Строение и виды хромосом. Основные уровни пространственной укладки ДНК в хромосоме

Хромосомы — структуры клетки, хранящие и передающие наследственную информацию. Хромосома состоит из ДНК и белка. Комплекс белков, связанных с ДНК, образует хроматин. Белки играют важную роль в упаковке молекул ДНК в ядре.

ДНК в хромосомах упакована таким образом, что умещается в ядре, диаметр которого обычно не превышает 5 мкм (5-10— 4 см). Упаковка ДНК приобретает вид петельной структуры, похожей на хромосомы типаламповых щеток амфибий или политенных хромосом насекомых. Петли поддерживаются с помощью белков, которые узнают определенные последовательности нуклеотидов и сближают их. Строение хромосомы лучше всего видно в метафазе митоза.

Хромосома представляет собой палочковидную структуру и состоит из двух сестринских хроматид, которые удерживаются центромерой в области первичной перетяжки. Каждая хроматид а построена из хроматиновых петель. Хроматин не реплицируется. Реплицируется только ДНК.

Рис. 14. Строение и репликация хромосомы

С началом репликации ДНК синтез РНК прекращается. Хромосомы могут находиться в двух состояниях: конденсированном (неактивном) и деконденсированном (активном).

Диплоидный набор хромосом организма называют ка-риотипом. Современные методы исследования позволяют определить каждую хромосому в кариотипе. Для этого учитывают распределение видимых под микроскопом светлых и темных полос (чередование AT и ГЦ-пар) в хромосомах, обработанных специальными красителями. Поперечной исчер-ченностью обладают хромосомы представителей разных видов. У родственных видов, например у человека и шимпанзе, очень сходный характер чередования полос в хромосомах.

Каждый вид организмов обладает постоянным числом, формой и составом хромосом. В кариотипе человека 46 хромосом — 44 аутосомы и 2 половые хромосомы. Мужчины ге-терогаметны (ХУ), а женщины гомогаметны (XX). У-хромосо-ма отличается от Х-хромосомы отсутствием некоторых аллелей (например, аллеля свертываемости крови). Хромосомы одной пары называют гомологичными. Гомологичные хромосомы в одинаковых локусах несут аллельные гены.

Различают четыре уровня организации ядерного хроматина. Первый - уровень нуклеосомной фибриллы. Существование в хроматине дискретных повторяющихся единиц открыли в 1973 году Д. Хьюиш и Л. Буржойн (Австралия). А. Олинс и Д. Олинс (США) с помощью электронного микроскопа воочию убедились, что хроматиновые нити несут на себе образования типа бусин диаметром около 10-9 м. Р. Корнберг (Великобритания) установил, что каждая такая «бусина» содержит отрезок ДНК длиной 150-200 пар нуклеотидов и 8 молекул гистонов разных типов. Эта частица позже была названа «нуклеосомой».

В нуклеосоме различают сердцевинную часть и линкерную область. Сердцевинная часть соответствует «бусинам», обнаруживаемым при электронном микроскопировании, а линкерная - связывающему «бусины» участку базовой ДНК. Сердцевинная и линкерная области образуют полную нуклеосому. Размеры полной нуклеосомы могут варьироваться у разных видов и в хроматине разных тканей, что, видимо, связано с различиями в экспрессии генов.

Второй уровень пространственной структуры хроматина - соленоид позволяет «сложить» ДНК с ее спутниками - белками еще более компактно: линейные размеры хромосомной фибриллы (нити), соответствующей соленоиду, в 40 раз меньше размеров свободной ДНК. Соленоидная структура образуется в результате свертывания (на манер спирали) нуклеосомной нити и в одних местах носит более-менее регулярный характер, в других - неравномерный - здесь наблюдается как бы «сгущение» витков. Вопрос о деталях строения и механизмах формирования соленоида остается пока открытым (Г. П. Георгиев, Б. Льюин). Несомненна связь этой структуры с функциональным состоянием генов. Установлена также теснейшая зависимость формирования соленоидных структур от физико-химических свойств клеточной среды.

Третий уровень организации (компактизации) ДНК в хроматине определяется укладкой соленоидной структуры в петли, опирающиеся, как полагают, на скелетные осевые образования хромосом. Длина петли - до 90 тысяч пар нуклеотидов. Материалом для скелетных нитей (для ядерного скелета) служат белки. Эти нити получили название «нуклеонемы». Совокупность всех нуклеонем ядра составляет часть ядерного матрикса. В этот матрикс, помимо нуклеонем, входит еще ламина - белковый слой, располагающийся непосредственно под двойной мембраной, окутывающей ядро. Основу ламины составляют три белка. Видимо, именно белки ламины осуществляют «таможенный досмотр» в зоне ядерных пор. Можно предположить, что важное значение здесь имеет свойство белков (как, впрочем, и других биополимеров) изменять свою пространственную структуру в ответ на изменения физико-химических свойств «среды обитания».

Четвертый уровень организации хроматина представлен хромосомами. Механизм формирования этих органелл еще не ясен. Но несомненно, что активация генов подразумевает глубокие изменения пространственных структур хромосом: налицо связь организации хроматина и регуляции работы генов.

Кольцевые ДНК могут образовывать особую пространственную структуру - суперспираль. Суперспирализация опять же зависит от биохимии плазмы клетки.

Правильная организация пространственной структуры молекул ДНК и РНК, их комплексов с белками - не единственное условие нормального функционирования генов. Полагают, что важнейшими элементами типичного гена являются также особые регуляторные последователи - энхансеры, сайленсеры и пр. Располагаясь на различном расстоянии от участков транскрипции, подчас весьма далеко, они тем не менее каким-то образом «командуют» процессами экспрессии генов.