کروموزوم، میتوز و میوز (زیست ۲)

از DNA تا کروموزوم

اگر DNA یک یاختهٔ انسانی را بدون بسته‌بندی باز کنیم، طولش به حدود دو متر می‌رسد؛ باید چیزی به بلندی قد یک انسان را در هسته‌ای به قطر چند میکرومتر جا داد. راه‌حل، فشردگی مرحله‌به‌مرحله است: DNA دور پروتئین‌های هیستون می‌پیچد و نوکلئوزوم می‌سازد، نوکلئوزوم‌ها فشرده‌تر می‌شوند و کروماتین را می‌سازند، و کروماتین هنگام تقسیم فشرده‌تر می‌شود و کروموزوم دیده می‌شود.

چهار واژه را دقیق از هم جدا کنید: کروماتین حالت غیرتقسیم، کروموزوم حالت فشردهٔ زمان تقسیم، کروماتید هر یک از دو نسخهٔ یکسان کروموزوم مضاعف‌شده، و سانترومر محل اتصال دو کروماتید خواهری.

هر گونه شمار مشخصی کروموزوم دارد که ربطی به پیچیدگی جاندار ندارد: مگس خانگی ۱۲، انسان ۴۶، شامپانزه ۴۸، سگ ۷۸ و نوعی سرخس ۱۲۶۰ تا. کاریوتیپ تصویری از کروموزوم‌ها در بیشترین فشردگی است که بر پایهٔ اندازه، شکل و محل سانترومر مرتب می‌شود و برای تشخیص ناهنجاری‌های کروموزومی به کار می‌رود.

یاخته‌های پیکری انسان دیپلوئید ($2n=46$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی) هستند؛ یعنی هر کروموزوم یک همتا دارد. گامت‌ها هاپلوئید ($n=23$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی) هستند و هیچ کروموزومی همتا ندارد. کروموزوم‌های جنسی در زن $XX$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی و در مرد $XY$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی است؛ پس دو کروموزوم همتا لزوماً شبیه هم نیستند.

چرخهٔ یاخته و یک قاعدهٔ طلایی

چرخهٔ یاخته از اینترفاز ($G_1$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی، $S$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی و $G_2$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی) به‌علاوهٔ میتوز و تقسیم سیتوپلاسم ساخته شده. در $G_1$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی یاخته رشد می‌کند و پروتئین می‌سازد، در $S$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی همانندسازی DNA رخ می‌دهد و در $G_2$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی که کوتاه‌ترین بخش اینترفاز است، پروتئین‌های تقسیم ساخته می‌شوند. یاخته‌هایی که تقسیم نمی‌شوند — مانند یاخته‌های عصبی بالغ — وارد $G_0$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی می‌شوند.

یک قاعده را دقیق بخوانید، چون بیشترین اشتباه از همین‌جا می‌آید: با همانندسازی در مرحلهٔ $S$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی، شمار کروموزوم‌ها تغییر نمی‌کند؛ هر کروموزوم فقط از تک‌کروماتیدی به دوکروماتیدی تبدیل می‌شود، چون دو کروماتید خواهری از یک سانترومر مشترک آویزان‌اند و یک واحد شمرده می‌شوند. یاختهٔ انسانی از پایان $S$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی تا پایان متافاز همچنان ۴۶ کروموزوم دارد، هرچند ۹۲ مولکول DNA. شمار کروموزوم فقط در آنافاز دو برابر می‌شود، جایی که سانترومر می‌شکند و هر کروماتید یک کروموزوم مستقل به شمار می‌آید. پس «شمار کروموزوم» و «شمار کروماتید» دو پرسش متفاوت‌اند.

رشتمان (میتوز)

برای جابه‌جا کردن کروموزوم‌ها، یاخته دوک تقسیم می‌سازد: لوله‌های پروتئینی که به سانترومر متصل می‌شوند و با کوتاه شدن، کروموزوم‌ها را به قطب‌ها می‌کشند. میانک (سانتریول) ساختاری استوانه‌ای است که فقط در یاخته‌های جانوری هست و دوک را سازمان می‌دهد؛ اما یاخته‌های گیاهی بدون میانک هم دوک می‌سازند.

میتوز پنج مرحله دارد: پروفاز (فشرده شدن کروموزوم‌ها و تخریب پوشش هسته)، پرومتافاز (اتصال دوک به سانترومرها)، متافاز (بیشترین فشردگی و آرایش در استوای یاخته — بهترین مرحله برای شمارش و کاریوتیپ)، آنافاز (جدا شدن کروماتیدهای خواهری و کشیده شدنشان به قطب‌ها) و تلوفاز (بازسازی پوشش هسته). تقسیم سیتوپلاسم در یاختهٔ جانوری با حلقهٔ انقباضی اکتین و میوزین و در یاختهٔ گیاهی با ساخت صفحهٔ یاخته‌ای از ریزکیسه‌های گلژی است.

تقسیم زیر نظارت است: پروتئین‌هایی آن را تحریک و پروتئین‌هایی مثل ترمز مهار می‌کنند. نقاط وارسی هم کنترل کیفیت چرخه‌اند: در $G_1$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی سلامت DNA، در $G_2$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی آماده بودن پروتئین‌های دوک و در متافاز اتصال درست کروموزوم‌ها به دوک بررسی می‌شود.

