Молекулярна биология и наследствени болести при домашните животни проф дсн Лилян Сотиров

Структурата на хромозомите при еукариотните организми зависи от центромерите и теломерите. При някои хромозоми се наблюдава и още една допълнителна област – организаторът на ядърцето (nucleolar organizer region - NOR). Основната роля на центромерите е в процеса на деленето на клетките, където посредством центромера си всяка хромозома се свързва с нишките на делителното вретено. Ако по някаква причина даден фрагмент загуби връзката си с центромера на хромозомата, то той не може да се предаде в дъшерните клетки. При повечето висши организми центромерът представлява дълъг участък (над 200bp) от често повтарящи се фрагменти сателитна ДНК.

Теломерите са специализирани структури, разположени в крайщата на ДНК молекулите и хромозомите. Независимо от наблюдаваният вид, обикновено те са изградени от многократно повтарящи се фрагменти със секвенцията TTAGGG. Броят на повторенията в теломерите е висок при младите делящи се клетки и постепенно намалява с възрастта на соматичните тъкани, поради което се смята, че това явление е молекулен маркер на процеса стареене. Към теломерите са прикрепени специфични белтъчини като се предполага, че сформираните нуклеопротеини непозволяват рекомбинацията на генетичен материал между крайщата на нехомоложните хромозоми.

Ако центромерът се образува от първичното прищъпване на хромозомата, то организаторът на ядърцето (NOR) се образува т. нар. вторични прищъпвания. Те се състоят от тандемно повторени гени за рибозомните гени за 5,8S, 18S и 28S. Всеки NOR е съставен около 80-100 повторения като през интерфазата на клетъчното делене той се декондензира и около него се организира ядърце, при което NOR от различните хромозоми се обединяват в едно ядърце. Не всички хромозоми притежават вторично прищъпване, но при някои хромозоми то е толкова силно изразено, че една малка част от хромозомата е толкова силно прищъпена, че изглежда като отделена от нея. Такава малка дистална част от хромозомата се нарича Сателит.

Хромозомите са изградени от два основни компонента – ДНК и белтъци, образуващи структура обозначавана като хроматин. Белтъчините участващи в образуването хромозомите се делят на два основни класа – хистонови и нехистонови белтъци. Хистоните са белтъци с ниско молекулно тегло (около 23 kD) и се откриват в равно съотношение с количеството на ДНК в съответната хромозома. Благодарение на наличието на аминокиселините аргинин и лизин, те притежават положителен заряд, който стабилизира структурата на ДНК. При повечето организми са открити пет различни хистона Н1, Н2а, Н2b, H3 и Н4. Аминокиселинната последователност на всеки хистон е висококонсервативна, което показва изключителната важност на тези молекули за живота на еукариотните организми.

Хроматинът в хромозомите е съставен от множество нуклеозоми, изградени от четири хистона (Н2а, Н2b, H3 и Н4) около които се увива молекулата ДНК. Всяка нуклеозома се получава, като участък от ДНК се увие 2 пъти около белтъчен октамер, т.е. комплекс от 8 белтъчни молекули. Октамерът се състои от хистоните Н2А, Н2В, Н3 и Н4, всеки представен с по 2 молекули. Хистон H1 се разполага извън тази структура (нуклеозомата) и спомага фиксирането на навивките на ДНК. Върху една нуклозома се разполага ДНК молекула с големина 146 базови двойки (bp). Между две съседни нуклозоми се разполага молекула ДНК с дължина около 60 bp, която носи името линкер и дължината и варира при различните видове. По нататъшното пакетиране на ДНК зависи от молекулите на хистон Н1, които могат да взаимодействат по между си и да образуват спирална структура съставена от отделни нуклеозоми, наречена соленоид. Нехистоновите (кисели) белтъци изпълняват предимно регулаторна функция и вземат участие в генната експресия. Нехистоновите белтъци, които изграждат хроматина, също се подлагат на модификации – фосфорилиране, ацетилиране и гликолизиране. Към тях се отнасят бързо подвижни белтъци HMG1, 2, 14 и 17, които са нискомолекулни и се намират в тази част на хроматина, където става активна транскрипция. Към тази група спадат всички ензими, които са отговорни за репликацията на ДНК.

