1989 wurde ein lineares Bakterienchromosom in der Spirochäte Borrelia burgdorfery beschrieben, das durch Elektrophorese in einem gepulsten elektrischen Feld identifiziert wurde. Die Genomgröße betrug nur 960 kb. Es wurde festgestellt, dass die linearen und kreisförmigen Chromosomen gleichzeitig in Agrobacterium tumefaciens koexistieren, und grampositive Bakterien der Gattung Streptomyces, die eines der größten Bakteriengenome (etwa 8000 kb) haben, haben ein lineares Chromosom. Der Actinomycete-Vertreter Rhodococcus fascians scheint ebenfalls ein lineares Chromosom zu haben. Lineare Chromosomen in Bakterien koexistieren oft mit linearen Plasmiden und sind in der Natur weit verbreitet.
Die linearen Chromosomen und Plasmide der am besten untersuchten Bakterien der Gattung Streptomyces enthalten terminale invertierte Wiederholungen (TIRs), an die terminale Proteine (TPs) kovalent gebunden sind. Trotz der Tatsache, dass solche Strukturen für die Chromosomen von Adenoviren und dem Bakteriophagen psi29 Bacillus subtilis charakteristisch sind, unterscheidet sich der Mechanismus der Chromosomenreplikation von Streptomyceten signifikant von dem viraler Genome. Wenn die DNA-Synthese in Viren am Ende des Chromosoms unter Verwendung von TP, das kovalent an das Nukleotid gebunden ist, als Saat initiiert wird und sich durch das gesamte Genom bis zu seinem Ende fortsetzt, beginnt die Replikation des Chromosoms und der linearen Streptomyceten-Plasmide von der inneren Region der Replikationsursprung oriC .
Die DNA-Synthese breitet sich vom Replikationsursprung nach dem halbkonservativen Standardmechanismus in beide Richtungen aus und endet an den Enden linearer DNA-Moleküle unter Bildung von 3 "-terminalen Lücken (Abb. I.50, a). Die einfachste Lösung Zum Problem, diese Lücke zu füllen, könnte die direkte Initiationsreplikation von Telomerregionen von Chromosomen von einem TP-Protein, das kovalent an das initiierende Nukleotid gebunden ist, sein, was in Adenoviren stattfindet (Abb. I.50, b). Tatsächlich verwenden Streptomyceten TP, um Telomere zu replizieren Allerdings stellt sich der Mechanismus der Telomererkennung in diesem Fall deutlich anders dar. Es gibt drei Modelle, um Lücken in den Telomerregionen linearer bakterieller Chromosomen zu füllen.
Es ist nicht bekannt, wie viele Formen linearer Bakterienchromosomen in der Natur vorkommen. Die taxonomischen Probleme im Zusammenhang mit der Topologie der Chromosomen im Reich der Eubakterien wurden ebenfalls nicht untersucht. Wenn jeder Chromosomentyp für eine eigene taxonomische Domäne charakteristisch ist, kann davon ausgegangen werden, dass die Topologie der Chromosomen eine wichtige Rolle bei der Evolution von Bakterien spielt. Alternativ können topologische Austausche von Chromosomen relativ häufige Ereignisse sein, und lineare und kreisförmige Chromosomen sind nur in eng verwandten Bakterienarten vorhanden. Die Instabilität von Streptomyceten-Chromosomen (Bildung ausgedehnter Deletionen und Amplifikation von Nukleotidsequenzen) ist mit Umlagerungen in ihren Endabschnitten verbunden, von denen einige mit der Bildung von Ringchromosomen einhergingen.
Die Geschichte der Entdeckung der Chromosomen
Zeichnung aus dem Buch von W. Flemming, die die verschiedenen Stadien der Zellteilung des Salamanderepithels darstellt (W. Flemming. Zellsubstanz, Kern und Zelltheilung. 1882)
In verschiedenen Artikeln und Büchern wird verschiedenen Personen die Priorität der Entdeckung von Chromosomen eingeräumt, aber meistens wird das Jahr der Entdeckung von Chromosomen 1882 genannt, und ihr Entdecker ist der deutsche Anatom W. Fleming. Allerdings wäre es fairer zu sagen, dass er die Chromosomen nicht entdeckt hat, sondern in seinem grundlegenden Buch "Zellsubstanz, Kern und Zelltheilung" (deutsch) Informationen über sie gesammelt und bereinigt und die Ergebnisse seiner eigenen Forschung ergänzt hat. Der Begriff „Chromosom“ wurde 1888 vom deutschen Histologen Heinrich Waldeyer vorgeschlagen, „Chromosom“ bedeutet wörtlich „farbiger Körper“, da die Grundfarbstoffe gut an Chromosomen binden.
Jetzt ist es schwierig zu sagen, wer die erste Beschreibung und Zeichnung von Chromosomen gemacht hat. 1872 veröffentlichte der Schweizer Botaniker Carl von Negili ein Werk, in dem er einige kleine Körper darstellte, die während der Zellteilung während der Bildung von Pollen in einer Lilie anstelle des Zellkerns erscheinen ( Lilium tigrinum) und Tradescantia ( Tradescantia). Seine Zeichnungen erlauben es uns jedoch nicht, eindeutig zu sagen, dass K. Negili genau die Chromosomen gesehen hat. Im selben Jahr 1872 brachte der Botaniker E. Russov seine Bilder der Zellteilung während der Sporenbildung in einem Farn der Gattung Uzhovnik ( Ophioglossum) und Lilienpollen ( Lilium bulbiferum). In seinen Illustrationen sind einzelne Chromosomen und Teilungsstadien gut zu erkennen. Einige Forscher glauben, dass der deutsche Botaniker Wilhelm Hoffmeister lange vor K. Negili und E. Russov in den Jahren 1848-1849 als erster Chromosomen gesehen hat. Gleichzeitig erkannten weder K. Negili noch E. Russov und noch mehr V. Hofmeister die Bedeutung dessen, was sie sahen.
