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¿Están organizados los cromosomas de alguna manera significativa?

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Así que mi especialidad es en farmacia, pero tanto mi maestría como mi doctorado (actualmente en curso) son en química teórica. Mi tesis trata sobre la química cuántica y las proteínas, pero tiene una cierta cantidad de filogenia y biología evolutiva, por lo que tuve que aprender algo de metodología de análisis filogénico y tuve mi experiencia en el uso de bases de datos de secuencias y herramientas de análisis en la web. Aunque no me concentro particularmente en el genoma humano, ni siquiera en las proteínas humanas, me puse a pensar en una pregunta bastante curiosa.

De ninguna manera soy un especialista en biología molecular y evolutiva, pero entiendo que los cromosomas y genes surgen en la población por varios mecanismos. Ahora, es interesante para mí que toda la información sobre el sexo biológico en humanos esté contenida en un solo interruptor cromosómico, el cromosoma Y. Dado ese hecho, me pregunté

"¿Tenemos algún orden en la disposición de nuestros genes en sus cromosomas?"

Así que ahora les dirijo esa pregunta a ustedes, que parecen estar mejor equipados para abordar estas preguntas que yo. ¡Perdona mi ignorancia y satisface mi curiosidad!

[EDITAR PARA ACLARACIÓN]

De acuerdo, aclarando algunos puntos que se plantearon en los comentarios:

La pregunta es si existe un patrón en la organización de genes en cromosomas. Por ejemplo, el cromosoma Y claramente contiene muchos genes asociados con el dimorfismo sexual en humanos. Me preguntaba si los cromosomas en general siguen ese patrón general. Si, por ejemplo, el cromosoma 1 contiene tal o cual tipo de genes, como si tuviera indicios de un "tema" general.

¿Está más claro?


Biología REA

Los cromosomas están hechos de moléculas de ADN de doble cadena enrolladas alrededor de histonas y condensadas en la familiar forma de X. Con un funcionamiento regular, estos cromosomas se descondensan en el núcleo y no son reconocibles.
Los cromosomas en interfase no son visibles individualmente. En preparación para la división nuclear (mitosis o meiosis), comienzan a organizarse más apretadamente y condensarse en preparación para el movimiento a los núcleos hijos posteriores. La siguiente animación ilustra el proceso de empaquetado de histonas y la visualización molecular de la replicación del ADN. Histonas son proteínas que ayudan a empaquetar los cromosomas en espirales organizadas que dan lugar a los cromosomas reconocibles durante la metafase.

Los reordenamientos genómicos a gran escala dan como resultado anomalías genéticas. Los biólogos utilizan una técnica llamada propagación cromosómica seguido de un cariotipo o cariograma . Para hacer que un cromosoma se propague, se bloquea la progresión de la mitosis en la metafase, donde los cromosomas se condensan en las estructuras que conocemos. Un análisis de cariotipo es una disposición del cromosoma que se disemina en los pares de cromosomas homólogos.

Un cariotipo & ldquospectral & rdquo de un núcleo femenino. Cada par homólogo está “pintado” para diferenciarlos. Los eventos asociados con la separación inadecuada de los cromosomas durante la metafase dan como resultado una alteración del número de cromosomas en la generación posterior de células. Usando las cuentas Pop, podemos comprender mejor cómo el momento de estos eventos conducirá a diferencias en el cariotipo.


Tipos de cromosomas

Hay diferentes tipos de cromosomas presentes en una célula durante una etapa particular de la división celular. Aprenderemos sobre estos tipos de cromosomas en el artículo que se analiza a continuación.

Hay diferentes tipos de cromosomas presentes en una célula durante una etapa particular de la división celular. Aprenderemos sobre estos tipos de cromosomas en el artículo que se analiza a continuación.