تومور، سرطان و آپوپتوز

اگر این نگهبان‌ها از کار بیفتند، تقسیم بی‌رویه می‌شود و تومور شکل می‌گیرد. تومور خوش‌خیم رشد محدود دارد و منتشر نمی‌شود (لیپوما)، اما تومور بدخیم یا سرطان سریع رشد می‌کند، به بافت مجاور حمله می‌کند و از راه خون یا لنف پخش می‌شود (ملانوما). پیشرفت تومور بدخیم چهار گام دارد: رشد بی‌رویه در محل اولیه، تهاجم به بافت همجوار، ورود به رگ‌ها و گره‌های لنفی مجاور، و سرانجام استقرار در اندام‌های دور که همان متاستاز واقعی است.

پرتوها، مواد شیمیایی دخانیات، برخی ویروس‌ها و زمینهٔ ژنتیکی بر بروز سرطان اثر دارند. تشخیص با آزمایش خون یا نمونه‌برداری و درمان با جراحی، پرتودرمانی یا شیمی‌درمانی است؛ چون شیمی‌درمانی همهٔ یاخته‌های در حال تقسیم را هدف می‌گیرد، عوارضی مثل ریزش مو و تهوع دارد.

آپوپتوز مرگ برنامه‌ریزی‌شده و مفید یاخته است، نه تصادفی. علامت آغازگرش یا درونی است (خود یاخته آسیب DNA را حس می‌کند، مثل یاختهٔ آفتاب‌سوخته) یا بیرونی (یاخته‌ای مانند لنفوسیت با اتصال به گیرندهٔ سطحی پیام مرگ را می‌فرستد). سپس پروتئین‌های تخریب‌کننده در چند ثانیه اجزای یاخته را تجزیه و بیگانه‌خوارها بقایا را می‌بلعند؛ چون محتویات یاخته بیرون نمی‌ریزد، التهابی هم ایجاد نمی‌شود. نمونهٔ کلاسیکش حذف پرده‌های بین انگشتان در جنین است. آن را با نکروز اشتباه نگیرید که مرگ تصادفی بر اثر آسیب است. اختلال در آپوپتوز هم می‌تواند زمینه‌ساز سرطان شود.

کاستمان (میوز)

در تولیدمثل جنسی دو گامت ادغام می‌شوند؛ اگر گامت‌ها دیپلوئید بودند شمار کروموزوم هر نسل دو برابر می‌شد. پس گامت باید هاپلوئید باشد و کاستمان همین کار را می‌کند: دو تقسیم پیاپی با تنها یک همانندسازی پیش از آن‌ها.

کروموزوم‌های همتا را مثل یک جفت دستکش تصور کنید، یکی از پدر و یکی از مادر، که هر کدام از پیش دوکروماتیدی شده‌اند. در رشتمان فقط کروماتیدهای خواهری یک کروموزوم از هم باز می‌شوند، اما در آنافاز کاستمان ۱ خودِ دو همتا جدا می‌شوند، در حالی که هر کدام هنوز دوکروماتیدی‌اند. همین تفاوت پرتکرارترین تلهٔ فصل است.

در پروفاز ۱ همتاها کنار هم چهارتایه (تتراد) می‌سازند که چهار کروماتید دارد و کراسینگ‌اور یعنی تبادل قطعات میان کروماتیدهای غیرخواهری در آن رخ می‌دهد. در متافاز ۱ چهارتایه‌ها در وسط یاخته آرایش می‌یابند و اینکه هر همتا رو به کدام قطب باشد تصادفی و مستقل از بقیه است. همین دو رویداد، دو منبع اصلی تنوع ژنتیکی‌اند: کراسینگ‌اور و آمیزش مستقل. در آنافاز ۱ همتاها جدا می‌شوند (نه کروماتیدها) و در پایان، دو یاخته با نصف شمار کروموزوم به دست می‌آید که کروموزوم‌هایشان هنوز مضاعف است. کاستمان ۲ بدون همانندسازی تازه و شبیه رشتمان، کروماتیدهای خواهری را جدا می‌کند؛ نتیجهٔ نهایی چهار یاختهٔ هاپلوئید از یک یاختهٔ $2n$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی است.

وقتی شمار کروموزوم‌ها تغییر می‌کند

در چندلادی (پلی‌پلوئیدی) یاخته بیش از دو مجموعه کروموزوم دارد؛ گندم نان با شش مجموعه نمونهٔ آن است. در عدم جدایی، یک یا چند کروموزوم در آنافاز جدا نمی‌شوند و یک یاخته کروموزوم اضافه و دیگری کروموزوم کم می‌گیرد. شناخته‌شده‌ترین پیامدش نشانگان داون است که در آن کروموزوم ۲۱ سه نسخه دارد و یاختهٔ پیکری ۴۷ کروموزوم؛ احتمال این خطا با افزایش سن مادر بیشتر می‌شود.

محل خطا هم مهم است: اگر عدم جدایی در کاستمان ۱ رخ دهد هر چهار گامت غیرطبیعی می‌شوند (دو تا با کروموزوم اضافه، دو تا با کروموزوم کم)، اما اگر در کاستمان ۲ رخ دهد فقط دو گامت درگیر می‌شوند و دو تای دیگر سالم می‌مانند. دخانیات، الکل، پرتوهای مضر و آلودگی محیطی هم بر اختلال کاستمان اثر دارند.