Nach der Wiederentdeckung der Mendelschen Gesetze im Jahr 1900 dauerte es nur ein bis zwei Jahre, bis klar war, dass sich Chromosomen genau so verhalten, wie man es von „Erbteilchen“ erwartet. 1902 T. Boveri und 1902-1903 W. Setton ( Walter Sutton) waren unabhängig voneinander die ersten, die eine Hypothese über die genetische Rolle von Chromosomen aufstellten. T. Boveri entdeckte den Embryo eines Seeigels Paracentrotus lividus kann sich nur dann normal entwickeln, wenn mindestens ein, aber ein vollständiger Chromosomensatz vorhanden ist. Er fand auch heraus, dass verschiedene Chromosomen in ihrer Zusammensetzung nicht identisch sind. W. Setton untersuchte die Gametogenese bei Acridoiden Brachystola magna und erkannten, dass das Verhalten der Chromosomen während der Meiose und während der Befruchtung die Divergenzmuster der Mendelschen Faktoren und die Bildung ihrer neuen Kombinationen vollständig erklärt.
Die experimentelle Bestätigung dieser Ideen und die endgültige Formulierung der Chromosomentheorie erfolgte im ersten Viertel des 20. Jahrhunderts durch die Begründer der klassischen Genetik, die in den USA mit der Fruchtfliege ( D. melanogaster): T.Morgan, C.Bridges ( C. B. Brücken), A. Sturtevant ( A. H. Sturtevant) und G.Möller. Auf Grundlage ihrer Daten formulierten sie die „Chromosomentheorie der Vererbung“, wonach die Weitergabe von Erbinformationen mit Chromosomen in Verbindung gebracht wird, bei denen Gene in einer bestimmten Reihenfolge linear angeordnet sind. Diese Ergebnisse wurden 1915 in The Mechanisms of Mendelian Heredity veröffentlicht.
1933 erhielt T. Morgan den Nobelpreis für Physiologie oder Medizin für die Entdeckung der Rolle der Chromosomen bei der Vererbung.
eukaryotische Chromosomen
Die Basis des Chromosoms ist ein lineares (nicht ringförmig geschlossenes) Makromolekül aus Desoxyribonukleinsäure (DNA) von beträchtlicher Länge (zum Beispiel gibt es in DNA-Molekülen menschlicher Chromosomen 50 bis 245 Millionen Paare stickstoffhaltiger Basen). In gestreckter Form kann die Länge eines menschlichen Chromosoms 5 cm erreichen, außerdem enthält das Chromosom fünf spezialisierte Proteine - H1, H2A, H2B, H3 und H4 (die sogenannten Histone) und eine Reihe von nicht- Histonproteine. Die Aminosäuresequenz von Histonen ist hoch konserviert und unterscheidet sich in verschiedenen Organismengruppen praktisch nicht.
Primäre Verengung
Chromosomenverengung (X. p.), in der das Zentromer lokalisiert ist und die das Chromosom in Arme teilt.
Sekundäre Verengungen
Ein morphologisches Merkmal, mit dem Sie einzelne Chromosomen in einem Satz identifizieren können. Sie unterscheiden sich von der primären Verengung durch das Fehlen eines merklichen Winkels zwischen den Segmenten des Chromosoms. Sekundäre Einschnürungen sind kurz und lang und an verschiedenen Stellen entlang der Länge des Chromosoms lokalisiert. Beim Menschen sind dies 9, 13, 14, 15, 21 und 22 Chromosomen.
Arten der Chromosomenstruktur
Es gibt vier Arten von Chromosomenstrukturen:
- telozentrisch(stäbchenförmige Chromosomen mit einem Zentromer am proximalen Ende);
- akrozentrisch(stäbchenförmige Chromosomen mit einem sehr kurzen, kaum wahrnehmbaren zweiten Arm);
- submetazentrisch(mit ungleich langen Schultern, die in ihrer Form dem Buchstaben L ähneln);
- metazentrisch(V-förmige Chromosomen mit gleich langen Armen).
Der Chromosomentyp ist für jedes homologe Chromosom konstant und kann bei allen Mitgliedern derselben Art oder Gattung konstant sein.
Satelliten (Satelliten)
Satellit- Dies ist ein runder oder länglicher Körper, der vom Hauptteil des Chromosoms durch einen dünnen Chromatinfaden getrennt ist, der im Durchmesser gleich oder etwas kleiner als das Chromosom ist. Chromosomen, die einen Begleiter haben, werden allgemein als SAT-Chromosomen bezeichnet. Form, Größe des Satelliten und der Faden, der ihn verbindet, sind für jedes Chromosom konstant.
Nukleoluszone
Zonen des Nukleolus ( Nucleolus-Organisatoren) sind spezielle Bereiche, die mit dem Auftreten einiger sekundärer Verengungen verbunden sind.
Chromonema
Ein Chromonem ist eine spiralförmige Struktur, die in dekompaktierten Chromosomen durch ein Elektronenmikroskop gesehen werden kann. Es wurde erstmals 1880 von Baranetsky in den Chromosomen von Tradescantia-Staubbeuteln beobachtet, der Begriff wurde von Veydovsky eingeführt. Chromonema kann je nach untersuchtem Objekt aus zwei, vier oder mehr Fäden bestehen. Diese Fäden bilden Spiralen von zwei Arten:
- paranemisch(Elemente der Spirale sind leicht zu trennen);
- plektonemisch(Die Fäden sind eng miteinander verflochten).
Chromosomale Umlagerungen
Eine Verletzung der Chromosomenstruktur tritt als Folge spontaner oder provozierter Veränderungen (z. B. nach Bestrahlung) auf.
- Gen-(Punkt-)Mutationen (Veränderungen auf molekularer Ebene);
- Aberrationen (mit einem Lichtmikroskop sichtbare mikroskopische Veränderungen):
riesige Chromosomen
Solche Chromosomen, die sich durch riesige Größen auszeichnen, können in einigen Zellen in bestimmten Stadien des Zellzyklus beobachtet werden. Sie werden beispielsweise in den Zellen einiger Gewebe von Dipteren-Insektenlarven (Polytän-Chromosomen) und in den Eizellen verschiedener Wirbeltiere und wirbelloser Tiere (Lampenbürsten-Chromosomen) gefunden. An Präparaten von Riesenchromosomen konnten Anzeichen von Genaktivität nachgewiesen werden.
