CROMOZOMII. Structurile celulare care contin AND si cele care intervin in realizarea functiilor sale (ribozomii si centriolii) alcatuiesc aparatul genetic. Nucleul este elementul principal al aparatului genetic. - PowerPoint PPT Presentation
34
CROMOZOMII CROMOZOMII Structurile celulare care contin AND Structurile celulare care contin AND si cele care intervin in realizarea si cele care intervin in realizarea functiilor sale (ribozomii si functiilor sale (ribozomii si centriolii) alcatuiesc aparatul centriolii) alcatuiesc aparatul genetic. genetic. Nucleul este elementul principal al Nucleul este elementul principal al aparatului genetic. aparatului genetic. In nucleu fiecare molecula de AND se In nucleu fiecare molecula de AND se asociaza cu proteine histonice, asociaza cu proteine histonice, nonhistonice si mici cantitati de nonhistonice si mici cantitati de ARN, formand un complex nucleo- ARN, formand un complex nucleo-
Transcript
CROMOZOMIICROMOZOMIIStructurile celulare care contin AND si cele care Structurile celulare care contin AND si cele care intervin in realizarea functiilor sale (ribozomii si intervin in realizarea functiilor sale (ribozomii si centriolii) alcatuiesc aparatul genetic.centriolii) alcatuiesc aparatul genetic.
Nucleul este elementul principal al aparatului Nucleul este elementul principal al aparatului genetic.genetic.
In nucleu fiecare molecula de AND se asociaza In nucleu fiecare molecula de AND se asociaza cu proteine histonice, nonhistonice si mici cu proteine histonice, nonhistonice si mici cantitati de ARN, formand un complex nucleo-cantitati de ARN, formand un complex nucleo-proteic denumit CROMATINA.proteic denumit CROMATINA.
Interactiunile dintre AND si proteine au un rol Interactiunile dintre AND si proteine au un rol structural structural in organizarea supramoleculara a in organizarea supramoleculara a AND si un rol AND si un rol functional functional in mecanismele care in mecanismele care regleaza expresia si replicarea genelor.regleaza expresia si replicarea genelor.
Cromozomii sunt elemente dinamice si Cromozomii sunt elemente dinamice si constante ale celulei cu functii genetice constante ale celulei cu functii genetice esentiale.esentiale.
Exceptand procariotele care au un singur Exceptand procariotele care au un singur cromozom circular, la eucariote numarul cromozom circular, la eucariote numarul cromozomilor este caracteristic fiecarei cromozomilor este caracteristic fiecarei specii:specii:
Numarul cromozomilor in celula nu respecta Numarul cromozomilor in celula nu respecta gradul de evolutie biologica si complexitatea gradul de evolutie biologica si complexitatea structural functionala a speciei.structural functionala a speciei.
Ca urmare, numarul cromozomilor nu este un Ca urmare, numarul cromozomilor nu este un criteriu taxonomic de stabilire a pozitiei criteriu taxonomic de stabilire a pozitiei filogenetice, a gradului evolutiei biologice. filogenetice, a gradului evolutiei biologice.
In lumea vie sunt specii inferioare ca evolutie In lumea vie sunt specii inferioare ca evolutie filogenetica dar cu un numar mare de filogenetica dar cu un numar mare de cromozomi ( exemplu crapul are 104 cromozomi ( exemplu crapul are 104 cromozomi pe cand omul 46 cromozomi).cromozomi pe cand omul 46 cromozomi).
AND reprezinta cel mai important constituent AND reprezinta cel mai important constituent al cromozomilor eucariotici, in el gasindu-se al cromozomilor eucariotici, in el gasindu-se programul genetic al speciei respective.programul genetic al speciei respective.
Informatia genetica e codificata in Informatia genetica e codificata in macromolecula de AND, un polimer linear macromolecula de AND, un polimer linear care contine milioane de nucleotide. Un care contine milioane de nucleotide. Un milion de nucleotide inseamna un segment milion de nucleotide inseamna un segment de AND cu o lungime de 3,4X10 la puterea 5 de AND cu o lungime de 3,4X10 la puterea 5 nm, adica 0,034cm.nm, adica 0,034cm.
