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Sind die Chromosomen sinnvoll organisiert?

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Mein Hauptfach ist also Pharmazie, aber sowohl mein Master als auch mein (derzeit in Bearbeitung befindlicher) Doktortitel sind beide in Theoretischer Chemie. Meine Doktorarbeit handelt von Quantenchemie und Proteinen, aber sie hat ein gewisses Maß an Phylogenie und Evolutionsbiologie, so dass ich einige phylogenetische Analysemethoden erlernen musste und meinen Erfahrungsschatz mit Sequenzdatenbanken und Analysetools im Internet gesammelt habe. Obwohl ich mich nicht speziell auf das menschliche Genom oder sogar menschliche Proteine ​​​​konzentriere, habe ich mich über eine ziemlich seltsame Frage Gedanken gemacht.

Ich bin kein Spezialist für Molekular- und Evolutionsbiologie, aber ich verstehe, dass Chromosomen und Gene in der Bevölkerung durch mehrere Mechanismen entstehen. Nun ist es für mich interessant, dass alle Informationen über das biologische Geschlecht beim Menschen in einem einzigen Chromosomenschalter, dem Y-Chromosom, enthalten sind. Angesichts dieser Tatsache habe ich mich gefragt

"Haben wir eine gewisse Ordnung in der Anordnung unserer Gene in ihren Chromosomen?"

Nun wende ich diese Frage an Sie Leute, die für diese Fragen besser gerüstet zu sein scheinen, als ich es sicherlich bin. Verzeihen Sie meine Unwissenheit und geben Sie meiner Neugier nach!

[ZUR ERKLÄRUNG BEARBEITEN]

Okay, um einige Punkte zu klären, die in den Kommentaren angesprochen wurden:

Die Frage ist, ob es ein Muster bei der Organisation von Genen in Chromosomen gibt. Zum Beispiel enthält das Y-Chromosom eindeutig viele Gene, die mit dem Sexualdimorphismus beim Menschen in Verbindung stehen. Ich habe mich gefragt, ob Chromosomen im Allgemeinen diesem allgemeinen Muster folgen. Wenn zum Beispiel Chromosom 1 diese und jene Arten von Genen enthält, als ob es Hinweise auf ein übergreifendes "Thema" hätte.

Ist das klarer?


Biologie OER

Chromosomen bestehen aus doppelsträngigen DNA-Molekülen, die um Histone gewunden und in der vertrauten X-Form kondensiert sind. Bei normaler Funktion sind diese Chromosomen im Zellkern dekondensiert und nicht erkennbar.
Chromosomen in Interphase sind nicht einzeln sichtbar. In Vorbereitung auf die Kernteilung (Mitose oder Meiose) beginnen sie sich enger zu organisieren und zu verdichten, um die Bewegung zu den nachfolgenden Tochterkernen vorzubereiten. Die folgende Animation veranschaulicht den Prozess der Histonverpackung und die molekulare Visualisierung der DNA-Replikation. Histone sind Proteine, die bei der Verpackung der Chromosomen in organisierte Spulen helfen, die während der Metaphase zu den erkennbaren Chromosomen führen.

Große genomische Umlagerungen führen zu genetischen Anomalien. Biologen verwenden eine Technik namens a Chromosomenausbreitung gefolgt von einem Karyotyp oder Karyogramm . Um eine Chromosomenausbreitung zu bewirken, blockiert man das Fortschreiten der Mitose in der Metaphase, in der Chromosomen zu den uns bekannten Strukturen kondensiert werden. Eine Karyotypanalyse ist eine Anordnung der Chromosomen, die in die homologen Chromosomenpaare verteilt sind.

Ein &ldquospektraler&rdquo-Karyotyp eines weiblichen Kerns. Jedes homologe Paar ist “bemalt&rdquo, um sie zu unterscheiden. Ereignisse, die mit der unsachgemäßen Trennung von Chromosomen während der Metaphase verbunden sind, führen zu einer Veränderung der Chromosomenzahl in der nachfolgenden Zellgeneration. Mit den Pop-Beads können wir besser verstehen, wie das Timing dieser Ereignisse zu Unterschieden im Karyotyp führt.


Arten von Chromosomen

Es gibt verschiedene Arten von Chromosomen, die in einer Zelle während eines bestimmten Stadiums der Zellteilung vorhanden sind. Wir werden in dem unten besprochenen Artikel mehr über diese Chromosomentypen erfahren.

Es gibt verschiedene Arten von Chromosomen, die in einer Zelle während eines bestimmten Stadiums der Zellteilung vorhanden sind. Wir werden in dem unten besprochenen Artikel mehr über diese Chromosomentypen erfahren.

