染色体：発見、種類、機能、構造 - 生物学 - 2025

染色体は、 DNA分子及び連続関連タンパク質からなる構造です。それらは真核細胞の核内にきちんと見出され、それらの遺伝物質のほとんどを含んでいます。これらの構造は、細胞分裂中に最もはっきりと見られます。

真核生物の染色体は18世紀後半に初めて同定され、研究されました。今日、「染色体」という言葉は、生物学や遺伝学の最も基本的な側面のみを研究したことがある人にとってさえ、広く知られている用語です。

染色体とそれに含まれる情報の代表的な図（出典：Wikimedia Commons経由のKES47）

染色体には遺伝子があり、その多くはタンパク質、酵素、各細胞の生命に必要な情報をコードしています。しかし、多くの染色体は純粋に構造的な機能を果たします。つまり、核の内部で特定の遺伝子の配置を可能にします。

一般に、個人のすべての細胞は同じ数の染色体を持っています。たとえば、人間では、成人の体を構成すると推定される1兆個の細胞のそれぞれに、23の異なるペアに編成された46の染色体があります。

人間や他の生物の46の染色体はそれぞれ独特の特徴を持っています。「相同ペア」として知られるものだけが互いに特性を共有しますが、異なるペアとは共有しません。つまり、すべての染色体1は互いに類似していますが、これらは2や3などとは異なります。

人間の細胞のすべての染色体が直線状に配置されている場合、それらは長さ2メートル前後の鎖を形成するため、染色体の主な機能の1つは、遺伝物質を圧縮して、核、転写および複製機構へのアクセスを許可します。

細菌のゲノムと真核生物のゲノムとの間に存在する大きな違いにもかかわらず、原核生物の遺伝物質（および真核生物のいくつかの内部オルガネラの遺伝物質）は、染色体とも呼ばれ、環状分子で構成されています。

発見

メンデルが遺伝の原則を決定したとき、彼は染色体の存在を知りませんでした。しかしながら、彼は、遺伝的要素が特別な粒子を通して重複して伝達されたと結論しました、その概念はその時代よりずっと前に。

18世紀の2人の科学者である植物学者のK. Nageliと動物学者のE. Benedenは、細胞分裂イベント中に植物と動物の細胞の観察と研究に従事しました。これらは、核と呼ばれる中央コンパートメント内の「小さな棒」のような形をした構造を最初に説明したものです。

両方の科学者は、「典型的な」細胞の細胞分裂の間に、新しい核が形成され、その中に最初に細胞で見られたものと同様の「小さな棒」の新しいセットが出現したと詳述した。

この分割プロセスは、1879年にドイツの科学者W.フレミングによってより正確に説明されました。彼は、観察中に染料を使用して、「小さな棒」を染色してよりよく視覚化しました。

THモーガンは、表現型がメンデルによって提案された方法で継承され、継承の単位が染色体に存在することを示しました。モーガンは「メンデリアン革命」を統合した物理的証拠を提供しました。

染色体とクロマチンという用語

フレミングは、間期および細胞質分裂（細胞分裂）中の「桿体」の行動を記録しました。1882年に彼は、細胞が分裂していないときに核内で染色された物質について「クロマチン」という用語を最初に作り出した調査を発表しました。

彼はまた、細胞分裂の間に核内の「桿体」（染色体）の数が2倍になることを観察しました。複製された染色体の各ペアの1つは、得られた細胞の各核内に収容されていたため、有糸分裂中のこれらの細胞の染色体補体は同一でした。

人間の核型の写真（出典：Plociam〜commonswik、via Wikimedia Commons）

W. Waldeyerは、フレミングの著作に続いて、「染色体」（ギリシャ語の「染色された体」に由来）という用語を確立し、細胞分裂時に整然と配置された同じ物質を説明しました。

時間の経過とともに、さまざまな研究者が遺伝物質の研究を掘り下げ、「染色体」および「クロマチン」という用語の意味が少し変わった。今日、染色体は遺伝物質の個別の単位であり、クロマチンはそれを構成するDNAとタンパク質の混合物です。