In cromozomii eucariotelor, AND-ul In cromozomii eucariotelor, AND-ul reprezinta 13-16 %, ARN-ul 12-13 % iar reprezinta 13-16 %, ARN-ul 12-13 % iar proteinele histonice si non histonice 68-72 %. proteinele histonice si non histonice 68-72 %.
HISTONELEHISTONELE Sunt proteine bazice cu o mare afinitate pt Sunt proteine bazice cu o mare afinitate pt
ADN prezente la toate eucariotele.ADN prezente la toate eucariotele.
Genele care codifica histonele au o structura Genele care codifica histonele au o structura particulara ( fara introni) si se afla localizate particulara ( fara introni) si se afla localizate pe cromozomii 1,6,12 . Se exprima in faza S a pe cromozomii 1,6,12 . Se exprima in faza S a ciclului celular sincron cu replicarea AND.ciclului celular sincron cu replicarea AND.
La eucariote se deosebesc 5 tipuri de histone La eucariote se deosebesc 5 tipuri de histone : H1,H2A, H2B, H3, H4. Cu exceptia lui H1, : H1,H2A, H2B, H3, H4. Cu exceptia lui H1, celelalte tipuri (in special H3,H4) au o celelalte tipuri (in special H3,H4) au o structura stabila, bine conservata in evolutie.structura stabila, bine conservata in evolutie.
H1 - bogata in lizinaH1 - bogata in lizina H2A - bogata in leucinaH2A - bogata in leucina H2B - bogata in serinaH2B - bogata in serina H3 - bogata in arginina si cisteinaH3 - bogata in arginina si cisteina H4 - bogat in argininaH4 - bogat in arginina
Au rol structural in compactarea ADN-ului in nucleu, Au rol structural in compactarea ADN-ului in nucleu, intrand in alcatuirea intrand in alcatuirea nucleozomilornucleozomilor, particula , particula fundamentala din structura fibrelor de cromatina.fundamentala din structura fibrelor de cromatina.
Au rol functional fiind implicate in reglarea expresiei Au rol functional fiind implicate in reglarea expresiei genelor ( transcriptie). genelor ( transcriptie).
Acetilarea histonelor determina activarea unor gene, Acetilarea histonelor determina activarea unor gene, metilarea lor produce represie genica iar fosforilarea metilarea lor produce represie genica iar fosforilarea lui H1 provoaca condensarea fibrilelor de cromatina lui H1 provoaca condensarea fibrilelor de cromatina interfazica in cromozomi si declanseaza mitoza.interfazica in cromozomi si declanseaza mitoza.
Experimental s-a demonstrat ca histonele Experimental s-a demonstrat ca histonele stabilizeaza dublul helix si inhiba sinteza ARN.stabilizeaza dublul helix si inhiba sinteza ARN.
NON HISTONELENON HISTONELE
Sunt proteine acide si neutre, heterogene si putin Sunt proteine acide si neutre, heterogene si putin abundente ( exceptie face grupul proteinelor HMG- “ abundente ( exceptie face grupul proteinelor HMG- “ high mobility group”).high mobility group”).
Majoritatea au rol functional intervenind specific in Majoritatea au rol functional intervenind specific in reglarea activitatii genelor ( ex. HMG participa se reglarea activitatii genelor ( ex. HMG participa se pare la reglarea replicarii AND). pare la reglarea replicarii AND).
Unele au rol structural formand matricea Unele au rol structural formand matricea cromozomilor.cromozomilor.
Moleculele de AND si histonele sufera spiralizari Moleculele de AND si histonele sufera spiralizari succesive alcatuind un sistem ierarhizat de fibre de succesive alcatuind un sistem ierarhizat de fibre de cromatina.cromatina.
La inceputul diviziunii, fibrele de cromatina se La inceputul diviziunii, fibrele de cromatina se spiralizeaza si se condenseaza suplimentar formand spiralizeaza si se condenseaza suplimentar formand cromozomii. La sfarsitul diviziunii, acestia se cromozomii. La sfarsitul diviziunii, acestia se despiralizeaza si persista in interfaza sub forma despiralizeaza si persista in interfaza sub forma filamentelor de cromatina.filamentelor de cromatina.