Polytän-Chromosomen
Die Balbiani wurden zuerst in Th entdeckt, aber ihre zytogenetische Rolle wurde von Kostov, Paynter, Geitz und Bauer identifiziert. Enthalten in den Zellen der Speicheldrüsen, des Darms, der Luftröhre, des Fettkörpers und der malpighischen Gefäße von Diptera-Larven.
Lampenbürsten-Chromosomen
Es gibt Hinweise auf das Vorhandensein von Proteinen, die mit nukleoider DNA in Bakterien assoziiert sind, aber es wurden keine Histone in ihnen gefunden.
menschliche Chromosomen
Jede kernhaltige menschliche somatische Zelle enthält 23 Paare linearer Chromosomen sowie zahlreiche Kopien der mitochondrialen DNA. Die folgende Tabelle zeigt die Anzahl der Gene und Basen in menschlichen Chromosomen.
| Chromosom | Anzahl der Gene | Basen insgesamt | Sequenzierte Basen |
|---|---|---|---|
| 4 234 | 247 199 719 | 224 999 719 | |
| 1 491 | 242 751 149 | 237 712 649 | |
| 1 550 | 199 446 827 | 194 704 827 | |
| 446 | 191 263 063 | 187 297 063 | |
| 609 | 180 837 866 | 177 702 766 | |
| 2 281 | 170 896 993 | 167 273 993 | |
Die Geschichte der Entdeckung der Chromosomen
Zeichnung aus dem Buch von W. Flemming, die die verschiedenen Stadien der Zellteilung des Salamanderepithels darstellt (W. Flemming. Zellsubstanz, Kern und Zelltheilung. 1882)
In verschiedenen Artikeln und Büchern wird verschiedenen Personen die Priorität der Entdeckung von Chromosomen eingeräumt, aber meistens wird das Jahr der Entdeckung von Chromosomen 1882 genannt, und ihr Entdecker ist der deutsche Anatom W. Fleming. Allerdings wäre es fairer zu sagen, dass er die Chromosomen nicht entdeckt hat, sondern in seinem grundlegenden Buch "Zellsubstanz, Kern und Zelltheilung" (deutsch) Informationen über sie gesammelt und bereinigt und die Ergebnisse seiner eigenen Forschung ergänzt hat. Der Begriff „Chromosom“ wurde 1888 vom deutschen Histologen Heinrich Waldeyer vorgeschlagen, „Chromosom“ bedeutet wörtlich „farbiger Körper“, da die Grundfarbstoffe gut an Chromosomen binden.
Jetzt ist es schwierig zu sagen, wer die erste Beschreibung und Zeichnung von Chromosomen gemacht hat. 1872 veröffentlichte der Schweizer Botaniker Carl von Negili ein Werk, in dem er einige kleine Körper darstellte, die während der Zellteilung während der Bildung von Pollen in einer Lilie anstelle des Zellkerns erscheinen ( Lilium tigrinum) und Tradescantia ( Tradescantia). Seine Zeichnungen erlauben es uns jedoch nicht, eindeutig zu sagen, dass K. Negili genau die Chromosomen gesehen hat. Im selben Jahr 1872 brachte der Botaniker E. Russov seine Bilder der Zellteilung während der Sporenbildung in einem Farn der Gattung Uzhovnik ( Ophioglossum) und Lilienpollen ( Lilium bulbiferum). In seinen Illustrationen sind einzelne Chromosomen und Teilungsstadien gut zu erkennen. Einige Forscher glauben, dass der deutsche Botaniker Wilhelm Hoffmeister lange vor K. Negili und E. Russov in den Jahren 1848-1849 als erster Chromosomen gesehen hat. Gleichzeitig erkannten weder K. Negili noch E. Russov und noch mehr V. Hofmeister die Bedeutung dessen, was sie sahen.
Nach der Wiederentdeckung der Mendelschen Gesetze im Jahr 1900 dauerte es nur ein bis zwei Jahre, bis klar war, dass sich Chromosomen genau so verhalten, wie man es von „Erbteilchen“ erwartet. 1902 T. Boveri und 1902-1903 W. Setton ( Walter Sutton) waren unabhängig voneinander die ersten, die eine Hypothese über die genetische Rolle von Chromosomen aufstellten. T. Boveri entdeckte den Embryo eines Seeigels Paracentrotus lividus kann sich nur dann normal entwickeln, wenn mindestens ein, aber ein vollständiger Chromosomensatz vorhanden ist. Er fand auch heraus, dass verschiedene Chromosomen in ihrer Zusammensetzung nicht identisch sind. W. Setton untersuchte die Gametogenese bei Acridoiden Brachystola magna und erkannten, dass das Verhalten der Chromosomen während der Meiose und während der Befruchtung die Divergenzmuster der Mendelschen Faktoren und die Bildung ihrer neuen Kombinationen vollständig erklärt.
Die experimentelle Bestätigung dieser Ideen und die endgültige Formulierung der Chromosomentheorie erfolgte im ersten Viertel des 20. Jahrhunderts durch die Begründer der klassischen Genetik, die in den USA mit der Fruchtfliege ( D. melanogaster): T.Morgan, C.Bridges ( C. B. Brücken), A. Sturtevant ( A. H. Sturtevant) und G.Möller. Auf Grundlage ihrer Daten formulierten sie die „Chromosomentheorie der Vererbung“, wonach die Weitergabe von Erbinformationen mit Chromosomen in Verbindung gebracht wird, bei denen Gene in einer bestimmten Reihenfolge linear angeordnet sind. Diese Ergebnisse wurden 1915 in The Mechanisms of Mendelian Heredity veröffentlicht.
