Centroméra - Centromere

V tomto diagramu duplikovaného chromozomu (2) označuje centromeru - oblast, která spojuje dvě sesterské chromatidy , nebo každou polovinu chromozomu. V profázi mitózy specializované oblasti na centromerách zvané kinetochores připojují chromozomy k vřetenovým vláknům.

Centromera je specializovaný DNA sekvence chromozomu , který spojuje dvojici sesterských chromatid (a dyády). Během mitózy se vřetenová vlákna připojují k centroméře přes kinetochore . Centromery byly nejprve považovány za genetické lokusy, které řídí chování chromozomů .

Fyzikální úlohou centromery je působit jako místo sestavy kinetochorů - vysoce komplexní multiproteinové struktury, která je zodpovědná za skutečné události segregace chromozomů - tj. Vazba mikrotubulů a signalizace strojnímu zařízení buněčného cyklu, když všechny chromozomy přijaly správné přílohy k vřetenu , takže je bezpečné, aby dělení buněk pokračovalo k dokončení a aby buňky vstoupily do anafáze .

Obecně řečeno existují dva typy centromer. „Bodové centromery“ se váží na specifické proteiny, které rozpoznávají konkrétní sekvence DNA s vysokou účinností. Jakýkoli kus DNA s sekvencí DNA bodové centromery na ní typicky vytvoří centromeru, pokud je přítomen v příslušném druhu. Nejlépe charakterizované bodové centromery jsou pučící kvasinky Saccharomyces cerevisiae . "Regionální centromery" je termín vytvořený pro popis většiny centromerů, které se typicky tvoří v oblastech výhodné sekvence DNA, ale které se mohou tvořit i na jiných sekvencích DNA. Signál pro tvorbu regionální centroméry se zdá být epigenetický . Většina organismů, od štěpných kvasinek Schizosaccharomyces pombe po člověka, má regionální centromery.

Pokud jde o strukturu mitotických chromozomů, centromery představují zúženou oblast chromozomu (často označovanou jako primární zúžení), kde jsou v kontaktu nejblíže dvě identické sesterské chromatidy . Když buňky vstoupí do mitózy, sesterské chromatidy (dvě kopie každé chromozomální molekuly DNA vyplývající z replikace DNA ve formě chromatinu) jsou po délce spojeny působením kohezinového komplexu. Nyní se věří, že tento komplex je většinou uvolňován z ramen chromozomů během profázy, takže v době, kdy se chromozomy seřadí ve střední rovině mitotického vřetene (také známého jako metafázová deska), na posledním místě, kde jsou spojeny navzájem jsou v chromatinu v centromere a kolem ní.

Pozice

Klasifikace chromozomů

Já	Telocentrický	Umístění centromer velmi blízko vrcholu, paže sotva viditelné, pokud jsou vůbec viditelné.
II	Akrocentrický	Ramena q jsou stále mnohem delší než ramena p, ale ramena p jsou delší než ramena telocentrická.
III	Submetacentrický	paže p a q jsou si velmi blízké, ale nejsou stejné.
IV	Metacentrický	paže q jsou stejně dlouhé.

A : Krátké rameno (rameno p)
B : Centroméra
C : Dlouhé rameno (rameno q)
D : Sesterské chromatidy

Každý chromozom má dvě ramena, označená p (kratší ze dvou) a q (delší). Mnozí si pamatují, že krátká paže „p“ je pojmenována podle francouzského slova „petit“, což znamená „malá“, ačkoli se ukázalo, že toto vysvětlení je apokryfní. Mohou být spojeny buď metacentrickým, submetacentrickým, akrocentrickým nebo telocentrickým způsobem.

Metacentrický

Jedná se o chromozomy ve tvaru X, s centromerou uprostřed, takže obě ramena chromozomů jsou téměř stejná.

Chromozom je metacentrický, pokud jsou jeho dvě ramena zhruba stejně dlouhá. V normálním lidském karyotypu je pět chromozomů považováno za metacentrické: 1 , 3 , 16 , 19 , 20 . V některých případech je metacentrický chromozom tvořen vyváženou translokací: fúzí dvou akrocentrických chromozomů za vzniku jednoho metacentrického chromozomu.

Submetacentrický

Pokud jsou délky ramen nerovnoměrné, je chromozom údajně submetacentrický. Jsou to chromozomy ve tvaru písmene L.

Akrocentrický

Je-li p (short), rameno je tak krátká, že je těžké sledovat, ale stále přítomen, pak je chromozom je akrocentrických (dále jen „ acro- “ v akrocentrických se týká řeckého slova pro „vrchol“). Lidský genom obsahuje pět akrocentrických chromozomů: 13 , 14 , 15 , 21 , 22 . Y chromozom je také akrocentrických.

