تكثيف الكروموسوم

تحتوي الخلية البشرية ثنائية المجموعة الكروموسومية على 46 كروموسومًا: 22 زوجًا من الكروموسومات الجسمية (22 × 2) وزوج واحد من الكروموسومات الجنسية (XX أو XY). يصل الطول الإجمالي للحمض النووي (DNA) داخل النواة الواحدة إلى حوالي 2 ميكرومتر. تلتف جزيئات الحمض النووي هذه في البداية حول الهستونات لتشكيل النيوكليوسومات ، والتي تُضغط بدورها لتُشكّل ألياف الكروماتين ، والتي تُعرف عادةً بألياف 30 نانومتر. خلال الطور البيني، تبقى هذه الألياف محصورة داخل النواة، التي يبلغ قطرها حوالي 10-20  ميكرومتر فقط. خلال الانقسام المتساوي، يُعاد تنظيم الكروماتين إلى مجموعة من التراكيب العصوية الشكل (أي الكروموسومات الانقسامية ) التي يمكن تمييزها بشكل فردي تحت المجهر.

وُصِف هذا التحول لأول مرة بدقة في أواخر القرن التاسع عشر من قبل عالم الخلايا الألماني والتر فليمنج . في الأصل، كان مصطلح "الكروموسوم" يشير تحديدًا إلى هذه التراكيب الانقسامية شديدة التكثيف، على الرغم من أن معناه قد اتسع منذ ذلك الحين (انظر الكروموسوم ).

في الكروموسومات الانقسامية للكائنات حقيقية النوى العليا ، ينضغط الحمض النووي (DNA) طوليًا بمعامل يقارب 10000. على سبيل المثال، يحتوي الكروموسوم البشري رقم 8  على جزيء DNA يبلغ طوله حوالي 50 ملم، ومع ذلك فهو مطوي إلى كروموسوم في الطور الاستوائي لا يتجاوز  طوله 5 ميكرومترات. هذه الدرجة من الانضغاط تُضاهي طي خيط طوله 600 متر (ارتفاع برج طوكيو سكاي تري ) إلى حجم بطارية AA .

كما ذُكر سابقًا، على الرغم من أن الحمض النووي في الطور البيني يكون مُنظمًا بالفعل في شكل كروماتين ، إلا أنه مُنتشر في جميع أنحاء النواة، وبالتالي لا يُرى ككروموسومات مُنفردة. عند دخول الطور التمهيدي ، يبدأ التكثف بالقرب من محيط النواة، وتصبح التراكيب الليفية مرئية تدريجيًا. بعد تحلل الغلاف النووي في الطور ما قبل الاستوائي ، يستمر التكثف. بحلول الطور الاستوائي ، عندما يكتمل التكثف ظاهريًا، يُمكن تمييز الكروماتيدين الشقيقين لكل كروموسوم بوضوح. غالبًا ما يُشار إلى هذه السلسلة الكاملة من العمليات مجتمعةً باسم تكثف الكروموسومات؛ ومع ذلك، نظرًا لفهمنا المحدود حاليًا للبنية عالية الرتبة للكروموسومات، فإن التعريف الدقيق لهذا المصطلح لا يزال غامضًا.

من حيث المبدأ، يمكن تقسيم عملية تكثيف الكروموسوم إلى ثلاث خطوات متسلسلة ولكنها متداخلة (الشكل 2): ^{[ 5 ]}

1. التفرّد – فك تشابك ألياف الكروماتين المنتشرة في جميع أنحاء النواة إلى وحدات كروموسومية منفصلة.

2. التشكيل/الضغط - تنظيم كل كروموسوم في بنية مضغوطة تشبه القضيب.

3. الدقة – فصل خيوط الحمض النووي المتضاعفة داخل كل كروموسوم إلى كروماتيدين شقيقين متميزين.

