Компактизация хромосом

Система компактизации хромосом

Хромосомы состоят из двух плачей, которые соединяются хроматидой. Суммарная длина ДНК внутри клеток человека составляет приблизительно 2 метра. Диаметр ядра клетки составляет приблизительно 7 мкм. При учете того факта, что каждая хромосома представлена отдельной молекулой ДНК, то компактизация ДНК составляет более шести тысяч раз. Подобная укладка происходит в несколько уровней:

• Первый уровень компактизации хромосом называется нуклеосомным. Если хроматин находится под действием нуклеазы, то ДНК распадается и состоит из регулярно повторяющихся структур. Этими структурами являются 8 молекул белков – гистонов, намотанных на октамер ДНК. Этот комплекс называется нуклеосомой. В ней гистоны образуют белковую основу-сердцевину, по поверхности которой располагается почти 2 витка ДНК. При этом между нуклеосомами остается линкер, участок, соединяющий две соседние нуклеосомы. Такой уровень компактизации ДНК часто называют «бусины на нитке». Буснки – это нуклеосомы и нитка является ДНК. Диаметр нуклеосомы около 11 нм. Такой уровень компактизации ДНК играет структурную роль и обеспечивает плотность упаковки ДНК;
• Второй уровень компактизации ДНК составляет 30 нм и имеет вид фибриллы. В митотических хромосомах можно обнаружить фибриллы, которые обладают диаметром 25 – 30 нм. При этом также можно наблюдать соленоидный тип нуклеосом в виде нити с витками и спиральным шагом около 10 нм. На каждом витке формируется фибрилла с центральной полостью. Хроматин в составе ядер таких клеток будет иметь фибриллы по 25 нм. Этот тип укладки ДНК обеспечивает ее сорокакратное уплотнение.
• Третий уровень компактизации ДНК представлен петлевыми доменами и называется хромомерным. Он считается уровнем высшего ранга. Внутри таких уровней специфические белки связываются с ДНК, образуя так называемые большие петли. В некоторых местах есть сгустки конденсированного хроматина, розетковидные образования, состоящие из многих пе­тель 30 нм-фибрилл, соединяющихся в плотном центре.

Средний размер таких розеток достигает 100 – 150 нм. Розетки фибрилл хроматина называются хромомерами. Каждый такой хромомер состоит из нескольких нуклеосом или петель, которые связываются в одном центре. Хромомеры связываются друг с другом и некоторыми участками нуклеосомного хроматина. Это обеспечивает так называемую структурную компактизацию хроматина и организует функциональные хромосомные единицы, а именно репликоны и гены, транскрибируемые в пределах хроматина.

Более плотная компактизация ДНК на хроматидном и хромосомном уровне достигается за счет дальнейшей компактизации хромомеров и наблюдается в делящихся клетках с плотными хромосомами. Такая компактизация хромосом становится видна даже при использовании светового микроскопа в виде отдельных образований. Если клетка не делится, то хромосомы деспирализуются и между ними не видно границ. Диффузный материал таких хромосом называется хроматином.

Разновидности компактизации хромосом

Электронная микрофотография растительной клетки показывает темные и плотные участки гетерохроматина и светлые части эухроматина. Эухроматин активизируется при транскрипции, гетерохроматин составляет своего рода молчащие участки ДНК. Также выделяют теломеры и центромеры или структурные элементы хромосом, в которых не существует генов. Центромеры и теломеры входят в состав облигатного (обязательного) гетерохроматина. Факультативный гетерохроматин образуется в клетке без обязательной основы.

Резюмируя сказанное, можно выделить несколько уровней компактизации хромосом:

• нуклеосомный или два с половиной витка двойной спирали ДНК, намотанной на белковый корд;
• нуклеомерный или структура суперспирали, в образовании которой принимает участие гистонового белка. В результате образуется хроматиновая фибрилла, толщина которой составляет 30 нм (ДНК компактизирована в 40 раз);
• хромомерный или петельный белок, который сцепляется между собой с помощью негистнового белка. Толщина такой структры 300 нм;
• хромонемный белок образуется в ходе сближения хромомеров по всей длине. В нее включается одна гигантская молекула ДНК;
• хроматидный белок складывается несколько раз, образуя хроматидное тело. После репликации ДНК содержит около двух хроматид;
• хромосомный белок состоит из двух хроматид. Хроматиды соединяются центромерой и при делении клетки хроматиды расходятся, попадая в разные дочерние клетки.

Таким образом, сохраняя преемственность в ряду поколений, хроматин меняет собственную организацию. В интерфазе он выделяется в виде глыбок, которые рассеяны в нуклеоплазме ядра. Если клетка переходит в митоз, в частности в метафазе, то хроматин приобретает вид интенсивно окрашенных телец – хромосом. Эти формы существования расцениваются как два полярных варианта структурной организации хроматина.

Они связываются в митотическом цикле своеобразными взаимными переходами. В пользу подобного мнения свидетельствуют эмпирические данные, полученные в результате применения метода электронной микроскопии. В основе метафазной и интерфазной структуры лежит элементарная нитчатая структура белка.

Неодинаковая степень компактизации хромосом имеет колоссальное функциональное значение. Различают конститутивный (структурный) и факультативный гетерохроматин. Скорее всего, его роль заключается в поддержании общей структуры ядра и прикреплении хроматина к ядерной оболочке, а также регуляции активности некоторых клеточных структур.

Совокупность всех хромосом называется кариотипом, который включает в себя все молекулы ДНК, содержащие сведения о всем многообразии признаков организма. Изменение числа хромосом в кариотипе человека может привести к различным заболеваниям. Наиболее частым хромосомным заболеванием у человека является синдром Дауна.