Der Zellkern von Pflanzen- und Tierzellen enthält fadenförmige Strukturen, die Chromosomen genannt werden. Diese Chromosomen bestehen aus einem einzelnen Molekül Desoxyribonukleinsäure (DNA) und einem Protein. Diese Chromosomen werden von den Eltern an ihre Nachkommen weitergegeben und enthalten das gesamte genetische Material des jeweiligen Organismus. Das Wort Chromosom stammt aus dem Griechischen. Chroma bedeutet auf Griechisch ‘color’ und soma bedeutet ‘body’. Da sich diese Strukturen mit im Labor verwendeten Farbstoffen sehr stark färben, wurden diese Strukturen als Chromosomen bezeichnet. Diese Chromosomen haben eine sehr wichtige Funktion, ohne die ein Individuum oder Organismus nicht existieren kann.

Welche Funktionen haben Chromosomen?

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Chromosomen haben eine einzigartige Struktur, die die DNA in einer fest gewickelten Position hält. Die DNA-Stränge sind um eine spulenartige Proteinstruktur, die Histone genannt, gelegt. Wäre die DNA-Struktur nicht fest gewunden, wäre es sehr schwierig gewesen, die Stränge im Zellkern unterzubringen. Die Stränge von DNA-Molekülen in einer einzelnen menschlichen Zelle sind im abgewickelten Zustand fast 1,80 m lang. So helfen ihnen die Stränge, die fest gewickelt werden, in dem winzigen, mikroskopisch kleinen Zellkern platziert zu werden. Zu den Funktionen des Chromosoms gehört auch, dass bei der Zellteilung die DNA genau so kopiert und nach der Zellteilung gleichmäßig verteilt wird. Wenn sich die Struktur oder die Anzahl der Chromosomen ändert, kann dies zu schwerwiegenden Geburtsfehlern bei den Nachkommen führen. Daher ist es für jede Fortpflanzungszelle, also die Eizellen und Spermien, unbedingt erforderlich, die richtige Anzahl und den richtigen Aufbau der Chromosomen zu enthalten. Andernfalls führt dies zu schwerwiegenden Komplikationen bei den Nachkommen.

Was ist ein Zentromer und Telomer im Chromosom?

Wenn wir über Chromosomentypen sprechen, werden Sie feststellen, dass die Wörter ‘Zentromer’ und ‘Telomer’ ein paar Mal erwähnt werden. Es ist wichtig, die Struktur eines Chromosoms zu verstehen, bevor wir uns ihre Typen ansehen. Schaut man sich den Aufbau des Chromosoms an, so findet man im linearen Chromosom eine Einschnürung. Dieser verengte Bereich wird Zentromer genannt und muss nicht genau in der Mitte der Chromosomen liegen. Es kann direkt an einem Ende des Chromosoms platziert werden. Die Strukturen auf beiden Seiten des Chromosoms werden als Chromosomenarme bezeichnet. Diese Zentromere sind während der Zellteilung sehr wichtig. Sie helfen bei der richtigen Ausrichtung der Chromosomen und dienen als Befestigungsstelle für die beiden Hälften der replizierten Chromosomen. Diese replizierten Chromosomen werden Schwesterchromatiden genannt, die kopiert werden, um eine neue Zelle zu bilden.

Die sich wiederholenden DNA-Abschnitte an den Enden der linearen Chromosomen werden als Telomere bezeichnet. Sie helfen dabei, zu verhindern, dass sich die DNA aus ihrem fest gewundenen Zustand löst. In manchen Zellen neigen die Telomere dazu, nach jeder Zellteilung nach und nach ihre DNA zu verlieren. Dies geschieht so lange, bis die gesamte DNA verloren geht und die Zelle stirbt. In manchen Zellen gibt es spezielle Enzyme, die diesen DNA-Verlust während der Teilung verhindern. Somit sind diese Zellen im Vergleich zu anderen Zellen in der Lage, ein langes Leben zu führen. Zu den weiteren Teilen des Chromosoms gehören neben Zentromer und Telomer die primären und sekundären Einschnürungsregionen mit ihren Satelliten, Häutchen, Matrix, Chromonematen und Kinetochoren.

