chromozomy během mitózy, ale není pochyb o tom, že ti, kdo je viděli jako první, neměli tušení o jejich významu… [ale] s prací Balbianiho a van Benedena se odkláníme od… mechanismu dělení buněk k přesnému vymezení chromozomů a toho, co dělají během dělení buňky.“
Van Benedenova mistrovská práce byla těsně následována prací Carla Rabla, který dospěl k podobným závěrům. Tím se víceméně uzavírá první období, ve kterém byly chromozomy vizuálně viděny a byla popsána morfologická stádia mitózy. Coleman také podává užitečný přehled těchto objevů.
Jádro jako sídlo dědičnosti. Původ této epochální myšlenky spočívá v několika větách zastrčených v Generelské morfologii Ernsta Haeckela z roku 1866. Důkazy pro tento poznatek se postupně akumulovaly, až je po zhruba dvaceti letech dva z největších v řadě velkých německých vědců vyslovili. August Weismann navrhl, aby zárodečná linie byla oddělena od somy a aby buněčné jádro bylo úložištěm dědičného materiálu, který byl podle jeho návrhu uspořádán podél chromozomů lineárně. Dále navrhl, aby při oplodnění vznikla nová ombinace chromozomů (a jejich dědičného materiálu). To bylo vysvětlení redukčního dělení meiózy (poprvé popsané van Benedenem).
Chromozomy jako vektory dědičnosti. V sérii vynikajících experimentů Theodor Boveri s konečnou platností prokázal, že chromozomy jsou vektory dědičnosti. Jeho dva principy byly:
Eukaryoty (buňky s jádry, jako jsou rostliny, kvasinky a zvířata) mají více velkých lineárních chromozomů obsažených v jádru buňky. Každý chromozom má jednu centromeru, z centromery vyčnívá jedno nebo dvě ramena, i když za většiny okolností nejsou tato ramena jako taková viditelná. Většina eukaryot má navíc malý kruhový mitochondriální genom a některá eukaryota mohou mít další malé kruhové nebo lineární cytoplazmatické chromozomy.
V jaderných chromozomech eukaryot existuje nekondenzovaná DNA v polouspořádané struktuře, kde je obalena kolem histonů (strukturních proteinů) a vytváří kompozitní materiál zvaný chromatin.
Obr. 2: Hlavní struktury při zhutňování DNA; DNA, nukleozom, 10nm vlákno „beads-on-a-string“, 30nm vlákno a metafázový chromozom.
Chromatin je komplex DNA a bílkovin nacházející se v eukaryotickém jádru, který obsahuje chromozomy. Struktura chromatinu se výrazně liší mezi různými fázemi buněčného cyklu podle požadavků DNA.
Během mezifáze (období buněčného cyklu, kdy se buňka nedělí) lze rozlišit dva typy chromatinu:
Jednotlivé chromozomy nelze v této fázi rozlišit – objevují se v jádře jako homogenní zamotaná směs DNA a bílkovin.
Metafázový chromatin a dělení
Lidské chromozomy během metafáze.
V raných stádiích mitózy nebo meiózy (buněčného dělení) se chromatinová vlákna stále více kondenzují. Přestávají fungovat jako přístupný genetický materiál (transkripce se zastaví) a stávají se kompaktní transportovatelnou formou. Tato kompaktní forma zviditelňuje jednotlivé chromozomy a tvoří klasickou strukturu čtyř ramen, dvojici sesterských chromatid, které jsou k sobě připojeny v centromeře. Kratší ramena se nazývají p ramena (z francouzského petit, malá) a delší ramena se nazývají q ramena (q následuje p v latinské abecedě). To je jediný přirozený kontext, ve kterém jsou jednotlivé chromozomy viditelné optickým mikroskopem.
Během dělení se dlouhé mikrotubuly navážou na centromeru a dva protilehlé konce buňky. Mikrobtubuly pak chromatidy roztáhnou od sebe, takže každá dceřiná buňka zdědí jednu sadu chromatid. Jakmile se buňky rozdělí, chromatidy se rozvinou a mohou opět fungovat jako chromatin. I přes svůj vzhled jsou chromozomy strukturně vysoce kondenzované, což umožňuje, aby tyto obří struktury DNA byly obsaženy uvnitř buněčného jádra (obr. 2).
Vlastnoručně sestavené mikrotubuly tvoří vřeteno, které se váže na chromozomy ve specializovaných strukturách zvaných kinetochores, z nichž jedna je přítomna na každé sesterské chromatidě. Speciální sekvence bází DNA v oblasti kinetochores poskytuje spolu se speciálními proteiny v této oblasti dlouhodobější vazbu.