Deci, cromatina si cromozomii sunt doua modalitati Deci, cromatina si cromozomii sunt doua modalitati diferite de organizare morfofunctionala a diferite de organizare morfofunctionala a materialului genetic in interfaza si diviziunematerialului genetic in interfaza si diviziune
CROMATINACROMATINA Asocierea dintre AND si proteine se numeste Asocierea dintre AND si proteine se numeste
cromatina. cromatina. Prezinta diferite grade de condensare si se prezinta Prezinta diferite grade de condensare si se prezinta
sub doua tipuri morfofunctionale distincte : sub doua tipuri morfofunctionale distincte : eucromatina si heterocromatina ( clasificare facuta eucromatina si heterocromatina ( clasificare facuta de E.Heitz in 1928).de E.Heitz in 1928).
EucromatinaEucromatina::
este putin condensata si slab colorataeste putin condensata si slab colorata prezinta mult AND nerepetitiv bogat in perechi de prezinta mult AND nerepetitiv bogat in perechi de
baze G-C si proteine nonhistonicebaze G-C si proteine nonhistonice reprezinta partea activa genetic a cromatineireprezinta partea activa genetic a cromatinei se replica precoce la inceputul fazei Sse replica precoce la inceputul fazei S alcatuieste benzile R din cromozomialcatuieste benzile R din cromozomi
HeterocromatinaHeterocromatina
este puternic condensata si intens colorataeste puternic condensata si intens colorata prezinta AND repetitiv bogat in A-T si histoneprezinta AND repetitiv bogat in A-T si histone
desi inactiva genetic indeplineste anumite functii desi inactiva genetic indeplineste anumite functii celulare precum : stabilizeaza centromerul si celulare precum : stabilizeaza centromerul si telomerele cromozomului, intervine in desfasurarea telomerele cromozomului, intervine in desfasurarea meiozei ( in sinapsa cromozomilor omologi) si meiozei ( in sinapsa cromozomilor omologi) si probabil in diferentierea celularaprobabil in diferentierea celulara
este de doua feluri : constitutiva si facultativa este de doua feluri : constitutiva si facultativa ( clasificare facuta de S.Brown in 1975).( clasificare facuta de S.Brown in 1975).
- Se gaseste constant sub forma condensataSe gaseste constant sub forma condensata
- Nu contine gene functionale si este formata din AND Nu contine gene functionale si este formata din AND inalt repetitiv ( AND satelit)inalt repetitiv ( AND satelit)
- Se gaseste in regiunea centromerului, pe bratul lung Se gaseste in regiunea centromerului, pe bratul lung al cromozomului Y, pe bratele scurte ale al cromozomului Y, pe bratele scurte ale cromozomilor acrocentrici si in constrictiile cromozomilor acrocentrici si in constrictiile secundaresecundare
- Alcatuieste benzile C din cromozomiAlcatuieste benzile C din cromozomi
- Variaza la celule diferite si chiar la organisme diferite Variaza la celule diferite si chiar la organisme diferite : in unele celule, anumite parti sau gene din : in unele celule, anumite parti sau gene din cromozomi pot fi active, in alte celule, aceleasi cromozomi pot fi active, in alte celule, aceleasi structuri pot sa nu functioneze fiind sub forma de structuri pot sa nu functioneze fiind sub forma de heterocromatinaheterocromatina
- Aceasta heterocromatinizare poate fi limitata la un Aceasta heterocromatinizare poate fi limitata la un anumit segment din cromozom sau poate cuprinde anumit segment din cromozom sau poate cuprinde tot cromozomul ( exemplu tipic la sexul feminin cand tot cromozomul ( exemplu tipic la sexul feminin cand unul din cei doi cromozomi X este inactiv formand unul din cei doi cromozomi X este inactiv formand corpusculul sexual X).corpusculul sexual X).
NUCLEOZOMULNUCLEOZOMUL
Primul nivel de organizare supramoleculara a AND Primul nivel de organizare supramoleculara a AND ( structura primara a cromozomului) este filamentul ( structura primara a cromozomului) este filamentul cu nucleozomi cu diametrul de 11 nm. cu nucleozomi cu diametrul de 11 nm.
