Хроматин и компактизация хромосом

Основой генетического аппарата эукариот являются линейные хромосомы. В основе хромосомы лежит линейная двуспиральная правозакрученная молекула ДНК, связанная со специфическими белками-гистонами. Известно 5 типов гистонов: Н1, Н2А, Н2В, НЗ, Н4. В ядрах эритроцитов птиц Н1 частично замещается на Н5. У дрожжей отсутствует Н1, а у некоторых видов хламидомонад гистоны вообще не обнаружены. Гистоны отсутствуют также у мезокариот (одноклеточных организмов – динофлагеллят, ночесветок), в сперматозоидах некоторых рыб. Отсутствие гистонов в перечисленных случаях рассматривается как вторичное явление. Гистоны Н2 – Н4 эволюционно устойчивы: из 102 аминокислот Н4 наблюдаются различия лишь по 1-2 аминокислотам у высших растений, рыб и млекопитающих. Гистон Н1 весьма вариабелен, и даже в тканях одного организма встречается 3 – 6 вариантов этого белка.

Гистоны Н2 – Н4 образуют белковое ядро из 8 полипептидов (каждый гистон повторяется 2 раза). Вокруг этого ядра уложен участок ДНК длиной 140 пн, образующий 1,75 витка по периферии. Такая структура называется нуклеосома. Отдельные нуклеосомы – это дисковидные частицы диаметром около 10 нм. Закру­чивание ДНК вокруг нуклеосомы уменьшает ее длину в семь раз. Участки ДНК между нуклеосомами длиной 15…10 пн называются линкерами (связками). Структура линкеров стабилизируется с помощью гистона Н1.

Последовательность нуклеосом образует или еще одну спираль диаметром 25…20 нм (соленоид), или последовательность нуклеосомных группировок – нуклеомеров. Эти высшие структуры образуют петли или домены. Кон­денсация ДНК в структуре соленоида дополнительно (к нуклеосомному уровню) уменьшает ее длину в шесть раз. В интерфазных хромосомах путем еще одного цикла конденсации соленоиды образуют полые трубочки диа­метром 200 нм, что уменьшает длину ДНК еще в 18 раз.

Описанная структура хромосом у эукариот обеспечивает их устойчивость и недоступность основной массы ДНК для химических мутагенов. При транскрипции, т.е. синтезе РНК, и репликации происходит деспирализация хромосом, что обеспечивает возможность контакта определенных участков ДНК с ДНК-полимеразой или РНК-полимеразой.

Определенные участки хромосом в ядре тесно связаны с ядерной мембраной. Всегда связаны с мембраной концевые (теломерные) участки и некоторые другие (интерстициальные) участки. Такие связи обеспечивают определенную структуру ядра и защищают хромосомы от разрушения ферментами-нуклеазами. Ю. С. Ченцовым и его сотрудниками открыта специальная частица, обес­печивающая связь хроматина с ядерной мембраной, кото­рую предложено называть анкоросомой (якорной ча­стицей).

В метафазе вследствие дальнейшей конденсации возникает большая образованная дезоксинуклеопротеидом спираль диаметром около 600 нм. В результате строго упорядочен­ной иерархии спиралей, в основе которой лежит нуклео­сома, в митозе и мейозе хромосомы эукариот совершают цикл компактизации — декомпактизации. Следствие этого цикла — укорочение метафазных хромосом по сравнению с размерами заключенной в них молекулы ДНК в 10³…10⁴ раз. По-видимому, цикл компактизации—декомпактизации регулируется белками хроматина негистонового типа. Возможно, что некоторые из них выполняют и структур­ную роль, образуя элементы каркаса метафазных хромо­сом.

Особенности репликации эукариотических хромосом

Как и у прокариот, репликация ДНК в клетках эукарио­тических организмов осуществляется полуконсервативно, о чем свидетельствует распределение Н-тимидиновой метки по сестринским хроматидам во втором и после­дующих митозах после инкубации клеток с радиоактив­ными предшественниками. Выяснено, что репликация у эукариот носит двунаправленный характер.

Принцип регуляции репликации ДНК эукариот в онто­генезе был открыт английским цитогенетиком Г. Кэлланом в 1972 г. С помощью радиоавтографии меченных ³Н-тимидином волокон ДНК, полученных из клеток жи­вотных непосредственно на предметном стекле, Кэллан определил скорость репликации и расстояние между сосед­ними центрами инициации в S-фазе соматических и эмбри­ональных клеток.

По первому показателю между этими типами клеток больших различий не наблюдалось. Число сайтов инициа­ции репликации было максимальным в раннем эмбрио­генезе, минимальным в предмейотической S-фазе и промежуточным в соматических клетках. Эти данные в принципе были подтверждены позднее прямым электронно-микро­скопическим анализом реплицирующейся ДНК из дробя­щихся яиц дрозофилы. Таким образом, суть регуляции процесса репликации у эукариот заключается в измене­нии числа сайтов инициации репликации. Этот механизм позволяет увеличить продолжительность фазы S (а, сле­довательно, всего митотического цикла) с 3,5 мин (на ран­них стадиях дробления яиц дрозофилы) до десятков часов в предмейотической S-фазе. Упаковка ДНК и гистонов в нуклеосомы происходит в фазе S, поскольку гистоны синтезируются синхронно с репликацией ДНК.