Типы прикрепления хромосом к кинетохорам
Обновлено: 17.05.2024
Ученые из университета Массачусетса в Амхерсте (США), под руководством ассистента-профессора Томаса Марески (Thomas Maresca) измерили величину силы, двигающей хромосомы во время деления клеток. Статью об этом, опубликованную в журнале Nature Communications, пересказывает пресс-релиз университета.
Когда клетка делится, хромосомы выходят из ядра и выстраиваются в линию с помощью т. н. «веретена деления», состоящего из микротрубочек. Затем хромосомы удваиваются и впоследствии те же микротрубочки «растаскивают» их по разделившимся клеткам. Хромосомы крепятся к трубочкам с помощью специальных белков-кинетохоров. Понять механику этого процесса очень важно, ведь малейшая ошибка в расхождении хромосом при клеточном делении приводит к опасным нарушениям, которые могут вызвать рак. А если речь идет о половых клетках — то тяжелые наследственные заболевания.
Несмотря на это, до сих пор не было сколько-нибудь точных и достоверных оценок величины сил, которые двигают хромосомы во время этого процесса. Ранее выдвигавшиеся оценки отличались в сотни и тысячи раз, что, конечно, совершенно недопустимо в науке. Марески с коллегами, судя по всему, смогли решить эту проблему.
Для этого они в течение трех лет изучили под мощным микроскопом свыше 3 тыс. веретен деления. К кинетохорам в них исследователи прикрепляли флюоресцентные молекулы-индикаторы двух типов. Молекулы первого начинали светить ярче, когда к кинетохору прикладывалось давление, в то время, как молекулы второго типа, напротив, тускнели. Поскольку яркость каждого из типов молекул в нормальных условиях была тщательно откалибрована, сопоставление ее изменений позволяло достаточно точно вычислить величину искомой силы. Она оказалась порядка сотни пиконьютонов (пН) — в масштабах клетки это много.
Наблюдения дали и еще некоторые результаты. Во-первых, оказалось, что эта сила исходит именно от нанотрубок. Во-вторых, действует она медленно, но планомерно.
«В клетках есть много разных движущих сил, многие из них похожи на спринтеров. Но та, что измеряли мы — скорее как бульдозер: она прикладывает большую силу медленно, но на постоянной основе».
Научная электронная библиотека
Геном человека - термин, используемый при описании всей генетической информации, закодированной в виде ДНК клеток человека. Клетка человека имеет два генома: сложный ядерный геном (хромосомная ДНК), содержащий более 99,9995 % всей генетической информации, и простой митохондриальный геном, в составе которого находится менее 0,0005 % ДНК. Ядерный геном распределён между 24-мя различными двуспиральными молекулами ДНК, которые в комплексе с различными гистоновыми и негистоновыми белками формируют хромосомы человека. С молекулярной точки зрения каждая хромосома клетки является сложно организованной структурой. Диплоидная клетка человека с интерфазным ядром при диаметре 5-10 мкм содержит около двух метров последовательностей молекул ДНК, которые образуют 23 пары хромосом. Гаплоидный геном человека, который характеризует половые клетки с хромосомами Х или Y, включает 23 различные хромосомы - 22 аутосомы и одну половую хромосому (гоносому) в зависимости от пола: Х - женский или Y - мужской пол. Индивидуальные хромосомы, как было сказано выше, различаются своими морфологическими характеристиками. В среднем, хромосома человека содержит около 130 млн пн, однако содержание ДНК в разных хромосомах варьирует от 40 до 260 млн пн.
Как уже сказано выше, данные о структуре, размерах и количестве митотических хромосом в клеточном ядре определяются как кариотип. Морфологическое строение хромосом на всех уровнях организации (молекулярном, микроскопическом и субмикроскопическом) определяется упаковкой нитей ДНК, организующих хромосому. На микроскопическом уровне нити ДНК формируют спирализованные хромонемы митотических хромосом. Упаковка хромонем по длине хромосом неравномерна. В них закономерно дифференцируются участки с резко выраженной и резко сниженной степенью спирализации хромонем. Последние формируют хромосомные перетяжки. Важным элементом структуры хромосом является первичная перетяжка, в участке которой расположена центромера. Она делит хромосому на два плеча - короткое (р) и длинное (q).
