Transcript הכרומוזומי..

‫הכרומוזומים – מבנה ותפקוד ביצורים חיים‬
‫הארגון והאריזה של מולקולת ה‪ DNA-‬משתנה בין יצורים‬
‫פרוקריוטיים ליצורים איקריוטיים‪.‬‬
‫בחיידקים‪ ,‬יצורים פרוקריוטיים‪ ,‬עיקר המידע התורשתי בתא‬
‫מרוכז במולקולת ‪ DNA‬אחת טבעתית שאינה עטופה בקרום‬
‫גרעין‪.‬‬
‫ביצורים איקריוטיים ארגון ה‪ DNA-‬מורכב יותר‪ ,‬בייצורים אלו ה‪-‬‬
‫‪ DNA‬נמצא בגרעין‪ ,‬בתוך מבנים הקרויים כרומוזומים‬
‫מפתח התרשים‪:‬‬
‫‪ – A‬תא‬
‫‪ – B‬גרעין התא‬
‫‪ – C‬גנים‬
‫‪ – D‬כרומוזומים‬
‫‪ – E‬סיב כפול של ‪DNA‬‬
‫‪ – F‬בסיס חנקני‬
‫כרומוזום – ‪ = Chroma‬צבע‪ = soma ,‬גוף‬
‫•‬
‫•‬
‫•‬
‫•‬
‫הכרומוזומים הם גופיפים הקולטים היטב צבעים‬
‫המשמשים צביעת תאים במעבדות מחקר ומכאן‬
‫שמם‪.‬‬
‫‪ Flemming‬היה הראשון ב‪ 1882-‬שתיאר את התופעה‬
‫של חלוקת מבנים בגרעין במהלך חלוקת התא‪.‬‬
‫כאשר מסתכלים מבעד למיקרוסקופ אור בתא שאינו‬
‫מתחלק‪ ,‬אפשר להבחין בחומר צבוע שאינו מתחלק‬
‫המרוכז בגרעין – הכרומטין‪ ,‬חומר הבנוי סיבים‬
‫מסולסלים‪.‬‬
‫רק בזמן חלוקת התא חלה דחיסה של הכרומטין‬
‫ומתקבל מבנה הנקרא כרומוזום‪.‬‬
‫מבנה החומר התורשתי‬
‫• הכרומוזומים נמצאים בגרעין‬
‫התא ונראים רק בזמן חלוקת‬
‫התא‪.‬‬
‫• בכל יצור יש בגרעין התא‬
‫מספר אופייני של זוגות‬
‫כרומוזומים הומולוגיים (‪)2N‬‬
‫• הכרומוזום מורכב מסליל‬
‫כפול המתפתל סביב עצמו‬
‫ושמו ‪DNA‬‬
‫• כל סליל כפול מורכב‬
‫ממיליונים של זוגות‬
‫מולקולות‪G – C A - T :‬‬
‫אשר מופיעות ברצפים שונים‪.‬‬
‫• כל רצף יוצר קידוד לגן‬
‫כלשהו‪ .‬באדם כ ‪80,000‬‬
‫גנים‪.‬‬
‫כיצד מולקולת ה‪ DNA-‬נדחסת לתוך הכרומוזום?‬
‫סיבי כרומטין דקיקים‪ ,‬לפני דחיסתם למבנה הכרומוזום‬
‫דחיסת סליל‬
‫הכרומטין‬
‫לתוך מבנה‬
‫הכרומוזום‬
‫צורת הכרומוזומים‬
‫זמן מה לפני חלוקת התא‪ ,‬הכרומוזום מוכפל ומורכב משתי‬
‫כרומטידות‪ ,‬שכל אחת מהן בנויה ממולקולת ‪ DNA‬אחת‪ ,‬דו‬
‫גדילית‪ ,‬המלופפת סביב חלבונים‪ ,‬מקופלת ומסולסלת‪.‬‬
‫שתי הכרומטידות נקראות כרומטידות אחיות‪.‬‬
‫טלומר‬
‫צנטרומר‬
‫כרומטידות אחיות‬
‫כרומוזום אנושי‬
‫תמונה של כרומוזום ‪12‬‬
