הכרומוזומים – מבנה ותפקוד ביצורים חיים

הארגון והאריזה של מולקולת ה-DNA משתנה בין יצורים פרוקריוטיים ליצורים איקריוטיים. How does the bacterial chromosome remain in its “tight” nucleoid without a nuclear membrane?

ביצורים איקריוטיים ארגון ה-DNA מורכב יותר, בייצורים אלו ה-DNA נמצא בגרעין, בתוך מבנים הקרויים כרומוזומים מפתח התרשים: A – תא B – גרעין התא C – גנים D – כרומוזומים E – סיב כפול של DNA F – בסיס חנקני

כרומוזום – Chroma = צבע, soma = גוף הכרומוזומים הם גופיפים הקולטים היטב צבעים המשמשים צביעת תאים במעבדות מחקר ומכאן שמם. Flemming היה הראשון ב-1882 שתיאר את התופעה של חלוקת מבנים בגרעין במהלך חלוקת התא. כאשר מסתכלים מבעד למיקרוסקופ אור בתא שאינו מתחלק, אפשר להבחין בחומר צבוע שאינו מתחלק המרוכז בגרעין – הכרומטין, חומר הבנוי סיבים מסולסלים. רק בזמן חלוקת התא חלה דחיסה של הכרומטין ומתקבל מבנה הנקרא כרומוזום.

מבנה החומר התורשתי הכרומוזומים נמצאים בגרעין התא ונראים רק בזמן חלוקת התא. בכל יצור יש בגרעין התא מספר אופייני של זוגות כרומוזומים הומולוגיים (2N) הכרומוזום מורכב מסליל כפול המתפתל סביב עצמו ושמו DNA כל סליל כפול מורכב ממיליונים של זוגות מולקולות: A - T C – G אשר מופיעות ברצפים שונים. כל רצף יוצר קידוד לגן כלשהו. באדם כ 80,000 גנים.

כיצד מולקולת ה-DNA נדחסת לתוך הכרומוזום?

סיבי כרומטין דקיקים, לפני דחיסתם למבנה הכרומוזום

דחיסת סליל הכרומטין לתוך מבנה הכרומוזום

צורת הכרומוזומים זמן מה לפני חלוקת התא, הכרומוזום מוכפל ומורכב משתי כרומטידות, שכל אחת מהן בנויה ממולקולת DNA אחת, דו גדילית, המלופפת סביב חלבונים, מקופלת ומסולסלת. שתי הכרומטידות נקראות כרומטידות אחיות. טלומר צנטרומר כרומטידות אחיות

כרומוזום אנושי עוד על מבנה הכרומוזום בשקופיות הבאות... תמונה של כרומוזום 12 של אדם. צולמה במיקרוסקופ אלקטרונים ניתן לראות בתמונה את המבנה של סליל מפותל, זהו כרומוזום בזמן הכפלת תא וחלוקתו. עוד על מבנה הכרומוזום בשקופיות הבאות...

הצנטרומר אזור בדנ"א המורכב מעותקים רבים של רצף חוזר. מיקומו מחלק את הכרומוזום לשתי זרועות קצרה וארוכה. מאפשר זיהו של כרומוזומים על פי אפיונים של אורכי הזרועות יחסית לכרומוזומים אחרים. מהווה את נקודת החיבור בין כרומטידות אחיות בעת הכפלת הדנ"א ובמהלך חלוקת התא. אחראי על תנועת הכרומוזום על-גבי סיבי הכישור בזמן מחזור חלוקת התא.

טלומרים מהווים את קצות הכרומוזום (2 לכל כרומוזום) מגנים על קצות הכרומוזומים ושומרים על שלמותם. באדם מורכב מרצף חוזר של TTAAGGG באורך של 3-20kb קיצור הטלומרים מתרחש באופן קבוע עם חלוקות התא. אובדן טלומרים גורם : לאיחוי בין כרומוזומים, לחוסר יציבות גנומי.

