Ústav lekárskej biológie, LF UPJŠ v Košiciach

CYTOGENETIKA

CHROMOZÓMY

CHROMOZÓM

KARYOTYP

KA

Takmer celý obsah DNA eukaryotickej bunky sa nachádza v jadre,
kde spolu s bielkovinami vytvára štruktúry – chromozómy –
viditeľne v deliacej fáze – mitóze.

V nedeliacom sa jadre sa chromozómy javia ako granulárna masa –
CHROMATÍN (chromozómy sú hydratované, dekondenzované a
rozvinuté)

Heterochromatín a euchromatín

Heterochromatín

• predstavuje

časti

chromozómov

obsahujúce

málo

alebo

žiadne

gény,ako napr.

• centroméry a teloméry
• je kondenzovaný
• môže obsahovať transpozóny a "junk"

DNA;

• je replikovaný v neskorej S-fáze b.

cyklu;

• crossing over v meióze je zriedkavý
• gény lokalizované v heterochromatíne

sú vo všeobecnosti inaktívne, t.j. nie

sú transkribované

Euchromatín
• predstavuje časti

chromozómov obsahujúce
množstvo génov

• Je kondenzovaný do

voľných slučiek 30-nm
vláken.

• Je oddelený od priľahlých

oblastí heterochromatínu
inzulátormi.

Slučky heterochromatínu sú
zväčša lokalizované v blízkosti
komplexov jadrových pórov.

a)

b)

c)

d)

DNA

Nukleozómové
vlákno (11 nm)

Chromatínové
vlákno (30 nm)

Chromatínové

slučky

(300 nm)

Heterochromatín
(700 nm)

Chromozóm

Eukaryotické chromozómy

Eukaryotické chr

- genetické jednotky bunky zložené z DNA a bielkovín

Chemické zloženie chromozómov

Chemické zloženie chromoz

• DNA: jedna lineárna dvojvláknová molekula (napr. ľudský

chromozóm č.1 – 2,5x108bp – cca. 15cm, najmenší chromozóm
č.21 – 0,5x108bp – cca. 3 cm)

• RNA: molekuly rRNA, tRNA a mRNA transkribované z DNA

• Bielkoviny: významná zložka chromozómov euk. buniek. Podľa

charakteru delíme na:

• históny – bázické bielkoviny (Lys, Arg, His)

• nehistónové bielkoviny

Pomer NK a bielkovín je 60% ku 40%

Históny

Malé molekuly bázických bielkovín (100-200 AMK).

Bola zistená evolučná stálosť sekvencií AMK v reťazci histónov, takmer
100% zhoda (rast., živoč., človek).

Históny sú syntetizované v plazme.

Typy histónov: H1, H2A, H2B, H3, H4

Jednotlivé históny sa líšia svojou štruktúrou a chem. zložením.

V spermiách cicavcov sú históny viac bázické.
Funkcia histónov:

- priestorové usporiadanie DNA do nadmolekulovej štruktúry pri tvorbe
chromozómu. Regulácia transkripcie.

Nehistónové bielkoviny: kyslý charakter, viac ako 100 druhov bielkovín
– enzýmy – replikácia – transkripcia – génové regulácie

• Históny majú pozitívny elektrický náboj,

preto môžu vytvárať iónové väzby s
negatívne nabitými fosfátovými skupinami v
DNA

• Chromatínové vlákno je usporiadané do

veľkého počtu slučiek, ktoré vyčnievajú z
centrálneho skeletu tvoreného nehistónovými
chrom. proteínmi

• Pri kondenzácii dochádza ku kontrakcii NHC

(non-histone chrom. proteins)

Submikroskopická štruktúra chromozómu

Submikroskopická štruktúra chromoz

- zložitá nadmolekulárna organizácia DNA a histónových bielkovín

- celková dĺžka DNA v ľudskej diploidnej bunke (1,5 – 2 m) – 3x109

bp, veľkosť jadra (5-10 mikrónov)

- základná submikroskopická jednotka chromozómu je nukleozóm

Nukleozóm: sa skladá z jadra a DNA (200bp)

Nukleozómové jadro: oktamér 2xH2A, H2B, H3 a H4 (kladne nabitý).

DNA vytvára 2 otáčky okolo nukleozómu. H1 slúži ako viazač DNA
medzi dvoma nukleozómami.

Nukleozómové vlákno

Mikroskopická štruktúra chromozómu

Mikroskopická štruktúra chr

Chromozómy svetelným mikroskopom môžeme pozorovať a hodnotiť v
metafáze bunkového delenia.

Morfológia chromozómov sa hodnotí podľa umiestnenia centroméry, kt.
spája dve dcérske chromatidy a rozdeľuje chromozóm na p a q rameno.

