Förstå kromosomernas struktur och organisation i eukaryota celler

I detta resultat kommer vi att diskutera autosomer och könskromosomer och skillnaderna mellan de två samt hur cellerna förpackar DNA.

När en cell delar sig i två delar är en av dess viktigaste uppgifter att se till att var och en av de två nya cellerna får en fullständig, perfekt kopia av det genetiska materialet. Misstag under kopieringen, eller ojämlik fördelning av det genetiska materialet mellan cellerna, kan leda till celler som är ohälsosamma eller icke-funktionella (och till och med till sjukdomar som cancer). Men vad exakt är detta genetiska material och hur beter det sig under en celldelning?

DNA och genomer

DNA (deoxyribonukleinsyra) är det genetiska materialet i levande organismer. Hos människor finns DNA i nästan alla kroppens celler och tillhandahåller de instruktioner som de behöver för att växa, fungera och reagera på sin omgivning. När en cell i kroppen delar sig kommer den att överföra en kopia av sitt DNA till var och en av sina dotterceller. DNA förs också vidare på organismnivå, då DNA:t i spermie- och äggceller kombineras för att bilda en ny organism som har genetiskt material från båda sina föräldrar. Fysiskt sett är DNA en lång sträng av parade kemiska enheter (nukleotider) som finns i fyra olika typer, och den bär information organiserad i enheter som kallas gener. Generna innehåller vanligtvis instruktioner för att tillverka proteiner, som ger celler och organismer deras funktionella egenskaper.

I eukaryoter som växter och djur finns den stora majoriteten av DNA i kärnan och kallas kärn-DNA. Mitokondrier, organeller som skördar energi till cellen, innehåller sitt eget mitokondrie-DNA, och kloroplaster, organeller som utför fotosyntesen i växtceller, har också kloroplast-DNA. De mängder DNA som finns i mitokondrier och kloroplaster är mycket mindre än den mängd som finns i cellkärnan. I bakterier och andra prokaryoter finns det mesta av DNA:t i en central region i cellen som kallas nukleoid, som fungerar på samma sätt som en kärna men som inte är omgiven av ett membran.

En cells uppsättning DNA kallas dess genom. Eftersom alla celler i en organism (med några få undantag) innehåller samma DNA kan man också säga att en organism har sitt eget genom, och eftersom medlemmarna i en art vanligtvis har liknande genom kan man också beskriva en arts genom. När man i allmänhet talar om det mänskliga genomet, eller något annat eukaryotiskt genom, menar man den uppsättning DNA som finns i kärnan (det vill säga kärngenomet). Mitokondrier och kloroplaster anses ha sina egna separata genomer.

Kromosomer

Varje art har sitt eget karakteristiska antal kromosomer. Människor har till exempel 46 kromosomer i en typisk kroppscell, medan hundar har 78 kromosomer. Liksom många djur- och växtarter är människor diploida (2n), vilket innebär att de flesta av deras kromosomer finns i matchade uppsättningar som kallas homologa par. De 46 kromosomerna i en mänsklig cell är således organiserade i 23 par, och de två medlemmarna i varje par sägs vara homologa till varandra (med ett litet undantag för X- och Y-kromosomerna, se nedan).

Mänsklig sperma och mänskliga ägg, som bara har en homolog kromosom från varje par, sägs vara haploida (1n). När en spermie och ett ägg smälter samman förenas deras genetiska material och bildar en komplett, diploid uppsättning kromosomer. Så för varje homologt kromosompar i din arvsmassa kommer en av homologerna från din mamma och den andra från din pappa.

De två kromosomerna i ett homologt kromosompar är i allmänhet mycket lika varandra. De har samma storlek och form och har samma mönster av ljusa och mörka band, som du kan se i den mänskliga karyotypen (bilden av kromosomerna) som visas ovan. Band framträder när kromosomerna färgas med ett färgämne, och de mörka banden markerar mer komprimerat DNA (vanligtvis med färre gener), medan de ljusa banden markerar mindre komprimerat DNA (vanligtvis med fler gener). Det viktigaste är att de två homologerna i ett par bär på samma typ av genetisk information. Det finns till exempel en gen som finns nära botten av kromosom 15 och som påverkar ögonfärgen. En person kan ha den blå versionen, eller allelen, av denna gen på den ena homologen, men den bruna versionen på den andra. Båda homologerna har samma typ av gen på samma ställe, men de kan (och gör ofta det!) ha olika versioner av generna.