على الرغم من اختلاف هذه الخطوات من حيث المفهوم، إلا أنها تحدث بالتزامن والتكامل أثناء الانقسام المتساوي. ولهذا السبب، يُشار إلى العملية برمتها غالبًا باسم تكثيف الكروموسومات. ومن المهم الإشارة إلى أن تكثيف الكروموسومات ليس مجرد تقليل في طول الكروماتين، بل هو عملية طي منظمة للكروماتين، بدءًا من حالة عشوائية تشبه اللفائف، وصولًا إلى شكل قضيب منظم للغاية. يُعد هذا التحول البنيوي بالغ الأهمية لضمان الفصل الصحيح للكروماتيدات الشقيقة أثناء الطور الانفصالي، ويوفر الصلابة الميكانيكية اللازمة لانفصالها بدقة (الشكل 3). ^{[ 6 ]} يمكن أن تؤدي العيوب في تكثيف الكروموسومات إلى إعاقة انفصال الكروموسومات ، وفي النهاية إلى عدم استقرار الجينوم .

لطالما اعتُبر تكثيف الكروموسومات في حقيقيات النوى عمليةً بالغة التعقيد تشمل العديد من البروتينات. مع ذلك، أظهرت دراسات حديثة إمكانية إعادة تكوين الكروماتيدات المفردة في المختبر عن طريق مزج نوى الحيوانات المنوية مع ستة بروتينات مُنقّاة فقط: الهستونات الأساسية ، وثلاثة بروتينات مُرافقة للهستونات ، وإنزيم توبويزوميراز II ، وبروتين كوندينسين I. ^{[ 7 ] [ 8} ] تؤدي بروتينات مُرافقة الهستونات الثلاثة أدوارًا متميزة في اختبار إعادة التكوين هذا: (1) يقوم بروتين Npm2 ( نوكليوبلازمين 2) بإزالة البروتينات الأساسية الخاصة بالحيوانات المنوية من كروماتين الحيوانات المنوية؛ (2) ^يقوم بروتين Nap1 (بروتين تجميع النيوكليوسوم 1) بترسيب الهستونات الأساسية H2A-H2B على الحمض النووي لتكوين النيوكليوسومات ؛ (3) يقوم بروتين FACT (مُسهّل نسخ الكروماتين) بإعادة تشكيل النيوكليوسومات ديناميكيًا ، مما يُساعد في عمل إنزيم توبويزوميراز II وبروتين كوندينسين I. لا تبقى هذه البروتينات المرافقة مرتبطة بالمنتج النهائي للكروماتيدات الانقسامية. بعبارة أخرى، يمكن محاكاة التفاعلات الأساسية لتكثيف الكروموسومات الانقسامية باستخدام ثلاثة بروتينات هيكلية فقط، وهي الهستونات الأساسية، وتوبويزوميراز II ، وكوندنسين I ، شريطة أن يتم دعم عملها بتنظيم مناسب بواسطة البروتينات المرافقة.

تدعم أدلة سابقة مستقلة هذه الصورة البسيطة لتكثيف الكروموسومات. فعلى سبيل المثال، من المعروف منذ زمن طويل أن الهستونات تُشكل ما يقارب نصف إجمالي كتلة البروتين في الكروموسومات الانقسامية. وقد تم تحديد كل من إنزيم توبويزوميراز II وكوندنسين I كمكونات هيكلية رئيسية للكروموسومات الانقسامية ^{[ 9 ] [ 10 ]} ، وكذلك لما يُسمى بهيكل الكروموسوم ^{[ 11 ]} . وقد أثبتت التجارب الوظيفية باستخدام مستخلصات بيض الضفدع الأفريقي ^{[ 10 ]} والتحليلات الجينية في الخميرة الانشطارية ^{[ 12 ] [ 13 ]} أن كلا البروتينين ضروريان لتجميع الكروموسومات الانقسامية بشكل صحيح.