Medzi morfologické charakteristiky patrí aj veľkosť chromozómu a
morfologická štruktúra.

p-ramienko

q-ramienko

teloméra

teloméra

Počet chromozómov

Počet chromoz

Pre každý biologický druh je charakteristický počet chromozómov
(diploidný počet (2n) – telové bunky, haploidný počet (n) - gaméty)

Príklady počtu chromozómov u rôznych druhov:

Druh

Diploidný počet (2n)

Plazmódium malárie

2

Drozofila melanogaster

8

Rak

116

Kapor

104

Pes

78

Hov. Dobytok

60

Kôň

66

Myš

40

Šimpanz, orangutan, gorila

48

Človek

46

Teloméry - Telomeráza

Teloméry - Telome

Teloméry: koncové časti chromozómov so špeciálnou sekvenciou
dusíkatých báz, kt. ohraničujú koncové časti pred zlomami, kt. uľahčujú
fúziu chromozómov a prestavby chromozómov – chromozómové
mutácie

Telomeráza: enzým, nukleoproteín – okrem proteínovej zložky má
zabudovanú v molekule aj sekvenciu ribonukleotidov – CCCAAU
(človek).

Význam telomerázy je v kompletizácii zaostávajúceho vlákna DNA v
dôsledku zostrihu primerov RNA, kt. zahajujú replikáciu DNA v
Okazakiho fragmentoch.

Každý biologický druh má svoj charakteristický karyotyp –
genetická charakteristika.

metacentrický

submetacentrický

akrocentrický

telocentrický

Chromozómy v diploidnej bunke sa vyskytujú v pároch. Pár

chromozómov zhodných v tvare a štruktúre sa označuje ako

homologický pár.

Podľa určenia pohlavia chromozómy delíme:

- telové, somatické, autozómy

- pohlavné, gonozómy, sex-chromozómy, heterochromozómy

Podľa intenzity farbenia chromozómu rozoznávame:

- heterochromatínové časti (centroméry, teloméry), geneticky

neaktívne časti, kt. sa replikujú v neskorej S-fáze – výraznejšie
farbiteľné časti

- euchromatínové časti – menej výrazne farbiteľné časti, genetický

aktívne, dokonale dekondenzované a odvinuté

Ku správnemu určeniu počtu chromozómov prispela modifikácia metódy,
aplikácia fytohemaglutinínu (PHA) – stimulácia delenia leu, hlavne
aplikácia kolchicínu – zastavenie mitózy v metafáze a použitie
hypotonického roztoku, kt. spôsobil disperziu chromozómov v priestore.

Klasifikácia chromozómov u človeka – Denverská (1961), Parížska
(1972)

Skupina Charakteristika

Autozómy

Gonozómy

Muž

Žena

A

najväčšie metacentrické 1-3

-

6

6

B

veľké submetacentrické 4-5

-

4

4

C stredne veľké submetacentrické 6-12

X

15

16

D

väčšie akrocentrické 13-15

-

6

6

E

malé metacentrické 16-18

-

6

6

F

najmenšie metacentrické 19-20

-

4

4

G

najmenšie akrocentrické 21-22

Y

5

4

46

46

počet

Súbor chromozómov diploidnej bunky s charakteristickým tvarom a
počtom chromozómov sa volá KARYOTYP.

Presný počet chromozómov v diploidnej bunke u človeka stanovili Tjio a
Levan v roku 1956, keď dokázali, že človek má 46 chromozómov. Do
uvedeného obdobia sa za pravdivý považoval fakt, že ľudské bunky majú
48 chromozómov.

Štruktúra ľudských chromozómov

Štruktúra ľudských chromoz

DNA eukar. bunky je rozdelená do jednotlivých chromozómov, kt.
predstavujú samostatné molekuly DNA.

Poznanie štruktúry chromozómov prispelo k rozvoju nového odvetvia
genetiky – CYTOGENETIKY, čo našlo uplatnenie aj klinickej
genetike. Potvrdzuje to aj fakt, že už v 60. rokoch bol cytogenetický
diagnostikovaný Downov sy., Edwardsov sy., Patauov sy. a iné

Uplatnenie cytogenetickej analýzy:
- diagnostická metóda – určenie syndrómov
- diagnostika VVCH
- diagnostika nádorov (leukémia)
- prenatálna diagnostika (bunky plodu)
-hodnotenie buniek za spontánnych potratov a iných reprod. problémov
-hodnotenie chromozómov u rizikových profesií (mutagény)
-in vitro experimenty na mutagenézu nových chemikálií, liekov, prísad

do potravín

• Diabetes mellitus and deafness (DAD)

– this combination at an early age can be due to mitochondrial disease
– Diabetes mellitus and deafness can be found together for other reasons as

well

• Leber hereditary optic neuropathy (LHON)