I människor bestämmer X- och Y-kromosomerna en persons biologiska kön, med XX för kvinna och XY för man. Medan de två X-kromosomerna i en kvinnas celler är genuint homologa, är X- och Y-kromosomerna i en mans celler det inte. De skiljer sig åt i storlek och form, där X-kromosomen är mycket större än Y-kromosomen, och innehåller olika, mestadels olika gener (även om de har små områden som liknar varandra). X- och Y-kromosomerna kallas könskromosomer, medan de övriga 44 mänskliga kromosomerna kallas autosomer.

Kromosomstruktur

Kontinuiteten i livet från en cell till en annan har sin grund i cellernas reproduktion med hjälp av cellcykeln. Cellcykeln är en ordnad sekvens av händelser som beskriver stadierna i en cells liv från delningen av en enda föräldracell till produktionen av två nya dotterceller. De mekanismer som är involverade i cellcykeln är starkt reglerade.

Eukaryotisk kromosomstruktur och kompaktering

Om DNA:t från alla 46 kromosomer i en mänsklig cellkärna lades ut sida vid sida skulle det mäta ungefär två meter; dess diameter skulle dock bara vara 2 nm. Med tanke på att storleken på en typisk mänsklig cell är cirka 10 µm (100 000 celler uppradade motsvarar en meter) måste DNA vara tätt paketerat för att få plats i cellkärnan. Samtidigt måste det också vara lättillgängligt för att generna ska kunna uttryckas. Under vissa stadier av cellcykeln kondenseras de långa DNA-strängarna till kompakta kromosomer. Det finns ett antal sätt som kromosomerna komprimeras på.

I den första nivån av komprimering lindar sig korta sträckor av DNA:s dubbelspiral runt en kärna av åtta histonproteiner med jämna mellanrum längs kromosomens hela längd (figur 1). DNA-histonkomplexet kallas kromatin. Det pärlliknande histon-DNA-komplexet kallas nukleosom, och det DNA som förbinder nukleosomerna kallas länk-DNA. En DNA-molekyl i denna form är ungefär sju gånger kortare än dubbelhelixen utan histoner, och pärlorna är ungefär 10 nm i diameter, till skillnad från diametern på 2 nm för en DNA-dubbelhelix. Nästa nivå av kompaktering sker när nukleosomerna och länk-DNA:t mellan dem rullas ihop till en 30 nm lång kromatinfiber. Denna upprullning förkortar kromosomen ytterligare så att den nu är ungefär 50 gånger kortare än den förlängda formen. I den tredje packningsnivån används en mängd olika fibrösa proteiner för att packa kromatinet. Dessa fibrösa proteiner ser också till att varje kromosom i en cell som inte delar sig upptar ett särskilt område i kärnan som inte överlappar med någon annan kromosoms område.

DNA replikeras i S-fasen i interfasen. Efter replikationen består kromosomerna av två sammankopplade systerkromatider. När de är helt kompakta är paren av identiskt packade kromosomer bundna till varandra av kohesinproteiner. Förbindelsen mellan systerkromatiderna är närmast i ett område som kallas centromer. De sammanfogade systerkromatiderna, med en diameter på cirka 1 µm, är synliga i ett ljusmikroskop. Den centromeriska regionen är starkt kondenserad och kommer därför att framstå som ett trångt område.

Kontrollera din förståelse

Svara på frågan/frågorna nedan för att se hur väl du förstår de ämnen som behandlades i föregående avsnitt. Den här korta frågesporten räknas inte in i ditt betyg i kursen och du kan göra om den ett obegränsat antal gånger.

Använd den här frågesporten för att kontrollera din förståelse och besluta om du ska (1) studera det föregående avsnittet ytterligare eller (2) gå vidare till nästa avsnitt.