Chromosomen beim Menschen gefunden

Chromosomen sind stark dispergiert und vor der Zellteilung schwer zu lokalisieren. Wenn sich die Zelle zu teilen beginnt, sind die Chromosomen deutlich zu sehen und können fotografiert sowie ihre Morphologie, Größe und Form untersucht werden. Die Chromosomentypen werden in zwei Kategorien unterteilt, Autosomen und Geschlechtschromosomen. Diese Typen werden im Folgenden erläutert:

♦ Autosomen

Autosomen sind Strukturen, die die Erbinformationen enthalten. Sie enthalten keine Informationen zur Fortpflanzung und Geschlechtsbestimmung. Sie sind bei beiden Geschlechtern identisch, d. h. bei männlichen und weiblichen Spezies des Menschen. Beim Menschen gibt es 46 (2n) Chromosomen. Von diesen 46 Chromosomen gibt es 44 Autosomenpaare und enthalten Informationen zu den phänotypischen Merkmalen.

♦ Allosomen/ Heterosomen

Die Allosomen sind Geschlechtschromosomen, die sich in Form, Verhalten und Größe von Autosomen unterscheiden. Beim Menschen gibt es ein Paar Allosomen. Die X-Chromosomen sind in der Eizelle vorhanden und entweder das X- oder das Y-Chromosom kann in den Spermien vorhanden sein. Diese Chromosomen helfen bei der Bestimmung des Geschlechts der Nachkommen. Wenn die Nachkommen sowohl von der Mutter als auch vom Vater das X-Chromosom erhalten, entsteht ein weibliches Kind (XX). Erhält der Nachwuchs von den Eltern ein X- und ein Y-Chromosom, entsteht ein männliches Kind (XY). In einfachen Worten ist es die Spende des X- oder Y-Chromosoms durch den Vater, die bei der Bestimmung des Geschlechts des Kindes hilft.

Abgesehen von diesen beiden Kategorien können Chromosomen weiter nach der Lage des Zentromers und der Anzahl der Zentromere unterteilt werden.

♦ Chromosomentypen: Basierend auf der Zentromerposition

Chromosomen werden basierend auf der Zentromerposition in vier Typen unterteilt. Diese vier Typen sind wie folgt:

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Metazentrisches Chromosom
Das Zentromer des metazentrischen Chromosoms liegt zentral zwischen den beiden Armen. Dies verleiht dem Chromosom eine typische ‘V’-Form, die während der Anaphase zu sehen ist. Die Arme dieses Chromosoms sind ungefähr gleich lang. In bestimmten Zellen führt die Verschmelzung zweier akrozentrischer Chromosomen zur Bildung eines metazentrischen Chromosoms.

Submetazentrisches Chromosom
Die Arme des submetazentrischen Chromosoms sollen ungleich lang sein. Dies liegt daran, dass das Kinetochor in der submedianen Position vorhanden ist. Dadurch entsteht die ‘L’-Form des submetazentrischen Chromosoms.

Telozentrisches Chromosom
Auch als monarchischer Chromosomentyp bekannt, haben sie ein Zentromer, das sich am Ende des Chromosoms befindet. Daher haben telozentrische Chromosomen ein ‘Stäbchen’-förmiges Aussehen. In einigen Fällen erstrecken sich die Telomere von beiden Chromosomenenden. Das telozentrische Chromosom ist beim Menschen nicht vorhanden.

Subtelozentrisches Chromosom
Chromosomen, deren Zentromer näher am Ende als am Zentrum liegt, werden als subtelozentrische Chromosomen bezeichnet.

Akrozentrisches Chromosom
Die Lage des Zentromers im akrozentrischen Chromosom ist subterminal. Dadurch wird der kurze Arm des Chromosoms sehr kurz, was die Beobachtung sehr schwierig macht.

Holozentrisches Chromosom
Bei holozentrischen Chromosomen verläuft das Zentromer über die gesamte Länge des Chromosoms. Diese Chromosomen kommen sehr häufig in Zellen von Organismen des Tier- und Pflanzenreiches vor.

♦ Chromosomentypen: Basierend auf der Zentromerzahl

Die Anzahl der auf dem Chromosom vorhandenen Zentromere hilft bei der Bestimmung des Chromosomentyps. Diese verschiedenen Chromosomentypen basierend auf der Anzahl der Zentromere sind wie folgt:

Azentrisches Chromosom
Azentrische Chromosomen sind solche, denen Zentromere fehlen, d. h. das Zentromer fehlt vollständig auf dem Chromosom. Diese Chromosomen werden aufgrund von Auswirkungen von Chromosomenbruchprozessen wie Bestrahlung beobachtet.

