Cytogenetika představuje široký vědní obor, jehož pozornost je zaměřena především na studium chromozomů cytologickými metodami. Předmětem studia jsou vedle morfologie a ultrastruktury chromozomů i procesy mitózy, meiózy, rekombinace chromozomů, oplodnění, detekce změn chromozomového komplexu (genomové mutace) a studium a detekce chromozomových aberací (mutací). zdroj: zdroj: images.jupiterimages.com Polytenní chromozomy, resp. obří chromozomy lze nalézt ve slinných žlázách hmyzu řádu Diptera. např. komáři, pakomáři, muchničky, drosophila
Chromozom Poprvé označení CHROMOZOM pro chromatinové petlice, které při dělení vznikají použil v roce 1888 WALDEYER. Heinrich Wilhelm Waldeyer ( – ) - německý lékař zdroj:
Ultrastruktura chromozomů Utrastruktura eukaryontního chromozomu, fáze spiralizace a kondenzace chromatinu Základní substrukturální jednotkou chromozomu jsou nukleozomy. Složení nukleozomu: 1)histonové jádro – oktamerní komplex dvojmo zastoupených histonů H2A, H2B, H3 a H4 2)DNA – histonové jádro je ovinuto dvěmi závity části molekuly DNA (146 bp) 3)Sousední nukleozomy jsou spojeny molekulami histonu H1
Chromatin Podle stupně zbarvení zásaditými barvivy, stupně kondenzace a v závislosti na genové aktivitě rozlišujeme chromatin na: E – euchromatin H – heterochromatin M – mitochondrie ER – endoplazmatické retikulum Nu - jadérko Lidská buňka (zdroj: missinglink.ucsf.edu )
a) Heterochromatin – silně spiralizovaný (kondenzovaný), silně barvitelný chromatin, je geneticky inaktivní - konstituvní (základní) – stále transkripčně inaktivní - fakultativní (výběrový, volný) – dočasně kondenzovaný heterochromatin, který se v závislosti na druhu buňky a v závislosti na průběhu ontogeneze může měnit na euchromatin b) Euchromatin – nízká kondenzace, slabá barvitelnost, transkripčně aktivní chromatin
Morfologie chromozomů Chromozomy lze úspěšně pozorovat pouze v průběhu dělení buněčného jádra ve fázi metafáze!! metafázový chromozom obsahující 2 molekuly DNA primární konstrikce - centromera sesterské chromatidy sekundární konstrikce satelit (trabant) ramena chromozomu: krátké – p; A S dlouhé – q; A L Rozdělení chromozomů podle umístění centromery: a – metacentrický – přibližně stejně dlouhá ramena b – submetacentrický – jedno rameno kratší než ½ druhého c – subtelocentrický (akrocentrický) – jedno rameno velmi zkrácené d – telocentrický – chromotom má jen dlouhé rameno telomery
Počet a velikost chromozomů V tělních (somatických) buňkách eukaryontů je diploidní počet chromozomů (2n), v pohlavních buňkách (gametách) je počet redukován na haploidní (n). Dvojice chromozomů se stejnou genetickou výbavou, strukturou, tvarem a velikostí nazýváme homologické chromozomy. Párové chromozomy přítomné v buňkách obou pohlaví nazýváme autozomy. U organismů s odděleným samičím a samčím pohlavím mají dvojice pohlavních chromozomů, tzv. gonozomy (X, Y). Karyotyp – představuje aktuální stav souboru chromozomů buňky, chromozomy do homologických párů a tyto jsou seřazeny podle velikosti (počet, tvar a velikost je druhově specifická) Idiogram – grafické znázornění ideální skladby chromozomů určitého druhu
Srovnání karyotypu a idiogramu Karyotyp muže (Giemsa) ( Karyotyp ženy (FISH) ( Karyotyp ženy (SKY technika) ( Lidský idiogram (
DruhSomatický (2n) počet chromozomů Pšenice obecná (Triticum aestivum)42 Pšenice tvrdá (Triticum durum)28 Ječmen setý (Hordeum vulgare)14 Kukuřice setá (Zea mays) B Hrách setý (Pisum sativum)14 Huseníček rolní (Arabidopsis thaliana)10 Skot (Bos taurus)60 Prase (Sus scropha)38 Kůň (Equus caballus)64 Ovce (Ovis aries)54 Kočka (Felis domestica)38 Pes (Canis familiaris)78 Včela (Apis mellifica)16, 32 Drozofila (Drosophila melanogaster)8 Člověk (Homo sapiens)46 Šimpanz (Antropopithecus troglodytes) 48 vysvětlení pro kukuřici a včelu následuje