Chromozomy u prokaryot
Prokaryoty – bakterie a archee – mají obvykle jeden kruhový chromozom, ale existuje mnoho variant. Většina bakterií má jeden kruhový chromozom, který se může pohybovat ve velikosti od pouhých 160 000 párů bází u endosymbiotické bakterie Candidatus Carsonella ruddii až po 12 200 000 párů bází u půdní bakterie Sorangium cellulosum. Spirochaety rodu Borrelia jsou významnou výjimkou z tohoto uspořádání, bakterie jako Borrelia burgdorferi, příčina lymské boreliózy, obsahují jediný lineární chromozom.
Chromozomy prokaryot mají méně sekvenční strukturu než eukaryota. Bakterie mají obvykle jeden bod (původ replikace), od kterého začíná replikace, zatímco některé archee obsahují více replikačních původů. Geny v prokaryotech jsou často organizovány v operonech a na rozdíl od eukaryot neobsahují introny.
Prokaryoty nemají jádra, místo toho je jejich DNA uspořádána do struktury zvané nukleoid. Nukleoid má odlišnou strukturu a zabírá definovanou oblast bakteriální buňky. Tato struktura je však dynamická a je udržována a přetvářena působením řady proteinů podobných histonu, které se spojují s bakteriálním chromozomem. V archeích je DNA v chromozomech ještě více organizována, s DNA zabalenou do struktur podobných eukaryotickým nukleozomům.
Bakteriální chromozomy bývají připoutány k plazmatické membráně bakterií. V aplikaci molekulární biologie to umožňuje jeho izolaci od plazmidové DNA centrifugací lyzovaných bakterií a peletováním membrán (a připojené DNA).
Prokaryotické chromozomy a plazmidy jsou, stejně jako eukaryotická DNA, obecně superstočené. DNA musí být nejprve uvolněna do svého uvolněného stavu pro přístup k transkripci, regulaci a replikaci.
Počet chromozomů v různých organismech
24 lidských chromozomových teritorií během prometapázy ve fibroblastových buňkách.
Normální příslušníci určitého eukaryotického druhu mají všichni stejný počet jaderných chromozomů (viz tabulka). Jiné eukaryotické chromozomy, tj. mitochondriální a plazmidu podobné malé chromozomy, jsou mnohem variabilnější co do počtu a mohou jich být tisíce kopií na buňku.
Asexuálně se rozmnožující druhy mají jednu sadu chromozomů, která je stejná ve všech tělesných buňkách.
Pohlavně se rozmnožující druhy mají somatické buňky (tělní buňky), které jsou diploidní [2n] a mají dvě sady chromozomů, jeden od matky a jeden od otce. Gamety, reprodukční buňky, jsou haploidní [n]: mají jednu sadu chromozomů. Gamety vznikají meiózou diploidní zárodečné liniové buňky. Během meiózy si shodné chromozomy otce a matky mohou vyměnit malé části sebe samých (crossover), a tak vytvořit nové chromozomy, které se nedědí pouze od jednoho z rodičů. Když se samec a samice gamety spojí (oplodnění), vznikne nový diploidní organismus.
Některé živočišné a rostlinné druhy jsou polyploidní [Xn]: mají více než dvě sady homologních chromozomů. Zemědělsky významné rostliny, jako je tabák nebo pšenice, jsou často polyploidní ve srovnání s jejich původními druhy. Pšenice má haploidní počet sedmi chromozomů, které jsou stále k vidění u některých kultivarů i u volně žijících původců. Obvyklejší pšenice těstovinová a chlebová jsou polyploidní, mají 28 (tetraploidních) a 42 (hexaploidních) chromozomů ve srovnání se 14 (diploidními) chromozomy u volně rostoucí pšenice.
Prokaryotní druhy mají obvykle jednu kopii každého hlavního chromozomu, ale většina buněk může snadno přežít s více kopiemi. Plasmidy a malé chromozomy podobné plazmidu jsou, podobně jako u eukaryot, velmi variabilní v počtu kopií. Počet plazmidů v buňce je téměř zcela určen rychlostí dělení plazmidu – rychlé dělení způsobuje vysoký počet kopií a naopak.
Obrázek 3: Karyogram lidského muže
Obecně je karyotyp charakteristickým chromozomovým doplňkem druhu eukaryote. Příprava a studium karyotypů je součástí cytogenetiky.
