10Frumuæxlun

10.1 Frumuskipting

Hæfniviðmið

Í lok þessa hluta munt þú geta gert eftirfarandi:

Lýst byggingu erfðamengja dreifkjörnunga og heilkjörnunga
Greint á milli litninga, gena og eiginleika
Lýst aðferðum við pökkun litninga

Samfella lífs frá einni frumu til annarrar byggir á fjölgun frumna í gegnum frumuferlið. Frumuferlið er skipuleg röð atburða sem lýsir stigum í lífi frumu, frá skiptingu einnar móðurfrumu til myndunar tveggja nýrra erfðafræðilega eins dótturfrumna.

Erfðamengis-DNA

Áður en rætt er um skrefin sem fruma þarf að taka til að eftirmynda og skipta DNA sínu er nauðsynlegt að skilja betur byggingu og virkni erfðaupplýsinga frumunnar. DNA frumu, pakkað sem tvíþátta DNA-sameind, kallast erfðamengi hennar. Í dreifkjörnungum er erfðamengið ein tvíþátta DNA-sameind í lykkju eða hring (Mynd 10.2). Svæðið í frumunni sem inniheldur þetta erfðaefni kallast kjarnsvæði. Sumir dreifkjörnungar hafa einnig minni DNA-lykkjur sem kallast plasmíð og eru ekki nauðsynlegar fyrir eðlilegan vöxt. Bakteríur geta skipst á plasmíðum við aðrar bakteríur og stundum fengið gagnleg ný gen sem viðtakandinn getur bætt við litninga-DNA sitt. Sýklalyfjaónæmi er einn eiginleiki sem dreifist oft um bakteríuþyrpingu með plasmíðskiptum frá ónæmum gjöfum til viðtakafrumna.

The illustration shows a prokaryotic cell with a single, circular chromosome floating free in the cytoplasm. — **Mynd 10.2.** Dreifkjörnungar, þar á meðal bakteríur og forngerlar, hafa einn hringlaga litning á miðlægu svæði sem kallast kjarnsvæði.

Í heilkjörnungum er erfðamengið nokkrar tvíþátta línulegar DNA-sameindir (Mynd 10.3). Hver tegund heilkjörnunga hefur einkennandi fjölda litninga í kjörnum frumna sinna. Líkamsfrumur manna hafa 46 litninga, en kynfrumur manna, sáðfrumur eða eggfrumur, hafa 23 litninga hver. Dæmigerð líkamsfruma inniheldur tvö samsvarandi, eða samstæð, sett litninga, eitt sett frá hvoru líffræðilegu foreldri. Slík skipan kallast tvílitna. Bókstafurinn n er notaður til að tákna eitt sett litninga; því er tvílitna lífvera táknuð 2n. Frumur manna sem innihalda eitt sett litninga kallast kynfrumur; það eru eggfrumur og sáðfrumur, og þær eru táknaðar 1n, eða einlitna.

Við frjóvgun leggur hvor kynfruma til eitt sett litninga og myndar tvílitna frumu með samsvarandi litningapörum sem kallast samstæðir litningar. Samstæðir litningar eru jafn langir og hafa tiltekna kirnaröð, gen, á nákvæmlega sama stað, eða genasæti. Gen eru starfseiningar litninga og ákvarða tiltekin einkenni með því að skrá fyrir ákveðnum próteinum. Eiginleikar eru tilbrigði slíkra einkenna. Til dæmis er hárlitur einkenni með eiginleikum eins og ljósu, brúnu eða svörtu hári og mörgum litbrigðum þar á milli.

The 23 chromosomes from a human female are each dyed a different color so they can be distinguished. During most of the cell cycle, each chromosome is elongated into a thin strand that folds over on itself, like a piece of spaghetti. The chromosomes fill the entire spherical nucleus, but each one is contained in a different part, resulting in a multi-colored sphere. During mitosis, the chromosomes condense into thick, compact bars, each a different color. These bars can be arranged in numerical order to form a karyotype. There are two copies of each chromosome in the karyotype. — **Mynd 10.3.** Í líkamsfrumu konu eru 23 pör samstæðra litninga. Þéttpökkuðu litningarnir sjást inni í kjarnanum (efst), eru fjarlægðir úr frumu í mítósu, sem einnig kallast kjarnaskipting, og dreift á glerplötu (hægra megin), og þeim er raðað eftir lengd (vinstra megin). Slík uppröðun kallast litningagerð. Á þessari mynd voru litningarnir litaðir með flúrljómandi litum til að greina mismunandi litninga. Litunaraðferð sem kallast litningamálun notar flúrljómandi litarefni sem lýsa litninga í mismunandi litum. (mynd: National Human Genome Project/NIH)

