Основы биологии хромосом, их структура и эволюционные последствия

Хромосома - это нить упакованной ДНК, находящаяся в ядре клеток и определенных клеточных органеллах и содержащая некодирующие и кодирующие последовательности. Термин «хромосома» происходит от греческих слов kroma и soma, означающих «цвет» и «тело» соответственно, что объясняется легкостью, с которой ученые XIX века смогли окрашивать и визуализировать хромосомы в процессе, который сейчас известен как кариотипирование (см. кариотип).

Почти все млекопитающие имеют от 18 до 30 ядерных хромосом (Scherthan 2012), встречающихся в единичных копиях (гаплоидное состояние, n) в яйцеклетках и сперматозоидах (гаметах). При оплодотворении яйцеклетки сперматозоидом эти два гаплоидных генома (см. геномы) объединяются и у млекопитающих приводят к образованию двух копий каждой хромосомы на клетку (диплоидное состояние, 2n). Число хромосом варьирует у разных видов млекопитающих и приматов (см. Геномика приматов), но почти всегда одинаково в пределах вида.

Считается, что ранние предковые формы жизни включали короткие нуклеиновые кислоты, способные к саморепликации. Появление хромосом ознаменовало собой важный переход в эволюции (см. эволюция): хромосомы стали кооперативно связывать гены (см. ген (аллель)), что позволило клеткам и ферментам работать более эффективно и с большей специализацией (Szathmary 2015). В целом эукариоты характеризуются наличием множества крупных линейных хромосом в ядре клетки.

Среди эукариот главным исключением являются маленькие гаплоидные круглые митохондриальные хромосомы (см. Митохондриальная ДНК), содержащиеся внутри митохондрий в цитоплазме. Митохондриальная хромосома, образовавшаяся в результате встраивания в клетки архаичной бактериальной плазмиды, эволюционно примечательна тем, что она привела к эффективному клеточному метаболизму, положив начало еще одному важному эволюционному переходу - эукариотической жизни.

Ядерные хромосомы, которые существуют в виде структурно идентичных пар у мужчин и женщин, называются аутосомами, в то время как хромосомы, специфичные для каждого пола, такие как X- и Y-хромосомы, называются аллосомами. У эукариот каждая линейная хромосома увенчана теломерами на обоих концах и содержит центромеру между ними. Теломеры представляют собой некодирующую ДНК, характеризующуюся повторяющимся мотивом последовательности из шести пар оснований (TTAGGG у всех позвоночных).

Эти теломерные участки предохраняют концы хромосом от деградации. Деградация происходит как из-за того, что ДНК-полимераза работает однонаправленно, оставляя короткие участки на конце нереплицированными, так и из-за окислительного повреждения ДНК. Таким образом, со временем длина теломер сокращается во время циклов репликации клеток. Когда теломеры становятся слишком короткими, клетка больше не может реплицироваться. Укороченные теломеры, не позволяющие клеткам продолжать репликацию, были названы причиной старения.

Другой структурой, универсальной для линейных хромосом, является функционально консервативная центромера - некодирующая область специализированного хроматина, характеризующаяся повторяющимися последовательностями. Центромеры делят каждую хромосому на две области, известные как p- и q-рукава. Несмотря на свое название, центромеры не находятся непосредственно в центре хромосом и могут быть далеко от него.

Более короткий участок хромосомы между центромерой и теломерой называется p-рукавом, а более длинный - q-рукавом. Эукариоты могут иметь одно или два плеча в зависимости от положения центромеры; однако у человека все нормальные хромосомы имеют два плеча, а у некоторых нечеловеческих приматов - только одно. Центромеры имеют решающее значение для клеточной репликации, во время которой они помогают выровнять хромосомы по экватору клетки.

У приматов длина диплоидной ДНК, содержащейся в одном ядре, в вытянутом состоянии составляет около 2 м. Белки упаковывают и уплотняют ядерные хромосомы эукариот в хроматин, оборачивая ДНК вокруг гистонов. Это позволяет длинным нитям ДНК помещаться в ядре клетки, а упаковка ДНК может влиять на экспрессию ДНК. Однако структура хромосом и хроматина меняется во время каждой фазы клеточного цикла: либо это недуплицированные линейные нити (во время анафазы и телофазы), либо дуплицированные нити, известные как сестринские хроматиды, соединенные вместе центромерой (во время профазы, прометафазы и метафазы).

Клеточная репликация требует, чтобы клетки делились и копировали свои хромосомы, и происходит это с помощью двух основных механизмов - митоза и мейоза. В результате митоза из одной диплоидной (2n) родительской клетки образуются две генетически идентичные дочерние клетки. Сестринские хроматиды разделяются с помощью микротрубочек, выходящих из центросом, расположенных на противоположных концах клеток, которые затем прикрепляются к центромере каждой хромосомы с помощью кинетохоров.

В отличие от этого, при мейозе из двух последовательных делений одной диплоидной (2n) родительской клетки образуются четыре гаплоидные (n) гаметы (яйцеклетки или сперматозоиды). В результате рекомбинации и перекреста во время длительной профазы I мейоза, также известной как независимая ассортация, материнские и отцовские гомологичные хромосомы объединяются стохастическим образом таким образом, что каждая гамета оказывается уникальной. Чем дальше друг от друга находятся две последовательности на одной хромосоме, тем больше вероятность их разрыва в результате рекомбинации и, следовательно, тем ниже их сцепление.

Во время мейоза периодически происходят стохастические процессы, изменяющие число хромосом, содержащихся в гамете. Когда происходят серьезные сдвиги в морфологии и/или числе хромосом, результаты часто оказываются летальными и/или приводят к крайне неблагоприятным фенотипам (см. фенотип и фенотип (генетика)), против которых ведется жесткий отбор. Нелетальные изменения кариотипа обычно проявляются в виде частичных хромосомных делеций или дупликаций, приводящих к появлению дополнительных хромосом в виде трисомии (3n) или тетрасомии (4n). Наиболее известный пример - трисомия хромосомы 21, которая у человека приводит к синдрому Дауна. Появление дополнительных отдельных (а не парных) хромосом называется анеуплоидией и часто связано с ошибками в мейотическом процессе образования сперматозоидов.

Изменения числа хромосом могут играть роль в видообразовании. В большинстве случаев организмы с разным числом хромосом не могут дать жизнеспособное потомство. Хромосомы нумеруются в соответствии с размером/длиной в пределах данного вида (наименьший номер = самая длинная хромосома); таким образом, хромосома с особым номером у одного вида может содержать подмножество генома, наиболее близко соответствующее хромосоме с другим номером у другого вида.