Кіріспе

Хромосоманың бір жұп бауырлас хроматидаларын байланыстыратын арнайы ДНК тізбегі. Центромер клетка бөліну кезінде бір жұп бауырлас хроматиданы байланыстырады. Хромосоманың бұл тар аймағы бауырлас хроматидаларды қосып, хроматидаларда қысқа (p) және ұзын (q) қолдарды құрайды. Митоз кезінде оралым талшықтары кинетохор арқылы центромерге бекітеді. Центромердің физикалық қызметі – хромосомалардың бөлінуіне жауапты, өте күрделі көп ақуызды құрылым – кинетохорлардың құралу ортасы ретінде әрекет ету, яғни микротүтікшелерді байланыстыру және барлық хромосомалар тікенекке дұрыс бекітілген кезде жасуша циклына сигнал беру, соның арқасында жасуша бөлінуін аяқтау және жасушалардың анафазаға өтуі қауіпсіз болады. Жалпы алғанда, центромерлердің екі түрі бар. "Нүктелі центромерлер" белгілі бір ДНК тізбектерін жоғары тиімділікпен танитын нақты ақуыздарға байланысады. Тиісті түрде болған жағдайда, нүктелі центромерлік ДНК тізбегін қамтитын ДНК-ның кез келген бөлігі әдетте центромер құрайды. Ең жақсы сипатталған нүктелі центромерлер – Saccharomyces cerevisiae ашытқысының нүктелі центромерлері. "Аймақтық центромерлер" термині көбінесе ДНК тізбектерінің белгілі бір аймақтарында қалыптасатын, бірақ басқа ДНК тізбектерінде де пайда бола алатын көптеген центромерлерді сипаттау үшін қолданылады. Аймақтық центромердің қалыптасу сигналы эпигенетикалық сипатқа ие болып көрінеді. Көптеген организмдерде, мысалы, Schizosaccharomyces pombe фиссиондық ашытқысынан бастап адамға дейін, аймақтық центромерлер кездеседі. Митоздық хромосома құрылымына қатысты, центромерлер хромосоманың (көбінесе бастапқы тартылу деп аталады) екі толықтай бірдей бауырлас хроматидасы ең жақын орналасқан тартылған аймағын білдіреді. Жасушалар митозға кіргенде, бауырлас хроматидтер (хроматин түріндегі ДНК көбейген кезде пайда болатын әрбір хромосомалық ДНК молекуласының екі көшірмесі) когезин кешенінің әсерімен бойлық бағытта байланысады. Қазіргі кезде бұл кешен негізінен профаза кезінде хромосома қолдарынан босатылады деп есептеледі, сондықтан хромосомалар митоздық шпиндельдің орталық жазықтығында (метафазалық пластина деп те аталады) қатарласа бастағанда, олардың бір-бірімен байланысқан соңғы орны – центромердің ішінде және айналасындағы хроматинде болады.

Телецентрлік

Телоцентрлік хромосомалардың центромері хромосоманың бір ұшында орналасқан, сондықтан цитологиялық (микроскопиялық) деңгейде олар тек бір қолға ие. Олар адамдарда табылмайды, бірақ жасушалық хромосомалық қателіктер нәтижесінде пайда болуы мүмкін. Телоцентрлік хромосомалар көптеген түрлерде табиғатта кездеседі, мысалы, үй тышқанында Y-хромосомасынан басқа барлық хромосомалар телоцентрлік болып табылады.

Субтелоцентрикалық

Субтелоцентрлі хромосомалардың центримерлері хромосомалардың ортасы мен ұшы арасында орналасқан, бірақ ұшқа жақын орналасады.

Ортадан тыс

Ацентрикалық хромосома – центромері жоқ хромосоманың фрагменті. Центромерлер жасуша бөліну кезінде шпиндель талшықтарының бекітілу нүктесі болғандықтан, ацентрикалық фрагменттер жасуша бөліну барысында қыз жасушаларға тең бөлінбейді. Осының салдарынан, қыз жасушада ацентрикалық фрагмент болмайды және зиянды нәтижелер туындауы мүмкін. Хромосоманың үзілуі ацентрикалық хромосомалар немесе ацентрикалық фрагменттердің пайда болуына әкелуі мүмкін.