Hvort eintak í samstæðu litningapari kemur frá sitt hvoru foreldri; því eru mismunandi gen, eða samsætur, ekki endilega eins þótt þau skrái fyrir sama einkenni, til dæmis hárlit. Breytileiki einstaklinga innan tegundar stafar af tiltekinni samsetningu gena sem erfist frá báðum foreldrum. Jafnvel örlítið breytt kirnaröð innan gens getur leitt til annars eiginleika. Til dæmis eru þrjár mögulegar genaraðir á litningi manna sem skrá fyrir blóðflokki: röð A, röð B og röð O. Þar sem allar tvílitna frumur manna hafa tvö eintök af litningnum sem ákvarðar blóðflokk ræðst blóðflokkurinn, eiginleikinn, af tveimur samsætum merkigensins sem erfast. Hægt er að hafa tvö eintök af sömu genaröð á báðum samstæðu litningunum, eitt á hvorum, til dæmis AA, BB eða OO, eða tvær mismunandi raðir, til dæmis AB, AO eða BO.

Sýnilega smávægilegur breytileiki í eiginleikum, svo sem blóðflokki, augnlit og örvhentu eða rétthentu, stuðlar að náttúrulegum breytileika innan tegundar. Þótt slíkir eiginleikar virðist smávægilegir geta þeir tengst tjáningu annarra einkenna sem eru enn óþekkt. Ef öll DNA-röðin frá hvaða pari samstæðra litninga manna sem er er borin saman er munurinn þó mun minni en eitt prósent. Kynlitningarnir, X og Y, eru eina undantekningin frá reglunni um einsleitni samstæðra litninga. Fyrir utan lítið magn samstæðu sem er nauðsynlegt til að mynda kynfrumur nákvæmlega eru genin á X- og Y-litningunum ólík.

Bygging og pökkun litninga heilkjörnunga

Ef DNA úr öllum 46 litningunum í frumukjarna manns væri lagt endilangt mældist það um tveir metrar, en þvermál þess væri aðeins 2 nm. Þar sem dæmigerð mannsfruma er um 10 µm að stærð, og 100.000 slíkar frumur í röð jafngilda einum metra, þarf DNA að vera mjög þétt pakkað til að komast fyrir í frumukjarnanum. Á sama tíma þarf það einnig að vera aðgengilegt svo hægt sé að tjá genin. Af þessum sökum þéttast langir DNA-þræðir í litninga á tilteknum stigum frumuferlisins. Litningar eru pakkaðir á nokkra vegu.

Á fyrsta stigi pökkunar vefjast stuttir bútar DNA-tvöfalds gorms utan um kjarna úr átta histónpróteinum með reglulegu millibili eftir allri lengd litningsins (Mynd 10.4). DNA-histónflókinn kallast litni. Perlulaga histón-DNA-flókinn kallast litnisögn og DNA sem tengir litnisagnirnar kallast tengi-DNA. DNA-sameind í þessu formi er um sjö sinnum styttri en tvöfaldi gormurinn án históna, og perlurnar eru um 10 nm í þvermál, borið saman við 2 nm þvermál DNA-tvöfalds gorms.

Annað stig pökkunar á sér stað þegar litnisagnirnar og tengi-DNA á milli þeirra vefjast upp í 30 nm litnisþráð. Þessi vafningur þéttir litninginn enn frekar þannig að hann er nú um 50 sinnum styttri en útrétta formið.

Á þriðja stigi pökkunar eru ýmis trefjaprótein notuð til að pakka litninu. Þessi trefjaprótein tryggja einnig að hver litningur í frumu sem er ekki að skipta sér taki tiltekið svæði í kjarnanum sem skarast ekki við svæði neins annars litnings (sjá efstu myndina í Mynd 10.3).