Monozentrisches Chromosom
Monozentrische Chromosomen sind solche, die ein einzelnes Zentromer enthalten. Diese Art von Chromosomen ist in den meisten Organismen vorhanden. Die monozentrischen Chromosomen können als akrozentrisch bezeichnet werden, wenn sich das Zentromer am Ende des Chromosoms befindet. Liegt das Zentromer zum Zentrum hin, spricht man von einem metazentrischen Chromosom. Und telozentrische Chromosomen sind diejenigen, bei denen das Zentromer am Ende des Chromosoms vorhanden ist.

Dizentrisches Chromosom
Dizentrische Chromosomen sind solche, die zwei Zentromere an ihren Armen haben. Diese Chromosomen werden gebildet, nachdem zwei Chromosomenabschnitte mit je einem Zentromer Ende an Ende fusioniert sind. Dadurch verlieren sie ihre azentrischen Fragmente, was zur Bildung eines dizentrischen Chromosoms führt.

Polyzentrisches Chromosom
Polyzentrische Chromosomen sind solche, die mehr als zwei Zentromere enthalten. Diese Chromosomen sind in Pflanzen sehr verbreitet, zum Beispiel hat der Natternzungenfarn 1262 Chromosomen.

Die Chromosomentypen beim Menschen werden wie oben gezeigt in zwei Kategorien unterteilt. Dazu gehören die Autosomen und die Geschlechtschromosomen. Insgesamt enthält der Mensch also 22 Autosomenpaare und ein Paar Geschlechtschromosomen. Dies führt zum Vorhandensein von 46 Chromosomen pro Zelle. Chromosomen sind für jeden Organismus sehr wichtig, da die Zukunft ihrer Nachkommen von der normalen Teilung und Trennung der Chromosomen abhängt.

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Eine Zelle, die die Hälfte der Chromosomenmenge einer diploiden Zelle enthält, wird als haploide Zelle bezeichnet. Dieser Artikel wird Ihnen helfen, mehr zu verstehen.

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3D-Kreaturenkonstruktion: Chromosomen von Grund auf aufbauen

Quelle: Wikipedia

Das Genome in a Box-Projekt wurde von den Forschern Anthony Birnie und Cees Dekker vom Dept. of Bionanoscience der Technischen Universität Delft entwickelt. Ihr erklärtes Ziel ist es, von unten nach oben ein funktionierendes Chromosom aufzubauen, beginnend mit der nackten DNA. Theoretisch könnte die Rohsequenz mit DNA-Synthesemaschinen in Stücken gedruckt und dann mit dem richtigen Code des gewünschten Chromosoms zu einer langen Kette zusammengefügt werden. Das wäre in der Praxis zumindest mit unserer bestehenden Technik fast unmöglich. Es gäbe keine Möglichkeit, die zerbrechlichen Schnüre so zu sortieren, dass sie ohne Fehler richtig verbunden und gefaltet werden könnten.

Stattdessen schlagen die Forscher vor, einen deproteinierten DNA-String in Genomgröße, der aus lebenden Zellen isoliert wurde, zu nehmen und dann sorgfältig geeignete DNA-organisierende Elemente nacheinander hinzuzufügen, um die Sequenz zu binden und zu einem richtigen Chromosom innerhalb einiger entsprechend fortschrittlicher Mikrofluidik zu verdichten Gerät. Zu diesen DNA-Organisatoren gehören verschiedene Histonproteine, die zu einem Individuum führen

200 Basenpaar-DNA-Segmente, um eine kondensierte Bead-on-a-String-Konfiguration zu bilden. Diese Nukleosomen werden dann miteinander verbrückt und durch SMC-Motorproteine ​​(Structural Aufrechterhaltung der Chromosomen) in Schleifen höherer Ordnung extrudiert. Typische SMCs, wie Cohesin- und Condensinkomplexe, können DNA schnell mit einer Geschwindigkeit von 2000 bps/s einspulen, können aber nur mit einer Stallkraft von etwa einem Piconewton ziehen.

Diese Schleifen werden dann weiter mit Handschellen zusammengefesselt, um große, topologisch assoziierende Domänen (TADs) zu bilden, die zumindest für Säugetiere in einer Größenordnung von etwa 880 kb erzeugt werden. Epigenetische Marker werden auch hinzugefügt, um transkriptionell aktive (Euchromatin) oder reprimierte (Heterochromatin) Domänen zu definieren, die wiederum letztendlich in verschiedene Chromosomenterritorien innerhalb des Zellkerns organisiert sind. Andere Proteine, einschließlich Polymerasen, laufen entlang der Kette und führen vor ihnen positive Supercoiling und Torsionsspannung ein, und negative Supercoils in ihrem Gefolge, während Topoisomerasen helfen, verwobene Ketten zu dekatenieren, um die Topologie weiter zu kontrollieren.