Nucleozomul (super helixul cromatinian) este Nucleozomul (super helixul cromatinian) este alcatuit dintr-o secventa de AND ( de 146 pb) care se alcatuit dintr-o secventa de AND ( de 146 pb) care se infasoara aproximativ doua rotatii complete ( 1 tur si infasoara aproximativ doua rotatii complete ( 1 tur si ¾) in jurul unui miez histonic format din 8 histone ¾) in jurul unui miez histonic format din 8 histone ( cate 2 molecule din H2A, H2B, H3, H4).( cate 2 molecule din H2A, H2B, H3, H4).
Nucleozomii sunt legati intre ei printr-un segment de Nucleozomii sunt legati intre ei printr-un segment de AND liber ( 60 pb) formand un filament asemanator AND liber ( 60 pb) formand un filament asemanator unui “sirag de margele”. Aceasta structura unui “sirag de margele”. Aceasta structura (mentinuta strans de histona H1 care leaga doi (mentinuta strans de histona H1 care leaga doi nucleozomi vecini) realizeaza o impachetare a AND-nucleozomi vecini) realizeaza o impachetare a AND-ului de circa 10 ori.ului de circa 10 ori.
Dimensiunile nucleozomilor depind de organism, Dimensiunile nucleozomilor depind de organism, tesut sau de starea de activitate a genomului celular tesut sau de starea de activitate a genomului celular ( exemplu : cand AND-ul se replica, nucleozomii se ( exemplu : cand AND-ul se replica, nucleozomii se deschid pentru ca informatia genetica sa devina deschid pentru ca informatia genetica sa devina accesibila).accesibila).
Nucleozomul contine cantitati aproximativ egale de Nucleozomul contine cantitati aproximativ egale de AND si histone. Masa moleculara a nucleosomului AND si histone. Masa moleculara a nucleosomului este de cca 262 000 de daltoni, fiind alcatuita astfel :este de cca 262 000 de daltoni, fiind alcatuita astfel :
H1 = 24000H1 = 24000 H2A X 2 = 28000H2A X 2 = 28000 H2B X 2 = 28000H2B X 2 = 28000 H3 X 2 = 30000H3 X 2 = 30000 H4 X 2 = 22000H4 X 2 = 22000 Deci in total histonele reprezinta 132000 de daltoni si Deci in total histonele reprezinta 132000 de daltoni si
AND diferenta de 130000 de daltoni ( cca 200 pb).AND diferenta de 130000 de daltoni ( cca 200 pb).
SOLENOIDULSOLENOIDUL Este al doilea nivel de organizare ( structura Este al doilea nivel de organizare ( structura
secundara sau super-super-helixul) sau fibra de secundara sau super-super-helixul) sau fibra de cromatina de 30 nm.cromatina de 30 nm.
Acesta rezulta prin spiralizarea filamentului cu Acesta rezulta prin spiralizarea filamentului cu nucleozomi. Aceasta structura ( cu pasul de 6 nucleozomi. Aceasta structura ( cu pasul de 6 nucleozomi) este stabilizata de histona H1 si nucleozomi) este stabilizata de histona H1 si realizeaza o compactare de 5 ori.realizeaza o compactare de 5 ori.
In solenoid zonele spiralizate alterneaza cu zone In solenoid zonele spiralizate alterneaza cu zone nespiralizate unde se pot fixa o serie de proteine nespiralizate unde se pot fixa o serie de proteine specifice. Totodata prin aceasta noua spiralizare, specifice. Totodata prin aceasta noua spiralizare, diferite regiuni care pe AND-ul liniar se aflau la diferite regiuni care pe AND-ul liniar se aflau la distanta, sunt apropiate favorizand interactiunile distanta, sunt apropiate favorizand interactiunile genice.genice.
BUCLA CROMOZOMICABUCLA CROMOZOMICA
Este al treilea nivel de organizare ( structura tertiara Este al treilea nivel de organizare ( structura tertiara a cromozomului) care rezulta prin plierea fibrei de a cromozomului) care rezulta prin plierea fibrei de cromatina de 30 nm in bucle laterale de lungimi cromatina de 30 nm in bucle laterale de lungimi diferite ( 20-100 Kb), formandu-se fibra cu diametrul diferite ( 20-100 Kb), formandu-se fibra cu diametrul de 300 nm.de 300 nm.