A detail of a nucleosome shows 8 Histone proteins and 146 or 147 Nucleotide Base pairs; they are connected by a linker region to the Amino tail of the histone protein. Then, several levels of magnification reveal details of DNA. A D N A double helix is about 2 nanometers wide. The double helix wraps around proteins called histones to form nucleosomes. The entire D N A molecule wraps around many histones, creating the appearance of beads on a string in the radial loop domains and heterochromatin. The chromatin fiber further condenses into the chromosome at about 1400 nanometers wide. — **Mynd 10.4.** Hver línulegur litningur í heilkjörnungafrumu er pakkaður sem litni, samsetning DNA og próteina. Tvíþátta DNA-gormurinn tengist kjarnahistónum og myndar litnisagnir. Litnisagnirnar raðast síðan í 30 nm þráð með tengihistóninu H1. Þráðurinn tengist fleiri próteinum og myndar lykkjur og æðri þéttlitnispökkun. DNA-pökkun nær þéttasta ástandi sínu á miðfasa mítósu þegar litningar búa sig undir að aðskiljast. Pökkun litnis er kvik og breytist afturkræft þegar genatjáning og frumuferlið breytast. Mynd: Rao, A., Ryan, K. Fletcher, S. Hawkins, A. og Tag, A., líffræðideild Texas A&M háskóla.

DNA eftirmyndast í S-fasa millifasa, sem er tæknilega séð ekki hluti af mítósu en þarf alltaf að koma á undan henni. Eftir eftirmyndun eru litningarnir gerðir úr tveimur tengdum systurlitningsþráðum. Þegar þeir eru fullþéttir eru pör eins pakkaðra litningsþráða bundin saman með kóhesínpróteinum. Tengingin milli systurlitningsþráðanna er nánust á svæði sem kallast þráðhaft. Samtengdir systurlitningsþræðir, með þvermál um 1 µm, sjást í ljóssmásjá. Þráðhaftssvæðið er mjög þétt og birtist því sem þrengt svæði.

Tengill í námsefni

Þessi hreyfimynd sýnir mismunandi stig litningapökkunar.

Hæfniviðmið

Í lok þessa hluta munt þú geta gert eftirfarandi:

Lýst byggingu erfðamengja dreifkjörnunga og heilkjörnunga

Greint á milli litninga, gena og eiginleika

Lýst aðferðum við pökkun litninga

Erfðamengis-DNA

Mynd 10.2. Dreifkjörnungar, þar á meðal bakteríur og forngerlar, hafa einn hringlaga litning á miðlægu svæði sem kallast kjarnsvæði.

Mynd 10.3. Í líkamsfrumu konu eru 23 pör samstæðra litninga. Þéttpökkuðu litningarnir sjást inni í kjarnanum (efst), eru fjarlægðir úr frumu í mítósu, sem einnig kallast kjarnaskipting, og dreift á glerplötu (hægra megin), og þeim er raðað eftir lengd (vinstra megin). Slík uppröðun kallast litningagerð. Á þessari mynd voru litningarnir litaðir með flúrljómandi litum til að greina mismunandi litninga. Litunaraðferð sem kallast litningamálun notar flúrljómandi litarefni sem lýsa litninga í mismunandi litum. (mynd: National Human Genome Project/NIH)

Bygging og pökkun litninga heilkjörnunga

Mynd 10.4. Hver línulegur litningur í heilkjörnungafrumu er pakkaður sem litni, samsetning DNA og próteina. Tvíþátta DNA-gormurinn tengist kjarnahistónum og myndar litnisagnir. Litnisagnirnar raðast síðan í 30 nm þráð með tengihistóninu H1. Þráðurinn tengist fleiri próteinum og myndar lykkjur og æðri þéttlitnispökkun. DNA-pökkun nær þéttasta ástandi sínu á miðfasa mítósu þegar litningar búa sig undir að aðskiljast. Pökkun litnis er kvik og breytist afturkræft þegar genatjáning og frumuferlið breytast. Mynd: Rao, A., Ryan, K. Fletcher, S. Hawkins, A. og Tag, A., líffræðideild Texas A&M háskóla.