Центромера связывает пару сестринских хроматид вместе во время деления клетки. Эта суженная область хромосомы соединяет сестринские хроматиды, создавая короткое плечо (p) и длинное плечо (q) на хроматидах. Во время митоза нити веретена деления прикрепляются к центромере через кинетохор .
Физическая роль центромеры заключается в том, чтобы выступать в качестве места сборки кинетохор — чрезвычайно сложной мультипротеиновой структуры, которая отвечает за реальные события сегрегации хромосом , то есть за связывание микротрубочек и передачу сигналов механизму клеточного цикла, когда все хромосомы правильно прикрепились к веретену , так что деление клеток может безопасно завершиться и клетки войдут в анафазу .
В широком смысле существует два типа центромер. «Точечные центромеры» связываются со специфическими белками , которые с высокой эффективностью распознают определенные последовательности ДНК . Любой фрагмент ДНК с точечной центромерной последовательностью ДНК на нем обычно образует центромеру, если присутствует в соответствующем виде. Наиболее охарактеризованными точечными центромерами являются центромеры почкующихся дрожжей Saccharomyces cerevisiae . «Региональные центромеры» — это термин, придуманный для описания большинства центромер, которые обычно образуются на участках предпочтительной последовательности ДНК, но которые могут образовываться и на других последовательностях ДНК. Сигнал для образования региональной центромеры, по-видимому, является эпигенетическим . Большинство организмов, от делящихся дрожжей Schizosaccharomyces pombe до людей, имеют региональные центромеры.
Что касается структуры митотической хромосомы, центромеры представляют собой суженную область хромосомы (часто называемую первичной перетяжкой), где две идентичные сестринские хроматиды наиболее тесно контактируют. Когда клетки вступают в митоз, сестринские хроматиды (две копии каждой молекулы хромосомной ДНК, возникающие в результате репликации ДНК в форме хроматина) связываются по всей своей длине под действием комплекса когезина . В настоящее время считается, что этот комплекс в основном высвобождается из плеч хромосом во время профазы, так что к тому времени, когда хромосомы выстраиваются в средней плоскости митотического веретена (также известной как метафазная пластинка), последнее место, где они связаны друг с другом, находится в хроматине внутри и вокруг центромеры.
У людей положение центромеры определяет хромосомный кариотип , в котором каждая хромосома имеет два плеча, p (более короткое из двух) и q (более длинное). Короткое плечо «p», как сообщается, названо в честь французского слова «petit», что означает «маленький». [1] Положение центромеры относительно любой конкретной линейной хромосомы используется для классификации хромосом как метацентрических, субметацентрических, акроцентрических, телоцентрических или голоцентрических. [2] [3]
Метацентрический означает, что центромера расположена посередине между концами хромосомы, в результате чего плечи примерно равны по длине. Когда центромеры метацентрические, хромосомы кажутся «x-образными».
Субметацентрический означает, что центромера расположена ниже середины, причем одно плечо хромосомы короче другого, что часто приводит к L-образной форме.
Центромера акроцентрической хромосомы расположена таким образом, что одно из плеч хромосомы намного короче другого. «Акро-» в слове «акроцентрический» относится к греческому слову «вершина». Геном человека состоит из шести акроцентрических хромосом, включая пять аутосомных хромосом ( 13 , 14 , 15 , 21 , 22 ) и Y-хромосому .
Короткие акроцентрические p-плечи содержат мало генетического материала и могут быть транслоцированы без существенного вреда, как при сбалансированной робертсоновской транслокации . В дополнение к некоторым генам, кодирующим белок, человеческие акроцентрические p-плечи также содержат области организатора ядрышка (NOR), с которых транскрибируется рибосомная РНК . Однако часть акроцентрических p-плеч в клеточных линиях и тканях от нормальных доноров-людей не содержит обнаруживаемых NOR. [4] Геном домашней лошади включает одну метацентрическую хромосому, которая гомологична двум акроцентрическим хромосомам у конспецифичной , но неодомашненной лошади Пржевальского . Это может отражать либо фиксацию сбалансированной робертсоновской транслокации у домашних лошадей, либо, наоборот, фиксацию деления одной метацентрической хромосомы на две акроцентрические хромосомы у лошадей Пржевальского. Аналогичная ситуация существует между геномами человека и человекообразных обезьян: у человекообразных обезьян происходит редукция двух акроцентрических хромосом до одной метацентрической хромосомы у человека (см. анеуплоидия и человеческая хромосома 2 ).