El núcleo de las células vegetales y animales contiene estructuras filiformes llamadas cromosomas. Estos cromosomas están formados por una sola molécula de ácido desoxirribonucleico (ADN) y una proteína. Estos cromosomas pasan de los padres a su progenie y contienen todo el material genético relacionado con el organismo en particular. La palabra cromosoma proviene de palabras griegas. Chroma en griego significa & # 8216color & # 8217 y soma significa & # 8216body & # 8217. Como estas estructuras tienden a teñirse muy fuertemente con los tintes de color utilizados en los laboratorios, estas estructuras se denominaron cromosomas. Estos cromosomas tienen una función muy importante sin la cual un individuo u organismo no puede existir.

¿Cuáles son las funciones de los cromosomas?

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Los cromosomas tienen una estructura única que mantiene el ADN en una posición ajustada. Las hebras de ADN se colocan alrededor de una estructura de proteína en forma de carrete llamada histonas. Si la estructura del ADN no estuviera bien enrollada, habría sido muy difícil acomodar las hebras en el núcleo celular. Las hebras de moléculas de ADN en una sola célula humana tienen casi 6 pies de largo, si se desenrollan. Por lo tanto, las hebras que se envuelven firmemente las ayudan a colocarse en el diminuto y microscópico núcleo celular. Las funciones del cromosoma también incluyen asegurarse de que durante la división celular, el ADN se copie exactamente como está y se distribuya uniformemente después de la división celular. Si hay algún cambio en la estructura o en el número de cromosomas, podría provocar graves defectos de nacimiento en la progenie. Por lo tanto, es absolutamente esencial que todas las células reproductoras, es decir, los óvulos y los espermatozoides, contengan el número correcto y la estructura correcta de cromosomas. En caso contrario, se producirán graves complicaciones en la descendencia.

¿Qué es un centrómero y un telómero en el cromosoma?

Cuando hablamos de tipos de cromosomas, encontrará que las palabras & # 8216centromere & # 8217 y & # 8216telomere & # 8217 se mencionarán un par de veces. Es importante comprender la estructura de un cromosoma antes de ver sus tipos. Si observa la estructura del cromosoma, encontrará una región estrecha en el cromosoma lineal. Esta área restringida se llama centrómero y no es necesario que esté ubicada exactamente en el centro de los cromosomas. Puede colocarse justo en un extremo del cromosoma. Las estructuras a ambos lados del cromosoma se denominan brazos cromosómicos. Estos centrómeros son muy importantes durante la división celular. Ayudan a alinear los cromosomas correctamente y sirven como un sitio de unión para las dos mitades de los cromosomas replicados. Estos cromosomas replicados se denominan cromátidas hermanas que se copian para formar una nueva célula.

Los tramos repetitivos de ADN en los extremos de los cromosomas lineales se denominan telómeros. Ayudan a evitar que el ADN se deshaga de su estado de herida apretada. En algunas células, los telómeros tienden a perder su ADN poco a poco después de cada división celular. Esto continúa sucediendo, hasta que pierde todo el ADN y la célula muere. En algunas células, existen enzimas especiales que evitan esta pérdida de ADN durante la división. Por lo tanto, estas células pueden vivir una vida más larga en comparación con otras células. Además del centrómero y el telómero, otras partes del cromosoma incluyen las regiones de constricción primaria y secundaria con su satélite, película, matriz, cromonema y cinetocoro.

Cromosomas encontrados en humanos

Los cromosomas están muy dispersos y son difíciles de localizar antes de la división celular. Cuando la célula comienza a dividirse, los cromosomas se ven con claridad y se pueden fotografiar, así como también se puede estudiar su morfología, tamaño y forma. Los tipos de cromosomas se dividen en dos categorías, autosomas y cromosomas sexuales. Estos tipos se explican a continuación:

♦ Autosomas

Los autosomas son estructuras que contienen la información hereditaria. No contienen información relacionada con la reproducción y la determinación del sexo. Son idénticos en ambos sexos, es decir, especies de humanos masculinos y femeninos. Hay 46 (2n) cromosomas en los seres humanos. De estos 46 cromosomas, hay 44 pares de autosomas y contienen información relacionada con los caracteres fenotípicos.

