8.1 Cytologické základy dědičnosti 8.1.1 Chromozomy, jejich struktura a funkce CHROMOZOMY. U eukaryotních organizmů jsou geny z převážné části umístěny na chromozomech soustředěných v buněčných jádrech. Buněčné jádro a pochody, které v něm probíhají, mají proto pro dědičnost prvořadý význam. Velikost i tvar jednotlivých chromozomů jsou velmi rozmanité, pro daný druh organizmu jsou však vždy shodné a stálé. Délka chromozómových pentlic se pohybuje od několika desetin mikrometru až po desítky mikrometrů, velikost každého chromozomu se však v průběhu každého buněčného cyklu pravidelně mění v souvislosti se změnami ve vnitřním chromozómovém uspořádání během buněčného cyklu. Tvarově se od sebe jednotlivé chromozomy odlišují především umístěním centromery, oblasti, kterou lze na chromozomu pozorovat podle zřetelného zúžení jeho vnější stavby (tzv. primárního zúžení, obr. 8.1). Centromera se může chromatidy centromera V. s mena chromozomu Obr. 8.1 Vnější stavba chromozomu. nacházet uprostřed chromozomu (pak jsou obě ramena chromozomu, oddělená centromerou, stejně dlouhá), nebo může být umístěna blíže k jednomu konci chromozomu (velikost chromozómových ramen je pak rozdílná). U některých organizmů se vyskytují také chromozomy jedno- > < metacentrický submetacentrický akrocentrický telocentrický Obr. 8.2 Typy chromozomů. ramenné (centromera je u nich umístěna na jednom z konců, obr. 8.2). Koncové oblasti chromozomů se nazývají telomery. Také počet chromozomů v buněčném jádře může být velice rozmanitý, od dvou do několika set, pro určitý konkrétní druh je však vždy stejný a neměnný. Velikost, tvar a počet chromozomů v buněčném jádře jsou významnými rozlišovacími znaky pro zařazování organizmů např. do jednotlivých rostlinných a živočišných druhů. Každý druh živého organizmu je tedy mj. určován i tvarově a početně charakteristickým souborem svých chromozomů, neboli svým karyotypem (obr. 8.3). Obr. 8.3 Karyotyp pivoňky polokřovité (mikrofotografie). CHROMATIN. Vnitřní stavba chromozomů je tvořena závitnicovitě stáčeným a navíc ještě překládaným vláknem chromatinu (obr. 8.4). Chromatin je vláknitý molekulový komplex nukleových kyselin (především deoxyribonukleové kyseliny, DNA) a proteinů. Z těch jsou pro stavbu chromozomů nejdůležitější histony. Obr. 8.4 Submikroskopická stavba chromozomu. Šroubovicovým stáčením chromatinových vláken a jejich opětovným rozvíjením, tedy tzv. spi-ralizací a despiralizací chromozomů, k níž během každého buněčného cyklu dochází, se velikost každého chromozomu v průběhu buněčného cyklu pravidelně mnohonásobně zkracuje a opět prodlužuje. K intenzivní spiralizaci chromatinu, a tím i ke zkracování délky chromozomů, dochází při dělení buněčného jádra. Díky zhuštění chromozómové hmoty je možno chromozomy obarvit a mikroskopicky je pozorovat, počítat a měřit, což lze provádět právě jen v tomto období buněčného cyklu. Mimo období jaderného dělení jsou chromatinová vlákna chromozomů rozvinuta (despiralizována), chromozomy jsou proto značně dlouhé, mají nitkovitou podobu a jejich obraz se v mikroskopu ztrácí. V buněčném jádře lze pak obarvit jen jakousi chromatinovou síť. Oblasti chromozomů, prodělávající takovýto pravidelný cyklus změn svého vnitřního uspořádání, jsou označovány jako euchromatin. Některé oblasti chromozomů profáze metafáze (a někdy i celé jednotlivé chromozomy) však bud trvale, nebo někdy i jen dočasně, takovýmto změnám svého vnitřního uspořádání nepodléhají, a zůstávají během buněčného cyklu stále částečně spiralizované. Ty se označují jako