Многие заболевания, возникающие в результате несбалансированных транслокаций, чаще затрагивают акроцентрические хромосомы, чем другие неакроцентрические хромосомы. Акроцентрические хромосомы обычно располагаются внутри и вокруг ядрышка . В результате эти хромосомы имеют тенденцию быть менее плотно упакованными, чем хромосомы на периферии ядра. Соответственно, менее плотно упакованные хромосомные регионы также более склонны к хромосомным транслокациям при раке.
Телоцентрические хромосомы имеют центромеру на одном конце хромосомы и, следовательно, демонстрируют только одно плечо на цитологическом (микроскопическом) уровне. Они не присутствуют у людей, но могут образовываться посредством клеточных хромосомных ошибок. Телоцентрические хромосомы встречаются в природе у многих видов, например, у домовой мыши , у которой все хромосомы, кроме Y, являются телоцентрическими.
Центромеры субтелоцентрических хромосом расположены между серединой и концом хромосом, но находятся ближе к концу хромосом.
Ацентрическая хромосома — это фрагмент хромосомы, в котором отсутствует центромера. Поскольку центромеры являются точкой прикрепления веретенных волокон при клеточном делении, ацентрические фрагменты неравномерно распределяются по дочерним клеткам во время деления. В результате дочерняя клетка будет лишена ацентрического фрагмента, и могут возникнуть пагубные последствия.
События разрыва хромосом также могут приводить к образованию ацентрических хромосом или ацентрических фрагментов.
Дицентрическая хромосома — это аномальная хромосома с двумя центромерами, которая может быть нестабильной при делении клеток. Она может образоваться в результате транслокации или слияния двух сегментов хромосом, каждый из которых имеет центромеру. Некоторые перестройки приводят к образованию как дицентрических хромосом, так и ацентрических фрагментов, которые не могут прикрепляться к веретенам при митозе. [5] Образование дицентрических хромосом приписывают генетическим процессам, таким как робертсоновская транслокация [6] и парацентрическая инверсия. [7] Дицентрические хромосомы могут иметь различные судьбы, включая митотическую стабильность. [8] В некоторых случаях их стабильность обусловлена инактивацией одной из двух центромер, что делает функционально моноцентрическую хромосому способной к нормальной передаче дочерним клеткам во время деления клетки. [9]
Например, человеческая хромосома 2 , которая, как полагают, является результатом Робертсоновской транслокации в какой-то момент эволюции между человекообразными обезьянами и Homo , имеет вторую, рудиментарную центромеру около середины ее длинного плеча. [10]
Моноцентрическая хромосома — это хромосома, имеющая только одну центромеру и образующая узкую перетяжку .
Моноцентрические центромеры являются наиболее распространенной структурой в высокоповторяющейся ДНК у растений и животных. [11]
В отличие от моноцентрических хромосом, голоцентрические хромосомы не имеют четкой первичной перетяжки при просмотре в митозе. Вместо этого веретенообразные волокна прикрепляются почти по всей (греч. holo-) длине хромосомы. В голоцентрических хромосомах центромерные белки, такие как CENPA (CenH3), распределены по всей хромосоме. [12] Нематода Caenorhabditis elegans является хорошо известным примером организма с голоцентрическими хромосомами, [13] но этот тип центромеры можно найти у различных видов, растений и животных, среди эукариот. Голоцентромеры на самом деле состоят из нескольких распределенных центромерных единиц, которые образуют линейную структуру вдоль хромосом во время митоза. [14] Альтернативные или нетрадиционные стратегии применяются в мейозе для достижения гомологичного спаривания и сегрегации хромосом, необходимых для производства жизнеспособных гамет или гаметофитов для полового размножения.