Функционален и нефункционален хроматин

Не всички участъци от хроматина вземат еднакво участие в генната експресия, поради което хроматина се разделя на два вида – функционално активен, наречен еухроматин и неактивен обозначаван като хетерохроматин. Участъците от хромозомата в които има натрупване на хетерохроматин са много по-плътни, поради което са лесно видими с обикновен микроскоп. Хетерохроматинът може да се раздели на два подвида – конституитивен и факултативен хетерохроматин. Конституитивният хетерохроматин не взема участие в генната експресия и се предполага, че молекулите на ДНК в него не носят генетична информация. Такъв хетерохроматин се наблюдава в дългото рамо на Y хромозомата на човек и в различни области на половите хромозоми при някои животни. Някои области в хроматина могат да съществуват както в хетеро така и в еухроматично състояние, тези участъци се обозначават като факултативен хетерохроматин. Пример може да бъде даден с образуването на телцето на Бар при женските бозайници. Индивидите от мъжки пол са хетерогаметни т.е. те притежават една Х и една Y хромозома. Женските индивиди са хомогаметни и притежават две Х хромозоми в своят геном. В Х хромозомата при бозайниците освен гени, отговарящи за половият диморфизъм се наблюдават и много гени които нямат отношение към пола на организма. Изхождайки от тези данни бихме могли да предположим много по-голямо количество експресирани гени при женските индивиди, в сравнение с мъжките. Това явление обаче не се наблюдава, тъй като малко след оплождането на яйцеклетката и образуването на зиготата едната Х хромозома приема хетерохроматично състояние и във всички соматични клетки на този организъм се наблюдава само една функционираща Х хромозома. Коя от двете Х хромозоми ще бъде инактивирана е случаен процес, като статистически почти половината от инактивираните Х хромозоми произхождат от майчиният организъм, а другата от бащиният. По време на гаметогенезата (в половите клетки) Х хромозомата се реактивира, като отново приема еухроматично състояние и се предава наравно с другата Х хромозома.

Поради факта, че са многократно по-дълги (около 200 пъти) в сравнение с нормалните метафазни хромозоми, политенните хромозоми се обозначават като гигантски хромозоми. Този вид хромозоми са описани в клетки на слюнчените жлези на личинките на Chironomus, в клетките на червата, както и при някои растения. Причината за възникването на този тип хромозоми в слюнчените жлези на личинките при двукрилите насекоми е, че при тях клетките не претърпяват клетъчно деление, но хромозомите увеличават размера си. През всеки етап от развитието на личинките, ядрата на клетките постоянно се намират в интерфаза и хомоложните хромозоми взаимно се привиличат. Това взаимно притегляне на хомоложните хромозоми е изключение от познатите правила и се обозначава като соматична конюгация. Политенните хромозоми се образуват вследствие на репликацията на хромозомите, която не се последва от разделяне на клетката. По този начин хромозомата придобива вид на схопче изградено от хромонемни нишки.

Гигантските хромозоми са изградени от огромен брой хромонеми (над 1000), поради което те се визуализират като снопчета от паралелни нишки. Една част от тези снопчета са много плътно кондензирани и се наричат бендове, а други са по-слабо кондензирани и се наричат интербендове. Предполага се, че всяка отделна нишка представлява отделна хромозома, като степента на политения се определя от броя хаплоидни хромозоми, които се намират в гигантската хромозома.

