Гомологичная хромосома

редактировать
Не следует путать с гомо EO ношений хромосом. Как показывает этот кариотип, диплоидная клетка человека содержит 22 пары гомологичных хромосом и 2 половые хромосомы. Клетка имеет два набора каждой хромосомы; одна из пары происходит от матери, а другая от отца. Материнские и отцовские хромосомы в гомологичной паре имеют одинаковые гены в одном локусе, но, возможно, разные аллели.

Пара гомологичных хромосом или гомологов - это набор из одной материнской и одной отцовской хромосом, которые соединяются друг с другом внутри клетки во время оплодотворения. Гомологи имеют одни и те же гены в одних и тех же локусах, где они обеспечивают точки вдоль каждой хромосомы, которые позволяют паре хромосом правильно выровняться друг с другом перед разделением во время мейоза. Это основа для менделевского наследования, которое характеризует образцы наследования генетического материала от организма к его дочерней родительской клетке развития в данное время и в данном районе.

СОДЕРЖАНИЕ

  • 1 Обзор
  • 2 История
  • 3 Структура
    • 3.1 У человека
  • 4 функции
    • 4.1 В мейозе
      • 4.1.1 Профаза I
      • 4.1.2 Метафаза I
      • 4.1.3 Анафаза I
      • 4.1.4 Мейоз II
    • 4.2 В митозе
    • 4.3 В соматических клетках
  • 5 Проблемы
    • 5.1 Нерасхождение
  • 6 Другое использование
  • 7 Соответствующие исследования
  • 8 См. Также
  • 9 ссылки
  • 10 Дальнейшее чтение

Обзор

Хромосомы представляют собой линейные структуры конденсированной дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК) и гистоновых белков, которые образуют комплекс, называемый хроматином. Гомологичные хромосомы состоят из пар хромосом примерно одинаковой длины, положения центромеры и образца окраски для генов с одинаковыми соответствующими локусами. Одна гомологичная хромосома унаследована от матери организма; другой унаследован от отца организма. После митоза дочерних клеток у них появляется правильное количество генов, которые представляют собой смесь генов двух родителей. У диплоидных (2n) организмов геном состоит из одного набора каждой пары гомологичных хромосом, по сравнению с тетраплоидными организмами, которые могут иметь два набора каждой пары гомологичных хромосом. В аллели на гомологичных хромосомах могут быть различными, что приводит к различным фенотипов одних и тех же генов. Это смешение материнских и отцовских признаков усиливается за счет кроссинговера во время мейоза, когда длины хромосомных плеч и ДНК, которые они содержат в гомологичной паре хромосом, обмениваются друг с другом.

История

В начале 1900-х годов Уильям Бейтсон и Реджинальд Паннет изучали генетическое наследование и отметили, что одни комбинации аллелей встречаются чаще, чем другие. Эти данные и информация были дополнительно исследованы Томасом Морганом. Используя тестовые перекрестные эксперименты, он обнаружил, что у одного родителя аллели генов рядом друг с другом по длине хромосомы перемещаются вместе. Используя эту логику, он пришел к выводу, что два гена, которые он изучал, были расположены на гомологичных хромосомах. Позже, в 1930-е годы, Харриет Крейтон и Барбара МакКлинток изучали мейоз в клетках кукурузы и исследовали локусы генов на хромосомах кукурузы. Крейтон и МакКлинток обнаружили, что новые комбинации аллелей, присутствующие в потомстве, и событие кроссинговера были напрямую связаны. Это доказало межхромосомную генетическую рекомбинацию.

Структура

Гомологичные хромосомы - это хромосомы, которые содержат одни и те же гены в одном и том же порядке вдоль своих хромосомных плеч. У гомологичных хромосом есть два основных свойства: длина хромосомных плеч и расположение центромеры.

