Центромера

Строение и функции хромосом

Хромосома – структура клеточного ядра, имеющая в своём составе дезоксирибонуклеиновую кислоту (ДНК) и белок — гистон, что и определяет её наследственную функцию.  

Соединение ДНК и белка  гистона называется хроматином. Из него в профазе митоза, в самом начале деления клетки, образуются хромосомы. Строение хромосомы наиболее хорошо удаётся рассмотреть под световым микроскопом в процессе деления клетки, а конкретно в метафазе митоза. 

Хромосома состоит из двух сестринских хроматид, представляющих собой нити молекулы ДНК с белками. Хроматиды образуются в результате удвоения хромосомы в процессе деления клетки.

У каждой хромосомы имеется участок ДНК, называемый центромерой (кинетохором). Здесь в стадии профазы и метафазы деления клетки осуществляется соединение двух дочерних хроматид. Центромера делит хромосому на два плеча. 

Схема строения хромосомы в поздней профазе — метафазе митоза.

Существуют хромосомы, имеющие вторичные перетяжки, которые отделяют от плеча хромосомы так называемый спутник, из которого в последующем в интерфазном ядре образуется ядрышко. 

Концевые участки хромосом принято называть теломерами.

По форме хромосомы различают:

• Метацентрические. Центромера находится в середине и плечи её равны.
• Субметацентрические. Центромера смещена относительно середины и одно плечо короче другого.
• Акроцентрические. Центромера расположена у конца хромосомы и одно плечо намного короче другого.

Существует две классификации хромосом по размеру и форме:

1. денверская;
2. парижская.

Денверская классификация помимо размеров хромосом, также учитывает их форму, расположение кинетохора и наличие вторичных перетяжек, спутников. Важным является значение центромерного индекса, отражающего процентное соотношение длины короткого плеча к длине всей хромосомы. Проводилось сплошное окрашивание хромосом.

Группы хромосом по денверской классификации: 

• Группу А образуют  1 – 3 большие метацентрические и субметанцентрические хромосомы, имеющие центромерный индекс (ЦИ) от 38 – 49.
• Группу В образуют 4 – 5 пары больших субметацентрических хромосом с центромерным индексом 24 – 30.
• Группа С состоит из 6 – 12 пары субметацентрических хромосом среднего размера с центромерным индексом   27 – 35. Х-хромосому относят именно к этой группе. 
• Группу D составляют 13 – 15 пары акроцентрических хромосом сильно отличающихся от всех остальных хромосом человека, ЦИ около 15.
• Группа Е образована 16 – 18 парами относительно коротких метацентрических хромосом с ЦИ 26 – 40.
• Группа F (19 – 20 пары): две короткие, субметанцентрических хромосомы с ЦИ 36 – 46.
• Группа G, образованная 21 – 22 парами маленьких акроцентрических хромосом с ЦИ 13 -33. В неё входит Y – хромосома. 

Парижская классификация основывается на методах специального дифференциального окрашивания, при котором каждая хромосома имеет индивидуальный порядок чередующихся светлых и тёмных сегментов. 

Дисфункция и болезнь

Известно, что неправильная регуляция центромер способствует неправильной сегрегации хромосом, что в значительной степени связано с раком и абортом. Примечательно, что сверхэкспрессия многих центромерных генов связана со злокачественными фенотипами рака. Избыточная экспрессия этих центромерных генов может увеличивать геномную нестабильность при раке. Повышенная нестабильность генома, с одной стороны, связана со злокачественными фенотипами; с другой стороны, это делает опухолевые клетки более уязвимыми для специфических адъювантных методов лечения, таких как химиотерапия и лучевая терапия. Нестабильность повторяющейся ДНК центромеры была недавно показана при раке и старении.

Значение деления клеток

В организме многоклеточного типа с помощью мейоза могут делиться только половые клетки. Поэтому биологи определяют главное значение действия как обеспечение качественного механизма размножения с сохранением количества хромосом у вида. Это позволяет передавать генетическую информацию от одного поколения к другому и при этом обеспечивать продолжительность вида.

Но, с другой стороны, это генетическая комбинация информации. Если размножение будет происходить по второму типу, то вероятность изменения генетических элементов довольно высокая. Новые комбинации могут создаваться в следующих случаях:

• Когда несестринские хромосомы начинают обмениваться участками.
• При независимом расхождении к полюсам в процессе мейотических делений.

Каждая хромосома может оказаться в отдельной клетке и при этом попадать в сочетания с другими, ранее не комбинируемыми элементами. Уже после первого мейоза клетки будут содержать разную генетическую информацию, а после второго деления все четыре клетки, участвующие в процессе, будут отличаться между собой не только количеством хромосом, но и элементами генетической информации, переданной от клеток-родителей.

