Kromosomer er lange tråder i cellene hos levende organismer som består av DNA og proteiner, og inneholder alle genene (arveanleggene). Kromosomene går i arv fra foreldre til avkom og inneholder alle de spesifikke instruksjonene om hvordan en organisme skal se ut og fungere.
Kromosomene organiserer alt arvematerialet til en organisme, og hvordan de gjør dette, det vil si antall kromosomer cellene inneholder og formen på hvert enkelt kromosom, varierer fra art til art. For eksempel har mennesket 23 par kromosomer, totalt 46 stykker, mens bananflue har 4 par, totalt 8 stykker.
Når cellene deler seg, kommer kromosomene til syne i mikroskop, men er ellers ikke synlige i mikroskop fordi de er ekstremt lange og tynne. Hvert kromosom består av en lang DNA-tråd og proteiner.
Alle kromosomer inneholder ulike deler av det totale DNA-et. Kromosomene oppbevares inne i cellekjernen i cellene, bortsett fra i bakterier, der kromosomene ligger fritt i cellerommet.
Kromosomenes funksjon
Kromosomene organiserer alt arvematerialet i en celle. Genene ligger etter hverandre på rekke og rad på de lange DNA-trådene kromosomene består av. Kromosomene kan sammenlignes med bøker som inneholder mange oppskrifter, gener, for hvordan organismer skal se ut og fungere.
I tillegg gjør proteinene det mulig å pakke DNA-trådene tett sammen slik at de får plass inne i cellen. Uten slik pakking ville ikke DNA-et fått plass inne i cellene. For eksempel ville alt DNA-et inne i en menneskecelle måle nesten to meter hvis man viklet det av proteinene og la alle DNA-trådene etter hverandre. Hvert kromosom består av en sammenhengende DNA-tråd som er tettpakket rundt proteiner kalt histoner.
Cellene i en levende organisme må stadig dele seg for å lage nye celler som skal erstatte gamle (mitose). Organisering av arvematerialet i kromosomer sørger for at alt arvematerialet blir kopiert opp og fordeler seg riktig i de nye cellene. Feil kan allikevel skje, og noen typer kreft i mennesket skyldes defekte kromosomer som består av stykker av kromosomer som egentlig ikke hører sammen.
Form og antall
Kromosomenes form
I dyr, planter og sopp har kromosomene form som staver, mens i bakterier har kromosomene form som en sirkel. Begge typer kromosomer består av DNA.
De stavformede kromosomene har et område kalt sentromer som spiller en sentral rolle under celledelingen. Områdene på hver side av sentromeren kalles kromosomets armer. Den korte armen kalles p (fra fransk petit, ‘liten’), den lange q (q følger p i alfabetet).
Når en celle skal dele seg må kromosomene kopieres slik at hver nye celle får det riktige antallet kromosomer. I den fasen av celledelingen hvor man kan observere kromosomene i mikroskop, ser vi vanligvis de stavformede kromosomene i form av en x. En slik x består av de to kopiene, kalt søsterkromatider. Sentromeren ses da som et innsnevret område som holder de to søsterkromatidene sammen. Under celledeling lager cellen spindeltråder for å dra søsterkromatidene fra hverandre og trekke dem til hver sin nye dattercelle. Disse spindeltrådene fester seg i sentromerene.
Endene på kromosomarmene kalles telomerer. Dette er områder som består av mange korte, like DNA-sekvenser som beskytter kromosomene, litt på samme måte som tuppen av en skolisse beskytter lissene fra å flise opp. Telomerene inneholder ingen gener. Ved hver celledeling blir telomerene litt kortere.
Når man ser på kromosomene i mikroskop brukes ulike teknikker for å fargelegge kromosomene. Da ser man spesifikke båndmønster som tillater identifisering av de enkelte kromosomene og deler av disse. Kromosomene sorteres og nummereres etter fallende størrelse og sentromerens plassering. Hos mennesket er kromosom 1 det største og kromosom 21 – som det er tre av ved Downs syndrom – er det minste. I tillegg kommer kjønnskromosomene som betegnes med X og Y hos mange dyr (inkludert mennesket) og planter, eller Z og W i fugler og en del insekter.
