Přípravný kurz z biologie 5
Stavba chromozomů Lidský karyotyp
3. 12. 2011
Mgr. Kateřina Caltová
Stavba chromozomů Lidský karyotyp
Chromozom • buněčná struktura v jádře eukaryotních buněk • řec. chroma = barva, soma = tělo
• účel existence? • snadnější rovnoměrné rozdělení genetické informace do dceřiných buněk • soubor všech chromozomů v jádře buňky = karyotyp
Stavba chromozomů • jaderná DNA v jaderných chromozomech = nositelka genetické informace • každý chromozom eukaryotní buňky = jedna lineární dvouvláknová molekula DNA • somatická (tělní) lidská buňka = diploidní (2n), 46 chromozomů = 46 molekul DNA (před S fází buněčného cyklu) • po S fázi až do anafáze mitózy je každý chromozom zdvojený → 92 molekul DNA (tetraploidní, 4n) • DNA jednoho chromozomu v nataženém stavu je u člověka cca 6-7 cm • celková délka DNA všech 46 chromozomů je asi 2 m (uloženo v jádře buňky!!!)
Chromatin II • součástí chromatinu - histony (bazické proteiny s velkým obsahem aminokyselin Arg a Lys), jejich kladný náboj zajišťuje pevnou vazbu se záporně nabitými fosfátovými skupinami DNA
• histony = kostra • na ně se namotává molekula DNA • geny pro histony – důležité, evolučně konzervativní = prakticky totožné u všech eukaryot (i prokaryota mají proteiny podobné histonům)
Histony
v jedné buňce asi 60 miliónů molekul histonů
1. skupina = H2A, H2B, H3, H4 (asi 100 AK), jejich sekvence u všech organismů podobná (H2 člověk x hrách - rozdíl ve 2 AK) – vytváří oktamerní komplex (každý histon je zastoupený 2x) – nukleozom = válcovitá struktura o průměru 11 nm, kolem které se obtáčí DNA v rozsahu necelých 2 otáček (asi 146 bp) 2. skupina = H1 (asi 215 AK), mezi organismy se více liší v primární struktuře – váže se na spojovací úsek DNA v rozsahu asi 60 párů bazí mezi nukleozomy – podílí se na tvorbě 30 nm chromatinového vlákna (tzv. solenoid)
• histony realizují 1. a 2. stupeň sbalení DNA obr. 51: O. Nečas: Obecná biologie pro lékařské fakulty, H & H Jinočany, 2000
Stavba chromozomů • ① chromatida
• ② centromera • ③ krátké rameno chromatidy (p) • ④ dlouhé rameno chromatidy (q) http://cs.wikipedia.org/wiki/Chromozom
Stavba chromozomů • struktura chromatinu – několik úrovní • základní jednotka = nukleozom – histony obalené molekulou DNA, cca 200 párů bazí (bp) • vyšší struktura = solenoid = spiralizované uspořádání chromozomů (1 závit = cca 6 nukleozómů a 1200 bp) • solenoidy se uspořádávají do smyček, 18 smyček = základní segment chromozomu
Nukleozom • základní stavební jednotka chromatinu eukaryotního chromozomu • 8 histonů (2x H2A, H2B, H3 a H4) → histonový oktamer = kostra a kolem něj omotaný řetězec DNA (156 bp) • „korálky na šňůrce“ • histony opouští DNA jen při replikaci • při transkripci zůstávají připevněné k DNA obr. 50: O. Nečas: Obecná biologie pro lékařské fakulty, H & H Jinočany, 2000
Stavba chromozomů • morfologie nejlépe pozorovatelná v metafázi/ časné anafázi • pentlicovitý útvar, 2 podélně orientované chromatidy, spojeny centromerou v místě primárního zúžení (konstrikce) • ta rozděluje chromatidy na dvě ramena • u některých chromozomů i sekundární konstrikce, odděluje tzv. satelit
• vnější koncové oblasti chromatid = telomery (procesy stárnutí bb) • telomery, centromera a oblasti konstrikce mají strukturní funkci a neobsahují genetickou informaci!