♦ Alosomas / Heterosomas

Los alosomas son cromosomas sexuales que son diferentes de los autosomas en forma, comportamiento y tamaño. Hay un par de alosomas en los humanos. Los cromosomas X están presentes en el óvulo y el cromosoma X o Y puede estar presente en los espermatozoides. Estos cromosomas ayudan a determinar el sexo de la progenie. Si la descendencia recibe el cromosoma X tanto de la madre como del padre, resulta en una niña (XX). Si la descendencia recibe un cromosoma X y uno Y de los padres, resulta en un hijo varón (XY). En palabras simples, es la donación del cromosoma X o Y por parte del padre lo que ayuda a determinar el sexo del niño.

Aparte de estas dos categorías, los cromosomas se pueden dividir según la ubicación del centrómero y el número de centrómeros.

♦ Tipos de cromosomas: según la posición del centrómero

Los cromosomas se dividen en cuatro tipos según la posición del centrómero. Estos cuatro tipos son los siguientes:

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Cromosoma metacéntrico
El cromosoma metacéntrico tiene su centrómero ubicado en el centro entre los dos brazos. Esto le da al cromosoma una forma típica & # 8216V & # 8217 que se ve durante la anafase. Los brazos de este cromosoma tienen aproximadamente la misma longitud. En ciertas células, la fusión de dos cromosomas acrocéntricos conduce a la formación de un cromosoma metacéntrico.

Cromosoma submetacéntrico
Se dice que los brazos del cromosoma submetacéntrico tienen una longitud desigual. Esto se debe a que el cinetocoro está presente en la posición submediana. Esto da lugar a la forma & # 8216L & # 8217 del cromosoma submetacéntrico.

Cromosoma telocéntrico
También conocidos como cromosomas de tipo monárquico, tienen un centrómero que se encuentra hacia el final del cromosoma. Por tanto, los cromosomas telocéntricos tienen una apariencia en forma de & # 8216 varilla & # 8217. En algunos casos, los telómeros se extienden desde ambos extremos del cromosoma. El cromosoma telocéntrico no está presente en humanos.

Cromosoma subtelocéntrico
Los cromosomas que tienen un centrómero que se encuentra más cerca del extremo que del centro se denominan cromosomas subtelocéntricos.

Cromosoma acrocéntrico
La ubicación del centrómero en el cromosoma acrocéntrico es subterminal. Esto hace que el brazo corto del cromosoma se vuelva realmente corto, lo que hace que sea muy difícil de observar.

Cromosoma holocéntrico
En los cromosomas holocéntricos, el centrómero recorre toda la longitud del cromosoma. Estos cromosomas son muy comunes en células pertenecientes a organismos del reino animal y vegetal.

♦ Tipos de cromosomas: según el número de centrómeros

La cantidad de centrómeros presentes en el cromosoma ayuda a determinar el tipo de cromosoma. Estos diferentes tipos de cromosomas basados ​​en la cantidad de centrómeros son los siguientes:

Cromosoma acéntrico
Los cromosomas acéntricos son aquellos que carecen de centrómeros, es decir, el centrómero está totalmente ausente en el cromosoma. Estos cromosomas se observan debido a los efectos del proceso de ruptura de cromosomas como la irradiación.

Cromosoma monocéntrico
Los cromosomas monocéntricos son aquellos que contienen un solo centrómero. Este tipo de cromosoma está presente en la mayoría de los organismos. Los cromosomas monocéntricos se pueden llamar acrocéntricos, si el centrómero se encuentra al final del cromosoma. Si el centrómero se ubica hacia el centro se denomina cromosoma metacéntrico. Y los cromosomas telocéntricos son aquellos en los que el centrómero está presente en el extremo del cromosoma.

Cromosoma dicéntrico
Los cromosomas dicéntricos son aquellos que tienen dos centrómeros que están presentes en sus brazos. Estos cromosomas se forman después de que dos segmentos cromosómicos con un centrómero cada uno, se fusionan de un extremo a otro. Esto hace que pierdan sus fragmentos acéntricos, lo que lleva a la formación del cromosoma dicéntrico.

Cromosoma policéntrico
Los cromosomas policéntricos son aquellos que contienen más de dos centrómeros. Estos cromosomas son muy comunes en las plantas, por ejemplo, el helecho de lengua víbora tiene 1262 cromosomas.