In ihrem letzten Artikel für ACS Nano, dem Stil des Autors, seine zukunftsweisenden Genom-in-a-Box-Pläne nach dem in der Physik so geschätzten theoretischen Teilchen-in-a-Box-Konstrukt. Darüber hinaus schlagen sie vor, dass übergreifende physikalische Prinzipien, einschließlich Phasentrennung und Ideen aus der Polymerphysik, das Experiment leiten können. Sie hoffen, dass diese In-vitro-Studien im Erdgeschoss einen Einblick in die wahre Natur der Chromosomen geben, den die derzeit verwendeten top-down-, fluoreszenzbasierten Bildgebungs- und Immunpräzipitationsmethoden einfach nicht geben können. Aber wird das alles wirklich funktionieren? In natürlich vorkommenden Chromosomen zum Beispiel folgen die obigen Prozesse nicht immer in einer Lock-Step-Sequenz aufeinander. Epigenetische Anpassungen und Histon-Umhüllung könnten an einer Stelle stattfinden, während Loop-Extrusion und Supercoiling an einer anderen stattfinden. Tatsächlich könnte alles Obige in der einen oder anderen Form gleichzeitig auftreten.

Während das Ziel, ein vollständiges eukaryotisches oder sogar bakteriell gewonnenes Chromosom nachzubilden, eine edle Anstrengung ist, könnten Wissenschaftler vielleicht mit etwas Handhabbarem beginnen. Die mitochondriale DNA (mtDNA) ist in einem Nukleoid von nur etwa 16.600 bps organisiert. Im Gegensatz dazu ist selbst unser kleinstes Chromosom, Chromosom 21 (nicht 22 oder Y) mit 48 Millionen bps um mehrere Größenordnungen größer. Tatsächlich zeigten Bemühungen, künstliche Nukleoide in vitro nachzubauen, bereits erste Erfolge mit nur wenigen organisierenden Proteinen. Zum Beispiel wurde ein minimales mitochondriales Replisom verwendet, um festzustellen, dass Twinkle die Helikase ist, die an der mtDNA-Replikationsgabel verwendet wird. Die definitive mtDNA-Polymerase (POLγ) kann keine doppelsträngige DNA-Matrize für die DNA-Synthese verwenden, jedoch können in Kombination mit Twinkle DNA-Einzelstränge bis zu 2 kb synthetisiert werden. Wenn ssDNA-bindendes Protein (mtSSB) zum Mischen hinzugefügt wird, könnten DNA-Produkte bis zu etwa 16 kb hergestellt werden – d. h. die gleiche Größe wie Säuger-mtDNA.

Nehmen wir der Argumentation halber an, ein Wissenschaftler versucht, alle Chromosomen nur aus Sequenz- und epigenetischen Tag-Informationen aufzubauen. Ist das theoretisch überhaupt möglich? Mit anderen Worten, gibt es genügend Informationen im Rohcode, um sicherzustellen, dass die Nukleosomen an den richtigen Stellen bereitgestellt werden und die Schleifen auf die richtige Länge extrudiert werden usw Bau eines anderen?

Anders ausgedrückt, gibt es nur eine stabile oder optimale Lösung, um ein funktionierendes Chromosom von Grund auf neu zu konfigurieren (wie erfolgreiche Proteine ​​immer richtig falten), oder gibt es so viele mögliche Lösungen, dass ganz andere oder sogar funktionslose Organismen resultieren würden? Es scheint, dass es viele Möglichkeiten geben würde. Dies sind nicht nur leere Spekulationen, denn viele Möchtegern-Kreaturenschöpfer befinden sich jetzt an ihren genetischen Reißbrettern. Der Unterschied zwischen einem Elefanten und einem Mammut scheint hauptsächlich in der Sequenz und in der Epigenetik zu liegen. Daher ist die Rekonstruktion von Mammuts aus degradierten genetischen Quellen wahrscheinlich nicht so schwierig.

Aber wie wäre es mit einem Drachen? Wenn man bedenkt, dass wir bald ziemlich vollständige Chromosomensequenzen und strukturelle Informationen für alle lebenden Tiere und sogar ausgestorbene Flugsaurier und Tyrannosaurier haben werden, ist es nicht ganz undenkbar, dass ein gutes BioCAD-Paket verwendet werden könnte, um ein vernünftiges Faksimile eines Drachen zu entwickeln. Und doch gibt es keine Drachen im Fossilienbestand. Zumindest auf der Erde ist ein Drache ein Garten Eden-Tier – es gibt vermutlich keine Möglichkeit, einen von Grund auf neu zu bekommen. Es scheint vernünftig, dass ein Drache eine lebensfähige physiologische Form in dem Sinne sein könnte, dass, wenn ein großer Flugsaurier chirurgisch in einen geeigneten Drachen umgewandelt wurde, er einige Zeit bestehen bleiben könnte, wenn auch wahrscheinlich steril. Es ist eine ganz andere Frage, ob ein solches Tier jemals in DNA kodiert und in stabile Chromosomen eingehüllt werden könnte, die sich zu einem lebenden, sich fortpflanzenden Tier entwickeln könnten.