Antall kromosomer varierer fra art til art
Noen arter har mange kromosomer, andre har få. Antallet er forskjellig fra art til art og det har lite å gjøre med hvor kompleks organismen er. Kromosomene opptrer to og to i par (bortsett fra hos bakterier). Mennesker har 23 par kromosomer – to sett – som til sammen utgjør totalt 46 kromosomer. De fleste bakteriearter har ett eller to sirkelformede kromosomer.
| Art | Totalt antall kromosomer | Antall par kromosomer |
|---|---|---|
| Bananflue | 8 | 4 |
| Rundorm | 12 | 6 |
| Mus | 40 | 20 |
| Menneske | 46 | 23 |
| Vandrefalk | 50 | 25 |
| Torsk | 46 | 23 |
| Mais | 20 | 10 |
| Åkersnelle | 216 | 108 |
| Gjær | 32 | 16 |
| Malariaparasitt | 14 | 7 |
Alle parene består av to like kromosomer, bortsett fra ett par som er kjønnskromosomene. I noen arter er også kjønnskromosomene like, men disse er unntak. Som regel er kjønnskromosomene forskjellige, slik som i mennesker hvor vi har kjønnskromosomene X og Y. Alle de andre kromosomene som ikke er kjønnskromosomer kalles autosomer.
Det ene settet med kromosomer kommer fra mor, det andre fra far. De fleste celler har begge sett med kromosomer og da kalles de diploide (di betyr to eller dobbel). Kjønnscellene har kun ett sett kromosomer og kalles haploide.
Avvik i antall kromosomer i forhold til det som er normalt for en art kan føre til alvorlige forstyrrelser av utviklingen. Det kan også føre til at et embryo ikke overlever. Kreftceller har som regel avvikende kromosomtall. En del genetiske sykdommer har avvik i antall kromosomer, for eksempel Downs syndrom som har ett ekstra kromosom 21 (trisomi 21 er den vanligste formen for Downs syndrom). Klinefelters syndrom er en medfødt kromosomfeil hos menn som består i at de har et ekstra X kromosom (genotypen er XXY).
- Les mer om kromosomavvik
Proteiner og pakking av DNA i kromosomene
Kromosomer er store molekyler som består av DNA (arvemateriale) og proteiner. DNA har form som lange, tynne tråder som er flere centimeter lange, men i kromosomene er disse trådene kveilet opp og surret sammen ved hjelp av proteiner slik at kromosomene blir mye tykkere enn det selve DNA-tråden er. Mange forskjellige proteiner er festet til DNA og holder den oppkveilede DNA-tråden sammen slik at den får sin karakteristiske form som et kromosom.
Fem ulike proteiner som kalles histoner pakker DNA i en fiber med små knuter, nukleosomer, som er grunnenheten i oppbyggingen av kromosomet. Denne fiberen er kveilet opp til en tykkere kromosomfiber, som i sin tur er foldet til den kromosomtråden vi kan se med lysmikroskop under celledeling. Når cellen ikke er i deling, er DNA-et mindre tett pakket og kromosomene sees da som uregelmessige, tråder i cellekjernen, kromatin.
Bare om lag fem prosent av DNA i kromosomet inneholder gener. Resten av DNA inneholder ikke-kodende sekvenser og repeterte enheter av forskjellig slag. Noe av dette DNA-et er viktige komponenter i kromosomstrukturer som sentromerer og telomerer, mens andre finnes i områder som kalles heterokromatin fordi det lar seg farge annerledes enn det omliggende eukromatin (se kromatin).
De delene av kromosomet som utgjør heterokromatin er pakket tettere sammen enn eukromatin og inneholder langt færre gener enn eukromatin. Noen av disse områdene kan ha så få – eller ingen – gener at det ikke har noen betydning om de gjennomgår mutasjoner som duplisering (en fordobling), omorganisering eller delesjon (sletting). Et spesialtilfelle av tettpakket kromosom er Barr-legemet. Hos kvinner blir et av de to x-kromosomene alltid inaktivert i hver celle. Inaktiveringen skjer ved at det aktuelle x-kromosomet blir svært tett pakket sammen. Se x-kromosominaktivering.
