Ugrás a tartalomhoz

Általános genetika

Deák Veronika (2014)

Typotex Kiadó

Gének és kromoszómák

Gének és kromoszómák

Ebben a fejezetben a későbbiek megértéséhez szükséges fogalmakkal ismerkedünk meg.

Egy élőlény teljes genetikai információját (DNS-ét) az adott szervezet genomjának nevezzük. Eukarióta szervezetekben a DNS döntő része a sejtmagban helyezkedik el. Ez a sejtmagi DNS meghatározott egységekre osztott, s ezek az egységek alkotják a kromoszómákat. Az egy fajba tartozó szervezetekre meghatározott számú és megjelenésű kromoszómák jellemzők. A legtöbb állat és növényfaj diploid (jele: 2n), ami azt jelenti, hogy testi sejtjeik két komplett génkészlettel, és ennek megfelelően két azonos kromoszóma szettel rendelkeznek. Az ivarsejtekre egyszeres, haploid (jele: n) kromoszóma készlet jellemző. Embernél n=23, és 2n=46.

Egy élőlény haploid genomjának bázispárokban (bp) kifejezett mérete a C-érték. A humán genom C-értéke: 3,3×109 bp. Általánosságban igaz, hogy a nagyobb rendszertani csoportok között a komplexitásnak megfelelően változik a minimális haploid genom mérete (minél komplexebb a csoport, annál nagyobb a genom mérete). Ki kell azonban emelni, hogy egyes taxonómiai csoporton belül – látszólag indokolatlanul – túl nagy az egyes fajok genomméretének a különbsége. Ezt a jelenséget illetik a C-érték paradoxon kifejezéssel. A méretbeli eltérések egyrészt bizonyos genomrészek mennyiségi különbségeiből fakadnak (ezek: intergénikus (gének közötti) szakaszok, a génekben található nem kódoló szakaszok (intronok), mozgó genetikai elemek), további oka lehet a poliploidia (többszörös genomkészlet).

A diploid élőlények sejtmagjában lévő azonos megjelenésű kromoszóma-párok tagjait homológ kromoszómáknak, vagy egyszerűen homológoknak nevezzük. A homológ kromoszómák azonosak abban a tekintetben, hogy ugyanazokat a géneket tartalmazzák ugyanolyan elrendeződésben, de a DNS-szekvenciájuk nem teljesen azonos, s a köztük lévő eltérések adják az egy fajon belül fellelhető genetikai variációt. Diploidokban tehát minden gén párban található. Fontos megjegyezni, hogy a testi sejtekben a homológ párok fizikailag nem állnak párba, hanem a sejtmagon belül meghatározott, nem feltétlenül egymáshoz közeli territóriumot foglalnak el (2.3. ábra).

2.3. ábra - Interfázisos kromoszómák által elfoglalt territóriumok csirke diploid sejtmagban (az egyes homológokat eltérő fluoreszcens festés jelöli)

Interfázisos kromoszómák által elfoglalt territóriumok csirke diploid sejtmagban (az egyes homológokat eltérő fluoreszcens festés jelöli)

A haploid eukarióta szervezetek (például gombák, algák) sejtmagja egy kromoszómaszettet tartalmaz. A haploidok fontos szerepet töltöttek és töltenek be a genetikai kutatásokban mint modellszervezetek, hiszen genetikai vizsgálatuk egyszerűbb, mint a diploid szervezeteké.

Minden kromoszóma egy DNS molekulából áll (kivéve a sejtosztódást megelőző megkettőződött állapotot). Ha a sejtmagi teljes DNS-t agaróz gélelektroforézissel analizáljuk, a sávok száma megfelel a haploid kromoszómaszámnak (a homológ párok DNS-e azonos méretüknél fogva egy sávként jelenik meg). A sejtmagban lévő DNS-molekulák hossza nagyságrendekkel meghaladja a kromoszómák méretét. Az ember 23 kromoszómáját alkotó DNS hossza összesen nagyjából 1 m (!) hosszúságú. A DNS tehát tömören csomagolt állapotban van jelen a kromoszómákban (2.4. ábra). A csomagolt szerkezet kialakításában a DNS mellett bázikus oldalláncokkal rendelkező hiszton fehérjék vesznek részt. A hisztonok több bázikus oldalláncú aminosavat (arginint, lizint, hisztidint) tartalmaznak, és a pozitív töltéseknek köszönhetően elektrosztatikus kölcsönhatás jöhet létre a negatív töltésekkel rendelkező (foszfát csoportok) DNS-molekulával. A hiszton fehérjék a leginkább konzervált (hasonló aminosavsorrenddel rendelkező) fehérjék közé tartoznak, távoli rokon fajokban is csak csekély eltéréseket mutatnak, hosszúságuk 100 aminosav körüli. A tömörülés legkisebb egysége a nukleoszóma, mely hiszton-oktamer (8 hiszton fehérje) köré csavarodott DNS-szakasz. 1 nukleoszómára 160 bp jut, a DNS kettős hélix két fordulatot tesz a hiszton oktamer körül, a nukleoszóma átmérője 10 nm. A nukleoszómák további, többszintű csavarulása alakítja ki a kromatint, a kromoszómák anyagát. A nukleoszómákat a (kb. 200 aminosav hosszú) H1 nevű hiszton kapcsolja össze 30 nm-es szolenoid tekerccsé, melyben csavarulatonként hat nukleoszóma helyezkedik el. A 30 nm átmérőjű szolenoid hurkokat alakít ki egy központi fehérje vázhoz (scaffold, vagy magyar átiratban szkaffold) kapcsolódva. A scaffold szerkezete kevésbé ismert, a topoizomerázII és más, ún. nemhiszton fehérjékből épül fel. A SAR (= scaffold attachment region) szakaszok azok a részek a DNS mentén, melyek a scaffoldhoz kapcsolódásban vesznek részt. Két SAR közötti szakasz nagyságrendileg és nagy általánosságban néhány tízezer bp hosszúságú. A gének a SAR-ok között helyezkednek el (2.4. ábra).