Los tipos de cromosomas en humanos se dividen en dos categorías como se vio arriba. Incluyen los autosomas y los cromosomas sexuales. Por tanto, en total, los seres humanos contienen 22 pares de autosomas y un par de cromosomas sexuales. Esto conduce a la presencia de 46 cromosomas presentes por célula. Los cromosomas son muy importantes para todos y cada uno de los organismos, ya que el futuro de su descendencia depende de la división y separación normal de los cromosomas.

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Construcción de criaturas 3-D: construyendo cromosomas desde cero

Crédito: Wikipedia

El proyecto Genome in a Box es una creación de los investigadores Anthony Birnie y Cees Dekker del Departamento de Bionanociencia de la Universidad Tecnológica de Delft. Su objetivo declarado es ensamblar un cromosoma funcional de abajo hacia arriba, comenzando con el ADN desnudo. En teoría, la secuencia sin procesar podría imprimirse en pedazos utilizando máquinas de síntesis de ADN y luego unirse en una cadena larga con el código correcto del cromosoma deseado. Eso sería casi imposible en la práctica, al menos con nuestra tecnología existente. No habría forma de mantener ordenadas las frágiles cuerdas para que pudieran unirse y doblarse correctamente sin errores.

En cambio, lo que proponen los investigadores es tomar una cadena de ADN desproteinada del tamaño del genoma aislada de células vivas, y luego volver a agregar cuidadosamente los elementos organizadores de ADN apropiados, uno por uno, para unir y compactar la secuencia en un cromosoma adecuado dentro de algunos microfluídicos adecuadamente avanzados. aparato. Estos organizadores de ADN incluyen varias proteínas histonas que terminan individualmente

200 segmentos de pares de bases de ADN para formar una configuración condensada de perlas en una cuerda. Luego, estos nucleosomas se unen y se extruyen en bucles de orden superior mediante proteínas motoras SMC (mantenimiento estructural de los cromosomas). Los SMC típicos, como los complejos de cohesina y condensina, pueden enrollar rápidamente el ADN a una velocidad de 2000 bps / seg, pero solo pueden tirar con una fuerza de parada de aproximadamente un piconewton.

Estos bucles se esposan luego juntos para formar dominios de asociación topológica (TAD) grandes, que, al menos para los mamíferos, se generan en una escala de aproximadamente 880 kb. También se añaden marcadores epigenéticos para definir dominios transcripcionalmente activos (eucromatina) o reprimidos (heterocromatina), que, a su vez, se organizan en última instancia en territorios cromosómicos distintos dentro del núcleo. Otras proteínas, incluidas las polimerasas, se arrastran a lo largo de la cadena, introduciendo superenrollamiento positivo y estrés de torsión delante de ellas, y superenrollamientos negativos a su paso, mientras que las topoisomerasas ayudan a decatenar cadenas entrelazadas para controlar aún más la topología.

En su reciente artículo para ACS Nano, el estilo del autor de sus planes progresistas del genoma en una caja después de la construcción teórica llamada partícula en una caja tan valorada en la física. Además, proponen que los principios físicos generales, incluida la separación de fases y las ideas de la física de polímeros, pueden ayudar a guiar el experimento. Su esperanza es que estos estudios in vitro de planta baja den una idea de la verdadera naturaleza de los cromosomas que los métodos de inmunoprecipitación y de imágenes de arriba hacia abajo basados ​​en fluorescencia que se utilizan actualmente simplemente no pueden dar. Pero, ¿funcionará todo esto? En los cromosomas naturales, por ejemplo, los procesos anteriores no siempre se suceden en una secuencia de pasos bloqueados. Los ajustes epigenéticos y la envoltura de histonas podrían estar ocurriendo en un lugar, mientras que la extrusión de bucle y el superenrollamiento pueden ocurrir en otro. De hecho, todo lo anterior podría estar ocurriendo de una forma u otra simultáneamente.

