Хромосомный уровень упаковки днк. Хромосома и хроматин. Упаковка генетического материала в хромосоме. Упаковка ДНК в ядре

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.

Первый уровень компактизации ДНК - нуклеосомный . Если подвергнуть действию нуклеазы хроматин, то он и ДНК, подвергаются распаду на регулярно повто­ряющиеся структуры. После нуклеазной обработки из хроматина путем центрифугирования вы­деляют фракцию частиц со скоростью седиментации 11S. Частицы 11S содержат ДНК около 200 нуклеотидных пар и восемь гистонов. Такая сложная нуклеопротеидная частица получила названиеНуклеосомы . В ней гистоны образуют белковую основу-сердцевину, по поверхности которой располага­ется ДНК. ДНК образуют участок, с белками сердце­вины не связанный, - Линкер , Который, соединяя две соседние нуклеосомы, переходит в ДНК следующей нуклеосомы. Они образуют «бусины», глобулярные образования около 10 нм, сидящие друг за другом на вытянутых молекулах ДНК. Второй уровень компактизации-30 нм фибрилла. П Ервый, нуклеосомный, уровень компакти­зации хроматина играет регуляторную и структурную роль, обеспечивая плотность упаковки ДНК в 6-7 раз. В митотических хромосомах и в интерфазных ядрах выявляются фибриллы хроматина с диаметром 25-30 нм. Выделяют соленоидный тип укладки нуклеосом: нить плотно упако­ванных нуклеосом диаметром 10 нм образует витки с шагом спирали около 10 нм. На один виток такой су­перспирали приходится 6-7 нуклеосом. В результате такой упаковки возникает фиб­рилла спирального типа с цент­ральной полостью. Хроматин в составе ядер имеет 25-нм фибриллы, которая состоит из сближенных глобул того же размера -Нуклеомеров . Эти нуклеомеры называют сверхбусинами («супербиды»). Основная фибрилла хроматина диаметром 25 нм представляет собой линейное чередование нуклеомеров вдоль компактизованной молекулы ДНК. В составе нуклеомера образуются два витка нуклеосомной фибриллы, по 4 нуклеосомы в каждом. Нуклеомерный уровень укладки хроматина обеспечивает 40-кратное уплотнение ДНК. Нуклесомный и нуклеомерный (супербидный) уровни компак­тизации ДНК хроматина осуществляются за счет гистоновых белков. Петлевые домены ДНК -третий уровень структурной организации хроматина . В высших уровнях организации хроматина специфические белки свя­зываются с особыми участками ДНК, которая в местах связы­вания образует большие петли, или домены. В некоторых местах есть сгустки конденсированного хроматина, розетковидные образования, состоящие из многих пе­тель 30 нм-фибрилл, соединяющихся в плотном центре. Средний раз­мер розеток достига­ет 100-150 нм. Розетки фиб­рилл хроматина-Хромомеры . Каждый хромомер состоит из нескольких содержащих нуклеосомы петель, которые связаны в одном центре. Хромо­меры связаны друг с другом участками нуклеосомного хро­матина. Такая петельно-доменная структура хроматина обеспечивает структурную компактизацию хроматина и организует функ­циональные единицы хромосом - репликоны и транскрибиру­емые гены.

Длина ДНК диплоидного набора хромосом человека составляет примерно 174 см., средняя длина ДНК одной хромосомы – 5 см. В ядре длина одной хромосомы составляет 0,5 – 1 микрон. Такая упаковка двойной спирали ДНК объясняется ее дальнейшей последовательной компактизацией.

Рис. 12. A-, B-, C- и D-формы ДНК

(А. С. Коничев, Г. А. Севастьянова, 2005, с. 90)

1. Нуклеосомный уровень. Нуклеосома - это ДНК - гистоновый комплекс, который выглядит как частица дисковидной формы диаметром 11 нм. Впервые нуклеосомы были описаны в 1974г. А. Олинс и Д. Олинс . Каждая нуклеосома состоит из белкового кора или октамера и 2 оборотов фрагмента двухцепочечной ДНК (рис.13).

Рис. 13. Модель нуклеосомного кора. Сегмент ДНК (146 пар оснований), обвивает белковый кор, делая вокруг него примерно 2 оборота (1¾). (С. Б. Бокуть и др., 2005, с. 52)

Белковый кор (сердцевина) содержит набор из 4 пар гистоновых белковН2А, Н2В, Н3, Н4. Это самые консервативные белки в любом геноме. Они практически одинаковы у гороха и у человека.

Нуклеосомы связываются участками ДНК (линкерная ДНК) свободными от контакта с белковым кором.