Genenes plassering på kromosomene
I kroppscellene (somatiske celler) hos dyr og i cellene hos høyere utviklede planter forekommer kromosomene parvis. Det skyldes at individet ved kjønnet formering mottar et sett kromosomer fra faren (paternelle kromosomer) og et annet tilsvarende sett fra moren (maternelle kromosomer).
Kromosomene i et par kalles homologe, det vil si at de bærer gener for de samme egenskapene og har samme struktur. Hvert gen har en bestemt plass på et kromosom, noe som kalles locus, flertall loci. Siden kromosomene opptrer i par, vil det alltid være to utgaver (alleler) av hvert gen i hver celle – en utgave fra far og en fra mor (unntaket er kjønnscellene hvor kromosomene ikke opptrer i par, men enkeltvis). De to allelene befinner seg på samme plass, locus, på de to homologe kromosomene. Allelene kan være like – kalles homozygot – eller forskjellige – kalles heterozygot.
Fordeling av kromosomer ved celledeling
Før en celle kan dele seg, må den fordoble sine arveanlegg, slik at de to dattercellene kan få samme kromosomsammensetning som morcellen. Det skjer ved at det blir laget en kopi av hvert DNA-molekyl. I delingsfasen vil kromosomene derfor bestå av to helt like halvdeler (søsterkromatider), som holdes sammen av en knuteformet dannelse (sentromeren).
Under delingen fester det seg to spindeltråder til hver sentromer: en på hver søsterkromatid. Spindeltrådene er forankret i hver sin ende av cellen. Drag fra spindeltrådene spalter sentromeren på langs, og hver av søsterkromatidene dras til hver sin ende av cellen, som blir opphav til hver sin nye celle. Dermed får hver av de nye cellene et kromatid fra hvert kromosom. Denne formen for deling kalles mitose og er karakteristisk for alle kroppsceller som skal dele seg når et individ vokser, eller når celler skal fornyes. Alle celler som dannes ved mitosen, har samme genetiske sammensetning som morcellen. At «etterkommere» av morcellen utvikler seg til forskjellige celletyper med forskjellige funksjoner, hudceller, leverceller, muskelceller, nerveceller og så videre, skyldes mekanismer som aktiverer og inaktiverer gener på forskjellige tidspunkter av utviklingen. Se epigenetikk.
Kjønnsceller
Kjønnsceller, eggceller og sædceller, som utvikles fra celler i henholdsvis eggstokkene og testiklene, blir til på en annen måte enn kroppscellene. Ved befruktning skal en eggcelle og en sædcelle forene seg til én celle som dermed får det normale kromosomtallet for arten. Kjønnscellene må derfor dannes ved en prosess som halverer kromosomtallet i forhold til kroppscellene. Denne prosessen kalles meiose, eller reduksjonsdeling, og forgår i to trinn.
I den første delingen vil de to kromosomene i et kromosompar, hvorav det ene stammer fra faren og det andre fra moren, fordele seg til hver sin dattercelle. Dette skjer etter at hvert av kromosomene har fordoblet seg, slik at hvert kromosom består av to identiske kromatider. Dattercellene vil derfor bestå av et sett på i alt 23 kromosomer som har fordoblet sitt DNA.
Det neste trinn i meiosen er en ny celledeling hvor hver av kromatidene i et kromosom går til hver sin dattercelle. Fra den ene opprinnelige cellen med 46 kromosomer dannes dermed fire nye kjønnsceller som hver bare har ett sett med 23 kromosomer. Fordelingen av maternelle og paternelle kromosomer mellom de to dattercellene i første delingsfase er tilfeldig, og to nye kombinasjoner av maternelle og paternelle kromosomer oppstår.