Дицентрикалық

Дицентрикалық хромосома – екі центромері бар қалыптан тыс хромосома, жасуша бөліну кезінде тұрақсыз болуы мүмкін. Ол екі хромосома сегментінің транслокациясы немесе бірігуі арқылы пайда болады, олардың әрқайсысы центромерге ие. Кейбір өзгерістер дицентрикалық хромосомалармен қатар митоз кезінде шпиндельге бекіне алмайтын акентрикалық фрагменттерді де жасайды. Дицентрикалық хромосомалардың пайда болуы Робертсон транслокациясы және парацентрикалық инверсия сияқты генетикалық процестерге байланысты. Дицентрикалық хромосомалардың тағдыры әртүрлі болуы мүмкін, соның ішінде митоздық тұрақтылық та бар. Кейбір жағдайларда, олардың тұрақтылығы екі центромердің біреуін инактивациялау арқылы, жасуша бөліну кезінде қыз жасушаларға қалыпты түрде берілуге қабілетті функционалдық моноцентрикалық хромосоманы құрудан туындайды. Мысалы, адамның 2-ші хромосомасы, үлкен маймылдар мен Homo арасындағы эволюцияның бір кезеңінде Робертсон транслокациясының нәтижесі деп саналады, оның ұзын қолдың ортасына жақын жерінде екінші, қалыптаспаған центромері бар.

Моноцентрикалық

Моноцентрлі хромосома – бір ғана центромері бар және тар қысылу түзейтін хромосома. Моноцентрлі центромерлер өсімдіктер мен жануарлардағы жоғары қайталанатын ДНК-ның ең көп кездесетін құрылымы болып табылады.

Голоцентрикалық

Моноцентрикалық хромосомалардан өзгеше, голоцентрикалық хромосомалар митоз кезінде қарағанда ерекше біріншілік тарылуы болмайды. Оның орнына, шпіндель талшықтары хромосоманың дерлік бүкіл (грекше: holo) ұзындығы бойымен бекітіледі. Голоцентрикалық хромосомаларда CENPA (CenH3) сияқты центромерлік ақуыздар бүкіл хромосомаға таралады. Нематода, Caenorhabditis elegans, голоцентрикалық хромосомалары бар организмдердің жақсы белгілі мысалы, бірақ осы типтегі центромерді әртүрлі түрлерде, өсімдіктер мен жануарларда, эукариоттарда кездестіруге болады. Голоцентримерлер митоз кезінде хромосомалар бойымен сызық тәрізді құрылым құрайтын көптеген таратылған центромерлік бірліктерден тұрады. Жыныстық көбею үшін қажетті гомологтық хромосомалардың жұптасуын және бөлінуін қамтамасыз ету үшін мейоз кезінде балама немесе дәстүрлі емес стратегиялар қолданылады, нәтижесінде тірі гаметалар немесе гаметофиттер пайда болады. Әртүрлі түрлерде, атап айтқанда, центромерлік қайталама ДНК тізбектерінің болуы немесе болмауы және CenH3-тың болуы немесе болмауы бойынша холоцентромерлердің әртүрлі түрлері бар. Голоцентризм әртүрлі жасыл балдырларда, протозойларда, омыртқасыздарда және әртүрлі өсімдік тұқымдастарында кем дегенде 13 рет тәуелсіз дамыған. Моноцентрикалық түрлерден айырмашылығы, онда ацентрикалық фрагменттер жасушаның бөліну кезінде жоғалып кетеді, голоцентрикалық хромосомалардың үзілуі қалыпты шпіндель талшықтарына ие фрагменттерді жасайды. Осы себепті, голоцентрикалық хромосомалары бар организмдер кариотиптік өзгерісті жылдам дамыта алады, үзіліс орындарында теломералық қақпақшаларды кейіннен қосу арқылы фрагменттелген хромосомаларды жаңаруға қабілетті.