Укладка линкерного участка ДНК (60-80 п.н.) и соединение нуклеосом друг с другом идут с помощью гистона Н1. Молекула этого белка имеет центральную (глобулярную) часть и вытянутые «плечи». Центральная часть прикрепляется к специфическому участку на поверхности кора, вытянутые «плечи» соединяют соседние нуклеосомы. При этом ДНК наматывается на соседние коры ка­ждый paз в противоположном направлении (рис. 14).

Выделить нуклеосомы можно непродолжительной обработкой хромосом ферментами дезоксирибонуклеазами. При этом расщепляются участки состыковки нуклеосом. В геноме человека содержатся 1,5 х 10 7 нуклеосом.

Нуклеосомный уровень повышает плотность упаковки ДНК в 7-10 раз. (Рис. 14, 20)

Рис.14. Модель нуклеосомной фибриллы.

2. Нуклеомерный уровень . Дальнейшая компактизация ДНК в составе хроматина свя­зана с образованием нуклеосомных комплексов (рис. 15, 20).Образуется компактная хроматиновая фибрилла построенная либо по типу соленоида (спиральный тип укладки), либо по нуклеомерному типу (4-12 нуклеосом образуют глобулу).

Нуклеомерная укладка хроматина способствует укорочению нити ДНК примерно в 6 раз, а оба уровня приводят к компактизации ДНК в среднем в 50 раз (42-60).

3. Хромомерный уровень.

Следующий этап компактизации ДНК связан с образованием петлеобразных структур, которые называются хромомерами (рис.16). При этом возможны два пути упаковки ДНК с помощью негистоновых белков:

Рис. 16. Хромомерный тип укладки хромосом.

Нить нуклеосом разбита на участки по 20 - 80 тысяч пар азотистых оснований (в среднем – 50 тысяч). В местах разбивки находятся молекулы – глобулы - негистоновых хромосомных белков. ДНК - связывающие белки узнают глобулы негистоновых белков и сближают их. Образуется устье петли. Средняя длина петли (300-400 нм) сходна у различных организмов (дрозофила и человек) и включает примерно 50 тысяч оснований. Такую петельную структуру называют интерфазной хромонемой.

Хроматин типа «ламповых щеток» - это интерфазный эухроматин (рис.17.). Считают, что петли имеют связи с белками хромосомного каркаса, ядерного матрикса и белками ламины.

Рис. 17. Фрагменты хромосом типа «ламповых щеток» из ядра ооцита тритона.

Можно видеть участки ДНК, образующие петли от центральной оси. (С. Гильберт, 1993, т. 2, с. 186)

Укорочение фибриллы на этом уровне происходит в среднем 25 раз, а на всех 3 уровнях в 1000-1500 раз.

4. Хромонемный уровень . При делении клеток идет дальнейшая компактизация хро­мосом - образование более крупных петель из хромомерной фибриллы. На поверхности упакованные молекулы ДНК несут множество белков, которые образуют подобие чехла. Ес­ли удалить этот чехол, то под электронным микроскопом можно отчетливо увидеть, что каждая хроматида построена из хроматиновых петель, отходящих от центральной оси. Диа­метр такой упаковки 700 нм (рис. 18).

Рис.18. Хромонемный тип укладки хромосом.

5. Хромосомный уровень . Даль­нейшая компактизация хромосом обеспечивается петельной укладкой хромонемной нити (рис.19.), что сокращает их длину примерно в 10 раз.

Рис.19. Хромосомный тип укладки.

На этом этапе происходит объединение петель имеющих одинаковую организацию, образуются блоки или минидиски. В образовании одного минидиска участвуют примерно около 20 петель. Таким образом, за счет нескольких уровней компактизации длина ДНК сокращается примерно в 10000 раз. Конденсация хромосом из деконденсированного состояния - это не спирализация , а очень сложный комплекс компактизации , связанный не только с изменением их линей­ных размеров , но и с регуляцией их работы в процессе жизне­деятельности клетки. (Рис. 20)

Кроме того, компактизация хромосомы - важнейший процесс, связанный с точной передачей наследственной ин­формации очередному поколению.

Введение

Молекулы ДНК в эукариотических клетках очень велики. Так, длина молекул ДНК, выделенных из клеток человека, достигает нескольких сантиметров. Принято считать, что каждая эукариотическая хромосома содержит одну -- единственную непрерывную молекулу ДНК. Учитывая видовое количество хромосом у млекопитающих, можно сказать, что в среднем у них на интерфазное ядро приходится около 2 м ДНК, находящейся в сферическом ядре диаметром менее 10 мкм. При этом в ядре должен сохраняться определенный порядок расположения молекул ДНК, чтобы обеспечить ее упорядоченное функционирование.