‫של אדם‪ .‬צולמה‬
‫במיקרוסקופ אלקטרונים‬
‫ניתן לראות בתמונה‬
‫את המבנה של סליל‬
‫מפותל‪ ,‬זהו כרומוזום‬
‫בזמן הכפלת תא‬
‫וחלוקתו‪.‬‬
‫עוד על מבנה‬
‫הכרומוזום‬
‫בשקופיות‬
‫הבאות‪...‬‬
‫הצנטרומר‬
‫•‬
‫•‬
‫•‬
‫•‬
‫אזור בדנ"א המורכב מעותקים רבים‬
‫של רצף חוזר‪.‬‬
‫מיקומו מחלק את הכרומוזום לשתי‬
‫זרועות קצרה וארוכה‪ .‬מאפשר זיהו‬
‫של כרומוזומים על פי אפיונים של‬
‫אורכי הזרועות יחסית לכרומוזומים‬
‫אחרים‪.‬‬
‫מהווה את נקודת החיבור בין‬
‫כרומטידות אחיות בעת הכפלת הדנ"א‬
‫ובמהלך חלוקת התא‪.‬‬
‫אחראי על תנועת הכרומוזום על‪-‬גבי‬
‫סיבי הכישור בזמן מחזור חלוקת התא‪.‬‬
‫טלומרים‬
‫• מהווים את קצות הכרומוזום (‪ 2‬לכל כרומוזום)‬
‫• מגנים על קצות הכרומוזומים ושומרים על‬
‫שלמותם‪.‬‬
‫• באדם מורכב מרצף חוזר של ‪TTAAGGG‬‬
‫באורך של ‪3-20kb‬‬
‫• קיצור הטלומרים מתרחש באופן קבוע עם‬
‫חלוקות התא‪.‬‬
‫• אובדן טלומרים גורם ‪ :‬לאיחוי בין כרומוזומים‪,‬‬
‫לחוסר יציבות גנומי‪.‬‬
‫האלמנטים הדרושים לכרומוזום פונקציונלי‬
‫‪ .1‬צנטרומר ‪-‬‬
‫מחלק את הכרומוזום לשתי זרועות‬
‫קצרה וארוכה‪.‬‬
‫‪ .2‬טלומרים ‪-‬‬
‫קצות הכרומוזום (‪ 2‬לכל כרומוזום)‬
‫‪Synthetic human mini-chromosome‬‬
‫‪ .3‬מקור השכפול )‪- (ORIs, Origin of Replication‬‬
‫רצפים שמהם מתחיל תהליך שכפול ה‪ ,DNA-‬ההכרחית‬
‫ל"התרבות" הכרומוזום‪.‬‬
‫מספר כרומוזומים אופייני ליצורים חיים‬
‫האורגניזם‬
‫מספר הכרומוזומים‬
‫אדם‬
‫‪46‬‬
‫כלב‬
‫‪78‬‬
‫צפרדע‬
‫‪26‬‬
‫דבורה‬
‫‪32‬‬
‫זבוב תסיסה‬
‫‪8‬‬
‫אפונת גינה‬
‫‪14‬‬
‫תפוח אדמה‬
‫‪48‬‬
‫עיון בטבלה זו מוביל ל‪ 2-‬מסקנות‪:‬‬
‫‪ .1‬אין קשר בין הקבוצה אליה נמנה האורגניזם לבין מספר‬
‫הכרומוזומים שבתאיו‪.‬‬
‫‪ .2‬כל מספרי הכרומוזומים ברשימה הם זוגיים‪.‬‬
‫איך נשמר בגוף מספר‬
‫כרומוזומים קבוע?‬
‫בכל התמונות המוצגות לפניכם‪ ,‬מתרחש תהליך‬
‫חלוקת תאים שבמהלכו נוצרים מתא הורה שני תאי‬
‫בת הזהים במטענם התורשתי‪.‬‬
‫תכולת הדנ"א בתא משתנה כתלות במחזור התא‬
‫חלוקה משווה (מיטוזה) בתאים הסומטים‬
‫חלוקת השוואה ‪-‬‬
‫עתה נעקוב אחר שני זוגות של כרומוזומים שהם חלק‬