I když je replikace a transkripce DNA u eukaryot vysoce standardizovaná, totéž nelze říci o jejich karotypech, které jsou často velmi variabilní. Mezi druhy mohou být rozdíly v počtu chromozomů a v podrobné organizaci. V některých případech jsou výrazné rozdíly v rámci druhů. Často jsou rozdíly 1. mezi oběma pohlavími. 2. mezi zárodečnou linií a somou (mezi gametami a zbytkem těla). 3. mezi příslušníky populace, kvůli vyváženému genetickému polymorfismu. 4. geografické rozdíly mezi rasami. 5. mozaiky nebo jinak abnormální jedinci. Konečně, odchylky v karyotypu se mohou objevit během vývoje z oplodněného vajíčka.
Technika stanovení karyotypu se obvykle nazývá karyotypizace. Buňky mohou být uzamčeny částečně dělením (v metafázi) in vitro (v reakční lahvičce) kolchicinem. Tyto buňky jsou pak obarveny, vyfotografovány a uspořádány do karyogramu, s uspořádanou sadou chromozomů, autozomy v pořadí podle délky a pohlavními chromozomy (zde XY) na konci: obr. 3.
Stejně jako mnoho pohlavně se rozmnožujících druhů mají i lidé speciální gonozomy (pohlavní chromozomy, na rozdíl od autozomů). Ty jsou XX u samic a XY u samců.
Výzkum lidského karyotypu trval mnoho let, než byla vyřešena nejzákladnější otázka: kolik chromozomů obsahuje normální diploidní lidská buňka? V roce 1912 Hans von Winiwarter nahlásil 47 chromozomů ve spermatogonii a 48 v oogonii, čímž uzavřel XX/XO mechanismus určování pohlaví. Malíř si v roce 1922 nebyl jistý, zda diploidní počet člověka je 46 nebo 48, zprvu upřednostňoval 46. Svůj názor později přehodnotil ze 46 na 48 a správně trval na tom, aby člověk měl XX/XY systém. Vzhledem k jejich technikám byly tyto výsledky docela pozoruhodné.
K definitivnímu vyřešení problému byly zapotřebí nové techniky:
Trvalo to až do poloviny 50. let, než se začalo všeobecně uznávat, že karyotyp člověka zahrnuje pouze 46 chromozomů. Zajímavé je, že šimpanzi (naši nejbližší žijící příbuzní) mají 48 chromozomů.
Tři hlavní mutace jednoho chromozomu; delece (1), duplikace (2) a inverze (3).
Dvě hlavní dvouchromozomové mutace; inzerce (1) a translokace (2).
U Downova syndromu existují tři kopie chromozomu 21
Chromozomální aberace jsou poruchy normálního chromozomálního obsahu buňky a jsou hlavní příčinou genetických onemocnění u člověka, jako je Downův syndrom. Některé chromozomální abnormality nezpůsobují onemocnění u nosičů, jako jsou translokace, nebo chromozomální inverze, i když mohou vést k vyšší šanci mít dítě s chromozomální poruchou. Abnormální počty chromozomů nebo chromozomálních sad, aneuploidie, mohou být smrtelné nebo mohou vést ke genetickým poruchám. Genetické poradenství je nabízeno pro rodiny, které mohou nést chromozomální přestavbu.
Chromozomální mutace způsobují změny v celých chromozomech (více než jeden gen) nebo v počtu přítomných chromozomů.
Většina mutací je neutrální – mají malý nebo žádný účinek
Podrobné grafické zobrazení všech lidských chromozomů a chorob komentovaných na správném místě lze nalézt na adrese .
Lidské buňky mají 23 párů velkých lineárních jaderných chromozomů, což dává celkem 46 na buňku. Kromě nich mají lidské buňky mnoho stovek kopií mitochondriálního genomu. Sekvenování lidského genomu poskytlo velké množství informací o každém z chromozomů. Níže je tabulka sestavující statistiky pro chromozomy, založené na informacích lidského genomu Sangerova institutu v databázi Vertebrate Genome Annotation (VEGA). Počet genů je odhad, protože je částečně založen na genových predikcích. Celková délka chromozomů je také odhad, založený na odhadované velikosti neklasifikovaných heterochromatinových oblastí.
Karyotyp – Ploidy – Meiosis
Autosome – Pohlavní chromozom
Chromozomální inverze – Chromozomální translokace – Polyploidie – Paleopolyploidie
Chromatin (euchromatin, heterochromatin)
Histon (H1, H2A, H2B, H3, H4)
Centromera (A, B, C1, C2, E, F, H, I, J, K, M, N, O, P, Q, T)
Nukleozom – Telomera – Chromatid