Sejtmag, kromatin, kromoszóma. Replikáció. Dr. H.-Minkó Krisztina Semmelweis Egyetem Humánmorfológiai és Fejlődésbiológiai Intézet 2015 szeptember 15.

Csak az eukariótáknak van sejtmagjuk Prokarióta – nincs sejtmag Eukarióta – van sejtmag A sejtmag mérete a legtöbb sejt esetében 5-10 µm körül mozog.

Figure 1-29 Essential Cell Biology (© Garland Science 2010)

Makrofág (eukaryota) fagocitált baktériummal (prokaryota) bacterium makrophag

A sejtmag fénymikroszkópos megjelenése Gerincvelő – Nissl-festés Mellékhere – Haematoxylin-Eosin festés Vérkenet May-Grünwald-Giemsa festés Üvegpoc – Toluidinkék festés

Többmagvú óriássejtek Izomrost – HE festés Többmagvú óriássejtek fiziológiás körülmények között is keletkezhetnek. Az emberi szervezetben többmagvú (polyploid) sejtek többnyire sejtek összeolvadása során jönnek létre (Syntytium). Óriássejtek részeleges mitózisban, a cytokinesis elmaradása esetén is kialakulhatnak (Plasmodium). Osteoclast csontszövetben – HE festés

A sejtmag egy kompartimentum Sejtmag membrán Sejtmag Durva felszínű ER Ribosoma Sima felszínű ER

A sejtmag tartalma a chromatin

A sejtmag részei: kromatin: bazofilan festődő állomány, lehet laza szerkezetű (eukromatin) és tömött (heterokromatin), fő alkotóelemei a DNS és fehérjék magvacska (nucleolus): 1 v. több rögöcske, bazofil festődés, fő komponensei a rRNS és ribosoma előalakok magburok v. maghártya: a magot borító „hártya”, valójában kettős membrán pórusokkal heterokromatin magvacska eukromatin   magburok

A kromatin fénymikroszkópos megjelenése Interfázisban Sejtosztódás során Euchromatin Enyhén kondenzált DNS, intenzív transzkripció Heterochromatin Erősen kondenzált DNS, csekély transzkripció Látható kromoszómák Maximálisan kondenzált DNS, nincs transzkripció

Nucleolus Basophil testecske a sejtmagban, RNS-specifikus festékekkel festődik. „Riboszóma-gyár”: az rRNS transzkripciójának és a riboszóma-alegységek összeszerelésének a helye. Több más ribonukleoprotein (tRNS, SRP, …) is itt alakul ki. magvacska idegsejtben A riboszómák képződése: A haploid készletben 5 kromoszóma tartalmaz rRNS géneket, többszörös példányban (nucleoulus organisator regio: NOR). A többnyire egyetlen nagy magvacskában a 10 kromoszóma NOR szakaszai egymás felé fordulnak. Az átírt rRNS enzim segítségével 3 darabra vágódik, egy további kis darab (5,8S RNS) egy másik kromoszómáról származik. A riboszóma-fehérjék magimporttal jutnak be a cytosolból a magpórusokon keresztül, a nucleolusban komplexálódnak az ott átírt RNS-sel. A kialakult riboszóma alegységek magexporttal szállítódnak ki a cytosolba. granuláris komponens (ribonukleoprotein részecskék) filamentáris komponens (RNS darabok)

Idegesejt sejtmag EM-felvétel Nucleolus II. Magvacskák száma: interfázisban 1 nagy nucleolus, sejtosztódás elején és sejtosztódás után több kisebb (a NOR kromoszómáknak megfelelően) Intenzív fehérjeszintézis morfológiai jele a fénymikroszkópban: nagy magvacska és basophil cytoplasma (sok ribosoma miatt) Idegesejt sejtmag EM-felvétel Máj – HE festés

(Perinukleáris ciszterna) Maghártya Perinukleáris rés (Perinukleáris ciszterna) Riboszóma Külső membrán Belső membrán Magpórus- komplex Nukleáris lanima

Nukláris lamina Prometafázis Telofázis A nukleáris lamina a maghártya belső membránjának belső felszínéhez fekszik hozzá. Felépítésében a sejtváz intermedier filamentumai közé tartozó lamin fehérjék vesznek részt. Fő funkciója a maghártya stabilizálása és a maghártya felbomlásának és újraképződésének szabályozása. A sejtosztódás kezdetén, a prometafázisban a laminokat enzimek foszforillálják, ami a fehérje konformáció megváltozásához vezet. A foszforilállt laminok disszociációja révén a nukleáris lamina szétesik, amit a maghártya szétesése követ. Az osztódás egy későbbi fázisában, a telofázisban a foszfátcsoport eltávolításra kerül a laminokról. A laminok eredeti konformációjukat visszanyerve ismét kialakítják a laminát, ami körül a maghártya újra összerendeződik.