‫ממערך הכרומוזמים בתא‬
‫כרומוזום‬
‫מהאב‬
‫כרומוזום‬
‫מהאם‬
‫זוג כרומוזומים‬
‫הומולוגיים‬
‫כיצד מתקבלים שני‬
‫תאים זהים מתא‬
‫הורה?‬
‫‪B‬‬
‫‪A‬‬
‫תא הורה‬
‫‪B‬‬
‫תא בת‬
‫‪A‬‬
‫?‬
‫‪46  46 + 46‬‬
‫‪B‬‬
‫‪A‬‬
‫תא בת‬
‫זוג כרומוזומים‬
‫הומולוגיים לאחר‬
‫הכפלת הדנ"א – כל‬
‫כרומוזום מורכב‬
‫משתי כרומטידות‬
‫אחיות‬
‫לפני החלוקה חייבת‬
‫להתרחש הכפלת‬
‫החומר התורשתי!‬
‫‪B‬‬
‫‪B‬‬
‫‪A‬‬
‫‪A‬‬
‫תא הורה‬
‫‪B‬‬
‫תא בת‬
‫‪A‬‬
‫‪B‬‬
‫‪A‬‬
‫תא בת‬
‫כרומוזום‬
‫המורכב‬
‫מ‪2-‬‬
‫כרומטידות‬
‫אחיות‬
‫הכרומוסומים מתארגנים על "קו המשווה" של התא‬
‫(כל כרומוזום מורכב עדיין משתי כרומטידות אחיות)‬
‫שני‬
‫הכרומוזומים‬
‫שהיו קודם לכן‬
‫"כרומטידות‬
‫אחיות" נעים כל‬
‫אחד לקוטב‬
‫המנוגד של התא‬
‫חוטי הכישור מתקצרים והכרומטידות האחיות‬
‫ניתקות זו מזו ונעות כל אחת לקוטב אחר של התא‬
‫מדוע מולקולות הדנ"א החדשות אינן נפרדות‬
‫זו מזו מייד לאחר תהליך שכפול הדנ"א‪ ,‬אלא‬
‫נותרות קשורות זו לזו?‬
‫מה היה קורה אילו שתי הכרומטידות היו‬
‫נפרדות זו מזו לשני כרומוזומים נפרדים מייד‬
‫לאחר תהליך שכפול הדנ"א?‬
‫?‬
‫האם מטענם התורשתי של תאי הבת זהה לתא ההורה?‬
‫?‬
‫האם מטענם התורשתי של תאי הבת זהה לתא ההורה?‬
‫?‬
‫האם מטענם התורשתי של תאי הבת זהה לתא ההורה?‬
‫תמונות של תהליך המיטוזה‬
‫תמונות של תהליך המיטוזה‬
‫מטפאזה‬
‫פרופאזה‬
‫טלופאזה‬
‫תא באינטרפאזה‬
‫אנפאזה‬
‫הצורך במיוזה‪ :‬ההיבט הכמותי‬
‫‪2n‬‬
‫‪2n‬‬
‫‪2n‬‬
‫‪4n‬‬
‫‪2n‬‬
‫‪4n‬‬
‫‪4n‬‬
‫‪4n‬‬
‫‪8n‬‬
‫הצורך במיוזה‪ :‬ההיבט הכמותי‬
‫‪n‬‬
‫‪n‬‬
‫‪n‬‬
‫‪2n‬‬
‫‪n‬‬
‫‪2n‬‬
‫‪n‬‬
‫‪n‬‬
‫‪2n‬‬
‫כיצד נוצרים במיוזה תאים בעלי מספר כרומוזומים הפלואידי?‬
‫מיוזה ראשונה‪ :‬הפרדת כרומוזומים הומולוגים‬
‫זוג כרומוזומים הומולוגים‬
‫לאחר דחיסה ושיחלוף‬
‫חלוקה ל‪2-‬‬
‫תאים‬
‫הפרדה בין‬
‫זוגות‬
‫ההומולוגים‬
‫זוגות כרומוזומים הומולוגים‬
‫בזמן דחיסה ושיחלוף‬
‫סידור זוגות‬
‫ההומולוגים‬
‫במישור האמצע‬
‫דחיסה‪ ,‬הצמדות‬
‫של זוגות‬
‫ההומולוגים‬
‫מיוזה שנייה‪ :‬הפרדת כרומטידות אחיות‬
‫אין הכפלת ‪ DNA‬בין‬
‫שתי חלוקות המיוזה‬
‫יצירת קרום‬
‫גרעין וחלוקת‬