染色体の種類とその特徴

EB Wilsonは、本の第2版「LaCélula（The Cell）」で、セントロメアの位置に基づく染色体の最初の分類を確立しました。これは、細胞分裂中の有糸分裂紡錘体への染色体の付着に影響する特性です。

染色体は種によって異なり、同じ種の個体には異なる構造と機能を持つ染色体があるため、染色体を分類する方法は少なくとも3つあります。最も一般的な分類は次のとおりです。

細胞によると

細菌の内部の遺伝物質は、高密度で秩序のある円形の塊として見られますが、真核生物では、核の内部で「無秩序」に見える高密度の塊として見られます。細胞によって、染色体は2つの大きなグループに分類されます：

- 原核生物の染色体：各原核生物には、共有結合で閉じた（環状）DNA分子からなる単一の染色体があり、ヒストンタンパク質はなく、核様体として知られる細胞の領域に位置しています。

- 真核生物の染色体：真核生物では、各細胞に2つ以上の染色体が存在する場合があります。これらは核内にあり、細菌の染色体よりも複雑な構造です。それらを構成するDNAは、「ヒストン」と呼ばれるタンパク質と結合しているため、非常に詰まっています。

セントロメアの場所によると

セントロメアは、タンパク質とDNAのかなり複雑な組み合わせを含む染色体の一部であり、染色体分離プロセスが発生することを「確認」する責任があるため、細胞分裂中に主要な機能を果たします。

この「複合体」（セントロメア）の構造的な位置によると、一部の科学者は染色体を次の4つのカテゴリに分類しています。

- メタセントリック染色体：これらは、セントロメアが中央にある染色体です。つまり、セントロメアは、染色体構造を等しい長さの2つの部分に分離します。

- 亜メタセントリックな染色体：セントロメアが「中心」から外れている染色体。分離した2つの部分の間の長さが「非対称」のように見えます。

- アクロセントリック染色体：アクロセントリック染色体では、セントロメアの「偏差」がかなりマークされ、非常に異なるサイズの2つの染色体セクションが生成されます。1つは非常に長く、もう1つは本当に短いものです。

- テロセントリック染色体：セントロメアが構造の末端にある染色体（テロメア）。

機能別

有性生殖を持ち、性別が異なる生物には、その機能に応じて、性染色体と常染色体に分類される2種類の染色体があります。

常染色体（または常染色体）は、性の決定を除いて、生物のすべての特性の継承の制御に参加します。たとえば、人間には常染色体が22組あります。

性染色体は、その名前が示すように、個体の存在を可能にする女性と男性の多くの性的特徴の発達に必要な情報を持っているため、個人の性別を決定する上で基本的な機能を果たします有性生殖。

関数

染色体の主な機能は、細胞の遺伝物質を収容し、核内で保管、輸送、および「読み取り」できるように細胞を圧縮することに加えて、分裂により生じる細胞間の遺伝物質の分布を確保することです。

どうして？細胞分裂中に染色体が分離されると、複製機構は各DNAストランドに含まれる情報を忠実に「コピー」して、新しい細胞がそれらを生み出した細胞と同じ情報を持つようにするためです。

さらに、DNAとクロマチンの一部であるタンパク質との関連付けにより、各染色体の特定の「領域」を定義できます。これは、遺伝子発現と同一性の観点から非常に重要です。細胞。

染色体は静的分子または「不活性」分子からはほど遠いです。実際、それは全く逆です。染色体内の各DNA分子の圧縮と協働するものであるヒストンタンパク質も、しなければならないダイナミズムに参加しますゲノムの特定の部分の転写またはサイレンシング。

したがって、染色体構造は、核内のDNAの組織に作用するだけでなく、どの遺伝子が「読み取られ」、どの遺伝子が読み取られないかを決定し、それを運ぶ個人の特性に直接影響します。

