Struktura a typy eukaryotních chromosomů

• chromosomy (chroma – barva, soma – tělo) byly popsány už v 19. století jako drobné barvitelné útvary v buňkách

• 1903 nezávisle Sutton a Boveri prokázali jejich souvislost s dědičností
• kromě chromosomů jaderných nacházíme v buňkách i jiné mimo jádro – plasmidy u prokaryot, chromosomy organel (plastidů a mitochondrií) u eukaryot
• chromosomy, jejich strukturu a funkci studuje cytogenetika
• cytogenetika se rozvíjí v roce 1956 kdy Tjio a Levan prokázali 46 lidských chromosomů (ne 48 jako u primátů)
• první popsanou chorobou v důsledku chromosomální aberace byl Downův syndrom (Lejeune 1959)
• druhým mezníkem byl objev barvících technik na začátku 70. let
• zavedení metod molekulární cytogenetiky v 80. a 90. letech bylo zatím posledním skokem
• cytogenetika prokázala změny chromosomů v etiologii vrozených vad, poruch plodnosti, nádorů a dalších chorob – chromosomální vyšetření má proto místo v diferenciální diagnostice a prevenci závažných postižení člověka

Struktura

Jsou soustředěny do jádra buněk. Obsahují 3 základní biopolymery - DNA, bazické bílkoviny (histony), bílkoviny kyselého charakteru

DNA

• v lidských chromosomech je přibližně 20 500 genů a DNA v chromosomech obsažená tvoří 2 x 23 molekul obsahujících celkem 3 miliardy párů bází v haploidní sadě – celková délka cca. 2m
• každý chromosom tvoří 1 lineární molekula DNA v komplexu s histony = jedna chromatida
• po replikaci DNA v S-fázi buněčného cyklu každý chromosom tvoří 2 chromatidy = 2 molekuly DNA – tento stav trvá až do rozchodu sesterských chromatid v anafázi

Histony

• bílkoviny, ve kterých je více bazických aminokyselin – lysinu a argininu
• jedná se o polykationty a tak se dobře a pevně vážou na polyaniont DNA
• existuje pět typů: H1, H2A, H2B, H3 a H4
• sekvence aminokyselin histonů a poměr histonů a DNA je obdobná u většiny druhů – histony jsou evolučně nejkonzervativnější proteiny

Kyselé proteiny (nehistonové)

• heterogenní skupina velkého počtu různých bílkovin
• množství i složení se u jednotlivých druhů liší, liší se i v různých typech tkáně
• ovlivňují prostorové uspořádání DNA v jádře a aktivitu genů

Struktura chromozomů

• DNA v chromosomech má několik stupňů spiralizace – vzhledem k velké délce řetězců a malému prostoru jádra musí být DNA zkrácena asi 10 000 x
• výsledkem spiralizace jsou metafázové chromosomy o délce desítek μm
• primární spirála (dvoušroubovice DNA), průměr 2 nm

Nukleosom

• základní strukturní jednotka spiralizace DNA v chromosomech
• jeví se jako korálky na vláknu DNA
• jádrem nukleosomu je oktamerní komplex histonů (H2A, H2B, H3 a H4 – každý dvakrát)
• kolem jádra je obtočeno 1,75 závitu DNA (146 párů bází)
• nukleosomy mají průměr 11 nm
• sousedící nukleosomy spojuje vlákno DNA lineární, překryté histonem H1 – délka této lineární části (spojovací, internukleosomální DNA) je druhově specifická, u člověka 60 bp
• na celý nukleosom připadá cca. 200 párů bází DNA
• nukleosomové vlákno se dále svinuje do solenoidů

Chromatinové vlákno

• má průměr 30 nm
• vytváří prostorové smyčky ve spojení s nehistonovými proteiny
• průměr smyček je 300 nm a nazývají se někdy scaffold
• v této struktuře jsou vázány proteiny, enzymy a chromosomální RNA ve složitém komplexu chromatinu

• dynamická struktura chromatinu umožňuje kontrakci a kondenzaci, ale je při tom stabilní
• v průběhu profáze další spiralizací vznikají metafázické chromosomy (průměr 1400nm), které jsou dobře patrné v optickém mikroskopu

