Пара гомологичных хромосом , или гомологов , представляет собой 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 . [1] Это основа менделевской наследственности , которая характеризует закономерности наследования генетического материала от организма к родительской клетке его потомства в данное время и в данном регионе. [2]
Хромосомы представляют собой линейное расположение конденсированной дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК) и белков- гистонов , которые образуют комплекс, называемый хроматином . [2] Гомологичные хромосомы состоят из пар хромосом примерно одинаковой длины, положения центромеры и характера окрашивания для генов с одинаковыми соответствующими локусами . Одна гомологичная хромосома унаследована от матери организма; другой унаследован 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 гомологичных хромосом 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 заметили, что некоторые комбинации аллелей встречаются чаще, чем другие. Эти данные и информация были дополнительно изучены Томасом Морганом . Используя тестовые перекрестные эксперименты, он обнаружил, что у одного родителя аллели генов, расположенных рядом друг с другом по длине хромосомы, движутся вместе. Используя эту логику, он пришел к выводу, что два гена, которые он изучал, расположены в гомологичных хромосомах. Позже, в 1930-х годах, Гарриет Крейтон и Барбара МакКлинток изучали мейоз в клетках кукурузы и исследовали локусы генов 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 диплоидного организма, имеющие схожие гены, хотя и не обязательно идентичные. [4] Есть два основных свойства гомологичных хромосом: 1) длина хромосомных плеч и 2) расположение центромеры. [5]
Фактическая длина руки в соответствии с расположением генов критически важна для правильного выравнивания. Расположение центромер на хромосоме можно охарактеризовать четырьмя основными типами расположения: метацентрическим , субметацентрическим , акроцентрическим или телоцентрическим . Оба эти свойства (т.е. длина хромосомных плеч и расположение хромосомной центромеры) являются основными факторами создания структурной гомологии между хромосомами. Следовательно, когда существуют две хромосомы, содержащие относительно одинаковую структуру (например, материнская хромосома 15 и отцовская хромосома 15), они способны соединяться вместе посредством процесса синапса с образованием гомологичных хромосом. [6]
Поскольку гомологичные хромосомы не идентичны и происходят не из одного организма, они отличаются от сестринских хроматид . Сестринские хроматиды образуются после репликации ДНК и, таким образом, представляют собой идентичные, расположенные рядом дубликаты друг друга. [7]
Всего у человека 46 хромосом, но гомологичных аутосомных хромосом всего 22 пары. Дополнительная 23- я пара — это половые хромосомы X и Y.
Обратите внимание, что пара половых хромосом может быть гомологичной, а может и нет, в зависимости от пола человека. Например, женщины содержат XX и, следовательно, имеют гомологичную пару половых хромосом. Это означает, что у самок всего 23 пары гомологичных хромосом (т. е. 22 пары неполовых хромосом (аутосом), 1 пара половых хромосом). И наоборот, мужчины содержат XY, что означает, что у них есть негомологичная пара половых хромосом в качестве 23-й пары хромосом.
У человека 22 пары гомологичных аутосомных хромосом содержат одни и те же гены, но кодируют разные признаки в своих аллельных формах, поскольку один из них был унаследован от матери, а другой - от отца. [8]
Итак, у человека в каждой клетке, содержащей ядро, имеется два набора по 23 хромосомы. Один набор из 23 хромосом (n) от матери (22 аутосомы, 1 половая хромосома (только X)) и один 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 играют важную роль в процессах мейоза и митоза. Они допускают рекомбинацию и случайное разделение генетического материала матери и отца в новые клетки. [9]
Мейоз — это цикл двух клеточных делений, в результате которого образуются четыре гаплоидные дочерние клетки, каждая из которых содержит половину числа хромосом по сравнению с родительской клеткой. [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 обычно дольше, чем мейоз II, потому что требуется больше времени для репликации хроматина и для правильной ориентации и разделения гомологичных хромосом в результате процессов спаривания и синапса в мейозе I. [7] Во время мейоза генетические рекомбинация (путем случайного разделения) и кроссинговер производят дочерние клетки, каждая из которых содержит разные комбинации генов, закодированных по материнской и отцовской линии. [10] Эта рекомбинация генов позволяет вводить новые пары аллелей и генетические вариации. [2] Генетическая изменчивость среди организмов помогает сделать популяцию более стабильной, предоставляя более широкий спектр генетических признаков, на которые воздействует естественный отбор . [2]
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 одинаковых хроматид, соединенных общей центромерой. [10] На стадии зиготены профазы I гомологичные хромосомы соединяются друг с другом. [10] Это спаривание происходит посредством процесса синапса, при котором синаптонемный комплекс – белковый каркас – собирается и присоединяется к гомологичным хромосомам по их длине. [7] Сшивка когезина происходит между гомологичными хромосомами и помогает им противостоять разрыву до анафазы . [8] Генетический кроссинговер , тип рекомбинации, происходит во время пахитенной стадии профазы I. [10] Кроме того, часто происходит другой тип рекомбинации, называемый синтез-зависимым 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 хромосом. [7] Структуры, называемые хиазмами , являются местом обмена. Хиазмы физически связывают гомологичные хромосомы после кроссинговера и на протяжении всего процесса хромосомной сегрегации