Фактическая длина руки в соответствии с расположением генов критически важна для правильного выравнивания. Размещение центромеры можно охарактеризовать четырьмя основными способами: метацентрическая, субметацентрическая, акроцентрическая или телоцентрическая. Оба {{требуется уточнение | причина = Оба, но четыре были перечислены, так что подразумевается под обоими? | Date = июнь 2021} этих свойств являются основными факторами для создания структурной гомологии между хромосомами. Следовательно, когда существуют две хромосомы точной структуры, они могут соединяться вместе, образуя гомологичные хромосомы.

Поскольку гомологичные хромосомы не идентичны и происходят из разных организмов, они отличаются от сестринских хроматид. Сестринские хроматиды возникают после репликации ДНК и, таким образом, являются идентичными, расположенными рядом дубликатами друг друга.

В людях

У человека всего 46 хромосом, но есть только 22 пары гомологичных аутосомных хромосом. Дополнительная 23-я пара - это половые хромосомы X и Y. 22 пары гомологичных хромосом содержат одни и те же гены, но кодируют разные признаки в их аллельных формах, поскольку один унаследован от матери, а другой - от отца. Итак, у людей есть два гомологичных набора хромосом в каждой клетке, а это значит, что люди - диплоидные организмы.

Функции

Гомологичные хромосомы важны в процессах мейоза и митоза. Они допускают рекомбинацию и случайную сегрегацию генетического материала от матери и отца в новые клетки.

В мейозе

Изображение хромосомы 1 после гомологичной рекомбинации в мейозе В процессе мейоза гомологичные хромосомы могут рекомбинировать и производить новые комбинации генов в дочерних клетках. Сортировка гомологичных хромосом во время мейоза Сортировка гомологичных хромосом во время мейоза.

Мейоз - это раунд деления двух клеток, в результате которого образуются четыре гаплоидных дочерних клетки, каждая из которых содержит половину количества хромосом по сравнению с родительской клеткой. Он уменьшает количество хромосом в зародышевой клетке наполовину, сначала разделяя гомологичные хромосомы в мейозе I, а затем сестринские хроматиды в мейозе II. Процесс мейоза I обычно длится дольше, чем мейоз II, потому что требуется больше времени для репликации хроматина, а также для правильной ориентации и разделения гомологичных хромосом процессами спаривания и синапсиса в мейозе I. Во время мейоза генетическая рекомбинация (путем случайная сегрегация) и кроссинговер продуцируют дочерние клетки, каждая из которых содержит разные комбинации генов, кодируемых по материнской и отцовской линии. Эта рекомбинация генов позволяет вводить новые пары аллелей и генетические вариации. Генетическая изменчивость среди организмов помогает сделать популяцию более стабильной, предоставляя более широкий спектр генетических признаков, на которые может воздействовать естественный отбор.

Профаза I

В профазе I мейоза I каждая хромосома выравнивается со своим гомологичным партнером и полностью спаривается. В профазе I ДНК уже подверглась репликации, поэтому каждая хромосома состоит из двух идентичных хроматид, соединенных общей центромерой. На стадии зиготены профазы I гомологичные хромосомы соединяются друг с другом. Это спаривание происходит в процессе синапсиса, в котором синаптонемный комплекс - белковый каркас - собирается и соединяется с гомологичными хромосомами по всей их длине. Сшивание когезином происходит между гомологичными хромосомами и помогает им сопротивляться разрыву до анафазы. Генетический кроссинговер, тип рекомбинации, происходит на стадии пахитена профазы I. Кроме того, часто происходит другой тип рекомбинации, называемый зависимым от синтеза отжигом цепи (SDSA). Рекомбинация SDSA включает обмен информацией между парными гомологичными хроматидами, но не физический обмен. Рекомбинация SDSA не вызывает кроссинговера.

