Головна | Про нас | Зворотній зв'язок
Вивчення хімічної організації хромосом еукаріотів показало, що вони складаються в основному з ДНК і білків, які утворюють нуклеопротеіновий комплекс-хроматин, який отримав свою назву за здатність забарвлюватися основними барвниками.
Як було доведено численними дослідженнями (див. § 3.2), ДНК є матеріальним носієм властивостей спадковості і мінливості і містить в собі біологічну інформацію - програму розвитку клітини, організму, записану за допомогою особливого коду. Кількість ДНК в ядрах клітин організму даного виду постійно і пропорційно їх плоїдності. У диплоїдних соматичних клітинах організму її вдвічі більше, ніж в гаметах. Збільшення числа хромосомних наборів у поліпловдних клітинах супроводжується пропорційним збільшенням кількості ДНК в них.
Білки складають значну частину речовини хромосом. На їх частку припадає близько 65% маси цих структур. Всі хромосомні білки поділяються на дві групи: гістони і негістонові білки.
Гістони представлені п'ятьма фракціями: HI, Н2А, Н2В, НЗ, Н4. Будучи позитивно зарядженими основними білками, вони досить міцно з'єднуються з молекулами ДНК, чим перешкоджають зчитуванню укладеної в ній біологічної інформації. У цьому полягає їх регуляторна роль. Крім того, ці білки виконують структурну функцію, забезпечуючи просторову організацію ДНК в хромосомах (див. Розд. 3.5.2.2).
Число фракцій негістонових білків перевищує 100. Серед них ферменти синтезу і процесингу РНК, редуплікації і репарації ДНК. Кислі білки хромосом виконують також структурну і регуляторну роль. Крім ДНК і білків в складі хромосом виявляються також РНК, ліпіди, полісахариди, іони металів.
РНК хромосом представлена частково продуктами транскрипції, ще не покинули місце синтезу. Деяким фракціям властива регуляторна функція.
Регуляторна роль компонентів хромосом полягає в «заборону» або «дозвіл» списування інформації з молекули ДНК.
Масові співвідношення ДНК: гістони: негістонові білки: РНК: ліпіди - рівні 1: 1: (0,2-0,5) :( 0,1-0,15) :( 0,01--0,03). Інші компоненти зустрічаються в незначній кількості.
Структурна організація хроматину
Зберігаючи наступність у ряді клітинних поколінь, хроматин в залежності від періоду і фази клітинного циклу змінює свою організацію. В інтерфазі при світловій мікроскопії він виявляється у вигляді грудочок, розсіяних в нуклеоплазмі ядра. При переході клітини до мітозу, особливо в метафазі, хроматин набуває вигляду добре помітних окремих інтенсивно забарвлених тілець - хромосом.
Інтерфазна і метафазну форми існування хроматину розцінюють як два полярних варіанти його структурної організації, пов'язаних в мітотичного циклу взаимопереходами. На користь такої оцінки свідчать дані електронної мікроскопії про те, що в основі як інтерфазних, так і метафазної форми лежить одна і та ж елементарна нитчатая структура. В процесі електронно-мікроскопічних і фізико-хімічних досліджень в складі интерфазного хроматину і метафазних хромосом були виявлені нитки (фібрили) діаметром 3,0-5,0, 10, 20-30 нм. Корисно згадати, що діаметр подвійної спіралі ДНК становить приблизно 2 нм, діаметр нитчатой структури интерфазного хроматину дорівнює 100-200, а діаметр однієї з сестринських хроматид метафазної хромосоми - 500- 600 нм.
Найбільш поширеною є точка зору, згідно з якою хроматин (хромосома) являє собою спирализованную нитку. При цьому виділяється декілька рівнів спирализации (компак-тизації) хроматину (табл. 3.2).
Таблиця 3.2. Послідовні рівні компактизації хроматину
Мал. 3.46. Нуклеосомна організація хроматину.
А - деконденсірованная форма хроматину;
Б - електронна мікрофотографія еукаріотичного хроматину:
А - молекула ДНК накручена на білкові кори;
Б - хроматин представлений нуклеосомами, з'єднаними лінкерних ДНК
Нуклеосоме нитку. Цей рівень організації хроматину забезпечується чотирма видами нуклеосомної гістонів: Н2А, Н2В, НЗ, Н4. Вони утворюють нагадують за формою шайбу білкові тіла - кори, що складаються з восьми молекул (по дві молекули кожного виду гістонів) (рис. 3.46).