во время мейоза. [7] Как некроссоверный, так и кроссоверный типы рекомбинации функционируют как процессы восстановления повреждений ДНК , особенно двухцепочечных разрывов. На стадии диплотены профазы I синаптонемный комплекс разбирается, что позволяет гомологичным хромосомам разделиться, в то время как сестринские хроматиды остаются 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 внесения в клетки генетических вариаций. Мейотические веретена, исходящие от 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 с высвобождением когезина, который удерживает вместе гомологичные плечи хромосом. [8] Это позволяет хиазмам освободиться и гомологам переместиться к противоположным полюсам клетки. [8] Гомологичные хромосомы теперь случайным образом разделяются на две дочерние клетки, которые подвергаются мейозу II с образованием четырех гаплоидных дочерних зародышевых клеток . [2]
После разделения тетрад гомологичных хромосом в мейозе I отделяются сестринские хроматиды из каждой пары. Две гаплоидные дочерние клетки (количество хромосом сократилось вдвое: раньше присутствовало два набора хромосом, но теперь каждый набор существует в двух разных дочерних клетках, возникших из одной диплоидной родительской клетки в результате мейоза I), возникающие в результате мейоза. Я претерпеваю еще одно деление клеток в мейозе II, но без еще одного раунда хромосомной репликации. Сестринские хроматиды в двух дочерних клетках во время анафазы II раздвигаются волокнами ядерного веретена, в результате чего образуются четыре гаплоидные дочерние клетки. [2]
Гомологичные хромосомы в митозе функционируют не так, как в мейозе. Перед каждым митотическим делением клетки хромосомы родительской клетки копируют себя. Гомологичные хромосомы внутри клетки обычно не образуют 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 при мейозе II – путем разрыва центромер ядерными митотическими веретенами. [11] Если во время митоза между сестринскими хроматидами действительно происходит какой-либо кроссинговер, он не приводит к образованию новых рекомбинантных генотипов. [2]
Гомологическое спаривание в большинстве случаев относится к клеткам зародышевой линии, однако также имеет место и в соматических клетках. Например, у людей соматические клетки имеют очень жестко регулируемое гомологическое спаривание (разделенное на хромосомные территории и спаривание в определенных локусах под контролем передачи сигналов развития). Однако другие виды (особенно Drosophila ) демонстрируют гомологичное спаривание гораздо чаще. У дрозофилы гомологичное спаривание поддерживает феномен регуляции генов, называемый трансвекцией , при котором аллель на одной хромосоме влияет на экспрессию гомологичного аллеля на гомологичной хромосоме. [12] Одной из примечательных функций этого механизма является половая диморфная регуляция Х-сцепленных генов. [13]
Если хромосомы не разделяются должным образом, это может иметь серьезные последствия. Неправильная сегрегация может привести к проблемам с фертильностью , гибели эмбрионов , врожденным дефектам и раку . [14] Хотя механизмы спаривания и присоединения гомологичных хромосом различаются у разных организмов, правильное функционирование этих механизмов необходимо для правильной сортировки окончательного генетического материала . [14]
Правильное разделение гомологичных хромосом в мейозе I имеет решающее значение для разделения сестринских хроматид в мейозе II. [14] Неспособность правильно разделиться называется нерасхождением. Встречаются два основных типа нерасхождения: трисомия и моносомия . Трисомия обусловлена наличием в зиготе одной дополнительной хромосомы по сравнению с нормальным числом, а моносомия характеризуется наличием в зиготе на одну хромосому меньше по сравнению с нормальным числом. Если такое неравномерное деление происходит при мейозе I, то ни одна из дочерних клеток не будет иметь правильного хромосомного распределения, и могут возникнуть нетипичные эффекты, включая синдром Дауна. [15] Неравномерное деление может также произойти во время второго мейотического деления. Нерасхождение, возникающее на этой стадии, может привести к образованию нормальных дочерних клеток и деформированных клеток. [5]
Хотя основной функцией гомологичных хромосом является их использование в делении ядра, 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 встречающимися в природе повреждающими молекулами, такими как активные формы кислорода . Гомологичные хромосомы могут исправить это повреждение, присоединяясь к хромосомам той же генетической последовательности. [16] Как только пары оснований подобраны и правильно ориентированы между двумя цепями, гомологичные хромосомы выполняют процесс, который очень похож на рекомбинацию или кроссинговер, как это наблюдается при мейозе. Часть неповрежденной последовательности ДНК перекрывается с последовательностью поврежденной хромосомы . Репликационные белки и комплексы затем рекрутируются к месту повреждения, обеспечивая восстановление и правильную репликацию. Благодаря этому функционированию можно восстановить двухцепочечные разрывы, и ДНК может нормально функционировать. [16]
Текущие и будущие исследования гомологичных хромосом в значительной степени сосредоточены на роли различных белков во время рекомбинации или восстановления ДНК. В недавно опубликованной статье Pezza et al. [ который? ] белок, известный как HOP2, отвечает как за синапсис гомологичных хромосом, так и за восстановление двухцепочечных разрывов посредством гомологичной рекомбинации. Удаление HOP2 у мышей имеет серьезные последствия для мейоза. [17] 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. [18] Это лекарство может быть очень распространенным 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 полезным средством лечения рака. [19]
{{cite book}}: |work=игнорируется ( помощь )