hetero-chromatin. Spiralizace a despiralizace chromozomů úzce souvisejí s možností realizace genetické informace, obsažené v DNA-sekvencích chromatinových vláken chromozomů, tedy především s možností její transkripce. Jsou proto velmi významnými procesy při regulaci činnosti genů. -\':'-.i:--{iV--' ■ 8.1.2 Mitóza a její genetické důsledky V počátečních fázích dělení buněčného jádra je každý chromozom zdvojenou strukturou, neboť je tvořen vždy dvojicí shodných podélných „polovin" nazývaných chromatidy. Sesterské chromatidy jsou spolu vzájemně spojeny v oblasti centromery (obr. 8.1). Sesterské chromatidy jsou shodné nejenom svým tvarem a velikostí, ale především obsahem genetické informace, která je obsažena v jejich DNA. MITÓZA. Předávám chromozomů z mateřských buněk do buněk dceřiných je u somatických buněk zajišťováno specifickým dělením buněčného jádra, které se nazývá mitóza. Mito-tické dělení probíhá v několika fázích (profáze -kondenzace chromozomů, metafáze - tvorba dělicího vřeténka, na něž se chromozomy upínají, anafáze - podélné rozštěpení centromer, vznik dceřiných chromozomů, a konečně telofáze -vznik dceřiných jader ze shluků dceřiných chromozomů). V průběhu mitózy původní mateřské Obr. 8.5 Genetické schéma mitotického dělení buněčného jádra. ěleni CYTOLOGICKÉ. ZÁKLADY DĚDIČNOSTI I. dělení Obr. 8.6 Genetické schéma meiotického dělení člení na fázi postmitotickou (G]-fázi), fázi syn- buněčného jádra. 1 až 5 profáze I. dělení, 6 tetickou (S-fázi) a fázi premitotickou (G2-fázi), metafáze I. dělení, 7 anafáze I. dělení, 8 profáze II. po níž následuje další mitóza (M-fáze). Ke zdvo- dělení, 10 anafáze II. dělení, 11 telofáze II. dělení -ení (redupiikaci) hmoty chromozomů dochází a vznik tetrády haploidních gamet. c L, ■ , , UiU, . . . , n.TA 3 * a v S-fazi, kdy probíhá intenzivní replikace DNA a syntéza proteinových složek chromatinových vláken. jádro zaniká, z každého dvouchromatidového chromozomu vznikají dva jednochromatidové 8.1.3 Meióza a její genetické důsledky dceřiné chromozomy, které se následně rozcházejí k opačným pólům buňky, Dceřiná jádra tak DIPLOIDIE. U evolučně vyspělejších eukaryo-mají vzájemně naprosto shodnou sestavu chro- tických organizmů jsou chromozomy v buněč-mozomů, se shodným obsahem genetické infor- ných jádrech somatických buněk přítomny vždy mace, a jsou tudíž geneticky zcela rovnocenná v párech. Každý chromozom je tedy v buněčném (obr. 8.5). Mitóza je biologickým mechanizmem, jádře obsažen dvakrát, jako dvojice párových zajišťujícím kontinuitu a neměnnost genetické chromozomů. Párové chromozomy jsou homolo-informace ve všech somatických buňkách mno- gické; shodují se velikostí, tvarem a vazbovou hobuněčného organizmu. skupinou genů (viz str. 91). Párová přítomnost homologických chromozomů v buněčných INTERFÁZE. K obnovení dvouchromatidové jádrech somatických buněk se nazývá diploi-stavby chromozomů dochází v průběhu buněč- die (symbol 2n), buněčná jádra somatických ného cyklu v období mezi ukončenou a nejbližší buněk obsahují dvě identické sady chromozomů další mitózou, v tzv. interfázi. Interfáze se dále (obr. 8.6). HAPLOIDIE. V jádrech specializovaných pohlavních buněk (neboli gamet) je však z každého páru homologických chromozomů přítomen vždy jen jeden chromozom. Počet chromozomů je zde oproti somatickým buňkám snížen na polovinu, gamety jsou haploidní (symbol n). Přítomnost jen jednoho chromozomu z každého páru homologických chromozomů v buněčných jádrech gamet se nazývá haploidie. Ke snížení diploídního počtu chromozomů na haploidní