– visual loss beginning in young adulthood
– Wolff-Parkinson-White syndrome
– multiple sclerosis-type disease

• Leigh syndrome, subacute sclerosing encephalopathy

– after normal development the disease usually begins late in the first year

of life, but the onset may occur in adulthood

– a rapid decline in function occurs and is marked by seizures, altered states

of consciousness, dementia, ventilatory failure

• Neuropathy, ataxia, retinitis pigmentosa, and ptosis (NARP)

– progressive symptoms as described in the acronym
– dementia

• Myoneurogenic gastrointestinal encephalopathy (MNGIE)

– gastrointestinal pseudo-obstruction
– neuropathy

DELENIE
BUNIEK

• základná charakteristika života

• vznik nových buniek delením existujúcich

Delenie buniek

Delenie bunie

Význam delenia buniek:

a) U jednobunkových organizmov delenie – rozmnožovanie

b) U mnohobunkových organizmov – delenie zygoty a následné

bunkové delenia – embryonálny vývoj, delenia v postembyonálnom
vývoji – rast organizmu

c) Náhrada strát buniek v dôsledku fyziologického opotrebovania

(erytrocyty, bunky epidermis 1010/deň), patologických procesov a
mechanického poškodenia buniek

Typy bunkového delenia

Typy bunkového de

• priame delenie – amitóza

• nepriame delenie – mitóza

• redukčné delenie - meióza

Priame delenie: - prokaryotické bunky

Replikácia kruhovej DNA je nasledovaná priečnym rozdelením
bunky (30-60 min.).

Materská bunka

Dcérske bunky

Mitotické delenie: -nepriame delenie – prebieha v jednotlivých fázach,
kt. reprezentujú bunkový cyklus (cyklické striedanie dejov v období od
vzniku dcéskej bunky po jej opätovné rozdelenie).

Medzi hlavné fázy bunkového cyklu patria:

- interfáza – 3 štádia : G

1 – S – G2

-

mitotická fáza – 5 štádií : profáza, metafáza, anafáza, telofáza,

cytokinéza

cytokinesis

G

1 štádium:

-postmitotické štádium – od vzniku dcérskej bunky po S – štádium

-35% trvania bunkového cyklu (výrazná variabilita – 10-180 hodín)

Prejavuje sa tu adaptačná schopnosť na vonkajšie podmienky,
zrýchľovanie a spomaľovanie bunk. cyklu.

Ak bunka nepokračuje v bunk. cykle zostáva v G

1 štádiu resp. v G0,

bunka vykonáva metabolické procesy (proteosyntéza), ale na bunkové
delenie sa aktívne nepripravuje.

G

0 štádium je charakteristické pre kmeňové, pluripotentné bunky napr.:

bunky krvotvorby, epidermis.

- hlavný kontrolný uzol – regulácia bunk. cyklu – rozhoduje o
pokračovaní bunky do S-štádia ak sú splnené podmienky: kritický
objem, syntéza enzýmov a iných biopolymérov, syntéza RNA a DNA
polymeráz

S štádium:

-syntetické štádium DNA, naväzuje na G

1 v prípade, že boli

uskutočnené nutné deje a bunka má priaznivé podmienky pre syntézu
DNA.

-trvanie S-štádia konštantné pre daný typ buniek (8-20 hod. = cca.45%
bunk. cyklu)

-výsledok: vznik tetraploidnej bunky

 vznik dvoch chromatíd

(reduplikácia chromozómov)

Okrem replikácie DNA v štádiu prebieha syntéza histónových bielkovín,
riadená asi 40 génmi (syntéza mtDNA je nezávislá na syntéze jadrovej
DNA).

G

2 štádium:

-postsyntetické, relatívne krátke trvanie (10% bunk. cyklu)

-pokračuje syntéza bielkovín

-rast bunkových organel

-syntéza mitotického aparátu (tubulín, kinetochórové vlákna)

-V tomto štádiu sa nachádza kontrolný uzol

 rozhodnutie o vstupe

bunky do mitózy

MITOTICKÁ FÁZA (mitóza)
-trvá asi 10% bunkového cyklu (1-1,5 hod.), dĺžka trvania je konštantná

PROFÁZA
-rozsiahle prestavby v cytoplazme a jadre
bunky. V cytoplazme sa centriol rozdelí na
dve časti, kt. putujú k pólom bunky. Tvorí
sa mitotický aparát a ku koncu profázy sa
vlákna deliaceho vretienka pripájajú ku
kinetochóru.

V jadre sa stráca jadierko, chromozómy sa
dehydratujú a špiralizujú – stávajú sa
viditeľnými. Neskôr na konci profázy sa
stráca jadrová membrána, kt. sa stáva
súčasťou ER.

