Homologt kromosom - Homologous chromosome
Et par homologe kromosomer eller homologer er et sæt af et moder- og et faderligt kromosom, der parres med hinanden inde i en celle under befrugtning . Homologer har de samme gener på de samme loci, hvor de giver punkter langs hvert kromosom, som gør det muligt for et par kromosomer at justere korrekt med hinanden, før de adskilles under meiose. Dette er grundlaget for mendelsk arv, der karakteriserer arvsmønstre af genetisk materiale fra en organisme til dens afkom forældres udviklingscelle på det givne tidspunkt og område.
Oversigt
Kromosomer er lineære arrangementer af kondenseret deoxyribonukleinsyre (DNA) og histonproteiner , som danner et kompleks kaldet kromatin . Homologe kromosomer består af kromosompar med omtrent samme længde, centromerposition og farvningsmønster for gener med samme tilsvarende loci . Et homologt kromosom arves fra organismens mor; den anden er arvet fra organismens far. Efter at mitose forekommer i dattercellerne, har de det korrekte antal gener, som er en blanding af de to forældres gener. I diploide (2n) organismer består genomet af et sæt af hvert homologt kromosompar sammenlignet med tetraploide organismer, der kan have to sæt af hvert homologt kromosompar. De alleler på de homologe kromosomer kan være forskellige, hvilket resulterer i forskellige fænotyper af de samme gener. Denne blanding af moder- og faderlige træk forstærkes ved at krydse over under meiose, hvor længder af kromosomale arme og det DNA, de indeholder i et homologt kromosompar, udveksles med hinanden.
Historie
Tidligt i 1900'erne studerede William Bateson og Reginald Punnett genetisk arv, og de bemærkede, at nogle kombinationer af alleler optrådte oftere end andre. Disse data og oplysninger blev yderligere undersøgt af Thomas Morgan . Ved hjælp af testkrydsforsøg afslørede han, at for en enlig forælder bevæger sig alleler af gener tæt på hinanden langs kromosomets længde. Ved hjælp af denne logik konkluderede han, at de to gener, han studerede, var placeret på homologe kromosomer. Senere i løbet af 1930'erne studerede Harriet Creighton og Barbara McClintock meiose i majsceller og undersøgte genlokaliteter på majskromosomer. Creighton og McClintock opdagede, at de nye allelkombinationer, der var til stede i afkommet og tilfælde af overgang, var direkte relateret. Dette viste sig at være interkromosomal genetisk rekombination.
Struktur
Homologe kromosomer er kromosomer, der indeholder de samme gener i samme rækkefølge langs deres kromosomarme. Der er to hovedegenskaber ved homologe kromosomer: længden af kromosomale arme og placeringen af centromeren.
Armens faktiske længde i overensstemmelse med genlokationerne er kritisk vigtig for korrekt tilpasning. Centromere placering kan karakteriseres ved fire vigtigste arrangementer, der består af enten metacentriske , submetacentric , acrocentriske eller telocentric . Begge {{præcisering nødvendig | grund = Begge, men fire blev angivet, så hvad menes med begge? | Date = juni 2021} af disse egenskaber er hovedfaktorerne for at skabe strukturel homologi mellem kromosomer. Når to kromosomer af den nøjagtige struktur eksisterer, er de derfor i stand til at parre sammen for at danne homologe kromosomer.
Da homologe kromosomer ikke er identiske og ikke stammer fra den samme organisme, er de forskellige fra søsterkromatider . Søsterchromatider opstår, efter at DNA-replikation er sket, og er dermed identiske, side om side-duplikater af hinanden.
Hos mennesker
Mennesker har i alt 46 kromosomer, men der er kun 22 par homologe autosomale kromosomer. Det yderligere 23. par er kønskromosomer, X og Y. De 22 par homologe kromosomer indeholder de samme gener, men koder for forskellige træk i deres alleliske former, da et blev arvet fra moderen og et fra faderen. Så mennesker har to homologe kromosomsæt i hver celle, hvilket betyder, at mennesker er diploide organismer.
Funktioner
Homologe kromosomer er vigtige i processerne med meiose og mitose. De giver mulighed for rekombination og tilfældig adskillelse af genetisk materiale fra mor og far til nye celler.
