kromosomi (njem. Chromosom, od kromo- + -som), štapićaste ili nitaste stanične strukture sastavljene od višestruko namotanih molekula DNA (10 do 30%), proteina (40 do 75%) i RNA (3 do 15%), koje služe za pohranjivanje, organizaciju i zaštitu molekula DNA u jezgri. Naziv kromosom uveo je 1888. njemački anatom Heinrich Wilhelm Gottfried von Waldeyer-Hartz (1836 –1921) zbog izražena svojstva tih struktura da upijaju određene histokemijske boje.
Strukturna organizacija kromosoma promjenjiva je tijekom staničnoga ciklusa. U razdoblju između dviju uzastopnih mitoza (interfazi) nalaze se u raspršenom, nitastom obliku (kromatin) te nisu vidljivi svjetlosnim mikroskopom, ali ulaskom stanice u diobu (mitozu ili mejozu) dolazi do organiziranoga višestrukog namatanja DNA i proteina (kondenzacija), zbog čega kromatin prelazi iz raspršenog u zbijeno stanje, sve do oblikovanja kromosoma u uočljive štapićaste oblike. Pravi kromosomi svojstvo su eukariota, a jednostanični organizmi poput arheja i bakterija imaju prokariotski kromosom po mnogočemu drukčiji od eukariotskoga: nalazi se u području stanice koje je ekvivalent jezgri (nukleoid) i kružni je, pri čem bakterijski kromosom ne sadržava histone, za razliku od arhejskoga. Virusi nemaju kromosome; u njih su genomi sačinjeni od kompleksa nukleinskih kiselina i proteina.
Kromosomi se nalaze u broju koji je karakterističan za pojedinu vrstu, primjerice čovjek ih ima 46 (23 para) u staničnoj jezgri somatskih (tjelesnih) stanica, odnosno u njima je broj kromosoma diploidni ili dvostruki (2n), što su 1956. utvrdili genetičari Joe Hin Tjio (1919–2001) i Albert Levan (1905–98). Po dva su kromosoma sličnih veličina i čine jedan par homolognih kromosoma od kojih svaki par sadržava gene za ista nasljedna svojstva. Od 23 para kromosoma, 22 su para autosomi a jedan je par spolnih kromosoma (heterokromosomi ili alosomi). U čovjeka, gotovo svih ostalih sisavaca, mnogih kukaca, pojedinih gmazova i vodozemaca te nekih dvodomnih biljaka postoje dva X-kromosoma za jedinke ženskoga spola, te X-kromosom i Y-kromosom za jedinke muškoga spola. U spolnim je stanicama (gameta) broj kromosoma polovični ili haploidni (n), jer se u procesu njihova dozrijevanja (gametogeneza) zbiva redukcijska dioba (mejoza), tijekom koje se broj kromosoma smanji na polovicu. Spajanjem raznospolnih gameta (oplodnja) nastaje zigota s diploidnim brojem kromosoma.
Citogenetika je znanost koja objedinjuje znanost o stanici (citologija) i znanost o nasljeđivanju (genetika). Ona proučava morfologiju i svojstva kromosoma tijekom mitoze (dioba tjelesnih stanica) i mejoze (dioba spolnih stanica) te nastoji povezati analize broja, vrste i vanjskog izgleda kromosoma s načelima opće genetike, primjerice pri određivanju spola i otkrivanju kromosomskih aberacija.
Građa kromosoma
Obično su vidljivi kao jasno razlučene strukturne jedinice pod svjetlosnim mikroskopom samo tijekom stanične diobe, najbolje u metafazi mitoze. Prepoznatljivi su zbog kromatida, identičnih uzdužnih jedinica, pri čem svaka kromatida predstavlja dugački i neprekinuti dvostruki lanac DNA. Sestrinske kromatide nastaju kada se kromosom između dvije stanične diobe, u interfazi, udvostruči (replikacija DNA). Dvije kromatide kromosoma pričvršćene su u centromeri, primarnom suženju kromosoma gdje se vežu proteini kinetohore pa su vidljivi kromosomski krakovi p (kraći, prema francuskome petit) i q (dulji, jer to slovo u abecedi slijedi iza p). Najudaljeniji krajevi kromosomskih krakova nazivaju se telomere.