Именно поэтому молекулы ДНК в ядрах эукариотических клеток всегда находятся в комплексе с белками в составе хроматина, который образуется из хромосом после окончания деления ядер в результате сложного процесса раскручивания (деспирализации) хромосом.

Исследуя структурную организацию хроматина и хромосом, можно определенно говорить о нескольких уровнях компактизации ДНК. Первый -- нуклеосомный, дающий семикратное уплотнение ДНК и составе фибрилл ДНП, второй -- фибрилла диаметром 30 нм, или нуклеомерный уровень, с 40-70-кратной степенью упаковки, третий -- доменно-петлевой, или хромомерный, приводящий к 600-700-кратному уплотнению ДНК в составе этих структур. Для поддержания первых двух уровней компактизации было достаточно участия только гистоновых белков, тогда как петлевые и розеткоподобные доменные структуры уже требовали участия негистоновых белков и перехода от спирального, или соленоидного, типа укладки ДНК к образованию компактных глобулярных структур, состоящих из петель хроматиновых фибрилл диаметром 30 нм, к структурам типа хромомеров, имеющих уже размеры 0,1-0,2 мкм.

Упаковка ДНК в хромосомах

Компактность - принципиальное отличие генома эукариот от прокариотического генома. При средней разнице размеров геномов на 3 порядка, линейные размеры эукариотических хромосом соизмеримы с длиной ДНК прокариот.

Выделяют, по крайней мере, 4 уровня компактизации ДНК. При этом нить ДНК "укорачивается" в 10 000 раз. Это подобно тому, если нить, длиной с Останкинскую башню (500 м), уложить в спичечный коробок (5см).

Хромосомы эукариотических клеток состоят в основном из хроматина -- комплекса двухцепочечной ДНК и пяти гистоновых белков, обозначаемых H1, Н2А, Н2В, Н3 и Н4

Именно гистонами обеспечиваются два первых уровня компактизации эукариотического генома- нуклеосомный и нуклеомерный.

Общая характеристика гистонов

Гистоны - основные белки. Все они обогащены лизином и аргинином - положительно заряженными аминокислотами. В зависимости от соотношения в структуре гистонов аминокислот обычно выделяют 5 фракций гистонов. Нарабатывается их очень много - 60 млн. молекул каждой фракции на клетку.

Модификации гистонов очень сильно влияют на компактизацию ДНК. Гистоны могут метилироваться, фосфорилироваться (по серину, треонину, тирозину), т.е. аминокислотные остатки легко модифицируются. Кроме того, возможно алкилирование и ацетилирование гистонов.

Основные фракции гистонов:

Все гистоны, кроме Н1, чрезвычайно консервативны в эволюционном отношении (у коровы и клевера разница в Н2А всего в одну аминокислоту!). Следовательно, эти белки выполняют принципиальную функцию, которая у всех эукариот обеспечивается одинаково. Любая мутация в гистоновых генах летальна.

Н1 - очень вариабельная фракция. Этот гистон различен не только у видов, но даже у одного организма, в зависимости от стадий онтогенеза.

В гистонах лизин и аргинин кластированы. Средняя часть гистона содержит гидрофобные аминокислоты. Положительно заряженные аминокислоты гистонов обеспечивают электростатические взаимодействия с ДНК. Центральная часть необходима для взаимодействия гистонов между собой.

Роль гистонов в свертывании ДНК важна по следующим причинам:

1) Если бы хромосомы состояли только из вытянутой ДНК, трудно вообразить, как они могли бы реплицироваться и разделяться по дочерним клеткам, не запутываясь или не ломаясь при этом.

2) В вытянутом состоянии двойная спираль ДНК каждой человеческой хромосомы пересекла бы клеточное ядро тысячи раз; таким образом, гистоны упорядоченным образом упаковывают очень длинную молекулу ДНК в ядро, имеющее несколько микрометров в диаметре;

3) Не вся ДНК свернута одинаковым образом, и характер упаковки района генома в хроматин, вероятно, влияет на активность генов, содержащихся в данном районе.

Уровни упаковки генетического материала.

Первый уровень упаковки ДНК – нуклеосомный. Нуклеосомная нить хроматина (см. выше) имеет диаметр около 13 нм. После упаковки длина молекулы ДНК уменьшается в 5-7 раз. Нуклеосомный уровень обнаруживается в электронном микроскопе в интерфазе и при митозе.