2.4. ábra - A kromatin szerveződése

A kromatin szerveződése

A kromoszómák hossza mentén a kromatin kompaktsága (azaz a tömörülés mértéke) eltérő. A DNS-sel reagáló festékek ennek megfelelően különböző intenzitással festik a kromoszómák egyes részeit. A leginkább festődött szakaszoknál a DNS szorosabban csomagolt állapotban van jelen, ilyen kromoszómaszakasz például a centromer, ahol a kromatin jellemzően összeszűkül. A centromernek fontos szerepe van a sejtosztódás során a kromoszómák szegregálódásában. A szorosan csomagolt kromatinszerkezetet heterokromatinnak, a lazább szerkezetet eukromatinnak nevezzük. Bizonyos kromoszómák sajátos régiója a nukleólusz organizátor (NOR régió). Ezek a laza kromatin szerkezetű szakaszok riboszómális RNS-géneket tartalmaznak, melyek folyamatosan, és nagy mennyiségben íródnak át. Környezetükben az rRNS-ek nagy számban vannak jelen. Ez a funkcionális egység a nukleólusz (sejtmagvacska) része, ahol a riboszómák összeszerelése zajlik. A kromoszómák további kitüntetett részei az azok végein található telomer szakaszok. A telomerek szerkezeti védelmi szerepe rendkívül fontos, és a replikációs mechanizmusuk egyedi (erről később szólunk részletesebben). Bizonyos festési eljárásokkal a kromoszómák erősebben és gyengébben festődő keresztirányú sávozottságot mutatnak. Ez a mintázat fontos támpontot nyújt a kromoszómaszerkezeti eltérések vizsgálatában. A sávozottság kromatinszerkezeti mintázatot tükröz.

A gének a kromoszómák DNS-ének RNS-re átíródó szakaszai. Egy gén vagy egyéb kitüntetett genomszakasz helyét a kromoszómán az adott gén vagy szakasz lókuszának (latin locus = hely) nevezzük. A gének száma az egyes fajokban ezres nagyságrendű, az egysejtű gomba Saccharomyces cerevisiae kb. 6000 génnel, az ember kb. 20000 fehérjekódoló génnel rendelkezik. (Megjegyezzük, hogy a humán genom ezen kívül tartalmaz még körülbelül 23000 nem fehérjekódoló gént, ezekről különféle típusú RNS-termék képződik, valamint körülbelül 14000 ún. pszeudogént, melyek a fehérjekódoló génekhez hasonlóak, de az evolúció során felhalmozódott mutációk következtében nem funkcióképesek. A legújabb eredmények alapján a humán genomnak körülbelül a 80%-a íródik át RNS-re. A folyamatosan frissülő génszámok megtalálhatók a http://www.ensembl.org/Homo_sapiens/Info/StatsTable internetes oldalon.)

A gének közötti át nem íródó régiók (NTS, non transcribed spacers) mennyisége, hossza, DNS-összetétele fajonként igen változó. Az utóbbi idők kutatásainak megdöbbentő eredménye, hogy eukariótákban az intergénikus régiók nagy részét mobilis DNS-elemek, ún. traszpozábilis elemek teszik ki. A mozgó genetikai elemek nagyban hozzájárulnak a genetikai állomány átrendeződéséhez, az azonban máig sem világos, hogyan képesek a genomok ezt tolerálni.

Az egyes eukarióta genomokra jellemző további érdekes kérdés a génekben lévő intronok száma és mérete. Az intronok nemkódoló szakaszok, melyek a gének kódoló szakaszai között helyezkednek el. Az intronok is átíródnak, de poszttranszkripcionálisan kivágódnak az RNS-ből. Míg az egyes fajokban a gének kódoló szakaszának (exonjainak) hossza szembetűnően szűk mérattartományba esik (1-3 kbp = kilobázispár), addig az intronok száma és mérete igen tág határok között változik. Egy extrém példa az emberi disztrofin gén (melynek hibája okozza az izomdisztrófia nevű betegséget): a gén kódoló szakaszait 78 darab intron szakítja meg, melyek együttes hossza 2500 kbp.