Chromatin • tvoří ho i kyselé nehistonové proteiny (heterogenní skupina) - druhově i tkáňově specifické • podílejí se na tvorbě smyček 30 nm chromatinového vlákna (20 - 80 000 bp, až 2 600 smyček na 1 chrom.) = konečná struktura interfázických chromosomů
Vyšší úrovně organizace chromozomů • nukleozomy tvoří vlákno 10 nm • pomocí histonu H1 vzniká 30 nm vlákno • 30 nm vlákno se skládá do smyček → připevněny ke kyselým nehistonovým proteinům, které tvoří tzv. proteinové lešení 300 nm silné
• dalším skládáním smyček vzniká interfázický chromosom jedna chromatida je cca 700 nm silná
Vyšší úrovně organizace chromozomů
obr. 49: O. Nečas: Obecná biologie pro lékařské fakulty, H & H Jinočany, 2000
Interfázický chromozom • udržuje si určitou úroveň sbalení: • v interfázi zachováno 30 nm vlákno, které nehistonové proteiny váží k jaderné lamině i matrix • připevnění dává interfázickým chromozomům přesné místo v jádře a zabraňuje jejich zamotání • některé části interfázických chromozomů silně kondenzované, barvitelné a pozorovatelné mikroskopem → heterochromatin (DNA obsahuje převahu bazí A, T) • méně kondenzované úseky (nejsou vidět) → euchromatin - transkripčně aktivní (DNA obsahuje převahu bazí C, G)
Metafázický chromozom • dosahuje maximální kondenzace a zkrácení (10 µm, tomu odpovídá 100 km ≈ 15 m) • velikost určena celkovou délkou chromozomu • centromera dělí chromozom na 2 ramena, každé rameno má 2 chromatidy • počet je charakteristický a stálý ve všech buňkách obr. 4-6 a 8-9; Mange A.P.: Genetics: human aspects, Sinauer Associates Inc., 1990
Typy metafázických chromozomů akrocentrický
metacentrický krátké rameno p
satelit sekundární konstrikce
centromera dlouhé rameno q
chromatida
submetacentrický
telocentrický
Karyotyp • soubor všech chromozomů v jádře buňky • konstantní v počtu, tvaru a velikosti chromozomů • chromozomy jsou seřazené podle určitých kritérií (na obr. podle velikosti) • (karyogram = neseřazené chromozomy, viz. obr.)
• dvojice totožných chromozomů = homologické chromozomy (obsahují geny kontrolující tytéž dědičné kvality) karyotyp
karyogram
• schématické znázornění chromozomů určitého organismu seřazených podle určitých kritérií • počet • poměrné velikosti a tvaru jednotlivých chromozómů
Idiogram
• G–pruhování - před barvením Giemsovým roztokem jsou chromozomy částečně natráveny trypsinem • tmavé pruhy - heterochromatin (převaha bazí A, T) • světlé pruhy - euchromatin, aktivnější (převaha bazí C, G) obr. 8.2; T.D.Gelehrter a kol.: Principles of Medical Genetics, Williams & Wilkins, 1998
G pruhování • ošetření trypsinem • barvení Giemsou
• barví se oblasti bohaté na AT páry
R pruhování • Reverzní
• ošetření alkalickými parami • barvení Giemsou • barví se oblasti bohaté na GC páry
Q pruhování • fluorescenční barvivo chinakrin (quinacrine) • odpovídá G pruhůmm
Barvení chromozomů
Q
G
( chromozóm č.1)
R
Chromozomové určení pohlaví Typ Drosophila Typ Abraxas
Chromozomální určení pohlaví • u gonochoristů je pohlaví určeno podle heterochromozomů • rozlišují se základní 2 typy chromozomového určení pohlaví
– typ savčí a typ ptačí
Typ ptačí (Abraxas) • párový chromozom - Z • nepárový chromozom – W • samičí pohlaví - ZW - heterogametní • samčí pohlaví - ZZ – homogametní • o pohlaví jedince rozhoduje vajíčko
• u ptáků, motýlů, některých ryb, obojživelníků a plazů
Typ savčí (Drosophila) • samičí pohlaví - XX - homogametické • samčí pohlaví XY – heterogametické • o pohlaví rozhoduje spermie
