Нуклеосомная организация хроматина

А — деконденсированная форма хроматина;

Б — электронная микрофотография эукариотического хроматина:

А — молекула ДНК накручена на белковые коры;

Б — хроматин представлен нуклеосомами, соединенными линкерной ДНК

Вдоль нуклеосомной нити, напоминающей цепочку бус, имеются области ДНК, свободные от белковых тел. Эти области, расположенные с интервалами в несколько тысяч пар нуклеотидов, играют важную роль в дальнейшей упаковке хроматина, так как содержат нуклеотидные последовательности, специфически узнаваемые различными негистоновыми белками.

В результате нуклеосомной организации хроматина двойная спираль ДНК диаметром 2 нм приобретает диаметр 10—11 нм. (Упаковка в 7 раз).

2) Нуклеомерный уровень.Дальнейшая компактизация нуклеосомной нити обеспечивается гистоном H1, который, соединяясь с линкерной ДНК и двумя соседними белковыми телами, сближает их друг с другом. В результате образуется более компактная структура, построенная, возможно, по типу соленоида. Такая хроматиновая фибрилла, называемая также элементарной, имеет диаметр 20—30 нм.

Хроматиновая фибрилла диаметром 20—30 нм. А — соединение соседних нуклеосом с помощью гистона HI; Б — цепочка, образуемая нуклеосомами разделенными участками ДНК, свободными от белковых тел; В — возможная модель упаковки ДНК в хроматиновой фибрилле в виде соленоида. (Упаковка в 50 раз).

3) Хромомерный уровень.Следующий уровень структурной организации генетического материала обусловлен укладкой хроматиновой фибриллы в петли. В их образовании, по-видимому, принимают участие негистоновые белки, которые способны узнавать специфические нуклеотидные последовательности вненуклеосомной ДНК, отдаленные друг от друга на расстояние в несколько тысяч пар нуклеотидов. Эти белки сближают указанные участки с образованием петель из расположенных между ними фрагментов хроматиновой фибриллы. Участок ДНК, соответствующий одной петле, содержит от 20 000 до 80 000 п. н. Возможно, каждая петля является функциональной единицей генома. (Упаковка в 680 раз).

4) Хромонемный уровень. Образуется за счет сближения в линейном порядке хромомерных петель с образованием хромонемной нити.

5) Хромосомный уровень. Образуется в результате спиральной укладки хромонемы. Отдельные участки интерфазной хромонемы подвергаются дальнейшей компактизации, образуя структурные блоки, объединяющие соседние петли с одинаковой организацией. Они выявляются в интерфазном ядре в виде глыбок хроматина. Возможно, существование таких структурных блоков обусловливает картину неравномерного распределения некоторых красителей в метафазных хромосомах, что используют в цитогенетических исследованиях.

Неодинаковая степень компактизации разных участков интерфазных хромосом имеет большое функциональное значение. В зависимости от состояния хроматина выделяют эухроматиновые участки хромосом, отличающиеся меньшей плотностью упаковки в неделящихся клетках и потенциально транскрибируемые, и гетерохроматиновыеучастки, характеризующиеся компактной организацией и генетической инертностью. В их пределах транскрипции биологической информации не происходит. Различают конститутивный (структурный) и факультативный гетерохроматин.

Конститутивный гетерохроматин содержится в околоцентромерных и теломерных участках всех хромосом, а также на протяжении некоторых внутренних фрагментов отдельных хромосом. Он образован только нетранскрибируемой ДНК. Вероятно, его роль заключается в поддержании общей структуры ядра, прикреплении хроматина к ядерной оболочке, взаимном узнавании гомологичных хромосом в мейозе, разделении соседних структурных генов, участии в процессах регуляции их активности

Примером факультативного гетерохроматина служит тельце полового хроматина, образуемое в норме в клетках организмов гомогаметного пола (у человека гомогаметным является женский пол) одной из двух Х-хромосом. Гены этой хромосомы не транскрибируются. Образование факультативного гетерохроматина за счет генетического материала других хромосом сопровождает процесс клеточной дифференцировки и служит механизмом выключения из активной функции групп генов, транскрипция которых не требуется в клетках данной специализации. В связи с этим рисунок хроматина ядер клеток из разных тканей и органов на гистологических препаратах различается. Примером может служить гетерохроматизация хроматина в ядрах зрелых эритроцитов птиц.

Перечисленные уровни структурной организации хроматина обнаруживаются в неделящейся клетке, когда хромосомы еще недостаточно компактизованы, чтобы быть видимыми в световой микроскоп как отдельные структуры. Лишь некоторые их участки с более высокой плотностью упаковки выявляются в ядрах в виде хроматиновых глыбок. Компактные участки гетерохроматина сгруппированы около ядрышка и ядерной мембраны

Вступление клетки из интерфазы в митоз сопровождается суперкомпактизацией хроматина. Отдельные хромосомы становятся хорошо различимы. Этот процесс начинается в профазе, достигая своего максимального выражения в метафазе митоза и анафазе. В телофазе митоза происходит декомпактизация вещества хромосом, которое приобретает структуру интерфазного хроматина. Описанная митотическая суперкомпактизация облегчает распределение хромосом к полюсам митотического веретена в анафазе митоза.

Морфология хромосом

Митотическая суперкомпактизация хроматина делает возможным изучение внешнего вида хромосом с помощью световой микроскопии. В первой половине митоза они состоят из двух хроматид, соединенных между собой в области первичной перетяжки (центромеры или кинетохора) особым образом организованного участка хромосомы, общего для обеих сестринских хроматид. Во второй половине митоза происходит отделение хроматид друг от друга. Из них образуются однонитчатые дочерние хромосомы, распределяющиеся между дочерними клетками.

Формы хромосом (в зависимости от места положения центромеры и длины плеч, расположенных по обе стороны от нее):

1) равноплечие,илиметацентрические (с центромерой посередине);

2) неравноплечие, или субметацентрические (с центромерой, сдвинутой к одному из концов);

3) палочковидные, или акроцентрические (с центромерой, расположенной практически на конце хромосомы);

4) телоцентрические (точковые) — очень небольшие, форму которых трудно определить.

При рутинных методах окраски хромосом они различаются по форме и соотносительным размерам. При использовании методик дифференциальной окраски выявляется неодинаковая флуоресценция или распределение красителя по длине хромосомы, строго специфические для каждой отдельной хромосомы и ее гомолога.

Таким образом, каждая хромосома индивидуальна не только по заключенному в ней набору генов, но и по морфологии и характеру дифференциального окрашивания.

Формы хромосом:

I — телоцентрическая, II — акроцентрическая, III—субметацентрическая, IV—метацентрическая;

1 — центромера, 2 — спутник, 3 — короткое плечо, 4 — длинное плечо, 5 — хроматиды

По Денверской классификации хромосом, они располагаются попарно по мере убывания их величины, с учетом положения центромеры, налчия вторичных перетяжек и спутников. В практику хромосомного ана­лиза широко входят методы дифференциального окрашивания хромосом. При обработке хромосом специальными красителями во флуоресцентном микроскопе видна исчерченность по длине хромосом (провел впервые Касперссон в 1968г, обрабатывал акрихинипритом, ныне есть и другие методы). Каждая пара хромосом характеризуется индивидуальной исчерченностью (равно как отпечаток пальцев). Идентификация хромосом позволяет соста­вить идиограмму кариотипа.

На основании ряда критериев 22 пары хромосом человека классифици­рованы, половые хромосомы 23-й пары выделяются отдельно (Международ­ная Денверская классификация, 1960г). Для идентификации применяют морфометрический метод и центромерный индекс. Классификация и номенклатура равномерно окрашенных хромосом че­ловека была выработана на международных совещаниях, созывавшихся в Денвере (1960г), Лондоне(1963г) и Чикаго (1966г). Согласно рекомендациям этих конференций, хромосомы располагаются в порядке уменьшения их дли­ны. Все хромосомы разделены на семь групп, которые были обозначены бу­квами английского алфавита от А до G. Все пары хромосом было предложе­но нумеровать арабскими цифрами. Группа А (1-3) - самые крупные хромосомы. Хромосомы 1 и 3 - метацентрические, 2 - субметацентрическая.

Группа В (4-5) -две пары крупных субметацентрических хромосом.

Группа С (6-12) - хромосомы субметацентрические, средних размеров. Х-хромосома по размеру и морфологии сходна с хромосомами 6 и 7.

Группа D (13-15) - акроцентрические хромосомы средних размеров.

Группа Е (16-18) - средние хромосомы (16, 17 - метацентрические, 18 - акроцентрическая).

Группа F (19-20) - мелкие метацентрики, практически между собой не различимы.

Группа G (21-22) - две пары самых мелких акроцентрических хромо­сом. Y-хромосома выделяется как самостоятельная, но по морфологии и размерам она относится к группе G.

При этом хромосомы различных групп хорошо отличаются друг от дру­га, в то время как внутри группы их невозможно различить, за исключением группы А. Каждая хромосома человека содержит только ей свойственную последовательность полос, что позволяет точно идентифицировать каждую хромосому и с более высокой точностью определить, в каком сегменте про­изошла перестройка. Поперечная исчерченность хромосом есть результат неравномерной конденсации гетеро- (высокоспирализованная ДНК) и эухроматина (релаксированная ДНК) на протяжении всей длины хромосомы, отражающий порядок расположения генов в молекуле ДНК.

Кариотип человека в норме и при отклонениях обозначается таким об­разом:

46, XY - нормальный кариотип мужчины

46, XX — нормальный кариотип женщины

47, XX+G - кариотип женщины с лишней хромосомой из группы G

В настоящее время существует ДНК-маркеры (или зонды) для многих еще более мелких сегментов практически всех пар хромосом. С помощью таких ДНК-зондов можно точно оценить наличие или отсутствие определен­ного, даже очень маленького, сегмента в хромосоме.

Возможность идентификации хромосом позволяет выявлять хромосом­ные аномалии, как на уровне соматических клеток, так и первичных половых клеток. Эти аномалии возникают в трех случаях на 100 беременностей. Аномалии по крупным хромосомам не совместимы с жизнью и вызывают само­произвольные выкидыши на разных сроках. Широко известна болезнь Дау­на, когда в кариотипе присутствует лишняя 21-ая хромосома: 2п+1(+21). Частота рождаемости детей с трисомией по 21-ой хромосоме высокая 1:500 и продолжает расти в связи с неблагоприятным экологическим окружением, приводящем к нерасхождению 21 пары хромосом.

Правила хромосом

1. Правило постоянства. Соматические клетки организма каждого вида имеют строго определенное число хромосом.

2. Правило парности. Каждая хромосома в соматической клетке с диплоидным набором хромосом имеет такую же гомологичную хромосому, идентичную по размерам, форме, но не одинаковую по происхождению: одна от матери, другая от отца.

3. Правило индивидуальности. Каждая пара хромосом отличается от другой пары размером, формой, которые не зависят от расположения центромеры и расположения темных и светлых полос.

4. Правило непрерывности. Перед делением клетки ДНК удваивается. Хромосома от хромосомы.