Это главное отличие процесса мейоза от митоза, в котором формируются четыре одинаковые генетически равные клетки, имеющие равное значение в процессе размножения. Благодаря процессу кроссинговера и возможности случайного расхождения хромосом возможны новые ранее не используемые комбинации, из-за этого возможна наследственная изменчивость и эволюция живых организмов.

Комбинативная изменчивость исходных клеток помогает многоклеточным организмам меняться под влиянием окружающих факторов и создавать уникальных наследников, которые также будут использовать возможность мейоза для передачи генетически закодированной информации следующим поколениям. В природной сфере этот процесс имеет огромное значение не только благодаря размножению и формированию новых клеток в организме, но и как один из основных этапов гаметогенеза.

Сформированные в процессе дочерние клетки будут качественно отличаться от материнской и развиваться за новыми сценариями, это обеспечивает уникальность и ряд различий между собой. Мейоз является важным, ведь в результате оплодотворения гамет ядра будут сливаться и запускается процесс образования новых половых единиц. Без этого действия хромосомный набор в клетке постоянно бы увеличивался, что могло бы привести к нежизнеспособности. Этот процесс является одним из наиболее важных действий внутри живого организма для дальнейшего развития и активного функционирования.

Dysfunction and disease[edit]

It has been known that centromere misregulation contributes to mis-segregation of chromosomes, which is strongly related to cancer and abortion. Notably, overexpression of many centromere genes have been linked to cancer malignant phenotypes. Overexpression of these centromere genes can increase genomic instability in cancers. Elevated genomic instability on one hand relates to malignant phenotypes; on the other hand, it makes the tumor cells more vulnerable to specific adjuvant therapies such as certain chemotherapies and radiotherapy. Instability of centromere repetitive DNA was recently shown in cancer and aging.

Характеристики хромосом

Прежде чем говорить о центромерах, необходимо установить несколько простых оснований о хромосомах. Все клетки нашего тела обычно диплоидны, то есть с ядрами, имеющими два набора хромосом. Если каждый набор человеческих хромосом состоит из 23 единиц, то в типичной соматической (телесной) клетке их всего 46. Половина из них происходит от матери, а половина — от отца.

Диплоидия — чрезвычайно благоприятное состояние на эволюционном уровне, потому что, если хромосома отца дает сбой в определенной области, аналогичная зона матери может попытаться замаскировать этот недостаток. Ясно, что это не так просто, поскольку существуют такие явления, как доминирование и рецессивность, но диплоидия связана с генетической изменчивостью, за некоторыми исключениями.

С другой стороны, клетки, дающие начало гаметам, должны воспроизводиться посредством мейоза, то есть вместо того, чтобы давать начало 2 равным клеткам от родителя (митоз), создаются 4 клетки с половиной генетической информации. Таким образом, когда яйцеклетка (n) и сперматозоид (n) объединяются, чтобы дать начало зиготе, она восстанавливает диплоидию, необходимую нам для жизни.

Структура хромосомы

Если вы когда-либо видели сфотографированную хромосому (под микроскопом, например, хромосома 1 человека имеет длину 0,001 сантиметра), вы быстро свяжете ее форму с буквой X. Если мы понимаем эту структуру как ранее названный символ, можем быстро представить, что каждая хромосома состоит из 4 плеч и центра (центромеры).

Кроме того, следует отметить, что если в хромосоме сделать продольный разрез, получаются 2 сестринские хроматиды, которые образуют всю структуру. Они состоят из кромонемы и хромомеров, построенных на основе ДНК и белков.

Функции

Центромера участвует 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 центромеру же происходит формирование кинетохор: белки, связывающиеся с центромеру формируют точку прикрепления для микротрубочек веретена деления в анафазе и телофазе митоза и мейоза.

Отклонение от нормального функционирования центромеры ведут к проблемам во взаимном расположении хромосом в ядре во время его разделения, и в результате — к нарушениям процесса сегрегации хромосом (распределения их между дочерними клетками). Эти нарушения приводят к анеуплоидии, которая может иметь тяжелые последствия (например, вызвать синдром Дауна у человека, связанный с анеуплоидии (трисомией) по двадцать первого хромосоме).

Число центромеры [ править ]

Ацентрический править

Если в хромосоме отсутствует центромера, она называется ацентрической . Макронуклеус из инфузорий , например , содержит сотни ацентрических хромосом. События разрушения хромосом также могут генерировать ацентрические хромосомы или ацентрические фрагменты.

Дицентрик править

Дицентрик хромосома является ненормальными хромосомами с два центромерой. Он образуется в результате слияния двух сегментов хромосомы, каждый с центромерой, что приводит к потере ацентрических фрагментов (без центромеры) и образованию дицентрических фрагментов. Образование дицентрических хромосом приписывают генетическим процессам, таким как Робертсоновская транслокация и парацентрическая инверсия. Дицентрические хромосомы играют важную роль в митотической стабильности хромосом и формировании псевдодицентрических хромосом.