Kukuřice ( B) - některé druhy rostlin (kukuřice, kostřava atd.) mají mimo diploidní sady chromozomů ještě tzv. přídavné chromozomy (syn. B chromozomy). Přídatné chromozomy jsou menší než autozomy a jejich počet je proměnlivý. a) menší počet B chromozomů – neovlivňuje fenotyp a životaschopnost b) větší počet B chromozomů – nižší vitalita a způsobují sterilitu Včela (16, 32) - jedinci vzniklí z oplozených vajíček nají diploidní počet – královna + dělnice - jedinci vzniklí z neoplozených vajíček - trubci
Další zvláštnosti u chromozomů Mikrochromozomy - byly popsány u ptáků - velmi těžko se počítají a identifikují Louskač tlustozobý ♀ ♂ zdroj: Goldschmidt et al. (2000) Genet. Mol. Biol. 32 (2) pohlavní chromozomy Axolotl mexický (k41.pbase.com ) zdroj: Štetkovité (lampbrush) chromozomy - jádro pohlavních buněk ryb a obojživelníků - chromozomy plně rozvinuté, které vytváří po celé délce párovité záhyby (místo syntetické aktivity chromozomu)
Buněčný cyklus Buněčný cyklus má čtyři základní fáze: G 1 fáze – syntéza RNA, proteinů, vytváří se zásoba nukleozidtrifosfátů, syntéza enzymů pro replikaci a rozmnožuje se počet organel (ribozomů, mitochondrií atd.) S fáze – syntetický fáze – probíhá replikace jaderné DNA (30-50% buněčného cyklu) G 2 fáze – druhá přípravná fáze, postsyntetická – příprava pro vlastní dělení, intenzivní syntéza proteinů, RNA a tvorbou buněčných struktur M fáze – mitotická fáze - skládá se s rozdělení buněčného jádra (mitózy) a vlastního rozdělení buněk buňky (cytokineze). zdroj:
Mitóza 1 – profáze 2 – metafáze 3, 4 – anafáze 5 – pozdní telofáze 6 - dceřinné buňky Čtyři fáze mitózy: 1)profáze 2)metafáze 3)anafáze 4)telofáze
Genetický význam mitózy: - mechanizmus mitózy zaručuje rovnoměrné rozdělení hmoty chromozomů do obou dceřiných buněk, - mitózou je zabezpečen konstantní počet chromozomů všech buněk mnohobuněčného organizmu. Pravidelnou distribucí chromozomů nesoucích genetickou informaci obsaženou v DNA se zabezpečuje shoda dědičného základu výchozí (mateřské) a obou nových (dceřiných) buněk. ( ( Bellevalia romana (Hyacinthus romanus)
Animace mitózy
Meióza Profáze I: 1 - leptotene; 2 - zygotene; 3 - diplotene; 4 - metafáze I; 5 - anafáze I; 6 - metafáze II; 7 - anafáze II; 8 - telofáze II. Fáze meiotického dělení: meióza I (redukční, heterotypické dělení) 1)profáze I (leptotene, zygotene, pachytene, diplotene s diskineze) 2)metafáze I 3)anafáze I 4)telofáze I meióza II (ekvační, homeotypické dělení) 1)profáze II 2)metafáze II 3)anafáze II 4)telofáze II
Genetický význam meiózy: -redukce počtu chromozomů. Vznikem gamet s haploidním počtem chromozomů a možností následného splynutí gamet opačného pohlaví při oplození je zajištěno pravidelné střídání haploidní a diploidní fáze při rozmnožování organizmů se zachováním stálosti počtu chromozomů, -přímým důsledkem rozdělení homologického páru chromozomů je rozdělení genetické informace uložené v DNA homologických chromozomů do růz ných gamet, -genetická různorodost gamet daná náhodnou distribucí (segregací) chromozomů do gamet. Protože kombinace nastává v párech, je počet možných kombinací 2n, kde n = počet párů homologických chromozomů. Např. má-li organizmus 2n = 6 chromozomů, může vzniknout 23 = 8 různých kombinací chromozomů, - genetická různorodost gamet, kde vedle náhodné segregace chromozomů se uplatňují ještě rekombinace jako důsledek crossing-overu, - výsledkem současného působení procesů náhodné segregace a rekombinace chromozomů je existence prakticky nekonečné genetické variability. Protože větší genotypová variabilita obecně znamená větší adaptabilitu druhu, jde o významný faktor evolučního vývoje.