Während das Problem des Aufbaus eines Satzes lebensfähiger Drachenchromsomen einen Schritt über die Genom-in-a-Box-Anstrengungen für existierende Tier- oder sogar menschliche Chromsomen hinausgeht, zeigt es einen möglichen Mangel des Schemas auf. Es kann möglich sein, irgendwann ein bestimmtes Chromosom aus einer Sequenz herzustellen, aber möglicherweise nicht das tatsächlich richtige Chromosom, insbesondere wenn dies isoliert erfolgt. Mit anderen Worten, die Chromosomen brauchen sich möglicherweise physisch, um sich selbst aufzubauen. Chromosomen interagieren in verschiedenen Phasen des Zellzyklus und in verschiedenen Entwicklungsstadien unterschiedlich miteinander. Während der Keimzell- und Embryonalentwicklung finden unterschiedliche Phasen des epigenetischen Neustarts statt.

Zum Beispiel scheiden sich differenzierende Spermienzellen ihre Histone ab und legen vorübergehend eine Protaminhülle an, um eine kompaktere Konfiguration anzunehmen, um sich darauf vorzubereiten, ihre Gegenstücke in der Eizelle zu treffen. Für einige Zeit danach behalten Chromosomen eine gewisse Erinnerung an ihren ursprünglichen Elternteil. Da Chromosomen im Laufe der Zell- und Organismusentwicklung ihre eigene Struktur ständig ändern, könnte eine grundlegende Frage für ein „Genom in einer Kiste“ lauten: Welches Chromosomstadium wollen wir zuerst herstellen?


Geschichte verändern

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Euchromatin and Heterochromatin

Chromatin within a cell may be compacted to varying degrees depending on a cell's stage in the cell cycle.

In the nucleus, chromatin exists as euchromatin or heterochromatin. During interphase of the cycle, the cell is not dividing but undergoing a period of growth.

Most of the chromatin is in a less compact form known as euchromatin. More of the DNA is exposed in euchromatin allowing replication and DNA transcription to take place.

During transcription, the DNA double helix unwinds and opens to allow the genes coding for proteins to be copied. DNA replication and transcription are needed for the cell to synthesize DNA, proteins, and organelles in preparation for cell division (mitosis or meiosis).

A small percentage of chromatin exists as heterochromatin during interphase. This chromatin is tightly packed, not allowing gene transcription. Heterochromatin stains more darkly with dyes than does euchromatin.


Similarities between Prokaryotic and Eukaryotic Chromosomes

Ø The chromosome of both prokaryotes and eukaryotes contains the genetic material DNA.

Ø The chemical composition and structural organization of DNA is similar in both prokaryotes and eukaryotes.

Ø In both prokaryotes and eukaryotes, the expression of genetic material is facilitated by transcription and translation.

Ø In both groups, the negatively charged DNA interacts with some positively charged proteins to nullify their charges.

Ø The genetic material contains both coding and noncoding sequences.

Ø In both groups, the methylation of DNA in the chromosome causes its inactivation.

Ø Both groups contain extra-chromosomal genetic materials. (plasmids in prokaryotes and DNA of mitochondria and chloroplasts in eukaryotes)


4. The somatic cells of sexually-reproducing eukaryotic organisms are diploid, meaning that they have 2 sets of homologous chromosomes.

The somatic cells of the human body—that is, the cells that aren’t gametes, or sex cells—each have 46 chromosomes. They are diploid cells, which means that those 46 chromosomes are organized into 23 pairs. Diploid is sometimes abbreviated as 2n (where n is the number of different chromosomes).

In humans, 22 out of the 23 chromosome pairs are autosomes, or non-sex chromosomes. These are referred to as homologe Paare because the two chromosomes within the pair are the same size and shape and contain the same genes (with potentially different alleles, which are alternate versions of a gene). The 23rd pair is made up of the sex chromosomes. Typically, people who are biologically male have an XY genotype (an X chromosome and a Y chromosome), and people who are biologically female have an XX genotype (two X chromosomes). The XX pair, but not the XY pair, is considered to be a homologous pair.