1933 erhielt T. Morgan den Nobelpreis für Physiologie oder Medizin für die Entdeckung der Rolle der Chromosomen bei der Vererbung.
eukaryotische Chromosomen
Die Basis des Chromosoms ist ein lineares (nicht ringförmig geschlossenes) Makromolekül aus Desoxyribonukleinsäure (DNA) von beträchtlicher Länge (zum Beispiel gibt es in DNA-Molekülen menschlicher Chromosomen 50 bis 245 Millionen Paare stickstoffhaltiger Basen). In gestreckter Form kann die Länge eines menschlichen Chromosoms 5 cm erreichen, außerdem enthält das Chromosom fünf spezialisierte Proteine - H1, H2A, H2B, H3 und H4 (die sogenannten Histone) und eine Reihe von nicht- Histonproteine. Die Aminosäuresequenz von Histonen ist hoch konserviert und unterscheidet sich in verschiedenen Organismengruppen praktisch nicht.
Primäre Verengung
Chromosomenverengung (X. p.), in der das Zentromer lokalisiert ist und die das Chromosom in Arme teilt.
Sekundäre Verengungen
Ein morphologisches Merkmal, mit dem Sie einzelne Chromosomen in einem Satz identifizieren können. Sie unterscheiden sich von der primären Verengung durch das Fehlen eines merklichen Winkels zwischen den Segmenten des Chromosoms. Sekundäre Einschnürungen sind kurz und lang und an verschiedenen Stellen entlang der Länge des Chromosoms lokalisiert. Beim Menschen sind dies 9, 13, 14, 15, 21 und 22 Chromosomen.
Arten der Chromosomenstruktur
Es gibt vier Arten von Chromosomenstrukturen:
- telozentrisch(stäbchenförmige Chromosomen mit einem Zentromer am proximalen Ende);
- akrozentrisch(stäbchenförmige Chromosomen mit einem sehr kurzen, kaum wahrnehmbaren zweiten Arm);
- submetazentrisch(mit ungleich langen Schultern, die in ihrer Form dem Buchstaben L ähneln);
- metazentrisch(V-förmige Chromosomen mit gleich langen Armen).
Der Chromosomentyp ist für jedes homologe Chromosom konstant und kann bei allen Mitgliedern derselben Art oder Gattung konstant sein.
Satelliten (Satelliten)
Satellit- Dies ist ein runder oder länglicher Körper, der vom Hauptteil des Chromosoms durch einen dünnen Chromatinfaden getrennt ist, der im Durchmesser gleich oder etwas kleiner als das Chromosom ist. Chromosomen, die einen Begleiter haben, werden allgemein als SAT-Chromosomen bezeichnet. Form, Größe des Satelliten und der Faden, der ihn verbindet, sind für jedes Chromosom konstant.
Nukleoluszone
Zonen des Nukleolus ( Nucleolus-Organisatoren) sind spezielle Bereiche, die mit dem Auftreten einiger sekundärer Verengungen verbunden sind.
Chromonema
Ein Chromonem ist eine spiralförmige Struktur, die in dekompaktierten Chromosomen durch ein Elektronenmikroskop gesehen werden kann. Es wurde erstmals 1880 von Baranetsky in den Chromosomen von Tradescantia-Staubbeuteln beobachtet, der Begriff wurde von Veydovsky eingeführt. Chromonema kann je nach untersuchtem Objekt aus zwei, vier oder mehr Fäden bestehen. Diese Fäden bilden Spiralen von zwei Arten:
- paranemisch(Elemente der Spirale sind leicht zu trennen);
- plektonemisch(Die Fäden sind eng miteinander verflochten).
Chromosomale Umlagerungen
Eine Verletzung der Chromosomenstruktur tritt als Folge spontaner oder provozierter Veränderungen (z. B. nach Bestrahlung) auf.
- Gen-(Punkt-)Mutationen (Veränderungen auf molekularer Ebene);
- Aberrationen (mit einem Lichtmikroskop sichtbare mikroskopische Veränderungen):
riesige Chromosomen
Solche Chromosomen, die sich durch riesige Größen auszeichnen, können in einigen Zellen in bestimmten Stadien des Zellzyklus beobachtet werden. Sie werden beispielsweise in den Zellen einiger Gewebe von Dipteren-Insektenlarven (Polytän-Chromosomen) und in den Eizellen verschiedener Wirbeltiere und wirbelloser Tiere (Lampenbürsten-Chromosomen) gefunden. An Präparaten von Riesenchromosomen konnten Anzeichen von Genaktivität nachgewiesen werden.
Polytän-Chromosomen
Die Balbiani wurden zuerst in Th entdeckt, aber ihre zytogenetische Rolle wurde von Kostov, Paynter, Geitz und Bauer identifiziert. Enthalten in den Zellen der Speicheldrüsen, des Darms, der Luftröhre, des Fettkörpers und der malpighischen Gefäße von Diptera-Larven.
Lampenbürsten-Chromosomen
Es gibt Hinweise auf das Vorhandensein von Proteinen, die mit nukleoider DNA in Bakterien assoziiert sind, aber es wurden keine Histone in ihnen gefunden.
menschliche Chromosomen
Jede kernhaltige menschliche somatische Zelle enthält 23 Paare linearer Chromosomen sowie zahlreiche Kopien der mitochondrialen DNA. Die folgende Tabelle zeigt die Anzahl der Gene und Basen in menschlichen Chromosomen.
| Chromosom | Anzahl der Gene | Basen insgesamt | Sequenzierte Basen |
|---|---|---|---|
| 4 234 | 247 199 719 | 224 999 719 | |
| 1 491 | 242 751 149 | 237 712 649 | |
| 1 550 | 199 446 827 | 194 704 827 | |
| 446 | 191 263 063 | 187 297 063 | |
| 609 | 180 837 866 | 177 702 766 | |
| 2 281 | 170 896 993 | 167 273 993 | |
DNA ist eine Chemikalie, das Material, aus dem Chromosomen bestehen. Jedes Chromosom besteht aus einem DNA-Molekül. Somit befinden sich im Zellkern einer menschlichen Körperzelle 46 DNA-Moleküle. DNA und Chromosomen sind jedoch keine identischen Konzepte. Neben dem Kern findet sich DNA in Mitochondrien und in Pflanzen auch in Chloroplasten. Solche DNA ist nicht in Form von Chromosomen organisiert, sondern in Form kleiner ringförmiger Strukturen, wie in Bakterien (ähnliche Strukturen wie das bakterielle Genom lassen sich dort auf verschiedene Weise nachweisen, wird allgemein angenommen dass die aktuellen Mitochondrien und Plastiden ehemalige Bakterien sind, die zuerst in der eukaryotischen Zelle als ihr Symbiont existierten und schließlich ein Teil davon wurden), während ein Mitochondium oder Plastid 1 bis mehrere Dutzend solcher zirkulärer DNA enthalten kann.