В процессе кроссинговера происходит обмен генами путем разрыва и объединения гомологичных участков длины хромосом. Структуры, называемые хиазмами, являются местом обмена. Хиазмы физически связывают гомологичные хромосомы после того, как происходит кроссинговер и на протяжении всего процесса хромосомной сегрегации во время мейоза. И некроссинговый, и кроссоверный типы рекомбинации функционируют как процессы восстановления повреждений ДНК, особенно двухцепочечных разрывов. На стадии диплотены профазы I синаптонемный комплекс разбирается, прежде чем гомологичные хромосомы разделятся, в то время как сестринские хроматиды остаются связанными своими центромерами.

Метафаза I

В метафазе I мейоза I пары гомологичных хромосом, также известные как биваленты или тетрады, выстраиваются в случайном порядке вдоль пластинки метафазы. Случайная ориентация - это еще один способ для клеток привнести генетические вариации. Мейотические веретена, исходящие из противоположных полюсов веретена, прикрепляются к каждому из гомологов (каждой паре сестринских хроматид) на кинетохоре.

Анафаза I

В анафазе I мейоза I гомологичные хромосомы оторваны друг от друга. Гомологи расщепляются ферментом сепарацией, высвобождая когезин, который удерживает вместе гомологичные хромосомные плечи. Это позволяет хиазмам высвобождаться, а гомологам перемещаться к противоположным полюсам клетки. Гомологичные хромосомы теперь случайным образом разделяются на две дочерние клетки, которые претерпевают мейоз II с образованием четырех гаплоидных дочерних зародышевых клеток.

Мейоз II

После разделения тетрад гомологичных хромосом в мейозе I сестринские хроматиды из каждой пары разделяются. Две диплоидные дочерние клетки (количество хромосом уменьшено вдвое: раньше присутствовало два набора хромосом, но теперь каждый набор существует в двух разных дочерних клетках, которые возникли из единственной диплоидной родительской клетки в результате мейоза I) в результате мейоза Я претерпеваю еще одно деление клетки в мейозе II, но без еще одного раунда хромосомной репликации. Сестринские хроматиды в двух дочерних клетках во время анафазы II разделяются волокнами ядерного веретена, в результате чего образуются четыре гаплоидные дочерние клетки.

В митозе

Гомологичные хромосомы не функционируют в митозе так же, как в мейозе. Перед каждым митотическим делением клетки хромосомы в родительской клетке воспроизводятся сами. Гомологичные хромосомы внутри клетки обычно не образуют пары и не подвергаются генетической рекомбинации друг с другом. Вместо этого репликанты, или сестринские хроматиды, выстраиваются вдоль метафазной пластинки и затем разделяются так же, как мейоз II - разрываясь на своих центромерах ядерными митотическими веретенами. Если какой-либо кроссинговер происходит между сестринскими хроматидами во время митоза, он не дает никаких новых рекомбинантных генотипов.

В соматических клетках

Основная статья: Гомологичное соматическое спаривание

Гомологичное спаривание в большинстве случаев относится к клеткам зародышевой линии, однако также имеет место в соматических клетках. Например, у людей соматические клетки имеют очень строго регулируемое гомологичное спаривание (разделенное на хромосомные территории и спаривание в определенных локусах под контролем передачи сигналов развития). Однако другие виды (особенно Drosophila ) гораздо чаще обнаруживают гомологичные пары. У дрозофилы гомологичное спаривание поддерживает феномен регуляции генов, называемый трансвекцией, при котором аллель на одной хромосоме влияет на экспрессию гомологичного аллеля на гомологичной хромосоме. Одна из примечательных функций этого - половая диморфная регуляция X-сцепленных генов.

Проблемы

1. Мейоз I 2. Мейоз II 3. Оплодотворение 4. Зиготы Нерасхождение - это когда хромосомы не могут нормально разделиться, что приводит к увеличению или уменьшению хромосом. На левом изображении синяя стрелка указывает на нерасхождение, происходящее во время мейоза II. На правом изображении зеленая стрелка указывает на нерасхождение, происходящее во время мейоза I.

