Chromosomy – biblioteka informacji ukryta w każdej komórce

Organizacja materiału genetycznego

W jednej ludzkiej komórce znajduje się około dwóch metrów DNA. Cała ta niezwykle długa cząsteczka musi zmieścić się w jądrze o średnicy zaledwie kilku mikrometrów. Nie może przy tym zostać przypadkowo splątana ani uszkodzona. Komórka musi również mieć dostęp do zapisanych w DNA informacji, kopiować je przed podziałem i bezpiecznie przekazywać komórkom potomnym.

Rozwiązaniem jest wielopoziomowa organizacja materiału genetycznego. DNA łączy się z białkami, owija wokół histonów, tworzy nukleosomy i coraz bardziej złożone struktury chromatyny. W czasie podziału chromatyna osiąga najwyższy stopień kondensacji i tworzy dobrze widoczne chromosomy.

Chromosom nie jest więc wyłącznie charakterystyczną strukturą w kształcie litery X. To uporządkowana forma organizacji jednej długiej cząsteczki DNA wraz ze związanymi z nią białkami.

DNA, chromatyna i chromosom – czym się różnią?

Pojęcia DNA, chromatyna i chromosom opisują powiązane, ale nieidentyczne elementy.

DNA jest cząsteczką zbudowaną z nukleotydów. To w kolejności zasad azotowych zapisana jest informacja genetyczna.

Chromatyna jest kompleksem DNA oraz związanych z nim białek, przede wszystkim histonów. Stanowi materiał, z którego zbudowane są chromosomy.

Chromosom jest uporządkowaną strukturą utworzoną przez jedną cząsteczkę DNA połączoną z białkami. Stopień jej kondensacji zmienia się w zależności od etapu cyklu komórkowego.

Można zatem powiedzieć, że DNA jest nośnikiem informacji, chromatyna sposobem jego organizacji, a chromosom wyodrębnioną jednostką tej organizacji.

Dlaczego DNA musi być upakowane?

Upakowanie materiału genetycznego nie służy wyłącznie zmieszczeniu DNA w jądrze. Pełni kilka ważnych funkcji:

• chroni DNA przed uszkodzeniami,
• ogranicza przypadkowe splątywanie się długich cząsteczek,
• umożliwia kontrolowanie dostępu do poszczególnych genów,
• ułatwia kopiowanie materiału genetycznego,
• pozwala na równomierne rozdzielenie DNA podczas podziału komórki.

DNA nie może jednak pozostawać przez cały czas maksymalnie skondensowany. Enzymy uczestniczące w transkrypcji, replikacji i naprawie muszą uzyskać dostęp do określonych fragmentów cząsteczki.

Chromatyna jest więc strukturą dynamiczną. Może ulegać rozluźnianiu, gdy informacja ma zostać odczytana, oraz silniejszemu upakowaniu, gdy DNA ma zostać zabezpieczony lub przygotowany do podziału.

Histony – białkowe szpule dla DNA

Jednym z pierwszych poziomów organizacji DNA w komórkach eukariotycznych jest jego połączenie z histonami.

Histony są białkami o przewadze ładunku dodatniego. DNA ma natomiast ładunek ujemny, wynikający z obecności grup fosforanowych. Przeciwne ładunki ułatwiają wzajemne oddziaływanie DNA i histonów.

Osiem cząsteczek histonów tworzy rdzeń histonowy. W jego skład wchodzą po dwie cząsteczki histonów:

• H2A,
• H2B,
• H3,
• H4.

Fragment DNA owija się wokół takiego rdzenia. Powstałą strukturę nazywamy nukleosomem.

Pomiędzy sąsiednimi nukleosomami znajduje się DNA łącznikowy. Z tym odcinkiem może wiązać się histon H1, który pomaga stabilizować bardziej zwarte formy chromatyny.

Nukleosom – podstawowa jednostka organizacji chromatyny

Nukleosom często porównuje się do nici nawiniętej na szpulę. DNA jest „nicią”, a rdzeń histonowy – „szpulą”.

Pod mikroskopem elektronowym chromatyna o niewielkim stopniu kondensacji może przypominać koraliki nanizane na nitkę:

• „koralikami” są nukleosomy,
• „nitką” jest DNA łącznikowy.

Taka organizacja skraca pozorną długość DNA i stanowi podstawę tworzenia struktur wyższego rzędu. Nukleosomy mogą zbliżać się do siebie, tworzyć pętle i wiązać się z dodatkowymi białkami organizującymi chromatynę.