In jedem DNA-Molekül – einem linearen Chromosom oder einem zirkulären Chromosom aus Mitochondrien oder Plastiden – sind Informationen über die Sequenz eines Polypeptids verschlüsselt (vereinfacht können wir sagen, dass ein Protein, obwohl dies nicht ganz richtig ist, da das synthetisierte Protein in Ordnung ist seine Funktion zu erlangen, nach der Synthese noch "reift", während einige Abschnitte des Proteins enzymatisch aus dem Molekül herausgeschnitten werden können, das heißt, die Sequenz, die in DNA verschlüsselt ist, ist eine unbearbeitete Sequenz des ursprünglichen Polypeptids, aus dem das Protein besteht wird dann durch einige chemische Umwandlungen gebildet). Der DNA-Abschnitt, aus dem ein bestimmtes Polypeptid synthetisiert wird, ist also ein Gen. Jedes Chromosom und jedes zirkuläre DNA-Molekül hat eine unterschiedliche Anzahl von Genen: Im menschlichen X-Chromosom (einem der größten) zum Beispiel gibt es etwa 1500 Gene, im menschlichen Y-Chromosom weniger als hundert.
Sie müssen auch verstehen, dass das Chromosom (oder die zirkuläre DNA) keineswegs nur aus Genen besteht. Zusätzlich dazu hat jedes DNA-Molekül auch nicht-codierende Regionen, und der Anteil dieser nicht-codierenden Regionen ist bei verschiedenen Arten unterschiedlich. Beispielsweise macht der nicht codierende Teil des Genoms bei Bakterien etwa 20% und beim Menschen 97-98% aus. Darüber hinaus gibt es auch nicht-codierende Abschnitte zwischen Genen (Introns) - wenn Informationen von Genen in mRNA kopiert werden, werden aus Introns synthetisierte RNA-Abschnitte herausgeschnitten und Protein wird bereits aus bearbeiteten RNA-Molekülen synthetisiert. Aber die meiste nichtkodierende DNA ist zwischen den Genen konzentriert. Die Rolle dieser nicht codierenden DNA ist nicht vollständig verstanden (hier, wenn Sie es so detailliert brauchen, können Sie bei Wikipedia nachsehen), aber es wird angenommen, dass eine Zelle überhaupt nicht darauf verzichten kann. Nun, dieser nicht kodierende Teil akkumuliert Mutationen viel schneller als der kodierende Teil, und daher wird in der Gerichtsmedizin nicht kodierende DNA verwendet, um eine Person zu identifizieren (da Gene eher konservative DNA-Abschnitte sind, kommen Mutationen auch in ihnen vor, aber nicht mit einer solchen Häufigkeit, dass eine ausreichende Menge an Nukleotidsubstitutionen vorhanden ist, um zwei Individuen zuverlässig zu identifizieren).
Chromosomen sind die Hauptstrukturelemente des Zellkerns, die Träger von Genen sind, in denen Erbinformationen verschlüsselt sind. Chromosomen besitzen die Fähigkeit zur Selbstreproduktion und stellen eine genetische Verbindung zwischen Generationen her.
Die Morphologie der Chromosomen hängt mit dem Grad ihrer Spiralisierung zusammen. Wenn zum Beispiel im Stadium der Interphase (siehe Mitose, Meiose) die Chromosomen maximal entfaltet, d. h. entspiralisiert sind, dann werden die Chromosomen mit Beginn der Teilung intensiv spiralisiert und verkürzt. Die maximale Spiralisierung und Verkürzung des Chromosoms wird im Metaphasestadium erreicht, wenn relativ kurze, dichte, intensiv mit basischen Farbstoffen gefärbte Strukturen gebildet werden. Dieses Stadium ist am bequemsten, um die morphologischen Eigenschaften von Chromosomen zu untersuchen.
Das Metaphase-Chromosom besteht aus zwei Längsuntereinheiten - Chromatiden [zeigt in der Struktur der Chromosomen elementare Filamente (die sogenannten Chromonema oder Chromofibrillen) mit einer Dicke von 200 Å, von denen jede aus zwei Untereinheiten besteht].
Die Größe der Chromosomen von Pflanzen und Tieren schwankt erheblich: von Bruchteilen eines Mikrometers bis hin zu mehreren zehn Mikrometern. Die durchschnittliche Länge menschlicher Metaphase-Chromosomen liegt im Bereich von 1,5–10 Mikron.
Die chemische Grundlage der Chromosomenstruktur sind Nukleoproteine - Komplexe (siehe) mit den Hauptproteinen - Histonen und Protaminen.
Reis. 1. Die Struktur eines normalen Chromosoms.
A - Aussehen; B - innere Struktur: 1-primäre Einschnürung; 2 - sekundäre Verengung; 3 - Satellit; 4 - Zentromer.
Einzelne Chromosomen (Abb. 1) unterscheiden sich durch die Lokalisation der primären Verengung, d. h. die Lage des Zentromers (während der Mitose und Meiose werden an dieser Stelle Spindelfäden befestigt, die sie zum Pol ziehen). Mit dem Verlust des Zentromers verlieren Chromosomenfragmente ihre Fähigkeit, sich während der Teilung zu verteilen. Die primäre Einschnürung teilt die Chromosomen in 2 Arme. Je nach Lage der primären Engstelle werden Chromosomen in metazentrisch (beide Arme gleich oder fast gleich lang), submetazentrisch (Arme ungleich lang) und akrozentrisch (das Zentromer ist an das Ende des Chromosoms verschoben) eingeteilt. Neben den primären können auch weniger ausgeprägte sekundäre Einschnürungen in den Chromosomen auftreten. Ein kleiner Endabschnitt von Chromosomen, der durch eine sekundäre Verengung getrennt ist, wird als Satellit bezeichnet.