Tehnike pruganja (engleski banding) kromosoma skup su citogenetičkih metoda bojenja koje na kondenziranim kromosomima stvaraju jedinstven uzorak poprečnih svijetlih i tamnih pruga. Omogućile su razlikovanje dviju vrsta kromatina prema razini genske ekspresije: područja s većom aktivnosti gena, odnosno rahli, svjetliji i transkripcijski aktivan eukromatin te zgusnuti, tamniji dio kromatina, najčešće transkripcijski neaktivan heterokromatin. Heterokromatin se dijeli na konstitutivni i fakultativni heterokromatin. Konstitutivni heterokromatin nalazi se na istim položajima svakoga homolognog para kromosoma, i to u području centromere i duž krakova kromosoma. U ženki sisavaca jedan je X-kromosom djelomično inaktiviran i čini fakultativni heterokromatin, odnosno spolni kromatin (Barrovo tjelešce). Ako se kromosomi oboje određenom histokemijskom bojom, krakovi p i q mogu se podijeliti u područja te se u svakom području zasebno označava broj pruge blizu koje se nalazi neki gen. Primjerice, oznaka 7q31.2 označava točno određeno mjesto na dugom kraku ljudskog kromosoma 7 na kojem se nalazi gen za cističnu fibrozu, gdje brojka 7 označava broj kromosoma (u ovom slučaju 7. kromosom), q označava krak kromosoma (duži krak), brojka 3 označava područje na tom kraku (broje se od centromere prema krajevima kromosoma), brojka 1 označava prugu unutar te regije (uočljivu pod mikroskopom nakon bojenja), a oznaka .2 označava potprugu i dodatno opisuje položaj.
U anafazi stanične diobe kromatide kromosoma međusobno se odvajaju, putuju na suprotne polove stanice kao samostalni kromosomi i raspoređuju se u stanice-kćeri. Stanice-kćeri nastale mitozom imaju jednak broj kromosoma i jednak genski zapis kao i stanica-majka (osim rijetkih mutacija ili kromosomskih aberacija). Za razliku od mitoze, mejoza je takva stanična dioba kojom iz matične jezgre nastaju četiri stanice-kćeri s polovičnim brojem kromosoma i novim, drukčijim kombinacijama gena na kromosomima. Poslije diobe se struktura kromosoma ponovno rahli i oni se izdužuju u vrlo tanke niti, odnosno poprimaju oblik kromatina koji je sastavljen od kompleksa DNA i proteina (nukleoprotein), a otkrio ga je Walter Flemming (1843–1906), autor glasovitih radova o mitozi. Oba oblika kromosoma, kromatin koji čine duge tanke niti i kondenzirani kromosomi koje čine kratki štapići, sastavljeni su od molekula DNA koja se namata i od proteina, a razlika je u stupnju kondenzacije, sastavu proteina i kemijskim promjenama na histonima i DNA. Te kemijske promjene uključuju primjerice metilaciju (prijenos metilne skupine na specifične kemijske skupine) i acetilaciju (reakciju u kojoj se acetilna skupina s acetil-koenzima A prenosi na određene aminokiseline u proteinima).
Niti kromatina pakiraju se i sabijaju u štapićaste strukture kondenzacijom kromatina, postupkom koji podrazumijeva organizirano višestruko namatanje DNA i proteina zbog čega kromatin prelazi iz raspršenoga u zbijeno stanje sve do oblikovanja kromosoma. Veličina molekule DNA opisuje se duljinom i brojem parova nukleotida ili parova nukleotidnih baza (mjerna jedinica u molekularnoj biologiji kojom se označava jedan par nukleotida ili par nukleotidnih baza, oznaka pb) te u ljudskom kromosomu iznosi od 50 · 106 pb u najmanjih kromosoma (duljina je ispružene molekule 1,7 cm) do 250 · 106 pb u najvećih kromosoma (duljina je ispružene molekule 8,5 cm). Kada bi se 46 molekula DNA u ljudskoj stanici ispružilo i zajedno spojilo, tvorile bi lanac DNA dug približno 1,7 m. Prema važećem modelu, pakiranje cijele duljine DNA u kompaktnu strukturu odvija se u četiri razine kondenzacije niti DNA. Osnovna je građevna jedinica kromatina nukleosom, otkriven 1974., a čini ga dvolančana DNA (duljine 147 pb) omotana oko histonskog oktamera, odnosno višeproteinske strukture građene od četiri različita histona gdje je svaki histon zastupljen s po dva primjerka, pa cijela struktura pod elektronskim mikroskopom izgleda poput kuglica na niti (engleski beads on a string). Solenoidno vlakno je struktura promjera 30 nm što nastaje pakiranjem nukleosoma i sabijanjem molekule DNA na manje od tisućinke njezine prvotne duljine s mnogobrojnim petljama. Daljnjim sažimanjem nastaje kromatinsko vlakno promjera 300 nm. Takvo namotano kromatinsko vlakno kondenzira se u metafazni kromosom promjera približno 1400 nm (dvostruki kromosom) koji postaje vidljiv pod svjetlosnim mikroskopom.