Отделяме такова внимание на политенните хромозоми поради едно изключително тяхно качество – активните места на генна експресия могат лесно да бъдат наблюдавани. Описаните силно кондензирани зони лесно се разширяват (образуват пуфи), след което могат могат бързо да възвърнат първоначалното си състояние. Пуфите са места в които се извършва транскрипция на информационна РНК, т.е. участъците в които се наблюдават пуфите съдържат гени, които в момента експресирани. В повечето случаи всяка пуфа произлиза от отделен бенд като процесът на декондензация се индуцира от хормона ecdysone. Участъците в които се наблюдават пуфи са богати на допълнителни протеини - ензимът РНК полимераза II и други протеини нужни за правилното протичане на транскрипцията. В миналото, когато молекулярно биологичните методи не са били толкова развити, този тип хромозоми е бил използван за определяне локализацията на даден ген в хромозомата.

Хромозоми тип “Лампови четки”

При земноводните, рибите, птиците и влечугите се наблюдава една разновидност на гигантските хромозоми обозначавани като хромозоми тип „лампови четки“. Те се образуват в резултат на необикновено дългата мейоза при някои видове земноводни, протичаща за период от няколко месеца. През този период те представляват изключително дълги структури и могат лесно да бъдат наблюдавани със светлинен микроскоп. В последствие (в края на мейозата) те възстановяват характерната си форма. “Ламповите четки” са мейотични биваленти като всяка хромозома се състои от два чифта сестрински хроматиди. Сестринските хроматидни чифтове са отделени така, че те се държат само от хиазма. Всяка двойка хомоложни хромозоми е изградена от четири хромонеми, а от тях излизат странични примки изградени от ДНК молекули и хистонови белтъчини. Описаната до момента структура била оприличена на четка за миене на газовите лампи използвани в миналото.

Трябва да отбележим, че „ламповите четки“ не са политенни, защото не са изградени от такъв голям брой хроматиди, а от силно деспирализирани хромонеми. При тритона Notophtalmus viridescens дължината на хромозомите тип „лампови четки“ достига до 800мм, докато в края на мейозата техният размер е почти 40 пъти по-малък – около 15-20 мм.

Въпроси за самоподготовка!

Белтъчините участващи в образуването хромозомите се делят на:

1. 
   Хистонови и нехистонови белтъци
   
2. 
   Ядрени и Цитоплазмени
   
3. 
   ДНК и РНК
   
4. 
   Монопептиди и Дипептиди
   

1. 
   H1, H2A, H2B, H3
   
2. 
   H1, H2A, H3, H4
   
3. 
   H1, H2B, H3, H4
   
4. 
   H2A, H2B, H3, H4
   

1. 
   Факултативен и конституитивен
   
2. 
   Еухроматин и Хетерохроматин
   
3. 
   Значим и незначим
   
4. 
   Същински и еволюционно стар
   

При много от опитите си Грегор Мендел не получавал независимо разпределение на наследствените фактори като наред с индивидите, при които настъпвало разпадане на признаците се откривали и индивиди, при които това не се случвало. Както вече описахме броят на хромозомите за всеки отделен вид е строго индивидуален и не може да бъде използван за преценка на еволюционното ниво на вида. Половите клетки съдържат хаплоиден хромозомен набор, а соматичните – диплоиден. Изхождайки от факта,че броят на хромозомите рядко надхвърля 80, а броят на гените при повечето висши организми е между 25 и 30000 трябва да отбележим, че всяка хромозома съдържа огромен брой гени в себе си. При деленето на клетката хромозомният набор се удвоява и така във всяка дъщерна клетка попадат равен брой хромозоми идентични с тези на изходната клетка. Гените се разполагат по дължината на хромозомите като гените разположени в една хромозома се предават заедно от едно поколение клетки на друго. Този феномен в биологията е познат като скаченост на гените и е пречката за независимото комбиниране на гените в гаметите. Така признаците, които са кодирани от гените разположени в една хромозома се унаследяват заедно като пакет. Доказателства за скачеността на гените в една хромозома са представени за първи път от Томас Морган при опитите му с винена мушица. Авторът решава да кръстоса мухи със сив цвят на тялото и нормално развити крила с мухи с черни тела и недоразвити крила. Както повелява първият закон на Мендел за еднообразието в F1 – всички мухи от първо поколение били със сиво тяло и нормално развити крила, т.е. проявяват се двата доминантни признака. В последствие Морган направил анализиращо кръстосване на мъжките индивидите от F1, като ги кръстосал с женска муха хомозиготна по рецисивните белези. При полученото поколение били установени два фенотипни класа – 50% от индивидите били със сиво тяло и нормални крилца (двата доминантни белега), а останалите 50% били с черно тяло и недоразвити крила (двата рецесивни белега). Полученият резултат противоречи на менделовите закони и се дължи на скачеността на гените във всяка хромозома.