Si bien el objetivo de recrear un cromosoma eucariota completo, o incluso derivado de bacterias, es un esfuerzo noble, quizás los científicos podrían comenzar con algo un poco más manejable. El ADN mitocondrial (ADNmt) está organizado en un nucleoide de solo aproximadamente 16.600 bps. Por el contrario, incluso nuestro cromosoma más pequeño, el cromosoma 21 (no el 22 o Y) es varios órdenes de magnitud más grande, a 48 millones de bps. De hecho, los esfuerzos para recrear nucleoides artificiales in vitro ya han tenido cierto éxito inicial utilizando solo unas pocas proteínas organizadoras. Por ejemplo, se utilizó un replisoma mitocondrial mínimo para establecer que Twinkle es la helicasa utilizada en la bifurcación de replicación del mtDNA. La polimerasa de ADNmt definitiva (POLγ) no puede utilizar una plantilla de ADN de doble hebra para la síntesis de ADN; sin embargo, en combinación con Twinkle, se pueden sintetizar hebras simples de ADN de hasta 2 kb. Cuando se agrega la proteína de unión al ADNss (mtSSB) a la mezcla, se pueden fabricar productos de ADN de hasta aproximadamente 16 kb, es decir, del mismo tamaño que el ADNmt de mamíferos.

En aras del argumento, supongamos que un científico se embarca en la tarea de tratar de construir todos los cromosomas a partir de la secuencia y la información de etiquetas epigenéticas. ¿Es esto incluso posible en teoría? En otras palabras, ¿hay suficiente información en el código sin procesar para asegurar que los nucleosomas se aprovisionan en los lugares correctos y los bucles se extruyen a las longitudes correctas, y así sucesivamente o se requeriría alguna plantilla funcional de los cromosomas existentes para configurar para restringir adecuadamente construcción de otro?

Dicho de otra manera, ¿existe solo una solución estable u óptima para configurar un cromosoma funcional desde cero (como proteínas exitosas que siempre se pliegan de la manera adecuada), o hay tantas soluciones posibles que darían como resultado organismos completamente diferentes o incluso no funcionales? Parecería que habría muchas formas. Estas no son simplemente especulaciones ociosas, porque muchos creadores potenciales de criaturas están ahora en sus mesas de dibujo genéticas. La diferencia entre un elefante y un mamut parece ser principalmente de secuencia y epigenética. Por lo tanto, reconstruir mamuts a partir de fuentes genéticas degradadas probablemente no sea tan exagerado.

Pero, ¿qué hay de hacer un dragón? Teniendo en cuenta que pronto tendremos una secuencia cromosómica bastante completa e información estructural para todos los animales existentes, e incluso pterosaurios y tiranosáuridos extintos, podría no ser del todo inconcebible que un buen paquete de BioCAD pueda usarse para desarrollar un facsímil razonable de un dragón. Y, sin embargo, no hay dragones en el registro fósil. Al menos en la Tierra, un dragón es un animal del Jardín del Edén; presumiblemente, no hay forma de obtener uno desde cero. Parece razonable que un dragón pueda ser una forma fisiológica viable en el sentido de que si un pterosaurio grande fuera modificado quirúrgicamente para convertirlo en un dragón adecuado, podría persistir, aunque probablemente estéril, durante algún tiempo. Otra cuestión totalmente distinta es si un animal así podría alguna vez codificarse en el ADN y revestirse con cromosomas estables que pudieran convertirse en un animal vivo y en reproducción.

Si bien el problema de construir un conjunto de cromosomas de dragón viables es un paso más allá del esfuerzo del genoma en una caja para cromosomas animales o incluso humanos existentes, destaca una deficiencia potencial del esquema. Puede ser posible eventualmente hacer un determinado cromosoma a partir de la secuencia, pero quizás no sea posible hacer el cromosoma realmente correcto, particularmente si se hace de forma aislada. En otras palabras, los cromosomas pueden necesitarse físicamente para construirse. Los cromosomas interactúan de manera diferente entre sí en diferentes fases del ciclo celular y en varias etapas de desarrollo. Las distintas fases del reinicio epigenético tienen lugar durante el desarrollo de las células germinales y embrionarias.