• chromatinová DNA představuje největší podíl DNA v buňce a nese tedy většinu genetické informace
• konformace chromatinu se mění s aktivitou buňky v jednotlivých částech buněčného cyklu – uspořádání chromatinu je tedy odrazem aktivity buňky
• v období metabolické aktivace (transkripce, replikace) je DNA despiralizována a jádro je tedy světlejší X buňky s jádry kondenzovanými jsou méně aktivní

Morfologie chromozomů

• cytogenetické vyšetření je zaměřeno na chromosomy v metafázi, kdy jsou maximálně spiralizovány – dobře hodnotitelné v mikroskopu
• na chromosomu rozlišujeme centromeru a ramena s telomerami

Centromera

• primární konstrikce
• oblast spojující obě sesterské chromatidy (po replikaci) metafázního chromosomu
• je patrná jako zaškrcení a dělí chromosom na krátká a dlouhá raménka
• k cetromeře přiléhá specializovaná struktura – kinetochor, místo úponu dělícího aparátu
• chromosomy bez centromery (acentrické fragmenty) zůstávají na konci buněčného dělení v cytoplasmě a nejsou pravidelně děděny – postupně se ztrácí
• při přípravě umělých chromosomů (YAC – yeast artificial chromosome) musí být oblast centromery přenesena do jejich struktury pro zajištění jejich stability
• centromerické oblasti chromosomů jsou tvořeny konstitutivním heterochromatinem
  • repetitivní sekvence tohoto chromatinu jsou druhově specifické
  • centromery lidských chromosomů obsahují alfa-satelitní DNA s repetitivními sekvencemi 171 bp
• na některých chromosomech (akrocentrických) lze nalézt i konstrikci sekundární – místo tzv. organizátoru jadérka (NOR – nucleolus organizing region)
  • funkcí organizátoru jadérka je formování a udržování jadérka v interfázním jádru
  • obsahuje vysoký počet kopií genů pro rRNA
  • sekundární konstrikce rozděluje krátká ramena akrocentrických chromosomů na dvě části, z nichž distální se nazývá satelit

Telomery

• terminální části chromosomových ramének
• komplexní specifická struktura, má vliv na stabilitu chromosomu a brání vzájemnému propojení chromosomů v jádře buňky
• dále chrání vlákno DNA pře destrukcí exonukleasami
• specifická funkce při dokončení replikace DNA na koncích chromosomů
  • po replikaci DNA DNA-polymerasou jeden řetězec přesahuje a zbývající úsek je doreplikován specifickým enzymem – telomerasou
• telomera je tvořena tandemovou repeticí sekvencí nukleotidů (TTAGGG)
• tyto repetitivní úseky jsou velmi konzervativní, jejich počet je druhově specifický a liší se i v buňkách a u jednotlivých chromosomů
• jedna z hypotéz o významu telomer jim přikládá význam jako polyA ocásku u mRNA – předpokládá se, že při každé replikaci se telomera zkracuje – limitující faktor počtu buněčných dělení
• tento omezený počet dělení je v buňce naprogramován
• v zárodečných buňkách dochází k opakovanému prodlužování telomer – telomerasa tu je aktivní
• v somatických buňkách je téměř neaktivní – telomery se postupně zkracují
• tyto buňky jsou schopny rozpoznat, kdy je telomera už příliš krátká – navození apoptózy
• některé nádory ale tento mechanismus nemají a aktivita telomerasy je v nich vysoká – jejich buňky se chovají jakonesmrtelné (stále se neomezeně dělí)

= Morfologii chromosomů určuje délka jejich krátkého (p) a dlouhého (q) raménka a centromerický index (poměr p : celkové délce chromosomu)

Euchromatin a heterochromatin

Na chromosomech rozlišitelné dvě formy chromatinu:

Euchromatin

• slaběji barvitelné, méně kompaktní a transkripčně velmi aktivní úseky
• v interfázním jádře despiralizován, proto organizovaná struktura pozorovatelná pouze v elektronovém mikroskopu
• tvořen především unikátními sekvencemi DNA, je zde lokalizována většina genů

