Κεφάλαιο 2: Βασικές έννοιες Κυτταρικής Βιολογίας: Δομή & Λειτουργία Γονιδίων και Χρωμοσωμάτων Όλες οι γενετικές ασθένειες αφορούν διαταραχές σε επίπεδο κυττάρου. Συνεπώς η κατανόηση της γενετικής ασθένειας προϋποθέτει βασική γνώση της βιολογίας του κυττάρου. Σφάλματα μπορεί να προκύψουν στο διπλασιασμό του γενετικού υλικού ή στη μετάφραση των γονιδίων σε πρωτεϊνες. Τέτοια λάθη δημιουργούν συχνά μονογονιδιακές διαταραχές. Επιπλέον, τα λάθη που εμφανίζονται κατά τη διάρκεια της κυτταρικής διαίρεσης μπορεί να οδηγήσουν σε διαταραχές που να αφορούν ολόκληρα χρωμοσώματα. Για να παρέχει τη βάση για τη κατανόηση αυτών των λαθών και των συνέπειών τους, το κεφάλαιο αυτό εστιάζει στη περιγραφή των διαδικασιών με τις οποίες τα γονίδια μεταγράφονται, μεταφράζονται σε πρωτεϊνες καθώς και τη διαδικασία της κυτταρικής διαίρεσης.

Εικόνα 2.1. Ανατομία κυττάρου. Οι μικροσκοπικές μελέτες του 19ου αιώνα οδήγησαν τους επιστήμονες στο συμπέρασμα ότι ο πυρήνας του κυττάρου (Εικ. 2.1 ) περιέχει τους σημαντικούς μηχανισμούς κληρονομικότητας. Διαπίστωσαν ότι η χρωματίνη, η ουσία που προσδίδει μία κοκκώδη εμφάνιση στο πυρήνα, μπορεί να παρατηρηθεί σε πυρήνες μη διαιρούμενων κυττάρων. Μόλις πριν το κύτταρο εισέλθει σε διαδικασία κυτταρικής διαίρεσης, η χρωματίνη συμπυκνώνεται σε διακριτά σκουρόχρωμα σωμάτια, τα χρωμοσώματα. Με την επανα-ανακάλυψη των πειραμάτων διασταύρωσης του Mentel στις αρχές του 20ού αιώνα, έγινε σύντομα προφανές ότι τα χρωμοσώματα περιέχουν γονίδια. Τα γονίδια μεταβιβάζονται από το γονέα στον απόγονο και θεωρούνται η βασική

1

μονάδα της κληρονομικότητας. Η κληρονόμηση των φυσικών γνωρισμάτων στις οικογένειες όπως το χρώμα των ματιών επιτελείται μέσω γονιδιακής μετάδοσης καθώς επίσης και οι γενετικές ασθένειες. Στη χημική τους βάση, τα γονίδια αποτελούνται από δεσοξυριβονουκλεϊνικό οξύ (DNA). Το DNA παρέχει το γενετικό "σχεδιάγραμμα" όλων των πρωτεϊνών του σώματος. Κατά συνέπεια, τα γονίδια επηρεάζουν τελικά όλες τις πτυχές της δομής και λειτουργίας του σώματος. Ο άνθρωπος υπολογίζεται ότι έχει 25.000 έως 30.000 δομικά γονίδια (που κωδικοποιούν RNA (ριβονουκλεϊνικό οξύ) ή πρωτεϊνες). Ένα λάθος (ή μεταλλαγή) σε ένα από αυτά τα γονίδια οδηγεί συχνά σε αναγνωρίσιμη γενετική ασθένεια. Μέχρι σήμερα, έχουν αναγνωριστεί περισσότερα από 16.000 μονογονιδιακά γνωρίσματα, τα περισσότερα από τα οποία αντιπροσωπεύουν παθολογικές καταστάσεις.   Γονίδια, η βασική μονάδα κληρονομικότητας, περιέχεται στα χρωμοσώματα και αποτελείται από DNA. Κάθε σωματικό κύτταρο (όλα τα κύτταρα εκτός από τους γαμέτες, ή τα κύτταρα του σπέρματος και των ωαρίων) περιέχει 23 ζευγάρια διαφορετικών χρωμοσωμάτων, επί συνόλου 46. Το ένα χρωμόσωμα κάθε ζευγαριού προέρχεται από τον πατέρα του ατόμου και το άλλο από τη μητέρα. Ένα από τα χρωμοσωμικά ζεύγη περιέχει τα χρωμοσώματα φύλου. Οι φυσιολογικοί άρρενες φέρουν ένα Χ χρωμόσωμα που κληρονομούν από τη μητέρα και ένα Υ από τον πατέρα. Τα φυσιολογικά θήλεα φέρουν δύο Χ χρωμοσώματα που κληρονομούν από κάθε γονέα. Τα άλλα 22 ζεύγη χρωμοσωμάτων ονομάζονται αυτοσωμικά ή αυτοσώματα. Τα μέλη κάθε αυτοσωμικού ζεύγους θεωρούνται ομόλογα, επειδή το DNA τους είναι παρόμοιο. Τα χρωμοσώματα Χ και Υ δεν είναι ομόλογα μεταξύ τους. Τα σωματικά κύτταρα, που περιέχουν δύο από κάθε χρωμόσωμα, ονομάζονται διπλοειδή. Οι ανθρώπινοι γαμέτες έχουν απλοειδή αριθμό χρωμοσωμάτων, δηλ. 23. Ο διπλοειδής αριθμός χρωμοσωμάτων διατηρείται σε διαδοχικές γενεές σωματικών κυττάρων με τη διαδικασία της μίτωσης, ενώ ο απλοειδής αριθμός αποκτάται με τη διαδικασία της μείωσης. Και οι δύο διαδικασίες περιγράφονται λεπτομερώς στη συνέχεια του κεφαλαίου.   Τα σωματικά κύτταρα, είναι διπλοειδή, έχουν 23 ζεύγη χρωμοσωμάτων (22 ζεύγη αυτοσωμάτων και 1 ζεύγος φυλετικών χρωμοσωμάτων). Οι γαμέτες είναι απλοειδείς και έχουν 23 συνολικά χρωμοσώματα. DNA, RNA & ΠΡΩΤΕΪΝΕΣ: ΚΛΗΡΟΝΟΜΙΚΟΤΗΤΑ ΣΕ ΜΟΡΙΑΚΟ ΕΠΙΠΕΔΟ 1. ΣΥΣΤΑΣΗ ΚΑΙ ΔΟΜΗ DNA Το μόριο DNA έχει τρία βασικά συστατικά: το σάκχαρο πεντόζης δεοξυριβόζη (deoxyribose), μία φωσφορική ομάδα άλατος και τέσσερεις αζωτούχες βάσεις. Δύο από τις βάσεις, κυτοσίνη και θυμίνη, έχουν μονό δακτύλιο άνθρακα-αζώτου και λέγονται πυριμιδίνες. Οι άλλες δύο βάσεις, αδενίνη και γουανίνη, έχουν διπλό δακτύλιο άνθρακα-αζώτου και ονομάζονται πουρίνες (Εικόνα 2-2). Οι τέσσερις βάσεις συνήθως αναφέρονται με τα αρχικά τους: G, T, A & C. Οι Watson και Crick έδειξαν στα μέσα του 20ου αιώνα τον τρόπο με τον οποίο τα τρία αυτά συστατικά συνδυάζονται στη διαμόρφωση του DNA. Πρότειναν το διάσημο πλέον μοντέλο της διπλής έλικας, στο οποίο το DNA μπορεί να νοηθεί ως περιελισσόμενη σκάλα με τους χημικούς δεσμούς ως βαθμίδες (σκαλιά) (Εικόνα 2-3). Οι δύο πλευρές της σκάλας αποτελούνται από τα σακχάρα και τα φωσφορικά συστατικά, που διατηρούνται στενά

2

συνδεδεμένα μεταξύ τους με ισχυρούς φωσφοδιεστερικούς δεσμούς.

Εικόνα 2.2. Χημική δομή των τεσσάρων βάσεων, που παρουσιάζει δεσμούς υδρογόνου μεταξύ των ζευγαριών βάσεων. Τρεις δεσμοί υδρογόνου διαμορφώνονται μεταξύ των ζευγαριών κυτοσίνη-γουανίνης, και δύο δεσμοί διαμορφώνονται μεταξύ των ζευγαριών αδενίνη- θυμίνη. Από κάθε πλευρά της σκάλας προβάλλουν σε τακτά διαστήματα οι αζωτούχες βάσεις. Η βάση που προβάλλει από τη μία πλευρά δεσμεύεται στη βάση που προβάλλει από την άλλη πλευρά με ασθενείς σχετικά δεσμούς υδρογόνου. Συνεπώς οι ζευγαρωμένες αζωτούχες βάσεις σχηματίζουν τις βαθμίδες, τα σκαλιά, της σκάλας. Η Εικόνα 2-3 επεξηγεί τους χημικούς δεσμούς μεταξύ των βάσεων και δείχνει ότι οι άκρες της σκάλας καταλήγουν είτε σε 3΄ είτε σε 5΄, με βάση την αρίθμηση των πέντε ατόμων άνθρακα της δεοξυριβόζης. Κάθε υπομονάδα DNA, που αποτελείται από μία δεοξυριβόζη, μία φωσφορική, και μία βάση, ονομάζεται νουκλεοτίδιο. Διαφορετικές ακολουθίες νουκλεοτιδικών βάσεων (π. χ., ACCAAGTGC) προσδιορίζουν διαφορετικές πρωτεϊνες. Ο προσδιορισμός των πολυπληθών πρωτεϊνών του σώματος πρέπει να απαιτεί μεγάλες ποσοτητες γενετικής πληροφορίας. Πράγματι, κάθε απλοειδές ανθρώπινο κύτταρο περιέχει 3 περίπου δισεκατομμύρια νουκλεοτιδικά ζεύγη, περισσότερο από αρκετή πληροφορία για να κωδικοποιήσει όλες τις πρωτεϊνες του ανθρώπου. Τα σημαντικότερα συστατικά του DNA είναι οι τέσσερεις νουκλεοτιδικές βάσεις: αδενίνη, θυμίνη, κυτοσίνη, και γουανίνη. Το DNA έχει δομή διπλής έλικας.2. ΠΕΡΙΕΛΙΞΗ, ΚΟΥΛΟΥΡΙΑΣΜΑ DNA Οι απεικονίσεις εγχειριδίων παρουσιάζουν το DNA σαν διπλοελικωμένο μόριο που συνεχίζεται σε μία μακριά, ευθεία γραμμή. Εν τούτοις, εάν τεντωθεί με τέτοιo τρόπο το DNA του κυττάρου, θα επεκτεινόταν 2 περίπου μέτρα σε μήκος. Για να πακεταριστεί όλο αυτό το DNA σε έναν μικροσκοπικό κυτταρικό πυρήνα, περιελίσσεται και κουλουριάζεται σε διάφορα επίπεδα. Κατ' αρχάς, το DNA τυλίγεται γύρω από έναν πυρήνα ιστονών σχηματίζοντας ένα νουκλεόσωμα (Εικόνα 2-4). Περίπου 140 έως 150 βάσεις DNA περιελίσσονται γύρω από κάθε πυρήνα ιστονών, και έπειτα 20 έως 60 βάσεις

3

διαμορφώνουν ένα στοιχείο "μεσοδιαστήματος" πριν από το επόμενο σύμπλοκο νουκλεοσώματος. Τα νουκλεοσώματα διαμορφώνουν στη συνέχεια ένα σωληνοειδές ελικοειδούς μορφής, η κάθε στροφή/περιέλιξη του οποίου περιλαμβάνει έξι περίπου νουκλεοσώματα. Τα σωληνοειδή οργανώνονται αυτόνομα σε βρόχους χρωματίνης, που προσαρτώνται σε ένα πρωτεϊνικό ικρίωμα. Κάθε ένας από αυτούς τους βρόχους περιέχει περίπου 100.000 ζευγάρια βάσεων (ζβ, bp), ή 100 κιλοβάσεις (kb), του DNA. Το τελικό αποτέλεσμα αυτού του κουλουριάσματος, της περιτύλιξης και της βρόγχωσης είναι ότι το DNA, στο μέγιστο στάδιο συμπύκνωσής του, έχει περίπου 10.000 φορές μικρότερο μήκος από αυτό που θα είχε αν ήταν τεντωμένο.

Εικόνα 2.3. Η διπλή έλικα DNA, με το φωσφο-σακχαρικό σκελετό και τις αζωτούχες βάσεις

4

Εικόνα 2.4. Σχήματα πακεταρίσματος & κουλουριάσματος του DNA. Το DNA περιελίσσεται γύρω από ιστόνες σχηματίζοντας νουκλεοσώματα. Αυτά οργανώνονται σε σωληνοειδή, που σχηματίζουν στη συνέχεια τους βρόχους χρωματίνης. Το DNA είναι μια στενά κουλουριασμένη δομή. Αυτό το κουλούριασμα εμφανίζεται σε διάφορα επίπεδα: το νουκλεόσωμα, το σωληνοειδές, και τους βρόχους των 100-KB. 3. ΔΙΠΛΑΣΙΑΣΜΟΣ DNA Καθώς τα κύτταρα διαιρούνται για να σχηματίσουν αντίγραφα του εαυτού τους, πανομοιότυπα αντίγραφα του DNA πρέπει να σχηματισθούν και να ενσωματωθούν στα νέα κύτταρα. Αυτό είναι θεμελιώδες εάν το DNA πρόκειται να λειτουργήσει σαν γενετικό υλικό. Ο διπλασιασμός του DNA συνοδεύεται

5

βασικά από το σπάσιμο των ασθενών δεσμών υδρογόνου μεταξύ των συμπληρωματικών βάσεων, το οποίο αφήνει μία μονόκλωνη αλυσίδα DNA με κάθε βάση της μη συζευγμένη. Το συνεπές ζευγάρωμα των συμπληρωματικών βάσεων αδενίνης με θυμίνη και γουανίνης με κυτοσίνη, είναι το κλειδί για τον αξιόπιστο διπλασιασμό. Η αρχή του συμπληρωματικού ζευγαρώματος των βάσεων υπαγορεύει ότι η ασύζευκτη βάση θα προσελκύσει ένα ελεύθερο νουκλεοτίδιο μόνο άν το νουκλεοτίδιο αυτό φέρει την κατάλληλη συμπληρωματική βάση. Παραδείγματος χάριν, ένα μονόκλωνο κομμάτι με την αλληλουχία βάσεων ATTGCT θα συνδεθεί με τη μονόκλωνη νουκλεοτιδική αλληλουχία TAACGA. Η μονόκλωνη αλυσίδα ονομάζεται καλούπι πάνω στο οποίο δημιουργείται η συμπληρωματική αλυσίδα. Όταν ολοκληρωθεί ο διπλασιασμός, σχηματίζεται ένα νέο δίκλωνο μόριο ίδιο με το αρχικό (Εικόνα 2-5).

Εικόνα 2.5. Διπλασιασμός DNΑ. Οι δεσμοί υδρογόνου μεταξύ των δύο αρχικών αλυσίδων διασπώνται, επιτρέποντας στις βάσεις κάθε αλυσίδας να υποβληθούν σε συμπληρωματικό ζευγάρωμα με ελεύθερες βάσεις. Αυτή η διαδικασία, που προχωρά σε κατεύθυνση από 5΄ προς 3΄ σε κάθε αλυσίδα, σχηματίζει νέο δίκλωνο DNA. Διαφορετικά ένζυμα συμμετέχουν στο διπλασιασμό του DNA. Ένα ένζυμο ξετυλίγει τη διπλή έλικα, άλλο κρατά τις δύο αλυσίδες μονόκλωνες, και άλλα εκτελούν άλλες διακριτές λειτουργίες. Η DNA πολυμεράση είναι ένα από τα βασικά ένζυμα διπλασιασμού. Ταξιδεύει κατά μήκος της μονόκλωνης αλυσίδας DNA, προσθέτοντας ελεύθερα νουκλεοτίδια στο 3΄ άκρο της νέας αλυσίδας. Τα νουκλεοτίδια προστίθενται αποκλειστικά και μόνο στο 3΄άκρο της αλυσίδας, ώστε ο διπλασιασμός να προχωρά πάντα από το 5΄ προς το 3΄ άκρο. Όταν αναφερόμαστε στον προσανατολισμό των ακολουθιών κατά μήκος ενός γονιδίου, η κατεύθυνση 5΄ ονομάζεται «άνωθεν» (upstream) και η 3΄ «κάτωθεν» (downstream). Εκτός από την προσθήκη νέων νουκλεοτιδών, η DNA πολυμεράση εκτελεί

6

μέρος μιας διαδικασίας ελέγχου του βαθμού αξιοπιστίας του διπλασιασμού (proofreading), στην οποία το νεοπροστιθέμενο νουκλεοτίδιο ελέγχεται για να επιβεβαιωθεί ότι είναι όντως συμπληρωματικό με την αντίστοιχη βάση στο καλούπι. Εάν δεν είναι, το νουκλεοτίδιο αποσπάται και

Εικόνα 2.6. Ο σχηματισμός φυσαλίδων διπλασιασμού σε πολλαπλά σημεία κατά μήκος της αλυσίδας DNA, διευκολύνει τη ταχύτητα του διπλασιασμού.αντικαθίσταται με μια σωστή συμπληρωματική νουκλεοτιδική βάση. Αυτή η διαδικασία ενισχύει ουσιαστικά την ακρίβεια και την αξιοπιστία του διπλασιασμού του DNA. Όταν ένα σφάλμα διπλασιασμού του DNA δεν επισκευαστεί επιτυχώς, τότε προκύπτει μία μεταλλαγή. Όπως θα φανεί στο Κεφάλαιο 3, πολλές τέτοιες μεταλλαγές προκαλούν γενετικές ασθένειες. Ο διπλασιασμός του DNA εξαρτάται αυστηρά από την αρχή της συμπληρωματικότητας των βάσεων. Αυτό επιτρέπει σε μία μονόκλωνη αλυσίδα του μορίου DNA να σχηματίσει ένα καλούπι για τη σύνθεση νέας συμπληρωματικής αλυσίδας. Η συχνότητα διπλασιασμού του DNA στον άνθρωπο, είναι περίπου 40 με 50 νουκλεοτίδια το δευτερόλεπτο. Στα βακτήρια είναι σημαντικά υψηλότερη, φθάνοντας σε 500 έως 1.000 νουκλεοτίδια το δευτερόλεπτο. Δεδομένου ότι μερικά ανθρώπινα χρωμοσώματα έχουν έως και 250 εκατομμύρια νουκλεοτίδια, ο διπλασιασμός τους θα ήταν μια εξαιρετικά χρονοβόρα διαδικασία εάν προχωρούσε γραμμικά από το ένα άκρο του χρωμοσώματος

7

στο άλλο (ο διπλασιασμός χρωμοσώματος αυτού του μεγέθους θα διαρκούσε σχεδόν 2 μήνες). Αντ' αυτού, ο διπλασιασμός αρχίζει σε πολλά διαφορετικά σημεία κατά μήκος του χρωμοσώματος, που ονομάζονται αρχές διπλασιασμού. Οι πολλαπλοί διαχωρισμοί των αλυσίδων DNA που προκύπτουν ονομάζονται φυσαλίδες διπλασιασμού (Εικόνα 2-6). Με την ταυτόχρονη εμφάνισή τους σε πολλές διαφορετικές θέσεις κατά μήκος του χρωμοσώματος, επιταχύνεται σημαντικά η διαδικασία του διπλασιασμού. Οι φυσαλίδες διπλασιασμού επιτρέπουν να πραγματοποιείται ο διπλασιασμός του DNΑ σε πολλές θέσεις στο χρωμόσωμα ταυτόχρονα, επιταχύνοντας κατά πολύ τη διαδικασία του διπλασιασμού του.

Εικόνα 2.7. Τα βήματα που οδηγούν από το DNA στις πρωτεϊνες. Ο διπλασιασμός και η μεταγραφή λαμβάνουν χώρα στον πυρήνα του κυττάρου. Το mRNA μεταφέρεται ακολούθως στο κυτταρόπλασμα, όπου μεταφράζεται σε ακολουθίες αμινοξέων που συνθέτουν μια πρωτεϊνη.4. ΑΠΟ ΤΑ ΓΟΝΙΔΙΑ ΣΤΙΣ ΠΡΩΤΕΪΝΕΣ Ενώ το DNA σχηματίζεται και διπλασιάζεται στον πυρήνα του κυττάρου, η πρωτεϊνική σύνθεση πραγματοποιείται στο κυτταρόπλασμα. Οι πληροφορίες που περιλαμβάνονται στο DNA πρέπει να μεταφερθούν στο κυτταρόπλασμα και να

8

χρησιμοποιηθούν για να υπαγορεύσουν τη σύσταση των πρωτεϊνών. Αυτό περιλαμβάνει τις δύο διαδικασίες, μεταγραφής και μετάφρασης. Εν συντομία, ο κώδικας DNA μεταγράφεται σε μύνημα RNA, το οποίο αφήνει μετά τον πυρήνα για να μεταφραστεί σε πρωτεϊνη στο κυτταρόπλασμα. Οι παραπάνω διαδικασίες συνοψίζονται στην Εικόνα 2.7. Στη μεταγραφή και τη μετάφραση συμμετέχει το ριβονουκλεϊκό οξύ (RNA), ένας τύπος νουκλεϊνικού οξέος που είναι χημικά παρόμοιο με το DNA. Όπως το DNA, το RNA αποτελείται από σάκχαρα, φωσφορικές ομάδες, και αζωτούχες βάσεις. Διαφέρει από το DNA με δύο τρόπους: στο σάκχαρο που είναι η ριβόζη αντί της δεοξυριβόζης του DNA, και στη βάση ουρακίλη αντί της θυμίνης του DNA. Η ουρακίλη είναι δομικά παρόμοια με τη θυμίνη και μπορεί να ζευγαρώσει με την αδενίνη. Μια άλλη διαφορά μεταξύ RNA και DNA είναι ότι, ενώ το DNA είναι συνήθως δίκλωνο, το RNA είναι συνήθως μονόκλωνο. ΜΕΤΑΓΡΑΦΗ Μεταγραφή είναι η διαδικασία σχηματισμού ακολουθίας RNA από καλούπι DNA (Εικόνα 2-8). Ο τύπος του RNA που παράγεται με τη διαδικασία της μεταγραφής ονομάζεται μήνυμα RNA (mRNA). Η έναρξη της μεταγραφής του μυνήματος απαιτεί τη πρόσδεση του ενζυμικού συμπλόκου της RNA πολυμεράσης τύπου ΙΙ στον υποκινητή-προαγωγό (promoter) του DNA (ο υποκινητής – προαγωγός είναι μία νουκλεοτιδική αλληλουχία που βρίσκεται μόλις άνωθεν ενός γονιδίου). Η RNA πολυμεράση ξετυλίγει τοπικά τη δίκλωνη δομή και εκθέτει τις βάσεις DNA στις μονόκλωνες αλυσίδες. Ένα από τα δύο σκέλη/κλώνοι του DNA παρέχει το πρότυπο για την νουκλεοτιδική αλληλουχία του mRNA. Αν και καθένα σκέλος/κλώνος DNA θα μπορούσε σε γενικές γραμμές να χρησιμεύσει σαν καλούπι για τη σύνθεση mRNA, μόνο ένα επιλέγεται για το σκοπό αυτό σε δεδομένη περιοχή του χρωμοσώματος. Αυτή η επιλογή καθορίζεται από την ακολουθία του υποκινητή, που προσανατολίζει την RNA πολυμεράση σε μια συγκεκριμένη κατεύθυνση κατά μήκος της ακολουθίας DNA. Επειδή η σύνθεση mRNA γίνεται μόνο από 5΄ προς 3΄, ο υποκινητής, καθορίζοντας το προσανατολισμό, καθορίζει την αλυσίδα DNA που θα χρησιμεύσει σαν καλούπι. Το καλούπι DNA ονομάζεται και αντιπαράλληλη αλυσίδα. Η RNA πολυμεράση κινείται από 3΄ προς 5΄ κατά μήκος της αλυσίδας του καλουπιού DNA, συναρμολογώντας τη συμπληρωματική αλυσίδα mRNA από 5΄ προς 3΄ (βλ. Εικόνα 2-8). Λόγω συμπληρωματικότητας, η νουκλεοτιδική αλληλουχία mRNA είναι ίδια με αυτή της αλυσίδας του DNA που δεν χρησιμεύει σαν καλούπι, εκτός φυσικά από την αντικατάσταση της θυμίνης με ουρακίλη. Με την έναρξη της σύνθεσης RNA, το 5΄ άκρο του mRNA "καλύπτεται" με την προσθήκη μιας χημικά τροποποιημένης γουανίνης. Η 5΄ καλύπτρα φαίνεται να αποτρέπει την αποικοδόμηση του RNA κατά τη διάρκεια της σύνθεσης, και στη συνέχεια να βοηθά στην υπόδειξη της θέσης έναρξης της μετάφρασης του mRNA σε πρωτεϊνη. Η μεταγραφή συνεχίζεται έως ότου συναντηθεί μια ομάδα βάσεων, η αλληλουχία λήξης. Κοντά σε αυτό το σημείο, προστίθεται μια σειρά 100 έως 200 βάσεων αδενίνης στο 3΄ άκρο του μορίου RNA. Αυτή η δομή, γνωστή ως ουρά poly-A, μπορεί να συμμετέχει στη σταθεροποίηση του μορίου mRNA έτσι ώστε να μην αποικοδομείται όταν φθάνει στο κυτταρόπλασμα. Η RNA πολυμεράση συνεχίζει συνήθως να μεταγράφει το DNA για αρκετές χιλιάδες επιπλέον βάσεις, αλλά οι βάσεις που προστίθενται μετά από τη ουρά πολυ-A χάνονται τελικά. Τελικά, οι αλυσίδες DNA και η RNA πολυμεράση διαχωρίζονται από την αλυσίδα

9

RNA, αφήνοντας μονόκλωνο mRNA. Αυτό το μόριο mRNA ονομάζεται πρωτογενές μεταγραφικό προϊόν. Σε μερικά ανθρώπινα γονίδια, όπως αυτό που μπορεί να προκαλέσει μυϊκή δυστροφία Duchenne, υπάρχουν διαφορετικοί υποκινητές σε διαφορετικές θέσεις του γονιδίου.

Εικόνα 2.8. Μεταγραφή DNA σε mRNA. Η RNA πολυμεράση ΙΙ προχωρά κατά μήκος του σκέλους DNA από 3΄προς 5΄, σχηματίζοντας συμπληρωματική αλυσίδα mRNA με την αλυσίδα του καλουπιού DNA.Κατά συνέπεια, η μεταγραφή του γονιδίου μπορεί να αρχίσει σε διαφορετικές θέσεις, αποδίδοντας κάπως διαφορετικές πρωτεϊνες. Αυτό επιτρέπει στην ίδια

10

γονιδιακή αλληλουχία να κωδικοποιεί παραλλαγές μιας πρωτεϊνης σε διαφορετικούς ιστούς, όπως μυϊκού, εγκεφαλικού ή άλλου τύπου. Κατά τη μεταγραφή, η RNA πολυμεράση ΙΙ δεσμεύεται στον υποκινητή κοντά στο 5΄ άκρο ενός γονιδίου κατά τη φορά της αλυσίδας και μέσω συμπληρωματικότητας παράγει αλυσίδα mRNA από αντιπαράλληλη αλυσίδα DNA. ΜΕΤΑΓΡΑΦΗ ΚΑΙ Η ΡΥΘΜΙΣΗ ΤΗΣ ΓΟΝΙΔΙΑΚΗΣ ΕΚΦΡΑΣΗΣ Μερικά γονίδια – ένας αρκετά μικρός αναλογικά αριθμός - μεταγράφονται σε όλα τα κύτταρα του σώματος. Αυτά τα γονίδια οικοσυντήρησης κωδικοποιούν τα προϊόντα που απαιτούνται για τη συντήρηση και το μεταβολισμό ενός κυττάρου. Τα περισσότερα γονίδια, εντούτοις, μεταγράφονται μόνο σε συγκεκριμένους ιστούς και σε συγκεκριμένα χρονικά σημεία. Επομένως, στα περισσότερα κύτταρα, μόνο ένα μικρό ποσοστό των γονιδίων μεταγράφεται ενεργά. Έτσι εξηγείται η μεγάλη ποικιλία διαφορετικών τύπων κυττάρων ενός οργανισμού που εκφράζουν διαφορετικές πρωτεϊνες παρότι έχουν όλα τα κύτταρα μεταξύ τους το ίδιο ακριβώς DNA. Παραδείγματος χάριν, τα γονίδια της αιμοσφαιρίνης μεταγράφονται μόνο στα πρόδρομα βλαστοκύτταρα των αδιαφοροποίητων ερυθροκυττάρων του αίματος (όπου βοηθούν το σχηματισμό αιμοσφαιρίνης), και τα γονίδια των υποδοχέων των λιποπρωτεϊνών χαληλής πυκνότητας μεταγράφονται μόνο στα κύτταρα του ήπατος. Πολλές διαφορετικές πρωτεϊνες συμμετέχουν στη μεταγραφή. Μερικές από αυτές που απαιτούνται για τη μεταγραφή όλων των δομικών γονιδίων ονομάζονται γενικοί μεταγραφικοί παράγοντες. Αλλοι, ονομάζονται ειδικοί μεταγραφικοί παράγοντες, και έχουν πιό εξειδικευμένους ρόλους, ενεργοποιώντας μόνο ορισμένα γονίδια σε ορισμένα στάδια της ανάπτυξης. Ένα βασικό μεταγραφικό στοιχείο είναι η RNA πολυμεράση ΙΙ, που μόλις περιγράψαμε. Αν και αυτό το ένζυμο διαδραματίζει ρόλο ζωτικής σημασίας στην έναρξη της μεταγραφής προσδενόμενο στον υποκινητή, δεν μπορεί να εντοπίσει την περιοχή του υποκινητού από μόνο του. Επιπλέον, είναι ανίκανο να παράξει σημαντικές ποσότητες mRNA μόνο του. Η αποτελεσματική μεταγραφή απαιτεί την αλληλεπίδραση ενός μεγάλου συμπλόκου 50 περίπου Εικόνα 2.9. Βασικά στοιχεία του ελέγχου της μεταγραφής περιλαμβάνουν τους γενικούς (βασικούς) παράγοντες μεταγραφής και τους ειδικούς ενισχυτές και ησυχαστές. Η δραστηριότητα των ενισχυτών διαμεσολαβείται από ενεργοποιητές και συν-ενεργοποιητές, που είναι ειδικοί μεταγραφικοί παράγοντες. (Προσαρμοσμένος από τις μοριακές μηχανές που ελέγχουν τα γονίδια. Tjian R [1995] Sci AM 272:5461)διαφορετικών πρωτεϊνών όπου περιλαμβάνονται γενικοί μεταγραφικοί παράγοντες (βασικοί), που προσδένονται στην RNA πολυμεράση και σε ειδικές ακολουθίες DNA στην περιοχή του υποκινητή (ακολουθίες όπως η ΤΑΤΑ και άλλες που απαιτούνται για την έναρξη της μεταγραφής). Οι γενικοί παράγοντες μεταγραφής επιτρέπουν στην RNA πολυμεράση να προσδεθεί στην περιοχή του υποκινητή έτσι ώστε να μπορέσει να λειτουργήσει αποτελεσματικά στη μεταγραφή (Εικόνα 2-9). Η μεταγραφική ενεργότητα ειδικών γονιδίων μπορεί να αυξηθεί πολύ από τους ενισχυτές, που μπορεί να βρίσκονται χιλιάδες βάσεις άνωθεν ή κάτωθεν του γονιδίου. Οι ενισχυτές δεν αλληλεπιδρούν άμμεσα με τα γονίδια. Αντ΄ αυτού, δεσμεύονται από μία κατηγορία ειδικών μεταγραφικών παραγόντων, που ονομάζονται ενεργοποιητές. Οι ενεργοποιητές δεσμεύονται από δεύτερη κατηγορία μεταγραφικών παραγόντων τους συν-ενεργοποιητές, οι οποίοι

11

προσδένονται με τη σειρά τους στο γενικό μεταγραφικό σύμπλοκο που περιγράψαμε (βλ. Εικόνα 2-9). Η αλυσίδα αυτή των αλληλεπιδράσεων, από ενισχυτή, σε ενεργοποιητή, σε συν-ενεργοποιητή στο γενικό σύμπλοκο μεταγραφής και τελικά στο ίδιο το γονίδιο, αυξάνει τη μεταγραφή ειδικών γονιδίων σε συγκεκριμένα χρονικά σημεία. Ενώ οι ενισχυτές αυξάνουν τη μεταγραφική δραστηριότητα των γονιδίων, άλλες ακολουθίες DNA, γνωστές ως ησυχαστές, τη καταστέλλουν με ανάλογο τρόπο. Μεταλλαγές στον ενισχυτή, τον ησυχαστή, ή τον υποκινητή, καθώς επίσης και μεταλλαγές γονιδίων που κωδικοποιούν μεταγραφικούς παράγοντες, μπορούν να οδηγήσουν σε λανθασμένη έκφραση γονιδίων ζωτικής σημασίας και συνεπώς σε γενετική ασθένεια. Στα ακόλουθα κεφάλαια θα συζητηθούν πολλά παραδείγματα τέτοιων ασθενειών. Οι μεταγραφικοί παράγοντες απαιτούνται για τη μεταγραφή του DNA σε mRNA. Οι γενικοί παράγοντες μεταγραφής χρησιμοποιούνται από όλα τα γονίδια, και οι ειδικοί παράγοντες μεταγραφής βοηθούν την εκκίνηση της μεταγραφής των γονιδίων σε ειδικούς τύπους κυττάρων και σε συγκεκριμένα χρονικά σημεία. Η μεταγραφή ρυθμίζεται επίσης από ενισχυτές και ησυχαστές, οι οποίοι μπορούν να βρίσκονται σε απόσταση χιλιάδων βάσεως από το μεταγραφόμενο γονίδιο. Ο μεγάλος αριθμός και η πολυπλοκότητα των παραγόντων μεταγραφής επιτρέπουν λεπτή ρύθμιση της γονιδιακής έκφρασης. Αλλά πώς οι παράγοντες μεταγραφής εντοπίζουν τις συγκεκριμένες ακολουθίες DNA; Αυτό επιτυγχάνεται από τα μοτίβα DΝΑ-πρόσδεσης: διαμορφώσεις της πρωτεϊνης μεταγραφικού-παράγοντα που της επιτρέπουν να εφαρμόσει σταθερά σε μια μοναδική θέση της διπλής έλικας του DNA. Διάφορα παραδείγματα τέτοιων μοτίβων πρόσδεσης καταχωρούνται στον Πίνακα 2-1, και την Ειικόνα 2.10 που απεικονίζει τη σύνδεση ενός τέτοιου μοτίβου στο DNA. Κάθε μοτίβο περιλαμβάνει πολλές παραλλαγές, που ρυθμίζουν την ειδικότητα σύνδεσής του στο DNA. Πίνακας 2-1. Οι σημαντικότερες κατηγορίες μοτίβων πρόσδεσης στο DNA, που βρίσκονται στους μεταγραφικούς παράγοντες Μοτίβο Περιγραφή παραδείγματα ασθενειών Έλικας-στροφή-έλικας

Δύο α έλικες συνδέονται με μια βραχεία αλυσίδα αμινοξέων, που αποτελούν τη "στροφή." Η ακραία καρβοξυλική έλικα είναι έλικα αναγνώρισης που προσδένεται στη μεγάλη εσοχή του DNA.

Πρωτεϊνες ομοιοακολουθίας (HOX): οι μεταλλαγές σε ανθρώπινα HOXD13 και HOXA13 προκαλούν συνπολυδακτυλία και γενετικό σύνδρομο χεριού-ποδός, αντίστοιχα.

Έλικας-βρόχος-έλικας

Δύο α έλικες (μία κοντή και μία μακρυά) συνδέονται με ένα εύκαμπτο βρόχο (loop). Ο βρόχος επιτρέπει στις δύο έλικες να διπλώσουν και να αλληλεπιδράσουν μεταξύ τους. Οι έλικες μπορούν να προσδεθούν στο DNA ή σε άλλες δομές έλικα-βρόχος-έλικα.

Οι μεταλλαγές στο γονίδιο ΣΤΡΟΦΗΣ (TWIST) προκαλούν το σύνδρομο Saethre-Chotzen (acrocephalosyndactyly τύπος III)

Δακτύλιος ψευδάργυρου

Τα μόρια ψευδάργυρου χρησιμοποιούνται για να σταθεροποιήσουν τις δομές αμινοξέων (π.χ. α έλικες, β φύλλα), με τη πρόσδεση της α έλικας στη μεγάλη εσοχή του DNA.

BRCA1 (γονίδιο καρκίνου του μαστού) WT1 (γονίδιο όγκων Wilms) GL13 (γονίδιο συνδρόμου Greig) γονίδιο υποδοχέων βιταμίνης D (μεταλλαγές προκαλούν ραχήτιδα (rickets))

Φερμουάρ λευκίνης

Δύο α έλικες πλούσιες σε λευκίνη προσαρτώνται μεταξύ τους από τις

RB1 (γονίδιο retinoblastoma) JUN και FOS oncogenes

12

πλευρικές αλυσίδες αμινοξέων. Οι α έλικες διαμορφώνουν μια δομή σχήματος Υ οι πλευρικές αλυσίδες της οποίας προσδένονται στη μεγάλη εσοχή του DNA.

β φύλλα (πτυχώσεις)

Οι πλευρικές αλυσίδες επεκτείνονται από τη δίκλωνη β πτύχωση σχηματίζοντας επαφές με την έλικα DNA.

Οικογένεια γονιδίων TBX: TBX5 (σύνδρομο Holt-Oram) TBX3 (ulnar-μαστικό σύνδρομο)

Εικόνα 2.10. Το μοτίβο έλικα-βρόχος-ελίκα προσδένεται σφικτά σε ειδική αλληλουχία DNA. Ένας ενδιαφέρων τύπος μοτίβου πρόσδεσης στο DNΑ περιλαμβάνεται στην κατηγορία πρωτεϊνών της ομάδας υψηλής-κινητικότητας (HMG). Αυτές οι πρωτεϊνες είναι σε θέση να κάμψουν το DNA και μπορούν να διευκολύνουν τις αλληλεπιδράσεις μεταξύ των μακριά τοποθετημένων ενισχυτών με τους κατάλληλους βασικούς μεταγραφικούς παραγόντες και υποκινητές (βλ. Εικόνα 2-9). Οι παράγοντες μεταγραφής περιέχουν μοτίβα πρόσδεσης στο DNA που τους επιτρέπουν να αλληλεπιδρούν με ειδικές αλληλουχίες DNA. Σε μερικές περιπτώσεις, μπορούν να κάμψουν το DNA έτσι ώστε οι απόμακρες ακολουθίες ενισχυτών να αλληλεπιδράσουν με τα γονίδια στόχους. Η γονιδιακή δραστηριότητα μπορεί επίσης να σχετίζεται με τα σχέδια κουλουριάσματος ή συμπύκνωσης της χρωματίνης (ο όρος χρωματίνη αναφέρεται στο συνδυασμό του DNA και των ιστονών, βασικών πρωτεϊνών γύρω από τις οποίες τυλίγεται το DNA). Οι αποσυμπυκνωμένες, ή "ανοικτές," περιοχές της χρωματίνης, ονομάζονται ευχρωματίνη, και χαρακτηρίζονται από την ακετυλίωση των ιστονών, που προέρχεται από τη σύνδεση ακετυλομάδων σε θέσεις λυσίνης των ιστονών. Η ακετυλίωση των ιστονών μειώνει την πρόσδεσή τους στο DNA, που βοηθά την αποσυμπύκνωση της χρωματίνης ώστε να είναι πιό προσιτή στους παράγοντες μεταγραφής. Η ευχρωματίνη είναι συνεπώς μεταγραφικά ενεργός. Αντίθετα η ετεροχρωματίνη, είναι συνήθως λιγότερο ακετυλιωμένη, περισσότερο συμπυκνωμένη και μεταγραφικά ανενεργός. Η ετεροχρωματίνη, που είναι έντονα συμπυκνωμένη και υπο-ακετυλιωμένη, τείνει να είναι μεταγραφικά ανενεργός, ενώ η ευχρωματίνη, που είναι λιγότερο συμπυκνωμένη και περισσότερο ακετυλιωμένη, τείνει να είναι μεταγραφικά ενεργός.

13

ΜΑΤΙΣΜΑ ΓΟΝΙΔΙΩΝ Το πρωτογενές μεταγραφικό προϊόν RNA είναι επακριβώς συμπληρωματικό με την ακολουθία βάσεων του καλουπιού DNA από το οποίο προέρχεται. Στους ευκαρυωτικούς οργανισμούς, πριν το RNA μετακινηθεί από το πυρήνα στο κυτταρόπλασμα υπόκειται σε κατεργασία από πυρηνικά ένζυμα τα οποία του αποσπούν τμήματα, και τα τμήματα που απομένουν συνδέονται μεταξύ τους σχηματίζοντας λειτουργικό (ώριμο) mRNA που θα μεταναστεύσει στο κυτταρόπλασμα.

Εικόνα 2.11. Μάτισμα γονιδίων. Τα ενδόνια αφαιρούνται ακριβώς από το αρχικό αντίγραφο mRNA παράγωντας ώριμο αντίγραφο mRNA. Οι συναινετικές ακολουθίες χαρακτηρίζουν τα σημεία όπου συμβαίνει το μάτισμα. Οι ακολουθίες που αποκόπτονται ονομάζονται ενδόνια, και οι αλληλουχίες που απομένουν για να κωδικοποιήσουν πρωτεϊνες ονομάζονται εξόνια (Εικόνα 2-11). Μόνο αφού ολοκληρωθεί το μάτισμα το ώριμο πλέον μύνημα μετακινείται από τον πυρήνα στο κυτταρόπλασμα. Μερικά γονίδια περιέχουν εναλλακτικές περιοχές ματίσματος/συρραφής, οι οποίες επιτρέπουν στο ίδιο αρχικό αντίγραφο να ακολουθήσει διαφορετικούς τρόπους ματίσματος, και να παραχθούν με τον τρόπο αυτό διαφορετικά πρωτεϊνικά προϊόντα από το ίδιο γονίδιο. Τα σφάλματα ματίσματος, όπως τα σφάλματα διπλασιασμού, είναι μία ακόμα μορφή μεταλλαγής που μπορεί να οδηγήσει στη γενετική ασθένεια. Τα ενδόνια ματίζονται και απομακρύνονται από το αρχικό προϊόν μεταγραφής πριν από τη μετακίνηση του ώριμου mRNA εκτός πυρήνος. Τα εξόνια περιέχουν το mRNA που κωδικοποιεί τις πρωτεϊ'νες. Ο ΓΕΝΕΤΙΚΟΣ ΚΩΔΙΚΑΣ

14

Οι πρωτεϊνες αποτελούνται από ένα ή περισσότερα πολυπεπτίδια, τα οποία αποτελούνται με τη σειρά τους από ακολουθίες αμινοξέων. Το σώμα περιέχει 20 διαφορετικούς τύπους αμινοξέων, και οι αμινοξικές αλληλουχίες που αποτελούν τα πολυπεπτίδια πρέπει με κάποιο τρόπο να υποδειχθούν από το DNA μετά από τη μεταγραφή του σε mRNA. Επειδή υπάρχουν 20 διαφορετικά αμινοξέα και μόνο 4 διαφορετικές βάσεις RNA, μία μόνο βάση δεν θα μπορούσε να κωδικοποιεί κάποιο αμινοξύ. Ομοίως, τα αμινοξέα δεν θα μπορούσαν να καθοριστούν από ζεύγη βάσεων (π.χ., αδενίνη που ακολουθείται από γουανίνη, ή ουρακίλη που ακολουθείται από αδενίνη) επειδή μόνο 16 (4Χ4) διαφορετικά ζεύγη είναι δυνατά. Εάν τριπλέτες βάσεων μεταφράζονται σε αμινοξέα, εντούτοις, προκύπτουν 64 (4Χ4Χ4) δυνατοί συνδυασμοί μπορούν να είναι επιτευχθούν-περισσότεροι από αρκετοί για να καθορίσουν το κάθε αμινοξύ. Η αποφασιστική απόδειξη ότι τα αμινοξέα καθορίζονται από τριπλέτες βάσεων, ή κωδικούς, έγινε με τη κατασκευή συνθετικών νουκλεοτιδικών αλληλουχιών προκειμένου να κατευθύνουν το σχηματισμό πολυπεπτιδίων στο εργαστήριο μέσω πρωτεϊνοσύνθεσης. Η αντιστοίχιση μεταξύ συγκεκριμένων κωδικών και αμινοξέων, γνωστή ως γενετικός κώδικας, παρουσιάζεται στον Πίνακα 2-2. Πίνακας 2-2. Ο Γενετικός Κώδικας *

Πρώτη θέση (5' άκρο) ↓ Δεύτερη θέση       Τρίτη θέση (3' άκρο) ↓  U C A G  U Phe Ser Tyr Cys UU Phe Ser Tyr Cys CU Leu Ser STOP STOP AU Leu Ser STOP Trp GC Leu Pro His Arg UC Leu Pro His Arg CC Leu Pro Gln Arg AC Leu Pro Gln Arg GA Ile Thr Asn Ser UA Ile Thr Asn Ser CA Ile Thr Lys Arg AA Met Thr Lys Arg GG Val Ala Asp Gly UG Val Ala Asp Gly CG Val Ala Glu Gly AG Val Ala Glu Gly G

*Παραδείγματα: UUG μεταφράζεται σε λευκίνη; UAA είναι κωδικός λήξης; GGG μεταφράζεται σε γλυκίνη. Υπό ειδικές συνθήκες ο κωδικός λήξης UGA μπορεί να προσδιορίσει selenocysteine, που συχνά αναφέρεται ως το 21ο αμινοξύ.Ala, Alanine; Arg, arginine; Asn, asparagine; Asp, aspartic acid; Cys, cysteine; Gln, glutamine; Glu, glutamic acid; Gly, glycine; His, histidine; Ile, isoleucine; Leu, leucine; Lys, lysine; Met, methionine; Phe, phenylalanine; Pro, proline; Ser, serine; Thr, threonine; Trp, tryptophan; Tyr, tyrosine; Val, valine.

ΜΕΤΑΦΡΑΣΗ

15

Εικόνα 2.12 Η διδιάστατη δομή τριφυλιού μορίου tRNA. Σημειώστε η περιοχή 3΄ σύνδεσης αμινοξέος. Ο αντικωδικός ζευγαρώνει με συμπληρωματικό κωδικό στο mRNA. Η μετάφραση είναι η διαδικασία στην οποία το mRNA αποτελεί το καλούπι για τη σύνθεση ενός πολυπεπτιδίου. Το mRNA δεν μπορεί, εν τούτοις, να δεσμεύσει άμεσα αμινοξέα. Αντ' αυτού, αλληλεπιδρά με τα μόρια του μεταφορικού RNA (tRNA), που έχουν σχήμα τριφυλιού και αποτελούνται από 80 περίπου νουκλεοτίδια. Όπως φαίνεται στην Εικόνα 2-12, κάθε μόριο tRNA έχει μια θέση στο 3΄ για τη σύνδεση ειδικού αμινοξέος με ομοιοπολικό δεσμό. Στο απέναντι άκρο του τριφυλιού είναι μια αλληλουχία τριών νουκλεοτιδίων που ονομάζεται αντικωδικός. Το μόριο tRNA προσλαμβάνει το αμινοξύ που αντιστοιχεί στην αλληλουχία του αντικωδικού. Το αντικωδικό ενώνεται ακολούθως στο συμπληρωματικό του κωδικό στο mRNA, και το αμινοξύ μεταφέρεται στη νεοσυντιθέμενη πολυπεπτιδική αλυσίδα. Ενεργώντας μέσω του tRNA, το mRNA προδιορίζει την ακολουθία των αμινοξέων στη πρωτεϊνη. Η πρωτεϊνοσύνθεση είναι κυτταροπλασματική διεργασία, που απαιτεί ριβόσωμα, στο οποίο συμμετέχουν περίπου ισότιμα ενζυμικές πρωτεϊνες και ριβοσωμικό RNA (rRNA). Η λειτουργία του rRNA είναι να βοηθά τη δέσμευση mRNA και tRNA στο ριβόσωμα. Κατά τη διάρκεια της μετάφρασης, που απεικονίζει η Εικόνα 2-13 , το ριβόσωμα δεσμεύεται αρχικά σε μια περιοχή έναρξης στην ακολουθία mRNA. Αυτή η περιοχή αποτελείται από συγκεκριμένο κωδικό έναρξης, AUG, το οποίο κωδικοποιεί το αμινοξύ

16

μεθιονίνη (αυτό το αμινοξύ αφαιρείται συνήθως από το πολυπεπτίδιο πριν από την ολοκλήρωση της πολυπεπτιδικής σύνθεσης). Το ριβόσωμα δεσμεύει έπειτα το tRNA στην επιφάνειά του έτσι ώστε να είναι εφικτή η ένωση βάσεων μεταξύ tRNA και mRNA. Το ριβόσωμα κινείται κατά μήκος της αλληλουχίας

Εικόνα 2.13. Μετάφραση mRNA σε αμινοξέα. Το ριβόσωμα κινείται κατά μήκος της αλυσίδας mRNA σε κατεύθυνση από 5΄ προς 3΄, συναρμολογώντας μια αυξανόμενη πολυπεπτιδική αλυσίδα. Στο παράδειγμα η αλληλουχία mRNA GUG AGC AAG GGU UCA έχει συναρμολογήσει πέντε αμινοξέα (Val, Ser, Lys, Gly, και Ser) σε ένα πολυπεπτίδιο.mRNA, από κωδικό σε κωδικό, στη συνηθισμένη κατεύθυνση από 5΄ προς 3΄. Με την διαδικασία αυτή κάθε κωδικός μεταφράζει ένα αμινοξύ από την αλληλεπίδραση mRNA και tRNA.

17

Σε αυτήν την διαδικασία, το ριβόσωμα παρέχει ένα ένζυμο που καταλύει το σχηματισμό των ομοιοπολικών πεπτιδικών δεσμών μεταξύ των παρακείμενων αμινοξέων, με συνέπεια την αύξηση του πολυπεπτιδίου. Όταν το ριβόσωμα φθάνει σε κωδικό λήξης στην αλληλουχία mRNA, η μετάφραση και ο σχηματισμός πολυπεπτιδίου παύουν. Το αμινικό (NH2) άκρο του πολυπεπτιδίου αντιστοιχεί στο 5΄ άκρο της αλυσίδας mRNA, και το καρβοξυλικό άκρο (COOH) αντιστοιχεί στο 3’. Αφ’ ότου ολοκληρωθεί η σύνθεση, mRNA, ριβόσωμα, και πολυπεπτίδιο αποχωρίζονται μεταξύ τους. Το πολυπεπτίδιο απελευθερώνεται ακολούθως στο κυτταρόπλασμα. Στη μετάφραση, η αλληλουχία mRNA χρησιμεύει ως καλούπι για τον προσδιορισμό της αμινοξικής αλληλουχίας. Οι αλληλουχίες αυτές, σχηματίζουν πολυπεπτίδια, που συναρμολογούνται από ριβοσώματα. Τα μόρια tRNA και rRNA αλληλεπιδρούν με mRNA στη διαδικασία μετάφρασης. Πριν το νεοσυντεθειμένο πολυπεπτίδο απελευθερωθεί ως λειτουργική πρωτεϊνη, υποβάλλεται συχνά σε περαιτέρω επεξεργασία, την μετά-μεταφραστική τροποποίηση. Αυτές οι τροποποιήσεις μπορούν να λάβουν ποικίλες μορφές, συμπεριλαμβανομένης της διάσπασης σε μικρότερες πολυπεπτιδικές μονάδες ή του συνδυασμού με άλλα πολυπεπτίδια στο σχηματισμό μεγαλύτερης πρωτεϊνης. Αλλες πιθανές τροποποιήσεις περιλαμβάνουν την προσθήκη πλευρικών αλυσίδων υδατανθράκων στο πολυπεπτίδιο. Τέτοιες τροποποιήσεις μπορούν να απαιτηθούν, παραδείγματος χάριν, για να προσδώσουν κατάλληλη διαμόρφωση στην ώριμη πρωτεϊνη ή για να σταθεροποιήσουν τη δομή της. Ένα παράδειγμα μιας κλινικά σημαντικής πρωτεϊνης που φέρει σημαντικές μετά-μεταφραστικές τροποποιήσεις είναι το κολλαγόνο τύπου Ι (Κλινικά σχόλια 2-1). Η μετά-μεταφραστική τροποποίηση αποτελείται από διάφορες χημικές αλλαγές που συμβαίνουν στις πρωτεϊ'νες αμέσως μόλις μεταφραστούν. Η ΔΟΜΗ ΤΩΝ ΓΟΝΙΔΙΩΝ ΚΑΙ ΤΟΥ ΓΟΝΙΔΙΩΜΑΤΟΣ Μερικές πτυχές της δομής γονιδίων, όπως η ύπαρξη ενδονίων και εξονίων, έχουν ήδη αναφερθεί. Οι αλλαγές των διαφορετικών μερών των γονιδίων μπορούν να έχουν σημαντικές συνέπειες στη γενετική ασθένεια. Είναι

Εικόνα 2.14 Λεπτομέρειες της δομής γονιδίων. Παρουσιάζονται οι αλληλουχίες υποκινητή και της άνωθεν ρυθμιστικής περιοχής (ενισχυτή) και η θέση προσθήκης ουράς poly-A .επομένως απαραίτητο να περιγραφεί λεπτομερέστερα η δομή του γονιδίου. Ένα σχηματικό διάγραμμα της δομής γονιδίων δίνει η Εικόνα 2-14. ΚΛΙΝΙΚΑ ΣΧΟΛΙΑ 2,1 Ατελής οστεογένεση (Osteogenesis Imperfectα), μία κληρονομική διαταραχή του κολλαγόνου Όπως υπονοεί το όνομα, η ατελής οστεογένεση είναι ασθένεια που προκαλείται από ατέλειες στο σχηματισμό οστού. Αυτή η διαταραχή, γνωστή και ως " ασθένεια εύθραυστου οστού", πλήττει το 1 στα 10.000 περίπου άτομα όλων των εθνικών ομάδων. www

18

Εικόνα 2.15 Α, θνησιγενές νήπιο Α με ατελή οστεογένεση τύπου ΙΙ (περιγενετική θνησιγόνος μορφή). Το νήπιο είχε μεταλλαγή προκολλαγόνου τύπου Ι και βραχέα, ελαφρώς διεστραμμένα άκρα. Β, ακτινογραφία νηπίου με ατελή οστεογένεση τύπου ΙΙ. Σημειώστε τα κατάγματα των πλευρών, που μοιάζουν με "χάντρες" στα πλευρά. Σχεδόν όλες οι περιπτώσεις ατελούς οστεογένεσης προκαλούνται από διαταραχές στο κολλαγόνο τύπου Ι, ένα κύριο συστατικό της δομικής σταθερότητας του οστού. Η λειτουργία του κολλαγόνου στο οστό είναι ανάλογη με αυτή των φύλλων χάλυβα που ενσωματώνονται στο ενισχυμένο σκυρόδεμα. Αυτό είναι μία ιδιαίτερα επιτυχημένη αναλογία επειδή η εκτατή δύναμη των ινωδών κατασκευών κολλαγόνων είναι κατά

19

προσέγγιση ισοδύναμη με αυτή των χαλύβδινων ράβδων. Πίνακας 2.3 Υποκατηγορίες ατελούς οστεογένεσης Τύπος Χαρακτηριστικά γνωρίσματα ασθενειών Ι Ηπια οστική θραυστότητα, μπλε σκληρίδια (sclerae), απώλεια ακοής σε 50% των

ασθενών, κανονικό ανάστημα, λίγες οστικές παραμορφώσεις ΙΙ Βαρύτερη μορφή, με ακραία οστική θραυστότητα, παραμορφώσεις στα μακριά οστά,

συμπιεσμένοι μηροί, θνησιγενής κατά τη περιγενετική περίοδο (υψηλή συχνότητα θανάτων λόγω αναπνευστικής ανεπάρκειας)

ΙΙΙ Βαρειάς μορφής οστική θραυστότητα, πολύ βραχύ ανάστημα, μεταβλητά μπλε σκληρίδια, προοδευτικές παραμορφώσεις οστών, συχνή ατελής οδοντογένεση

IV Βραχύ ανάστημα, κανονικά σκληρίδια, ήπιες έως μέτριες οστικές παραμορφώσεις, απώλεια ακοής σε μερικούς ασθενείς, συχνή ατελής οδοντογένεση, κυμαινόμενη οστική θραυστότητα

Όταν το κολλαγόνο τύπου Ι διαμορφώνεται εσφαλμένα, το οστό χάνει ένα μεγάλο μέρος της δύναμής του και σπάζει εύκολα (Εικόνα 2-15). Οι ασθενείς με ατελή οστεογένεση μπορούν να φέρουν από εκατοντάδες έως μερικές μόνο οστικές θραύσεις, γεγονός που καθιστά την ασθένεια ιδιαίτερα μεταβλητή στην έκφρασή της (οι λόγοι αυτής της μεταβλητότητας συζητούνται στο Κεφάλαιο 4). Εκτός από τα κατάγματα οστών, οι ασθενείς μπορεί να έχουν βραχύ ανάστημα, απώλεια ακοής, ανώμαλη ανάπτυξη δοντιών (imperfecta dentinogenesis), γαλαζωπά σκληρίδια (sclerae), και διάφορες οστικές παραμορφώσεις. Η ατελής οστεογένεση κατατάσσεται σε 4 κυρίως τύπους, Πίνακας 2-3. Δεν υπάρχει θεραπεία για αυτήν την ασθένεια, και ο κύριος τρόπος αντιμετώπισής της είναι η επιδιόρθωση των καταγμάτων και σε μερικές περιπτώσεις, με εξωτερική ή εσωτερική υποστήριξη των οστών (π.χ., χειρουργικά εμφυτευμένες ράβδοι). Νέες, όμως μη αποδεδειγμένες προσεγγίσεις περιλαμβάνουν χρήση διφωσφωνικών (bisphosphonates) με σκοπό τη μείωση της οστικής απορρόφησης και ανθρώπινη αυξητική ορμόνη για τη διευκόλυνση της αύξησης. Η φυσική αποκατάσταση διαδραματίζει επίσης έναν σημαντικό ρόλο στη κλινική διαχείριση. Το κολλαγόνο τύπου Ι είναι μία τριμερής πρωτεϊνη (αποτελείται δηλ. από τρεις υπομονάδες) και έχει δομή τριπλής έλικας (Εικόνα 2-16). Σχηματίζεται από μία πρόδρομη πρωτεϊνη, το προκολλαγόνο τύπου 1. Δύο από τις τρεις υπομονάδες προκολλαγόνου τύπου 1, επονομαζόμενες αλυσίδες προα1(Ι), κωδικοποιούνται από ένα γονίδιο στο χρωμόσωμα 17 μήκους 18.000 ζευγών βάσεων, ζβ (ή 18 KB) περίπου. Η τρίτη υπομονάδα, η αλυσίδα προα2(Ι), κωδικοποιείται από ένα γονίδιο μήκους 38-KB στο χρωμόσωμα 7. Κάθε ένα από αυτά τα γονίδια περιέχει περισσότερα από 50 εξόνια. Μετά από τη μεταγραφή και το μάτισμα, το ώριμο mRNA που σχηματίζεται από κάθε γονίδιο είναι μόνο 5 έως 7 KB στο μήκος. Τα ώριμα mRNAs προχωρούν στο κυτταρόπλασμα, όπου μεταφράζονται στις πολυπεπτιδικές αλυσίδες από τα ριβοσώματα του κυττάρου. Σε αυτό το σημείο, οι πολυπεπτιδικές αλυσίδες υποβάλλονται σε μία σειρά μετά-μεταφραστικών τροποποιήσεων. Υδροξυλιώνονται πολλά μόρια προλίνης και λυσίνης σε υδροξυπρολίνη και υδροξυλισίνη. Τα τρία πολυπεπτίδια, δύο αλυσίδες προα1(I) και μια αλυσίδα προα2(Ι), αρχίζουν να συνδέονται μεταξύ τους στα καρβοξυλικά (-COOH) τους άκρα. Αυτή η ένωση σταθεροποιείται από τους δεσμούς σουλφιδίου που σχηματίζονται μεταξύ των αλυσίδων κοντά στα -COOH άκρα. Ακολουθεί ο σχηματισμός τριπλής έλικας, που κλείνει σαν φερμουάρ, αρχίζοντας από το -COOH και προχωρώντας προς το -NH2 άκρο. Μερικές υδροξυλυσίνες γλυκοσυλιώνονται (δηλ., προσλαμβάνουν σάκχαρα), τροποποίηση που συμβαίνει συνήθως στο αδρό ενδοπλασματικό δίκτυο (endoplasmic reticulum) (βλ. Εικόνα 2-1).

20

Εικόνα 2.16 Η διαδικασία σχηματισμού ινιδίου κολλαγόνων. Μετά το σχηματισμό προ-α-πολυπεπτιδικής αλυσίδας, ακοπουθεί σειρά μετά-μεταφραστικών τροποποιήσεων, συμπεριλαμβανομένης υδροξυλίωσης και γλυκοζυλίωσης. Οι τρεις πολυπεπτιδικές αλυσίδες συναρμολογούνται σε μία τριπλή έλικα, που εκκρίνεται εκτός κυττάρου. Τμήματα από κάθε άκρο του μορίου του προκολλαγόνου διασπώνται, σχηματίζοντας το ώριμο μόριο κολλαγόνου. Αυτά τα μόρια συναρμολογούνται ακολούθως σε ινίδια κολλαγόνου.

Οι υδροξυλομάδες στις υδροξυπρολίνες βοηθούν στη σύνδεση των τριών αλυσίδων μεταξύ τους σχηματίζοντας δεσμούς υδρογόνου, που σταθεροποιούν την τριπλή έλικα. Κρίσιμο για το σωστό δίπλωμα της έλικας είναι η παρουσία μιας γλυκίνης σε κάθε τρίτη θέση κάθε πολυπεπτιδίου. Αυτό συμβαίνει επειδή κάθε τρίτο αμινοξύ πρέπει να εφαρμόσει στο κέντρο του έλικα, και μόνο η γλυκίνη είναι αρκετά μικρή για να το πετύχει Μόλις διπλώσει η πρωτεϊνη σε τριπλή έλικα, κινείται από το ενδοπλασματικό δίκτυο στο σύστημα Golgi (βλ. Εικόνα 2-1) και εκκρίνεται από το κύτταρο. Πραγματοποιείται μία ακόμα τροποποίηση: το προκολλαγόνο διασπάται από πρωτεάσες στα NH2 και COOH άκρα της τριπλής έλικας και αποσπώνται μερικά αμινοξέα από κάθε άκρο. Αυτά τα αμινοξέα εκτελούσαν ουσιαστικές λειτουργίες σε προηγούμενα στάδια ωρίμανσης της πρωτεϊνης (π.χ. συνέβαλλαν στη διαμόρφωση της τριπλής δομής της έλικας, και στη διέλευση της πρωτεϊνης μέσω του ενδοπλασματικού δικτύου) αλλά δεν απαιτούνται πλέον. Αυτή η διάσπαση οδηγεί στο σχηματισμό ώριμης πρωτεϊνης, το κολλαγόνο

21

τύπου Ι. Το κολλαγόνο συναρμολογείται σε ινίδια, που αντιδρούν με τα παρακείμενα μόρια έξω από το κύτταρο για να διαμορφώσουν τις ομοιοπολικές διασυνδέσεις που προσδίδουν την εκτατή δύναμη στα ινίδια.

Η πορεία από την ακολουθία DNA στην ώριμη πρωτεϊνη κολλαγόνων περιλαμβάνει πολλά βήματα. Η πολυπλοκότητα αυτής της πορείας παρέχει πολλές ευκαιρίες για τα λάθη (στο διπλασιασμό, τη μεταγραφή, τη μετάφραση, ή την μετα-μεταφραστική τροποποίηση) που μπορούν να προκαλέσουν ασθένεια. Μια κοινή μεταλλαγή παράγει μια αντικατάσταση της γλυκίνης με ένα άλλο αμινοξύ. Επειδή μόνο η γλυκίνη είναι αρκετά μικρή να προσαρμοστεί στο κέντρο της δομής τριπλής έλικας, η αντικατάσταση ενός διαφορετικού αμινοξέος προκαλεί την αστάθεια της δομής και το κακοσχηματισμό των ινιδίων. Αυτός ο τύπος μεταλλαγής φαίνεται στις περισσότερες περιπτώσεις ατελούς οστεογένεσης τύπου ΙΙ. Αλλες μεταλλαγές μπορούν να προκαλέσουν την υπερβολική μετα-μεταφραστική τροποποίηση των πολυπεπτιδικών αλυσίδων, παράγοντας πάλι ανώμαλα ινίδια. Αλλα παραδείγματα μεταλλαγών που προκαλούν ασθένεια παρέχονται στη προτεινόμενη βιβλιογραφία στο τέλος αυτού του κεφαλαίου. ΕΝΔΟΝΙΑ ΚΑΙ ΕΞΟΝΙΑ Η δομή ενδονίων-εξονίων των ευκαρυωτικών γονιδίων, που αναγνωρίστηκε το 1977, διαφοροποιεί τα ευκαρυωτικά από τα προκαρυωτικά συστήματα. Τα ενδόνια διαμορφώνουν το κυριότερο μέρος των περισσότερων ευκαρυωτικών γονιδίων. Όπως προαναφέρθηκε, τα ενδόνια αποσπώνται από το mRNA πριν αφήσει τον πυρήνα. Αυτό το μάτισμα πρέπει να βρίσκεται κάτω από πολύ αυστηρό έλεγχο, αλλοιώς θα δημιουργείτο ένα τεράστιο ποσό αλλαγών στις αλληλουχίες αμινοξέων που παράγονται από mRNA, που δεν θα μπορούσε να ανεχθεί το κύτταρο. Τα ένζυμα που πραγματοποιούν το μάτισμα κατευθύνονται στις κατάλληλες θέσεις από τις παρακείμενες ακολουθίες DNA γνωστές ως ακολουθίες συναίνεσης (που ονομάζονται έτσι επειδή είναι κοινές σε όλους τους ευκαρυωτικούς οργανισμούς), οι οποίοι είναι τοποθετημένοι δίπλα σε κάθε εξόνιο. Επειδή τα περισσότερα ευκαρυωτικά γονίδια αποτελούνται πρώτιστα από ενδόνια, είναι φυσικό να ρωτηθεί εάν τα ενδόνια έχουν κάποια λειτουργία. Αυτό είναι κατά ένα μεγάλο μέρος άγνωστο αυτή τη στιγμή. Μια ενδιαφέρουσα υπόθεση είναι ότι τα ενδόνια, επιμηκύνοντας τα γονίδια, διευκολύνουν το ανακάτεμα των γονιδίων όταν τα ομόλογα χρωμοσώματα ανταλλάσσουν το υλικό τους κατά τη διάρκεια της μείωσης (βλ. ακολούθως). Επίσης έχει προταθεί ότι τα ενδόνια εξελίχθηκαν για να τροποποιήσουν το χρονικό διάστημα που απαιτείται για το διπλασιασμό και τη μεταγραφή του DNA. Η δομή ενδονίων-εξονίων είναι ένα κύριο χαρακτηριστικό των περισσότερων ευκαρυωτικών γονιδίων, άγνωστης λειτουργίας.

Mερικά τουλάχιστον ενδόνια περιέχουν μεταγραφόμενα γονίδια που είναι προφανώς ανεξάρτητα από το γονίδιο στο οποίο περιέχονται τα ενδόνια. Παραδείγματος χάριν, ενδόνια του γονιδίου της νευροϊνωμάτωσης τύπου 1 (NF1) του ανθρώπου περιέχουν τρία γονίδια που μεταγράφονται σε αντίθετη κατεύθυνση από αυτή του γονιδίου NF1. Αυτά τα γονίδια φαίνεται να μην έχουν καμία λειτουργική σχέση με το γονίδιο NF1. Ανάλογα ένθετα γονιδίων έχουν βρεθεί μέσα στο γονίδιο του παράγοντα VIII στο χρωμόσωμα Χ του ανθρώπου. ΤΥΠΟΙ DNA Ενώ η μεγαλύτερη έμφαση στη γενετική δίνεται στο DNA που κωδικοποιεί τις πρωτεϊνες, είναι σημαντικό να σημειωθεί ότι λιγότερο από το 5% των 3 δισεκατομμυρίων νουκλεοτιδικών ζευγαριών στο ανθρώπινο γονιδίωμα εκτελούν πραγματικά αυτό το ρόλο. Το μεγαλύτερο μέρος του γενετικού μας υλικού δεν έχει καμία γνωστή λειτουργία. Για να καταλάβουμε καλύτερα τη φύση όλων των τύπων DNA, θα αναθεωρήσουμε εν συντομία τις διάφορες κατηγορίες στις οποίες είναι

22

ταξινομημένο. (Εικόνα 2-17).

Εικόνα 2.17 Οι μοναδικές αλληλουχίες DNA βρίσκονται διασκορπισμένες σε όλο το γονιδίωμα. Οι δορυφορικές ακολουθίες DNA είναι επαναλαμβανόμενα στοιχεία που εμφανίζονται μαζί σε ομάδες. Οι διασκορπισμένες επαναλήψεις είναι παρόμοιες μεταξύ τους αλλά δεν συγκεντρώνονται μαζί σε ομάδες. Η πρώτη και σημαντικότερη κατηγορία DNA ονομάζεται μοναδικό DNA ή DNA μονού ή μοναδικού αντιγράφου. Όπως το όνομα υπονοεί, οι ακολουθίες μοναδικού DNA απαντούν μία ή μερικές μόνο φορές στο γονιδίωμα. Το DNA μονού αντιγράφου αποτελεί το 45% περίπου του γονιδιώματος και περιλαμβάνει τα γονίδια που κωδικοποιούν πρωτεϊνες. Εν τούτοις, το DNA που κωδικοποιεί πρωτεϊνες αντιπροσωπεύει μικρό μόνο μέρος του μοναδικού DNA, το μεγαλύτερο μέρος του οποίου βρίσκεται στα ενδόνια ή στις ακολουθίες DNA που βρίσκονται μεταξύ των γονιδίων. Το υπόλοιπο 55% του γονιδιώματος αποτελείται από επαναλαμβανόμενο DNA, από ακολουθίες δηλαδή που επαναλαμβάνονται πολλές συχνά χιλιάδες φορές στο γονιδίωμα. Υπάρχουν δύο σημαντικές κατηγορίες επαναλαμβανόμενου DNA, το διασκορπισμένο επαναλαμβανόμενο DNA και το δορυφορικό DNA. Οι δορυφορικές επαναλήψεις είναι συγκεντρωμένες μαζί σε ορισμένες χρωμοσωμικές θέσεις, όπου εμφανίζονται σε διαδοχική ακολουθία (η αρχή δηλ. της μιάς επανάληψης ακολουθεί αμέσως μετά το τέλος της άλλης). Οι διασκορπισμένες επαναλήψεις, όπως υπονοεί και το όνομα, τείνουν να βρίσκονται διασκορπισμένες μεμονωμένα σε όλο το γονιδίωμα και δεν εμφανίζονται σε διαδοχικές ακολουθίες. Ο όρος "δορυφόρος" προέρχεται από το γεγονός ότι λόγω της σύστασής τους οι ακολουθίες αυτές, μπορούν εύκολα να διαχωριστούν με φυγοκέντρηση σε κλίση πυκνότητας χλωριούχου καισίου. Το DNA εμφανίζεται ως "δορυφόρος," και ξεχωρίζει από το υπόλοιπο DNA στην κλίση. Αυτός ο όρος δεν πρέπει να συγχέεται με τους "δορυφόρους" που παρατηρούνται σε ορισμένα χρωμοσώματα στο μικροσκόπιο (βλ. Κεφάλαιο 6). Το δορυφορικό DNA περιλαμβάνει περίπου το 10% του γονιδιώματος και μπορεί να υποδιαιρεθεί περαιτέρω σε διάφορες κατηγορίες. Tο α - δορυφορικό DNA εμφανίζεται σε διαδοχικές επαναλήψεις μιας ακολουθίας μήκους 171ζβ που μπορεί να επεκταθεί σε αρκετά εκατομμύρια ζβ ή και περισσότερο. Αυτός ο

23

τύπος του δορυφορικού DNA βρίσκεται κοντά στα κεντρομερίδια των χρωμοσωμάτων. Οι μινιδορυφόροι είναι ομάδες διαδοχικών επαναλήψεων μήκους από 14 έως 500ζβ έκαστη με πολύ μικρότερο συνολικό μήκος κάθε σειράς, συνήθως μερικές χιλιάδες ζευγάρια βάσεων (ζβ). Μία τελευταία κατηγορία, οι μικροδορυφόροι, είναι ακόμα μικρότερη: οι μονάδες επανάληψης έχουν μήκος από 1 έως 13ζβ, και το συνολικό μήκος της σειράς είναι συνήθως μικρότερο από μερικές εκατοντάδες ζευγάρια βάσεων. Οι μινι- και μικρο-δορυφόροι είναι ιδιαίτερου ενδιαφέροντος για την γενετική του ανθρώπου επειδή ποικίλλουν στο μήκος μεταξύ των ατόμων, γεγονός που τους καθιστά ιδιαίτερα χρήσιμους για τη χαρτογράφηση γονιδίων (βλ. Κεφάλαιο 8). Ένας μινι- ή μικρο-δορυφόρος απαντά κάθε 2 KB περίπου στο ανθρώπινο γονιδίωμα, συνολικά δε οι αλληλουχίες αυτές αποτελούν το 3% περίπου του γονιδιώματος. Το διασκορπισμένο επαναλαμβανόμενο DNA αποτελεί το 45% περίπου του γονιδιώματος, και αυτές οι επαναλήψεις εμπίπτουν σε διάφορες κύριες κατηγορίες. Οι δύο πιό κοινές κατηγορίες είναι τα βραχέα διάσπαρτα στοιχεία (short interspersed elements, SINEs) και μακριά διάσπαρτα στοιχεία (long interspersed elements, LINEs). Μεμονωμένα SINEs ποικίλουν σε μέγεθος από 90 έως 500ζβ, ενώ μεμονωμένα LINEs μπορεί να είναι ως και 7.000ζβ μακριά. Ένας από τους σημαντικότερους τύπους των SINEs έχει μήκος 300ζβ περίπου διασπάται με το ένζυμο περιορισμού Alu και ονομάζεται «επανάληψη Alu» (βλ. Κεφάλαιο 3) για περαιτέρω συζήτηση). Οι επαναλήψεις Alu ανήκουν σε οικογένεια γονιδίων, που σημαίνει ότι όλες έχουν παρόμοιες ακολουθίες DNA. Περίπου 1 εκατομμύριο επαναλήψεις Alu είναι διασπαρμένες σε όλο το γονιδίωμα και αποτελούν το 10% περίπου του ανθρώπινου DNA. Μία αξιοπρόσεκτη ιδιότητα των επαναλήψεων Αλu, καθώς επίσης και κάποιων LINEs, είναι ότι μερικές από αυτές μπορούν να παράγουν αντίγραφο του εαυτού τους, που μπορεί να παρεμβληθεί στη συνέχεια σε άλλο μέρος του γονιδιώματος. Αυτή η εισαγωγή μπορεί μερικές φορές να διακόψει ένα γονίδιο που κωδικοποιεί πρωτεϊνη, προκαλώντας γενετική ασθένεια (τα παραδείγματα θα συζητηθούν στο Κεφάλαιο 4).

24

.

Εικόνα 2.18. Εναλλαγή των κύριων φάσεων του κυτταρικού κύκλου, της μεσόφασης και της μίτωσης (διαίρεσης). Υπάρχουν διάφορες κατηγορίες DNA, όπως το μοναδικό, το δορυφορικό και το διασκορπισμένο επαναλαμβανόμενο. Λιγότερο από το 5% του ανθρώπινου DNA κωδικοποιεί τις πρωτεϊνεςΟ ΚΥΤΤΑΡΙΚΟΣ ΚΥΚΛΟΣ Κατά την ανάπτυξη, κάθε άνθρωπος που προέρχεται από ένα μονοκύτταρο ζυγωτό (ένα κύτταρο ωαρίου γονιμοποιημένο με 1 κύτταρο σπέρματος) καταλήγει σε σύνθετο οργανισμό που περιέχει 100 τρισεκατομμύρια (1014) περίπου αυτοτελή κύτταρα. Επειδή λίγα μόνο κύτταρα επιζούν σε όλη τη διάρκεια της ζωής ενός ατόμου, νέα πρέπει να παραχθούν για να αντικαταστήσουν εκείνα που πεθαίνουν. Και οι δύο διαδικασίες-ανάπτυξη και αντικατάσταση-απαιτούν την κατασκευή νέων κυττάρων. Οι διαδικασίες κυτταροδιαίρεσης για τη δημιουργία νέων διπλοειδών κυττάρων από τα ήδη υπάρχοντα είναι η μίτωση (πυρηνική διαίρεση) και η κυτταροκίνηση (κυτταροπλασματική διαίρεση). Πριν διαιρεθεί, ένα κύτταρο πρέπει να αναπαραγάγει το περιεχόμενό του, συμπεριλαμβανομένου του DNA του, αυτό συμβαίνει κατά τη διάρκεια της μεσόφασης. Η εναλλαγή μίτωσης και μεσόφασης αναφέρεται ως κυτταρικός κύκλος. Όπως δείχνει και η Εικόνα 2.18, ένα τυπικό κύτταρο περνά το μεγαλύτερο μέρος της ζωής του στην μεσόφαση. Το μέρος αυτό του κυτταρικού κύκλου διαιρείται σε τρείς φάσεις, G1, S, και G2. Κατά τη διάρκεια G1 ("χάσμα, gap 1," το διάστημα μεταξύ μίτωσης και έναρξης διπλασιασμού DNA), λαμβάνει χώρα σύνθεση RNA και πρωτεϊνών. Ο διπλασιασμός DNA συντελείται κατά τη διάρκεια της φάσης S (σύνθεση, synthesis). Κατά τη διάρκεια G2 (το ενδιάμεσο διάστημα μεταξύ της φάσης S και της επόμενης μίτωσης), πραγματοποιείται κάποια επισκευή DNA, και το κύτταρο προετοιμάζεται για μίτωση. Μέχρι να φτάσει το κύτταρο στη φάση G2, έχει αποκτήσει δύο ίδια

25

αντίγραφα από κάθε ένα από τα 46 του χρωμοσώματα. Αυτά τα ίδια χρωμοσώματα αναφέρονται ως αδελφές χρωματίδες. Οι αδελφές χρωματίδες ανταλλάσσουν συχνά υλικό κατά τη διάρκεια ή μετά από τη φάσης S, μια διαδικασία γνωστή ως ανταλλαγή αδελφών χρωματίδων. Ο κυτταρικός κύκλος αποτελείται από την εναλλαγή της κυτταροδιαίρεσης (μίτωσης και κυτταροκίνησης) και της ενδιάμεσης φάσης ή μεσόφασης. Ο διπλασιασμός του DNA και η πρωτεϊνική σύνθεση πραγματοποιούνται κατά τη διάρκεια της ενδιάμεσης φάσης ή μεσόφασης. Το μήκος του κυτταρικού κύκλου ποικίλλει αρκετά από τον ένα τύπο κυττάρου στον άλλο. Σε ταχέως διαιρούμενα κύτταρα όπως του επιθηλιακού ιστού που επενδύει τα έντερα και τους πνεύμονες, ο κύκλος μπορεί να ολοκληρωθεί σε λιγότερο από 10 ώρες. Άλλα κύτταρα, όπως του ήπατος, διαιρούνται μία μόνο φορά το έτος περίπου. Μερικοί τύποι κυττάρων, όπως τα κύτταρα των σκελετικών μυών και οι νευρώνες, χάνουν κατά ένα μεγάλο μέρος τη δυνατότητα διαίρεσης και διπλασιασμού τους σε ενήλικες. Αν και η διάρκεια όλων των σταδίων του κυτταρικού κύκλου ποικίλει, το μεγαλύτερο μέρος των διαφορών οφείλεται σε διαφορές στο μήκος της φάσης G1. Όταν τα κύτταρα παύουν να διαιρούνται, λέγεται συχνά ότι βρίσκονται στο στάδιο G0. Τα κύτταρα διαιρούνται σε απάντηση σημαντικών εσωτερικών και εξωτερικών ερεθισμών. Πριν εισέλθει το κύτταρο σε μίτωση, παραδείγματος χάριν, ο διπλασιασμός του DNA πρέπει να είναι ακριβής και πλήρης και το κύτταρο πρέπει να έχει επιτύχει ένα κατάλληλο μέγεθος. Το κύτταρο πρέπει να αποκριθεί στα εξωκυτταρικά ερεθίσματα που απαιτούν αύξηση ή μείωση του ρυθμού κυτταρικής διαίρεσης. Οι σύνθετες μοριακές αλληλεπιδράσεις επιτυγχάνουν αυτή τη ρύθμιση. Μεταξύ των σημαντικότερων μορίων που εμπλέκονται είναι οι κινάσες οι εξαρτώμενες από τη κυκλίνη (CDKs), μια οικογένεια κινασών που φωσφορυλιώνουν άλλες ρυθμιστικές πρωτεϊνες σε κομβικά στάδια του κυτταρικού κύκλου. Προκειμένου να πραγματοποιηθεί αυτή η λειτουργία, τα CDKs πρέπει να σχηματίσουν σύμπλοκα με διάφορες κυκλίνες, πρωτεϊνες που συντίθενται σε ειδικά στάδια του κυτταρικού κύκλου και αποικοδομούνται όταν η δράση CDK δεν απαιτείται πλέον. Οι κυκλίνες και οι CDKs, καθώς επίσης και πολλές πρωτεϊνες που αλληλεπιδρούν με αυτές, αποτελούν αντικείμενο έντονης μελέτης λόγω του ζωτικού τους ρόλου στον κυτταρικό κύκλο και επειδή η δυσλειτουργία τους μπορεί να οδηγήσει σε καρκίνο (βλ. Κεφάλαιο 11). Το μήκος του κυτταρικού κύκλου ποικίλλει στους διαφορετικούς τύπους κυττάρων. Κρίσιμο ρόλο στη ρύθμιση του κυτταρικού κύκλου έχουν οι CDKs, που φωσφορυλιώνουν άλλες πρωτεϊνες, και οι κυκλίνες, που σχηματίζουν σύμπλοκα με τις CDKs. Εσφαλμένη ρύθμιση του κυτταρικού κύκλου μπορεί να προκαλέσει καρκίνο.

ΜΙΤΩΣΗ Αν και η μίτωση απαιτεί συνήθως μόνο 1 έως 2 ώρες για να ολοκληρωθεί, το τμήμα αυτό του κυτταρικού κύκλου περιλαμβάνει πολλές κρίσιμες και σύνθετες διαδικασίες. Η μίτωση διαιρείται σε διάφορες φάσεις (Εικόνα 2-19). Κατά τη διάρκεια της πρόφασης, το πρώτο μιτωτικό στάδιο, τα χρωμοσώματα γίνονται ορατά με οπτικό μικροσκόπιο καθώς συμπυκνώνονται και κουλουριάζουν (τα χρωμοσώματα δεν είναι σαφώς ορατά κατά τη διάρκεια της ενδιάμεσης φάσης ή μεσόφασης). Οι δύο αδελφές χρωματίδες κάθε χρωμοσώματος βρίσκονται μαζί, προσαρτημένες σε ένα σημείο που ονομάζουμε κεντρομερίδιο. Η πυρηνική μεμβράνη, που περιβάλλει τον

26

πυρήνα, εξαφανίζεται κατά τη διάρκεια αυτού του σταδίου. Οι ίνες της ατράκτου αρχίζουν να διαμορφώνονται, εκκινώντας από δύο κεντροσωμάτια (centrioles) που βρίσκονται στις αντίθετες πλευρές του κυττάρου. Οι ίνες της ατράκτου προσδένονται στα κεντρομερίδια κάθε χρωμοσώματος και τραβούν τελικά τις δύο αδελφές χρωματίδες σε αντίθετες κατευθύνσεις. Τα χρωμοσώματα φθάνουν στη πιό συμπυκνωμένη τους κατάσταση κατά τη διάρκεια της μετάφασης, το επόμενο στάδιο της μίτωσης. Επειδή είναι πολύ συμπυκνωμένα, είναι ευκολότερο να γίνουν ορατά με το μικροσκόπιο κατά τη διάρκεια αυτής της φάσης. Για αυτόν τον λόγο, η κλινική διάγνωση των χρωμοσωμικών διαταραχών πραγματοποιείται συνήθως σε μεταφασικά χρωμοσώματα. Κατά τη διάρκεια της μετάφασης οι ίνες της ατράκτου αρχίζουν να συστέλλονται και να τραβούν τα χρωμοσώματα από τα κεντρομερίδιά τους, προς το ισημερινό επίπεδο του κυττάρου. Κατά τη διάρκεια της ανάφασης, το επόμενο μιτωτικό στάδιο, το κεντρομερίδιο κάθε χρωμοσώματος χωρίζεται, επιτρέποντας στις αδελφές χρωματίδες να χωρίσουν. Οι χρωματίδες τραβιούνται έπειτα από τα ινίδια της ατράκτου, μέσω του κεντρομεριδίου, προς τις αντίθετες πλευρές του κυττάρου. Στο τέλος της ανάφασης, το κύτταρο περιέχει 92 χωριστά χρωμοσώματα, τα μισά από αυτά βρίσκονται κοντά στη μια πλευρά του κυττάρου και τα άλλα μισά κοντά στην άλλη πλευρά. Εάν όλα προχώρησαν σωστά, οι δύο αυτές χρωμοσωμικές ομάδες είναι ίδιες. Η Τελόφαση, το τελικό στάδιο της μίτωσης, χαρακτηρίζεται από το σχηματισμό νέων πυρηνικών μεμβρανών γύρω από κάθε ένα από τις δύο ομάδες των 46 χρωμοσωμάτων. Επίσης, οι ίνες της ατράκτου εξαφανίζονται, και τα χρωμοσώματα αρχίζουν να αποσυμπυκνώνονται. Η κυτταροκίνηση συνήθως πραγματοποιείται μετά από τη πυρηνική διαίρεση και οδηγεί σε κατά προσέγγιση ισοκατανομή του κυτταροπλάσματος σε δύο μέρη. Με την ολοκλήρωση της τελόφασης, σχηματίζονται δύο διπλοειδή θυγατρικά κύτταρα όμοια με το αρχικό. Μίτωση είναι η διαδικασία σχηματισμού δύο όμοιων διπλοειδών θυγατρικών κυττάρων από ένα ενιαίο διπλοειδές κύτταρο.

27

Εικόνα 2.19. Τα στάδια της μίτωσης, κατά τη διάρκεια των οποίων δύο ίδια διπλοειδή κύτταρα σχηματίζονται από ένα αρχικό διπλοειδές κύτταρο. ΜΕΙΩΣΗ Όταν ένα ωοκύτταρο και ένα σπερματοκύτταρο ενώνονται για να σχηματίσουν ένα ζυγωτό, τα χρωμοσώματά τους συνδυάζονται σε ένα μοναδικό κύτταρο. Επειδή οι άνθρωποι είναι διπλοειδείς οργανισμοί, πρέπει να υπάρξει ένας μηχανισμός για να μειώσει τον αριθμό των χρωμοσωμάτων στους γαμέτες στην απλοειδή κατάσταση. Διαφορετικά το ζυγωτό θα είχε 92, αντί των κανονικών 46, χρωμοσωμάτων. Ο κύριος μηχανισμός σχηματισμού απλοειδών γαμετών από διπλοειδή πρόδρομα κύτταρα ονομάζεται μείωση. Δύο κυτταρικές διαιρέσεις λαμβάνουν χώρα κατά τη διάρκεια της μείωσης. Κάθε μειωτική διαίρεση έχει διαιρεθεί σε στάδια με τα ίδια ονόματα με εκείνα της μίτωσης, αλλά οι διαδικασίες που περιλαμβάνονται σε μερικά από αυτά είναι αρκετά διαφορετικές (Εικόνα 2-20). Κατά τη διάρκεια της μείωσης Ι, που επίσης συχνά ονομάζεται και στάδιο μειωτικής διαίρεσης, σχηματίζονται δύο απλοειδή κύτταρα από ένα διπλοειδές. Αυτά τα διπλοειδή κύτταρα είναι τα ωογόνια στα θηλυκά και τα σπερματογόνια στα αρσενικά. Μετά από τη μείωση Ι, μία δεύτερη μείωση, η εξισωτική διαίρεση, λαμβάνει χώρα, κατά τη

28

διάρκεια της οποίας κάθε απλοειδές κύτταρο διπλασιάζεται.

Εικόνα 2.20. Τα στάδια της μείωσης, κατά τη διάρκεια των οποίων σχηματίζονται οι απλοειδείς γαμέτες από ένα διπλοειδές κύτταρο. Για τη συντομία, δεν παρουσιάζονται η πρόφαση ΙΙ και η τελόφαση ΙΙ. Σημειώστε τη σχέση μεταξύ μείωσης και σπερματογένεσης και ωογένεσης. Το πρώτο στάδιο της μείωσης είναι η ενδιάμεση φάση Ι (μεσόφαση Ι). Κατά τη διάρκεια αυτής της φάσης, όπως στην μιτωτική μεσόφαση, λαμβάνουν χώρα σημαντικές διαδικασίες όπως ο διπλασιασμός του χρωμοσωμικού DNA. Η δεύτερη φάση της μείωσης Ι, η πρόφαση Ι, είναι αρκετά σύνθετη και περιλαμβάνει πολλά από τα βασικά γεγονότα που διακρίνουν τη μείωση από τη μίτωση. Η πρόφαση Ι αρχίζει καθώς τα σκέλη (strands) χρωματίνης κουλουριάζουν, συμπυκνώνονται και γίνονται ορατά ως χρωμοσώματα. Κατά τη διάρκεια μιας διαδικασίας που ονομάζεται σύναψη (synapsis), τα ομόλογα χρωμοσώματα ζευγαρώνουν, δίπλα-δίπλα, αφού τοποθετηθούν παρακείμενα σε τέλεια ευθυγράμμιση μεταξύ τους (στους άρρενες, τα μη ομόλογα φυλετικά χρωμοσώματα Χ και Υ,

29

διατάσσονται/τοποθετούνται από άκρο σε άκρο). Αυτό το ζευγάρωμα των ομόλογων χρωμοσωμάτων είναι ένα σημαντικό μέρος του κυτταρικού κύκλου που δεν εμφανίζεται στη μίτωση. Δεδομένου ότι η πρόφαση Ι συνεχίζεται, οι χρωματίδες των δύο χρωμοσωμάτων αλληλοσυνδυάζονται. Κάθε ζευγάρι των αλληλοσυνδυασμένων ομόλογων χρωμοσωμάτων καλείται δισθενές (bivalent) (υποδηλώνοντας δύο χρωμοσώματα στη μονάδα) ή τετραμερές (tetrad) (υποδηλώνοντας τέσσερεις χρωματίδες στη μονάδα). Ένα δεύτερο κύριο χαρακτηριστικό της πρόφασης Ι είναι ο σχηματισμός χιασμάτων ή επιχιασμών, σταυροειδών δομών που χαρακτηρίζουν τις συνδέσεις μεταξύ των ομόλογων χρωμοσωμάτων (Εικόνα 2-21).

Εικόνα 2.21. Η διαδικασία σχηματισμού χιάσματος και επιχιασμού οδηγεί στην ανταλλαγή του γενετικού υλικού μεταξύ των ομόλογων χρωμοσωμάτων. Κάθε χίασμα υποδηλώνει ένα σημείο στο οποίο τα ομόλογα χρωμοσώματα ανταλλάσσουν γενετικό υλικό. Αυτή η διαδικασία, ονομάζεται επιχιασμός, παράγει χρωμοσώματα που αποτελούνται από συνδυασμούς μερών των αρχικών τους χρωμοσωμάτων. Αυτό το χρωμοσωμικό ανακάτεμα είναι σημαντικό επειδή αυξάνει πολύ τους πιθανούς συνδυασμούς γονιδίων σε κάθε γαμέτη και με αυτό τον τρόπο αυξάνει τον αριθμό των πιθανών συνδυασμών των ανθρώπινων γνωρισμάτων. Επίσης, όπως συζητείται στο Κεφάλαιο 8, αυτό το φαινόμενο είναι κεντρικής σημασίας για το προσδιορισμό της σειράς των γονιδίων κατά μήκος των χρωμοσωμάτων. Στο τέλος της πρόφασης Ι, τα δισθενή αρχίζουν να κινούνται προς το ισημερινό επίπεδο, μια συσκευή ατράκτου αρχίζει να σχηματίζεται στο κυτταρόπλασμα, και η πυρηνική μεμβράνη διαλύεται. Η μετάφαση Ι είναι η επόμενη φάση. Όπως η μιτωτική μετάφαση, το στάδιο αυτό χαρακτηρίζεται από την ολοκλήρωση του σχηματισμού της ατράκτου και την ευθυγράμμιση των δισθενών, που είναι ακόμα προσαρτημένα στα χιάσματα, στο ισημερινό επίπεδο. Τα δύο κεντρομερίδια κάθε δισθενούς βρίσκονται τώρα στις αντίθετες πλευρές του ισημερινού επιπέδου. Κατά τη διάρκεια της ανάφασης Ι, το επόμενο στάδιο, τα χιάσματα

30

εξαφανίζονται και τα ομόλογα χρωμοσώματα τραβιούνται από τις ίνες της ατράκτου προς τους αντίθετους πόλους του κυττάρου. Το κύριο χαρακτηριστικό αυτής της φάσης είναι ότι, αντίθετα από την αντίστοιχη φάση της μίτωσης, τα κεντρομερίδια δεν διπλασιάζονται και διαιρούνται, έτσι ώστε μόνο ο μισός από τον αρχικό αριθμό χρωμοσωμάτων να μεταναστεύει προς τον κάθε πόλο. Τα χρωμοσώματα που μεταναστεύουν προς τον κάθε πόλο αποτελούνται έτσι από ένα μέλος κάθε ζευγαριού των αυτοσωμάτων και το ένα από τα φυλετικά χρωμοσώματα. Το επόμενο στάδιο, τελόφαση Ι, αρχίζει όταν τα χρωμοσώματα φθάσουν στα απέναντι άκρα του κυττάρου. Τα χρωμοσώματα ξετυλίγονται ελαφρά, και μια νέα πυρηνική μεμβράνη αρχίζει να σχηματίζεται. Το κάθε ένα από τα δύο θυγατρικά κύτταρα που προκύπτουν περιέχει απλοειδή αριθμό χρωμοσωμάτων, και κάθε χρωμόσωμα έχει δύο αδελφές χρωματίδες. Στους ανθρώπους, η κυτταροκίνηση συμβαίνει επίσης κατά τη διάρκεια αυτής της φάσης. Το κυτταρόπλασμα διαιρείται περίπου εξίσου μεταξύ των δύο θυγατρικών κυττάρων στους γαμέτες που σχηματίζονται στους άρρενες. Σε εκείνους που σχηματίζονται στα θήλεα, όλο σχεδόν το κυτταρόπλασμα πηγαίνει σε ένα θυγατρικό κύτταρο, το οποίο θα διαμορφώσει αργότερα το ωάριο. Το άλλο θυγατρικό κύτταρο γίνεται πολικό σώμα ή σωμάτιο (polar body), ένα μικρό, μη λειτουργικό κύτταρο που τελικά εκφυλίζεται. Μείωση Ι (μειωτική διαίρεση) περιλαμβάνει ένα στάδιο πρόφασης Ι στο οποίο τα ομόλογα χρωμοσώματα παρατάσσονται και ανταλλάσσουν υλικό (επιχιασμός). Κατά τη διάρκεια της ανάφασης Ι τα κεντρομερίδια δεν διπλασιάζονται και διαιρούνται. Συνεπώς μόνο ένα μέλος κάθε ζευγαριού χρωμοσωμάτων μεταναστεύει σε κάθε θυγατρικό κύτταρο. Η ισότιμη διαίρεση, μείωση ΙΙ, αρχίζει έπειτα με την ενδιάμεση φάση ή μεσόφαση ΙΙ, που είναι πολύ σύντομη φάση. Το σημαντικό χαρακτηριστικό γνώρισμα της μεσόφασης ΙΙ είναι ότι, αντίθετα με την μεσόφαση Ι και την μιτωτική μεσόφαση, δεν λαμβάνει χώρα διπλασιασμός του DNΑ. Η πρόφαση ΙΙ, το επόμενο στάδιο, είναι αρκετά παρόμοιο με τη μιτωτική πρόφαση, εκτός από το ότι ο πυρήνας του κυττάρου περιέχει μόνο τον απλοειδή αριθμό χρωμοσωμάτων. Κατά τη διάρκεια της πρόφασης ΙΙ τα χρωμοσώματα πυκνώνουν καθώς κουλουριάζουν, η πυρηνική μεμβράνη εξαφανίζεται, και σχηματίζονται οι νέες ίνες της ατράκτου. Αυτό ακολουθείται από τη μετάφαση ΙΙ, κατά τη διάρκεια της οποίας τα ινίδια της ατράκτου τραβούν τα χρωμοσώματα σε ευθύγραμμη διάταξη (alignment) στο ισημερινό επίπεδο του κυττάρου. Aκολουθεί η ανάφαση ΙΙ. Αυτό το στάδιο μοιάζει με την μιτωτική ανάφαση κατά το ότι τα κεντρομερίδια χωρίζουν και το κάθε ένα μεταφέρει από μία χρωματίδα προς κάθε ένα πόλο του κυττάρου. Οι χρωματίδες έχουν πλέον διαχωριστεί, αλλά, λόγω του σχηματισμού χιασμάτων και επιχιασμών, οι νέες αδελφές χρωματίδες που προκύπτουν μπορεί να μην είναι ίδιες (βλ. Εικόνα 2-20). Η Tελόφαση ΙΙ, όπως η τελόφαση Ι, αρχίζει όταν φθάνουν τα χρωμοσώματα στους απέναντι πόλους του κυττάρου. Εκεί αρχίζουν να ξετυλίγονται. Νέες πυρηνικές μεμβράνες σχηματίζονται γύρω από κάθε ομάδα χρωμοσωμάτων, και συμβαίνει κυτταροκίνηση. Στους αρσενικούς γαμέτες, το κυτταρόπλασμα διαιρείται πάλι εξίσου μεταξύ των δύο θυγατρικών κυττάρων. Το τελικό αποτέλεσμα της μείωσης του άρρενα είναι έτσι τέσσερα λειτουργικά θυγατρικά κύτταρα, κάθε ένα από τα οποία περιέχει ίσο ποσό κυτταροπλάσματος. Στους θηλυκούς γαμέτες, λαμβάνει πάλι χώρα άνιση διαίρεση του κυτταροπλάσματος, σχηματίζοντας ωοκύτταρο και ένα άλλο

31

πολικό σωμάτιο. Το πολικό σωμάτιο που σχηματίστηκε κατά τη μείωση Ι μερικές φορές υποβάλλεται σε δεύτερη διαίρεση, σχηματίζοντας τρία πολικά σωμάτια με την ολοκλήρωση του δεύτερου σταδίου της μείωσης. Η μείωση είναι μια εξειδικευμένη διαδικασία κυτταροδιαίρεσης στην οποία ένα διπλοειδές κύτταρο αποδίδει απλοειδείς γαμέτες. Αυτό ολοκληρώνεται με το συνδυασμό δύο κύκλων διαίρεσης με μόνο ένα κύκλο διπλασιασμού DNA. Οι περισσότερες χρωμοσωμικές διαταραχές προκαλούνται από τα λάθη που εμφανίζονται κατά τη διάρκεια της μείωσης. Μπορεί να προκύψουν γαμέτες που να περιέχουν χρωμοσωμικές ελλείψεις ή πλεονασμούς ή χρωμοσώματα με αλλαγμένη δομή. Επιπλέον, τα σφάλματα της μείωσης που εμφανίζονται νωρίς στη ζωή του εμβρύου μπορούν να επηρεάσουν αρκετά κύτταρα του σώματος και να προκαλέσουν κλινικά σημαντική ασθένεια. Τα μιτωτικά λάθη που συμβαίνουν σε οποιοδήποτε σημείο στη διάρκεια ζωής του ατόμου μπορούν, κάτω από μερικές περιστάσεις, να προκαλέσουν καρκίνο. Η γενετική του καρκίνου συζητείται στο Κεφάλαιο 11, και οι χρωμοσωμικές διαταραχές στο Κεφάλαιο 6.

ΣΧΕΣΗ ΜΕΙΩΣΗΣ ΚΑΙ ΓΑΜΕΤΟΓΕΝΕΣΗΣ Τα στάδια της μείωσης μπορούν να συσχετισθούν άμεσα με τα στάδια της γαμετογένεσης, του σχηματισμού δηλ. των γαμετών (βλ. Εικόνα 2-20). Στα ώριμα αρσενικά, τα σπερματαγωγά σωληνάρια των όρχεων πληρούνται από τα σπερματογόνια, που είναι διπλοειδή κύτταρα. Μετά από μερικές μιτωτικές διαιρέσεις, τα σπερματογόνια παράγουν πρωτογενή σπερματοκύτταρα. Κάθε αρχικό σπερματοκύτταρο, που είναι επίσης διπλοειδές, υποβάλλεται σε μείωση Ι για να παράγει ένα ζευγάρι δευτερογενών σπερματοκυττάρων, κάθε ένα από τα οποία περιέχει 23 δίκλωνα χρωμοσώματα. Αυτά εισέρχονται σε μείωση ΙΙ, και κάθε ένα παράγει ένα ζευγάρι σπερματίδων, που περιέχουν 23 μονόκλωνα χρωμοσώματα. Οι σπερματίδες χάνουν έπειτα το μεγαλύτερο μέρος του κυτταροπλάσματός τους και αναπτύσσουν τις ουρές για την κολύμβηση καθώς μεταβάλλονται σε ώριμα κύτταρα σπέρματος. Αυτή η διαδικασία, γνωστή ως σπερματογένεση, συνεχίζεται καθ' όλη τη διάρκεια της ζωής του ώριμου αρσενικού. Κατά τη σπερματογένεση, το κάθε διπλοειδές σπερματογόνιο παράγει τέσσερα απλοειδή σπερματοκύτταρα. Η ωογένεση, η διαδικασία σχηματισμού γαμετών θήλεος, διαφέρει σε μερικά σημαντικά σημεία από τη σπερματογένεση. Ενώ ο κύκλος της σπερματογένεσης επαναλαμβάνεται συνεχώς, ένα μεγάλο μέρος της ωογένεσης του θήλεος ολοκληρώνεται πριν από τη γέννησή του. Τα διπλοειδή ωογόνια διαιρούνται μιτωτικά για να παράγουν πρωτογενή ωοκύτταρα μέχρι τον τρίτο μήνα της εμβρυϊκής ανάπτυξης. Περισσότερα από 6 εκατομμύρια πρωτογενή ωοκύτταρα σχηματίζονται κατά τη διάρκεια της

32

κυοφορίας (gestation), και ακινητοποιούνται στην πρόφαση Ι μέχρι την γέννηση. Η μείωση συνεχίζεται μόνο όταν ένα ώριμο πρωτογενές ωοκύτταρο εισέλθει σε ωογένεση με κατάλληλο ορμονικό ερέθισμα. Στη μείωση Ι, το πρωτογενές ωοκύτταρο παράγει δευτερογενές ωοκύτταρο, που περιέχει το κυτταρόπλασμα και ένα πολικό σωμάτιο. Το δευτερογενές ωοκύτταρο αποσπάται έπειτα από το θυλάκιο και συνεχίζει προς τη σάλπιγγα, με το πολικό σωμάτιο προσαρτημένο σε αυτό. Η μείωση ΙΙ αρχίζει μόνο εάν το δευτερογενές ωοκύτταρο γονιμοποιηθεί από ένα σπερματοκύτταρο. Εάν αυτό συμβεί, σχηματίζονται ένα απλοειδές ώριμο ωάριο, που περιέχει το κυτταρόπλασμα, και ένα άλλο απλοειδές πολικό σωμάτιο. Τα πολικά σωμάτια τελικά αποσυντίθενται. Περίπου 1 ώρα μετά από τη γονιμοποίηση, οι πυρήνες του σπέρματος και του ωαρίου συντήκονται, σχηματίζοντας ένα διπλοειδές ζυγωτό. Το ζυγωτό αρχίζει έπειτα την ανάπτυξή του σε ένα έμβρυο μέσω μιας σειράς μιτωτικών διαιρέσεων.

33

Κατά την ωογένεση, ένα απλοειδές ωάριο και τρία απλοειδή πολικά σωμάτια σχηματίζονται μειωτικά από ένα διπλοειδές ωογόνιο. Σε αντίθεση με τη σπερματογένεση, που συνεχίζεται καθ' όλη τη διάρκεια της ζωής του ώριμου αρσενικού, η πρώτη φάση της ωογένεσης ολοκληρώνεται πριν τη γέννηση του θήλεος και η ωογένεση σταματά μέχρι την επανενεργοποίησή της από κατάλληλο ορμονικό ερέθισμα.

SUGGESTED READINGS Alberts B, Johnson A, Lewis J, et al (2002) Molecular Biology of the Cell, 4th ed. Garland Science, New York Berger SL (2002) Histone modifications in transcriptional regulation. Curr Opin Genet Dev 12:142-148 Byers PH (2000) Osteogenesis imperfecta: perspectives and opportunities. Curr Opin Pediatr 12:603-609 Cho KS, Elizondo LI, Boerkoel CF (2004) Advances in chromatin remodeling and human disease. Current Opin Genet Dev 14:308-315 Cook PR (1999) The organization of replication and transcription. Science 284:1790-1795 Johnson CA (2000) Chromatin modification and disease. J Med Genet 37:905-915 Lander ES, Linton LM, Birren B, Nusbaum C, Zody MC, Baldwin J, Devon K, Dewar K, Doyle M, et al (2001) Initial sequencing and analysis of the human genome. Nature 409:860-921 Lemon B, Tjian R (2000) Orchestrated response: a symphony of transcription factors for gene control. Genes Dev 14:2551-2569 Lewin B (2003) Genes VIII. Prentice Hall, Englewood Cliffs, NJ Mitchison TJ, Salmon ED (2001) Mitosis: a history of division. Nat Cell Biol 3:E17-E21 Page SL, Hawley RS (2003) Chromosome choreography: the meiotic ballet. Science 301:785-789 Rauch F, Glorieux FH (2004) Osteogenesis imperfecta. Lancet 363:1377-1385 INTERNET RESOURCES Cell Division Web site (contains numerous links to Web sites on various aspects of cell division, including mitosis, chromosomes, and cytokinesis)http://www.nature.com/celldivision/links/ Meiosis tutorial (illustrated)http://www.emc.maricopa.edu/faculty/farabee/BIOBK/BioBookmeiosis.html Tutorial on DNA structure, replication, transcription, and translationhttp://www.ncc.gmu.edu/dna/

34