Trvanie: 30 min.

METAFÁZA

-chromozómy sa ešte viacej kondenzujú a stávajú sa viditeľnejšími

V dôsledku pripojenie mikrotubúl deliaceho vretienka sú chromozómy
stabilizované v tzv. rovníkovej rovine. Chromatidy sú stále spojené v
mieste centroméry.

Trvanie: 3 min.

ANAFÁZA

-pozdĺžne rozdelenie chromozómu na chromatídy, kt. reprezentujú
chromozómy budúcich dcérskych buniek. Rýchlosť pohybu
chromozómov 1 mikrón/s.

Trvanie: 5 min.

TELOFÁZA

Strata – degradácia – mitotického aparátu, proces depolymerizácie
proteínov

- dekondenzácia a hydratácia chromozómov – premena na chromatín

- tvorba jadrovej membrány z ER

- vydiferencovanie jadierka

Trvanie: 20 min.

CYTOKINÉZA

Cytokinéza je proces, pri ktorom sa materská bunka rozdelí na dve
bunky schopné samostatnej existencie. Cytokinézu považujeme za
samostatnú fázu bunkového cyklu, pretože nemusí stále prebiehať na
konci M-fázy, ale môže byť, z hľadiska časového rozvrhu cyklu,
„preradená“ do priebehu už nasledujúceho cyklu alebo sa nemusí vôbec
uskutočniť (vznikajú tak viacjadrové bunky).

DĹŽKA TRVANIA BUNKOVÉHO CYKLU U EUKARYOTOV

Organizmus

G1

S

G2

M

celková dĺžka

Ľudský

8

10

5

1

24 hod.

Rastlinný

8

12

8

1

29 hod.

Kvasinky

24

40

35

20

120 min.

Kontrola bunkového cyklu

Kontrola bunkového c

Normálny vývoj a rast organizmu počas jeho ontogenézy je zabezpečený
prostredníctvom mechanizmov, kt. kontrolujú bunkové delenie.

- embryonálny vývoj  intenzívne bunkové delenie
- postembryonálny vývoj  rýchlosť delenia buniek sa mení (v

bunkách niektorých tkanív a orgánov sa môže dočasne zastaviť).
Niektoré bunky strácaju schopnosť delenia úplne (ery, leu, neuróny).
Niektoré bunky zostávajú v G

0 štádiu, t.j. nepripravujú sa na bunkový

cyklus a le schopnosť delenia si ponechávajú.

Mechanizmy bunkového delenia:

• genetické

• negenetické

Genetická kontrola

- uskutočňuje sa pomocou génov a ich produktov (polypeptidy, enzýmy a
hormóny). Procesy bunkového delenia môžu byť stimulované (pozitívna
kontrola) alebo inhibované (negatívna kontrola).

Pozitívna kontrola bunkového delenia

- v zmysle stimulácie bun. delenia prostredníctvom produktov iných

buniek (signály), kt. sú spracované receptormi:

-mitogény – rastové proteíny (fytohemaglutinín)

-rastové hormóny – somatotropín – hypofýza

tyroxín – štítna žľaza

testosterón, estrogény

erytropoetín – obličky

rastové faktory (EGF, IL-6…)

Reakcia signál – receptor aktivuje gény pre produkciu proteínov, kt.
pozitívne alebo negatívne kontrolujú procesy delenia. Okrem
horeuvedených stimulátorov gény riadia produkciu cytokínov a cyklín
závislých kináz.

- PROTOONKOGÉNY

gény, ktoré produkujú proteíny s pozitívnou riadiacou činnosťou.

Mutácie týchto génov vedú k vzniku onkogénov

 nádorové bujnenie

Negatívna kontrola bunkového delenia

- charakteristická inhibíciou bunkového delenia. Génové produkty

inhibujú bunkové delenie, ak toto nie je žiadúce pre organizmus.

TUMOR SUPRESOROVÉ GÉNY (p53, retinoblastóm)

- tieto kontrolujú bunkové delenie tak, že ho zastavujú v G

1-štádiu a

bunka nevstupuje do S-štádia.

Pri mutácii génu pre p53, gén produkuje neaktívny proteín, kt. nie je
schopný udržiavať inhibíciu bunkového delenia. Bunka napriek tomu, že
organizmus to nepožaduje, vstupuje do S-fázy

 proces karcinogenézy,

iný príklad kožné ochorenie psoriáza – nadmerná produkcia
epidermálnych buniek

Schéma kontroly bunkového cyklu:

Negenetická kontrola

- Chemické faktory: pH, koncentrácia iónov, metabolity, pO

2 (hypoxia

v nadmorskej výške)

- Fyzikálne faktory: teplota, žiarenie, kontaktná inhibícia