האלמנטים הדרושים לכרומוזום פונקציונלי 1. צנטרומר - מחלק את הכרומוזום לשתי זרועות קצרה וארוכה. 2. טלומרים - קצות הכרומוזום (2 לכל כרומוזום) 3. מקור השכפול (ORIs, Origin of Replication) - רצפים שמהם מתחיל תהליך שכפול ה-DNA, ההכרחית ל"התרבות" הכרומוזום. Synthetic human mini-chromosome

מספר כרומוזומים אופייני ליצורים חיים האורגניזם מספר הכרומוזומים אדם 46 כלב 78 צפרדע 26 דבורה 32 זבוב תסיסה 8 אפונת גינה 14 תפוח אדמה 48 עיון בטבלה זו מוביל ל-2 מסקנות: אין קשר בין הקבוצה אליה נמנה האורגניזם לבין מספר הכרומוזומים שבתאיו. כל מספרי הכרומוזומים ברשימה הם זוגיים.

איך נשמר בגוף מספר כרומוזומים קבוע?

בכל התמונות המוצגות לפניכם, מתרחש תהליך חלוקת תאים שבמהלכו נוצרים מתא הורה שני תאי בת הזהים במטענם התורשתי.

תכולת הדנ"א בתא משתנה כתלות במחזור התא מחזור התא ביחס למספר הכרומוזומים: אינטפרפאזה – לא רואים כלום S – הכפלת כמות הדנ"א התארגנות לקראת המיוזה – כיווץ הכרומוזומים חלוקה 2 שלבים חשובים במיוחד: תקופת S – דרושה העתקה מדויקת, אחרת יש מוטציות שלב האנאפזה – חלוקה מדויקת של הכרומוזומים בין תאי הבת

חלוקה משווה (מיטוזה) בתאים הסומטים חלוקת השוואה -

עתה נעקוב אחר שני זוגות של כרומוזומים שהם חלק ממערך הכרומוזמים בתא כרומוזום מהאב כרומוזום מהאם

? 46  46 + 46 כיצד מתקבלים שני תאים זהים מתא הורה? תא הורה תא בת כיצד מתקבלים שני תאים זהים מתא הורה? זוג כרומוזומים הומולוגיים A B תא הורה ? A B תא בת 46  46 + 46

זוג כרומוזומים הומולוגיים לאחר הכפלת הדנ"א – כל כרומוזום מורכב משתי כרומטידות אחיות A B לפני החלוקה חייבת להתרחש הכפלת החומר התורשתי! B תא הורה A B תא בת

כרומוזום המורכב מ-2 כרומטידות אחיות הכרומוסומים מתארגנים על "קו המשווה" של התא (כל כרומוזום מורכב עדיין משתי כרומטידות אחיות)

שני הכרומוזומים שהיו קודם לכן "כרומטידות אחיות" נעים כל אחד לקוטב המנוגד של התא חוטי הכישור מתקצרים והכרומטידות האחיות ניתקות זו מזו ונעות כל אחת לקוטב אחר של התא

מדוע מולקולות הדנ"א החדשות אינן נפרדות זו מזו מייד לאחר תהליך שכפול הדנ"א, אלא נותרות קשורות זו לזו?

מה היה קורה אילו שתי הכרומטידות היו נפרדות זו מזו לשני כרומוזומים נפרדים מייד לאחר תהליך שכפול הדנ"א?

האם מטענם התורשתי של תאי הבת זהה לתא ההורה?

האם מטענם התורשתי של תאי הבת זהה לתא ההורה?

האם מטענם התורשתי של תאי הבת זהה לתא ההורה?

תמונות של תהליך המיטוזה

תמונות של תהליך המיטוזה תא באינטרפאזה פרופאזה מטפאזה אנפאזה טלופאזה

הצורך במיוזה: ההיבט הכמותי 2n 4n 8n

הצורך במיוזה: ההיבט הכמותי n 2n

מיוזה ראשונה: הפרדת כרומוזומים הומולוגים כיצד נוצרים במיוזה תאים בעלי מספר כרומוזומים הפלואידי? דחיסה, הצמדות של זוגות ההומולוגים חלוקה ל-2 תאים הפרדה בין זוגות ההומולוגים סידור זוגות ההומולוגים במישור האמצע זוגות כרומוזומים הומולוגים בזמן דחיסה ושיחלוף זוג כרומוזומים הומולוגים לאחר דחיסה ושיחלוף מיוזה ראשונה: הפרדת כרומוזומים הומולוגים