Jeder Organismus ist durch seinen spezifischen (bezogen auf Anzahl, Größe und Form der Chromosomen) sogenannten Chromosomensatz gekennzeichnet. Der Satz eines doppelten oder diploiden Chromosomensatzes wird als Karyotyp bezeichnet.
Reis. 2. Normaler weiblicher Chromosomensatz (zwei X-Chromosomen in der rechten unteren Ecke).
Reis. 3. Normaler Chromosomensatz eines Mannes (in der unteren rechten Ecke - nacheinander X- und Y-Chromosomen).
Reife Eier enthalten einen einzigen oder haploiden Chromosomensatz (n), der die Hälfte des diploiden Satzes (2n) ausmacht, der den Chromosomen aller anderen Körperzellen innewohnt. In einem diploiden Satz wird jedes Chromosom durch ein Paar Homologe repräsentiert, von denen eines mütterlich und das andere väterlich ist. In den meisten Fällen sind die Chromosomen jedes Paares in Größe, Form und genetischer Ausstattung identisch. Die Ausnahme bilden die Geschlechtschromosomen, deren Vorhandensein die Entwicklung des Organismus in männlicher oder weiblicher Richtung bestimmt. Der normale menschliche Chromosomensatz besteht aus 22 Paaren von Autosomen und einem Paar Geschlechtschromosomen. Bei Menschen und anderen Säugetieren wird das Weibchen durch das Vorhandensein von zwei X-Chromosomen und das Männchen durch das Vorhandensein von einem X- und einem Y-Chromosom bestimmt (Abb. 2 und 3). In weiblichen Zellen ist eines der X-Chromosomen genetisch inaktiv und liegt im Interphasekern in der Form vor (siehe). Die Untersuchung menschlicher Chromosomen unter normalen und pathologischen Bedingungen ist Gegenstand der medizinischen Zytogenetik. Es wurde festgestellt, dass Abweichungen in der Anzahl oder Struktur der Chromosomen von der Norm, die beim Geschlecht auftreten! Zellen oder in den frühen Stadien der Zerkleinerung einer befruchteten Eizelle, verursachen Störungen in der normalen Entwicklung des Körpers, was in einigen Fällen zu spontanen Aborten, Totgeburten, angeborenen Missbildungen und Entwicklungsanomalien nach der Geburt (Chromosomenerkrankungen) führen kann. Beispiele für Chromosomenerkrankungen sind die Down-Krankheit (ein zusätzliches G-Chromosom), das Klinefelter-Syndrom (ein zusätzliches X-Chromosom bei Männern) und (Fehlen eines Y- oder eines der X-Chromosomen im Karyotyp). In der medizinischen Praxis wird die Chromosomenanalyse entweder durch eine direkte Methode (an Knochenmarkszellen) oder nach einer kurzfristigen Kultivierung von Zellen außerhalb des Körpers (peripheres Blut, Haut, embryonales Gewebe) durchgeführt.
Chromosomen (von griechisch chroma - Farbe und soma - Körper) sind fadenförmige, sich selbst reproduzierende Strukturelemente des Zellkerns, die in linearer Reihenfolge Erbfaktoren enthalten - Gene. Chromosomen sind im Kern während der Teilung somatischer Zellen (Mitose) und während der Teilung (Reifung) von Keimzellen - Meiose (Abb. 1) - deutlich sichtbar. In beiden Fällen werden die Chromosomen intensiv mit basischen Farbstoffen angefärbt und sind auch auf ungefärbten zytologischen Präparaten im Phasenkontrast sichtbar. Im Interphasekern sind die Chromosomen despiralisiert und unter einem Lichtmikroskop nicht sichtbar, da ihre Querabmessungen jenseits des Auflösungsvermögens eines Lichtmikroskops liegen. Zu diesem Zeitpunkt können einzelne Abschnitte von Chromosomen in Form dünner Fäden mit einem Durchmesser von 100-500 Å unter Verwendung eines Elektronenmikroskops unterschieden werden. Separate nicht-despiralisierte Abschnitte von Chromosomen im Interphasekern sind durch ein Lichtmikroskop als intensiv gefärbte (heteropyknotische) Abschnitte (Chromozentren) sichtbar.
Chromosomen existieren kontinuierlich im Zellkern und durchlaufen einen Zyklus reversibler Spiralisierung: Mitose-Interphase-Mitose. Die Hauptregelmäßigkeiten der Struktur und des Verhaltens von Chromosomen bei Mitose, Meiose und während der Befruchtung sind bei allen Organismen gleich.
Chromosomentheorie der Vererbung. Chromosomen wurden erstmals 1874 von I. D. Chistyakov und 1879 von E. Strasburger beschrieben. 1901 machten E. V. Wilson und 1902 W. S. Sutton auf Parallelität im Verhalten von Chromosomen und Mendelschen Vererbungsfaktoren – Genen – bei der Meiose und während der Befruchtung aufmerksam und kamen zu dem Schluss, dass Gene in Chromosomen lokalisiert sind. 1915-1920. Morgan (T. N. Morgan) und seine Mitarbeiter bewiesen diese Position, lokalisierten mehrere hundert Gene in Drosophila-Chromosomen und erstellten genetische Karten von Chromosomen. Daten über Chromosomen, die im ersten Viertel des 20. Jahrhunderts gewonnen wurden, bildeten die Grundlage der Chromosomentheorie der Vererbung, wonach die Kontinuität der Merkmale von Zellen und Organismen in einer Reihe ihrer Generationen durch die Kontinuität ihrer Chromosomen gewährleistet ist .