Magpóruskomplexek a sejtmag belseje felöl nézve. Scanning EM felvétel A magpóruskomplex szerkezete A magpóruskoplexek 8 perifériás egységből (Oktamer) és egy centrális csatornából állnak (EM felvétel) Szám: több száztól több ezerig / mag Méret: Átmérő 50-100 nm, centrális csatorna 10 (-25) nm Molekulasúly: 125 millió Da, 30 különböző fehérjéből épül fel Magpóruskomplexek a sejtmag belseje felöl nézve. Scanning EM felvétel

A magpóruskomplexen keresztüli transzport A magpórusok mindkét irányban lehetővé teszik a makromolekulák szabályozott transzportját a sejtmag és a citoplazma között. A transzport aktív folyamat, és az energiaigényt GTP hidrolíziséből fedezi. A fehérjék kizárólag a citoplazmában, míg a fehérjék szintéziséhez nélkülözhetetlen RNS-molekulák (tRNS, mRNS, rRNS) kizárólag a sejtmagban keletkeznek. Ezek az RNS-molekulák a magpórusokon keresztül vándorolnak ki a citoplazmába. Számos fehérje (replikációs és transzkripciós enzimek, hisztonok, stb.) a magban tölti be szerepét, ezek keletkezésük után a citoplazmából lépnek be a sejtmagba. A riboszómális alegységek is a sejtmagban kerülnek összeépítésre, és az ezeket alkotó fehérjék is a citoplazmából transzportálódnak be a sejtmagba. Magfehérjék importja a citoplazmából a sejtmagba A magfehérjék ún. maglokalizációs szignállal jelzettek (Replikációs enzimek és transzkripciós enzimek, transzkripciós faktorok, hisztonok, laminok, riboszómális fehérjék, stb.) RNS exportja a citoplazmából a sejtmagba (mRNS, tRNS, riboszómális alegységek) A kis molekulák (<50 kDa) szabadon diffundálhatnak A nagy molekulák (>50 kDa) szabályozott aktív transzporttal szállítódnak

Transzport a magpórusokon keresztül Magimport és export jelek: magfehérjéken rövid peptidszakasz(ok)  magimport jel rendben, fehérje a sejtmagban magimport jel hibás, fehérje a cytoplasmában marad A transzport mechanizmusa többféle. Jellemző példa: a fehérje magimportjelét egy importreceptor fehérje ismeri fel, ezt a komplexet a RanGDP fehérje viszi át a póruskomplex csatornáján a magba, ott a GDP GTP-re cserélődik a Ran fehérjén, mire a receptor elereszti a magfehérjét. A receptor a RanGTP-vel együtt visszajut a cytoplasmába.

dER Maghártya Sejtmag

Magpórus dER Maghártya Sejtmag

Pórusok a magburkon   Fagyasztva-tört preparátum, EM felv. Póruskomplexek a magburok lapszerinti metszetén, EM felv.

Genom, kromatin, kromoszóma Genom: az örökítőanyagban tárolt információ összessége. Kromatin: A sejtmagot kitöltő anyag, ami főként DNS-ből, RNS-ből és fehérjékből áll. Kromószóma: A kromatin szerveződési egysége. Állhat egy DNS-kettősspirálból és a hozzá asszociált fehérjékből (egykromatidás kromoszóma), de állhat két DNS-kettősspirálból és asszociált fehérjékből is (kétkromatidás kromoszóma) Kromoszómakészlet: A sejt kromoszómáinak összessége. Az emberi genom 23 különböző kromoszómában tárolódik. A diploid testi sejtek (szomatikus sejtek) mindegyik kromoszómából két darabot tartalmaznak. Az ivarsejtek (Gaméták) haploidok, mert bennük minden kromoszóma csak egyszeresen fordul elő.