Upakowanie DNA nie polega więc na przypadkowym zwijaniu nici. Jest procesem uporządkowanym i regulowanym.

Od DNA do chromosomu

Organizację materiału genetycznego można przedstawić jako kolejne poziomy:

1. Podwójna helisa DNA łączy się z białkami histonowymi.
2. DNA owija się wokół rdzeni histonowych, tworząc nukleosomy.
3. Nukleosomy organizują się w bardziej zwarte struktury chromatyny.
4. Chromatyna tworzy pętle przytwierdzone do białkowego rusztowania.
5. Pętle ulegają dalszej kondensacji.
6. W czasie podziału komórki powstają silnie skondensowane chromosomy.

W rzeczywistości organizacja chromatyny jest bardziej dynamiczna niż prosty model kolejnych, regularnych włókien. Poszczególne jej fragmenty mogą przyjmować różny stopień upakowania, a ich położenie w jądrze również wpływa na aktywność genów.

Euchromatyna i heterochromatyna

Chromatyna nie jest upakowana jednakowo w całym jądrze.

Euchromatyna jest zwykle mniej skondensowana. Enzymy i inne białka mają do niej łatwiejszy dostęp, dlatego częściej znajdują się w niej aktywnie odczytywane geny.

Heterochromatyna jest silniej upakowana i zazwyczaj mniej aktywna transkrypcyjnie. Może pełnić funkcje ochronne i strukturalne. Występuje między innymi w okolicach centromerów oraz telomerów.

Nie oznacza to jednak, że cała euchromatyna jest zawsze aktywna, a wszystkie fragmenty heterochromatyny pozostają trwale wyłączone. Stopień kondensacji chromatyny może zmieniać się w zależności od typu komórki, etapu rozwoju i odbieranych sygnałów.

Czy chromosomy pojawiają się dopiero podczas mitozy?

Chromosomy istnieją przez cały cykl komórkowy. Nie powstają nagle na początku podziału i nie znikają po jego zakończeniu.

W interfazie są jednak znacznie mniej skondensowane. Poszczególne chromosomy zajmują w jądrze określone obszary, nazywane terytoriami chromosomowymi, ale zwykle nie można ich rozróżnić pod mikroskopem świetlnym jako osobnych struktur.

Przed podziałem chromatyna silnie się kondensuje. Chromosomy stają się krótsze, grubsze i łatwiejsze do przemieszczania. Dzięki temu mogą zostać precyzyjnie rozdzielone pomiędzy komórki potomne.

Po zakończeniu podziału ulegają dekondensacji, a zawarte w nich geny ponownie stają się dostępne dla aparatu komórkowego.

Dlaczego chromosom jest przedstawiany jako litera X?

Charakterystyczny chromosom w kształcie litery X jest strukturą:

• po replikacji DNA,
• złożoną z dwóch chromatyd siostrzanych,
• silnie skondensowaną,
• typową dla określonych etapów podziału komórki.

Przed replikacją chromosom zawiera jedną chromatydę, czyli jedną cząsteczkę DNA. Po replikacji składa się z dwóch chromatyd siostrzanych, z których każda zawiera własną cząsteczkę DNA.

Obie chromatydy pozostają połączone do momentu ich rozdzielenia podczas podziału.

Litera X nie jest więc uniwersalnym wyglądem chromosomu. To jedna z jego przejściowych postaci.

Chromatyda, chromosom i cząsteczka DNA

Relacja pomiędzy tymi pojęciami często sprawia trudność.

Przed replikacją:

• jeden chromosom składa się z jednej chromatydy,
• jedna chromatyda zawiera jedną cząsteczkę DNA.

Po replikacji:

• jeden chromosom składa się z dwóch chromatyd siostrzanych,
• każda chromatyda zawiera jedną cząsteczkę DNA,
• cały zreplikowany chromosom zawiera dwie cząsteczki DNA.

Po rozdzieleniu chromatyd każda z nich staje się samodzielnym chromosomem potomnym.

Liczbę chromosomów określa się na podstawie liczby centromerów. Dlatego po replikacji liczba chromosomów się nie zmienia, chociaż liczba chromatyd i cząsteczek DNA ulega podwojeniu.

Przykład – ludzka komórka somatyczna

Przed replikacją:

• 46 chromosomów,
• 46 chromatyd,
• 46 cząsteczek DNA.

Po replikacji:

• 46 chromosomów,
• 92 chromatydy,
• 92 cząsteczki DNA.

Po rozdzieleniu chromatyd, zanim komórka fizycznie podzieli się na dwie:

• w jednej komórce znajduje się chwilowo 92 chromosomy,
• każdy z nich składa się z jednej chromatydy.