V akrocentrickém chromozomu rameno p obsahuje genetický materiál zahrnující opakované sekvence, jako jsou nukleolární organizační oblasti, a lze jej translokovat bez významného poškození, jako při vyvážené Robertsonově translokaci . Domácí kůň genom obsahuje jednu metacentrické chromozom, který je homologní k dvěma akrocentrických chromozomů v conspecific ale undomesticated koně Převalského . To může odrážet buď fixaci vyvážené Robertsonovy translokace u domácích koní, nebo naopak fixaci štěpení jednoho metacentrického chromozomu na dva akrocentrické chromozomy u koní Převalského. Podobná situace existuje mezi genomy člověka a lidoopa, s redukcí dvou akrocentrických chromozomů u lidoopů na jeden metacentrický chromozom u lidí (viz aneuploidie a lidský chromozom 2 ).

Je překvapivé, že škodlivé translokace v kontextu onemocnění, zejména nevyvážené translokace u rakoviny krve, častěji zahrnují akrocentrické chromozomy než nearocentrické chromozomy. Ačkoli příčina není známa, pravděpodobně to souvisí s fyzickým umístěním akrocentrických chromozomů v jádře . Akrocentrických chromozomy jsou obvykle umístěny uvnitř a kolem jadérka , takže ve středu jádra, kde chromozómy inklinují být méně hustý než chromozomů v jaderném periferii. V důsledku toho jsou chromozomální oblasti, které jsou méně hustě zabalené, také náchylnější k chromozomálním translokacím u rakoviny.

Telocentrický

Centroméra telocentrického chromozomu je umístěna na terminálním konci chromozomu. Telocentrický chromozom má tedy pouze jedno rameno. Telomery se mohou rozprostírat z obou konců chromozomu, jejich tvar je během anafáze podobný písmenu „i“. Například standardní karyotyp domácí myši má pouze telocentrické chromozomy. Lidé nemají telocentrické chromozomy.

Subtelocentrický

Pokud je centroméra chromozomu umístěna blíže ke svému konci než ke svému středu, může být popsána jako subtelocentrický chromozom.

Číslo centromery

Acentrický

Pokud chromozomu chybí centromera, říká se to acentrický . Jaderný dualismus of nálevníky například obsahuje stovky acentric chromozomů. Události narušující chromozomy mohou také generovat acentrické chromozomy nebo acentrické fragmenty.

Dicentric

Dicentric chromozóm je abnormální chromozóm se dvěma centromer. Vzniká fúzí dvou chromozomálních segmentů, z nichž každý má centroméru, což má za následek ztrátu acentrických fragmentů (chybí centromera) a tvorbu dicentrických fragmentů. Tvorba dicentrických chromozomů byla přičítána genetickým procesům, jako je Robertsonova translokace a paracentrická inverze. Dicentrické chromozomy mají důležitou roli v mitotické stabilitě chromozomů a tvorbě pseudodicentrických chromozomů.

Monocentrický

Monocentrický chromozom je chromozom, který má jen jeden centromeru v chromozomu a tvoří úzký zúžení.

Monocentrické centromery jsou nejběžnější strukturou vysoce repetitivní DNA v rostlinách a zvířatech.

Holocentrický

Na rozdíl od monocentrických chromozomů v holocentrických chromozomech působí jako centroméra celá délka chromozomu. V holocentrických chromozomech není jedno primární zúžení, ale centroméra má mnoho lokenů CenH3 rozložených po celém chromozomu. Příklady tohoto typu centromery lze nalézt roztroušeně po celé rostlinné a živočišné říši, přičemž nejznámějším příkladem je hlístice Caenorhabditis elegans .

Polycentrický

Lidské chromozomy

Sekvence

Existují dva typy centromer. V regionálních centromerech sekvence DNA přispívají k funkci, ale nedefinují ji. Regionální centromery obsahují velké množství DNA a jsou často zabaleny do heterochromatinu . Ve většině eukaryotů sekvence DNA centromery sestává z velkých polí repetitivní DNA (např. Satelitní DNA ), kde je sekvence v rámci jednotlivých opakujících se prvků podobná, ale ne identická. U lidí se primární centromerická jednotka opakování nazývá α-satelit (nebo alfahoid), ačkoli v této oblasti se nachází řada dalších typů sekvencí.

Bodové centromery jsou menší a kompaktnější. Sekvence DNA jsou nezbytné i dostatečné k určení identity a funkce centromer v organismech s bodovými centromerami. U pučících kvasinek je oblast centroméry relativně malá (asi 125 bp DNA) a obsahuje dvě vysoce konzervované sekvence DNA, které slouží jako vazebná místa pro esenciální proteiny kinetochore .

Dědictví

Protože sekvence centromerické DNA není klíčovým determinantem centromerické identity u metazoanů , má se za to, že epigenetická dědičnost hraje hlavní roli při specifikaci centromery. Dceřiné chromozomy budou shromažďovat centromery na stejném místě jako rodičovský chromozom, nezávisle na sekvenci. Bylo navrženo, že varianta histonu H3 CENP-A (protein centromery A) je epigenetickým znakem centromery. Nabízí se otázka, zda musí existovat ještě nějaký originální způsob, jakým je centromera specifikována, i když je následně šířena epigeneticky. Pokud je centroméra děděna epigeneticky z generace na generaci, problém je posunut zpět ke vzniku prvních metazoanů.

