Структурные особенности строения и упаковки хромосом.

Отмечено, что в хромосомах ДНК сильно изменяется в клеточном цикле (max – в интерфазе, min – клеточное деление ≈ в 10000 раз).

1961 г. Рис предложил полимеразную многонитчатую хромосому – каждая хромосома состоит из 20 хроматид, каждая хроматида из 2 полухроматид → 2 фибриллы → 2 субфибриллы → 2 нуклеогистонные молекулы → 2 двуцепочечные молекулы ДНК. Модель Риса подтверждалась электронно – микроскопическими исследованиями, но генетически противоречила, т.к. мутация, возникшая в ДНК должна реализоваться. Мутанты обычно рецессивны и должны для реализации в фенотипе перейти в гомозиготное состояние, но при многонитчатой модели – почти нет шансов проявиться в фенотипе, т.к. на 1 копию мутантного аллеля. Но тем не менее многонитчатые хромосомы были обнаружены в ядрах клеток слюнных желез двукрылых насекомых (мухи, комары), назвали политенными хромосомами, такие же обнаружили в трофобластах млекопитающих.

 

1963 г. Тейлор предложил унинемную (однонитчатую) модель – в основе представления, что хромосома состоит из 1 двуцепочечной молекулы ДНК, анализ химической структуры показал следующие компоненты – ДНК, гистоны, негистоновые белки, РНК и липиды. Количество гистонов пропорционально количеству ДНК (практически равно).

Гистоны – основные белки, в состав хромосомных белков – гистонов входят:

Н1

Н2А

Н2В

Н3

Н4

Количественно Н1 в 2 раза больше, чем любых других, а оставшиеся 4 всегда в равных количествах. Гистоны образуют октамер – гистоновый кор, парами друг напротив друга (нуклеосома, вокруг которой обмотана нить ДНК; 1,75 витка ≈ 146 нуклеотидов), между 2 обмотками 50 – 60 нуклеотидов – линкер.

 

На 1 нуклеосому 200 нклеотидов. Компактизация молекулы ДНК продолжается за счет того, что нуклеосомная нить становится более плотной – гистон Н1 подтягивает соседние нуклеосомы друг к другу. Далее эта нить образует спираль – соленоид. Н1 подтягивает нуклеосому – образуются розетки. Каждый виток – 6 нуклеосом.

В результате упаковеи образуется первичные фибриллы толщиной ≈30 нм, полагают, что в формировании соленоидной структуры принимают участие гистоны Н1, Н3 и негистоновые белки. Соленоидная структура в свою очередь формирует петельные домены 1 порядка, каждая петля 20 – 80 тыс. нуклетидов, удерживаются они за счет негистоновых белков. Из петельных доменов 1 порядка образуются петельные домены 2 порядка за счет фосфорилирования гистонов.

Полагают, что в центре митотических хромосом располагаются особые белки – металлопротеины, которые образуют остов и к нему крепятся петли 2 порядка → петли 3 порядка, которые формируют хромосомы.

Т.о. упаковка происходит на

1 уровне – β форма спирали ДНК – 10 пар оснований на виток (2 нм)

2 уровень – нуклеосома

3 уровень – гистон Н1 подтягивает друг к другу

4 уровень - 6 нуклеосом образуют розетку друг над другом в виде соленоида (d ≈ 30 нм)

5 уровень – формирование петельных доменов 1 порядка

6 уровень – формирование петельных доменов 2 порядка

7 уровень – формирование хроматиды с участием металлопротеинов, d = 4 мкм.

В связи со сложной структурой возникает вопрос о репликации ДНК.

4 гипотезы:

1. во время репликации гистоновые октамеры сохраняются полностью и переходит к новой нити случайным образом.

2. новая нить ДНК имеет все новые октамеры, старая – старые октамеры

3. каждая нить ДНК получает по полинуклеосоме (тетрамер), которая восстанавливается потом до октамера

4. модель отвергается, т.к. явление репрессированности части генома за счет гистонов. Если октамеры разваливаются полностью, то репрессирование работает

Наиболее вероятна 3 модель. Был обнаружен фермент – нуклеоплазма, которая определяет сборку нуклеосом.

Хромосомы описаны в 19 веке. В 1988 г. термин «хромосома» предложил Вальдайер.

Митотическая хромосома состоит из 2 хроматид, которые идентичны.

 Участок, в котором соединены хроматиды, называется центромерой (первичной перетяжкой). В области центромеры расположен кинетохор, к которому прикрепляются нити веретена деления. У некоторых хромосом на одном из плеч могут находиться небольшие тельца – спутники. Центромера делит хроматиду на 2 плеча: р – короткое и q – длинное.

Хромосомы могут различаться между собой по величине и по положению первичной перетяжки.

 

Для классификации хромосом были введены параметрические критерии (1950 г. Тио, Леван):

1. плечевой индекс   :

· если = 1-1,3 – метацентрическая хромосома

· если = 1,3-3 – субметацентрическая хромосома

· если > 3 – акроцентрическая хромосома

2. индекс спирализации

 

Теоретически предполагалось, что существуют телометрические хромосомы, состоящие из 1 плеча, но к настоящему времени установлено, что такие хромосомы не существуют.

Изучение хромосом у человека было затруднено, они изучались в гистологических срезах, т.к. клетки человека содержат 46 хромосом, среди которых есть достаточно крупные, то длительное время не могли определить даже количество хромосом.

 

Прогресс в цитогенетике связан с тем, что изучение хромосом стало проводиться на клеточных культурах и благодаря 2 методическим приемам:

 

1. колхицинирование – колхицин нарушает веретено деления, благодаря чему возможно накопление клеток на стадии метафазы.

2. обработка клеток гипотоническим раствором – клетка набухает, хромосомы отходят друг от друга и становятся легко доступными для анализа.