Heterochromatin

• intenzivně se barvící, kondenzované a geneticky inaktivní oblasti chromosomu
• i v interfázi je více či méně spiralizovaný a ve světelném mikroskopu má podobu hrudek
• replikuje se později než DNA euchromatinu
• je složen z převážně vysoce repetitivních sekvencí, které neobsahují geny
• uplatňuje se při
  • organizaci chromosomální struktury
  • párování homologních chromosomů
  • crossing-overu
  • ochraně důležitých strukturních genů

• funkci řady úseků dosud neznáme
• rozlišují se dva typy – konstitutivní a fakultativní

Konstitutivní heterochromatin

• lokalizován v okolí centromery (centromerický hch)
• druhově specifický, na určitých chromosomech - u člověka přítomen na chromosomech 1, 9, 16 a Y (jejich velikost je variabilní, např. velké rozdíly u Y)
• v souvislosti s různou délkou heterochromatinu nebyl popsán žádný fenotypový efekt

Fakultativní heterochromatin

• spiralizací druhého (a každého dalšího) X chromosomu
• většina genů tohoto X chromosomu je tak inaktivována
• kondenzovaný X chromosom je patrný v interfázním jádře jako plankonvexní tělísko při jaderné membráně – sex chromatin / X chromatin / Baarovo tělísko
• hodnocení X chromatinu umožňuje orientační vyšetření heterochromosomů v interfázních jádrech
• vyšetřují se buňky stěrů bukální sliznice nebo vlasových folikulů
• muži mají X chromatin negativní, ženy pozitivní v 10-40%
• hodnocení se používá i jako tzv. sex test při závodech a podobně
• může upozornit na odchylky v počtu X chromosomů

Inaktivace X chromosomu

• nastává cca. 14. den embryonálního vývoje
• postihuje obecně 2. a každý další X chromosom – kompenzace nerovnováhy genetické výbavy mužů a žen
• této inaktivaci ale uniká tzv. pseudoautosomální oblast lokalizovaná v distálních částech obou ramen chromosomu X
• tato oblast (PAR1, PAR2) je komplementární k odpovídající oblasti na chromosomu Y – geny zde ležící jsou exprimovány ve dvou kopiích bez ohledu na pohlaví, stejně jako geny na autosomech
• spiralizace buď paternálního nebo maternálního X chromosomu v buňkách zárodku je děj náhodný, ale nevratný – v linii dalších buněk je vždy spiralizován stejný chromosom X
• žena je z hlediska většiny genů, lokalizovaných na X chromosomu mozaikou buněčných linií s inaktivovaným X chromosomem buď od otce nebo od matky
• výjimkou z pravidla o náhodné inaktivaci je případ morfologicky změněného X chromosomu – přednostně je inaktivován chromosom aberovaný
• fenotypové projevy X inaktivace se nazývají lyonizace
• spiralizovaný chromatin X chromosomu se replikuje opožděně

Počet a typy chromosomů

Chromosomy prokaryot

• z 1 kruhové molekuly DNA, bílkovin (polyaminy + enzymy) a variabilního množství RNA
• není tu jaderná membrána – chromosomy jsou umístěny volně v cytoplazmě a ukotveny v jednom místě do buněčné membrány
• DNA je vysoce kondenzovaná – suprahelikální šroubovice

Chromosomy mitochondrií

• genom tvoří kruhová molekula DNA od 16 kb až k několika stům kb

Chromosomy eukaryot

• soustředěny do jádra buněk
• obsahují 3 základní biopolymery - DNA, histony, kyselé proteiny

Počet chromosomů

	chromosomy	bivalenty	molekuly DNA
pachyten	46	23	92
diploten	46	23	92
diakineze	46	23	92
anafáze I	46	0	92
telofáze I	23	0	46
profáze II	23	0	46
metafáze II	23	0	46
telofáze II	23	0	23

Typy chromosomů

metacentrický

• centromera leží zhruba uprostřed chromosomu

submetacentrický

• centromera je umístěna tak, že p raménka jsou výrazně kratší než q raménka

akrocentrický

• centromera je posunuta k jednomu konci chromosomu
• raménka p jsou velmi krátká

telocentrický

• centromera leží na úplném konci chromosomu
• chromosom má pouze dlouhá q raménka
• u člověka se nevyskytuje

holocentrický

• útvary plnící funkci centromery jsou roztroušené po celé délce chromosomu
• u člověka se nevyskytuje, je velmi vzácný (u hlístů vzácně)