Тізбе

Центромерлердің екі түрі бар. Аймақтық центромерлерде ДНК тізбектері функцияны анықтамайды, бірақ оған үлес қосады. Аймақтық центромерлер үлкен мөлшерде ДНК-ны қамтиды және көбінесе гетерохроматинге жинақталады. Көптеген эукариоттарда центромердің ДНҚ реттілігі қайталанатын ДНҚ-ның үлкен массивтерінен тұрады (мысалы, спутниктік ДНҚ), онда қайталанатын жеке элементтердің ішіндегі реттілік ұқсас, бірақ толықтай бірдей емес. Адамда негізгі центромерлік қайталану бірлігі α спутнигі (немесе альфоид) деп аталады, бірақ бұл аймақта басқа да реттілік түрлері кездеседі. Центромерлік спутниктер қабаттасқан кеңею деп аталатын процесс арқылы эволюциялайды. Олар түрлер арасында жылдам эволюциялайды, ал жабайы тышқандардағы талдаулар спутниктік көшірме саны мен гетерогенділіктің популяцияның шығу тегі мен түршелеріне байланысты екенін көрсетеді. Сонымен қатар, спутниктік реттіліктер ішкі көсемдеуге (инбридингке) ұшырауы мүмкін. Қыздар хромосомалары ата-ана хромосомасымен бірдей жерде, тізбекке тәуелсіз центромерлерді құрастырады. Гистонның H3 варианты CENP A (Центромерлік Ақуыз A) центромердің эпигенетикалық белгісі деп саналады. Сұрақ туындайды: центромер кейіннен эпигенетикалық жолмен көбейтілсе де, оны анықтаудың бастапқы жолы болуы керек пе? Егер центромер эпигенетикалық жолмен бір ұрпақтан екінші ұрпаққа берілсе, мәселе алғашқы метазоялардың пайда болуына дейін кері жылжиды. Екінші жағынан, Х хромосомаларындағы центромерлерді салыстыру арқасында осы аймақтарда эпигенетикалық және құрылымдық өзгерістер байқалды. Сонымен қатар, адам геномының жақында құрастырылған жинағы перицентромерлік және центромерлік құрылымдардың αSat реттіліктері үшін қабаттасқан кеңею моделі арқылы қалай эволюциялайтынының мүмкін механизмін анықтады. Бұл модель αSat реттілігінің қайталануының кезең-кезеңмен пайда болып, белсенді вектор ішінде кеңейетінін, ескі реттіліктерді ығыстырып, кинетохор жиналысының орнына айналатынын ұсынады. αSat бірдей немесе әртүрлі векторлардан пайда болуы мүмкін. Бұл процесс уақыт өте келе қайталана бастағанда, белсенді центромерді қоршап тұрған қабаттар қысқарады және нашарлайды. Бұл процесс осы динамикалық эволюциялық процесс пен центромердің орны арасындағы қарым-қатынас туралы сұрақтар тудырады.

Құрылымы

Орталықтық ДНК әдетте гетерохроматин күйінде болады, бұл ДНК көшірілісінен кейін бауырлас хроматидтердің байланысын қамтамасыз ететін және анафаза кезінде бауырлас хроматидтердің ажырауын үйлестіретін когезин кешенін тарту үшін қажетті. Бұл хроматиндегі қалыпты H3 гистоны адамдарда центромерге тән CENP A нұсқасына алмастырылады. CENP A-ның болуы центромердегі кинетохордың құрастырылуы үшін маңызды деп есептеледі. CENP C CENP A-мен байланысты хроматин аймақтарында ғана орналасқаны көрсетілді. Адам жасушаларында гистондар H4K20me3 және H3K9me3 гетерохроматикалық модификацияларына ең бай екені анықталды. Drosophila-да ретроэлементтер аралдары центромерлердің маңызды құрауышылары болып табылады. Schizosaccharomyces pombe ашытқысында (және, мүмкін, басқа да эукариоттарда) центромерлік гетерохроматиннің қалыптасуы РНКi-мен байланысты. Caenorhabditis elegans сияқты нематодтарда, кейбір өсімдіктерде және Lepidoptera және Hemiptera бұлжықтарында хромосомалар "голоцентрикалық" болып табылады, яғни микротүтіктердің бекітілуіне арналған негізгі орын немесе негізгі тартылыс жоқ, ал "диффузиялық" кинетохор хромосоманың барлық ұзындығы бойынша құрастырылады.

Орталықтық аберрациялар

Сирек жағдайларда центромердің орны ауысуы нәтижесінде хромосоманың жаңа жерлерінде неоцентромерлер пайда болуы мүмкін. Бұл құбылыс адамдардың клиникалық зерттеулерінен жақсы белгілі, қазіргі уақытта 20 түрлі хромосомада анықталған 90-нан астам адам неоцентромерлері бар. Неоцентромердің пайда болуы бұрынғы центромердің инактивациясымен бірге жүруі керек, себебі екі функционалды центромері бар хромосомалар (дицентрикалық хромосома) митоз кезінде хромосоманың үзілуіне алып келеді. Кейбір ерекше жағдайларда адам неоцентромерлері фрагменттелген хромосомаларда өздігінен пайда болатыны байқалған. Осы жаңа орындардың кейбіреуі бастапқыда эухроматинды болған және мүлдем альфа-спутниктік ДНК-дан құралмаған. Неоцентромерлерде қалыпты центромерлерге тән қайталанатын құрылым жоқ, бұл центромердің қалыптасуы негізінен эпигенетикалық түрде бақыланатынын көрсетеді. Уақыт өте келе неоцентромер қайталанатын элементтерді жинақтап, эволюциялық жаңа центромерге айналады. Приматтардың хромосомаларында центромердің орны адамның сол хромосомасының центромерінен өзгеше болатын және эволюциялық жаңа центромерлер деп саналатын бірнеше жақсы белгілі мысалдар бар. Центромерлік ақуыздар сондай-ақ, кейбір ядроға қарсы антиденелердің, мысалы, антицентромерлік антиденелердің автоантигендік нысаны болып табылады.

Функционалдық бұзылу және ауру

Центромердің бұзылуы хромосомалардың дұрыс бөлінбеуіне себеп болады, бұл қатерлі ісік пен түсікпен тығыз байланысты. Көптеген центромер гендерінің жоғары экспрессиясы қатерлі ісіктің қасиеттерімен байланысты екені анықталды. Бұл центромер гендерінің артық экспрессиясы қатерлі ісіктерде геномдық тұрақсыздықты күшейтеді. Геномдық тұрақсыздықтың жоғарылауы бір жағынан қатерлі қасиеттерге, екінші жағынан ісік жасушаларын кейбір адъюванттық емдерге, мысалы, белгілі бір химиотерапия мен сәулелік терапияға осал етеді. Центромерлік қайталамалы ДНК-ның тұрақсыздығы соңғы кезде қатерлі ісік пен қартаю процесінде байқалды.

Центромерлік ДНК-ны жөндеу

ДНҚ-ның үзілуі жасуша циклының G1 фазасында центромерлерде болғанда, жасушалар бауырлас хроматид болмаған жағдайда да зақымдалған жерге гомологты рекомбинациялық жөндеу механизмін жинақтай алады. Мұтагендік ДНҚ жөндеу жолдарының қателігін болдырмау және центромерлік тұрақтылықты сақтау үшін жасуша циклының кез келген кезеңінде центромерлік үзілістерде гомологты рекомбинациялық жөндеу жүзеге асуы мүмкін. "Центро" және "мер" сөздерінің біріктірілген түрі "орталық бөлік" дегенді білдіреді, бұл центромердің хромосоманың ортасында орналасқандығын сипаттайды.