Promjene u broju ili strukturi kromosoma
Ukupni broj kromosoma i količina DNA (veličina genoma) u stanicama nisu pokazatelji evolucijske složenosti organizma što se u genetici naziva paradoks vrijednosti C (engleski C-value paradox), primjerice neki jednostavniji organizmi mogu imati daleko veći broj kromosoma i više DNA od čovjeka. Čovjek ima 46 kromosoma (23 para), domaća mačka ima 38 kromosoma (19 parova), domaći pas 78, konj 64, svinja 40, kućni miš 40, pivski kvasac 32. Mrav ima dva kromosoma, a vinska mušica ih ima osam. Vrsta leptira atlaski plavac (Polyommatus atlantica) ima približno 458 kromosoma (229 parova) i životinja je s najvećim poznatim brojem kromosoma (među onima koje nisu poliploidne).
Diploidni broj kromosoma karakteristika je određene vrste i najčešće je stabilan. Kako bi se ustanovili poremećaji u broju i strukturi kromosoma, rabe se uređeni prikazi kromosomskih parova. Kariogram je uređeni slikovni prikaz kromosomskih parova jedne stanice. Kariotip je kromosomska garnitura neke jedinke (2n), odnosno kromosomski komplement jedne osobe, a podrazumijeva kromosome razvrstane prema općeprihvaćenoj klasifikaciji. Definira se pisanjem kromosomske formule nakon analize stanica. Uobičajeni kariotip čovjeka sastoji se od 46 kromosoma, i to 22 para autosoma i jednoga para spolnih kromosoma, odnosno 46,XX u žena, a u muškaraca kariotip je 46,XY. Ako se kariogrami međusobno razlikuju, riječ je o tzv. mozaičnom kariotipu.
Pravila pisanja i označavanja broja i strukture kromosoma stalno se nadopunjavaju i prilagođavaju, a propisuje ih Međunarodni sustav nomenklature za humanu citogenomiku (engleski International System for Human Cytogenomics Nomenclature, akronim ISCN). Prva klasifikacija humanih kromosoma predložena je 1960 (Denverska klasifikacija), a osnovni je kriterij razmjerna duljina kromosoma i položaj centromere. Kromosomi autosomi svrstani su prema veličini u sedam skupina: A(1–3), B(4–5), C(6–12), D(13–15), E(16–18), F(19–20), G(21–22). Najveći kromosom označava se brojem 1, a najmanji brojem 22, dok se dva spolna kromosoma označavaju s pomoću oznaka X i Y. Prema položaju centromere, odnosno prema veličini kromosomskih krakova, ustanovljene su tri skupine kromosoma u čovjeka: metacentrični kromosomi (s medijalnim položajem centromere), submetacentrični (s centromerom pomaknutom k jednomu kraju kromosoma) i akrocentrični (s terminalnim položajem centromere). Metacentrični su kromosomi 1, 3, 6, 19 i 20, akrocentrični su 13, 14, 15, 21, 22 i Y, a svi su ostali ljudski kromosomi submetacentrični. U nekih organizama kromosomi mogu biti i telocentrični (centromera im je na samome kraju kromosoma te kromosomi imaju samo jedan krak), primjerice u kućnoga miša svi su autosomi telocentrični.