Por ejemplo, los espermatozoides que se diferencian arrojan sus histonas y se colocan temporalmente capas de protamina para adoptar una configuración más compacta en preparación para encontrarse con sus contrapartes en el óvulo. Durante algún tiempo a partir de entonces, los cromosomas conservan algo de memoria de su progenitor original. Dado que los cromosomas cambian continuamente su propia estructura a lo largo del desarrollo de las células y los organismos, una pregunta básica para un 'genoma en una caja' podría ser: ¿Qué etapa del cromosoma queremos intentar hacer primero?


Cambia la historia

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Euchromatin and Heterochromatin

Chromatin within a cell may be compacted to varying degrees depending on a cell's stage in the cell cycle.

In the nucleus, chromatin exists as euchromatin or heterochromatin. During interphase of the cycle, the cell is not dividing but undergoing a period of growth.

Most of the chromatin is in a less compact form known as euchromatin. More of the DNA is exposed in euchromatin allowing replication and DNA transcription to take place.

During transcription, the DNA double helix unwinds and opens to allow the genes coding for proteins to be copied. DNA replication and transcription are needed for the cell to synthesize DNA, proteins, and organelles in preparation for cell division (mitosis or meiosis).

A small percentage of chromatin exists as heterochromatin during interphase. This chromatin is tightly packed, not allowing gene transcription. Heterochromatin stains more darkly with dyes than does euchromatin.


Similarities between Prokaryotic and Eukaryotic Chromosomes

Ø The chromosome of both prokaryotes and eukaryotes contains the genetic material DNA.

Ø The chemical composition and structural organization of DNA is similar in both prokaryotes and eukaryotes.

Ø In both prokaryotes and eukaryotes, the expression of genetic material is facilitated by transcription and translation.

Ø In both groups, the negatively charged DNA interacts with some positively charged proteins to nullify their charges.

Ø The genetic material contains both coding and noncoding sequences.

Ø In both groups, the methylation of DNA in the chromosome causes its inactivation.

Ø Both groups contain extra-chromosomal genetic materials. (plasmids in prokaryotes and DNA of mitochondria and chloroplasts in eukaryotes)


4. The somatic cells of sexually-reproducing eukaryotic organisms are diploid, meaning that they have 2 sets of homologous chromosomes.

The somatic cells of the human body—that is, the cells that aren’t gametes, or sex cells—each have 46 chromosomes. They are diploid cells, which means that those 46 chromosomes are organized into 23 pairs. Diploid is sometimes abbreviated as 2n (where n is the number of different chromosomes).

In humans, 22 out of the 23 chromosome pairs are autosomes, or non-sex chromosomes. These are referred to as pares homólogos because the two chromosomes within the pair are the same size and shape and contain the same genes (with potentially different alleles, which are alternate versions of a gene). The 23rd pair is made up of the sex chromosomes. Typically, people who are biologically male have an XY genotype (an X chromosome and a Y chromosome), and people who are biologically female have an XX genotype (two X chromosomes). The XX pair, but not the XY pair, is considered to be a homologous pair.

The sex cells, or gametes, of sexually-reproducing eukaryotic organisms are haploide (1n), meaning they only have 23 unpaired chromosomes. When a sperm cell fertilizes an egg, the resulting zygote is diploid the combination of the two haploid sex cells is what results in the zygote having the full 46 chromosomes. One chromosome in each pair comes from the mother’s egg cell, and the other comes from the father’s sperm cell.


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Hi - I've recently become interested/fascinated by genetics my basic question is:- 'why' is the [human] genome split into separate chromosomes rather than being one long strand and what determines[ed] which genes went to which chromosome?

-A curious adult from the United Kingdom

You're right that these questions are basic. But this doesn't mean they are simple. Sometimes the simplest questions about biology and genetics are the hardest to answer.

To some extent the number of chromosomes and which genes are on each chromosome may be due to blind evolutionary chance. But that's not the whole story.

Why is the human genome split into separate chromosomes rather than being one long strand?