The sex cells, or gametes, of sexually-reproducing eukaryotic organisms are haploide (1n), meaning they only have 23 unpaired chromosomes. When a sperm cell fertilizes an egg, the resulting zygote is diploid the combination of the two haploid sex cells is what results in the zygote having the full 46 chromosomes. One chromosome in each pair comes from the mother’s egg cell, and the other comes from the father’s sperm cell.


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Hi - I've recently become interested/fascinated by genetics my basic question is:- 'why' is the [human] genome split into separate chromosomes rather than being one long strand and what determines[ed] which genes went to which chromosome?

-A curious adult from the United Kingdom

You're right that these questions are basic. But this doesn't mean they are simple. Sometimes the simplest questions about biology and genetics are the hardest to answer.

To some extent the number of chromosomes and which genes are on each chromosome may be due to blind evolutionary chance. But that's not the whole story.

Why is the human genome split into separate chromosomes rather than being one long strand?

First let me remind you that we humans have 46 chromosomes in each of our cells. So why 46 chromosomes? Why not one giant one?

Some of the simplest forms of life, like bacteria, keep all of their DNA in a single chromosome. However, more complex creatures (like humans!) divide their DNA into lots of different chromosomes.

One reason for this difference may have to do with how each kind of beast makes babies. Bacteria make new bacteria asexually. This means that when they make new bacteria, they just split in two with each half getting a copy of the same DNA.

Most other creatures make new offspring sexually. What this does is combine DNA from two parents to make the child.

We all have two copies of every chromosome (except males who have one X and one Y plus 22 other pairs). Mom and dad give us copies of half their DNA -- one of each chromosome. At the end, we all have two copies of each of our chromosomes just like mom and dad. But our DNA is a mix of mom's and dad's.

Each egg or sperm gets 23 chromosomes (half of each pair). Which chromosome they get in the pair is totally random. When you do the math, this comes out to 10 trillion different possible combinations. If we had only one pair of chromosomes, the number drops to 4.

Of course, none of this would matter if the chromosomes were exactly the same between mom and dad. Luckily they're not. In fact, there is on average 6 million differences between any two people's DNA.

The mixing of DNA in this way generates lots of these differences. This 'genetic diversity' is very important for survival. Not necessarily the survival of any one individual, but for the species as a whole.

Say, for example, a new deadly disease hits (think of the plague during the Middle Ages). Lots of people would die, but some would live. Some of these survivors would live because they had the right set of DNA differences.

And reproducing sexually increases genetic diversity hugely. Without it, we'd have to rely on random DNA changes which wouldn't cause as much mixing. And random changes can cause lots of problems with "bad" mutations that mixing doesn't.

So this addresses the question of why we don't simply have one long strand of DNA. We need more than one to increase genetic diversity.

But why 46 exactly? How (or why) we ended up with exactly 46 chromosomes is somewhat of an evolutionary mystery.

Generally speaking though, species that are closely related have a similar number of chromosomes. For example, chimpanzees and other great apes, our closest evolutionary cousins, have 48.

Over time, pieces of chromosomes break off and stick to other chromosomes. Sometimes whole chromosomes stick to other chromosomes. At some point in the last 6-8 million years, two of our chromosomes fused together to make our chromosome 2. We know this because our chromosome 2 is really just two chimpanzee chromosomes fused together.

It is this sort of rearrangement that helped to give our current number of chromosomes. As you can see from this example, this number is certainly not fixed, it can and does change.

So similar species tend to have a similar number of chromosomes. But aside from this general rule there is very little rhyme or reason to how many chromosomes a species has.

For example, the number doesn't have to do with how complicated the species is. We have 46 chromosomes but a goldfish has 94, and a certain type of fern (Ophioglossum reticulatum) has 1,260. And it's safe to say we're more complex than a fern!

What determines which genes are on which chromosome?

This is another interesting question for which I'm afraid I don't have a straightforward answer. To some extent it may be that which genes are on which chromosomes is the luck of the evolutionary draw.

We know that chromosomes contain different genes or "chunks" of the genome. Genes are simply stretches of DNA that contain instructions in a 4 letter, 64 word code for making a protein.

Proteins are the workers in the cell. Almost anything that needs doing is done by a protein. They carry our oxygen, help us see and even think!

In bacteria, those simple organisms with only one chromosome, the genes are organized into groups based on what the genes do for a living. For example, all the genes needed to digest lactose, the sugar found in milk, are grouped together on the chromosome.