構造（パーツ）

染色体の構造は、「微視的」（分子）の視点と「巨視的」（細胞学的）の視点から分析できます。

-真核生物の染色体の分子構造

典型的な真核生物の染色体は、長さが数億の塩基対になり得る線状の二本鎖DNA分子で構成されています。このDNAはさまざまなレベルで高度に組織化されているため、コンパクトにすることができます。

ヌクレオソーム

各染色体のDNAは、最初にヒストンタンパク質（H2A、H2B、H3、H4）の8量体の「巻き」によって圧縮され、直径11ナノメートルのヌクレオソームと呼ばれるものを形成します。

DNAは負に帯電しており、ヒストンは正に帯電したアミノ酸残基が豊富な塩基性タンパク質であるため、ヒストンタンパク質とDNAの結合は静電相互作用により可能です。

1つのヌクレオソームは、DNA鎖の一部とヒストンタンパク質H1によって形成される接合領域を介して別のヌクレオソームに接続します。この圧縮から生じる構造は、一連のビーズに似ており、DNA鎖の長さを7分の1に減らします。

30nmファイバー

ヌクレオソームの形のクロマチン（DNA +ヒストン）がそれ自体にコイル状になると、DNAはさらに圧縮され、直径約30 nmのファイバーを形成し、DNA鎖をさらに7回圧縮します。

核マトリックス

次に、30 nmファイバーは、核内膜の内面の内側を覆う核基質（ラミナ）の繊維状タンパク質と関連しています。マトリックスに固定された「ループドメイン」が形成され、核内の定義された領域に染色体を組織化するため、この関連付けにより、ファイバーの漸進的な圧縮が可能になります。

染色体の圧縮のレベルは、それらの構造全体を通して等しくないことに注意することが重要です。ヘテロクロマチンとして知られ、一般的に「サイレント」である、超圧縮された場所があります。

複製または転写機構が比較的容易にアクセスできる、構造のより緩いまたはよりリラックスした部位は、ユークロマティック部位として知られ、ゲノムの転写活性領域である。

-真核生物の染色体の「巨視的」または細胞学的構造

細胞が分裂していない場合、クロマチンは「緩い」と見なされ、さらに「無秩序」と見なされます。ただし、細胞周期が進むにつれて、この材料は凝縮または圧縮され、細胞学者によって記述された染色体構造の可視化を可能にします。

染色体の構造：1）クロマチド; 2）セントロメア; 3）短腕（p）と4）長腕（q）（出典：！ファイル：Chromosome-upright.png元のバージョン：Magnus Manske、直立した染色体を持つこのバージョン：ユーザー：Dietzel65Vector：ウィキメディアコモンズ経由の派生作品Tryphon）

セントロメア

細胞分裂の中期では、各染色体は、セントロメアとして知られている構造のおかげで相互にリンクされた1対の円柱状「染色分体」で構成されていると見なされます。

セントロメアは分裂中に紡錘体が結合する部位であるため、染色体の非常に重要な部分です。この結合により、セントロメアを介して付着している染色分体を分離することができます。その後、それらは「娘染色体」として知られます。

セントロメアは、「結び目」のような形をしたタンパク質とDNAの複合体で構成され、染色分体の構造に沿ったその位置は、核分裂中の各染色体の形態に直接影響します。

セントロメアの特殊な領域には、細胞分裂中に有糸分裂紡錘体が接合して姉妹染色分体を分離する特定の部位である動原体として科学者が知っているものがあります。

武器

セントロメアの位置も2つのアームの存在を決定します。短いまたは小さいもの（p）と大きいもの（q）です。セントロメアの位置は実質的に変更されていないため、細胞学者は各染色体の説明の際に命名法「p」と「q」を使用します。

テロメア

これらは、各染色体の末端を「保護」する特殊なDNA配列です。その保護機能は、異なる染色体がその端を介して互いに結合するのを防ぐことです。

科学者がテロメアシーケンス（DNAが二重らせんよりもやや複雑な構造を形成する）が周囲の遺伝子の活性に影響を与え、さらに、細胞の寿命。

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