5.4:

5.4: Struktur von Chromosomen

Chromosome Structure

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Molecular Biology

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JoVE Core Molecular Biology

Chromosome Structure

5.3: Organization of Genes

5.5: Chromosome Replication

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02:40 min

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November 23, 2020

Overview

A functional eukaryotic chromosome must contain three elements: a centromere, telomeres, and numerous origins of replication.

The centromere is a DNA sequence that links sister chromatids. This is also where kinetochores, protein complexes to which spindle microtubules attach, are constructed after the chromosome is replicated. The kinetochores allow the spindle microtubules to move the chromosomes within the cell during cell division.

Telomeres consist of non-coding repetitive nucleotide sequences, at their tips. These sequences are typically similar across species. They usually consist of repeated units of adenine or thymine followed by multiple guanine nucleotides. Telomeres protect and stabilize the ends of chromosomes. If a chromosome were to break, it would begin to degrade at the newly created end, which lacks a telomere.

Origins of Replication and ARSs

Eukaryotic chromosomes must also have numerous origins of replication, which are sequences of nucleotides that determine where DNA replication begins. While the precise number of origins of replication in the human genome has yet to be quantified, at least 30,000 would be required in order for replication to occur in a timely fashion. If human chromosomes contained only one such origin, for example, it would take more than a month to replicate a single chromosome.

While the importance of origins of replication is established, defining these sequences has proven difficult. However, some experiments with yeast have identified a few candidates. When certain chromosomal sequences are added to a yeast cell as an extracellular, circular DNA molecule, they replicate autonomously. This gives these sequences their name – autonomously replicating sequences (ARSs). Some ARSs likely correspond to origins of replication that function within the yeast genome. However, some of these are not located along a stretch of DNA that is strongly associated with initiation of replication.

In mammals, such as humans, and other more complex eukaryotes, the origin of replication sequences are poorly defined. This is because they are likely defined by a combination of nucleotide sequence, associated proteins, and chromatin structure.

Transcript

Der im Zellkern enthaltene DNA-Histon-Komplex wird Chromatin genannt und kondensiert zu Chromosomen, die aus einem einzigen Chromatiden oder Schwesterchromatiden bestehen – je nach Zellzyklusstadium.

Ein funktionsfähiges eukaryotisches Chromosom muss ein Zentromer haben, eine DNA-Sequenz, die Schwesterchromatiden verbindet.

Das Zentromer ist auch der Ort, an dem die Kinetochore aufgebaut werden, nachdem sich das Chromosom repliziert hat. Diese Proteinkomplexe ermöglichen es den Mikrotubuli der Spindel, die Chromosomen während der Zellteilung zu bewegen.

Abhängig von der Lage des Zentromers können Chromosomen in vier Hauptkonfigurationen vorliegen.

In der metazentrischen Konfiguration ist das Zentromer zentriert, was zu ähnlich langen Armen führt.

In der submetazentrischen Konfiguration hingegen ist das Zentromer nicht zentriert, was zu unterschiedlich langen Armen führt.

Bei der telozentrischen Konfiguration befindet sich das Zentromer ganz am Ende des Chromosoms, was zu langen, einarmigen Armen führt.

Bei akrozentrischen Chromosomen befindet sich das Zentromer in der Nähe des Endes, was das Aussehen eines “Stiels” und einer “Zwiebel” erweckt.

Diese verschiedenen Konfigurationen kommen natürlich vor und sind daher nützlich für die Identifizierung bestimmter Chromosomen. Zum Beispiel ist das menschliche Y-Chromosom akrozentrisch.

Jedes Chromatid muss auch Telomere an seinen Spitzen haben, die aus nicht-kodierenden repetitiven Nukleotidsequenzen bestehen.

Die Telomere schützen und stabilisieren die Enden der Chromosomen. Wenn ein Chromosom bricht, beginnt es sich am neu geschaffenen Ende, dem ein Telomer fehlt, abzubauen.

Schließlich muss ein Chromosom mehrere Replikationsursprünge haben, d. h. Sequenzen von Nukleotiden, die bestimmen, wo die DNA-Replikation beginnt.

Menschliche Chromosomen enthalten etwa 30.000 Replikationsursprünge, um den Replikationsprozess zu beschleunigen. Wenn ein menschliches Chromosom nur einen Replikationsursprung enthält, würde es über einen Monat dauern, bis ein einzelnes Chromosom repliziert ist.

Wenn sich jedes Chromosom repliziert, beginnend mit mehreren Replikationsursprüngen, werden die resultierenden Schwesterchromatiden am Zentromer mit Telomeren an ihren Spitzen zusammengehalten.

Kurz vor der Zellteilung befinden sich die Chromosomen in ihrem verdichtetsten Zustand. Aus diesem Grund werden Beobachtungen von Chromosomen oft an dieser Stelle des Zellzyklus gemacht.

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Chromosomenstruktur Chromatin Chromosomen Einzelchromatid Schwesterchromatiden Zentromer Kinetochore Spindelmikrotubuli Metazentrische Konfiguration Submetazentrische Konfiguration Telozentrische Konfiguration Akrozentrische Chromosomen Aussehen von Stielen und Zwiebeln Telomere