First let me remind you that we humans have 46 chromosomes in each of our cells. So why 46 chromosomes? Why not one giant one?

Some of the simplest forms of life, like bacteria, keep all of their DNA in a single chromosome. However, more complex creatures (like humans!) divide their DNA into lots of different chromosomes.

One reason for this difference may have to do with how each kind of beast makes babies. Bacteria make new bacteria asexually. This means that when they make new bacteria, they just split in two with each half getting a copy of the same DNA.

Most other creatures make new offspring sexually. What this does is combine DNA from two parents to make the child.

We all have two copies of every chromosome (except males who have one X and one Y plus 22 other pairs). Mom and dad give us copies of half their DNA -- one of each chromosome. At the end, we all have two copies of each of our chromosomes just like mom and dad. But our DNA is a mix of mom's and dad's.

Each egg or sperm gets 23 chromosomes (half of each pair). Which chromosome they get in the pair is totally random. When you do the math, this comes out to 10 trillion different possible combinations. If we had only one pair of chromosomes, the number drops to 4.

Of course, none of this would matter if the chromosomes were exactly the same between mom and dad. Luckily they're not. In fact, there is on average 6 million differences between any two people's DNA.

The mixing of DNA in this way generates lots of these differences. This 'genetic diversity' is very important for survival. Not necessarily the survival of any one individual, but for the species as a whole.

Say, for example, a new deadly disease hits (think of the plague during the Middle Ages). Lots of people would die, but some would live. Some of these survivors would live because they had the right set of DNA differences.

And reproducing sexually increases genetic diversity hugely. Without it, we'd have to rely on random DNA changes which wouldn't cause as much mixing. And random changes can cause lots of problems with "bad" mutations that mixing doesn't.

So this addresses the question of why we don't simply have one long strand of DNA. We need more than one to increase genetic diversity.

But why 46 exactly? How (or why) we ended up with exactly 46 chromosomes is somewhat of an evolutionary mystery.

Generally speaking though, species that are closely related have a similar number of chromosomes. For example, chimpanzees and other great apes, our closest evolutionary cousins, have 48.

Over time, pieces of chromosomes break off and stick to other chromosomes. Sometimes whole chromosomes stick to other chromosomes. At some point in the last 6-8 million years, two of our chromosomes fused together to make our chromosome 2. We know this because our chromosome 2 is really just two chimpanzee chromosomes fused together.

It is this sort of rearrangement that helped to give our current number of chromosomes. As you can see from this example, this number is certainly not fixed, it can and does change.

So similar species tend to have a similar number of chromosomes. But aside from this general rule there is very little rhyme or reason to how many chromosomes a species has.

For example, the number doesn't have to do with how complicated the species is. We have 46 chromosomes but a goldfish has 94, and a certain type of fern (Ophioglossum reticulatum) has 1,260. And it's safe to say we're more complex than a fern!

What determines which genes are on which chromosome?

This is another interesting question for which I'm afraid I don't have a straightforward answer. To some extent it may be that which genes are on which chromosomes is the luck of the evolutionary draw.

We know that chromosomes contain different genes or "chunks" of the genome. Genes are simply stretches of DNA that contain instructions in a 4 letter, 64 word code for making a protein.

Proteins are the workers in the cell. Almost anything that needs doing is done by a protein. They carry our oxygen, help us see and even think!

In bacteria, those simple organisms with only one chromosome, the genes are organized into groups based on what the genes do for a living. For example, all the genes needed to digest lactose, the sugar found in milk, are grouped together on the chromosome.

When there is lactose around, all the genes can get used together. Our genes may have started out similarly a billion years ago or so. But then those rearrangements we talked about earlier started happening. Also, for reasons we won't go into, virus-like DNA picked up genes and moved them around. The end result is that our genes started getting separated and moved around.

In humans for example, the gene for alpha globin, a part of the hemoglobin protein that carries oxygen in red blood cells, is found on chromosome 16. However, the gene for beta globin, the other part of the hemoglobin protein, is found on chromosome 11.

Of course, our genes aren't just a jumbled mess. Some parts of our chromosomes are organized by function.