Моноцентрический править

Моноцентрическая хромосома хромосома , которая имеет только один центромеру в хромосоме и образует узкую перетяжку.

Моноцентрические центромеры являются наиболее распространенной структурой ДНК растений и животных с большим числом повторений.

Холоцентрический править

В отличие от моноцентрических хромосом в холоцентрических хромосомах вся длина хромосомы действует как центромера. В холоцентрических хромосомах нет одного первичного сужения, но центромера имеет множество локусов CenH3, разбросанных по всей хромосоме. Примеры центромеры этого типа можно найти во всех царствах растений и животных, наиболее известным примером является нематода Caenorhabditis elegans .

Хромосомы человека править

Отрывок, характеризующий Центромера

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 Scимеют 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.

Ссылки

Wikimedia Foundation
.
2010
.

Синонимы

Смотреть что такое «Центромера» в других словарях:

Центромера … Орфографический словарь-справочник

Кинетохор Словарь русских синонимов. центромера сущ., кол во синонимов: 1 кинетохор (1) Словарь синонимов ASIS. В.Н. Тришин … Словарь синонимов

— (от центр и греч. meros часть) (кинетохор) участок хромосомы, удерживающий вместе две ее нити (хроматиды). Во время деления центромеры направляют движение хромосом к полюсам клетки … Большой Энциклопедический словарь

ЦЕНТРОМЕРА, часть ХРОМОСОМЫ, которая появляется только в процессе деления клеток. Когда хромосомы сокращаются во время МЕЙОЗА или МИТОЗА, центромеры возникают в виде сужений, не содержащих никаких генов. С их помощью хромосомы прикрепляются к… … Научно-технический энциклопедический словарь

— (от лат. centrum, греч. kentron срединная точка, центр и греч. meros часть, доля), кинетохор, участок хромосомы, контролирующий её движение к разным полюсам клетки во время деления митоза или мейоза; место прикрепления к хромосоме нитей… … Биологический энциклопедический словарь

центромера — Ограниченная зона в хромосоме, включающая сайт прикрепления веретена при митозе или мейозе Тематики биотехнологии EN centromere … Справочник технического переводчика

Центромера — * цэнтрамера * centromere or kinetochore консервативный район эукариотической хромосомы, к которому присоединяются нити веретена (см.) во время митоза (см.). ДНК, образующая Ц., состоит из трех доменов (элементов) CDE I, CDE II и CDE III. CDE I и … Генетика. Энциклопедический словарь

— (от центр и греч. méros часть) (кинетохор), участок хромосомы, удерживающий вместе две её нити (хроматиды). Во время деления центромеры направляют движение хромосом к полюсам клетки. * * * ЦЕНТРОМЕРА ЦЕНТРОМЕРА (от центр (см. ПРЯМОЕ ПРАВЛЕНИЕ) и … Энциклопедический словарь

Centromere центромера. Участок моноцентрической хромосомы, в котором сестринские хроматиды соединены между собой и в области которой прикрепляются нити веретена, обеспечивающие движение хромосом к полюсам деления; обычно прицентромерные районы… … Молекулярная биология и генетика. Толковый словарь.

центромера — centromera statusas T sritis augalininkystė apibrėžtis Pirminė chromosomos persmauga, prie kurios prisitvirtina achromatinės verpstės siūlai. atitikmenys: angl. centromere; kinetochore rus. кинетохор; центромера … Žemės ūkio augalų selekcijos ir sėklininkystės terminų žodynas

Последовательность

Есть два типа центромер. В региональных центромерах ДНК последовательности вносят вклад в функцию, но не определяют ее. Региональные центромеры содержат большое количество ДНК и часто упаковываются в гетерохроматин. В большинстве эукариотыпоследовательность ДНК центромеры состоит из больших массивов повторяющейся ДНК (например, спутниковая ДНК), где последовательность в отдельных повторяющихся элементах аналогична, но не идентична. У человека первичная центромерная повторяющаяся единица называется α-сателлитом (или альфоидом), хотя в этой области обнаруживается ряд других типов последовательностей.

Точечные центромеры меньше и компактнее. Последовательности ДНК необходимы и достаточны для определения идентичности и функции центромеры у организмов с точечными центромерами. У почкующихся дрожжей область центромеры относительно мала (около 125 п.н. ДНК) и содержит две высококонсервативные последовательности ДНК, которые служат сайтами связывания для основных кинетохора белки.