Второй уровень упаковки – соленоидный (супернуклеосомный). Нуклеосомная нить конденсируется, её нуклеосомы «сшиваются» гистоном Н1 и образуется спираль диаметром около 25 нм. Один виток спирали содержит 6-10 нуклеосом. Нить укорачивается еще в 6 раз. Супернуклеосомный уровень упаковки обнаруживается в электронном микроскопе как в интерфазных, так и в митотических хромосомах.

Третий уровень упаковки – хроматидный (петлевой). Супернуклеосомная нить спирализуется с образованием петель и изгибов. Она составляет основу хроматиды и обеспечивает хроматидный уровень упаковки. Он обнаруживается в профазе. Диаметр петель около 50 нм. Нить ДНП укорачивается в 10-20 раз.

Четвертый уровень упаковки – уровень метафазной хромосомы . Хроматиды в заканчивают спирализацию: происходит укорочение в 20 раз. Метафазные хромосомы имеют длину от 0,2 до 150 мкм и диаметр от 0,2 до 5,0 мкм. Общий итог конденсации – укорочение нити ДНП в 10 000 раз!!!

Хромосомы – плотные, интенсивно окрашивающиеся структуры, единицы морфологической организации генетического материала и обеспечивают его точное распределение при делении клетки. Хромосомы лучше всего различимы (и изучаются) на стадии метафазы митоза.

Метафазные хромосомы имеют вид коротких нитевидных фигур, или изогнутых палочек, состоящих из двух продольных нитей ДНП – хроматид . Хроматиды в точке перегиба (первичная перетяжка ) соединены центромерой, к которой прикрепляются нити веретена деления . Центромера делит тело хромосомы на два плеча. Участок каждого плеча вблизи центромеры называется проксимальным , удаленный от неё – дистальным . Концевые отделы дистальных участков называются теломерами . Теломеры препятствуют соединению концевых участков хромосом. Потеря этих участков может сопровождаться хромосомными перестройками. Кроме первичной перетяжки, отдельные хромосомы имеют вторичные, не вызывающие перегиба хро

мосомы. Положение вторичной перетяжки, ее длина постоянны для каждого вида хромосом. Некоторые хромосомы имеют еще спутник – округлое или

палочковидное тело той же природы. С основным телом хромосомы спутник соединяется тонкой хроматиновой нитью. Иногда спутником считают часть хромосомы, отделенную вторичной перетяжкой. Хромосомы со спутниками характерны для растительных клеток.

Типы хромосом . В зависимости от положения центромеры различают следующие типы хромосом:

- метацентрические (равноплечие) , центромера расположена посередине и плечи примерно одинаковой длины (3);

- субметацентрические (неравноплечие), центромера умеренно смещена от середины хромосомы, плечи имеют разную длину (2);

- акроцентрические (палочковидные) , центромера значительно смещена к одному концу хромосомы, или располагается в ее теломерном участке, в результате одно плечо очень короткое или отсутствует (1).

Рис. Типы хромосом.

Изучение хромосом позволило установить:

Во всех соматических клетках любого организма число хромосом одинаково;

В половых клетках содержится всегда вдвое меньше хромосом, чем в соматических клетках данного вида организмов;

У всех организмов, относящихся к данному виду, число хромосом в клетках одинаково.

В качестве примера ниже приведены диплоидные числа хромосом в ядрах соматических клеток некоторых видов организмов.

Малярийный плазмодий – 2; Лошадиная аскарида – 2; Дрозофила – 8: Вошь головная – 12; Шпинат – 12; Муха домашняя – 12; Окунь – 28; Человек – 46; Ясень – 46; Шимпанзе – 48; Таракан – 48; Перец – 48; Овца – 54; Собака – 78; Голубь – 80; Сазан – 104.

Как видно, число хромосом не зависит от уровня организации и не всегда указывает на филогенетическое родство, поскольку одно и то же число хромосом может встречаться у видов очень далеких в систематическом отношении и сильно отличаться у близких по происхождению организмов. Таким образом, число хромосом не является видоспецифичным признаком. Однако, характеристика хромосомного набора в целом видоспецифична, т.е. свойственна только одному какому-то виду организмов. Совокупность количественных (число) и качественных (форма) признаков хромосомного набора соматической клетки называется кариотипом .