من بين البروتينات البنيوية الرئيسية الثلاثة للكروموسومات الانقسامية، كان الكوندنسين آخر ما تم اكتشافه. ^{[ 10 ] [ 14 ]} ومع ذلك، يُعرف الآن على نطاق واسع بأنه يلعب دورًا محوريًا في تكثيف الكروموسومات الانقسامية. ^{[ 15 ]} تمتلك معظم حقيقيات النوى نوعين من مركبات الكوندنسين، الكوندنسين الأول والكوندنسين الثاني ، واللذان يتداخلان جزئيًا في الوظيفة. في بعض الكائنات الحية أو أنواع الخلايا، يكفي الكوندنسين الأول وحده لدعم الوظائف الانقسامية الأساسية. يُظهر الكوندنسين نشاط إنزيم ATPase ويستخدم الطاقة الناتجة عن تحلل ATP لتكوين حلقات الحمض النووي. من بين النماذج المختلفة المقترحة لتكوين الحلقات، تحظى آلية بثق الحلقة باهتمام كبير. ^{[ 16 ] [ 17 ]} ومع ذلك، فقد تم اقتراح آلية بديلة ^{[ 18 ]} ووظائف تجميع ذات رتبة أعلى ^{[ 4 ] .}

يتزامن التنظيم المكاني والزماني للكوندنسينات بدقة مع تقدم دورة الخلية . في خلايا الفقاريات، يتمركز الكوندنسين II في النواة أو الكروموسومات طوال دورة الخلية ، بينما يبقى الكوندنسين I في السيتوبلازم خلال الطور البيني. عند دخول الطور التمهيدي ، يبدأ الكوندنسين II بتكثيف الكروموسومات. بعد تحلل الغلاف النووي في الطور ما قبل الاستوائي ، يصل الكوندنسين I إلى الكروموسومات، ويعمل المركبان معًا لتعزيز المزيد من التكثيف. ^{[ 19 ] [ 20 ]}

تخضع الكوندنسينات لتعديلات ما بعد الترجمة المختلفة، ومن بينها الفسفرة التي دُرست على نطاق واسع. في الفقاريات ، تُعد الفسفرة بوساطة Cdk1 ضرورية لكلٍ من نشاط التفاف الحمض النووي الفائق ^{[ 21 ] [ 22 ]} ونشاط تجميع الكروموسومات ^{[ 7 ] [ 23 ]} للكوندنسين I. وقد أظهرت التجارب التي أُجريت باستخدام مستخلصات بيض الضفدع الأفريقي (Xenopus) أن فسفرة المنطقة الطرفية الأمينية للوحدة الفرعية CAP-H تُزيل وظيفتها التثبيطية الذاتية، وبالتالي تُنشط المُركب. ^{[ 24 ]} في الكوندنسين II، تُشارك الفسفرة المعتمدة على cdk1 للمنطقة الطرفية الكربوكسيلية للوحدة الفرعية CAP-D3 بشكل مماثل في إزالة القيود التثبيطية وتعزيز نشاطها. ^{[ 25 ] [ 26 ]}

إنزيم توبويزوميراز II هو إنزيم يتحكم في بنية الحمض النووي DNA عن طريق تحفيز القطع المؤقت وإعادة ربط الحمض النووي المزدوج. ^{[ 27 ] [ 28 ]} من خلال هذه العملية، يفك توبويزوميراز II تشابكات الحمض النووي بين الكروماتيدات الشقيقة أو الكروموسومات المختلفة، مما يُساعد عمل المُكثِّفات. ومن المثير للاهتمام، أن الدراسات الحديثة تُشير إلى أنه داخل الكروماتيدات الفردية، قد يُدخل توبويزوميراز II أيضًا تشابكات في الحمض النووي، مما يُساهم في التشكيل المورفولوجي والاستقرار البنيوي للكروموسومات الانقسامية. ^{[ 8 ] [ 29 ] [ 30 ]} وبالتالي، يبدو أن توبويزوميراز II يلعب دورًا مزدوجًا في بنية الكروموسوم: فهو يفكك تشابكات الحمض النووي ويُدخلها في الوقت نفسه . ^{[ 4 ]} ويُعد النطاق الطرفي الكربوكسيلي (CTD) لتوبويزوميراز II ضروريًا للوظيفة الأخيرة. أظهرت الدراسات الحديثة أن إنزيم توبويزوميراز II يُساهم في فصل الطور السائل-السائل (LLPS) بطريقة تعتمد على الحمض النووي DNA وCTD. ^{[ 31 ]} وقد تُساهم هذه الخصائص غير الإنزيمية أيضًا في تكثيف الكروموسومات أثناء الانقسام الخلوي.