Структура хромосом претерпевает значительные изменения в ходе клеточного деления (клеточного цикла) и, следовательно, не является постоянной. Хромосомы интерфазных ядер (интерфазные хромосомы) в отличие от метафазных хромосом (см раздел, посвященный делению клетки) представляют собой более расправленные и диффузные клеточные структуры. Интерфазные хромосомы содержат одну хроматиду, в составе которой имеется одна двуспиральная молекула ДНК, в то время как метафазные хромосомы образованы двумя хроматидами и двумя молекулами ДНК. Хромосома, как функционирующая клеточная органелла, должна содержать минимум три типа последовательностей ДНК, формирующих её структурные компоненты: центромеру, теломеры и участок начала репликации ДНК.
Индивидуальные хромосомы содержат одну протяжённую двуспиральную молекулу ДНК диаметром 2 нм, которая претерпевает несколько уровней упаковки, формируя хроматин или ДНК-белковый комплекс (дезоксирибонуклеопротеид - ДНП). Элементарной дискретной единицей упаковки хроматина является нуклеосома. Каждая нуклеосома имеет вид глобулы и состоит из четырех пар гистоновых белков Н2А, Н2В, Н3 и Н4, содержащих по 102-135 аминокислотных остатков. Вокруг гистоновой глобулы диаметром 10 нм (октамера) располагается молекула двуспиральной ДНК длиной 146 пн (или 68 нм), образуя виток в 1,75 оборота. Соседние нуклеосомы соединяются так называемой «спейсерной» ДНК длиной около 20 нм, образуя структуры в виде «бус на нитке». На следующем этапе компактизации 10-нанометровые нуклеосомы образуют фибриллы хроматина диаметром 30 нм (в каждом витке примерно 6 нуклеосом), которые образуют большие петли. На стадии метафазы степень компактизации достигает 1 на 10000 от первоначальной длины хромосомной ДНК. Петли 30-нанометровых фибрилл хроматина содержат 20-100 тысяч пн. ДНК на каждой петле прикрепляется к осевой структуре хромосомы (рис. 4). Осевые компоненты метафазной хромосомы состоят из негистоновых белков.
Рис. 4. Организация ДНК
Как уже отмечалось, одним из структурных элементов хромосомы является центромера - место присоединения кинетохоров (макромолекулярных структур на белковой основе, участвующих в процессе расхождения хромосом при митотическом делении клетки), и слипания сестринских хроматид. Они также регулируют присоединение хромосом к веретену деления и направляют движение хромосом в ходе мейотического и митотического деления клетки. Хромосомы без центромеры (ацентрические фрагменты) не могут присоединяться к нитям веретена деления и теряются в ходе клеточного деления. У человека центромеры содержат особые типы повторяющихся ДНК, а также специфические «центромерные» белки, обеспечивающие сегрегацию хромосом в ходе митотического и мейотического деления клеток. В зависимости от положения центромеры в хромосоме, как уже сказано выше, она может быть метацентрической, субметацентрической и акроцентрической. В акроцентрических хромосомах довольно часто на коротких плечах видны небольшого размера хроматические тельца, так называемые спутники, и спутничные нити (рис. 5). Они содержат ядрышковый организатор - значимую структуру генома человека. Плечи некоторых хромосом человека содержат вторичные перетяжки.
Рис. 5. Схематическое изображение метафазных хромосом:
1 - метацентрическая хромосома; 2 - субметацентрическая хромосома; 3 - акроцентрическая хромосома. Видны: а - центромеры; б - длинные плечи (q); в - короткие плечи (p); г - теломерные участки; д - спутники; е - спутничные нити
Другими структурными элементами хромосом являются теломеры. Это специализированные структуры, содержащие особые типы ДНК и белки, которые образуют концевые участки хромосом. Теломеры выполняют несколько функций:
1) поддержание структурной целостности хромосомы;
2) обеспечение полной репликации концевых участков хромосомы;
3) поддержание организации хромосом в интерфазном ядре.
Теломеры хромосом человека представляют собой повторы нуклеотидной последовательности ТТАГГГ, общий размер которой варьирует от 3 до 20 тысяч пн. Стабильность теломер поддерживается с помощью фермента теломеразы, нарушение функциональной активности которой приводит к нарушению структуры хромосом и, как следствие, к клеточной гибели. Укорочение последовательностей теломер, которому противодействует теломераза, связано с процессами старения и малигнизации.
