Пара гомологичных хромосом , или гомологи , представляет собой набор из одной материнской и одной отцовской хромосомы , которые образуют пары 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 . [1] Это основа менделевского наследования , которое характеризует закономерности наследования генетического материала от организма к его потомству — родительской развивающейся клетке в данное время и в данном месте. [2]
Хромосомы представляют собой линейные структуры конденсированной дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК) и гистоновых белков, которые образуют комплекс, называемый хроматином . [2] Гомологичные хромосомы состоят из пар хромосом приблизительно одинаковой длины, положения центромеры и рисунка окрашивания для генов с одинаковыми соответствующими локусами . Одна гомологичная хромосома наследуется от матери организма; другая наследуется от отца организма. После того, как в дочерних клетках происходит митоз , они имеют правильное количество генов, которые представляют собой смесь генов двух родителей. У диплоидных (2n) организмов геном состоит из одного набора каждой гомологичной пары хромосом, по сравнению с тетраплоидными организмами, которые могут иметь два набора каждой гомологичной пары хромосом. Аллели на гомологичных хромосомах могут быть разными, что приводит к разным фенотипам одних и тех же генов. Это смешение материнских и отцовских признаков усиливается за счет кроссинговера во время мейоза , при котором длины хромосомных плеч и ДНК, которую они содержат в гомологичной паре хромосом, обмениваются друг с другом. [3]
В начале 1900-х годов Уильям Бейтсон и Реджинальд Паннетт изучали генетическое наследование и отметили, что некоторые комбинации аллелей появлялись чаще, чем другие. Эти данные и информация были дополнительно изучены Томасом Морганом . Используя эксперименты по тестовому скрещиванию , он обнаружил, что для одного родителя аллели генов, расположенных близко друг к другу по длине хромосомы, движутся вместе. Используя эту логику, он пришел к выводу, что два гена, которые он изучал, были расположены на гомологичных хромосомах. Позже, в 1930-х годах, Харриет Крейтон и Барбара МакКлинток изучали мейоз в клетках кукурузы и исследовали генные локусы на хромосомах кукурузы. [2] Крейтон и МакКлинток обнаружили, что новые комбинации аллелей, присутствующие у потомства, и событие кроссинговера были напрямую связаны. [2] Это доказало межхромосомную генетическую рекомбинацию. [2]
Гомологичные хромосомы — это пары хромосом в диплоидном организме, которые имеют схожие гены, хотя и не обязательно идентичные. [4] Существует два основных свойства гомологичных хромосом: 1) длина хромосомных плеч и 2) расположение центромеры. [5]
Фактическая длина плеча, в соответствии с расположением генов, критически важна для правильного выравнивания. Расположение центромеры на хромосоме можно охарактеризовать четырьмя основными расположениями: метацентрическим , субметацентрическим , акроцентрическим или телоцентрическим . Оба эти свойства (то есть длина хромосомных плеч и расположение хромосомной центромеры) являются основными факторами для создания структурной гомологии между хромосомами. Поэтому, когда существуют две хромосомы, содержащие относительно одинаковую структуру (например, материнская хромосома 15 и отцовская хромосома 15), они способны объединяться в пары посредством процесса синапсиса, образуя гомологичные хромосомы. [6]
Поскольку гомологичные хромосомы не идентичны и не происходят из одного и того же организма, они отличаются от сестринских хроматид . Сестринские хроматиды возникают после репликации ДНК и, таким образом, являются идентичными, бок о бок дубликатами друг друга. [7]
У людей всего 46 хромосом, но есть только 22 пары гомологичных аутосомных хромосом. Дополнительная 23- я пара — это половые хромосомы X и Y.
Обратите внимание, что пара половых хромосом может быть или не быть гомологичной, в зависимости от пола индивидуума. Например, самки содержат XX, таким образом, имеют гомологичную пару половых хромосом. Это означает, что у самок всего 23 пары гомологичных хромосом (т. е. 22 пары негомологичных хромосом (аутосом), 1 пара половых хромосом). Наоборот, у самцов содержится XY, что означает, что у них негомологичная пара половых хромосом в качестве 23-й пары хромосом.