يتواجد إنزيم توبويزوميراز II في النواة خلال الطور البيني ، ويرتبط بالكروموسومات أثناء الانقسام المتساوي . ويكون ارتباطه بالكروموسومات أكثر ديناميكية من ارتباط الكوندنسينات. وعلى الرغم من أن إنزيم توبويزوميراز II يخضع لتعديلات ما بعد الترجمة المختلفة، فإنه لا يزال من غير الواضح ما إذا كان أي من هذه التعديلات ينظم نشاطه تحديدًا أثناء الانقسام المتساوي ^{[ 27 ] [ 32 ] .}

تُعدّ الهستونات مكونات هيكلية رئيسية للكروماتين والكروموسومات طوال دورة الخلية . ومن المعروف منذ زمن طويل أن الهستون الأساسي H3 والهستون الرابط H1 يُفسفران تحديدًا أثناء الانقسام المتساوي ، مما يشير إلى مساهمتهما المحددة في تكثيف الكروموسومات. ^{[ 33 ]} ومع ذلك، لا يزال الدليل المباشر على أن هذه الفسفرات تحفز تكثيف الكروموسومات بشكل مباشر غير متوفر. في المقابل، أظهرت دراسات حديثة أن إزالة مجموعة الأسيتيل من الهستونات تُسهم بشكل كبير في تكثيف الكروموسومات أثناء الانقسام المتساوي عبر آليات فصل الطور . ^{[ 34 ]}

من اللافت للنظر أنه في مستخلصات بيض الضفدع الأفريقي (Xenopus) ، يُمكن تجميع تراكيب شبيهة بالكروموسومات حتى في ظل ظروف تُثبّط تكوين النيوكليوسومات ، شريطة وجود المكثفات والتوبويزوميراز II . ^{[ 35 ] [ 8 ]} تتكون هذه الكروموسومات "الخالية من النيوكليوسومات" من محور مركزي غني بالمكثفات وحلقات DNA جانبية كبيرة تمتد منه. تشير هذه الملاحظة إلى أن المكثفات تلعب دورًا محوريًا في تشكيل الكروموسوم الانقسامي، بينما تُساهم النيوكليوسومات في تكثيف حلقات DNA حول المحور.

في خلايا الفقاريات، بالإضافة إلى التعديلات اللاحقة للترجمة، تم تحديد العديد من العوامل التنظيمية الخارجية التي تعمل على تعديل وظيفة الكوندنسين وبنية الكروموسوم الانقسامي.

• يعمل الكروموكينيزين KIF4A كمنظم إيجابي للكوندنسين I ، حيث ينظم نشاطه والتنظيم السليم للكروموسومات أثناء الانقسام المتساوي. ^{[ 36 ] [ 37 ]}
• يعمل البروتين MCPH1 المرتبط بصغر الرأس كمنظم سلبي للكوندنسين II ، وترتبط الطفرات في هذا البروتين بتكثيف غير طبيعي للكروموسومات. ^{[ 38 ] [ 39 ]}
• M18BP1 ، وهي وحدة فرعية من مركب Mis18 الذي يشارك في ترسيب CENP-A في السنتروميرات ، تعمل كمنظم إيجابي للكوندنسين II من خلال التنافس مع MCPH1 . ^{[ 40 ]}
• يُغطي البروتين النووي Ki-67 سطح الكروموسوم أثناء الانقسام المتساوي، ويلعب دورًا هامًا في ضمان تمايز الكروموسومات. ^{[ 41 ] [ 42 ]}

إضافةً إلى منظمات البروتين، من المعروف أن البيئة الأيونية تؤثر بشكل كبير على مورفولوجيا وخصائص الكروموسومات الانقسامية. ^{[ 43 ] [ 44 ] [ 45 ] [ 46 ] [ 47 ]}