stav dochází při tvorbě pohlavních buněk specifickým redukčním dělením buněčného jádra, neboli meiózou. Meiotické dělení probíhá vždy ve dvou na sebe navazujících dělicích cyklech, označovaných jako meióza I a meióza II, nebo také jako dělení hete-rotypické a dělení homeotypické. Každé z nich se obdobně jako mitóza člení na profázi, metafá-zi, anafázi a telofázi. Období mezi meiózou I a meiózou II se nazývá interkineze. MEIÓZA I. V průběhu profáze heterotypické-ho dělení se k sobě párové homologické chromozomy vzájemně podélně přikládají a spojují se v tzv. bivalenty. Právě ve stadiu bívalentů může mezi nesesterskými chromatidami homologických chromozomů docházet i ke vzájemné výměně jejich částí - k procesu nazývanému crossing-over, který je podstatou genetických rekombinací. V následujícím průběhu heterotypického dělení nedochází u jednotlivých chromozomů, na rozdíl od mitózy, k podélnému rozštěpení jejich centromer a ke vzniku jednochromatido-vých dceřiných chromozomů, ale k opačným pólům buňky se rozcházejí nerozštěpené dvou-chromatidové chromozomy z bivalentů. Z každého původního páru homologických chromozomů se tak rozchází jeden chromozom k jednomu a druhý ke druhému pólu buňky. V dceřiných jádrech, vznikajících po prvním mei-otickém dělení, je tedy pouze poloviční počet chromozomů oproti výchozímu jádru mateřskému, protože z každého páru homologických chromozomů je zde přítomen pouze jeden chromozom, MEIÓZA II. Navazující druhé meiotické (homeotypické) dělení má průběh v podstatě shodný s mitózou. Probíhá však v jádrech s již sníženým, haploidním počtem chromozomů, takže při něm vznikají dceřiná jádra, obsahující opět jen jednu chromozómovou sadu. Výsledkem meiózy diploidního jádra jedné výchozí mateřské buňky je tedy (po následném buněčném rozdělení) čtveřice gamet s haploidními buněčnými jádry (meiotická tetráda). ZYGOTA. Význam meiózy vyplývá z vlastní podstaty pohlavního rozmnožování, při němž se gamety vytvářejí. Při pohlavním rozmnožování vzniká nový jedinec na základě splynutí pohlavních buněk (gamet) dvou rozdílných rodičů. Jejich splynutím a následným splynutím jejich jader (oplozením) vzniká iniciální buňka nového jedince, zygota, v jejímž jádře je již opět každý chromozom obsažen v párové dvojici (každý pár homologických chromozomů obsahuje jeden párový chromozom od jednoho a druhý od druhého rodiče). Buněčné jádro zygoty (oplozeného vajíčka) je tedy diploidní, a protože se dále dělí mitoticky, jsou diploidní i jádra všech somatických buněk, které postupným následným dělením u mnohobuněčného organizmu ze zygoty vznikají. Rozchod párových chromozomů z bivalentů k opačným pólům buňky v heterotypickém dělení je náhodný, z každého páru homologických chromozomů se může ke shodnému pólu buňky rozejít se stejnou pravděpodobností jak „mateřský", tak „otcovský" homologický chromozom. Gamety proto v rámci haploid-ních sestav chromozomů ve svých buněčných jádrech obsahují nejrůznější kombinace „mateřských" a „otcovských" chromozomů z jednotlivých homologických párů. Protože homologické chromozomy rodičů nemusí vždy obsahovat zcela totožné genetické informace (resp. obsahují tytéž geny, ale ty mohou být na různých homologických chromozomech přítomny ve svých funkčně různých formách), dochází v důsledku meiózy k obrovskému genetickému rozrůznění vznikajících gamet, a následně pak i potomků, vznikajících při oplození jejich spojením. Genetická rozmanitost potomstva je navíc ještě zesilována i již zmíněným procesem crossing-over. CYTOLOGICKÉ. ZÁKLADY DĚDIČNOSTI