Молекула ДНК комплектується з білковими корами, спірально накручуючи на них. При цьому в контакті з кожним кором виявляється ділянку ДНК, що складається з 146 пар нуклеотидів (п.н.). Вільні від контакту з білковими тілами ділянки ДНК називають сполучними або лінкерних. Вони включають від 15 до 100 п.н. (В середньому 60 пар основ) в залежності від типу клітини.
Відрізок молекули ДНК довжиною близько 200 п. Н. разом з білковим кором становить нуклеосому. Завдяки такій організації в основі структури хроматину лежить нитка, що представляє собою ланцюжок повторюваних одиниць - нуклеосом (рис. 3.46, Б). У зв'язку з цим геном людини, що складається з 3 х 10 9 п. Н. представлений подвійною спіраллю ДНК, упакованої в 1,5 × 10 7 нуклеосом.
Уздовж нуклеосомної нитки, що нагадує ланцюжок бус, є області ДНК, вільні від білкових тіл. Ці області, розташовані з інтервалами в кілька тисяч пар нуклеотидів, грають важливу роль в подальшій упаковці хроматину, так як містять нуклеотидні послідовності, специфічно впізнавані різними негістонових білками.
В результаті нуклеосомної організації хроматину подвійна спіраль ДНК діаметром 2 нм набуває діаметр 10-11 нм.
Хроматиновой фібрила. Подальша компактизація нуклеосомної нитки забезпечується пістоном HI, який, з'єднуючись з лінкерних ДНК і двома сусідніми білковими тілами, зближує їх один з одним. В результаті утворюється більш компактна структура, побудована, можливо, по типу соленоїда. Така хроматиновой фібрила, звана також елементарної, має діаметр 20-30 нм (рис. 3.47).
Мал. 3.47. Хроматиновой фібрила діаметром 20-30 нм. А - з'єднання сусідніх нуклеосом за допомогою гистона HI; Б - ланцюжок, що утворюється нуклеосомами розділеними ділянками ДНК, вільними від білкових тіл; В - можлива модель упаковки ДНК в хроматиновой фібрили у вигляді соленоїда
Інтерфазна хромонеми. Наступний рівень структурної організації генетичного матеріалу обумовлений укладанням хроматиновой фібрили в петлі. В їх утворенні, мабуть, беруть участь негістонові білки, які здатні впізнавати специфічні нуклеотидні послідовності вненуклеосомной ДНК, віддалені один від одного на відстань в декілька тисяч пар нуклеотидів. Ці білки зближують зазначені ділянки з утворенням петель з розташованих між ними фрагментів хроматиновой фібрили (рис. 3.48). Ділянка ДНК, відповідний одній петлі, містить від 20 000 до 80 000 п. Н. Можливо, кожна петля є функціональною одиницею генома. В результаті такої упаковки хроматиновой фібрила діаметром 20-30 нм перетворюється в структуру діаметром 100-200 нм, звану інтерфазної хромонеми.
Окремі ділянки інтерфазної хромонеми піддаються подальшій компактизации, утворюючи структурні блоки, які об'єднують сусідні петлі з однаковою організацією (рис. 3.49). Вони виявляються в інтерфазних ядрі у вигляді грудочок хроматину. Можливо, існування таких структурних блоків обумовлює картину нерівномірного розподілу деяких барвників в метафазних хромосомах, що використовують в цитогенетичних дослідженнях (див. Розд. 3.5.2.3 і 6.4.3.6).
Неоднакова ступінь компактизації різних ділянок інтерфазних хромосом має велике функціональне значення. Залежно від стану хроматину виділяють еухроматіновие ділянки хромосом, що відрізняються меншою щільністю упаковки в неделящихся клітинах і потенційно транскрібіруемих, і гетерохроматіновие ділянки, які характеризуються компактною організацією і генетичної інертністю. В їх межах транскрипції біологічної інформації не відбувається.
Розрізняють конститутивним (структурний) і факультативний гетерохроматин.
Конститутивним гетерохроматин міститься в околоцентромерних і теломерна ділянках всіх хромосом, а також протягом деяких внутрішніх фрагментів окремих хромосом (рис. 3.50). Він утворений тільки нетранскрібіруемой ДНК. Ймовірно, його роль полягає в підтримці загальної структури ядра, прикріплення хроматину до ядерної оболонці, взаємне впізнавання гомологічних хромосом в мейозі, поділі сусідніх структурних генів, участі в процесах регуляції їх активності.