Центромерные аберрации

В редких случаях неоцентромеры могут образовываться на новых участках хромосомы в результате репозиции центромеры. Это явление наиболее хорошо известно из клинических исследований на людях, и в настоящее время известно более 90 неоцентромеров человека, идентифицированных на 20 различных хромосомах. Образование неоцентромеры должно быть связано с инактивацией предыдущей центромеры, поскольку хромосомы с двумя функциональными центромерами (Дицентрическая хромосома) приведет к поломке хромосом во время митоза. В некоторых необычных случаях неоцентромеры человека спонтанно образуются на фрагментированных хромосомах. Некоторые из этих новых позиций изначально были эухроматическими и вообще лишены альфа-сателлитной ДНК. Неоцентромеры Отсутствие повторяющейся структуры, наблюдаемой в нормальных центромерах, что позволяет предположить, что образование центромер в основном контролируется эпигенетически. Со временем неоцентромера может накапливать повторяющиеся элементы и превращаться в то, что известно как эволюционная новая центромера. Есть несколько хорошо известных примеров в хромосомах приматов, где положение центромеры отличается от центромеры человека той же самой хромосомы и считается эволюционно новыми центромерами. Было высказано предположение, что репозиционирование центромер и формирование новых эволюционных центромер является механизмом видообразование.

Центромерные белки также являются аутоантигенной мишенью для некоторых антиядерные антитела, Такие как антицентромерные антитела.

Что такое митоз

Первый способ деления соматической клетки — митоз. Материнская клетка разделяется на дочерние клетки, которые практически идентичны родительским с точки зрения генетической информации. Наследственная информация и количество хромосом у дочерних клеток такие же, как у родительской.

‍ Схема митоза‍

Митоз — это одна из фаз жизненного цикла клетки и механизм нормального роста тканей. Большую часть клеточного цикла занимает интерфаза, в течение которой протекает повседневная клеточная деятельность. Во время интерфазы происходит: 

• рост, 
• синтез белка и других органических веществ клетки, 
• образование новых органелл.

Во время интерфазы идёт активный синтез и накопление необходимых для деления клетки веществ. Интерфаза делится на три подфазы: 

• G1 — клетка становится больше, синтезируются белки, образуются одномембранные органоиды и рибосомы, готовясь к делению. В человеческой клетке 46 хромосом. Каждая хромосома, состоящая из одной хроматиды, напоминает неполую макаронину — она достаточно гибкая, чаще всего длина намного превышает ширину. Хроматида представляет собой 1 молекулу ДНК. 
• S — каждая хроматида копируется. Количество хромосом остаётся неизменным — 46, однако теперь каждая хромосома состоит из двух идентичных сестринских хроматид. Они соединяются в области, которая называется центромерой. В сумме в клетке получается 92 хроматиды.  
• G2 — продолжается рост клетки и синтез белков, нуклеиновых кислот. 

<<Форма демодоступа>>

После стадии G2 клетка вступает в следующую фазу деления, а именно — сам митоз. Тут есть четыре подфазы: профаза, метафаза, анафаза, телофаза.

В схемах деления гаплоидный набор хромосом обозначают буквой n, а набор молекул ДНК (то есть хроматид) —  буквой с. Перед буквами указывают число гаплоидных наборов: 1n2с — гаплоидный набор удвоенных хромосом, 2n2с — диплоидный набор одиночных хромосом, 2n4с — диплоидный набор удвоенных хромосом.

‍Пример. В клетках человека гаплоидный набор составляют 23 хромосомы. Значит, запись 2n2с означает 46 хромосом и 46 хроматид, а 2n4с — 46 хромосом и 92 хроматиды. 

Рассмотрим подробнее фазы митоза:

• Профаза (2n4с) — спирализация хромосом, уменьшение их функциональной активности; репликация практически не идёт; разрушение оболочки ядра; образование веретена деления.
• Метафаза (2n4с) — прикрепление хромосом к нитям веретена деления; спирализация хромосом достигает максимума; хромосомы утрачивают свою функциональную активность, образуют экваториальную (метафазную) пластинку. 
• Анафаза (4n4c) — деление центромер; расхождение по нитям веретена сестринских хромосом. Анафаза заканчивается, когда центромеры достигают полюсов клетки.
• Телофаза (2n2c) — деспирализация хромосом; образование ядерной оболочки; деление цитоплазмы; между дочерними клетками на экваторе образуется перетяжка. В растительных и грибных клетках в этом месте начинает закладываться клеточная стенка. 

Многие клетки вступают в фазу G0 после митоза и находятся в ней всю жизнь до гибели. Обычно это высокоспециализированные клетки, которые не могут совмещать эффективное выполнение своих функций и размножение. Например, в фазе G0 находится большинство нейронов головного мозга. 

Биологическое значение митоза — образование генетически одинаковых дочерних клеток с тем же набором хромосом, что был у материнской клетки. Сохраняется преемственность в ряду клеточных поколений. 

‍Как происходит митоз‍