Функции центромеры. Центромеры

Центромеры - это хромосомные структуры ответственные за направление движения хромосом во время митоза. К функциям центромер относятся адгезия сестринских хроматид, образование кинетохора, спаривание гомологичных хромосом и вовлечение в контроль генетической экспрессии. У большинства эукариот центромеры не содержат определенной последовательности ДНК. Обычно они содержат повторы (например, сателлитной ДНК), схожие, но не идентичные. У нематоды Caenorhabditis elegans и некоторых растений хромосомы голоцентрические, т.е. образование кинетохора не локализовано определенным участком, а происходит диффузно по всей длине хромосомы.

Центромеры дрожжей

Центромера Sp длинной 35-110 тпн (чем хромосома длиннее, тем центромера меньше) и состоит из двух доменов - центральной коровой области и внешней области повторов (otr), предстравленной гетерохроматином (рис1). Центральная коровая область состоит из области неповторяющейся ДНК (cnt) и области инвертированных
повторов (imt) по краям cnt. В центральной коровой области нормальный гистон H3 заменен своим аналогом (CENP-A у Sc) и в этом месте собирается кинетохор. Маркерные гены встраеваемые в центромерную последовательность становятся транскрипционно неактивными. Их замолкание зависит от положения, например, на внешних повторах оно сильнее, а в центральной области менее выражено. Белки Mis6, Mis12, Mal2 и Sim4 связываются с центральным районом центромеры. Центральный район частично переваривается микрококковой нуклеазой, что указывает на особую организацию хроматина, причем эта организация не зависит от ДНК (ДНК перенесенная в Sp или в другие участки хромосомы не сохраняет такую организацию). Внешние повторы упакованы в нуклеосомы, с деацетилированными гистонами (при помощи деацетилаз Clr3, Clr6 и Sir2). Метилтрансфераза Clr4 диметилирует H3K9, на который садится Swi6 (аналог HP1) и Chp1. Таким образом, на центромере формируется гетерохроматин
(см. обзор Гетерохроматин). Swi6 отвечает за присоединение когезинов к области внешних повторов. otr состоят из dg и dh повторов, разделенные другими повторами. Внутренние и внешние повторы содержат кластеры генов тРНК. Установлено, что dg повторы имеют первостепенную роль в установлении центромерной активности.
ДНК центральной коровой области АТ-богатая и состоит из трех участков cnt1, cnt3 - гомологичны на 99%, расположены по кроям от сnt2 гомологичного с ними на 48%. Левый и правый imr инвертированы и уникальны для каждой центромеры.

Рис. 1

Все 16 центромер Sc имеют длину 90 пн и содержат три элемента: CDEI, CDEII и CDEIII (рис.2). CDEII - это АТ-богатый неконсервативный спейсер длинной 78-90 пн, разделяющий CDEI и CDEIII. CDEI имеет длину 8 пн. Этот участок не существеннен для центромерной активности, но его делеция повышает вероятность неправильного расхождения хромосом во время митоза. СDEII - 78-90 пн, содержит ~90% АТ-пар. Делеции в этом участке прерывают образование центромеры, не нарушая расхождение хромомсом. СDEIII - 26 пн содержит несовершенные палиндромы. Одиночная нуклеотидная замена в этом участке полностью прерывает центромерную активность.

Рис. 2

Рис. 3 Последовательности центромерной ДНК хромосом Sc

Центромеры человека

Центромера человека представляет участок 1-4 Мпн AT-богатого а-сателлита длинной ~171 пн (альфоид ). Другие сателлиты также присутствуют. В пределах повторов устанавливается место образования центромеры называемое неоцентромера. Первичная последовательность ДНК в установившейся неоцентромере не имеет значения. Не все а-сателлиты становятся центромерой, не смотря на присутствие двух локусов богатых а-сателлитом, активной центромерой становится только один из них. Интактная ДНК, содержащая альфоид и помещенная в ядро, не образует активной центромеры, поэтому первичный механизм образования активной центромеры остается неясным.