• 
  Трансдукция – при този процес част от хромозомата на една бактерия се пренася и интегрира в хромозомата на друга бактерия, посредством вектор – вирус или бактериофаг. Обикновено бактериофага навлиза в определена бактериална клетката и интегрира собствената си ДНК молекула в реципиентната хромозома. В последствие клетката започва да продуцира зрели фагови частици, които разкъсват клетъчната мембрана и нападат други бактерии. Освен собствената си ДНК тези дъщерни бактериофаги носят и отделни фрагменти от ДНК на бактерията. Така при нападането на нови бактериални колонии освен фаговата ДНК се пренася и ДНК фрагмент от предходната бактерия. Посредством този механизъм за рекомбинация, бактериите разменят определени участъци от хромозомите си и така придобиват нови свойства. В зависимост от това дали пренесеният фрагмент може да се включи на всяко място от бактериалната хромозома или само в специфичен участък, трансдукцията бива специфична и неспецифична. Ако пренесеният фрагмент не се инкорпорира в ДНК на реципиентната клетка, трансдукцията се означава като абортивна.
  
• 
  Трансформация – определен участък от хромозомата на клетката донор се пренася и интегрира в хромозомата на клетката реципиент. Пренесеният участък е напълно функционален и кодира синтезата на специфичен белтък. При деленето на клетката, пренесеният фрагмент се реплицира заедно с реципиентната хромозома и се предава на дъщерните клетки. Посредством този механизъм бактериите придобиват свойства като вирулентност, резистентност към антибиотици и др.
  
• 
  Конюгация – представлява парасексуален процес, при който бактериите разменят участъци от хромозомите си посредством специфичен полов фактор – F. Бактериите, които притежават такъв полов фактор се означават като F⁺ бактерии, а тези при които този фактор липсва се означават като F^-. Процесът се извършва посредством пряк контакт между бактериите, като информацията се предава от F⁺ към F^- бактериите.
  

Половите хромозоми (X и Y) са изградени от един хомоложен и един хетероложен участък. В хомоложният участък на двете хромозоми се разполагат гени отговорни за различни структурни белтъчини като в двете хромозоми се разполага по един алел от всеки такъв ген. Установено е, че по дължината на хетероложният участък се разполагат, както полово детерминиращи гени, така и гени които нямат отношение към пола на индивида. В хетероложните участъци на хромозомите никога не настъпва рекомбинация (кросинговър), тъй като в тях не се разполагат алелите на един ген. Изхождайки от това можем да твърдим, че гените разположени в хетероложните участъци на половите хромозоми се намират само по веднъж в даденият геном. Това явление се означава като хемизиготно състояние на гена. Всички гени нямащи отношение към пола, разположени в тези участъци, се наричат свързани с пола и се унаследяват заедно с него без да се подчиняват на законите установени от Мендел. При повечето организми Y хромозомата е сравнително малка и в нея не са разположени много такива гени. В X хромозомата обаче, са намерени редица свързани с пола гени, отговарящи за различни фенотипни белези. Най-сериозен медицински проблем представляват малкото половосвързани гени в хетероложната част на Y хромозомата. Макар и малко, в този участък се разполагат редица летални гени за организма, като поради хемизиготното им състояние, почти винаги те са експресирани. При човека такива гени са отговорни за цветната слепота, хемофилията, някои ензимопатии и др.