Мал. 3.49. Структурні блоки в організації хроматину.
А - петельная структура хроматину;
Б - подальша конденсація хроматінових петель;
В - об'єднання петель, що мають схожу структуру, в блоки з утворенням остаточної форми інтерфазної хромосоми
Мал. 3.50. Конститутивним гетерохроматин в метафазних хромосомах людини
Прикладом факультативного гетерохроматину служить тільце статевого хроматину, утворене в нормі в клітинах організмів гомогаметний статі (у людини гомогаметною є жіноча стать) однієї з двох Х-хромосом. Гени цієї хромосоми НЕ транскрибуються. Освіта факультативного гетерохроматину за рахунок генетичного матеріалу інших хромосом супроводжує процес клітинної диференціювання і служить механізмом виключення з активної функції груп генів, транскрипція яких не потрібно в клітинах даної спеціалізації. У зв'язку з цим малюнок хроматину ядер клітин з різних тканин і органів на гістологічних препаратах розрізняється. Прикладом може служити гетерохроматізація хроматину в ядрах зрілих еритроцитів птахів.
Перераховані рівні структурної організації хроматину виявляються в клітці, що не, коли хромосоми ще недостатньо компактізовани, щоб бути видимими в світловий мікроскоп як окремі структури. Лише деякі їхні ділянки з більш високою щільністю упаковки виявляються в ядрах у вигляді хроматінових грудочок (рис. 3.51).
Мал. 3.51. Гетерохроматин в інтерфазних ядрі
Компактні ділянки гетерохроматину згруповані близько ядерця і ядерної мембрани
Метафазної хромосома. Вступ клітини з інтерфази в мітоз супроводжується суперкомпактізаціей хроматину. Окремі хромосоми стають добре помітні. Цей процес починається в профазі, досягаючи свого максимального вираження в метафазі мітозу і анафазе (див. Розд. 2.4.2). У телофазе мітозу відбувається декомпак-тизация речовини хромосом, яке набуває структуру интерфазного хроматину. Описана митотическая суперкомпактізація полегшує розподіл хромосом до полюсів митотического веретена в анафазе мітозу. Ступінь компактизации хроматину в різні періоди мітотичного циклу клітини можна оцінити за даними, наведеними в табл. 3.2.
Мітотична суперкомпактізація хроматину уможливлює вивчення зовнішнього вигляду хромосом за допомогою світлової мікроскопії. У першій половині мітозу вони складаються з двох хроматид, з'єднаних між собою в області первинної перетяжки (центромери або кінетохора) особливим чином організованого ділянки хромосоми, загального для обох сестринських хроматид. У другій половині мітозу відбувається відділення хроматид один від одного. З них утворюються однонитчатим дочірні хромосоми, що розподіляються між дочірніми клітинами.
Залежно від місця положення центромери і довжини плечей, розташованих по обидві сторони від неї, розрізняють кілька форм хромосом: равноплечіе, або метацентріческая (з центромерой посередині), неравноплечіе, або субметацентріческіе (з центромерой, зрушеною до одного з кінців), паличкоподібні, або акроцентріческіе (з центромерой, розташованої практично на кінці хромосоми), і точкові -дуже невеликі, форму яких важко визначити (рис. 3.52). При рутинних методах забарвлення хромосом вони розрізняються за формою і співвідносних розмірами. При використанні методик диференціальної забарвлення виявляється неоднакова флуоресценція або розподіл барвника по довжині хромосоми, строго специфічні для кожної окремої хромосоми і її гомолога (рис. 3.53).
Таким чином, кожна хромосома індивідуальна не тільки за укладеним в ній набору генів, але і по морфології і характеру диференціального фарбування.
Мал. 3.52. Форми хромосом:
I - телоцентріческая, II - акроцентріческіе, III- субметацентріческіе, IV- метацентрическая;
1 - центромера, 2 - супутник, 3 - коротке плече, 4 - довге плече, 5 - хроматиди
Мал. 3.53. Розташування локусів в хромосомах людини
при їх диференціальному фарбуванні:
р - коротке плече, q - довге плече; 1-22 - порядковий номер хромосоми; XY - статеві хромосоми