Struktura

Centromerická DNA je normálně ve stavu heterochromatinu , který je nezbytný pro nábor kohezinového komplexu, který zprostředkovává soudržnost sesterských chromatidů po replikaci DNA, a také pro koordinaci separace sesterských chromatidů během anafáze. V tomto chromatinu je normální histon H3 u lidí nahrazen variantou specifickou pro centromeru, CENP-A. Přítomnost CENP-A je považována za důležitou pro montáž kinetochore na centromeru. Bylo ukázáno, že CENP-C se lokalizuje téměř výlučně do těchto oblastí chromatinu asociovaného s CENP-A. V lidských buňkách bylo zjištěno, že histony jsou nejvíce obohaceny pro H4K20me 3 a H3K9me3, což jsou známé heterochromatické modifikace. V Drosophile jsou ostrovy retroelementů hlavní součástí centromer.

U kvasinek Schizosaccharomyces pombe (a pravděpodobně i u jiných eukaryot) je tvorba centromerického heterochromatinu spojena s RNAi . U nematodů, jako je Caenorhabditis elegans , některých rostlin a hmyzích řádů Lepidoptera a Hemiptera, jsou chromozomy „holocentrické“, což naznačuje, že neexistuje primární místo připojení mikrotubulů ani primární zúžení a „difúzní“ kinetochore se shromažďuje po celé délce. délka chromozomu.

Centromerické aberace

Ve vzácných případech se mohou neocentromery tvořit na nových místech chromozomu v důsledku přemístění centromery. Tento jev je nejznámější z klinických studií na lidech a v současné době existuje více než 90 známých lidských neocentromer identifikovaných na 20 různých chromozomech. Tvorba neocentromery musí být spojena s inaktivací předchozí centromery, protože chromozomy se dvěma funkčními centromerami ( dicentrický chromozom ) budou mít za následek zlomení chromozomu během mitózy. V některých neobvyklých případech bylo pozorováno, že se lidské neocentromery spontánně tvoří na fragmentovaných chromozomech. Některé z těchto nových pozic byly původně euchromatické a zcela postrádaly alfa satelitní DNA. Neocentromerům chybí opakující se struktura pozorovaná v normálních centromerech, což naznačuje, že tvorba centromer je řízena hlavně epigeneticky . V průběhu času může neocentroméra akumulovat opakující se prvky a dozrát v takzvanou evoluční novou centroméru. Existuje několik dobře známých příkladů v chromozomech primátů, kde je poloha centromery odlišná od lidské centromery stejného chromozomu a je považována za evoluční nové centromery. Přemístění centromer a tvorba nových evolučních centromer bylo navrženo jako mechanismus speciace .

Centromérové ​​proteiny jsou také autoantigenním cílem pro některé anti-nukleární protilátky , jako jsou protilátky proti centromere .

Dysfunkce a nemoc

Je známo, že nesprávná regulace centromere přispívá k nesprávné segregaci chromozomů, což je silně spojeno s rakovinou a potraty. Zejména nadměrná exprese mnoha genů centromery byla spojena s rakovinotvornými fenotypy. Nadměrná exprese těchto genů pro centromery může zvýšit genomovou nestabilitu rakovin. Zvýšená genomická nestabilita na jedné straně souvisí s maligními fenotypy; na druhé straně činí nádorové buňky zranitelnějšími vůči specifickým pomocným terapiím, jako jsou určité chemoterapie a radioterapie. Nestabilita opakující se DNA centromery byla nedávno prokázána u rakoviny a stárnutí.

Etymologie a výslovnost

Slovo centromera ( / s ɛ n t r ə ˌ m ɪər / ) používá kombinující formy z centro- a -mere , čímž je dosahováno „centrální část“, popisující polohu centromery je ve středu chromozomu.

Viz také

• Telomere
• Chromatid
• Diploidní
• Monopolin

Reference

Další čtení

• Mehta, GD; Agarwal, M .; Ghosh, SK (2010). „Centromere Identity: výzva, které je třeba čelit“. Mol. Genet. Genomika . 284 (2): 75–94. doi : 10,1007/s00438-010-0553-4 . PMID  20585957 . S2CID  24881938 .
• Lodish, Harvey; Berk, Arnold; Kaiser, Chris A .; Krieger, Monty; Scott, Matthew P .; Bretscher, Anthony; Ploegh, Hiddle; Matsudaira, Paul (2008). Molecular Cell Biology (6. vydání). New York: WH Freeman. ISBN 978-0-7167-7601-7.
• Nagaki, Kiyotaka; Cheng, Zhukuan; Ouyang, Shu; Talbert, Paul B; Kim, Mary; Jones, Kristine M; Henikoff, Steven; Buell, C Robin; Jiang, Jiming (2004). „Sekvenování rýžové centromery odhaluje aktivní geny“ . Přírodní genetika . 36 (2): 138–45. doi : 10,1038/ng1289 . PMID  14716315 . Laické shrnutí - Science Daily (13. ledna 2004).