Формировании кинетохора , конъюгации гомологичных хромосом и вовлечена в контроль экспрессии генов.

Именно в области центромеры соединены сестринские хроматиды в профазе и метафазе митоза и гомологичные хромосомы в профазе и метафазе первого деления мейоза . На центромерах же происходит формирование кинетохоров: белки, связывающиеся с центромерой, формируют точку прикрепления для микротрубочек веретена деления в анафазе и телофазе митоза и мейоза.

Отклонения от нормального функционирования центромеры ведут к проблемам во взаимном расположении хромосом в делящемся ядре, и в результате - к нарушениям процесса сегрегации хромосом (распределения их между дочерними клетками). Эти нарушения приводят к анеуплоидии , которая может иметь тяжёлые последствия (например, синдром Дауна у человека, связанный с анеуплоидией (трисомией) по 21-й хромосоме).

Центромерная последовательность

У большинства эукариот центромера не имеет определённой, соответствующей ей нуклеотидной последовательности . Обычно она состоит из большого количества повторов ДНК (например, сателлитной ДНК), в которых последовательность внутри индивидуальных повторяющихся элементов схожа, но не идентична. У человека основная повторяющаяся последовательность называется α-сателлит, однако в этом регионе имеется несколько других типов последовательностей. Однако установлено, что повторов α-сателлита недостаточно для образования кинетохора, и что известны функциональные центромеры, не содержащие α-сателлитной ДНК.

Наследование

В определении местоположения центромеры у большинства организмов значительную роль играет эпигенетическое наследование . Дочерние хромосомы образуют центромеры в тех же местах, что и материнская хромосома, независимо от характера последовательности, расположенной в центромерном участке. Предполагается, что должен быть какой-то первичный способ определения местоположения центромеры, даже если впоследствии её местоположение определяется эпигенетическими механизмами.

Строение

ДНК центромеры обычно представлена гетерохроматином , что, возможно, существенно для её функционирования. В этом хроматине нормальный гистон H3 замещен центромер-специфическим гистоном CENP-A (CENP-A характерен для пекарских дрожжей S. cerevisiae , но сходные специализированные нуклеосомы, похоже, присутствуют во всех эукариотных клетках). Считается, что присутствие CENP-A необходимо для сборки кинетохора на центромере и может играть роль в эпигенетическом наследовании местоположения центромеры.

В некоторых случаях, например у нематоды Caenorhabditis elegans , у чешуекрылых , а также у некоторых растений, хромосомы голоцентрические . Это означает, что на хромосоме нет характерной первичной перетяжки - специфического участка, к которому преимущественно крепятся микротрубочки веретена деления. В результате кинетохор имеет диффузный характер, и микротрубочки могут прикрепляться по всей длине хромосомы.

Аберрации центромер

В некоторых случаях у человека отмечено формирование дополнительных неоцентромер . Обычно это сочетается с инактивацией старой центромеры, поскольку дицентрические хромосомы (хромосомы с двумя активными центромерами) обычно разрушаются при митозе.

В некоторых необычных случаях было отмечено спонтанное образование неоцентромер на фрагментах распавшихся хромосом. Некоторые из этих новых позиций изначально состояли из эухроматина и вовсе не содержали альфа-сателлитной ДНК.

Являются двухцепочечными, реплицированными хромосомами, которые образуются во время деления . Основная функция центромера заключается в том, чтобы служить местом крепления волокон веретена деления. Веретено удлиняет клетки и разделяет хромосомы, чтобы гарантировать, что каждая новая получит правильное количество хромосом при завершении или .

ДНК в центромерной области хромосомы состоит из плотно упакованного , известного как гетерохроматин, который очень уплотнен и поэтому не транскрибируется. Из-за наличия гетерохроматина, область центромера окрашивается красителями в более темный цвет, чем другие части хромосомы.