Buclele au o dispozitie helicoidala fiind dispuse in Buclele au o dispozitie helicoidala fiind dispuse in rozete hexametrice.rozete hexametrice.
Dispunerea bucleiforma a fibrei polisolenoidice si Dispunerea bucleiforma a fibrei polisolenoidice si conservarea buclelor in cromozomii metafazici sunt conservarea buclelor in cromozomii metafazici sunt determinate de prezenta proteinelor non histonice determinate de prezenta proteinelor non histonice Sc1 si Sc2 ( scaffold”)Sc1 si Sc2 ( scaffold”)
Se considera ca fiecare bucla ar putea fi o unitate Se considera ca fiecare bucla ar putea fi o unitate functionala, de transcriptie si replicare.functionala, de transcriptie si replicare.
STRUCTURA CUATERNARASTRUCTURA CUATERNARA
Este al patrulea nivel de organizare a cromozomilor Este al patrulea nivel de organizare a cromozomilor la eucariotela eucariote
Dupa dispozitia bucleiforma a fibrei nucleoproteice Dupa dispozitia bucleiforma a fibrei nucleoproteice urmeaza un proces de hipercondensare a AND-ului.urmeaza un proces de hipercondensare a AND-ului.
Prin spiralizarea fibrei de 300 nm, care are loc in Prin spiralizarea fibrei de 300 nm, care are loc in interfaza, ia nastere fibra de 700 nm care corespunde interfaza, ia nastere fibra de 700 nm care corespunde diametrului unei cromatide.diametrului unei cromatide.
Fiecare cromatida contine o singura molecula de Fiecare cromatida contine o singura molecula de ADN.ADN.
Buclele anterior descrise se vor rasuci suplimentar Buclele anterior descrise se vor rasuci suplimentar in metafaza. Intr-o rasucire de 360 apar aproximativ in metafaza. Intr-o rasucire de 360 apar aproximativ 30 de rozete hexametrice avand drept corespondent 30 de rozete hexametrice avand drept corespondent banda G de pe cromozomii umani. banda G de pe cromozomii umani.
Numarul de rasuciri complete depinde de cantitatea Numarul de rasuciri complete depinde de cantitatea de AND/cromozom ( ex. la cr 1 ar fi intre 29-33 de de AND/cromozom ( ex. la cr 1 ar fi intre 29-33 de asemenea rotatii).asemenea rotatii).
In procesele de rasucire participa in jur de 30 de In procesele de rasucire participa in jur de 30 de proteine non histonice HMG, MARs ( matrix proteine non histonice HMG, MARs ( matrix associated regions) sau SARs ( scaffold associated associated regions) sau SARs ( scaffold associated regions). Astfel molecula de AND sufera o regions). Astfel molecula de AND sufera o compactare de 10000 ori.compactare de 10000 ori.