zdroj: Lilie (Lilium) ( Vybrané fáze meiotického dělení
Animace meiózy
Srovnání výsledku mitózy a meiózy MITÓZA MEIÓZA zdroj obrázků:
Základní charakteristika chromozomálních mutací Dochází ke zlomům na chromozomu a možné následné fůzi zlomených částí chromozomu (změna morfologie chromozomu). fragmentací chromozomu může vzniknout: centrický fragment – nesoucí centromeru acentrický fragment – bez centromery poloha zlomů na chromozomu: v jednom rameni – paracentrická zlomy v obou ramenech – pericentrická dicentrická přestavba – chromozom se dvěmi centromerami podle postižení v homologních párech: heterozygotní - postihuje jen jeden chromozom z páru homozygotní – postihuje oba chromozomy z páru ve stejném rozsahu
Chromozomální mutace ABCDEoFGHIABCDEoFGHI standardní (nemutovaný) chromozom o – centromera velká tiskací písmena označují úseky chromozomu ABoFGHIABoFGHI ABCDEoFABCDEoF ABCBCDEoFGHIABCBCDEoFGHI deficience – ztráta koncového úseku delece – ztráta vnitřního úseku duplikace – zdvojení určitého úseku ABCDEoIHGFABCDEoIHGF inverze – otočení určitého úseku o 180 o
Chromozomální mutace ABCDEoFGHIABCDEoFGHI standardní (nemutované) chromozomy o - centromera OPQRSToUVWXYOPQRSToUVWXY translokace – přemístění určitých částí chromozomu na jiný (př. reciproká translokace) ABCDEoFWXYABCDEoFWXY OPQRSToUVGHIOPQRSToUVGHI chromozom Achromozom B chromozom A
Příklady chromozomálních mutací Syndrom kočičího krku (Cri du chat) delece p ramene 5. chromozomu anomálie způsobující těžkou tělesnou a mentální retardaci, kulatý „měsícovitý“ obličej (v dětství), hypoplasie laryngu má za následek mňoukavý pláč DiGeorgův syndrom delece q ramene 22. chromozomu nevyvinutí příštitných tělísek, vady srdce, poruchy brzlíku, funkční abnormality T lymfocytů (poruchy imunity) zdroj: zdroj: zdroj:
Příklady chromozomálních mutací - záměrné zlepšování technologické kvality tritikale translokacemi segmentu 1D chromozomu pšenice na 1R chromozom žita (Martinek et al., J Cereal Sci, 2007, in press) - obdobný způsob i u pšenice (rezistence), ale zde samovolné: T1BL.1RS (↑ rezistence; ↓ kvalita)
Pojmy v genomových mutacích Haploidní počet (n) = gametický počet chromozomů Diploidní počet chromozomů (2n) = somatický počet chromozomů Základní chromozomální číslo (x) = haploidní počet chromozomů detekovaný na nejnižším stupni ploidní řady př. pšenice setá (T. aestivum) = 42 pšenice tvrdá (T. durum) = 28 pšenice jednozrnka (T. monococcum) = 14 Polyploidní řada – skupina příbuzných druhů v rámci rodu mající vzrůstající řadu chromozomů Genomy systematických jednotek a podjednotek zastoupené v chromozomové výbavě polyploidů označujeme symbolikou A, B, C atd. Základní chromozomální číslo pšenice je tedy 7.
Terminologie pro variabilitu počtu chromozomů Aneuploidie2n ± chromozom nulizomie 2n - 2 monozomie 2n - 1 trizomie 2n +1 tetrazomie, pentazomie 2n + 2; 2n + 3 atd. EuploidieNásobení x diploidie 2n 3n, 4n, 5n 3n 4n, 5n atd. znásobení stejného genomu (např. AAAA) znásobení odlišných genomů (např. AABB) polyploidie triploidie tetraploidie, pentaploidie, atd. autopolyploidie aloploidie hypoploidie hyperploidie sudé násobky – ortoploidie liché násobky - anortoploidie
Vznik polyploidie I. Vznik polyploidie může být: a) spontánní (v přírodě samovolně) b) indukovaný (vlivem zásahu člověka, např. látkou kolchicin) Vznik euploidie může být cestou: - mitotické polyploidie – zvýšení počtu chromozomů v somatických buňkách - zygotické polyploidie – zdvojením počtu chromozomů zygoty - meiotické polyploidie – zdvojením počtu chromozomů gamety Schéma vzniku polyploidie mitotickou, zygotickou a meiotickou cestou: a - výchozí diploidní buňky; b - gamety; c - zygoty; d - somatické buňky organizmu; e - typy polyploidních buněk. Stadia, v nichž je možný vznik polyploidie: A - mitotická polyploidie vlivem zdvojení počtu chromozomů somatické buňky; B - zygotická polyploidie vlivem zdvojení počtu chromozomů bez prvního dělení; C - meiotická polyploidie za nepřítomnosti redukce při tvorbě gamet.
Vznik polyploidie II. Vznik aneuploidie může být cestou: - nondisjunkcí (neoddělením) homologických chromozomů v meióze, - působením genů, které potlačují synapsi v meióze, - multivalentní konjugací chromozomů nondisjunkce (1. meiotické dělení) nondisjunkce (2. meiotické dělení)
Praktické příklady polyploidie Srovnání listu tetraploidní (28) a diplodní (14) odrůdy jetele ( Srovnání diploidního (48) a triploidního (72) amura bílého (hercules.cedex.es) Downův syndrom (trizomie 21 chromozomu člověka) (