מיוזה שנייה: הפרדת כרומטידות אחיות סידור הכרומוזומים על מישור האמצע של התא הפרדה בין כרומטידות אחיות יצירת קרום גרעין וחלוקת הציטופלזמה אין הכפלת DNA בין שתי חלוקות המיוזה

2(n - 1) 2(23 - 1) = 222 = 4,194,304 הצורך במיוזה: שונות גנטית הנוסחה לחישוב מס' האפשרויות להפרדת כרומוזומים הומולוגים: מספר זוגות כרומוזומים הומולוגים = n 2(n - 1) באדם: 23 = n 2(23 - 1) = 222 = 4,194,304

שחלוף יוצר שונות גנטית כיזמטה – האתר בו מתבצע השחלוף טטרדה כרומטידות לא אחיות כיזמטה – האתר בו מתבצע השחלוף שונות גנטית

יצירת תאי זוויג (גמטות)

שאלת הבהרה מס' 1 תא מכיל 40 כרומטידות בתחילת תהליך המיוזה, כמה כרומוזומים יהיו בתאי הבת בסיום התהליך?

שאלת הבהרה מס' 2 כמה גדילים של DNA יש ב: מולקולה של DNA ? כרומטידה? כרומוזום?

שאלת הבהרה מס' 3-נכון/לא נכון שני הגדילים ב DNA מקורם בשני ההורים: גדיל אחד מקורו באב וגדיל שני מקורו באם

מיטוזה מיוזה תאים הפלואידים תאים דיפלואידים

השוואה בין חלוקות התא השונות, מיטוזה ומיוזה מס' כרומוזומים בתא האם דיפלואידי (2n) כמות ה-DNA בתא האם לפני החלוקה 4n מס' חלוקות 1 מס' תאי הבת הסופיים 2 זהות המטען הגנטי בין תאי הבת לתא האם יש מס' כרומוזומים בתאי הבת הסופיים כמות ה-DNA בתאי הבת הסופיים 2n שיחלוף אין הפרדה בין כרומוזומים הומולוגים הפרדה בין כרומטידות סוג התאים היכולים לעבור את התהליך דיפלואידים והפלואידים

סיכום: נכון/לא נכון (תקנו את המשפטים השגויים) תאי הבת הנוצרים במיוזה הראשונה זהים במספר הכרומוזומים שלהם ובמטענם התורשתי. אחת הסיבות לכך שתאי מין של אותו יצור אינם זהים במטענם התורשתי היא שבשעת המיוזה חלה הפרדה אקראית של כל 2 כרומוזומים הומולוגיים. בסוף חלוקת מיוזה מתקבלים תאים הפלואידיים, שבכרומוזומים שבהם יש מולקולת דנ"א חד גדילית. בכל תאי הזרע הנוצרים בפרט מסויים נמצא אותו מידע תורשתי. הרצף של מהלך רבייה הוא: גמטה, מיוזה, ביצית מופרית (זיגוטה), מיטוזה.

Medium submetacentric כרומוזומים באדם 23 זוגות של כרומוזומים (2n=46),22 אוטוזומים + כרומוזום מין (X או Y) מסווגים על-פי: אורך,מיקום הצנטרומר ודגם פיספוס הכרומוזומים. קבוצה כרומוזום מראה וגודל A 1-3 Largest metacentric B 4-5 Large submetacentric C 6-12 + X Medium submetacentric D 13-15 Medium acrocentric E 16-18 Small submetacentric F 19-20 G 21-22 + Y Small acrocentric

G banding השיטה הנפוצה לצביעת כרומוזומים היא צביעת Giemsa, החושפת דגם פסים אופייני לכל כרומוזום. הפסים הכהים דלים בגנים (עשירים ברצפי -AT)

תכולת הכרומוזומים בתא(karyotype) 46,XX 46,XY

שינויים כרומוזומליים - סוגים קונסטיטוטיביים (בגמטות/עוברים צעירים) שינויים כרומוזומליים נרכשים (בתאים סומטים) שינויים במספר הכפלה של כרומוזומים בודדים (Aneuploidy) הכפלות של סדרות שלמות (Polyploidy) שינויים במבנה שברים ואיחוי כוללים: חסרים, תוספות, אינברסיות, טרנסלוקציות, כרומוזום טבעתי, איזוכרומוזום

