Chromosomen zijn specifieke vormen van DNA die tijdens mitose of meiose in een cel aanwezig zijn. In de celkern is het DNA strak om een eiwit genaamd histon gewonden en verpakt in een lineaire structuur. Wanneer de cellen zich niet delen, zijn de chromosomen niet zichtbaar in de celkern – zoals onder de microscoop het geval is. Het DNA waaruit het chromosoom is opgebouwd, wordt echter tijdens de celdeling compacter en is zichtbaar onder de microscoop. Elk chromosoom heeft een samentrekkingspunt, het centromeer (punt) genoemd, dat het chromosoom in twee delen verdeelt, de “arm”. De korte arm is de “p arm”; de lange arm is de “q arm”. De locatie van het centromeer op elk chromosoom geeft een unieke vorm aan het chromosoom die kan worden gebruikt om de locatie van een bepaald gen te helpen beschrijven. Chromosomen zijn soortspecifiek en variëren in aantal, grootte en morfologie, afhankelijk van de soort, het celtype en het ontwikkelingsstadium.

Figuur 1. Schema van een gerepliceerd en gecondenseerd eukaryotisch chromosoom in de metafase. (1) Chromatide – een van de twee identieke delen van het chromosoom na de S-fase. (2) Centromeer – het punt waar de twee chromatiden elkaar raken. (3) Korte arm (p). (4) Lange arm (q).

Chromosoomstructuur

In 1975 presenteerden wetenschappers het bewijs dat de chromatinestructuur bestaat uit een zich herhalende eenheid die zij beschreven als “kralen aan een touwtje”. Die kralen staan nu bekend als nucleosomen, dat zijn kleine eiwitschijfjes waar het DNA (de ‘snaar’) zich omheen wikkelt. Deze nucleosomen worden gescheiden door 10-60 bp linker-DNA en spiraliseren zich tot een array langs het DNA dat ongeveer 11 nm in diameter is. Deze reeks wordt dan gesupercoild tot een vezel van 30 nm, die zich op zichzelf wikkelt tot de microscopische eenheid die bekend staat als een chromosoom. Het nucleosoom bestaat uit 146 bp DNA dat 1,7 maal gewikkeld is rond een histon-octamer, bestaande uit een histon H3/H4-tetrameer geflankeerd door twee H2A/H2B-dimeren. Nucleosomen dienen om het DNA te verpakken en toch toegang te geven voor gentranscriptie en DNA-replicatie en -reparatie. Naast de elektromicrografen die kralen aan een touwtje tonen, werden nucleosomen ook geïdentificeerd door ontsluiting van chromatine met nucleasen, wat resulteerde in ladders van ongeveer 200 bp, en door centrifugale isolatie van 11,5S nucleoproteïnecomplexen. Men heeft lang gedacht dat het gedrag van chromatine een direct resultaat is van de eigenschappen van deze nucleosomen. Het is nu bekend dat chromatine bestaat uit DNA en histonen, alsmede een overvloed aan andere eiwitcomplexen die helpen bij de DNA-gerelateerde cellulaire functies. Histonen spelen zowel structurele als functionele rollen in deze processen, waaronder replicatie, reparatie, recombinatie, transcriptie en segregatie.

Figuur 2. Figuur 2. Diagram van de chromosoomstructuur.

Chromosomen bij Eukaryoten

Chromosomen bij eukaryoten zijn opgebouwd uit chromatinevezels. Chromatinevezels zijn opgebouwd uit nucleosomen (histon-octameren, een deel van de DNA-streng samengevoegd en omwikkeld). Chromatinevezels worden door eiwitten ingepakt tot een geconcentreerde structuur die chromatine wordt genoemd. Chromatine is aanwezig in mitochondriën, waarvan het grootste deel uit DNA bestaat, en de moeder erft een kleine hoeveelheid. Chromatine is aanwezig in de meeste cellen, met een paar uitzonderingen, zoals rode bloedcellen. Chromatine kan zeer lange DNA-moleculen maken die geschikt zijn voor de celkern. Tijdens de celdeling condenseert het chromatine verder tot chromosomen die onder de microscoop zichtbaar zijn. De structuur van het chromosoom verandert tijdens de celcyclus. Tijdens de celdeling worden chromosomen gerepliceerd, gesplitst en met succes aan de nakomelingscellen afgeleverd, waardoor de genetische diversiteit en de overleving van het nageslacht worden gewaarborgd. Chromosomen kunnen zich herhalen of niet herhalen. Een repeterend chromosoom is een enkel duplex, en een repeterend chromosoom bevat twee identieke kopieën (chromatiden of zusterchromatiden genoemd) en wordt door centromeren met elkaar verbonden.

Figuur 3. Organisatie van DNA in een eukaryote cel.

Chromosomen in Prokaryoten

Prokaryoten hebben meestal één kopie per hoofdchromosoom, maar de meeste cellen kunnen gemakkelijk overleven met meerdere kopieën. Zo heeft de symbiont van de sprinkhaan Buchnera meerdere kopieën van zijn chromosoom, waarbij elke cel een replicatiebereik heeft van 10-400 kopieën. In sommige grote bacteriën, zoals Epulopiscium fishelsoni, kunnen er echter tot 100.000 chromosoomkopieën zijn. Net als bij eukaryoten is het aantal kopieën van plasmiden en plasmide-achtige minichromosomen zeer variabel. Het aantal plasmiden in een cel hangt bijna volledig af van de fragmentatiesnelheid van het plasmide – snelle deling leidt tot hoge kopie-aantallen.

Menselijk chromosoom

Menselijke chromosomen kunnen in twee typen worden verdeeld: autosomen (somatische chromosomen) en geslachtschromosomen (heterologe chromosomen). Bepaalde genetische eigenschappen houden verband met het geslacht van een persoon en worden via het geslachtschromosoom overgedragen. Het autosoom bevat dus de rest van de genetische informatie. De autosomale en geslachtschromosomen zijn identiek bij replicatie, mitose en meiose. Menselijke cellen hebben 23 paar chromosomen (22 paar autosomen en een paar geslachtschromosomen), dat wil zeggen dat er 46 chromatiden per cel zijn. Bovendien hebben menselijke cellen honderden mitochondriale chromosoomkopieën. Sequencing van het menselijk genoom levert een schat aan informatie op over elk chromosoom.