У людей 22 пары гомологичных аутосомных хромосом содержат одни и те же гены, но кодируют разные признаки в своих аллельных формах, поскольку одна из них унаследована от матери, а другая — от отца. [8]
Итак, у людей есть два набора из 23 хромосом в каждой клетке, содержащей ядро. Один набор из 23 хромосом (n) от матери (22 аутосомы, 1 половая хромосома (только X)), а другой набор из 23 хромосом (n) от отца (22 аутосомы, 1 половая хромосома (X или Y)). В конечном итоге это означает, что люди являются диплоидными (2n) организмами. [2]
Гомологичные хромосомы важны в процессах мейоза и митоза. Они позволяют рекомбинацию и случайную сегрегацию генетического материала от матери и отца в новые клетки. [9]
Мейоз — это цикл из двух делений клеток, в результате которого образуются четыре гаплоидные дочерние клетки, каждая из которых содержит половину числа хромосом, как и родительская клетка. [10] Он уменьшает число хромосом в зародышевой клетке вдвое, сначала разделяя гомологичные хромосомы в мейозе I , а затем сестринские хроматиды в мейозе II . Процесс мейоза I, как правило, длиннее, чем мейоз II, поскольку требуется больше времени для репликации хроматина и для того, чтобы гомологичные хромосомы были правильно ориентированы и разделены процессами спаривания и синапсиса в мейозе I. [7] Во время мейоза генетическая рекомбинация (путем случайного разделения) и кроссинговер производят дочерние клетки, каждая из которых содержит различные комбинации генов, кодируемых по материнской и отцовской линии. [10] Эта рекомбинация генов позволяет вводить новые пары аллелей и генетическую изменчивость. [2] Генетическая изменчивость среди организмов помогает сделать популяцию более стабильной, предоставляя более широкий спектр генетических признаков для действия естественного отбора . [2]
В профазе I мейоза I каждая хромосома выровнена 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. [10] Во время стадии зиготены профазы I гомологичные хромосомы объединяются в пары. [10] Это спаривание происходит посредством процесса синапсиса, где синаптонемный комплекс — белковый каркас — собирается и соединяет гомологичные хромосомы по всей их длине. [7] Между гомологичными хромосомами происходит сшивание когезином , что помогает им противостоять разрыву до анафазы . [8] Генетический кроссинговер , тип рекомбинации, происходит во время стадии пахитены профазы I. [10] Кроме того, часто происходит другой тип рекомбинации, называемый отжигом цепи, зависящим от синтеза (SDSA). Рекомбинация SDSA включает обмен информацией между парными гомологичными хроматидами , но не физический обмен. Рекомбинация SDSA не вызывает кроссинговера.
В процессе кроссинговера гены обмениваются путем разрыва и объединения гомологичных участков длин хромосом. [7] 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. [7] Как некроссоверный, так и кроссоверный типы рекомбинации функционируют как процессы восстановления повреждений ДНК , в частности двухцепочечных разрывов. На стадии диплотены профазы I синаптонемный комплекс разбирается до того, как это позволит гомологичным хромосомам разделиться, в то время как сестринские хроматиды останутся связанными своими центромерами. [7]
В метафазе I мейоза I пары гомологичных хромосом, также известные как биваленты или тетрады , выстраиваются в случайном порядке вдоль метафазной пластинки . [10] Случайная ориентация — это еще один способ для клеток вносить генетические вариации. Мейотические веретена, исходящие из противоположных полюсов веретена, прикрепляются к каждому из гомологов (каждой паре сестринских хроматид) на кинетохоре . [8]
В анафазе I мейоза I гомологичные хромосомы отрываются друг от друга. Гомологи расщепляются ферментом сепаразой, чтобы высвободить когезин, который удерживал плечи гомологичных хромосом вместе. [8] Это позволяет освободить хиазмы и гомологам переместиться к противоположным полюсам клетки. [8] Гомологичные хромосомы теперь случайным образом разделяются на две дочерние клетки, которые пройдут мейоз II, чтобы произвести четыре гаплоидные дочерние половые клетки . [2]
После разделения тетрад гомологичных хромосом в мейозе I сестринские хроматиды из каждой пары разделяются. Две гаплоидные дочерние клетки (число хромосом сократилось 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), полученные в результате мейоза I, подвергаются еще одному клеточному делению в мейозе II, но без еще одного раунда хромосомной репликации. Сестринские хроматиды в двух дочерних клетках разделяются во время анафазы II волокнами ядерного веретена, в результате чего образуются четыре гаплоидные дочерние клетки. [2]