• u většiny řádů hmyzu, některých ryb a plazů, u všech savců včetně člověka • u drosofily rozhoduje poměr X:A, Y není pro určení pohlaví důležitý • u člověka Y striktně určuje mužské pohlaví
Chromozomální určení pohlaví u člověka X
Y
X
XX
XY
X
XX
XY
XX = žena XY = muž
X Y
Základní genetické pojmy gen, genotyp, fenotyp, pleiotropie, polygenie, expresivita, penetrance
Genetika • studuje zákonitosti dědičnosti a proměnlivosti živých organismů • dědičnost - schopnost uchovávat soubor dědičných informací o vytváření znaků a předávat je nezměněný potomkům • proměnlivost (variabilita) - schopnost organismů různým způsobem reagovat na měnící se podmínky prostředí • variabilita = příčina morfologického a fyziologického rozrůznění organismů a hlavní podklad evoluce • zdroj variability - mutace, rekombinace chromozomů, segregace chromozomů do gamet
Základní pojmy • gen = jednotka dědičnosti, sekvence DNA nutná k produkci funkčního produktu (protein, RNA) • lokus = pozice na chromozomu obsazená genem • alela = jedna z alternativních verzí genu, která se může vyskytnout na daném lokusu • většinou od jednoho genu bývají v populaci 2 různé alely • v některých případech je v populaci více funkčních alel určitého genu = mnohotná alelie
http://www.nwcreation.net/articles /recombinationreview.html
Základní pojmy II • genotyp – soubor všech genů jedince – alely přítomné na jednom lokusu • fenotyp – biochemické, fyziologické a morfologické charakteristiky jedince, určené genotypem a prostředím
genotyp + prostředí = fenotyp
Základní pojmy III • homozygot (homozygotní) = jedinec nebo genotyp se dvěma shodnými alelami v daném lokusu
• heterozygot (heterozygotní) = jedinec nebo genotyp s rozdílnými alelami v daném lokusu
http://cs.wikipedia.org/wiki/Heterozygot
Základní pojmy IV • hemizygot (hemizygotní) = jedinec nebo genotyp pouze s jednou alelou sledovaného genu typické pro muže - geny umístěné na chromosomu X nemají kompenzaci na chybějící části chromozomu Y (u mužů u gonozomální dědičnosti je jen 1 alela)
červeně je vyznačená chybějící část chromozomu Y
Pleiotropie • jeden gen ovlivňuje více fenotypových projevů • fenotypový obraz mnoha monogenně podmíněných chorob vytváří soubor charakteristických příznaků = klinický syndrom • příklady: fenylketonurie (PKU)- dědičné metabolické onemocnění: defekt fenylalaninhydroxylázy → mentální retardace, poruchy pigmentace, zpomalený růst, vylučování fenylpyrohroznové kyseliny do moči Phe
Tyr fenylpyrohroznová kyselina (toxické účinky na myelinizaci CNS)
Pleiotropie II • osteogenesis imperfecta - defekt syntézy kolagenu → lomivé kosti, modré skléry (bělima), otoskleróza (hluchota)
• Marfanův syndrom - defekt syntézy elastinu v pojivové tkáni → anomálie kostry, očí, srdce
Pleiotropie III • srpkovitá anémie - defekt β-řetězce globinu v hemoglobinu (Hb) → shlukování molekul Hb → deformace ery→ srpkovitý tvar (fragilnější) → anémie, poruchy prospívání, zvětšená slezina, ucpávání kapilár v končetinách, slezině, plících (lokální hypoxie až infarkt)
Polygenie • jeden znak je podmíněný velkým počtem genů - geny malého účinku (opak pleiotropie) • efekt aditivní (účinek genů se sčítá) • efekt multiplikační (účinek genů se násobí) • většinou se jedná o znaky kvantitativní (př. tělesná výška člověka, odstín barvy kůže, barva očí, inteligence...) - v populaci se tyto znaky plynule mění • obvykle jsou znaky silně ovlivněny vlivy vnějšího prostředí → tzv. multifaktoriální znaky