I tillegg til dette kommer at homologe kromosomer pares før de atskilles; de legger seg tett opp mot hverandre slik at allele gener på de fire kromatidene ligger overfor hverandre. Det ene kromosomet fra far og det ene fra mor kan krysse hverandre – dette kalles overkrysning. Dersom det skjer brudd på identiske steder av et maternelt og et paternelt kromatid, kan de to kromatidene utveksle bruddstykker. Dette fenomenet, som kalles rekombinasjon, øker antallet av mulige kombinasjoner så mye at det i praksis er utelukket at det kan fødes to mennesker med helt like arveanlegg. Eneggede tvillinger er eneste unntak fra denne regelen. Eneggede tvillinger har helt like arveanlegg, og de utvikler seg fra ett egg, som befruktes av én sædcelle.
Også kjønnskromosomene atskilles ved meiose, slik at hver av kvinnens eggceller inneholder ett x-kromosom, mens halvparten av mannens sædceller får et x-kromosom og den andre halvparten et y-kromosom. Ved befruktningen får zygoten (det befruktede egget) derfor enten kombinasjonen XX og utvikler seg til en jente, eller kombinasjonen XY og utvikler seg til en gutt.
Undersøkelser av kromosomer
Kromosomene studeres lettest i celledeling, noe som kan sees ved vevsprøver av vev der cellene er i hurtig deling som i beinmarg, hud og tarm, samt i eggstokker hos jentefoster eller i testikler hos menn. I praksis skjer dette i vevskultur etter dyrking noen dager. Vanligst er studier av lymfocytter, en type hvite blodceller, men alle vev kan i prinsippet brukes fordi arvematerialet er det samme. Andre vev som er hyppig brukt, er beinmarg, bindevevsceller fra underhud og celler fra fosterhinner ved fostervann- eller morkakeprøve.
Cellene tilsettes et celledelingsstimulerende stoff, og etter noen dagers vekst tilsettes et stoff som får celledelingen til å stoppe opp i en fase der kromosomene er tydelige. Etter behandling svulmer cellekjernene opp og sprekker, sprer seg utover på objektglasset og lar seg farge med forskjellige teknikker.
Det vanligste er å fremstille et båndmønster som tillater identifisering av de enkelte kromosomene og deler av disse. Kromosomene sorteres og nummereres etter fallende størrelse og midtstykkets (sentromerens) plassering. Kromosom 1 er det største og kromosom 21 – som det er tre av ved Downs syndrom – er det minste.
In situ hybridisering (binding på stedet) er en form for «målsøkende rakett» (DNA-probe), der «raketten» fester seg til en DNA-bit av motsatt oppbygging på et bestemt sted på et bestemt kromosom. Hvis et fluorescerende fargestoff bindes, vil det normalt lyse opp en prikk der «raketten» har truffet eller binding av DNA er skjedd. Man kan derfor se der en bit av kromosomet mangler ved at den lysende prikken mangler.
Fluorescerende in situ hybridisering (FISH) kalles den teknikken som brukes for eksempel til å påvise manglende biter av fars eller mors kromosomer ved respektive Prader-Willis syndrom og Angelmans syndrom der begge har feil på samme område på kromosom 15.
Genetiske kart – også kalt kromosomkart – viser i hvilken rekkefølge genene ligger på kromosomene. Slike kart produseres ved hjelp av krysningsforsøk som måler frekvensen av rekombinasjon. Dersom gener ligger langt fra hverandre på et kromosom, blir de ofte utsatt for rekombinasjon.
Historikk
Kromosomer ble først observert under mikroskopet på 1880-tallet, men den gang forstod man ikke hva de var. Det var først på begynnelsen av 1900-tallet man fikk en bedre forståelse av hva kromosomer var og deres betydning. Pioneren Thomas Hunt Morgan studerte bananflue og klarte å koble x-kromosomet til kjønn og øyefarge hos bananflua.
I 1921 publiserte forskeren Theophilus S. Painter en artikkel hvor han identifiserte y-kromosomet fra menneskelige testikler og telte at mennesket hadde 48 kromosomer. Ikke før i 1956 klarte man å telle det korrekte antall kromosomer i mennesket – som er 46. Det ble gjort av de to forskerne Joe Hin Tjio og Albert Levan. Resultatet ble presentert på den aller første kongressen om humangenetikk samme år i København.