Kromosomopatija je nasljedna bolest uzrokovana poremećajima broja ili strukture kromosoma, odnosno kromosomskim aberacijama.
Euploidija je pojava promjene broja kromosoma u kojoj je ukupan broj kromosomskih garnitura u stanici točan višekratnik osnovnoga (haploidnog) broja (n). U širem smislu označava oblike numeričkih (brojčanih) kromosomskih aberacija pri kojima dolazi do povećanja ili smanjenja broja cijelih skupova kromosoma (poput monoploidije ili poliploidije).
Poliploidija je oblik numeričke kromosomske aberacije koja se očituje prisutnošću jednog ili više dodatnih cjelovitih haploidnih kromosomskih garnitura. Vrste poliploidije su triploidija (u čovjeka 3n = 69), tetraploidija (4n = 92), pentaploidija (5n = 115), itd. Učestala je u biljnome svijetu, dok je u životinja i čovjeka rijetka i najčešće nespojiva sa životom.
Monoploidija je oblik numeričke kromosomske aberacije pri čem organizam ili stanica ima samo jedan osnovni set kromosoma (n), što odgovara osnovnom broju kromosoma karakterističnom za tu vrstu. Za razliku od uobičajenih haploidnih stanica (poput ljudskih spermija i jajnih stanica koji nastaju mejozom iz diploidnih organizama), u pravih monoploida cijeli je odrasli organizam izgrađen od stanica s jednim setom kromosoma. U opnokrilaca (pčele, mravi, ose) spol je određen stupnjem ploidije. Primjerice, u pčela su ženke (matica i radilice) diploidne (2n = 32). Matica može polagati neoplođena jaja (n) i oplođena jaja (2n). Iz oplođenih jaja razvijaju se ženke, a iz neoplođenih mužjaci, trutovi (n = 16) što je rijedak primjer monoploidnoga višestaničnog organizma u prirodi.
Aneuploidija je numerička kromosomska aberacija koja se očituje promjenom broja pojedinačnih kromosoma. Razlikuje se polisomija i monosomija. Postojanje 3, 4 ili 5 homolognih kromosoma predstavlja trisomiju, tetrasomiju ili pentasomiju. Monosomija je vrsta aneuploidije kada umjesto dva homologna kromosoma postoji samo jedan. Svaka aneuploidija mijenja i ukupan broj kromosoma, pa uz monosomiju nalazimo 45, uz trisomiju 47, a uz tetrasomiju 48 kromosoma u kariotipu. Neke se aneuploidije kao i poliploidije očituju udruženim specifičnim simptomima koji se nazivaju sindromima (primjerice Downov sindrom, odnosno trisomija 21, najčešće se označuje 47,XX,+21 ili 47,XY,+21).
Osim brojčanih, postoje i strukturne aberacije kromosoma uzrokovane lomovima i spajanjem odlomljenih krajeva kromosoma. Odlomljeni dijelovi mogu promijeniti položaj unutar istoga kromosoma, biti premješteni na neki drugi kromosom, zaokrenuti se unutar kromosoma ili izgubiti se tijekom stanične diobe. Dijele se na intrakromosomske, u kojih je došlo do premještanja kromosomskih dijelova unutar istoga kromosoma, i interkromosomske, u kojih postoji izmjena dijelova između dva ili više kromosoma.
Diploidni broj kromosoma u nekih organizama
| Homo sapiens (čovjek) |
46 |
| Mus musculus (kućni miš) |
40 |
| Zea mays (kukuruz) |
20 |
| Drosophila melanogaster (vinska mušica) |
8 |
| Caenorhabditis elegans (mikroskopski oblić) |
12 |
| Saccharomyces cerevisiae (pivski kvasac) |
32 |
| Canis familiaris (domaći pas) |
78 |
| Arabidopsis thaliana (biljka uročnjak) |
10 |
| Myrmecia pilosula (mrav) |
2 |
| Parascaris equorum var. univalens (parazitski oblić) |
2 |
| Cambarus clarkii (rak) |
200 |
| Equisetum arvense (livadna preslica) |
216 |
| Polyommatus atlantica (atlaski plavac) |
458 |
| Netrium digitus (alga jarmašica) |
1200 |