Polygenní dědičnost
odstín barvy kůže u člověka • může být kódován 3 geny A,B,C (ve skutečnosti genů více) • každé velké písmeno přidává výslednému znaku jednu „jednotku“ • pak osoba AABBCC bude mít velmi tmavou kůži, osoba aabbcc velmi světlou kůži • kumulativní efekt způsobí, že osoby AaBbCc a AABbcc budou mít tutéž barvu kůže • konečný spojitý tvar Gaussovy křivky je ovlivněný faktory vnějšího prostředí (opalování)
Expresivita genu • vyjadřuje rozsah, v jakém se určitý genotyp projeví ve fenotypu (stupeň vyjádření genotypu ve fenotypu) • variabilní expresivita genu → tentýž genotyp se u různých jedinců žijících v různých prostředích může do fenotypu promítnout různě silně • neúplná expresivita → nemusí být přítomny všechny příznaky určitého syndromu • příklady: • polydaktylie – vrozená vada, někdy místo nadpočetného prstu jen kožní výrůstek bez kostěného základu
• neurofibromatoza - abnormální růst podpůrných bb - nádory nebo skvrny
neurofibrom
Penetrance • penetrance určuje, zda se daný genotyp vůbec projeví ve fenotypu • penetrance (genu) vyjadřuje pravděpodobnost, s jakou se varianta genu projeví ve fenotypu
• vysoká penetrance u majorgenů (špatně ovlivnitelné prostředím) • malá penetrance u minorgenů (jejich projevy závisí na okolním prostředí) • neúplná penetrance (př. 90 %) - u 10 jedinců ze 100 se příslušný dominantní znak neprojeví ve fenotypu, i když mají odpovídající genotyp • rozdíl mezi penetrancí a expresivitou je: • penetrance určuje, zda se daný genotyp projeví ve fenotypu a pokud ano, tak expresivita označuje míru tohoto projevu • příklady: • Huntingtonova chorea (HD) - neurodegenerativní onemocnění mozku
Další pojmy • genom - soubor všech genů v chromozomech jádra (tj. jaderné geny) • plazmon - soubor všech genů v mimojaderných buněčných strukturách (tj. geny mitochondriální, plastidové aj.) • autozomy - v diploidním organismu jsou vždy párově (homologní chromozomy)
• gonozomy - pohlavní chromozomy X a Y, nejsou homologní v celém rozsahu
Vztahy mezi alelami • od každého genu má jedinec jen dvě alely (dáno přítomností homologních chromozomů) • homozygot - obě alely jsou funkčně stejné (AA – dominantní, aa – recesivní) • heterozygot - obě alely jsou funkčně odlišné (Aa) • vztah dominance - recesivita 1. úplná dominance (recesivní fenotyp se projeví pouze u recesivních homozygotů aa, dominantní znak u AA, Aa) → DĚDIČNOST STŘÍDAVÁ AA červená
Aa červená
aa bílá barva květů
Podle fenotypu nelze rozlišit dominantního homozygota (AA) od heterozygota (Aa)!
Vztahy mezi alelami II • vztah dominance - recesivita 2. neúplná dominance (heterozygot má odlišný fenotyp od dominantního i recesivního homozygota - znak je intermediární) → DĚDIČNOST SMÍŠENÁ (intermediarita, semidominance)
AA červená
Aa růžová
aa bílá barva květů
Při neúplné dominanci můžeme podle fenotypu rozlišit heterozygota od dominantního homozygota!
Vztahy mezi alelami III
Vztahy mezi alelami IV • vztah kodominance • u heterozygota se obě alely projeví ve fenotypu současně, rovnocenně, paralelně • každá alela se projevuje fenotypově nezávisle na druhé (př. erytrocytární antigeny systému AB0, MN nebo HLA antigeny) • příklad: v systému MN (vedlejší krevní systém, monogenní znak děděný kodominantně) na povrchu ery jsou buď jen antigeny M (MM) nebo N (NN), u jedinců MN jsou oba typy antigenů (alely M a N se vyjádří nezávisle na sobě)
Vztahy mezi alelami V
