Центромера: структура, функции и типы.

Введение

Специализированная последовательность ДНК хромосомы, связывающая пару сестринских хроматид.

Центромер связывает пару сестринских хроматид во время деления клетки. Этот суженный участок хромосомы соединяет сестринские хроматиды, формируя короткое плечо (p) и длинное плечо (q) на хроматидах. Во время митоза веретеновидные волокна прикрепляются к центромеру через кинетохор. Физиологическая роль центромера заключается в том, чтобы служить местом сборки кинетохоров – высокосложной мультибелковой структуры, ответственной за фактические события сегрегации хромосом, то есть связывание с микротрубочками и передачу сигнала механизмам клеточного цикла, когда все хромосомы приобрели правильное прикрепление к веретену, чтобы обеспечить безопасное завершение деления клетки и переход клеток в анафазу. В целом, выделяют два типа центромеров. "Точечные центромеры" связываются со специфическими белками, которые с высокой эффективностью распознают определенные последовательности ДНК. Любой фрагмент ДНК, содержащий последовательность ДНК точечного центромера, как правило, формирует центромеру, если он присутствует у соответствующего вида. Наиболее хорошо изученными точечными центромерами являются центромеры дрожжей Saccharomyces cerevisiae. Термин "региональные центромеры" используется для описания большинства центромеров, которые обычно формируются в областях с предпочтительной последовательностью ДНК, но могут формироваться и на других последовательностях ДНК. Сигнал для формирования регионального центромера, по-видимому, имеет эпигенетическую природу. Большинство организмов, от дрожжей Schizosaccharomyces pombe до человека, имеют региональные центромеры. Что касается структуры митотических хромосом, центромеры представляют собой суженный участок хромосомы (часто называемый первичной перетяжкой), где две идентичные сестринские хроматиды находятся в наиболее тесном контакте. При входе клеток в митоз сестринские хроматиды (две копии каждой молекулы хромосомной ДНК, образовавшиеся в результате репликации ДНК в форме хроматина) связаны по всей своей длине благодаря действию комплекса когезина. В настоящее время считается, что этот комплекс в основном высвобождается из плеч хромосом во время профазы, так что к моменту выстраивания хромосом на средней плоскости митотического веретена (также известной как метафазная пластинка) последним местом их соединения друг с другом является хроматин внутри и вокруг центромера.

The centromere links a pair of sister chromatids together during cell division. This constricted region of chromosome connects the sister chromatids, creating a short arm (p) and a long arm (q) on the chromatids. During mitosis, spindle fibers attach to the centromere via the kinetochore. The physical role of the centromere is to act as the site of assembly of the kinetochores – a highly complex multiprotein structure that is responsible for the actual events of chromosome segregation – i. e. binding microtubules and signaling to the cell cycle machinery when all chromosomes have adopted correct attachments to the spindle, so that it is safe for cell division to proceed to completion and for cells to enter anaphase. There are, broadly speaking, two types of centromeres. "Point centromeres" bind to specific proteins that recognize particular DNA sequences with high efficiency. Any piece of DNA with the point centromere DNA sequence on it will typically form a centromere if present in the appropriate species. The best characterized point centromeres are those of the budding yeast, Saccharomyces cerevisiae. "Regional centromeres" is the term coined to describe most centromeres, which typically form on regions of preferred DNA sequence, but which can form on other DNA sequences as well. The signal for formation of a regional centromere appears to be epigenetic. Most organisms, ranging from the fission yeast Schizosaccharomyces pombe to humans, have regional centromeres. Regarding mitotic chromosome structure, centromeres represent a constricted region of the chromosome (often referred to as the primary constriction) where two identical sister chromatids are most closely in contact. When cells enter mitosis, the sister chromatids (the two copies of each chromosomal DNA molecule resulting from DNA replication in chromatin form) are linked along their length by the action of the cohesin complex. It is now believed that this complex is mostly released from chromosome arms during prophase, so that by the time the chromosomes line up at the mid plane of the mitotic spindle (also known as the metaphase plate), the last place where they are linked with one another is in the chromatin in and around the centromere.

Телецентрическая

Телоцентрические хромосомы имеют центромеру на одном конце хромосомы и, следовательно, проявляют только одну руку на цитологическом (микроскопическом) уровне. У человека они не встречаются, но могут формироваться вследствие клеточных хромосомных ошибок. Телоцентрические хромосомы естественным образом присутствуют у многих видов, например, у домовой мыши, у которой все хромосомы, кроме Y-хромосомы, являются телоцентрическими.

Субтелоцентрическая

Центромеры субтелоцентрических хромосом расположены между серединой и концом хромосомы, но ближе к концу хромосомы.

Ацентрическая

Ацентрическая хромосома – это фрагмент хромосомы, которому не хватает центромеры. Поскольку центромеры служат точкой прикрепления веретена деления во время клеточного деления, ацентрические фрагменты не распределяются равномерно между дочерними клетками при делении. В результате, дочерняя клетка лишается ацентрического фрагмента, что может привести к негативным последствиям. Разрывы хромосом также могут приводить к образованию ацентрических хромосом или фрагментов.

Дицентрическая

Дицентрическая хромосома – это аномальная хромосома с двумя центромерами, которая может быть нестабильной в процессе клеточных делений. Она может формироваться в результате транслокации между или слияния двух хромосомных сегментов, каждый из которых содержит центромеру. Некоторые перестройки приводят к образованию как дицентрических хромосом, так и ацентрических фрагментов, которые не могут прикрепляться к веретену деления при митозе. Образование дицентрических хромосом связывают с генетическими процессами, такими как робертсоновская транслокация и парацентрическая инверсия. Дицентрические хромосомы могут иметь разную судьбу, включая митотическую стабильность. В некоторых случаях их стабильность обеспечивается инактивацией одного из двух центромеров, что приводит к образованию функционально моноцентрической хромосомы, способной к нормальному распределению между дочерними клетками при делении. Например, человеческая хромосома 2, предположительно возникшая в результате робертсоновской транслокации на определенном этапе эволюции между человекообразными обезьянами и родом Homo, имеет второй, рудиментарный центромер вблизи середины длинного плеча.

Моноцентрическая

Моноцентрическая хромосома – это хромосома, имеющая только одну центромеру и образующая узкое перетяжение. Моноцентрические центромеры – наиболее распространенная структура на участках высокоповторяющейся ДНК у растений и животных.

Голоцентрическая

В отличие от моноцентрических хромосом, голоцентрические хромосомы не имеют выраженного первичного перетяжки при митозе. Вместо этого, веретенообразные волокна прикрепляются почти по всей длине (греч. holo) хромосомы. В голоцентрических хромосомах центромерные белки, такие как CENPA (CenH3), распределены по всей хромосоме. Нематода Caenorhabditis elegans является хорошо известным примером организма с голоцентрическими хромосомами, но этот тип центромеры встречается у различных видов, растений и животных в эукариотах. Голоцентромеры фактически состоят из множества распределенных центромерных единиц, которые формируют линейную структуру вдоль хромосом во время митоза. В мейозе используются альтернативные или нетрадиционные стратегии для обеспечения спаривания и расхождения гомологичных хромосом, необходимых для производства жизнеспособных гамет или гаметофитов при половом размножении. Различные типы голоцентромер существуют у разных видов, в частности, с или без центромерных повторяющихся последовательностей ДНК и с или без CenH3. Голоцентричность эволюционировала независимо как минимум 13 раз у различных зеленых водорослей, простейших, беспозвоночных и различных семейств растений. В отличие от моноцентрических видов, где ацентрические фрагменты обычно теряются при делении клеток, разрыв голоцентрической хромосомы создает фрагменты с нормальными участками прикрепления веретенообразных волокон. Благодаря этому организмы с голоцентрическими хромосомами могут быстрее эволюционировать вариации кариотипа, восстанавливая фрагментированные хромосомы путем последующего добавления теломерных концевых участков в местах разрыва.

Последовательность

Существует два типа центромеров. В региональных центромерах последовательности ДНК вносят вклад в функцию, но не определяют её. Региональные центромеры содержат большое количество ДНК и часто упакованы в гетерохроматин. У большинства эукариот последовательность ДНК центромера состоит из больших массивов повторяющейся ДНК (например, спутниковой ДНК), где последовательность внутри отдельных повторяющихся элементов схожа, но не идентична. У человека первичной центромерной повторяющейся единицей является α-спутник (или альфоид), хотя в этой области обнаружен ряд других типов последовательностей. Предполагается, что спутники центромера эволюционируют посредством процесса, называемого слоистым расширением. Они быстро эволюционируют между видами, и анализ диких мышей показывает, что число копий спутников и их гетерогенность связаны с происхождением популяций и подвидов. Кроме того, на спутниковые последовательности может влиять инбридинг. Дочерние хромосомы будут формировать центромеры в том же месте, что и родительская хромосома, независимо от последовательности. Предполагается, что вариант гистона H3 CENP A (центромерный белок A) является эпигенетическим маркером центромера. Возникает вопрос, должен ли существовать изначальный способ определения центромера, даже если впоследствии он поддерживается эпигенетически. Если центромера наследуется эпигенетически из поколения в поколение, то проблема отодвигается к происхождению первых метазоев. С другой стороны, благодаря сравнению центромеров в Х-хромосомах, в этих областях были выявлены эпигенетические и структурные вариации. Кроме того, недавняя сборка генома человека выявила возможный механизм эволюции перицентромерных и центромерных структур посредством модели слоистого расширения последовательностей αSat. Эта модель предполагает, что различные повторяющиеся последовательности αSat периодически возникают и расширяются в активном векторе, вытесняя старые последовательности и становясь местом сборки кинетохоров. αSat может происходить из одного и того же или из разных векторов. По мере повторения этого процесса слои, окружающие активный центромер, уменьшаются и деградируют. Этот процесс ставит вопросы о взаимосвязи между этим динамическим эволюционным процессом и положением центромера.

There are two types of centromeres. In regional centromeres, DNA sequences contribute to but do not define function. Regional centromeres contain large amounts of DNA and are often packaged into heterochromatin. In most eukaryotes, the centromere's DNA sequence consists of large arrays of repetitive DNA (e. g. satellite DNA) where the sequence within individual repeat elements is similar but not identical. In humans, the primary centromeric repeat unit is called α satellite (or alphoid), although a number of other sequence types are found in this region. Centromere satellites are hypothesized to evolve by a process called layered expansion. They evolve rapidly between species, and analyses in wild mice show that satellite copy number and heterogeneity relates to population origins and subspecies. Additionally, satellite sequences may be affected by inbreeding. The daughter chromosomes will assemble centromeres in the same place as the parent chromosome, independent of sequence. It has been proposed that histone H3 variant CENP A (Centromere Protein A) is the epigenetic mark of the centromere. The question arises whether there must be still some original way in which the centromere is specified, even if it is subsequently propagated epigenetically. If the centromere is inherited epigenetically from one generation to the next, the problem is pushed back to the origin of the first metazoans. On the other hand, thanks to comparisons of the centromeres in the X chromosomes, epigenetic and structural variations have been seen in these regions. In addition, a recent assembly of the human genome has detected a possible mechanism of how pericentromeric and centromeric structures evolve, through a layered expansion model for αSat sequences. This model proposes that different αSat sequence repeats emerge periodically and expand within an active vector, displacing old sequences, and becoming the site of kinetochore assembly. The αSat can originate from the same, or from different vectors. As this process is repeated over time, the layers that flank the active centromere shrink and deteriorate. This process raises questions about the relationship between this dynamic evolutionary process and the position of the centromere.

Структура

Центромерная ДНК обычно находится в состоянии гетерохроматина, что необходимо для рекрутирования комплекса когезина, который обеспечивает сплоченность сестринских хроматид после репликации ДНК, а также координирует разделение сестринских хроматид во время анафазы. В этом хроматине обычный гистон H3 заменяется центромероспецифическим вариантом, CENP A у человека. Считается, что присутствие CENP A важно для сборки кинетохора на центромере. Показано, что CENP C локализуется почти исключительно в областях хроматина, ассоциированного с CENP A. В клетках человека гистоны наиболее обогащены модификациями H4K20me3 и H3K9me3, которые являются известными гетерохроматическими модификациями. У дрозофилы острова ретроэлементов являются основными компонентами центромеров. У дрожжей Schizosaccharomyces pombe (и, вероятно, у других эукариот) формирование центромерного гетерохроматина связано с РНК-интерференцией. У нематод, таких как Caenorhabditis elegans, некоторых растений и насекомых отрядов Lepidoptera и Hemiptera, хромосомы являются "голоцентрическими", что указывает на отсутствие основного места прикрепления микротрубочек или первичного перетяжки, и вдоль всей длины хромосомы собирается "диффузный" кинетохор.

Центромерные аберрации

В редких случаях неоцентримеры могут формироваться в новых участках хромосомы в результате перемещения центромеры. Это явление наиболее хорошо изучено в клинических исследованиях на людях, и на данный момент идентифицировано более 90 человеческих неоцентримеров, расположенных на 20 различных хромосомах. Формирование неоцентримера должно сопровождаться инактивацией предыдущей центромеры, поскольку хромосомы с двумя функциональными центромерами (дицентрические хромосомы) приводят к разрывам хромосом во время митоза. В некоторых необычных случаях наблюдалось спонтанное формирование неоцентримеров человека на фрагментированных хромосомах. Некоторые из этих новых участков изначально представляли собой эухроматин и полностью лишены альфа-спутниковой ДНК. Неоцентримеры не обладают повторяющейся структурой, характерной для нормальных центромер, что позволяет предположить, что формирование центромер в основном контролируется эпигенетически. Со временем неоцентример может накапливать повторяющиеся элементы и созревать в так называемую эволюционно новую центромеру. Существуют известные примеры в хромосомах приматов, где положение центромеры отличается от положения центромеры у человека для той же хромосомы, и считается, что это эволюционно новые центромеры. Центромерные белки также являются аутоантигенными мишенями для некоторых антиядерных антител, таких как антицентромерные антитела.

Дисфункции и болезни

Известно, что нарушение регуляции центромер приводит к неправильному расхождению хромосом, что тесно связано с раком и выкидышами. Важно отметить, что повышенная экспрессия многих центромерных генов связана с злокачественными проявлениями рака. Чрезмерная экспрессия этих генов может увеличивать геномную нестабильность в раковых клетках. С одной стороны, повышенная геномная нестабильность связана с злокачественными фенотипами, а с другой – делает опухолевые клетки более восприимчивыми к определенным адъювантным терапиям, таким как некоторые виды химиотерапии и лучевой терапии. Нестабильность повторяющихся последовательностей ДНК центромер была недавно обнаружена при раке и старении.

Ремонт центромерной ДНК

Когда в центромерах в фазе G1 клеточного цикла возникают разрывы ДНК, клетки способны привлекать гомологичный рекомбинационный механизм восстановления к поврежденному участку, даже при отсутствии сестринской хроматиды. Похоже, что гомологичное рекомбинационное восстановление может происходить при центромерных разрывах на протяжении всего клеточного цикла, чтобы предотвратить активацию неточных мутагенных путей репарации ДНК и сохранить целостность центромеры. Термин "центромера" образован от греческих слов, означающих "центральная часть", что отражает расположение центромеры в центре хромосомы.