DNS: az alapok Hosszú, lineáris makromolekula. Adenin, Guanin, Timin, Citozin. Nukleotid (pentóz+ bázis+ foszfát-csoport) Kettős szálú molekula Antiparalell lefutás. 5’- és 3’- vég Komplementer bázisok: A-T és G-C. Erős negatív töltés a foszfátcsoportok miatt!!! 5’ 3’ 3’ 5’

Replikáció Replikáció: A DNS megkettőződése a sejtmagban. A kettősspirál egy enzim segítségével (Helikáz) egyszálú DNS-láncokká válik szét. A replikáció során az eredeti DNS mindkét szála leolvasásra kerül, és mindkét szál mentén egy-egy új, komplementer és antiparalell lefutású új DNS-szál képződik (szemikonzervatív replikáció). Replikációs enzimek (helikáz, primáz, ligáz, DNS-polimeráz, topoizomeráz). Az újonnan szintetizált lánc mindig a 3’-végen növekszik. Jelentősége: A DNS a sejtoszlás előtt megkettőződik, így mindkét utódsejtbe azonos mennyiségű és minőségű örökítő anyag kerül.

Chromatin struktúra - Fehérjék Nukleoszóma A hisztonok olyan bázikus fehérjék (H1, H2a, H2b, H3, H4), amik pozitív töltésük révén könnyen alakítanak ki ionos kötéseket a negatív töltésű DNS-sel. A H2a, H2b, H3 und H4 hisztonokból két-két darab egy központi magot képez, ami körül a DNS ~1,5-szer feltekeredik. Az így kialakult struktúra a nukleoszóma. H1 Hiszton-mag (H2a, H2b, H3, H4) DNS-kettősspirál A hisztonok mellett ún. nem-hiszton fehérjék is ismertek. Nemcsak a kromatin kondenzálásában, hanem többek közt a génszabályozásban és a replikációban Is szerepet játszanak.

DNS kondenzálódás 2 m DNS elhelyezése egy kb. 10 µm-es térben! Példa: 10 cm-es labdában 2000 m hosszúságú fonal elhelyezése. A DNS fehérjék segítségével feltekeredik, a létrejövő kompakt struktúra a kromatin. A DNS legtömörítettebb állapotában (metafáziskromoszóma) 10.000x-re rövidül meg. A nyugvó sejtmagban a DNS a kondenzálódás különböző szintjein van. DNS „Gyöngyfűzér” Gyöngyfűzér struktúra Szolenoid Solenoid Kromatinhurok Kromatida Metafázis-kromoszóma Kromatida Metafázis-kromosoma

A kromatin fénymikroszkópos megjelenése Interfázisban Sejtosztódás során Euchromatin Enyhén kondenzált DNS, intenzív transzkripció Heterochromatin Erősen kondenzált DNS, csekély transzkripció Látható kromoszómák Maximálisan kondenzált DNS, nincs transzkripció

A genom szerveződése az interfázisban Egy nem osztódó emberi testi sejt kromatinja 46 egykromatidás-kromoszóma között oszlik meg. Ebben az állapotban minden kromoszóma egy DNS-molekulát tartalmaz. Speicher & Carter Nature Reviews Genetics 6, 782–792 (1 October 2005)

A genom szerveződése a sejtosztódás alatt A sejtosztódás során a sejt DNS-molekulái megkettőződnek. Egy adott DNS replikációjával létrejövő mindkét kópia együtt marad. A mitózis során kondenzálódó kromoszómák ún. kétkromatidás kromoszómák (metafázis-kromoszómák), amelyek a fent említett módon létrejött két identikus DNS-másolatot tartalmazzák. Az egy kromoszómához tartozó kromatidákat testvérkromatidáknak nevezzük. A kromatidákat a centromer régió magasságában kohezin fehérjék kötik össze. A centromer körül kinetochor fehérjék találhatók, amik a kinetochor-mikrotubulusok kromoszómához kötődését segítik elő. A sejt kromoszómái a rájuk jellemző hossz, centromer pozíció és a típusos festődési kép alapján azonosíthatóak egyértelműen. telomer p-kar (rövid kar) DNS centromer q-kar (hosszú kar) kinetochor kromatidák

DNA and RNA transcription video - real time http://www.youtube.com/watch?v=TSv-Rq5C3K8

Felhasznált irodalom Neil A. Campbell, Jane B. Reece, und Jürgen Markl : Biologie, 7. Auflage Pearson Studium Alberts – Johnson – Lewis – Raff – Roberts – Walter: Molecular biology of the cell. 5. Auflage, Garland Science Dr. Röhlich Pál és Dr. Szabó Arnold előadásai A Humánmorfológiai és Fejlődésbiológiai Intézet fény- és elektronmikroszkópos felvételei