Число хромосом в кариотипе всегда четное. Это объясняется тем, что в соматических клетках всегда находятся две одинаковые по форме и размерам хромосомы: одна происходит от отцовского организма, другая – от материнского. Парные хромосомы, одинаковые по форме и размерам и несущие одинаковые гены, называются гомологичными . Хромосомы из разных пар – называют негомологичными . Хромосомный набор соматической клетки, в котором каждая хромосома имеет себе пару, называют двойным, или диплоидным набором(2n) . В половые клетки из каждой пары гомологичных хромосом попадает только одна, поэтому хромосомный набор гамет называют одинарным, или гаплоидным набором . Количество ДНК, содержащееся в одинарном наборе хромосом – 1с, соответственно в двойном наборе количество ДНК – 2с. Хромосомы в составе кариотипа делят также на аутосомы, или неполовые, одинаковые у особей мужского и женского пола, и гетерохромосомы, или половые, участвующие в определении пола и различающиеся у самцов и самок. Кариотип человека представлен 46 хромосомами (23 пары): 44 аутосомы и 2 половые хромосомы (у женщины две одинаковые Х-хромосомы, у мужчины Х- и Y-хромосомы).

Рис. Кариотип человека.

Правила хромосом.

Правило постоянства числа хромосом: соматические клетки организма каждого вида имеют строго определенное количество хромосом (у человека – 46, у дрозофилы – 8).

Правило парности хромосом: каждая хромосома в диплоидном наборе имеет гомологичную – сходную по размерам, расположению центромеры и содержанию генов.

Правило индивидуальности хромосом : каждая пара хромосом отличается от другой пары размерами, расположением центромеры и содержанием генов.

Правило непрерывности хромосом: в процессе удвоения генетического материала новая молекула ДНК синтезируется на основе информации старой молекулы ДНК (реакция матричного синтеза – каждая хромосома от хромосомы).

Таблица 1

Сравнительная характеристика прокариотической и эукариотической клеток

Таблица 2.

Сравнительная характеристика клеток растений и животных

Ключевые слова и понятия :

Активный транспорт

Аппарат Гольджи

Аутосомы

Биологическая мембрана

Включения

Гаплоидный набор хромосом

Гетерохромосомы

Гомологичные хромосомы

Диплоидный набор хромосом

Диффузия

Кариоплазма

Кариотип

Лейкопласты

Микротрубочки

Микрофиламенты

Митохондрия

Негомологичные хромосомы

Органоиды

Пассивный транспорт

Пиноцитоз

Пропластида

Реснички

Рибосома

Тилакоид

Фагоцитоз

Хлоропласт

Хроматин

Хромопласт

Хромосома

Центриоль

Центросома

Цитоплазматическая мембрана

Экзоцитоз

Эндоплазматическая сеть агранулярная

Эндоплазматическая сеть гранулярная

ДНК составляет лишь половину объёма хромосом. Всё остальное - оболочка неизвестной функциональности

• Научно-популярное ,
• Биотехнологии

В школе нас учили, что в ядре каждой клетки содержатся нитевидные структуры под названием хромосомы, в которых хранятся гены - единицы наследственности, расположенные в линейном порядке. Гены закодированы в составе макромолекулы ДНК. Но всё не так просто, как кажется.

С самого момента своего открытия в 1882 году хромосомы подверглись тщательному и пристальному изучению, в том числе с помощью оптических и электронных микроскопов. Удивительно, но учёным до сих пор не удаётся чётко понять, как организована их структура.

Десятилетиями учёные концентрировали свои усилия на исследовании, в основном, хроматина. Это основное функциональное вещество хромосом, представляющее собой комплекс ДНК, РНК и белков. Именно в составе хроматина происходит реализация генетической информации, а также репликация и репарация ДНК.

Одна из главных загадок - как происходит упаковка (фолдинг) хроматина. Долгое время предполагали, что упаковка происходит случайным образом, но в последнее время появились другие теории. Некоторые учёные предполагают, что упаковка происходит по образцу расплава полимера . Есть мнения, что хромосомы проходят через цепочку взаимосвязанных процессов упаковки, от винтовой навивки вокруг нуклеосомы , до соленоидального 30 нм волокна, а затем к спирали большего размера . В конце концов, есть третий класс теорий, которые предполагают, что хромосомы состоят из петель хроматина, сдерживаемых негистонными белками .

Последняя из перечисленных моделей структуры хромосомы в последнее время получила дополнительное подтверждение. В 2013 году продвинутые методы микроскопии наглядно показали, каким образом в ядре клетки образуется линейная матрица из хроматиновых петель (см. работу Натальи Наумовой из Университета Массачусетса с коллегами, опубликованную в журнале Science ). На видео более показано, как происходит самоорганизация хромосом.

Организация митотических хромосом (сопроводительный материал к статье Натальи Наумовой с коллегами 2013 года)