ДНК хромосом реплицируется в ходе периода синтеза ДНК клеточного цикла. Каждая хромосома содержит множество элементарных единиц репликации - репликонов, представляющих собой участки автономной репликации. Каждый репликон имеет одну точку инициации репликации, с которой начинается двунаправленный синтез ДНК (см предыдущий раздел, посвященный синтезу ДНК). Размеры репликонов могут различаться друг от друга. Репликоны у человека могут иметь большие размеры, достигая более чем 1 млн пн.
Хромосомный набор человека, определяемый как кариотип - совокупность данных о структуре, размерах и количестве митотических хромосом, - установлен в начале 60-х годов прошлого века. Ещё в 1888 году Г. Вальдеер (H. Waldeyer, 1836-1921 гг.) ввёл термин «хромосома» для обозначения окрашенных нитевидных структур, видимых в ходе стадий деления клетки (митоза). Характерные особенности строения каждой хромосомы человека определяются, как известно, положением в ней центромеры - важнейшей структуры, которая в делении клетки (митозе) соединяется с нитями веретена и определяет расхождение сестринских хроматид к противоположным полюсам клетки. Метафазная хромосома состоит из двух хроматид (сестринские хроматиды) и центромеры, при помощи которой они соединяются. В районе центромеры хромосома сужена, две её хроматиды сближены, и этот район в теле хромосомы образует первичную перетяжку. Центромера делит хромосому на два плеча (короткое и длинное). По положению центромеры и первичной перетяжки среди хромосом человека различают метацентрические хромосомы, у которых центромера расположена в середине хромосомы (медианно) и делит её на два равных по длине плеча; субметацентрические хромосомы, в которых центромера расположена субмедианно и делит хромосому на два плеча неравной длины; и акроцентрические хромосомы, у которых центромера расположена почти на конце хромосомы (терминально), отделяя от длинного очень короткое плечо. У некоторых хромосом на коротком плече двух хроматид на красящейся тонкой нити располагаются маленькие хроматические тельца - спутники. Участки на концах хромосомы называются теломерами. Структуры в виде точек прикрепления нитей митотического веретена к центромерам называются кинетохорами. Плечи некоторых хромосом содержат перетяжки, называемые «вторичными» (например, хромосомы 1, 9, 16). Диплоидный набор человека, состоящий из 46 хромосом, составлен из 23 пар гомологичных хромосом - гомологов (отцовского и материнского происхождения): 22 пары аутосом и плюс половые хромосомы (гоносомы) - ХХ у женщин или ХY у мужчин. Гомологичные хромосомы, как правило, сходны между собой в размерах и строении, хотя могут встречаться некоторые отклонения от каждого показателя, и это носит название «гетероморфизм хромосом». Термин «кариотип» рекомендуется применять к систематизированному набору хромосом отдельной клетки человека. Существует также термин «идиограмма», который сохраняется для представления кариотипа в виде схемы, построенной на основании измерений хромосом большого числа клеток. Хромосомы пронумерованы серийно от 1 до 22 в соответствии с их длиной, а также с другими особенностями их строения, допускающими идентификацию. Половые хромосомы (гоносомы) не имеют номеров и обозначаются как Х и Y. Следует отметить, что термины и «кариотип», и «идиограмма», получившие международное признание и распространение, принадлежат русским цитологам: «идиограмма» - С.Г. Навашину (1857-1930 гг.) в 1921 году и «кариотип» - Г.А. Левитскому (1878-1942 гг.) в 1924 году. В фазах деления - метафазах и прометафазах (см ниже) - хромосомы можно увидеть в световом микроскопе как дискретные удлинённые структуры длиной от 2 до 11 мкм. На рисунках 1 и 2 представлены мужской и женский кариотипы человека.
Рис. 1. Мужской кариотип: I - метафазная пластинка; II - классификация по группам и нумерация хромосом
Как указано выше, кариотип человека состоит из 46 хромосом, которые нумеруются от 1 до 22 (аутосомы) и делятся на 7 групп, - A, B, C, D, E, F, G и половые хромосомы (гоносомы) X и Y (рис. 1 и 2).