The infamous Y chromosome contains all the genes needed for 'maleness'. Since both males and females have X chromosomes, the genes for 'femaleness' are not grouped on the X chromosome but instead are spread throughout the genome.

Chromosome rearrangements and gene hopping may make the order of our genes less organized. But there is another process at work that makes groups of genes that are more organized on our chromosomes. This is called 'gene duplication'.

Like it sounds, gene duplication is when a region of DNA on a chromosome containing a gene gets copied. This new version of the gene becomes part of the genome and lives very close to its parent gene on the chromosome (unless a rearrangement happens!).

Gene duplication is one way that new genes are born. Over time, small changes build up in human DNA. These random changes, or mutations, occur differently in the DNA of each version of the gene.

What can happen is that the mutations cause the two genes to evolve different jobs. After awhile, you end up with a new gene having a new function.

But these two genes are near each other and usually do pretty similar sorts of jobs. This results in more organization as genes that are doing similar things are near each other.

I hope these answers help you to understand a little bit about why our genes and chromosomes are set-up the way they are. As you can see, we scientists are just beginning to understand the answers to these very interesting and important questions ourselves. Thanks for asking!


The work on Drosophila

Morgan apparently began breeding Drosophila in 1908. In 1909 he observed a small but discrete variation known as white-eye in a single male fly in one of his culture bottles. Aroused by curiosity, he bred the fly with normal (red-eyed) females. All of the offspring (F1) were red-eyed. Brother–sister matings among the F1 generation produced a second generation (F2) with some white-eyed flies, all of which were males. To explain this curious phenomenon, Morgan developed the hypothesis of sex-limited—today called sex-linked—characters, which he postulated were part of the X-chromosome of females. Other genetic variations arose in Morgan’s stock, many of which were also found to be sex-linked. Because all the sex-linked characters were usually inherited together, Morgan became convinced that the X-chromosome carried a number of discrete hereditary units, or factors. He adopted the term gene, which was introduced by the Danish botanist Wilhelm Johannsen in 1909, and concluded that genes were possibly arranged in a linear fashion on chromosomes. Much to his credit, Morgan rejected his skepticism about both the Mendelian and chromosome theories when he saw from two independent lines of evidence—breeding experiments and cytology—that one could be treated in terms of the other.

In collaboration with A.H. Sturtevant, C.B. Bridges, and H.J. Muller, who were graduates at Columbia, Morgan quickly developed the Drosophila work into a large-scale theory of heredity. Particularly important in this work was the demonstration that each Mendelian gene could be assigned a specific position along a linear chromosome “map.” Further cytological work showed that these map positions could be identified with precise chromosome regions, thus providing definitive proof that Mendel’s factors had a physical basis in chromosome structure. A summary and presentation of the early phases of this work was published by Morgan, Sturtevant, Bridges, and Muller in 1915 as the influential book The Mechanism of Mendelian Heredity. To varying degrees Morgan also accepted the Darwinian theory by 1916.

In 1928 Morgan was invited to organize the division of biology of the California Institute of Technology. He was also instrumental in establishing the Marine Laboratory on Corona del Mar as an integral part of Caltech’s biology training program. In subsequent years, Morgan and his coworkers, including a number of postdoctoral and graduate students, continued to elaborate on the many features of the chromosome theory of heredity. Toward the end of his stay at Columbia and more so after moving to California, Morgan himself slipped away from the technical Drosophila work and began to return to his earlier interest in experimental embryology. Although aware of the theoretical links between genetics and development, he found it difficult at that time to draw the connection explicitly and to support it with experimental evidence.

In 1924 Morgan received the Darwin Medal in 1933 he was awarded the Nobel Prize for his discovery of “hereditary transmission mechanisms in Drosophila” and in 1939 he was awarded the Copley Medal by the Royal Society of London, of which he was a foreign member. In 1927–31 he served as president of the National Academy of Sciences in 1930 of the American Association for the Advancement of Science and in 1932 of the Sixth International Congress of Genetics. He remained on the faculty at Caltech until his death.


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