Расположение

Центромер не всегда расположен в центральной области хромосомы (см. фото выше). Хромосома состоит из короткого плеча (p) и длинного плеча (q), которые соединяются в центромерной области. Центромеры могут находиться, как вблизи середины, так и в нескольких положениях вдоль хромосомы. Метацентрические центромеры расположены вблизи центра хромосом. Субметацентрические центромеры смещены в одну сторону от центра, так что одно плече длиннее другого. Акроцентрические центромеры расположены вблизи конца хромосомы, а телоцентрические центромеры находятся на конце или в области теломер хромосомы.

Положение центромера легко обнаруживается в кариотипе человека . Хромосома 1 является примером метацентрической центромеры, хромосома 5 является примером субметацентрической центромеры, а хромосома 13 является примером центромера акроцентрика.

Расхождение хромосом в митозе

До начала митоза клетка входит в стадию, известную как интерфаза, где она реплицирует свою ДНК при подготовке к делению клеток. Образуются сестринские , которые соединены в их центромерах.

В профазе митоза специализированные области на центромерах, называемые кинетохорами, прикрепляют хромосомы к веретенообразным волокнам. Кинетохоры состоят из ряда белковых комплексов, которые генерируют кинетохорные волокна, прикрепляющиеся к веретену делния. Эти волокна помогают манипулировать и разделять хромосомы во время деления клеток.

На стадии метафазы хромосомы удерживаются на метафазной пластине равными силами полярных волокон, нажимая на центромеры.

Во время анафазы парные центромеры в каждой отдельной хромосоме начинают расходится друг от друга, так как сначала центрируются относительно противоположных полюсов клетки.

Во время телофазы новообразованные включают отдельные дочерние хромосомы. После цитокинеза образуются две разные .

Расхождение хромосом в мейозе

В мейозе клетка проходит через две стадии процесса деления (мейоз I и мейоз II). Во время метафазы I центромеры гомологичных хромосом ориентированы на противоположные полюсы клеток. Это означает, что гомологичные хромосомы будут прикрепляться в своих центромерных областях к волокнам веретена деления, простирающимся только от одного из двух полюсов клетки.

Когда волокна веретена сокращаются во время анафазы I, гомологичные хромосомы вытягиваются к противоположным полюсам клеток, но сестринские хроматиды остаются вместе. В мейозе II волокна веретена, простирающиеся от обоих полюсов клеток, прикрепляются к сестринским хроматидам в их центромерах. Сестринские хроматиды разделяются в анафазе II, когда волокна веретена тянут их к противоположным полюсам. Мейоз приводит к разделению и распределению хромосом среди четырех новых дочерних клеток. Каждая клетка , содержащая только половину числа хромосом от исходной клетки.

Эукариотическая хромосома удерживается на митотическом веретене за счет присоединения микротрубочек к кинетохору, который образуется в центромерной области

Обычно центромеры содержат хроматин, обогащенный сателлитными последовательностями ДНК

При митозе сестринские хроматиды мигрируют к противоположным полюсам клетки. Это движение происходит потому, что хромосомы присоединены к микротрубочкам, противоположные концы которых связаны с полюсами. (Микротрубочки представляют собой внутриклеточные цилиндрические структуры, которые при митозе организуются таким образом, что соединяют хромосомы с полюсами клетки.)

Сайты в двух регионах , где организуются концы микротрубочек - поблизости от центриоли на полюсах и на хромосомах, - называются ЦОМТ (центры организации микротрубочек).

Рисунок ниже схематически иллюстрирует процесс разделения сестринских хроматид, происходящий между метафазой и телофазой митоза. Область хромосомы, ответственная за ее сегрегацию в митозе и мейозе, называется центромера. Посредством микротрубочек центромера каждой сестринской хроматиды оттягивается к противоположным полюсам и тянет за собой связанную с ней хромосому. Хромосома обеспечивает механизм присоединения большого количества генов к аппарату деления.

Она содержит сайт , который удерживает сестринские хроматиды вместе, до момента сегрегации индивидуальных хромосом. Он выглядит как перетяжка, к которой присоединены все четыре плеча хромосомы, как это изображено на рисунке ниже, где показаны сестринские хроматиды в стадии метафазы.