Chemische Zusammensetzung und Autoreproduktion von Chromosomen. Als Ergebnis zytochemischer und biochemischer Untersuchungen von Chromosomen in den 30er und 50er Jahren des 20. Jahrhunderts wurde festgestellt, dass sie aus dauerhaften Bestandteilen bestehen [DNA (siehe Nukleinsäuren), basische Proteine (Histone oder Protamine), Nicht-Histon-Proteine] und variable Komponenten (RNA und assoziiertes saures Protein). Chromosomen basieren auf Desoxyribonukleoprotein-Filamenten mit einem Durchmesser von etwa 200 Å (Abb. 2), die zu Bündeln mit einem Durchmesser von 500 Å verbunden werden können.
Die Entdeckung der Struktur des DNA-Moleküls, des Mechanismus seiner Selbstreproduktion (Reduplikation) und des Nukleincodes der DNA durch Watson und Crick (J. D. Watson, F. H. Crick) im Jahr 1953 und die darauf folgende Entwicklung der Molekulargenetik führten dazu zur Vorstellung von Genen als Abschnitten des DNA-Moleküls. (siehe Genetik). Die Gesetzmäßigkeiten der Autoreproduktion von Chromosomen [Taylor (J. N. Taylor) et al., 1957], die sich als ähnlich zu den Gesetzmäßigkeiten der Autoreproduktion von DNA-Molekülen herausstellten (semikonservative Reduplikation), wurden aufgedeckt.
Chromosomensatz ist die Gesamtheit aller Chromosomen in einer Zelle. Jede biologische Art hat einen charakteristischen und konstanten Chromosomensatz, der in der Evolution dieser Art festgelegt wurde. Es gibt zwei Haupttypen von Chromosomensätzen: einfach oder haploid (in tierischen Keimzellen), bezeichnet mit n, und doppelt oder diploid (in somatischen Zellen, die Paare ähnlicher, homologer Chromosomen von Mutter und Vater enthalten), bezeichnet mit 2n.
Die Chromosomensätze einzelner biologischer Arten unterscheiden sich erheblich in der Anzahl der Chromosomen: von 2 (Pferderundwurm) bis zu Hunderten und Tausenden (einige Sporenpflanzen und Protozoen). Die diploiden Chromosomenzahlen einiger Organismen sind wie folgt: Menschen - 46, Gorillas - 48, Katzen - 60, Ratten - 42, Drosophila - 8.
Die Größe der Chromosomen in verschiedenen Arten ist ebenfalls unterschiedlich. Die Länge der Chromosomen (in der Metaphase der Mitose) variiert von 0,2 Mikrometer bei einigen Arten bis zu 50 Mikrometer bei anderen, und der Durchmesser beträgt 0,2 bis 3 Mikrometer.
Die Chromosomenmorphologie wird in der Metaphase der Mitose gut exprimiert. Metaphasenchromosomen werden verwendet, um Chromosomen zu identifizieren. In solchen Chromosomen sind beide Chromatiden, in die jedes Chromosom längs gespalten ist, und das die Chromatiden verbindende Zentromer (Kinetochor, primäre Einschnürung) deutlich sichtbar (Abb. 3). Das Zentromer ist als verengte Stelle sichtbar, die kein Chromatin enthält (siehe); daran sind Fäden der Achromatinspindel befestigt, wodurch das Zentromer die Bewegung der Chromosomen zu den Polen bei Mitose und Meiose bestimmt (Abb. 4).
Der Verlust des Zentromers, beispielsweise wenn ein Chromosom durch ionisierende Strahlung oder andere Mutagene aufgebrochen wird, führt zum Verlust der Fähigkeit eines Stücks des Chromosoms ohne Zentromer (azentrisches Fragment), an Mitose und Meiose teilzunehmen und zu sein Verlust aus dem Kern. Dies kann zu schweren Zellschäden führen.
Das Zentromer teilt den Körper des Chromosoms in zwei Arme. Die Position des Zentromers ist für jedes Chromosom streng konstant und bestimmt drei Arten von Chromosomen: 1) akrozentrische oder stäbchenförmige Chromosomen mit einem langen und dem zweiten sehr kurzen Arm, der einem Kopf ähnelt; 2) submetazentrische Chromosomen mit langen Armen ungleicher Länge; 3) metazentrische Chromosomen mit gleich oder fast gleich langen Armen (Abb. 3, 4, 5 und 7).
Reis. 4. Schema der Chromosomenstruktur in der Metaphase der Mitose nach Längsspaltung des Zentromers: A und A1 - Schwesterchromatiden; 1 - lange Schulter; 2 - kurze Schulter; 3 - sekundäre Verengung; 4-Zentromer; 5 - Spindelfasern.
Charakteristische Merkmale der Morphologie bestimmter Chromosomen sind sekundäre Verengungen (die nicht die Funktion eines Zentromers haben) sowie Satelliten - kleine Abschnitte von Chromosomen, die durch einen dünnen Faden mit dem Rest ihres Körpers verbunden sind (Abb. 5). Satellitenfilamente haben die Fähigkeit, Nukleolen zu bilden. Eine charakteristische Struktur im Chromosom (Chromomere) sind verdickte oder dichter spiralisierte Abschnitte des Chromosomenfadens (Chromonema). Das Chromomermuster ist für jedes Chromosomenpaar spezifisch.
Reis. 5. Schema der Chromosomenmorphologie in der Anaphase der Mitose (Chromatid bewegt sich zum Pol hin). A - das Aussehen des Chromosoms; B - die innere Struktur desselben Chromosoms mit zwei Chromonemen (Semichromatiden), aus denen es besteht: 1 - primäre Verengung mit Chromomeren, aus denen das Zentromer besteht; 2 - sekundäre Verengung; 3 - Satellit; 4 - Satellitenfaden.
Die Anzahl der Chromosomen, ihre Größe und Form im Metaphasenstadium sind charakteristisch für jede Art von Organismus. Die Gesamtheit dieser Merkmale eines Chromosomensatzes wird als Karyotyp bezeichnet. Ein Karyotyp kann als Diagramm dargestellt werden, das als Idiogramm bezeichnet wird (siehe menschliche Chromosomen unten).