‫הציטופלזמה‬
‫הפרדה בין‬
‫כרומטידות‬
‫אחיות‬
‫סידור הכרומוזומים על מישור‬
‫האמצע של התא‬
‫הצורך במיוזה‪ :‬שונות גנטית‬
‫הנוסחה לחישוב מס' האפשרויות להפרדת‬
‫כרומוזומים הומולוגים‪:‬‬
‫מספר זוגות כרומוזומים הומולוגים = ‪n‬‬
‫)‪(n - 1‬‬
‫‪2‬‬
‫באדם‪n = 23 :‬‬
‫‪= 4,194,304‬‬
‫‪22‬‬
‫‪=2‬‬
‫)‪(23 - 1‬‬
‫‪2‬‬
‫שחלוף יוצר שונות גנטית‬
‫טטרדה‬
‫שונות גנטית‬
‫כרומטידות לא אחיות‬
‫כיזמטה – האתר בו‬
‫מתבצע השחלוף‬
‫יצירת תאי זוויג (גמטות)‬
‫שאלת הבהרה מס' ‪1‬‬
‫תא מכיל ‪ 40‬כרומטידות בתחילת תהליך‬
‫המיוזה‪ ,‬כמה כרומוזומים יהיו בתאי‬
‫הבת בסיום התהליך?‬
‫שאלת הבהרה מס' ‪2‬‬
‫כמה גדילים של ‪ DNA‬יש ב‪:‬‬
‫מולקולה של ‪?DNA‬‬
‫כרומטידה?‬
‫כרומוזום?‬
‫שאלת הבהרה מס' ‪-3‬נכון‪/‬לא נכון‬
‫שני הגדילים ב ‪ DNA‬מקורם בשני‬
‫ההורים‪ :‬גדיל אחד מקורו באב וגדיל שני‬
‫מקורו באם‬
‫מיוזה‬
‫תאים הפלואידים‬
‫תאים דיפלואידים‬
‫מיטוזה‬
‫השוואה בין חלוקות התא השונות‪ ,‬מיטוזה ומיוזה‬
‫מיטוזה‬
‫מס' כרומוזומים בתא האם‬
‫דיפלואידי (‪)2n‬‬
‫כמות ה‪ DNA-‬בתא האם לפני החלוקה‬
‫‪4n‬‬
‫מס' חלוקות‬
‫‪1‬‬
‫מס' תאי הבת הסופיים‬
‫‪2‬‬
‫זהות המטען הגנטי בין תאי הבת לתא האם‬
‫יש‬
‫מס' כרומוזומים בתאי הבת הסופיים‬
‫דיפלואידי (‪)2n‬‬
‫כמות ה‪ DNA-‬בתאי הבת הסופיים‬
‫‪2n‬‬
‫שיחלוף‬
‫אין‬
‫הפרדה בין כרומוזומים הומולוגים‬
‫אין‬
‫הפרדה בין כרומטידות‬
‫יש‬
‫סוג התאים היכולים לעבור את התהליך‬
‫דיפלואידים והפלואידים‬
‫מיוזה‬
‫סיכום‪ :‬נכון‪/‬לא נכון (תקנו את המשפטים השגויים)‬
‫‪‬‬
‫‪‬‬
‫‪‬‬
‫‪‬‬
‫‪‬‬
‫תאי הבת הנוצרים במיוזה הראשונה זהים במספר הכרומוזומים‬
‫שלהם ובמטענם התורשתי‪.‬‬
‫אחת הסיבות לכך שתאי מין של אותו יצור אינם זהים במטענם‬
‫התורשתי היא שבשעת המיוזה חלה הפרדה אקראית של כל ‪2‬‬
‫כרומוזומים הומולוגיים‪.‬‬
‫בסוף חלוקת מיוזה מתקבלים תאים הפלואידיים‪ ,‬שבכרומוזומים‬
‫שבהם יש מולקולת דנ"א חד גדילית‪.‬‬
‫בכל תאי הזרע הנוצרים בפרט מסויים נמצא אותו מידע תורשתי‪.‬‬
‫הרצף של מהלך רבייה הוא‪ :‬גמטה‪ ,‬מיוזה‪ ,‬ביצית מופרית‬
‫(זיגוטה)‪ ,‬מיטוזה‪.‬‬
‫כרומוזומים באדם‬