Центромера необходима для сегрегации хромосом. Это подтверждается свойствами хромосом, целостность которых была нарушена. В результате разрыва один фрагмент хромосомы сохраняет центромеру, а другой, называемый ацентрическим, ее не содержит. Ацентрический фрагмент не способен присоединяться к митотическому веретену, в результате чего он не попадает в ядро дочерней клетки.

Области хромосомы , фланкирующие центромеру, обычно содержат , богатую сателлитными последовательностями, и значительное количество гетерохроматина. Поскольку вся митотическая хромосома конденсирована, центромерный гетерохроматин в ней незаметен. Однако его можно визуализировать, используя технику прокрашивания, позволяющую выявить С-полосы. На рисунке ниже в области всех центромер присутствует темноокрашенный регион. Такая картина видна наиболее часто, хотя гетерохроматин может и не обнаруживаться в области каждой центромеры. Это позволяет думать, что центромерный гетерохроматин, по-видимому, не является необходимым компонентом механизма деления.

Область образования центромеры в хромосоме определяется первичной структурой ДНК (хотя специфическая последовательность известна лишь для небольшого количества хромосом). ДНК центромеры связывает определенные белки, которые формируют структуру, обеспечивающую присоединение хромосомы к микротрубочкам. Эта структура называется кинетохор. Она представляет собой прокрашивающуюся фибриллярную структуру диаметром или длиной около 400 нм.

Кинетохор обеспечивает создание ЦОМТ на хромосоме. На рисунке ниже представлена иерархическая организация связывания ДНК центромеры с микротрубочками. Белки, связанные с ДНК центромеры, связаны с другими белками, которые, в свою очередь, связаны с микротрубочками.

Когда центромеры сестринских хроматид начинают движение к полюсам, хроматиды остаются скрепленными посредством «склеивающих» белков, называемых когезины. Вначале хроматиды разделяются в области центромеры, а затем, в анафазе, когда когезины разрушаются, они полностью отделяются друг от друга.

Все хромосомы имеют два плеча и расположенный между ними истонченный участок – центромеру , или первичную перетяжку. В области первичной перетяжки расположенкинетохор – плоская структура, белки которой, взаимодействуя с микротрубочками веретена деления, обеспечивают перемещения хромосом во время деления клетки.

Строение метафазной хромосомы: 5 - центромера; 6 - вторичная перетяжка; 7 - спутник; 8 - хроматиды; 9 - теломеры.

1 - метацентрическая; 2 - субметацентрическая; 3, 4 - акроцентрические .

Метафазная хромосома состоит из двух хроматид. Любая хромосома имеет первичную перетяжку (центромеру) (5), которая делит хромосому на плечи.

Центромера(первичная перетяжка) - участок хромосомы, характеризующийся специфическими последовательностью нуклеотидов и структурой. Центромера принимает участие в соединении сестринских хроматид, формировании кинетохора, конъюгации гомологичных хромосом и вовлечена в контроль экспрессии генов.

Именно в области центромеры соединены сестринские хроматиды в профазе и метафазе митоза и гомологичные хромосомы в профазе и метафазе первого деления мейоза. На центромерах же происходит формирование кинетохоров: белки, связывающиеся с центромерой, формируют точку прикрепления для микротрубочек веретена деления в анафазе и телофазе митоза и мейоза.

Отклонения от нормального функционирования центромеры ведут к проблемам во взаимном расположении хромосом в делящемся ядре, и в результате - к нарушениям процесса сегрегации хромосом (распределения их между дочерними клетками). Эти нарушения приводят к анеуплоидии, которая может иметь тяжёлые последствия (например, синдром Дауна у человека, связанный с анеуплоидией (трисомией) по 21-й хромосоме).

Когда говорят о морфологии хромосом, то принимают во внимание следующие признаки: положение центромеры, длину плеч, наличие вторичной перетяжки и спутника.