К первой группе А относятся хромосомы 1, 2 и 3, которые хорошо отличаются друг от друга. Хромосома 1 (размер - 11 мкм) - метацентрическая, содержит вторичную перетяжку в околоцентромерном участке длинного плеча. Хромосома 2 (10,8 мкм) по размерам почти равна хромосоме 1 и является субметацентрической. Хромосома 3 (размер - 8,3 мкм) - практически метацентрическая.
Рис. 2. Женский кариотип: I - метафазная пластинка; II - классификация по группам и нумерация хромосом
К группе В относятся хромосомы 4 и 5 (размер - 7,7 мкм каждая) - это крупные субметацентрические хромосомы, которые не отличаются друг от друга при рутинном окрашивании ни размером, ни положением центромер.
К группе С относятся хромосомы с 6 по 12 и Х. В основном, это субметацентрические хромосомы крупных и средних размеров. Наиболее крупные хромосомы из группы С - 6, 7 и Х (6,8-7,2 мкм). Хромосома Х является половой хромосомой (гоносомой). Хромосома 7 более метацентрична, чем хромосома 6. Хромосомы 8 и 9 - практически одинаковы по размеру (5,8 мкм). Хромосома 8 метацентричнее хромосомы 9, которая характеризуется регулярной вторичной перетяжкой в прицентромерном районе длинного плеча.
К группе D относятся хромосомы 13, 14 и 15 (4,2 мкм) - средних размеров акроцентрические хромосомы с почти терминальным расположением центромеры. Эти хромосомы между собой не различаются ни по размерам, ни морфологически после рутинного окрашивания. Короткое плечо всех трёх пар хромосом может формировать спутники (рис. 1, 2 и 5).
К группе Е относятся хромосомы 16, 17 и 18. Хромосома 16 (размер - 3,6 мкм) - сравнительно небольшая метацентрическая хромосома, содержащая вторичную перетяжку в длинном плече. Хромосома 17 (размер - 3,5 мкм) - сравнительно короткая субметацентрическая хромосома. Хромосома 18 (размер - 3,2 мкм) - самая короткая субметацентрическая хромосома.
Группа F представлена хромосомами 19 и 20 (размеры - 2,9 мкм). Это короткие метацентрические хромосомы, которые не отличаются между собой без дифференциального окрашивания по длине.
Хромосомы 21 и 22 (2,8 мкм) относятся к группе G. Это наиболее короткие акроцентрические хромосомы в кариотипе, которые обладают способностью формировать спутники на коротком плече (рис. 1, 2 и 5).
Хромосома Y (2,3 мкм) является маленькой акроцентрической хромосомой, сравнимой по размерам с хромосомами 21 и 22, но не имеющая спутников.
Важнейшая работа по созданию общей системы обозначения и классификации хромосом человека, представляемая в виде отдельной книги, проводилась регулярно из года в год, куда в последние десятилетия включались и результаты использования современных молекулярно-цитогенетических методов. Первые результаты работы учёных по номенклатуре и классификации хромосом человека были представлены в 1960 году в Денвере, в Университете штата Колорадо (США). Работа комиссии была проведена при поддержке американского онкологического общества. В состав комиссии входили известнейшие учёные: 14 учёных-цитологов и 3 учёных-генетика. Результаты были опубликованы в Денвере в том же 1960 году в ряде журналов в виде документа (книги), названного как «Стандартная система номенклатуры митотических хромосом человека». Впоследствии был создан комитет по номенклатуре хромосом человека. Комиссия и комитет периодически собирались для работы и, по мере развития цитогенетических, а в последние десятилетия и молекулярно-цитогенетических исследований, вносили поправки и дополнения в существующую классификацию. Работа комиссий проводилась регулярно в различных странах и городах. Комитет последовательно собирался в Париже, Чикаго, Мехико, Лэйк-Плэсиде, Эдинбурге, Стокгольме, где было решено разработать и опубликовать унифицированный вариант номенклатуры хромосом человека, включающий основные положения первых совещаний (Денвер, Лондон, Чикаго, Париж). Результаты работы комитета публиковались в различных издательствах. Этот важный документ получил название «Международная система номенклатуры хромосом человека» - «An International System for Human Cytogenetic Nomenclature» (ISCN). В дальнейшем поправки и дополнения в документе делались, учитывая новые разработанные технологии, включая молекулярно-цитогенетические, и докладывались на различных конференциях. Последний документ - «ISCN 2016» - An International System for Human Cytogenetic Nomenclature» опубликован в 2016 году. Таким образом, в одном документе даётся полная номенклатура хромосом в норме и при хромосомных синдромах и аномалиях, исходя из цитогенетических и современных молекулярно-цитогенетических технологий (см рекомендуемую литературу).