שינוים כרומוזומלים מורשים באדם מתוך 1,000 הריונות ב-80 תהיה הפרעה כרומוזומלית ב-14 יחסר כרומוזום מין (X או Y) ב-11 יהיה כרומוזום 16 עודף ב-4 יהיה כרומוזום 21 עודף ב-2 יהיה כרומוזום 18 עודף ליתר יהיו אברציות אחרות מתוך ה-80 ההריונות הלא תקינים 75 יסתיימו בהפלה טבעית היתרה (5) יתפתחו לוולדות חיים: 0.1 עם כרומוזום 18 עודף 0.1 עם חסר של כרומוזום מין 1 עם תוספת של כרומוזום 21 1.5 עם תוספת של כרומוזום מין 2 עם אברציות אחרות

שינויי מספר בכרומוזומים בודדים (Aneuploidy) השינוי הכרומוזומלי הכי שכיח כרוך בתוספת (2n+1) או חסר (2n-1) של כרומוזום בודד מקור: על-פי רב בביציות ועוברים בשלבי חלוקה ראשונים רובם לא חיוניים, לא ניתן למצוא בולדות חיים יוצאים מן הכלל הם הטריזומיות (2n+1) לכרומוזומי המין והאוטוזומים 13,18, ו-21

המנגנון לטריזומיה: אי-הפרדת כרומוזומים (non-disjunction) במיוזה

טריזומיה 21 (Down Syndrome) תסמינים: - מראה פנים אופייני (עיניים מלוכסנות, אוזניים קטנות, פנים שטוחים, לשון בולטת מהפה) - פיגור שכלי - מפתחים אלצהיימר החל מגיל 35 - רפיון שרירים (80%) - מומי לב מולדים (40%) - לויקמיה (1%) לידות חי1/700תדירות 47,XX,+21 or 47,XY,+21

מונוזומיה ל-X (Turner syndrome (45,XO המונוזומיה היחידה שניתן למצוא באדם תסמינים: רק מעטות שורדות רובן (98%) מתות בראשית ההתפתחות העוברית נמוכות, עקרות תדירות 1:2,500 בנשים

שינויים נוספים בכרומוזומי המין טריזומיה X (47,XXX) תסמונת קליינפלטר ((XXY פנוטיפ נורמלי השתקה של כל כרומוזומי ה-X בתא מלבד אחד תדירות 1:500 בגברים תסמינים: עקרות מבנה גוף אופיני

שינויים במבנה הכרומוזום הרבה יותר נדירים משינויים במספר הכרומוזומים גם אם חיוניים בד"כ גורמים לבעיות בפוריות כרוכים בשבירה של לפחות כרומוזום אחד סוגים: (החלפת מקטעים בין כרומוזומים לא הומולוגיים, היפוך, אובדן של מקטע).

הכפלת סדרות שלמות של כרומוזומים (Polyploidy) 1. טריפלואידיה (3n) 2. טטרפלואידיה (4n)

Reminder of function of kinetochores and kinetochore microtubules Experiment: placement of yeast centromere DNA onto bacterial plasmid DNA. Host yeast cell machinery could recognize the bacterial plasmid DNA by attaching to yeast centromere, treating it as a mitotic chromosome Peter J. Russell, iGenetics: Copyright © Pearson Education, Inc., publishing as Benjamin Cummings.

Bacterial DNA Released from Supercoiling (~ 40 kb)

מבנה כרומוזום בסוף המיטוזה בסוף שלב S שתי הכרומטידות מחוברות ע"י צנטרומר צנטרומר

הטרוכרומטין הגדרה: אזורים של כרומטין אשר נשארים דחוסים גם במהלך האינטרפאזה מאפיינים: אזורים עם שעתוק מועט עוברים הכפלת דנ"א יחסית מאוחר בשלב ה-S מועשרים במודיפיקציות אפיגנטיות אופיניות עמידים בפני DNase I 2 סוגים : הטרוכרומטין קונסטיטוטיבי: צנטרומרים, טלומרים ורצפים חוזרים אחרים בגנום עניים בגנים הטרוכרומטין פקולטטיבי: כרומוזום X אינאקטיבי בנקבות Euchromatin Heterochromatin