В зависимости от положения центромеры в кариотипе человека выделяют хромосомы трех типов :

1. Метацентрические , равноплечие хромосомы: первичная перетяжка (центромера) расположена в центре (посередине) хромосомы, плечи хромосомы одинаковые.

2. Субметацентрические , почти равноплечие хромосомы: центромера находится недалеко от середины хромосомы, плечи хромосомы незначительно отличаются по длине.

3. Акроцентрические , очень неравноплечие хромосомы: центромера находится очень далеко от центра (середины) хромосомы, плечи хромосомы существенно различаются по длине.

Короткое плечо обозначают буквой –

Длинное плечо обозначают буквой -

Некоторые хромосомы имеют вторичную перетяжку (6) и спутник(сателлит) (7).

Вторичная перетяжка - участок хромосомы, соединяющий спутник с телом хромосомы. В области вторичной перетяжки расположены гены рибосомных РНК, происходит синтез рРНК и происходит формирование и сборка ядрышка. Такая вторичная перетяжка поэтому называется еще ядрышковым организатором.Вторичные перетяжки могут быть у одних хромосом на длинном плече, у других - на коротком.

От первичной вторичная перетяжка отличается отсутствием заметного угла между сегментами хромосомы.

У человека вторичную перетяжку имеют хромосомы9, 13, 14, 15, 21 и 22.

Спутник (сателлит) - это хромосомный сегмент, чаще всего гетерохроматический, расположенный дистально от вторичной перетяжки. По классическим определениям спутник – сферическое тельце с диаметром, равным диаметру хромосомы или меньше его, которое связано с хромосомой тонкой нитью. Выделяют следующие5 типов спутников:

микроспутники – сфероидальной формы, маленькие спутники с диаметром вдвое или еще меньше диаметра хромосомы;

макроспутники – довольно крупные формы спутников с диаметром, превышающим половину диаметра хромосомы;

линейные - спутники, имеющие форму длинного хромосомного сегмента. Вторичная перетяжка значительно удалена от терминального конца;

терминальные – спутники, локализованные на конце хромосомы;

интеркалярные – спутники, локализованные между двумя вторичными перетяжками.

Хромосомы, имеющие спутник, называются спутничными, их принято обозначать SAT-хромосомами. Форма, величина спутника и связывающей его нити постоянны для каждой хромосомы.

Спутник вместе с вторичной перетяжкой составляют спутничный район.

Концы хромосом называются теломерами (9).

Теломе́ры (от др.-греч. τέλος- конец и μέρος- часть) - концевые участки хромосом. Теломерные участки хромосом характеризуются отсутствием способности к соединению с другими хромосомами или их фрагментами и выполняют защитную функцию.

Термин «теломера» предложил Г. Мёллер в 1932 г.

У человека ДНК теломерного участка представляет собой многократно повторяющуюся нуклеотидную последовательность 5" ТТАГГГ 3" в одной из нуклеотидных цепей ДНК.

Функции хромосом:

1) хранение наследственной информации,

2) реализация наследственной информации,

3) передача генетического материала от материнской клетки к дочерним.

Правила хромосом

1. Постоянство числа. Соматические клетки организма каждого вида имеют строго определенное число хромосом (у человека -46, у кошки- 38, у мушки-дрозофилы - 8, у собаки -78. у курицы -78).

2. Парность. Каждая хромосома в соматических клетках с диплоидным набором имеет такую же гомологичную (одинаковую) хромосому, идентичную по размерам, форме, но неодинаковую по происхождению: одну - от отца, другую - от матери.

3. Индивидуальность. Каждая пара хромосом отличается от другой пары размерами, формой, чередованием светлых и темных полос.

4. Непрерывность. Перед делением клетки ДНК удваивается и в результате получается 2 сестринские хроматиды. После деления в дочерние клетки попадает по одной хроматиде и, таким о6разом, хромосомы непрерывны - от хромосомы образуется хромосома.