Ved meiose
Meiose er en runde med to celledelinger, der resulterer i fire haploide datterceller, der hver indeholder halvdelen af antallet af kromosomer som forældercellen. Det reducerer kromosomtallet i en kimcelle med det halve ved først at adskille de homologe kromosomer i meiose I og derefter søsterkromatiderne i meiose II . Processen med meiose I er generelt længere end meiose II, fordi det tager mere tid for kromatinet at replikere, og for at de homologe kromosomer orienteres og adskilles ordentligt ved parring og synapser i meiose I. Under meiose, genetisk rekombination (ved tilfældig adskillelse) og crossing over producerer datterceller, der hver indeholder forskellige kombinationer af maternelt og paternalt kodede gener. Denne rekombination af gener tillader introduktion af nye allelparringer og genetisk variation. Genetisk variation blandt organismer hjælper med at gøre en befolkning mere stabil ved at tilvejebringe en bredere vifte af genetiske egenskaber, som naturlig selektion kan handle på.
Profase I
I profase I af meiose I er hvert kromosom på linje med sin homologe partner og parrer fuldstændigt. I profase I har DNA'et allerede undergået replikation, så hvert kromosom består af to identiske kromatider forbundet med en fælles centromer. Under zygoten -stadiet i profase I parrer de homologe kromosomer sig med hinanden. Denne parring sker ved en synapseproces, hvor det synaptonemale kompleks - et proteinstillads - samles og forbinder de homologe kromosomer langs deres længder. Cohesin -tværbinding opstår mellem de homologe kromosomer og hjælper dem med at modstå at blive trukket fra hinanden indtil anafase . Genetisk cross-over , en form for rekombination, forekommer under pachytene-stadiet i profase I. Desuden forekommer der ofte en anden rekombination, der kaldes syntese-afhængig strengglødning (SDSA). SDSA rekombination involverer informationsudveksling mellem parrede homologe kromatider , men ikke fysisk udveksling. SDSA-rekombination forårsager ikke overgang.
I processen med overgang udveksles gener ved at bryde og forene homologe dele af kromosomernes længder. Strukturer kaldet chiasmata er stedet for udvekslingen. Chiasmata forbinder fysisk de homologe kromosomer fysisk, når overskridelse sker, og gennem hele processen med kromosomisk segregering under meiose. Både ikke-crossover og crossover typer rekombination fungerer som processer til reparation af DNA-skader , især dobbeltstrengede brud. På det diplotene stadie af profase I adskilles det synaptonemale kompleks, inden hvilket vil give de homologe kromosomer mulighed for at adskille sig, mens søsterkromatiderne forbliver forbundet med deres centromerer.
Metafase I
I metafase I af meiose I står parrene af homologe kromosomer, også kendt som bivalenter eller tetrader , i en tilfældig rækkefølge langs metafasepladen . Den tilfældige orientering er en anden måde for celler at introducere genetisk variation. Meiotiske spindler, der stammer fra modsatte spindelpoler, fastgøres til hver af homologerne (hvert par søsterkromatider) ved kinetokoren .
Anafase I
I anafase I af meiose I trækkes de homologe kromosomer fra hinanden. Homologerne spaltes af enzymet separase at frigive cohesin der holdt de homologe kromosom arme sammen. Dette gør det muligt for chiasmata at frigive, og homologerne kan bevæge sig til modsatte poler i cellen. De homologe kromosomer er nu tilfældigt adskilt i to datterceller, der vil undergå meiose II for at producere fire haploide datterkimceller .
Meiose II
Efter at tetraderne af homologe kromosomer er adskilt i meiose I, separeres søsterkromatiderne fra hvert par. De to diploide datterceller (antallet af kromosomer er reduceret til det halve: tidligere to sæt kromosomer var til stede, men nu findes hvert sæt i to forskellige datterceller, der er opstået fra den enkelt diploide forældercelle ved meiose I) som følge af meiose Jeg gennemgår en anden celledeling i meiose II, men uden endnu en omgang kromosomal replikation. Søsterchromatiderne i de to datterceller trækkes fra hinanden under anafase II af nukleare spindelfibre, hvilket resulterer i fire haploide datterceller.
Ved mitose
Homologe kromosomer fungerer ikke det samme ved mitose, som de gør ved meiose. Inden hver mitotisk division en celle gennemgår, replikerer kromosomerne i forældercellen sig selv. De homologe kromosomer i cellen vil normalt ikke parre sig og undergå genetisk rekombination med hinanden. I stedet vil replikanterne eller søsterkromatiderne stille sig op langs metafasepladen og derefter adskilles på samme måde som meiose II - ved at blive trukket fra hinanden ved deres centromerer af nukleare mitotiske spindler. Hvis der overhovedet sker en overgang mellem søsterkromatider under mitose, producerer det ikke nye rekombinante genotyper.