Если хромосомы не разделяются должным образом, это может иметь серьезные последствия. Неправильная сегрегация может привести к проблемам с фертильностью, гибели эмбриона, врожденным дефектам и раку. Хотя механизмы спаривания и сцепления гомологичных хромосом у разных организмов различаются, правильное функционирование этих механизмов является обязательным условием для правильной сортировки окончательного генетического материала.

Нерасхождение

Правильное разделение гомологичных хромосом в мейозе I является критическим для разделения сестринских хроматид в мейозе II. Неспособность разделиться должным образом называется нерасхождением. Существует два основных типа нерасхождения: трисомия и моносомия. Трисомия вызывается наличием одной дополнительной хромосомы в зиготе по сравнению с нормальным числом, а моносомия характеризуется наличием в зиготе на одну хромосому меньше по сравнению с нормальным числом. Если это неравномерное деление происходит в мейозе I, то ни одна из дочерних клеток не будет иметь надлежащего хромосомного распределения, и могут возникнуть нетипичные эффекты, включая синдром Дауна. Неравное деление может происходить и во время второго деления мейоза. Нерасхождение, которое происходит на этой стадии, может привести к образованию нормальных дочерних клеток и деформированных клеток.

Другое использование

Принципиальная схема HR Схема общего процесса восстановления двухцепочечных разрывов, а также зависимого от синтеза отжига цепей.

Хотя основная функция гомологичных хромосом является их использование в ядерном делении, они также используются в ремонте двунитевых разрывов из ДНК. Эти двухцепочечные разрывы могут происходить при репликации ДНК и чаще всего являются результатом взаимодействия ДНК с встречающимися в природе повреждающими молекулами, такими как активные формы кислорода. Гомологичные хромосомы могут исправить это повреждение, выровняв себя с хромосомами той же генетической последовательности. Как только пары оснований совпадают и правильно ориентированы между двумя цепями, гомологичные хромосомы выполняют процесс, очень похожий на рекомбинацию или кроссинговер, наблюдаемый в мейозе. Часть интактной последовательности ДНК перекрывается с последовательностью поврежденной хромосомы. Затем репликационные белки и комплексы рекрутируются на место повреждения, что обеспечивает репарацию и правильную репликацию. Благодаря такому функционированию могут быть восстановлены двухцепочечные разрывы, и ДНК может нормально функционировать.

Соответствующее исследование

Текущие и будущие исследования гомологичных хромосом в значительной степени сосредоточены на роли различных белков во время рекомбинации или во время репарации ДНК. В недавно опубликованной статье Pezza et al. белок, известный как HOP2, отвечает как за гомологичный синапсис хромосом, так и за репарацию двухцепочечных разрывов посредством гомологичной рекомбинации. Делеция HOP2 у мышей имеет серьезные последствия для мейоза. Другие текущие исследования также сосредоточены на конкретных белках, участвующих в гомологичной рекомбинации.

Продолжаются исследования способности гомологичных хромосом восстанавливать двухцепочечные разрывы ДНК. Исследователи изучают возможность использования этой способности в регенеративной медицине. Это лекарство может быть очень распространено в отношении рака, поскольку считается, что повреждение ДНК способствует канцерогенезу. Манипулирование функцией восстановления гомологичных хромосом может позволить улучшить систему реакции клетки на повреждение. Хотя исследования еще не подтвердили эффективность такого лечения, оно может стать полезным средством лечения рака.

Смотрите также

использованная литература

дальнейшее чтение

  • Гилберт С.Ф. (2003). Биолог развития. Сандерленд, Массачусетс: Sinauer Associates. ISBN   0-87893-258-5.
  • OpenStaxCollege (25 апреля 2013 г.). «Мейоз». Университет Райса.
Последняя правка сделана 2023-04-16 08:29:04
Содержание доступно по лицензии CC BY-SA 3.0 (если не указано иное).
Обратная связь: support@alphapedia.ru
Соглашение
О проекте