Следует отметить, что хромосомные синдромы и аномалии связаны с хромосомными (геномными) мутациями (аномалиями) в виде различных структурных перестроек хромосом или с изменением их числа (n). Численные изменения хромосом могут быть двух типов: полиплоидии - умножение хромосомного набора (3n, 4n и т. д.) или генома, кратное гаплоидному числу хромосом; анеуплоидии - увеличение или уменьшение числа хромосом, некратное гаплоидному. Структурные хромосомные (геномные) перестройки классифицируют по принципу линейной последовательности расположения генов: делеции (потеря хромосомных участков), дупликации (удвоение хромосомных участков), инверсии (перевертывание на 180° относительно нормальной последовательности хромосомных участков), инсерции (вставки хромосомных участков) и транслокации (изменение расположения хромосомных участков). Подробная информация по возможным аномалиям хромосом человека представлена в главе 3.5.
Что такое кинетохора?
кинетохор это структура белка, специализирующаяся на перемещении хромосом - нитей, которые содержат генетический материал - в клетку, которая будет разделена любым из двух процессов клеточного деления (митоз или мейоз).
Кинетохоры образуются путем сборки различных белков в области, называемой центромерой, которая находится в центре дублированной хромосомы. Центромера является главной точкой соединения между микротрубочками веретена и хромосомами таким образом, что они могут быть равномерно распределены среди полученных клеток.
У некоторых организмов есть только этот центральный регион, где расположен центромер. Эти организмы называются «моноцентрическими» и включают позвоночных, большую часть растений и грибов..
Наоборот, есть некоторые организмы, такие как нематоды (плоские черви) и некоторые растения, которые собирают кинетохоры в диффузном центромере вдоль хромосомы, эти организмы называются "holocéntricos".
- 1 Структура кинетохоры
- 2 функции кинетохоры
- 3 Важность в делении клеток
- 4 Ссылки
Структура кинетохор
Кинетохора состоит из внутренней области и внешней области. Внутренняя область соединена с центромерой через сильно повторяющуюся ДНК, называемую «центромерная ДНК». Этот материал собран в специализированной форме хроматина.
Внешняя область кинетохоры богата белками, которые служат для соединения с микротрубочками, которые образуют волокна веретена на каждом конце полюсов клетки, которые собираются делиться. Эти динамические компоненты работают только во время митоза.
Описана третья область, называемая фиброзной коронкой, которая находится между внутренней и внешней частями. Фиброзная коронка создается из сети постоянных и временных белков, и ее функция состоит в том, чтобы помочь регулировать соединение микротрубочек с внешней пластиной.
Каждый регион работает определенным образом, чтобы помочь в разделении сестринских хроматид. Их деятельность и взаимоотношения происходят только во время деления клеток и являются существенными, поскольку они помогают разделять хроматиды. Каждый хроматид имеет свой собственный кинетохор.
Кинетохорные функции
Кинетохора выполняет много важных функций для делящейся ячейки, включая следующие:
-Объединение концов микротрубочек с хромосомами
-Проверка этих соединений перед клеточным делением
-Активация контрольной точки для задержки прогрессирования клеточного цикла (если обнаружены дефекты)
-Генерация необходимой силы для перемещения хромосом к полюсам.
Важность в клеточном делении
Во время клеточного цикла на определенных этапах проводятся проверки, чтобы убедиться, что деление клетки происходит правильно и без ошибок..
Один из элементов управления заключается в том, чтобы убедиться, что волокна веретена правильно прикреплены к хромосомам в их кинетохорах. Если нет, клетка может оказаться с неправильным количеством хромосом.
При обнаружении ошибок процесс клеточного цикла останавливается, пока не будут внесены исправления. Если эти ошибки не могут быть исправлены, клетка самоуничтожится через процесс, называемый апоптозом..
Наконец, кинетохора является важной молекулярной машиной, которая управляет сегрегацией хромосом во время митоза и мейоза. Было идентифицировано около 100 белков с широким спектром важных функций для правильного деления клеток..