Гомологичные хромосомы не функционируют в митозе так же, как в мейозе. Перед каждым митотическим делением, которое проходит клетка, хромосомы в родительской клетке реплицируются. Гомологичные хромосомы внутри клетки обычно не объединяются в пары и не подвергаются генетической рекомбинации друг с другом. [10] Вместо этого репликанты, или сестринские хроматиды, выстраиваются вдоль метафазной пластинки, а затем разделяются так же, как в мейозе II — раздвигаясь в своих центромерах ядерными митотическими веретенами. [11] Если какой-либо кроссинговер происходит между сестринскими хроматидами во время митоза, он не производит никаких новых рекомбинантных генотипов. [2]
Гомологичное спаривание в большинстве контекстов будет относиться к клеткам зародышевой линии, однако также имеет место в соматических клетках. Например, у людей соматические клетки имеют очень жестко регулируемое гомологичное спаривание (разделенное на хромосомные территории и спаривание в определенных локусах под контролем сигналов развития). Однако другие виды (особенно Drosophila ) демонстрируют гомологичное спаривание гораздо чаще. У Drosophila гомологичное спаривание поддерживает явление регуляции генов, называемое трансвекцией , при котором аллель на одной хромосоме влияет на экспрессию гомологичного аллеля на гомологичной хромосоме. [12] Одной из заметных функций этого является половая диморфная регуляция генов, сцепленных с Х- хромосомой . [13]
Когда хромосомы не разделяются должным образом, возникают серьезные последствия. Неправильная сегрегация может привести к проблемам с фертильностью , гибели эмбриона , врожденным дефектам и раку . [14] Хотя механизмы спаривания и склеивания гомологичных хромосом различаются у разных организмов, правильное функционирование этих механизмов необходимо для правильной сортировки конечного генетического материала . [14]
Правильное разделение гомологичных хромосом в мейозе I имеет решающее значение для разделения сестринских хроматид в мейозе II. [14] Неспособность правильно разделить известна как нерасхождение. Существует два основных типа нерасхождения: трисомия и моносомия . Трисомия вызвана наличием одной дополнительной хромосомы в зиготе по сравнению с нормальным числом, а моносомия характеризуется наличием на одну хромосому меньше в зиготе по сравнению с нормальным числом. Если это неравномерное деление происходит в мейозе I, то ни одна из дочерних клеток не будет иметь правильного распределения хромосом, и могут возникнуть нетипичные эффекты, включая синдром Дауна. [15] Неравное деление может также происходить во время второго мейотического деления. Нерасхождение, которое происходит на этой стадии, может привести к нормальным дочерним клеткам и деформированным клеткам. [5]
Хотя основная функция гомологичных хромосом заключается в их использовании в ядерном делении, они также используются для восстановления двухцепочечных разрывов ДНК . [16] Эти двухцепочечные разрывы могут возникать при репликации ДНК и чаще всего являются результатом взаимодействия ДНК с естественными повреждающими молекулами, такими как активные формы кислорода . Гомологичные хромосомы могут восстанавливать это повреждение, выравниваясь с хромосомами той же генетической последовательности. [16] После того, как пары оснований были сопоставлены и правильно ориентированы между двумя цепями, гомологичные хромосомы выполняют процесс, который очень похож на рекомбинацию или кроссинговер, как это наблюдается в мейозе. Часть неповрежденной последовательности ДНК перекрывается с последовательностью поврежденной хромосомы . Затем репликационные белки и комплексы привлекаются к месту повреждения, что позволяет выполнить восстановление и правильную репликацию. Благодаря этому функционированию двухцепочечные разрывы могут быть восстановлены, и ДНК может нормально функционировать. [16]
Текущие и будущие исследования по теме гомологичной хромосомы в значительной степени сосредоточены на роли различных белков во время рекомбинации или во время репарации ДНК. В недавно опубликованной статье Пеццы и др. [ which? ] белок, известный как HOP2, отвечает как за синапсис гомологичной хромосомы, так и за репарацию двухцепочечных разрывов посредством гомологичной рекомбинации. Удаление HOP2 у мышей имеет большие последствия в мейозе. [17] Другие текущие исследования также сосредоточены на конкретных белках, участвующих в гомологичной рекомбинации.
Продолжаются исследования, касающиеся способности гомологичных хромосом восстанавливать двухцепочечные разрывы ДНК. Исследователи изучают возможность использования этой способности для регенеративной медицины. [18] Эта медицина может быть очень распространена в отношении рака, поскольку считается, что повреждение ДНК способствует канцерогенезу. Манипулирование функцией восстановления гомологичных хромосом может позволить улучшить систему реагирования клеток на повреждения. Хотя исследования еще не подтвердили эффективность такого лечения, оно может стать полезной терапией при раке. [19]