)Y ‫ או‬X( ‫ כרומוזום מין‬+ ‫ אוטוזומים‬22,(2n=46) ‫ זוגות של כרומוזומים‬23
.‫מיקום הצנטרומר ודגם פיספוס הכרומוזומים‬,‫ אורך‬:‫פי‬-‫מסווגים על‬
‫מראה וגודל‬
‫כרומוזום‬
‫קבוצה‬
Largest metacentric
1-3
A
Large submetacentric
4-5
B
Medium submetacentric
6-12 + X
C
Medium acrocentric
13-15
D
Small submetacentric
16-18
E
Small submetacentric
19-20
F
Small acrocentric
21-22 + Y
G
‫‪G banding‬‬
‫• השיטה הנפוצה לצביעת‬
‫כרומוזומים היא צביעת‬
‫‪ ,Giemsa‬החושפת דגם‬
‫פסים אופייני לכל‬
‫כרומוזום‪.‬‬
‫• הפסים הכהים דלים‬
‫בגנים (עשירים ברצפי ‪-‬‬
‫‪)AT‬‬
‫תכולת הכרומוזומים בתא )‪(karyotype‬‬
‫‪46,XY‬‬
‫‪46,XX‬‬
‫שינויים כרומוזומליים ‪ -‬סוגים‬
‫קונסטיטוטיביים (בגמטות‪/‬עוברים צעירים)‬
‫שינויים כרומוזומליים‬
‫נרכשים (בתאים סומטים)‬
‫שינויים במספר‬
‫הכפלה של כרומוזומים בודדים (‪)Aneuploidy‬‬
‫הכפלות של סדרות שלמות (‪)Polyploidy‬‬
‫שינויים במבנה‬
‫שברים ואיחוי‬
‫כוללים‪ :‬חסרים‪ ,‬תוספות‪ ,‬אינברסיות‪ ,‬טרנסלוקציות‪,‬‬
‫כרומוזום טבעתי‪ ,‬איזוכרומוזום‬
‫שינוים כרומוזומלים מורשים באדם‬
‫מתוך ‪ 1,000‬הריונות ב‪ 80-‬תהיה הפרעה כרומוזומלית‬
‫• ב‪ 14-‬יחסר כרומוזום מין (‪ X‬או ‪)Y‬‬
‫• ב‪ 11-‬יהיה כרומוזום ‪ 16‬עודף‬
‫• ב‪ 4-‬יהיה כרומוזום ‪ 21‬עודף‬
‫• ב‪ 2-‬יהיה כרומוזום ‪ 18‬עודף‬
‫• ליתר יהיו אברציות אחרות‬
‫מתוך ה‪ 80-‬ההריונות הלא תקינים ‪ 75‬יסתיימו בהפלה טבעית‬
‫• היתרה (‪ )5‬יתפתחו לוולדות חיים‪:‬‬
‫• ‪ 0.1‬עם כרומוזום ‪ 18‬עודף‬
‫• ‪ 0.1‬עם חסר של כרומוזום מין‬
‫• ‪ 1‬עם תוספת של כרומוזום ‪21‬‬
‫• ‪ 1.5‬עם תוספת של כרומוזום מין‬
‫• ‪ 2‬עם אברציות אחרות‬
‫שינויי מספר בכרומוזומים בודדים‬
‫)‪(Aneuploidy‬‬
‫•‬
‫•‬
‫•‬
‫•‬
‫השינוי הכרומוזומלי הכי שכיח‬
‫כרוך בתוספת )‪ (2n+1‬או חסר )‪ (2n-1‬של כרומוזום בודד‬
‫מקור‪ :‬על‪-‬פי רב בביציות ועוברים בשלבי חלוקה ראשונים‬
‫רובם לא חיוניים‪ ,‬לא ניתן למצוא בולדות חיים‬
‫יוצאים מן הכלל הם הטריזומיות )‪ (2n+1‬לכרומוזומי המין‬
‫והאוטוזומים ‪ ,13,18‬ו‪21-‬‬
‫המנגנון לטריזומיה‪ :‬אי‪-‬הפרדת כרומוזומים‬
