Структура хромосом

Хромосомы - это нуклеопротеиновые тела, в которых хранится, передается потомству и реализуется наследственная информация.

Организация наследственного материала прокариот ДНК представляет собой более или менее компактное образование, занимающее определенную область в цитоплазме, и не отделенное от нее мембраной. Чтобы подчеркнуть структурные различия в генетическом аппарате прокариотных и эукариотных клеток, предложено у первых его назвать нуклеоидом, в отличие от вторых. Количество ДНК в прокариотических клетках значительно меньше, чем в клетках эукариот.

Химический состав эукариот Эукариоты – (буквально «обладающие настоящим ядром»), имеют ядерную мембрану, ограничивающую ядро, в котором находятся хромосомы. В хромосомах эукариот ДНК образует комплексы с определенными белками – гистонами. Кроме того, в эукариотических клетках присутствуют определенные органеллы и структуры, которых нет у прокариот: митохондрии, хлоропласты, аппарат Гольджи, эндоплазматический ретикулум и вакуоли.

Главный компонент ядер, хроматин, является структурой, выполняющей генетическую функцию клетки, в хроматиновой ДНК заложена практически вся генетическая информация. При наблюдении многих живых клеток, особенно растительных или же клеток после фиксации и окраски, внутри ядра выявляются зоны плотного вещества, которое хорошо воспринимает разные красители, особенно основные. Благодаря такой способности хорошо окрашиваться этот компонент ядра и получил название «хроматин» (Флемминг, 1880).

В отличие от прокариотических клеток, ДНК- содержащий материал хроматина эукариот, может пребывать в двух альтернативных состояниях: де конденсированном в интерфазе и в максимально уплотненном – во время митоза, в составе митотических хромосом. В начале 30-х годов было замечено Э. Гейтцем, что в интерфазных ядрах существуют постоянные участки конденсированного хроматина, наличие которого не зависит от степени дифференцированности ткани или от функциональной активности клеток. Такие участки получили название гетерохроматина, в отличие от остальной массы хроматина – эухроматина (собственно хроматина).

Существуют два класса гетерохроматина (конститутивный и факультативный), каждый из которых содержит последовательности разного типа, но оба они в равной мере лишены транскрипционной активности. Конститутивный гетерохроматин состоит из определенных областей, которые никогда не экспрессируются. Сюда относятся сателлитные последовательности ДНК. В виде факультативного гетерохроматина могут находится целые хромосомы, которые оказываются неактивными в ряду клеточных поколений, хотя при иных обстоятельствах они способны к экспрессии.

Общая морфология митотических хромосом На стадии метафазы хромосомы наиболее сконденсированы и образуют дискретные структуры. Каждая метафазная хромосома состоит из двух идентичных частей, называемых сестринскими хроматидами. В метафазных хромосомах выделяют такие образования, как: центромера, теломеры и два плеча хромосомы.

Центромера - специфическая область эукариотической хромосомы, которая играет фундаментальную роль в движении хромосом к полюсам деления и точного распределения вновь реплицировавшихся хроматид по дочерним клеткам во время митоза и мейоза. Участок центромеры содержит кинетохор - обособленную структуру, контактирующую с центромерным районом, к которому прикрепляются микротрубочки-нити митотического веретена. Теломеры – концевые участки хромосом, в значительной степени ответственны за существование хромосом как индивидуальных образований.

В зависимости от расположения центромеры различают: Акроцентрические – хромосомы у которых центромера находится на конце или второе плечо настолько мало, что его не различают на цитологических препаратах; Субметацентрические – хромосомы с плечами разной длины; Метацентрические – хромосомы, у которых центромера расположена посередине или почти посередине. Совокупность числа, величины и морфологии хромосом называется кариотипом данного вида.

Структура и химия хроматина В среднем в хроматине около 40% приходится на ДНК и около 60 % на белки, среди которых специфические ядерные белки-гистоны, составляют от 40 до 80% от всех белков, входящих в состав выделенного хроматина. Кроме того в состав хроматиновой фракции входят мембранные компоненты, РНК, углеводы, липиды, гликопротеиды. В структурном отношении хроматин представляет собой нитчатые комплексные молекулы дезоксирибонуклеопротеида (ДНП), которые состоят из ДНК, ассоциированной с гистонами.

ДНК хроматина Двухцепочечный полимер, основной структурной единицей которого является нуклеотид. Нуклеотид состоит из трех химически различных частей, соединенных ковалентными связями. Первая часть – это содержащий пять атомов углерода сахар дезоксирибоза. Вторая часть – азотистые основания: пуриновые (аденин и гуанин) и пиримидиновые (цитозин и тимин). Азотистое основание, ковалентно соединяется с первым атомом углерода сахара, образует нуклеозид. Третью часть нуклеотида составляет фосфатная группа, они соединяют соседние нуклеозиды в полимеразную цепочку посредством фосфодиэфирных связей. Главной особенностью генетического материала эукариот в сравнении с прокариотами является наличие избыточной ДНК.

