В то время как «ДНК» является почти магически мощным термином в повседневном языке, и он занимает заметное место в вопросах, начиная от случайных замечаний о наследовании до осуждения или освобождения от ответственности преступников, «хромосома» - нет. Это вызывает любопытство, учитывая, что хромосомы - это не более, чем очень большие количества дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК) с примесью некоторых белков и других веществ.

В каждой клетке человека содержится ДНК размером около 2 метров. Это означает, что, если бы все гены в одной из ваших клеток были выстроены в ряд, он, вероятно, был бы выше вас. Тем не менее, каждая из ваших триллионов ячеек имеет ширину всего несколько миллионных долей метра. Очевидно, что эволюция позволила организмам разработать систему хранения, которая конкурирует с самой мощной из существующих жестких дисков компьютера. Эта система, в общем и целом, состоит из хромосом, которые представляют собой отдельные наборы из смеси нуклеиновых кислот и белков, известной как хроматин.

Основы хромосом

Хромосомы обнаружены в ядрах животных и растительных клеток; у других организмов есть ДНК, но это устроено по-другому в их клетках. Вы можете думать о хромосомах как о «нитевидных», обладающих способностью становиться плотно свернутыми, как нить, а также диффузными, не похожими на шарики волос. Слово «хромосома» происходит от греческих слов «цвет» и «тело».

Хромосомы несут основную ответственность за развитие и рост организмов. Хотя ДНК, которую они несут, важна для воспроизводства организмов в целом, хромосомы направляют деление отдельных клеток в дополнение к предоставлению генетической информации этим клеткам. Это позволяет заменить старые изношенные элементы. Если бы хромосомы не делали ничего другого, кроме как сидели в клетках, ожидая размножения родительского организма, этот организм вообще прекратил бы функционировать.

Хромосомы не могут быть легко видны внутри ядра даже с помощью мощных микроскопов, если они не делятся. Во время клеточного деления ДНК внутри хромосом становится плотно и характерно сгруппированной, делая их видимыми с помощью чувствительных инструментов. Соответственно, большая часть того, что клеточные биологи узнали о хромосомах, была при исследовании делящихся клеток.

У людей есть 46 пар хромосом в каждой клетке, за исключением гамет (половых клеток), у которых есть одна копия каждой хромосомы - 22 соматических хромосомы (аутосомы), пронумерованных от 1 до 22, и одна половая хромосома (либо Х-хромосома, либо Y-хромосома ). У гамет есть только одна копия каждой хромосомы, потому что гаметы - это клетки, которые сливаются во время размножения, чтобы создать клетку с 46 хромосомами, которая затем может перерасти в нового человека. У самок две Х-хромосомы, а у самцов Х-хромосома и Y-хромосома. Поскольку каждый получает по одной половой хромосоме от каждого родителя, ясно, что вклад отца в конечном итоге определяет пол потомства, поскольку самки должны вносить Х-хромосому. Таким образом, каждый новый ребенок имеет равные шансы быть мужчиной или женщиной. В начале 1900-х годов исследователь Томас Хант Морган определил Х-хромосому как несущую наследственные признаки в своих исследованиях плодовых мух.

Структура хромосом

У эукариот каждая хромосома состоит из одной очень длинной молекулы ДНК и большого количества белка. Прокариоты (например, бактерии) не имеют ядер, поэтому их ДНК, которая обычно имеет форму одной кольцеобразной хромосомы, находится в цитоплазме клетки.

Как уже отмечалось, хромосомы - это просто деление вещества, в которое ДНК упакована внутри клеток, называемое хроматином. Хроматин состоит из ДНК и белков, которые служат для сжатия и расслабления общей структуры хромосом в зависимости от состояния деления клетки. Большинство из этих белков называются гистонами, которые представляют собой октамеры восьми субъединиц, каждая из которых соединена с другой субъединицей. Четыре гистоновых звена называются H2A, H2B, H3 и H4. Гистоны несут положительный электрический заряд, в то время как молекулы ДНК заряжены отрицательно, поэтому эти две молекулы легко связываются друг с другом. ДНК оборачивается вокруг комплекса гистоновых октамеров чуть более двух раз, как нить, намотанная на катушку. Количество ДНК, входящей в один комплекс, варьируется, но в среднем оно составляет приблизительно 150 пар оснований или 150 последовательных нуклеотидов. Одна круговая хромосома, которую содержит прокариотическая клетка, за редким исключением, не содержит никаких гистонов, отражая меньшие геномы прокариот и, следовательно, менее острую необходимость сжать всю ДНК организма, чтобы она поместилась в одной клетке.

Как и сама ДНК, хромосомы делятся на повторяющиеся единицы. В ДНК они называются нуклеотидами, тогда как в хромосомах они называются нуклеосомами. Нуклеосома представляет собой комплекс гистон-ДНК. Они были обнаружены, когда ученые использовали едкие материалы для растворения внешних белков из хромосом, оставляя после себя хроматин, содержащий только гистоны и ДНК. Хроматин предлагает микроскопическое исследование «бусы на веревочке».