Начините за генетична рекомбинация при прокариотите са:

1. 
   Парасексуални и сексуални
   
2. 
   Трансдукция, Трансформация и Конюгация
   
3. 
   Транскрипция и Транслация
   
4. 
   Полови и Безполови
   

1. 
   Х и У
   
2. 
   W и Z
   
3. 
   Z и О
   
4. 
   Х1 и Х2
   
5. 
   Не се наблюдават полови хромозоми
   

1. 
   Х и У
   
2. 
   W и Z
   
3. 
   Z и О
   
4. 
   Х1 и Х2
   
5. 
   Не се наблюдават полови хромозоми
   

1. 
   Х и У
   
2. 
   W и Z
   
3. 
   Z и О
   
4. 
   Х1 и Х2
   
5. 
   Не се наблюдават полови хромозоми
   

Според Hugo de Vries мутационната изменчивост на организмите се дължи на промени в техните наследствени структури възникнали под въздействието на различни фактори. Процесът на възникване на мутациите се означава като мутагенеза, а носителят на определена мутация се нарича мутант. По същество мутациите представляват промени в структурата на хромозомите или гените, при които се променя фенотипния облик на организма. Според горе посоченият автор мутациите се характеризират със следните особености:

• 
  Те са качествени изменения в наследственият апарат на клетката.
  
• 
  Възникват внезапно, без всякакви преходи.
  
• 
  Възможно е едни и същи мутации да възникнат повторно.
  
• 
  Получените нови форми са константни.
  
• 
  Протичат в различни посоки.
  

В зависимост от начинът на възникване, мутациите биват:

• 
  Спонтанни мутации – настъпват в резултат на случайни събития, без да е възможно това да бъде предсказано. Характерно за почти всички гени е тяхната мутабилност. Настъпването на мутации не дава адаптивно предимство на клетката или организма в който са възникнали. Под въздействието на естественият отбор изгодните (даващи предимство) мутации се предават в поколението, а носителите на вредни мутации рядко достигат до даване на поколение. Различните участъци по дължината на гена се характеризират с различна мутабилност. Съществуват характерни едно или двунуклеотидни последователности по дължината на даден ген при които мутациите се срещат значително повече в сравнение с други участъци от същият ген. Такива високомутабилни сайтове на гена се означават като горещи точки.
  
• 
  Индуцирани мутации – възникват под въздействието на определени фактори на околната среда. Някои от факторите на индуцираният мутагенез са рентгеновите лъчи, УВЧ, радиационен разпад и др.
  

• 
  Соматични – възникват в соматичните клетки на организма, поради което не се предават в поколението му. Тъй като органите в многоклетъчните организми са изградени от огромни количества еднакво специализирани клетки мутациите в една или няколко клетки рядко предизвикват разстройства във функциите на организма. При възникването на мутации в описаните по-горе половосвързани гени е възможно даден ген намиращ се в хемизиготно състояние да се превърне в летален. Мутациите в соматичните клетки могат да бъдат много опасни при засягане на гените отговорни за пролиферативните процеси. Така голяма част от туморните клетки се отличават с неконтролируемо нарастване и непрестанен стремеж към делене.
  
• 
  Герминативни – засягат се незрелите и зрели полови клетки. Поради това, че се предават в поколението този тип мутации представляват голям проблем в биологичният свят. В повечето случаи възникват два вида герминативни мутации – доминантни и рецесивни. Доминантните се проявяват при всеки организъм заченат от увредена гамета, докато рецесивните само когато се окажат в хомозиготно състояние, поради което при повечето организми те остават прикрити при хетерозиготите.
  