Po cytokinezie każda komórka potomna otrzymuje po 46 chromosomów.

Chromatydy siostrzane a chromosomy homologiczne

Chromatydy siostrzane powstają w wyniku replikacji jednego chromosomu. Zawierają niemal identyczną informację genetyczną, chociaż w czasie kopiowania DNA może powstać mutacja.

Chromosomy homologiczne tworzą parę, w której:

• jeden chromosom pochodzi od matki,
• drugi pochodzi od ojca,
• oba zawierają te same rodzaje genów w odpowiadających sobie loci,
• mogą zawierać różne wersje tych genów, czyli allele.

Przykładowo oba chromosomy homologiczne mogą zawierać gen wpływający na określoną cechę, ale jeden może mieć inny allel tego genu niż drugi.

Chromosomy homologiczne nie są więc kopiami tej samej cząsteczki. Są podobne pod względem budowy i rozmieszczenia genów, ale nie muszą mieć identycznej sekwencji DNA.

Centromer i kinetochor – to nie to samo

Centromer jest obszarem chromosomu, w którym chromatydy siostrzane pozostają ze sobą najściślej związane. Ma charakterystyczną organizację chromatyny i odgrywa ważną rolę w prawidłowym rozdziale chromosomów.

W obrębie centromeru tworzy się kinetochor – kompleks zbudowany z wielu białek. To właśnie do kinetochoru przyłączają się mikrotubule wrzeciona podziałowego.

Najprościej można powiedzieć, że:

• centromer jest obszarem chromosomu,
• kinetochor jest strukturą białkową powstającą w jego obrębie.

Położenie centromeru pozwala wyróżnić ramiona chromosomu:

• krótsze ramię oznaczamy literą p,
• dłuższe ramię oznaczamy literą q.

Położenie centromeru może się różnić pomiędzy chromosomami, dlatego ich kształty nie są identyczne.

Telomery – ochrona końców chromosomów

Końce liniowych chromosomów są zabezpieczone przez telomery. Składają się one z wielokrotnie powtórzonych sekwencji DNA oraz związanych z nimi białek.

Telomery:

• chronią końce chromosomów przed degradacją,
• zapobiegają rozpoznawaniu ich jako uszkodzonego DNA,
• ograniczają nieprawidłowe łączenie się końców różnych chromosomów,
• uczestniczą w rozwiązaniu problemu kopiowania końców liniowego DNA.

W większości dojrzałych komórek somatycznych telomery stopniowo skracają się podczas kolejnych podziałów. W niektórych komórkach działa telomeraza – enzym umożliwiający ich wydłużanie.

Telomeraza jest aktywna między innymi w części komórek macierzystych, komórkach linii płciowej oraz wielu komórkach nowotworowych.

Gen, locus i allel

Chromosom zawiera wiele genów oraz licznych sekwencji niekodujących.

Gen jest odcinkiem DNA zawierającym informację potrzebną do wytworzenia określonego produktu funkcjonalnego – RNA albo białka.

Locus to określone miejsce genu lub innej sekwencji na chromosomie.

Allel jest jedną z wersji danego genu.

Chromosomy homologiczne mają te same geny rozmieszczone w odpowiadających sobie loci, ale mogą zawierać różne allele. To jedna z przyczyn występowania różnic genetycznych pomiędzy osobnikami.

Nie należy utożsamiać chromosomu z pojedynczym genem. Jeden chromosom zawiera bardzo wiele genów oraz sekwencji uczestniczących między innymi w regulacji ich aktywności i organizacji DNA.

Ile chromosomów ma człowiek?

Typowa diploidalna komórka somatyczna człowieka zawiera 46 chromosomów, czyli 23 pary:

• 22 pary autosomów,
• jedną parę chromosomów płci.

Gamety są haploidalne i zawierają po 23 chromosomy – po jednym z każdej pary.

Liczba 46 nie dotyczy jednak dosłownie każdej ludzkiej komórki:

• dojrzałe erytrocyty nie mają jądra, a więc nie zawierają chromosomów jądrowych,
• gamety mają 23 chromosomy,
• niektóre komórki mogą mieć więcej niż jeden zestaw chromosomów lub więcej niż jedno jądro,
• w komórkach nowotworowych często występują nieprawidłowości liczby i budowy chromosomów.

Dlatego stwierdzenie „każda komórka człowieka ma 46 chromosomów” jest uproszczeniem. Poprawniej powiedzieć, że większość diploidalnych komórek somatycznych człowieka ma 46 chromosomów.

Haploidalność i diploidalność

Symbol n oznacza liczbę różnych chromosomów w pojedynczym zestawie.

Komórka haploidalna zawiera jeden zestaw chromosomów. U człowieka:

n = 23

Komórka diploidalna zawiera dwa zestawy chromosomów – jeden pochodzący od matki, a drugi od ojca:

2n = 46

Diploidalność nie oznacza, że każdy chromosom występuje w postaci dwóch chromatyd. Liczba zestawów chromosomów i liczba chromatyd opisują inne cechy komórki.

Komórka po replikacji nadal jest diploidalna, mimo że każdy jej chromosom składa się już z dwóch chromatyd siostrzanych.

Kariotyp i kariogram

Kariotyp oznacza pełny zestaw chromosomów charakterystyczny dla komórki lub organizmu. Uwzględnia ich liczbę, wielkość i budowę.

Kariogram jest uporządkowanym obrazem chromosomów. Chromosomy zestawia się w pary homologiczne i porządkuje między innymi według wielkości, położenia centromeru oraz wzoru prążków.

Kariogram umożliwia ocenę liczby i struktury chromosomów. Może pomóc w wykrywaniu niektórych zmian, takich jak:

• obecność dodatkowego chromosomu,
• brak jednego chromosomu z pary,
• utrata fragmentu chromosomu,
• przeniesienie fragmentu pomiędzy chromosomami.

Kariotyp jest więc zestawem cech chromosomów, natomiast kariogram – ich uporządkowanym przedstawieniem.

Czy liczba chromosomów świadczy o złożoności organizmu?

Nie. Większa liczba chromosomów nie oznacza automatycznie większej liczby genów ani bardziej złożonej budowy organizmu.

Różne gatunki mogą mieć bardzo odmienne liczby chromosomów. Liczba ta zależy od historii ewolucyjnej genomu, między innymi od fuzji, podziałów i powieleń całych chromosomów.

Dwa gatunki mogą mieć podobną ilość DNA podzieloną na różną liczbę chromosomów. Z kolei organizm mający więcej chromosomów niż człowiek nie musi być od niego bardziej złożony.

O biologicznej złożoności decydują między innymi:

• liczba i rodzaje genów,
• sposób regulacji ich aktywności,
• alternatywne składanie RNA,
• oddziaływania między białkami,
• organizacja sieci regulacyjnych,
• udział sekwencji niekodujących.

Sama liczba chromosomów mówi więc niewiele o stopniu złożoności organizmu.

Zmiany liczby chromosomów

Prawidłowy rozdział chromosomów wymaga precyzyjnego działania wrzeciona podziałowego. Jeśli chromosomy homologiczne lub chromatydy siostrzane nie rozdzielą się prawidłowo, mogą powstać komórki zawierające nieprawidłową liczbę chromosomów.

Stan, w którym liczba pojedynczych chromosomów jest zwiększona lub zmniejszona, nazywamy aneuploidią.

Trisomia oznacza obecność trzech kopii określonego chromosomu zamiast dwóch. Najbardziej znanym przykładem u człowieka jest trisomia chromosomu 21 związana z zespołem Downa.

Monosomia oznacza obecność tylko jednego chromosomu z danej pary.

Nie każda zmiana liczby chromosomów jest zgodna z dalszym rozwojem organizmu. Skutki zależą między innymi od tego, którego chromosomu dotyczy zmiana i ile genów się na nim znajduje.

A co z DNA mitochondriów?

Nie cały materiał genetyczny komórki eukariotycznej znajduje się w jądrze. Mitochondria zawierają własne, niewielkie cząsteczki DNA.

Mitochondrialny DNA człowieka:

• ma postać kolistą,
• występuje w wielu kopiach,
• zawiera niewielką liczbę genów,
• jest dziedziczony niemal wyłącznie w linii matczynej.

Większość białek potrzebnych mitochondriom jest jednak kodowana przez geny znajdujące się w chromosomach jądrowych. Po syntezie białka te są transportowane do mitochondriów.

U roślin i glonów własny DNA występuje także w chloroplastach.

Czy bakterie mają chromosomy?

Komórki prokariotyczne nie mają jądra komórkowego, ale również posiadają materiał genetyczny.

Typowy chromosom bakteryjny:

• znajduje się w obszarze nazywanym nukleoidem,
• najczęściej ma postać kolistej cząsteczki DNA,
• jest upakowany z udziałem białek,
• zwykle występuje jako jedna główna cząsteczka.

Stwierdzenie „jedna kolista cząsteczka DNA” jest jednak uogólnieniem. Istnieją bakterie mające więcej niż jeden chromosom, a także gatunki posiadające chromosomy liniowe.

Bakterie mogą również zawierać plazmidy – mniejsze cząsteczki DNA replikujące się niezależnie od głównego chromosomu. Plazmid nie jest jednak obowiązkowym elementem każdej komórki bakteryjnej.

Chromosom jako biblioteka – czy to dobre porównanie?

Chromosomy można porównać do tomów wielkiej biblioteki. Każdy z nich zawiera określony zestaw informacji, a geny przypominają wybrane przepisy lub rozdziały.

To porównanie ma jednak swoje granice. Informacja genetyczna nie jest przechowywana w nieruchomej bibliotece. Chromatyna nieustannie zmienia swoją organizację, a różne komórki uzyskują dostęp do innych fragmentów DNA.

Neuron, komórka mięśniowa i hepatocyt mają zasadniczo ten sam zestaw chromosomów, ale odczytują inne grupy genów. Organizacja chromatyny pomaga zdecydować, które „rozdziały” pozostaną otwarte, a które będą w danym momencie trudniej dostępne.

Chromosomy nie tylko przechowują informację. Umożliwiają również jej kontrolowane wykorzystywanie, kopiowanie i bezpieczne przekazywanie komórkom potomnym.

Chromosomy w pigułce

• Chromosom jest uporządkowaną strukturą zbudowaną z DNA i białek.
• Chromatyna to kompleks DNA oraz związanych z nim białek.
• Podstawową jednostką organizacji chromatyny jest nukleosom.
• DNA w nukleosomie owija się wokół rdzenia zbudowanego z ośmiu cząsteczek histonów.
• Euchromatyna jest zwykle luźniej upakowana, a heterochromatyna – silniej skondensowana.
• Chromosomy występują przez cały cykl komórkowy, ale zmienia się stopień ich kondensacji.
• Chromosom w kształcie litery X jest chromosomem po replikacji i składa się z dwóch chromatyd siostrzanych.
• Chromatydy siostrzane są kopiami jednego chromosomu.
• Chromosomy homologiczne zawierają te same geny, lecz mogą mieć różne allele.
• Centromer jest obszarem chromosomu, a kinetochor – kompleksem białkowym tworzącym się w jego obrębie.
• Telomery chronią końce liniowych chromosomów.
• Większość komórek somatycznych człowieka ma 46 chromosomów, a gamety – 23.
• Po replikacji liczba chromosomów się nie zmienia, ale podwaja się liczba chromatyd i cząsteczek DNA.
• Kariotyp jest zestawem chromosomów, natomiast kariogram – ich uporządkowanym obrazem.
• Liczba chromosomów nie świadczy bezpośrednio o złożoności organizmu.

Sprawdź, czy rozumiesz

1. Czym różnią się DNA, chromatyna i chromosom?
2. Z jakich elementów zbudowany jest nukleosom?
3. Jaką funkcję pełnią histony?
4. Dlaczego stopień upakowania chromatyny może wpływać na aktywność genów?
5. Czym różnią się euchromatyna i heterochromatyna?
6. Czy chromosomy powstają dopiero na początku mitozy? Uzasadnij odpowiedź.
7. Dlaczego chromosom nie zawsze ma kształt litery X?
8. Czym różnią się chromatydy siostrzane od chromosomów homologicznych?
9. Dlaczego zreplikowany chromosom nadal liczymy jako jeden chromosom?
10. Ile chromosomów, chromatyd i cząsteczek DNA ma ludzka komórka po replikacji?
11. Jakie funkcje pełnią centromer, kinetochor i telomery?
12. Czym różnią się gen, locus i allel?
13. Czym różni się kariotyp od kariogramu?
14. Dlaczego większa liczba chromosomów nie musi oznaczać większej złożoności organizmu?
15. Gdzie znajduje się materiał genetyczny bakterii?
16. Dlaczego stwierdzenie, że każda ludzka komórka ma 46 chromosomów, jest uproszczeniem?

Co dalej?

Chromosomy pozwalają bezpiecznie przechowywać ogromną ilość informacji genetycznej. Przed każdym podziałem komórka musi jednak stworzyć dokładną kopię każdej cząsteczki DNA.

W kolejnym artykule prześledzimy replikację krok po kroku i zobaczymy, jak enzymy rozplatają podwójną helisę, dobierają komplementarne nukleotydy oraz kontrolują poprawność nowo powstałych nici.