У разных видов существуют разные типы голоцентромер, а именно с центромерными повторяющимися последовательностями ДНК или без них, а также с CenH3 или без него . Холоцентричность развивалась по крайней мере 13 раз независимо у разных зеленых водорослей, простейших, беспозвоночных и разных семейств растений. [15] В отличие от моноцентрических видов, где ацентрические фрагменты обычно теряются во время деления клеток, разрыв голоцентрических хромосом создает фрагменты с нормальными местами прикрепления веретенных волокон. [16] Из-за этого организмы с голоцентрическими хромосомами могут быстрее развивать вариации кариотипа, способные исцелять фрагментированные хромосомы посредством последующего добавления теломерных колпачков в местах разрыва. [17]
Полицентрические хромосомы имеют несколько кластеров кинетохор, т. е. центром. Термин частично совпадает с термином «холоцентрический», но «полицентрический» явно предпочтительнее при обсуждении дефектно сформированных моноцентрических хромосом. Существует также некоторая фактическая двусмысленность, поскольку нет четкой линии, разделяющей переход от кинетохор, покрывающих всю хромосому, к отдельным кластерам. Другими словами, разница между «вся хромосома является центромом» и «хромосома не имеет центрома» неясна и ее использование варьируется. Помимо того, что «полицентричность» используется больше в отношении дефектов, нет явных предпочтений в других темах, таких как эволюционное происхождение или распределение кинетохор и подробная структура (например, как видно при маркировке или анализе сборки генома ). [18] [19] [20] [21]
Даже четко различимые кластеры белков кинетохора не обязательно производят более одного сужения: «метаполицентрические» хромосомы характеризуются одним удлиненным сужением хромосомы, соединяющим более длинный сегмент, который все еще визуально короче хроматид. [22] Метаполицентрические хромосомы могут быть шагом в возникновении и подавлении центромерного драйва, типа мейотического драйва , который нарушает четность за счет того, что моноцентрические центромеры выращивают дополнительные белки кинетохора, чтобы получить преимущество во время мейоза. [23]
На основании микрографических характеристик размера, положения центромеры и иногда наличия хромосомного спутника человеческие хромосомы классифицируются на следующие группы: [24]
Существует два типа центромер. [25] В региональных центромерах последовательности ДНК вносят вклад, но не определяют функцию. Региональные центромеры содержат большое количество ДНК и часто упакованы в гетерохроматин . У большинства эукариот последовательность ДНК центромеры состоит из больших массивов повторяющейся ДНК (например, сателлитной ДНК ), где последовательность внутри отдельных повторяющихся элементов похожа, но не идентична. У людей первичная центромерная повторяющаяся единица называется α-сателлитом (или альфоидом), хотя в этой области обнаружен ряд других типов последовательностей. [26] Предполагается, что сателлиты центромеры эволюционируют в процессе, называемом послойным расширением. Они быстро эволюционируют между видами, и анализы на диких мышах показывают, что число копий сателлитов и гетерогенность связаны с происхождением популяции и подвидами. [27] Кроме того, сателлитные последовательности могут быть затронуты инбридингом. [27]
Точечные центромеры меньше и более компактны. Последовательности ДНК необходимы и достаточны для определения идентичности и функции центромеры в организмах с точечными центромерами. У почкующихся дрожжей область центромеры относительно мала (около 125 п.н. ДНК) и содержит две высококонсервативные последовательности ДНК, которые служат сайтами связывания для основных белков кинетохора . [26]
Поскольку центромерная последовательность ДНК не является ключевым фактором, определяющим центромерную идентичность у метазоа , считается, что эпигенетическое наследование играет важную роль в определении центромеры. [28] Дочерние хромосомы будут собирать центромеры в том же месте, что и родительская хромосома, независимо от последовательности. Было высказано предположение, что вариант гистона H3 CENP-A (белок Центромеры A) является эпигенетической меткой центромеры. [29] Возникает вопрос, должен ли существовать какой-то оригинальный способ определения центромеры, даже если он впоследствии распространяется эпигенетически. Если центромера наследуется эпигенетически от одного поколения к другому, проблема отодвигается к происхождению первых метазоа.