МОРФОЛОГИЯ МЕТАФАЗНЫХ ХРОМОСОМ
Хромосомылучше всего изучать во время метафазы митоза, т.к. в этой фазе они:
- располагаются в центре клетки, образуя метафазную пластинку;
- максимально конденсированы и легко различимы с использованием световой микроскопии;
- являются двухроматидными, а сестринские хроматиды соединены между собой в области центромеры, что позволяет различить их морфологию.
Морфологическими элементами метафазной хромосомы являются:
- ломкие (фрагильные) участки.
Хроматида представлена одной линейной молекулой ДНК, ассоциированной с гистоновыми и негистоновыми белками и максимально конденсированной. Метафазная хромосома состоит из двух сестринских хроматид, являющихся результатом репликации ДНК в фазе S и, таким образом, генетически идентичных. Хроматиды одной хромосомы соединены в области центромеры и остаются в таком состоянии до анафазы.
Центромера, или первичная перетяжка, представляет собой специфический участок хромосомы из ДНК и специальных центромерных белков (CENP-A,B,C,D,E). Центромерная ДНК состоит из высокоповторяющихся последовательностей (сателлитная ДНК), практически одинаковых для всех хромосом. Положение центромеры в хромосоме постоянно и специфично для каждой хромосомы/пары гомологичных хромосом. Центромера делит хромосому на два плеча: р (проксимальное) и q (дистальное). По положению центромеры хромосомы делятся на:
- метацентрические - центромера расположена посередине и плечи равные;
- субметацентрические - центромера несколько смещена к одному из концов, а плечи имеют разную длину;
- акроцентрические - центромера значительно смещена к концу хромосомы, из-за чего одно плечо намного короче другого.
Центромеры выполняют следующие функции:
- созревание кинетохоров для прикрепления хромосом к нитям веретена деления;
- продольное расщепление и разделение сестринских хроматид с образованием из одной двухроматидной хромосомы двух однохроматидных хромосом;
- точное и равное распределение генетического материала во время митоза, точная передача генетической информации от клетки к клетке.
Теломерыпредставлены специфическими последовательностями ДНК на концах хромосом в комплексе со специальными белками. В состав теломерной ДНК входят: (а) тандемно и многократно повторяющиеся короткие последовательности (TTAGGG), одинаковые у всех хромосом, (b) специфические для каждой хромосомы последовательности ДНК.
Теломеры выполняют следующие функции:
- защищают концы хромосом от действия нуклеаз;
- предотвращают слипание концов хромосом;
- обеспечивают репликацию всей ДНК;
- предотвращают укорачивание хромосом благодаря активности теломеразы;
- контролируют процессы старения клеток и многоклеточного организма;
- регулируют фиксацию хроматина к ядерной мембране в интерфазе, обеспечивая тем самым нормальную архитектуру интерфазных хромосом;
- обеспечивают правильную конъюгацию гомологичных хромосом в мейозе.
Вторичные перетяжки(h) представляют собой деспирализованные и слабо окрашенные участки повторяющейся ДНК; в норме они могут быть как в проксимальных плечах (р) акроцентрических хромосом 13, 14, 15, 21, 22, так и в дистальных плечах хромосом 1, 9, 16, реже 4, 6, 10 и Y. Вторичные перетяжки акроцентрических хромосом образуют область ядрышкового организатора. Длина вторичной перетяжки может варьировать в пределах нормального индивидуального полиморфизма.
Сателлиты- это терминальные участки коротких плеч акроцентрических хромосом 13, 14, 15, 21, 22, отделенные вторичной перетяжкой и состоящие из конститутивного гетерохроматина; число и размеры сателлитов варьируют от индивида к индивиду.
Ломкие (фрагильные) участкипредставляют собой деконденсированные сегменты хромосом, отличающиеся повышенной чувствительностью к действию мутагенных факторов, под влиянием которых в них легко происходят разрывы и, в результате этого, хромосомные перестройки. Фрагильные участки:
- являются маркерами нормального индивидуального полиморфизма;
- ассоциированы с некоторыми моногенными синдромами (например, FRAXA и семейная умственная отсталость);
- могут участвовать в опухолевой прогрессии (путем инактивации генов-супрессоров).
Читайте также: