Replikert DNA og Struktur

Når DNA er ferdig replikert, består det av dobbeltrådet DNA som holdes sammen av hydrogenbindinger mellom baseparene guanin-cytosin (G-C) og adenin-tymin (A-T). DNA-molekylet danner en spiralformet struktur kalt dobbelheliks. Dette blir relevant når vi skal dele cellen i to og fordele arvematerialet.

Nukleosomer og Histoner

DNA er videre pakket rundt proteiner kalt histoner, som danner nukleosomer. Etter replikasjonen kondenseres kromosomet før celledeling, der det dannes to søsterkromatider. Disse er kopier av hverandre og utgjør et kromosom. Når cellen deler seg, går hver søsterkromatid til hver sin dattercelle.

Kromosomets Kondensering

Utenom celledelingen er kromosomene ikke kondensert, men ligger som lange DNA-tråder tvinnet rundt histoner i varierende grad av kondensering. Når kromatinet er sterkt kondensert, kalles det heterokromatin, og når det er mindre kondensert, kalles det eukromatin.

Kromosomer kan vi bare se tydelig i mikroskop like før celledelingen, under mitose. Da ser vi det som kalles metafasekromosomer. Disse kromosomene er ferdig replikert og består av to søsterkromatider.

Histonmodifikasjoner

Etter DNA-replikasjonen, som skjer i S-fasen, kondenseres kromosomene og pakkes rundt histoner. Vi har fem typer histoner: H2A, H2B, H3, H4 og H1. Fosforylering og andre modifikasjoner av histonene, som acetylering, metylering og ubiquitinylering, regulerer DNA-kondenseringen. Acetylering, for eksempel, «løser opp» DNA-et under transkripsjon og replikasjon, mens andre modifikasjoner påvirker hvordan DNA er pakket.

Telomerer og Celledeling

Sammen danner DNA og histoner enheten nukleosomer, som er den grunnleggende byggesteinen i kromatinstrukturen.

Når kromosomene er kondensert, har de spesielle ender kalt telomerer. Hvis telomerene blir skadet eller forkortet, går cellen inn i en tilstand som kalles senescence, der cellen slutter å dele seg, men forblir i live.

Centromere og Kromosomenes Struktur

I midten av kromosomet finnes et område kalt centromeren, som er viktig for fordelingen (segregeringen) av kromosomene under celledeling. Centromeren består av heterokromatin, inneholder få gener, og kan være plassert midt på eller nærmere en av kromosomets armer.

Kromosomene har også en lang arm, kalt q-armen, og en kort arm, kalt p-armen.

Autosomale Kromosomer og Kjønnskromosomer

Mennesket har 22 autosomale kromosompar – ett sett fra mor og ett fra far.

I tillegg har vi ett kjønnskromosompar: vi arver X fra mor og enten X eller Y fra far, noe som gir totalt 23 kromosompar.

Kromosomene er nummerert etter størrelsen de har i lysmikroskopet, noe som stort sett gjenspeiler mengden DNA de inneholder, men ikke alltid. Kromosom 21 har for eksempel færre basepar enn kromosom 22, selv om det nummereres som 21.

Kromosomavvik og Cytogenetikk

Ved cytogenetikk kan man se store kromosomavvik som trisomier (ekstra kromosomer), delesjoner (tap av kromosomdeler) og fusjoner (sammensmelting av kromosomer). Slike avvik kalles kromosomaberrasjoner. Mutasjoner, derimot, kan ikke sees ved cytogenetikk – for å se dem må man sekvensere DNA.

Cellesyklusen

Celler går gjennom flere faser som ender med celledeling, men ikke alle celler deler seg. Hjerne- og nerveceller, samt stamceller, deler seg sjelden og ligger i en hvilende fase kalt Go.

Disse kan imidlertid bli stimulert til å dele seg ved spesielle stimuli. På en annen side, deler celler som blodceller, epitelceller i mage-tarmkanalen og hudceller seg ofte.

Cellegift rammer raskt delende celler hardest, fordi den ofte skader DNA, noe som har størst konsekvens for celler som replikerer DNA ofte.

Proliferasjon: Rask og kontinuerlig celledeling og vekst, ofte sett i vev som trenger hyppig fornyelse eller under visse fysiologiske og patologiske tilstander.

Ulike typer celler baser på hvor ofte de deler seg: Labile celler: Celler som deler seg ofte og kontinuerlig gjennom livet. Eksempler inkluderer hudceller, blodceller, og epitelceller i mage-tarmkanalen.

Stabile celler: Celler som deler seg sjeldent, men som kan dele seg når det er nødvendig, for eksempel ved vevsskade. Eksempler inkluderer leverceller og nyreceller.

Permanente celler: Celler som aldri deler seg etter at de har modnet, og som ikke kan regenerere hvis de blir skadet. Eksempler er hjerneceller (nevroner) og hjerteceller.

Faser i Cellesyklusen

Cellesyklusen er delt inn i fem faser: G1, S, G2, M og Go. Fasen der DNA replikeres, kalles S-fasen. G1, S og G2 utgjør det som kalles interfasen, som er tiden mellom celledelingene.

Selve celledelingen skjer i M-fasen eller mitosen, som igjen er delt inn i fire faser. Det er i denne fasen kromosomene blir synlige i mikroskopet etter farging, og da kalles de metafasekromosomer.

NB! Før M fasen begynner er et to kritiske ting som må ha skjedd: DNA må være helt ferdig replikert og sentrosomen må være kopiert. Vi vet jo at sentrosomen er mikrotubuli-organiserende senter (MTOC). Sentrosomen må jo være dobbel, siden den hjelper til å lage de to polene av det mitotiske spindelet, og det gjør at begge datterceller får egen sentrosom.

Mitose (kort oversikt)

1. Profase: Kromosomene begynner å kondensere.
2. Metafase: Kromosomene samles i et plan, ved hjelp av binding mellom mikrotubuli og et proteinkompleks kalt kinetokoren, som sitter på de centromere regionene av kromosomene.
3. Anafase: Kromosomene dras fra hverandre.
4. Telofase: Kromosomene separeres helt, og cellene separeres fullstendig under det som kalles cytokinese.

CDK (Cyclin Dependent Kinase):

CDK er proteinkomplekser som regulerer cellesyklusen. Vi husker de som cyclin avhengige kinaser og de er veldig viktig for å drive cellen frem i syklus. Forskjellige typer CDK assosieres med forskjellige faser i cellesyklusen:

• CDK 1 – cyclin B: Aktiv i M-fasen (mitose).
• CDK 2 – cyclin E: Aktiv i G1/S-overgangen.
• CDK 2 – cyclin A: Aktiv i S-fasen (DNA-replikasjon).
• CDK 3 – cyclin C: Aktiv i G1-fasen.
• CDK 4 – cyclin D: Aktiv i G1-fasen.

CDKene aktiveres ved binding til spesifikke cycliner, og ytterligere aktivering skjer gjennom en fosforylering utført av CDK Activating Kinase (CAK). CAK fosforylerer altså CDK for å aktivere den! Dette sørger for at cellen beveger seg gjennom cellesyklusfasene.

APC/C (Anaphase Promoting Complex/Cyclosome):

APC/C er et enzymkompleks som fungerer som en ubiquitin ligase. Det vil si at det tilføyer ubiquitin til proteiner, som ofte signaliserer at proteinet skal brytes ned av proteasomer.

Et viktig eksempel er at proteiner som holder søsterkromatidene sammen (som cohesin) blir ubiquitinert og nedbrutt av APC/C, slik at søsterkromatidene kan separeres under anafase.

Om du vil ha mer om regulering av cellesyklus kan du gå her

Før profasen (før M)

Cellen øker i størrelse, kromosomene er replikert og sentrosomene er doblet.

Profasen

Intracellulære Membraner i Profasen:

• I profasen brytes ikke bare kjernemembranen ned, men også andre intracellulære membraner som Golgi-apparatet og endoplasmatisk retikulum (ER).

Kondensasjon av DNA:

• I profasen kondenserer DNA. Dette innebærer at histonene, spesielt histon H3, fosforyleres, noe som hjelper til med å stramme opp DNAet.
• Proteinkomplekset condensin, som består av fire proteiner, blir også transportert inn i kjernen og hjelper til med ytterligere kondensering av DNAet ved å delta i super-coiling-prosessen. Denne strammingen gjør at kromosomene blir kompakte og klare for deling.

Centrioler og Mikrotubuli:

• Centrosomer fungerer som polene hvorfra mikrotubuli vokser ut og organiserer spindelapparatet som drar søsterkromatidene fra hverandre under anafasen.
• I adherente celler (celler som fester seg til underlaget), rundes cellene opp under denne prosessen, noe som gjør det lettere for dem å dele seg.

Prometafase:

• Spindeltrådene festes til kinetokorene, som er proteinkomplekser festet til centromerene på kromosomene.

Tidlig prometafase:

• Kjernemembranen brytes fullstendig ned, og mikrotubuli begynner å danne forbindelser med kromosomene.
• Mikrotubuli vokser og forkortes mer ustabilt enn i interfasen, noe som gjør at de er svært dynamiske og oscillative (dvs. de vokser og krymper raskt).
• Asters (mikrotubuli-strukturer) danner seg ved centrosomene, som fungerer som polene for spindelapparatet.
• Mikrotubuli består blant annet av proteiner som kinesiner og dyniner, som er motorproteiner som bidrar til å flytte kromosomene mot midtplanet.

Sen prometafase:

• Mikrotubuli fortsetter å feste seg til kinetokorene. Hvert kinetokore blir festet til flere mikrotubuli – vanligvis rundt 20-40 fra hver pol av cellen. Disse mikrotubuliene fester seg til kinetokoren på hver søsterkromatid.
• Kromosomene beveger seg mot midtplanet av cellen, hvor de skal organiseres i metafasen før de separeres i anafasen

Metafase

I metafasen, som vist i bildet over, er kromosomene arrangert langs ekvatorplanet i cellen, også kjent som metafaseplanet. Dette er en kritisk fase i mitosen, og flere viktige hendelser finner sted:

• Alle kromosomene er nå fullstendig kondensert og ligger i en rett linje langs cellens ekvator.
• Spindelapparatet: Mikrotubuli fra begge polene av cellen er festet til hvert kromosom ved kinetokoren. Dette skaper en symmetrisk trekkraft på kromosomene.
• Cellen utfører en «spenningssjekk» for å sikre at alle kromosomer er korrekt festet til spindelapparatet og at det er lik spenning på begge sider.

Sen metafase:

Cohesin-komplekset:

• Cohesin fungerer som en glidelås som holder søsterkromatider sammen etter DNA-replikasjon. Det er veldig viktig for at kromosomene skal separeres rett. Cohesin er primært lokalisert ved centromerene, men det finnes også langs hele kromosomene.

APC/C-komplekset:

Vi vet at APC/C er viktig for regulering av cellesyklus fordi den hjelper til med å bryte ned cyliner! Men den er også viktig i forbindelse med metafasen og splittelsen av søsterkromatidene.

• Når alle kromosomer er korrekt festet til mikrotubuli, frigjøres APC/C og aktiveres. APC/C begynner da å ubiquitinylere proteiner som Securin.
• Securin er en inhibitor av separase, et enzym som bryter ned cohesin-komplekset. Når APC/C ubiquitinyliserer securin, brytes det ned i proteasomer, og separasen frigjøres.

❓Enkelt fortalt skjer følgende:

• APC/C aktiveres og merker Securin for nedbrytning⁠
• Securin brytes ned, noe som frigjør enzymet separase⁠⁠
• Separase bryter ned cohesin-komplekset⁠⁠

Dette gjør at søsterkromatidene kan separeres og bevege seg mot hver sin pol i cellen under anafasen⁠⁠

Anafase

Separase bryter deretter ned cohesin-komplekset, noe som gjør at søsterkromatidene kan separeres og trekkes mot hver sin spindelpol under anafasen.

• Som sagt, de parvise søsterkromatidene begynner å bevege seg mot motsatte poler av cellen.
• Mikrotubuliene som er festet til kinetokoren på hvert kromosom forkortes, noe som trekker kromosomene mot hver sin cellulære pol.
• Samtidig som kinetokore-mikrotubuliene forkortes, forlenges de polare mikrotubuliene. Dette bidrar til å skyve spindelpolene fra hverandre, og dermed øke avstanden mellom de separerende kromosomene.
• Som vi kan se på bildet, begynner cellen å strekke seg og bli mer avlang. Dette er en forberedelse til den kommende celledelingen.

Telofase

Telofasen er den siste fasen av mitosen før cytokinesen starter. Basert på bildet over, kan vi observere følgende viktige hendelser:

• Kromosomene har nå nådd hver sin pol av cellen og begynner å dekondensere. Dette er begynnelsen på å gjenopprette den normale kromatin-strukturen.
• Kjernemembranen begynner å rekonstrueres rundt hvert sett av kromosomer, og danner to separate kjerner. Kjernemembranen gjenoppbygges i to trinn:
  • Først dannes membranen rundt lamin B i sen anafase.
  • Senere dannes membranen rundt lamin A i telofasen.
• Nukleolus, strukturen hvor ribosomalt RNA produseres, begynner å dukke opp igjen i hver av de nye kjernene.
• Cellen er nå betydelig forlenget sammenlignet med tidligere faser, og man kan se en tydelig innsnøring i midten hvor celledelingen vil finne sted.
• Spindelfibrene begynner å brytes ned, men noen fibre forblir mellom de to settene med kromosomer for å danne det som kalles «midtlegemet» (midbody).

Telofasen er i hovedsak en reversering av profasen og prometafasen, hvor cellen forbereder seg på den endelige delingen i cytokinesen.

Cytokinese

I cytokinesen, som er den siste fasen av celledelingen, skjer selve separasjonen av de to dattercellene.

• Kontraktil ring: En ring av aktinfilamenter og bipolare myosin II-filamenter dannes mellom de to dattercellene. Denne ringen trekker seg sammen, noe som gradvis innsnevrer cellen på midten og danner en kløyvingskløfta.
• Midbody: Etter delingen dannes en intercellulær bro kjent som en midbody, som består av antiparallelle mikrotubuli-fibre fra det sentrale spindelet. Dette gir strukturell støtte mellom de to cellene før de separeres helt.

I den siste fasen av cytokinesen, sen cytogenese, separeres cellene fullstendig, kromatinet dekondenseres, og interfase-mikrotubuliet gjenopprettes, som markerer slutten på mitosen. Cellene går deretter tilbake til sin normale tilstand i interfasen, klar for neste syklus.

Mikrotubuli-typer og deres funksjoner i mitosen:

• Kinetokore mikrotubuli:
  • Pluss-enden binder til kinetokorene, mens minus-enden er festet i spindelpolen i centrosomet.
  • Hver kinetokore kan binde ca. 20 mikrotubuli, noe som reduserer feilraten ved kromosomsegregasjon.
• Interpolare mikrotubuli:
  • Disse mikrotubulene er distribuert over hele spindelapparatet og binder seg ikke til kinetokorene.
  • De bidrar til å orientere spindelapparatet og spindelpolene i cellen, og danner det sentrale spindelnettverket under celledeling.
• Astral mikrotubuli:
  • De vokser fra spindelpolene mot celleveggen og bidrar til riktig orientering av spindelapparatet i cellen.

Alle disse typene mikrotubuli bidrar til å sentrere kromosomene i cellen under metafasen. Når kromosomene er korrekt sentrert i det som kalles metafaseplanet, blir det aktivert et metafase-sjekkpunkt. Dette sjekkpunktet hindrer cellen i å gå videre til anafase før kromosomene er korrekt plassert.

Meiose

Meiose, eller reduksjonsdeling, er en spesiell form for celledeling som bare skjer i kjønnsceller (gameter). Disse cellene inkluderer sperm (sædcelle) og eggcelle (ovum). Formålet med meiosen er å redusere kromosomtallet til det halve, slik at kjønnsceller blir haploide – de inneholder bare ett sett kromosomer, i motsetning til vanlige celler som er diploide og har to sett kromosomer, ett fra mor og ett fra far.

Haploide vs. Diploide Celler

• Haploide celler har kun ett kromosom av hver type, det vil si totalt 23 kromosomer (22 autosomer og ett kjønnskromosom).
• Diploide celler, derimot, har 23 kromosompar, altså 46 kromosomer til sammen – hvorav ett sett arves fra mor og ett fra far.

Rekombinering og Uavhengig Sortering

Under meiosen blandes gener fra mor og far gjennom rekombinering og uavhengig sortering av kromosomene. Dette skaper genetisk variasjon, noe som er avgjørende for naturlig variasjon og evolusjon.

Meiose: Reduksjonsdeling og Genetisk Variasjon

Meiose er en spesiell form for celledeling som skjer i kjønnsceller og består av to hovedfaser:

Meiose I: Reduksjonsdeling

• Halverer antall kromosomer
• Homologe kromosomer separeres

Meiose II: Separasjon av søsterkromatider

• Antall kromosomer forblir det samme
• Prosessen ligner mitose

Meiosen deles inn i ulike steg:

• Paring: Homologe kromosomer samles
• Synapse: Fysisk kontakt mellom homologe kromosomer
• Rekombinering: Utveksling av genetisk materiale mellom homologe kromosomer
• Segregering: Korrekt fordeling av kromosomer mellom cellene

Etter meiose I er cellene haploide (n=1), med ett sett kromosomer. Meiose II separerer deretter søsterkromatidene uten ytterligere DNA-replikasjon.

Korrekt segregering er kritisk for å unngå aneuploidi, som kan føre til tilstander som trisomier.

---

Meiotisk profase I

Meiotisk profase I deles inn i 5 steg som er avgjørende for riktig paring, synapse, og rekombinering av de homologe kromosomene. Disse stegene inkluderer følgende:

1. Leptotene (A):

• Kromosomene begynner å kondensere, og de nylig replikerte søsterkromatidene blir synlige.
• De telomere endene av kromosomene fester seg til den indre kjernemembranen, som danner såkalte «buketter», som bringer kromosomene nær hverandre.

2. Zygotene (B):

• Homologe kromosomer begynner å finne hverandre og pares ved en prosess kalt synapse.
• Synaptonemale komplekset begynner å dannes langs hele lengden av kromosomene, og hjelper med å sikre riktig sammenkobling av homologe kromosomer.

3. Pachytene (C):

• Fullstendig synapse er etablert mellom homologe kromosomer.
• Rekombinering skjer i denne fasen, hvor genetisk materiale utveksles mellom homologe kromosomer via rekombineringsnoduler.
• Dette er den lengste fasen og avgjørende for genetisk mangfold.

4. Diplotene (D):

• Det synaptonemale komplekset løser seg opp, og kromosomene begynner å dekondenseres noe.
• De homologe kromosomene forblir imidlertid koblet sammen ved chiasmata, som representerer tidligere rekombinasjonspunkter.
• Denne fasen kan vare lenge i eggceller – opptil flere tiår.

5. Diakinese (E):

• DNA kondenseres på nytt, og kromosomene blir mer kompakte, klare for separasjon.
• Kjernemembranen begynner å brytes ned, og meiosen går inn i metafase I.

Mer om paring, synapse og rekombinering

Paring (Leptotene og tidlig Zygotene):

I interfasen er DNA ikke kondensert, men i leptotene starter kondensasjonen av de nylig replikerte søsterkromatidene. Under fluorescensmikroskop kan man se at de telomere endene av kromosomene begynner å binde til den indre kjernemembranen. Når cellen beveger seg inn i tidlig zygotene, danner kromosomene buketter, som er viktig for å bringe de homologe kromosomene nær hverandre for videre prosesser. Selve paringsprosessen er ennå ikke fullstendig forstått, men det antas at DNA-områder med enkeltrådet DNA skanner etter homologe sekvenser, selv om ingen rekombinering skjer på dette tidspunktet.

Synapse (Zygotene):

I zygotene kommer de homologe kromosomene sammen i en prosess kalt synapse, hvor det synaptonemale komplekset dannes og binder de homologe kromosomene langs hele lengden. Dette synaptonemale komplekset er synlig som gule streker i mikroskop, og tidlige rekombineringsnoduler begynner å dannes i denne fasen.

Rekombinering (Pachytene):

Rekombinering skjer kun i pachytene, hvor synapse mellom homologe kromosomer er fullstendig. I denne fasen utveksles genetisk materiale mellom de homologe kromosomene.

De sene rekombineringsnodulene i pachytene blir senere til chiasmata i diplotene, som representerer punktene hvor rekombineringen har skjedd.

Hvordan rekombinering skjer:

Rekombinering er en kompleks prosess som involverer flere steg:

1. Initiering: Spo11-proteinet lager DNA-trådbrudd i begge DNA-trådene.
2. Prosessering: MRN-komplekset (Mre11, Rad50, Nbs1) danner enkelttrådet DNA fra noen av disse trådbruddene.
3. Homologsøk: Enkelttrådet DNA skanner etter homologe sekvenser, assistert av Rad51 og Dmc1 proteiner.
4. Invasjon: Når homologe sekvenser finnes, invaderer enkelttrådet DNA den homologe tråden.
5. Resolusjon: Denne prosessen fullføres i pachytene-fasen, hvor de sene rekombineringsnodulene danner faktiske crossover-punkter.

❓For meg og alle som ikke forstod en drit:
Rekombinering er som å lage en ny oppskrift ved å bytte ut deler av to gamle oppskrifter:

• Du klipper opp to oppskrifter (DNA-brudd).
• Du finner like deler i begge oppskriftene.
• Du bytter ut noen deler mellom oppskriftene.
• Du limer sammen delene til to nye, unike oppskrifter.

Kjønnsforskjeller

• Oogenese (kvinner):
  • Ca. 1 million primære oocytter ved fødselen
  • Rekombinering ferdig før fødselen (ca. 20. fosteruke)
  • En moden eggcelle per syklus
• Spermatogenese (menn):
  • Kontinuerlig produksjon fra puberteten
  • Ca. 100 millioner spermceller per dag
  • Fire modne spermceller per spermatogonie

Hovedforskjell: Eggceller dannes tidlig og modnes sakte, mens spermceller produseres kontinuerlig gjennom livet.

Feil i meiosen

Feil i meiosen kan føre til alvorlige konsekvenser for embryoets utvikling. Her er noen viktige punkter:

• Spontanaborter: De fleste abnormaliteter som oppstår på grunn av meiotiske feil resulterer i spontanaborter. Majoriteten av aborter i første trimester skyldes slike feil.
• Polyploiditet:
  • Forekommer i 1-3% av alle befruktninger
  • Oftest forårsaket av to spermceller som befrukter én eggcelle
  • Kan også skyldes en diploid eggcelle
  • De fleste polyploide fostre blir ikke fullbårne
• Aneuploiditet:
  • Mer vanlig enn polyploiditet
  • Innebærer tap eller tillegg av ett eller flere kromosomer
  • Ofte dødelig – ca. 15% av alle befruktninger ender i spontanabort
  • Omtrent halvparten av disse abortene skyldes meiotiske abnormiteter
• Statistikk:
  • Polyploiditet eller trisomier utgjør ca. 6% av totale aborter
  • Kun 7% av trisomier skyldes feil hos far
  • Trisomi 21 (Downs syndrom) er hovedsakelig assosiert med eggcellen og øker med mors alder

Trisomi

Trisomi er en tilstand der det finnes tre kopier av et bestemt kromosom i stedet for det normale antallet på to. Dette skjer når et par homologe kromosomer ikke separeres korrekt under meiose, noe som resulterer i en ekstra kopi av et kromosom i den befruktede eggcellen.

Noen viktige punkter om trisomi:

• Det kan forekomme på ethvert kromosom, men er mest vanlig på kromosom 21 (Downs syndrom), 18 (Edwards syndrom) og 13 (Pataus syndrom).
• De fleste trisomier er ikke levedyktige og resulterer i spontanabort.
• Risikoen for trisomi øker med mors alder, spesielt etter 35 år.
• Trisomi 21 (Downs syndrom) er den mest kjente og vanligste formen for trisomi som er forenlig med liv.

Trisomi er et resultat av feil i meiosen, og illustrerer viktigheten av presis kromosomseparasjon under celledelingen.