С другой стороны, благодаря сравнению центромер в X-хромосомах, в этих регионах были обнаружены эпигенетические и структурные вариации. Кроме того, недавняя сборка человеческого генома обнаружила возможный механизм того, как развиваются перицентромерные и центромерные структуры, посредством модели слоистого расширения для последовательностей αSat. Эта модель предполагает, что различные повторы последовательности αSat периодически возникают и расширяются в пределах активного вектора, вытесняя старые последовательности и становясь местом сборки кинетохора. αSat может происходить из того же или из разных векторов. Поскольку этот процесс повторяется с течением времени, слои, которые фланкируют активную центромеру, сжимаются и разрушаются. Этот процесс поднимает вопросы о связи между этим динамическим эволюционным процессом и положением центромеры. [30]
Центромерная ДНК обычно находится в гетерохроматиновом состоянии, что необходимо для набора комплекса когезина , который опосредует сцепление сестринских хроматид после репликации ДНК, а также координирует разделение сестринских хроматид во время анафазы. В этом хроматине нормальный гистон H3 заменен на специфичный для центромеры вариант, CENP-A у людей. [31] Считается, что присутствие CENP-A важно для сборки кинетохора на центромере. Было показано, что CENP-C локализуется почти исключительно в этих областях хроматина, связанного с CENP-A. В клетках человека гистоны, как обнаружено, наиболее обогащены H4K20me 3 и H3K9me3 [32] , которые являются известными гетерохроматическими модификациями. У дрозофилы острова ретроэлементов являются основными компонентами центромер. [33]
У дрожжей Schizosaccharomyces pombe (и, вероятно, у других эукариот) образование центромерного гетерохроматина связано с РНК-интерференцией . [34] У нематод, таких как Caenorhabditis elegans , некоторых растений и насекомых отрядов Lepidoptera и Hemiptera, хромосомы являются «голоцентрическими», что указывает на отсутствие первичного места прикрепления микротрубочек или первичной перетяжки, а «диффузный» кинетохор собирается по всей длине хромосомы.
В редких случаях неоцентромеры могут образовываться на новых участках хромосомы в результате изменения положения центромеры. Это явление наиболее хорошо известно из клинических исследований человека, и в настоящее время известно более 90 человеческих неоцентромер, идентифицированных на 20 различных хромосомах. [35] [36] Образование неоцентромеры должно быть связано с инактивацией предыдущей центромеры, поскольку хромосомы с двумя функциональными центромерами ( дицентрическая хромосома ) приведут к разрыву хромосомы во время митоза. В некоторых необычных случаях наблюдалось, что человеческие неоцентромеры образуются спонтанно на фрагментированных хромосомах. Некоторые из этих новых позиций изначально были эухроматическими и вообще не имели альфа- сателлитной ДНК . Неоцентромеры не имеют повторяющейся структуры, наблюдаемой в нормальных центромерах, что позволяет предположить, что формирование центромеры в основном контролируется эпигенетически . [37] [38] Со временем неоцентромера может накапливать повторяющиеся элементы и созревать в то, что известно как эволюционно новая центромера. Существует несколько хорошо известных примеров в хромосомах приматов, где положение центромеры отличается от положения человеческой центромеры той же хромосомы и считается, что это эволюционно новые центромеры. [37] Было высказано предположение, что изменение положения центромеры и образование эволюционно новых центромер является механизмом видообразования . [ 39]
Белки центромеры также являются аутоантигенной мишенью для некоторых антинуклеарных антител , таких как антицентромерные антитела .
Известно, что неправильная регуляция центромеры способствует неправильной сегрегации хромосом, что тесно связано с раком и выкидышами. В частности, сверхэкспрессия многих генов центромеры связана со злокачественными фенотипами рака. Сверхэкспрессия этих генов центромеры может увеличить геномную нестабильность при раке. Повышенная геномная нестабильность, с одной стороны, связана со злокачественными фенотипами; с другой стороны, она делает опухолевые клетки более уязвимыми для определенных вспомогательных методов лечения, таких как определенные виды химиотерапии и радиотерапии. [40] Нестабильность повторяющейся ДНК центромеры недавно была показана при раке и старении. [41]
Когда разрывы ДНК происходят в центромерах в фазе G1 клеточного цикла , клетки способны задействовать гомологичный рекомбинационный механизм восстановления в поврежденном месте, даже при отсутствии сестринской хроматиды . [42] Похоже, что гомологичный рекомбинационный ремонт может происходить в центромерных разрывах на протяжении всего клеточного цикла, чтобы предотвратить активацию неточных мутагенных путей восстановления ДНК и сохранить целостность центромеры. [42]
Слово центромера ( / ˈ sɛ n t r ə ˌ m ɪər / [43] [44] ) использует комбинированные формы centro- и -mere , что дает « центральную часть», описывая расположение центромеры в центре хромосомы.
{{cite journal}}
: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка ){{cite journal}}
: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )