Kromosomien rakenteen ja järjestäytymisen ymmärtäminen eukaryoottisoluissa

Tässä lopputuloksessa keskustelemme autosomeista ja sukupuolikromosomeista ja niiden eroista sekä siitä, miten solut pakkaavat DNA:ta.

Kun solu jakautuu kahtia, yksi sen tärkeimmistä tehtävistä on varmistaa, että kumpikin kahdesta uudesta solusta saa täydellisen, täydellisen kopion perintöaineksesta. Kopioinnin aikana tapahtuvat virheet tai perintöaineksen epätasainen jakautuminen solujen kesken voivat johtaa epäterveisiin tai toimimattomiin soluihin (ja jopa sairauksiin, kuten syöpään). Mutta mitä tämä perintöaines tarkalleen ottaen on ja miten se käyttäytyy solunjakautumisen aikana?

DNA ja genomit

DNA (deoksiribonukleiinihappo) on elävien organismien perintöainesta. Ihmisillä DNA:ta on lähes kaikissa kehon soluissa, ja se antaa niille ohjeet, joita ne tarvitsevat kasvaakseen, toimiakseen ja reagoidakseen ympäristöönsä. Kun elimistön solu jakautuu, se siirtää kopion DNA:sta kullekin tytärsolulleen. DNA periytyy myös organismien tasolla, kun siittiöiden ja munasolujen DNA yhdistyy muodostaen uuden organismin, jossa on geneettistä materiaalia molemmilta vanhemmiltaan. Fyysisesti tarkasteltuna DNA on pitkä ketju paritettuja kemiallisia yksiköitä (nukleotideja), joita on neljää eri tyyppiä, ja se kuljettaa tietoa, joka on järjestetty geeneiksi kutsuttuihin yksiköihin. Geeneissä on tyypillisesti ohjeet proteiinien valmistukseen, jotka antavat soluille ja eliöille niiden toiminnalliset ominaisuudet.

Eukaryooteissa, kuten kasveissa ja eläimissä, suurin osa DNA:sta sijaitsee ytimessä ja sitä kutsutaan ydin-DNA:ksi. Mitokondriot, organellit, jotka keräävät energiaa solulle, sisältävät omaa mitokondriaalista DNA:ta, ja kloroplastit, organellit, jotka suorittavat fotosynteesiä kasvisoluissa, sisältävät myös kloroplastien DNA:ta. Mitokondrioissa ja kloroplastissa olevan DNA:n määrä on paljon pienempi kuin ytimessä olevan DNA:n määrä. Bakteereissa ja muissa prokaryooteissa suurin osa DNA:sta sijaitsee solun keskeisellä alueella, jota kutsutaan nukleoidiksi ja joka toimii samalla tavalla kuin ydin, mutta jota ei ympäröi kalvo.

Solun DNA-kokonaisuutta kutsutaan solun genomiksi. Koska kaikki eliön solut (muutamaa poikkeusta lukuun ottamatta) sisältävät samaa DNA:ta, voidaan myös sanoa, että eliöllä on oma genomi, ja koska lajin jäsenillä on tyypillisesti samanlaiset genomit, voidaan myös kuvata lajin genomia. Kun puhutaan ihmisen genomista tai mistä tahansa muusta eukaryoottien genomista, tarkoitetaan yleensä DNA:n joukkoa, joka sijaitsee ytimessä (eli ydingenomia). Mitokondrioilla ja kloroplasteilla katsotaan olevan omat erilliset genominsa.

Kromosomit

Kullakin lajilla on sille ominainen määrä kromosomeja. Esimerkiksi ihmisellä on 46 kromosomia tyypillisessä kehosolussa, kun taas koirilla on 78 kromosomia. Monien eläin- ja kasvilajien tavoin ihminen on diploidi (2n), mikä tarkoittaa, että suurin osa kromosomeista on yhteensopivina sarjoina, joita kutsutaan homologisiksi pareiksi. Näin ollen ihmisen solun 46 kromosomia on järjestetty 23 pariksi, ja kunkin parin kahden jäsenen sanotaan olevan toistensa homologeja (pienellä poikkeuksella X- ja Y-kromosomit; ks. jäljempänä).

Ihmisen siittiöitä ja munasoluja, joissa on vain yksi homologinen kromosomi kustakin parista, sanotaan haploideiksi (1n). Kun siittiö ja munasolu fuusioituvat, niiden perintöaines yhdistyy yhdeksi täydelliseksi, diploidiseksi kromosomipaketiksi. Jokaisen perimässäsi olevan homologisen kromosomiparin osalta toinen homologisista kromosomeista on siis peräisin äidiltäsi ja toinen isältäsi.

Homologisen kromosomiparin kaksi kromosomia ovat yleensä hyvin samankaltaisia keskenään. Ne ovat samankokoisia ja -muotoisia, ja niissä on sama vaaleiden ja tummien kaistaleiden kuvio, kuten näet yllä olevassa ihmisen karyotyypissä (kuva kromosomeista). Kaistat näkyvät, kun kromosomit värjätään väriaineella, ja tummat kaistat merkitsevät tiiviimpää DNA:ta (jossa on yleensä vähemmän geenejä), kun taas vaaleat kaistat merkitsevät vähemmän tiiviimpää DNA:ta (jossa on yleensä enemmän geenejä). Tärkeintä on, että parin kaksi homologia kantavat samantyyppistä geneettistä tietoa. Esimerkiksi kromosomin 15 alaosasta löytyy geeni, joka vaikuttaa silmien väriin. Henkilöllä saattaa olla tämän geenin sininen versio tai alleeli toisessa homologissa, mutta ruskea versio toisessa. Molemmilla homologeilla on samantyyppinen geeni samassa paikassa, mutta niillä voi olla (ja usein onkin!) erilaisia versioita geeneistä.

Ihmisillä X- ja Y-kromosomit määräävät ihmisen biologisen sukupuolen, XX tarkoittaa naista ja XY miestä. Vaikka naisen solujen kaksi X-kromosomia ovat aidosti homologisia, miehen solujen X- ja Y-kromosomit eivät ole. Ne eroavat toisistaan kooltaan ja muodoltaan, sillä X-kromosomit ovat paljon suurempia kuin Y-kromosomit, ja ne sisältävät erilaisia, enimmäkseen erilaisia geenejä (vaikka niillä onkin pieniä samankaltaisia alueita). X- ja Y-kromosomeja kutsutaan sukupuolikromosomeiksi, kun taas muita ihmisen 44 kromosomia kutsutaan autosomeiksi.

Kromosomien rakenne

Elämän jatkuvuus solusta toiseen perustuu solujen lisääntymiseen solusyklin avulla. Solusykli on järjestyksessä oleva tapahtumasarja, joka kuvaa solun elämänvaiheita yhden vanhemman solun jakautumisesta kahden uuden tyttären solun tuottamiseen. Solusykliin osallistuvat mekanismit ovat hyvin säänneltyjä.

Eukaryoottien kromosomien rakenne ja tiivistyminen

Jos kaikkien ihmissolun tuman 46 kromosomin DNA asetettaisiin pääty toisensa perään, se olisi noin kaksi metriä pitkä, mutta sen halkaisija olisi kuitenkin vain 2 nm. Kun otetaan huomioon, että tyypillisen ihmissolun koko on noin 10 µm (100 000 solua rivissä vastaa yhtä metriä), DNA:n on oltava tiiviisti pakattu mahtuakseen solun tumaan. Samaan aikaan sen on myös oltava helposti saatavilla, jotta geenit voivat ilmentyä. Joissakin solusyklin vaiheissa pitkät DNA-säikeet tiivistyvät tiiviiksi kromosomiksi. Kromosomit tiivistyvät useilla eri tavoilla.

Ensimmäisellä tiivistymistasolla lyhyet DNA:n kaksoiskierteen pätkät kiertyvät kahdeksan histoniproteiinin muodostaman ytimen ympärille säännöllisin väliajoin koko kromosomin pituudelta (kuva 1). DNA-histoni-kompleksia kutsutaan kromatiiniksi. Helmiä muistuttavaa histoni-DNA-kompleksia kutsutaan nukleosomiksi, ja nukleosomeja yhdistävää DNA:ta kutsutaan linker-DNA:ksi. Tässä muodossa oleva DNA-molekyyli on noin seitsemän kertaa lyhyempi kuin kaksoiskierre ilman histoneja, ja helmien halkaisija on noin 10 nm, kun taas DNA:n kaksoiskierteen halkaisija on 2 nm. Seuraava tiivistymisen taso tapahtuu, kun nukleosomit ja niiden välissä oleva linkkeri-DNA kelautuvat 30 nm:n kromatiinikuiduksi. Tämä kelautuminen lyhentää kromosomia entisestään niin, että se on nyt noin 50 kertaa lyhyempi kuin pidennetty muoto. Kolmannella pakkautumistasolla kromatiinin pakkaamiseen käytetään erilaisia kuituproteiineja. Nämä kuituproteiinit varmistavat myös sen, että jokainen kromosomi ei-jakautuvassa solussa asettuu tuman tietylle alueelle, joka ei ole päällekkäinen minkään muun kromosomin kanssa.

DNA monistuu interfaasin S-vaiheessa. Replikaation jälkeen kromosomit koostuvat kahdesta toisiinsa yhteydessä olevasta sisarkromatidista. Täysin tiivistyneinä identtisesti pakatut kromosomiparit kiinnittyvät toisiinsa kohesiiniproteiineilla. Sisaruskromatidien välinen yhteys on lähimmillään alueella, jota kutsutaan sentromeeriksi. Yhdistetyt sisarkromatidit, joiden halkaisija on noin 1 µm, näkyvät valomikroskoopilla. Sentromeerinen alue on erittäin tiivistynyt, joten se näkyy supistuneena alueena.

Tarkista ymmärryksesi

Vastaamalla alla olevaan kysymykseen (kysymyksiin) näet, kuinka hyvin ymmärrät edellisessä jaksossa käsitellyt aiheet. Tätä lyhyttä tietovisaa ei lasketa kurssin arvosanaan, ja voit suorittaa sen uudelleen rajoittamattoman määrän kertoja.

Käytä tätä tietovisaa tarkistaaksesi ymmärryksesi ja päättäessäsi, (1) opiskeletko edellistä osiota tarkemmin vai (2) siirrytkö seuraavaan osioon.