NUCLEOZOMULNUCLEOZOMUL
CROMOZOMII BCROMOZOMII B Sunt numiti si cromozomi aditionali Sunt numiti si cromozomi aditionali
complementului normal de cromozomi complementului normal de cromozomi (cromozomi supranumerari)(cromozomi supranumerari)
Au fost identificati la peste 1000 specii de plante Au fost identificati la peste 1000 specii de plante si 260 specii de animalesi 260 specii de animale
Indivizii care au cromozomi B nu se deosebesc Indivizii care au cromozomi B nu se deosebesc fenotipic de indivizii conspecifici lipsiti de fenotipic de indivizii conspecifici lipsiti de prezenta acestor cromozomiprezenta acestor cromozomi
Se numesc B, deoarece prezenta lor nu este Se numesc B, deoarece prezenta lor nu este indispensabila pentru cresterea, dezvoltarea si indispensabila pentru cresterea, dezvoltarea si reproducerea normala a organimelor reproducerea normala a organimelor
Caracteristicile cromozomilor BCaracteristicile cromozomilor B
Morfologie diferita in comparatie cu cromozomii Morfologie diferita in comparatie cu cromozomii A ( cromozomi esentiali)A ( cromozomi esentiali)
Talie foarte micaTalie foarte mica Contin o cantitate mai mare de heterocromatina Contin o cantitate mai mare de heterocromatina
constitutivaconstitutiva Nu sunt omologi cu cromozomii A normali si nu Nu sunt omologi cu cromozomii A normali si nu
se cupleaza cu acestia in timpul meiozei sau se cupleaza cu acestia in timpul meiozei sau mitozei mitozei
Se mostenesc nemendelian la descendentiSe mostenesc nemendelian la descendenti
Nu contin gene indispensabile dezvoltarii si Nu contin gene indispensabile dezvoltarii si activitatii celulareactivitatii celulare
Efectul lor este cumulativEfectul lor este cumulativ Ca origine, provin din cromozomii A care au Ca origine, provin din cromozomii A care au
suferit o serie de deletii repetate, ce au dus la suferit o serie de deletii repetate, ce au dus la vidarea de ADN a cromozomului initial si vidarea de ADN a cromozomului initial si reducerea considerabila a taliereducerea considerabila a talie
Datorita transmiterii nemendeliene, nr. Datorita transmiterii nemendeliene, nr. cromozomilor B variaza intre indivizii conspecifici cromozomilor B variaza intre indivizii conspecifici ( uneori se constata ca un individ poate prezenta ( uneori se constata ca un individ poate prezenta mai multe populatii celulare care difera intre ele mai multe populatii celulare care difera intre ele prin numarul de cromozomi B).prin numarul de cromozomi B).
BANDAREA CROMOZOMILORBANDAREA CROMOZOMILOR Dupa 1970 s-au dezvoltat tehnici moderne de Dupa 1970 s-au dezvoltat tehnici moderne de
citogenetica care permit prin metode de bandare citogenetica care permit prin metode de bandare identificarea precisa a fiecarui cromozom.identificarea precisa a fiecarui cromozom.
Tehnicile de bandare au ca principiu afinitatea pe Tehnicile de bandare au ca principiu afinitatea pe care o manifesta unii coloranti sau agenti care o manifesta unii coloranti sau agenti fluorescenti fata de AND.fluorescenti fata de AND.
Astfel clorhidratul de quinacrina manifesta afinitate Astfel clorhidratul de quinacrina manifesta afinitate fata de AND bogat in A-T care maresc intensitatea fata de AND bogat in A-T care maresc intensitatea fluorescentei in timp ce G-C o reduc.fluorescentei in timp ce G-C o reduc.
S-a observat ca si gradul de condensare al S-a observat ca si gradul de condensare al cromatinei influenteaza intensitate coloratiei cromatinei influenteaza intensitate coloratiei benzilor.benzilor.
- polimorfismul acestor regiuni si al cromozomului polimorfismul acestor regiuni si al cromozomului Y poate fi detectat prin bandare QY poate fi detectat prin bandare Q
Bandarea G:Bandarea G:- a devenit cea mai uzuala tehnica pentru a devenit cea mai uzuala tehnica pentru
cromozomii umanicromozomii umani- Benzile G se obtin prin digestie enzimatica Benzile G se obtin prin digestie enzimatica
controlata cu tripsina urmata de colorarea controlata cu tripsina urmata de colorarea GiemsaGiemsa
Bandarea R:Bandarea R: se obtine prin denaturare termica controlata ( 85) a se obtine prin denaturare termica controlata ( 85) a
preparatelor intr-o solutie salina inaintea colorarii cu preparatelor intr-o solutie salina inaintea colorarii cu acridin oranjeacridin oranje
benzile G negative devin prin aceasta tehnica benzi benzile G negative devin prin aceasta tehnica benzi R pozitive si inversR pozitive si invers
Bandarea C:Bandarea C: Evidentiaza centromerii cu exceptia cromozomului Evidentiaza centromerii cu exceptia cromozomului
Y, la care banda intens colorata e localizata in Y, la care banda intens colorata e localizata in regiunea distala a bratului qregiunea distala a bratului q