I somatiske celler
Homolog parring vil i de fleste sammenhænge referere til kønsceller, men finder også sted i somatiske celler. For eksempel har somatiske celler hos mennesker meget tæt reguleret homolog parring (adskilt i kromosomale områder og parring på bestemte steder under kontrol af udviklingssignalering). Andre arter udviser imidlertid (især Drosophila ) homolog parring meget hyppigere. I Drosophila understøtter den homologe parring et genregulerende fænomen kaldet transvektion , hvor en allel på et kromosom påvirker ekspressionen af den homologe allel på det homologe kromosom. En bemærkelsesværdig funktion af dette er den seksuelt dimorfe regulering af X-bundne gener.
Problemer
Der er alvorlige konsekvenser, når kromosomer ikke adskiller sig ordentligt. Defekt adskillelse kan føre til fertilitetsproblemer , embryodød , fødselsdefekter og kræft . Selvom mekanismerne til parring og vedhæftning af homologe kromosomer varierer mellem organismer, er korrekt funktion af disse mekanismer bydende nødvendig, for at det endelige genetiske materiale kan sorteres korrekt.
Ikke -adskillelse
Korrekt homolog kromosomseparation i meiose I er afgørende for søsterkromatidseparation i meiose II. En manglende adskillelse korrekt kaldes nondisjunction. Der er to hovedtyper af ikke -adskillelse, der opstår: trisomi og monosomi . Trisomi er forårsaget af tilstedeværelsen af et ekstra kromosom i zygoten sammenlignet med det normale tal, og monosomi er karakteriseret ved tilstedeværelsen af et færre kromosom i zygoten sammenlignet med det normale tal. Hvis denne ujævne opdeling forekommer i meiose I, vil ingen af dattercellerne have korrekt kromosomfordeling, og der kan opstå utypiske virkninger, herunder Downs syndrom. Ulige opdeling kan også forekomme under den anden meiotiske opdeling. Ikke -adskillelse, der opstår på dette trin, kan resultere i normale datterceller og deformerede celler.
Andre anvendelser
Mens homologe kromosomers hovedfunktion er deres anvendelse i nuklear division, bruges de også til at reparere dobbeltstrengede brud på DNA . Disse dobbeltstrengede brud kan forekomme i replikerende DNA og er oftest et resultat af interaktion af DNA med naturligt forekommende skadelige molekyler, såsom reaktive oxygenarter . Homologe kromosomer kan reparere denne skade ved at tilpasse sig kromosomer med samme genetiske sekvens. Når baseparene er blevet matchet og orienteret korrekt mellem de to tråde, udfører de homologe kromosomer en proces, der meget ligner rekombination eller krydsning, som det ses i meiose. En del af den intakte DNA -sekvens overlapper med sekvensen for det beskadigede kromosomsekvens . Replikationsproteiner og komplekser rekrutteres derefter til skadestedet, hvilket muliggør reparation og korrekt replikation. Gennem denne funktion kan dobbeltstrengede pauser repareres, og DNA kan fungere normalt.
Relevant forskning
Nuværende og fremtidig forskning om emnet homologt kromosom er stærkt fokuseret på forskellige proteiners roller under rekombination eller under DNA -reparation. I en nyligt offentliggjort artikel af Pezza et al. proteinet kendt som HOP2 er ansvarlig for både homolog kromosomsynapsis såvel som dobbeltstrenget brudreparation via homolog rekombination. Sletningen af HOP2 i mus har store konsekvenser i meiose. Andre aktuelle undersøgelser fokuserer også på specifikke proteiner involveret i homolog rekombination.
Der er løbende forskning om homologe kromosomers evne til at reparere dobbeltstrengede DNA-brud. Forskere undersøger muligheden for at udnytte denne kapacitet til regenerativ medicin. Denne medicin kan være meget udbredt i forhold til kræft, da DNA -skade menes at være medvirkende til kræftfremkaldelse. Manipulering af reparationsfunktionen af homologe kromosomer kan muliggøre en forbedring af cellens skaderesponssystem. Selvom forskning endnu ikke har bekræftet effektiviteten af en sådan behandling, kan det blive en nyttig behandling mod kræft.
Se også
Referencer
Yderligere læsning
- Gilbert SF (2003). Udviklingsbiologi . Sunderland, Mass .: Sinauer Associates. ISBN 0-87893-258-5.
- OpenStaxCollege (25. apr 2013). "Meiose" . Rice University.