В зависимост от фенотипният белег който засягат мутациите биват:

• 
  Морфологични мутации – характеризират се с промяна в строежа на клетките, тъканите и органите. При животните такива мутации причиняват липса или намаляване дължината на краката, липса на окосменост и др.
  
• 
  Физиологични мутации – характеризират се с изменение във физиологичните функции на организма. Такива мутации засягат гените отговорни за топлинношоковите и протеините синтезиращи се при нискотемпературен стрес при растенията и животните, резистентността към антибиотици при бактериите и др.
  
• 
  Биохимични мутации – характеризират се с промяна в синтезата на някои химични вещества в клетката. Този тип мутации водят до промяна в обмяната на веществата в клетката. Пример за такава мутация можем да дадем с инсулин зависимият диабет. Клетките на задстомашната жлеза на болните от това заболяване не произвеждат достатъчно количество от белтъкът инсулин.
  

В зависимост от преживяемостта на организма, мутациите биват:

• 
  Летални мутации – предизвикват смъртта на организма, в който се откриват. Голяма част от леталните мутации са рецесивни и стоят прикрити при хетерозиготните организми. Когато летална мутация е в хомозиготно състояние (макар и рецесивна) настъпва смърт на организма.
  
• 
  Сублетални – предизвикват тежки смущения в развитието на организма. В повечето случаи носителите на такива мутации се раждат, но не доживяват до настъпване на полова зрелост.
  
• 
  Субвитални – предизвикват смущения в организма, поради което той не е конкурентно способен към условията на околната среда.
  

Мутациите не бива да бъдат разглеждани като вредни или полезни, защото влиянието, което те оказват върху организма зависи от околната среда. Така при едни условия на средата определена мутация може да бъде полезна, а при други да се окаже вредна. Според измененията, които мутациите предизвикват върху наследствените структури мутацииете биват:

• 
  Геномни мутации
  
• 
  Хромозомни аберации
  
• 
  Генни мутации
  
• 
  Цитоплазмени мутации
  

Както споменахме по-горе броят на хромозомите е строго индивидуален за всеки отделен вид. Под въздействието на различни лъчения, химични вещества, ядрени изотопи и др. обозначавани общо като мутагенни фактори по време на гаметогенезата се получават гамети с отклонения в хромозомният набор. В клетката има голям брой механизми (на които ще се спрем по-късно), които наблюдават за подобни отклонения, но понякога се случва подобна гамета да оцелее и да участва в създаването на зигота. Когато хромозомният набор е увеличен с цял хаплоиден хромозомен набор или няколко хаплоидни набора явлението се нарича Полиплоидия. Обикновено полиплоидията е в следствие на увредени механизми на мейозата, при което се наблюдава удвояване на генетичният материал, който в последствие не се разделя в две дъщерни клетки. В повечето случаи невъзможността за разделянето на генетичният материал се дължи на блокирането на нишките на делителното вретено, вследствие на което хромозомите остават удвоени. Така вместо хаплоидни гамети се образуват гамети с диплоиден хромозомен набор. Поради невъзможността за съществуване полиплоидията е явление, което почти не се среща при представителите на царство Animalia. При растенията обаче полиплоидията е в пъти по-разпространена. Полиплоидните растения се отличават с многократно по-висока продуктивност, поради което този биологичен феномен е използван при създаването на много хибридни сортове растения. Когато нормална гамета (с 1n) бъде оплодена с гамета с диплоиден хромозомен набор (2n), полученият индивид се нарича триплоид (3n). Ако се оплодят диплоидни гамети се получава тетраплоид (4n) и т.н. В зависимост от това дали се засягат клетките на един вид или на два вида организми полиплоидията се разделя на:

Автополиплоидия – увеличение на хаплоидният брой хромозоми от един и същ вид. Пример за естествени автотетраплоиди са кафето, фъстъците, картофите и др.

Алополиплоидия – увеличаване броя на хромозомните набори, произхождащи от два различни вида. Алополиплоиди се получават при кръстосването на автополиплоиди от различен вид.