В конце 60-х годов американские ученые Р. Бриттен и Э. Дэвидсон открыли фундаментальную особенность молекулярной структуры генома эукариот - последовательности нуклеотидов разной степени повторяемости. Различают следующие фракции в геноме эукариот: 1.Уникальные, т.е. представленные в одном экземпляре. 2. Промежуточные (или среднечастотные) повторы. Это последовательности, повторяющиеся десятки и сотни раз. 3. Высокочастотные повторы, число которых в геноме достигает 10 6 копий.

Основные белки хроматина Белки – состоят из одной или нескольких полипептидных цепей, каждая из которых в свою очередь представляет собой длинный неразветвленный полимер, состоящий из аминокислот. Все полипептиды, независим от источника, состоят из 20 разных аминокислот.В аминокислотах имеются как одинаковые для всех, так и уникальные химические группировки: атом углерода (α-углеродный атом), несущий карбоксильную и амино-группы, и определенные заместители, характерные для каждой аминокислоты. В хроматине эукариот масса белка почти в 2 раза превышает массу ДНК. Белки подразделяются на 2 типа: гистоны и негистоновые белки.

Гистоны На долю гистонов приходится до 80% от всех белков хроматина. Их взаимодействие с ДНК происходит за счет солевых или ионных связей и неспецифично в отношении состава или последовательностей нуклеотидов в молекуле ДНК. Выделяют 5 типов гистонов Н1, Н2А, Н2В, НЗ, Н4. Гистоны Н3 и Н4 относят к аргинин-богатым, из всех белков они наиболее консервативны. Гистоны Н2А и Н2В относят к умеренно обогащенным лизином. Гистоны Н1 (а так же Н5, найденный в эритроцитах птиц) относят к гистонам, очень богатым лизином. Негистоновые белки Составляют около 20% от всех белков хроматина. По определению, негистоновые белки – это все белки хроматина, кроме гистонов, выделяющиеся с хроматином или хромосомами. Это сборная группа белков, отличающихся друг от друга как по общим свойствам, так и по функциональной значимости.

Компактизация ДНК Молекулы ДНК в эукариотических хромосомах очень велики. Длина молекул ДНК, выделенных из клеток дрозофилы, достигает 1,2 см, и принято считать, что каждая эукариотическая хромосома содержит одну непрерывную молекулу ДНК. Упаковка таких огромных молекул в ядрах клеток является основной функцией гистонов, белков, характерных именно для эукариотических клеток.

Первый уровень компактизации Крупным событием в изучении хроматина было открытие двумя разными способами нуклеосом - дискретных частиц хроматина. Нуклеосома содержит по две молекулы каждого из четырех гистонов, Н2А, Н2В, Н3 и Н4, соединенных в форме октамера. ДНК делает вокруг нуклеосомы 1,67 оборота, а общее число связанных с октамером пар нуклеотидов составляет 146. Еще 54 п.н. ДНК образуют участок, несвязанный с белками сердцевины - линкер, который, соединяя две соседние нуклеосомы, переходит в ДНК следующей нуклеосомы. Гистон H1 связывается частично с основной, сердцевиной и с участком линкера (около 30 п.н.). Следовательно, полная нуклеосома содержит около 200 п.н. ДНК (146 п.н.- сердцевина, 30 п.н. - участок линкера в комплексе с гистоном H1, 30 п.н. - свободная ДНК), октамер сердцевинных (коровых) гистонов и одну молекулу гистона H1.

Второй уровень компактизации Во многих электронно микроскопических исследованиях было показано, что как в митотических хромосомах, так и в интерфазных ядрах выявляются фибриллы хроматина с диаметром 30 нм. Было показано, что 30 нм фибрилла хроматина может обратно менять свой диаметр, становится фибриллой с толщиной 10 нм. Относительно характера упаковки нуклеосом в составе 30 нм фибриллы хроматина существует две точки зрения. соленоидный тип укладки нуклеосом нуклеомерный тип укладки хромосом

Третий уровень компактизации Более высокие уровни компактизации ДНК связаны не с ее дополнительной спирализацией, а с образованием поперечной петлистой структуры, идущей вдоль интерфазной или митотической хромосомы. Если выделенные ядра обработать 2 М NaCI, т.е. удалить все гистоны, то целостность ядра сохраняется, за исключением того, что вокруг ядра возникнет т.н. «гало», состоящее из огромного числа петель ДНК. Такая структура ядер получила название «нуклеоида» (это только терминологическое сходство с ядерным аппаратом прокариот). Гало (или периферия такого нуклеоида) состоит из огромного (до 50000) количества замкнутых на периферии петель ДНК, со средним размером петель около 60 т.п.н., основание которых закреплено где-то внутри ядра, на участках негистоновых белков. Тем самым считается, что после удаления гистонов основания петлевых доменов ДНК, связаны с т.н. «матриксом» или «скэффолдом» - негистоновым белковым остовом интерфазного ядра.

Четвертый уровень компактизации Еще в классических работах цитологов начала ХХ века как в интерфазных ядрах, так и, особенно, в митотических хромосомах описывались нитчатые структуры – хромонемы, имеющие толщину 0,1-0,2 мкм. Ультраструктурная организация хромонемного уровня упаковки ДНП хорошо выявляется при постепенном экспериментальном разрыхлении хромосом при понижении концентрации двухвалентных катионов. Оказалось, что плотное тело митотических хромосом сначала разрыхляется так, что выявляется его хромонемная организация: на срезах видно, что хромосомы представлены сечениями толстых (0,1-0,2 мкм) хромосомных нитей, хромонем. Затем, при последующем снижении концентрации двухвалентных катионов, происходит как бы распад хромонемных элементов на множество линейно расположенных глобулярных блоков хроматина с диаметром около 0,1-0,2 мкм. В дальнейшем эти блоки (хромомеры) начинают деконденсироваться: на их периферии видны петли фибрилл ДНП, а в центре остается тело хромомера. Возникает розеткоподобная структура.

Дифференциальная окрашиваемость В 1970 году М.Л. Пардью и Дж. Голл (M.L. Pardue, J. Gall) обнаружили, что прицентромерный гетерохроматин в хромосомах мыши после денатурации - ренатурации ДНК и гибридизации in situ окрашивается красителем Гимзы более интенсивно, чем эухроматин. А в 1971 году Т. Шу и Ф.Т. Арриги (T. Hsu, F. Arrighi) предложили методику обработку препаратов хромосом, позволявшую дифференцированно окрашивать эу- и гетерохроматин.

C- окрашивание хромосом Районы, находящиеся рядом с центромерой часто обогащены сателлитной ДНК и могут содержать значительное количество конститутивного гетерохроматина. В отличие от интерфазного гетерохроматина, гетерохроматин метафазных хромосом виден после специальной обработки хромосом названной С-окраской (C- banding)

G- окрашивание хромосом Другая окраска хромосом названа Гимза-окраска которая выявляет G-полосы (G-bands). Эта методика основана на обработке хромосом энзимами, которые выедают белок находящийся в хромосомах. После окраски хромосом красителем такие хромосомы имеют темные и светлые полосы. Например у человека можно выявить до 300 G полос в метафазных хромосомах хотя приблизительно 2,000 G полос можно различить в интерфазных хромосомах.

Q- окрашивание хромосом При Q (бэндинг) окраске - устанавливается дифференцированность участков хромосом по интенсивности флуоресценции после окраски флуорохромами, без предварительной обработки препаратов. Красители акридинового ряда (акрихин, акрихин-иприт) выявляют тонкую поперечную исчерченность вдоль хромосомы, обусловленную чередованием ярко светящихся и бледных полос различной ширины (Caspersson et al., 1968). Предполагают, что эти полосы отвечают участкам ДНК, богатым АТ- и ГЦ-парами соответственно. С помощью флуорохромов возможна также цитологическая локализация некоторых типов гетерохроматина.

R-окрашивание хромосом При R-окраске создается рисунок дифференциации хромосом при тепловой денатурации в сочетании с окраской по Giemsa, обратный тому, который получается при Q- и G-окрасках (Dutrillaux, Lejeune, 1971). Нефлуорисцирующие и G-негативные участки или полосы соответствуют темноокрашенным или ярко светящимся R-полосам, тогда как позитивные Q- и G- полосы, напротив, неокрашенным и несветящимся R- участкам. R-окраска оказывается полезной для идентификации концов хромосом и мелких хромосом, обычно не окрашиваемых при первых двух типах окраски, а также перестроек, в которых эти хромосомы участвуют.

T-окраска – это теломерное окрашивание, которое получают кратковременной обработкой препаратов горячим солевым буфером 2 х SSC и окраской по Giemsa (Dutrillaux, 1973) либо акридин-оранжем (Bobrow, Madan, 1973). Н-окраска – проводится с использованием флуоресцентных красителей DAPI или Hoechst позволяет увидеть районы хромосом, обогащенные парами оснований АТ.

NOR-окраска Окраска препаратов раствором нитрата серебра, необходима для выявления районов ядрышковых организаторов.

В-хромосомы Добавочными, или В- хромосомами, называют группу хромосом, различных по структурным и функциональным особенностям и сверхчисленных по отношению к хромосомам основного (А) набора. В- хромосомы встречаются как в клетках полового пути, так и в соматических. Число В-хромосом у разных особей сильно варьирует, в подавляющем большинстве случаев встречается 1-2 В- хромосомы, редко до 6, иногда их число доходит до 12. Авторы большинства обзоров полагают, что В-хромосомы состоят в основном из гетерохроматина.