Опять же, только у эукариот, каждая хромосома имеет центромеру, суженную область хромосомы, в которой соединены сестринские хроматиды. Сестринские хроматиды являются идентичными копиями хромосомы, которая реплицируется при подготовке к клеточному делению. В дополнение к разделению сестринских хроматид вдоль длинной оси хромосом, центромера разделяет хромосому на плечи. Центромера, несмотря на свое название, обычно не находится в середине хромосомы, а ближе к одному концу. Это дает реплицированной хромосоме вид асимметричной буквы X. (Центромера Y-хромосомы находится так близко к одному концу, что хромосома выглядит так, как следует из ее названия.) С этой точки зрения каждая сторона Х представляет собой сестринская хроматида, в то время как верхняя часть включает в себя две пары рук, а нижняя включает в себя еще одну пару рук. Более короткая рука любой хромосомы называется р-рукой, а более длинная рука называется д-рукой. Положение центромеры помогает определить местоположение определенных генов на хромосоме, особенно сейчас, когда проект «Геном человека» в начале 21-го века позволил картировать все гены на каждой хромосоме. Ген - это длина ДНК, которая содержит инструкции для создания определенного белка.

Может быть легко спутать хромосому с хроматидой с хроматином. Помните, что хромосома - это не что иное, как хроматин, разделенный на куски, называемые хромосомами, каждая из которых состоит из двух идентичных хроматид после репликации хромосомы.

Регуляция хромосом и задачи

Когда хромосомы находятся в своем «расслабленном» и более диффузном состоянии, они не просто бездействуют и ждут того времени, когда они снова обретут жесткие линейные формы для целей деления клеток. Напротив, это расслабление предоставляет физическое пространство для таких процессов, как репликация (ДНК, делающая копию самой себя), транскрипция (мессенджер-РНК, синтезируемая из ДНК-матрицы) и репарация ДНК. Точно так же, как вам может потребоваться разобрать бытовой прибор для устранения проблемы или замены детали, разрыхленная структура хромосом в межфазном состоянии (т.е. между клеточными делениями) позволяет ферментам, которые помогают химическим реакциям, таким как репликация и транскрипция, чтобы найти путь туда, где они нужны вдоль молекулы ДНК. Области хромосом, которые участвуют в транскрипции (синтез РНК-мессенджера) и, следовательно, более расслаблены, называются эухроматином, тогда как более сжатые области, в которых хромосома не транскрибируется, известны как гетерохроматин.

Внешний вид нуклеосом под микроскопом «бусы на струне» не соответствует тому, как обычно выглядят хромосомы. В дополнение к намотке ДНК вокруг гистоновых белков внутри нуклеосомы, нуклеосомы в живых клетках очень плотно сжаты друг с другом на нескольких уровнях упаковки. Первый уровень создает структуру шириной около 30 нанометров - всего 30 миллиардных долей метра. Они намотаны на геометрически сформулированные, но хорошо изученные массивы, которые складываются обратно на себя.

Эта плотная упаковка не только позволяет генетическому материалу в клетке занимать очень маленькое физическое пространство, но также выполняет функциональные функции. Например, множественные уровни складывания и сворачивания объединяют части хромосомы, которые были бы очень далеко друг от друга, условно говоря, если бы ДНК была строго линейной. Это может влиять на экспрессию генов; В последние десятилетия ученые узнали, что не только то, что находится в гене, определяет поведение этого гена, но также и природа другой ДНК в непосредственной близости от этого гена. В этом смысле у генов есть цель, но у них также есть советники и контролеры, во многом благодаря особой структуре хромосом.

Хромосомные аномалии

Хромосомы и ДНК внутри них, а также белки, которые координируют их деятельность, выполняют свою работу с замечательным уровнем точности. Если бы они этого не сделали, вы, вероятно, не были бы здесь, чтобы прочитать это. Тем не менее ошибки случаются. Это может произойти из-за повреждения отдельных хромосом или из-за того, что неправильное количество правильно сформированных хромосом попадет в геном организма нелетальным, но вредным образом.

Хромосома 18 у человека является примером хромосомы с хорошо известными генетическими дефектами, связанными со специфическими аберрациями в хромосоме. Эта хромосома имеет длину около 78 миллионов пар оснований и составляет 2,4 процента ДНК человека. (Это делает его меньше среднего; исходя из количества человеческих хромосом, типичная хромосома будет иметь около 1/23 всей ДНК, около 4,3%.) Нарушение, называемое синдромом делеции дистального отдела 18q, приводит к задержке развития, неспособности к обучению, короткому росту, слабые мышечные тоны, проблемы с ногами и множество других проблем. При этом заболевании часть дальнего конца длинного плеча хромосомы 18 отсутствует. («Дистальный» означает «дальше от контрольной точки»; его аналог «проксимальный» означает «ближе к контрольной точке», в данном случае - центромера.) Еще одно недомогание, возникшее в результате проблемы с хромосомой 18, с аналогичными характеристиками. , является проксимальным синдромом делеции 18q, при котором отсутствует другой набор генов.

Хромосома 21 - это самая маленькая хромосома человека, содержащая около 48 миллионов пар оснований, или примерно 1,5–2 процента человеческого генома. В состоянии, называемом трисомией 21, обычно в каждой клетке образуются три копии хромосомы 21, что приводит к так называемому синдрому Дауна. (Очень часто это неправильно пишется как «синдром Дауна».) Реже это может быть результатом перемещения части хромосомы 21 в другую хромосому. В этом состоянии у индивидов есть две копии 21 хромосомы, но та часть, которая заблудилась на раннем этапе эмбрионального развития, продолжает функционировать в своем новом месте вредным образом. Люди с синдромом Дауна имеют умственную отсталость и характерную внешность. Считается, что наличие третьей копии хромосомы 21 у пораженных лиц способствует развитию ряда проблем со здоровьем, обычно возникающих у людей с синдромом Дауна.