‫)‪ (non-disjunction‬במיוזה‬
‫טריזומיה ‪(Down Syndrome) 21‬‬
‫לידות חי‪1/700‬תדירות‬
‫‪47,XX,+21 or 47,XY,+21‬‬
‫תסמינים‪:‬‬
‫ מראה פנים אופייני (עיניים מלוכסנות‪ ,‬אוזניים‬‫קטנות‪ ,‬פנים שטוחים‪ ,‬לשון בולטת מהפה)‬
‫ פיגור שכלי‬‫ מפתחים אלצהיימר החל מגיל ‪35‬‬‫ רפיון שרירים (‪)80%‬‬‫ מומי לב מולדים (‪)40%‬‬‫‪ -‬לויקמיה (‪)1%‬‬
‫מונוזומיה ל‪(45,XO Turner syndrome( X-‬‬
‫המונוזומיה היחידה שניתן למצוא באדם‬
‫תסמינים‪:‬‬
‫רק מעטות שורדות‬
‫רובן )‪ (98%‬מתות בראשית ההתפתחות העוברית‬
‫נמוכות‪ ,‬עקרות‬
‫תדירות ‪ 1:2,500‬בנשים‬
‫שינויים נוספים בכרומוזומי המין‬
‫תסמונת קליינפלטר (‪(XXY‬‬
‫טריזומיה ‪(47,XXX) X‬‬
‫פנוטיפ נורמלי‬
‫השתקה של כל כרומוזומי ה‪ X-‬בתא‬
‫מלבד אחד‬
‫תדירות ‪ 1:500‬בגברים‬
‫תסמינים‪:‬‬
‫עקרות‬
‫מבנה גוף אופיני‬
‫שינויים במבנה הכרומוזום‬
‫• הרבה יותר נדירים משינויים במספר הכרומוזומים‬
‫• גם אם חיוניים בד"כ גורמים לבעיות בפוריות‬
‫• כרוכים בשבירה של לפחות כרומוזום אחד‬
‫סוגים‪:‬‬
‫(החלפת מקטעים בין כרומוזומים לא הומולוגיים‪ ,‬היפוך‪,‬‬
‫אובדן של מקטע)‪.‬‬
‫הכפלת סדרות שלמות של כרומוזומים‬
‫)‪(Polyploidy‬‬
‫‪ .1‬טריפלואידיה )‪(3n‬‬
‫‪ .2‬טטרפלואידיה )‪(4n‬‬
Reminder of function of kinetochores and
kinetochore microtubules
Peter J. Russell, iGenetics: Copyright © Pearson Education, Inc., publishing as Benjamin Cummings.
Bacterial DNA Released from Supercoiling
(~ 40 kb)
‫מבנה כרומוזום‬
‫בסוף המיטוזה‬
‫בסוף שלב ‪S‬‬
‫שתי‬
‫הכרומטידות‬
‫מחוברות ע"י‬
‫צנטרומר‬
‫צנטרומר‬
‫הטרוכרומטין‬
‫• הגדרה‪ :‬אזורים של כרומטין אשר נשארים דחוסים גם במהלך האינטרפאזה‬
‫• מאפיינים‪:‬‬
‫אזורים עם שעתוק מועט‬
‫עוברים הכפלת דנ"א יחסית מאוחר בשלב ה‪S-‬‬
‫מועשרים במודיפיקציות אפיגנטיות אופיניות‬
‫עמידים בפני ‪DNase I‬‬
‫‪Heterochromatin‬‬
‫‪Euchromatin‬‬
‫‪ 2‬סוגים ‪:‬‬
‫הטרוכרומטין קונסטיטוטיבי‪ :‬צנטרומרים‪ ,‬טלומרים ורצפים חוזרים אחרים בגנום עניים בגנים‬
‫הטרוכרומטין פקולטטיבי‪ :‬כרומוזום ‪ X‬אינאקטיבי בנקבות‬