Geschlechtschromosomen. Gene, die das Geschlecht bestimmen, sind in einem speziellen Chromosomenpaar lokalisiert - den Geschlechtschromosomen (Säugetiere, Menschen); in anderen Fällen wird iol durch das Verhältnis der Anzahl der Geschlechtschromosomen zu allen anderen, sogenannten Autosomen (Drosophila), bestimmt. Beim Menschen wie bei anderen Säugetieren wird das weibliche Geschlecht durch zwei identische Chromosomen bestimmt, die als X-Chromosomen bezeichnet werden, das männliche Geschlecht wird durch ein Paar heteromorpher Chromosomen bestimmt: X und Y. Als Ergebnis der Reduktionsteilung (Meiose) während der Reifung der Oozyten (siehe Ovogenese) bei Frauen Alle Eier enthalten ein X-Chromosom. Beim Mann enthält die Hälfte der Spermien infolge der Reduktionsteilung (Reifung) der Spermatozyten das X-Chromosom und die andere Hälfte das Y-Chromosom. Das Geschlecht eines Kindes wird durch die zufällige Befruchtung einer Eizelle durch ein Spermium bestimmt, das ein X- oder Y-Chromosom trägt. Das Ergebnis ist ein weiblicher (XX) oder männlicher (XY) Fötus. Im Interphasekern bei Frauen ist eines der X-Chromosomen als Klumpen kompakten Geschlechtschromatins sichtbar.
Chromosomenfunktion und Kernstoffwechsel. Chromosomale DNA ist eine Vorlage für die Synthese spezifischer Boten-RNA-Moleküle. Diese Synthese findet statt, wenn eine bestimmte Region des Chromosoms entspiralisiert wird. Beispiele für die lokale Aktivierung von Chromosomen sind: die Bildung von entspiralisierten Chromosomenschleifen in den Eizellen von Vögeln, Amphibien, Fischen (die sogenannten X-Lampenbürsten) und Schwellungen (Puffs) bestimmter Chromosomenorte in multifilamentösen (polytänen) Chromosomen die Speicheldrüsen und andere Sekretionsorgane von Diptera-Insekten (Abb. 6). Ein Beispiel für die Inaktivierung eines ganzen Chromosoms, d. h. seinen Ausschluss aus dem Metabolismus einer gegebenen Zelle, ist die Bildung eines der X-Chromosomen eines kompakten Geschlechtschromatinkörpers.
Reis. Abb. 6. Polytänchromosomen des zweiflügligen Insekts Acriscotopus lucidus: A und B - der durch gepunktete Linien begrenzte Bereich in einem Zustand intensiver Funktion (Puff); B - derselbe Abschnitt in einem nicht funktionierenden Zustand. Zahlen geben einzelne Chromosomenorte (Chromomere) an.
Reis. 7. Chromosomensatz in der Kultur von männlichen peripheren Blutleukozyten (2n=46).
Die Entdeckung der Funktionsmechanismen von Polytänchromosomen wie Lampenbürsten und andere Arten der Spiralisierung und Entspiralisierung von Chromosomen ist von entscheidender Bedeutung für das Verständnis der reversiblen differentiellen Aktivierung von Genen.
menschliche Chromosomen. 1922 stellte T. S. Painter fest, dass die diploide Anzahl menschlicher Chromosomen (in Spermatogonien) gleich 48 ist. 1956 verwendeten Tio und Levan (N. J. Tjio, A. Levan) eine Reihe neuer Methoden zur Untersuchung menschlicher Chromosomen: Zellkultur; die Untersuchung von Chromosomen ohne histologische Schnitte an Gesamtzellpräparaten; Colchicin, das zum Anhalten der Mitose im Metaphasenstadium und zur Akkumulation solcher Metaphasen führt; Phytohämagglutinin, das den Eintritt von Zellen in die Mitose stimuliert; Behandlung von Metaphasezellen mit hypotoner Kochsalzlösung. All dies ermöglichte die Klärung der diploiden Chromosomenzahl beim Menschen (es stellte sich heraus, dass sie 46 betrug) und die Beschreibung des menschlichen Karyotyps. 1960 entwickelte eine internationale Kommission in Denver (USA) eine Nomenklatur menschlicher Chromosomen. Nach den Vorschlägen der Kommission sollte der Begriff "Karyotyp" auf einen systematisierten Chromosomensatz einer einzelnen Zelle angewendet werden (Abb. 7 und 8). Der Begriff "Idiotram" wird beibehalten, um einen Chromosomensatz in Form eines Diagramms darzustellen, das auf der Grundlage von Messungen und einer Beschreibung der Morphologie der Chromosomen mehrerer Zellen erstellt wurde.
Menschliche Chromosomen sind (etwas fortlaufend) von 1 bis 22 in Übereinstimmung mit morphologischen Merkmalen nummeriert, die ihre Identifizierung ermöglichen. Geschlechtschromosomen haben keine Nummern und werden als X und Y bezeichnet (Abb. 8).
Es wurde ein Zusammenhang zwischen einer Reihe von Krankheiten und Geburtsfehlern in der menschlichen Entwicklung und Veränderungen in der Anzahl und Struktur seiner Chromosomen gefunden. (siehe. Vererbung).
Siehe auch Zytogenetische Studien.
All diese Errungenschaften haben eine solide Grundlage für die Entwicklung der Humanzytogenetik geschaffen.
Reis. 1. Chromosomen: A - im Stadium der Anaphase der Mitose in Shamrock-Mikrosporozyten; B - im Metaphasestadium der ersten Teilung der Meiose in Pollenmutterzellen in Tradescantia. In beiden Fällen ist die helikale Struktur der Chromosomen sichtbar.
Reis. Abb. 2. Elementare Chromosomenfilamente mit einem Durchmesser von 100 Å (DNA + Histon) aus den Interphasekernen der Kalbsthymusdrüse (Elektronenmikroskopie): A - aus den Kernen isolierte Filamente; B - Dünnschnitt durch den Film des gleichen Präparats.
Reis. 3. Chromosomensatz von Vicia faba (Pferdebohnen) im Metaphasenstadium.
Reis. 8. Chromosomen der gleichen wie in Abb. 7, Sätze, die gemäß der Denver-Nomenklatur in Paare von Homologen (Karyotyp) klassifiziert sind.