When there is lactose around, all the genes can get used together. Our genes may have started out similarly a billion years ago or so. But then those rearrangements we talked about earlier started happening. Also, for reasons we won't go into, virus-like DNA picked up genes and moved them around. The end result is that our genes started getting separated and moved around.

In humans for example, the gene for alpha globin, a part of the hemoglobin protein that carries oxygen in red blood cells, is found on chromosome 16. However, the gene for beta globin, the other part of the hemoglobin protein, is found on chromosome 11.

Of course, our genes aren't just a jumbled mess. Some parts of our chromosomes are organized by function.

The infamous Y chromosome contains all the genes needed for 'maleness'. Since both males and females have X chromosomes, the genes for 'femaleness' are not grouped on the X chromosome but instead are spread throughout the genome.

Chromosome rearrangements and gene hopping may make the order of our genes less organized. But there is another process at work that makes groups of genes that are more organized on our chromosomes. This is called 'gene duplication'.

Like it sounds, gene duplication is when a region of DNA on a chromosome containing a gene gets copied. This new version of the gene becomes part of the genome and lives very close to its parent gene on the chromosome (unless a rearrangement happens!).

Gene duplication is one way that new genes are born. Over time, small changes build up in human DNA. These random changes, or mutations, occur differently in the DNA of each version of the gene.

What can happen is that the mutations cause the two genes to evolve different jobs. After awhile, you end up with a new gene having a new function.

But these two genes are near each other and usually do pretty similar sorts of jobs. This results in more organization as genes that are doing similar things are near each other.

I hope these answers help you to understand a little bit about why our genes and chromosomes are set-up the way they are. As you can see, we scientists are just beginning to understand the answers to these very interesting and important questions ourselves. Thanks for asking!


The work on Drosophila

Morgan apparently began breeding Drosophila in 1908. In 1909 he observed a small but discrete variation known as white-eye in a single male fly in one of his culture bottles. Aroused by curiosity, he bred the fly with normal (red-eyed) females. All of the offspring (F1) were red-eyed. Brother–sister matings among the F1 generation produced a second generation (F2) with some white-eyed flies, all of which were males. To explain this curious phenomenon, Morgan developed the hypothesis of sex-limited—today called sex-linked—characters, which he postulated were part of the X-chromosome of females. Other genetic variations arose in Morgan’s stock, many of which were also found to be sex-linked. Because all the sex-linked characters were usually inherited together, Morgan became convinced that the X-chromosome carried a number of discrete hereditary units, or factors. He adopted the term gene, which was introduced by the Danish botanist Wilhelm Johannsen in 1909, and concluded that genes were possibly arranged in a linear fashion on chromosomes. Much to his credit, Morgan rejected his skepticism about both the Mendelian and chromosome theories when he saw from two independent lines of evidence—breeding experiments and cytology—that one could be treated in terms of the other.

In collaboration with A.H. Sturtevant, C.B. Bridges, and H.J. Muller, who were graduates at Columbia, Morgan quickly developed the Drosophila work into a large-scale theory of heredity. Particularly important in this work was the demonstration that each Mendelian gene could be assigned a specific position along a linear chromosome “map.” Further cytological work showed that these map positions could be identified with precise chromosome regions, thus providing definitive proof that Mendel’s factors had a physical basis in chromosome structure. A summary and presentation of the early phases of this work was published by Morgan, Sturtevant, Bridges, and Muller in 1915 as the influential book The Mechanism of Mendelian Heredity. To varying degrees Morgan also accepted the Darwinian theory by 1916.

In 1928 Morgan was invited to organize the division of biology of the California Institute of Technology. He was also instrumental in establishing the Marine Laboratory on Corona del Mar as an integral part of Caltech’s biology training program. In subsequent years, Morgan and his coworkers, including a number of postdoctoral and graduate students, continued to elaborate on the many features of the chromosome theory of heredity. Toward the end of his stay at Columbia and more so after moving to California, Morgan himself slipped away from the technical Drosophila work and began to return to his earlier interest in experimental embryology. Although aware of the theoretical links between genetics and development, he found it difficult at that time to draw the connection explicitly and to support it with experimental evidence.

In 1924 Morgan received the Darwin Medal in 1933 he was awarded the Nobel Prize for his discovery of “hereditary transmission mechanisms in Drosophila” and in 1939 he was awarded the Copley Medal by the Royal Society of London, of which he was a foreign member. In 1927–31 he served as president of the National Academy of Sciences in 1930 of the American Association for the Advancement of Science and in 1932 of the Sixth International Congress of Genetics. He remained on the faculty at Caltech until his death.


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Bemerkungen:

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