Морфология хромосом. Нуклеосомная модель строения хромосом. Основные положения хромосомной теории.

admin

 Хромосомы всех эукариотических клеток построены по одному плану. Они включают в себя три основных компонента: собственно тело хромосомы (плечо), теломерный, конечный участок, и центромеру. Наиболее просто устроены хромосомы дрожжевых клеток: палочковидное тело хромосомы на одном конце имеет теломеру, а на другом – центромеру (рис. 32). Хромосомы животных и растений также представляют собой палочковидные структуры разной длины с довольно постоянной толщиной, но обычно имеют два хромосомных плеча, соединенных в зоне центромеры. Эта зона называется первичной перетяжкой. Соответственно оба плеча хромосомы оканчиваются теломерами (рис. 32). Хромосомы с равными или почти равными плечами называют метацентрическими, с плечами неодинаковой длины – субметацентрическими. Палочковидные хромосомы с очень коротким, почти незаметным вторым плечом – акроцентрические.

 В области первичной перетяжки (центромеры) расположенкинетохор — пластинчатая структура, имеющая форму диска. К нему подходят пучки микротрубочек митотического веретена, идущие в направлении к центриолям. Эти пучки микротрубочек принимают участие в движении хромосом к полюсам клетки при митозе.

 Обычно каждая хромосома имеет только одну центромеру (моноцентрические хромосомы), но могут встречаться хромосомы дицентрические и полицентрические, т.е. обладающие множественными кинетохорами.

 В зоне первичной перетяжки присутствует особая, центромерная, сателлитная ДНК, отличающаяся высоким уровнем повторенности нуклеотидных последовательностей.

Некоторые хромосомы имеют вторичную перетяжку. Последняя обычно расположена вблизи дистального конца хромосомы и отделяет маленький участок, спутник. Вторичные перетяжки называют, кроме того, ядрышковыми организаторами, так как именно на этих участках хромосом в интерфазе происходит образование ядрышка. Здесь же локализована ДНК, ответственная за синтез рРНК. В хромосомах человека ядрышковые организаторы расположены в коротких плечах вблизи центромер.

Плечи хромосом оканчиваются теломерами, конечными участками. Теломерные концы хромосом не способны соединяться с другими хромосомами или их фрагментами, в отличие от концов хромосом, лишенных теломерных участков (в результате разрывов), которые могут присоединяться к таким же разорванным концам других хромосом. В теломерах локализована особая теломерная ДНК, защищающая хромосому от укорачивания в процессе синтеза ДНК.

Размеры хромосом у разных организмов варьируют в широких пределах (рис. 33). Так, длина хромосом может колебаться от 0,2 до 50 мкм. Самые мелкие хромосомы обнаруживаются у некоторых простейших, грибов, водорослей, очень мелкие хромосомы – у льна и морского камыша; они настолько малы, что с трудом видны в световой микроскоп. Наиболее длинные хромосомы обнаружены у некоторых прямокрылых насекомых, у амфибий и у лилейных. Длина хромосом человека находится в пределах 1,5-10 мкм.

 Число хромосом у различных объектов также значительно колеблется, но характерно для каждого вида животных и растений. У некоторых радиолярий число хромосом достигает 1000-1600. Рекордсменом среди растений по числу хромосом (около 500) является папоротник ужовник, 308 хромосом у тутового дерева, у речного рака 196 хромосом. Наименьшее количество хромосом (1 хромосома на гаплоидный набор) наблюдается у одной из рас аскариды, у сложноцветного Haplopappusgracilis всего 4 хромосомы (2 пары).

 Совокупность числа, величины и морфологии хромосом называется кариотипом данного вида. Кариотип – это как бы лицо вида. Даже у близких видов хромосомные наборы отличаются друг от друга или по числу хромосом, или по величине хотя бы одной или нескольких хромосом, или по форме хромосом и по их структуре. Структура кариотипа данного вида не зависит ни от типа клеток, ни от возраста животного или растения. Все клетки индивидуумов одного вида имеют идентичные наборы хромосом. Простой морфологический анализ может убедительно показать различия в кариотипах даже у близких видов. Следовательно, структура кариотипа может быть таксономическим (систематическим) признаком, который все чаще используется в систематике животных и растений (рис. 34).

 В последние годы в практику хромосомного анализа стали широко входить методы дифференциального окрашивания хромосом. Впервые метод был предложен Касперссоном, который показал, что при обработке препаратов митотических хромосом с помощью флуорохромаакрихиниприта во флуоресцентном микроскопе виднаисчерченность по длине хромосом. В хромосомах были видны поперечные светящиеся полосы («бэнды») (Q– полосы, Q–окраска), расположение которых было характерно для каждой хромосомы.

 Затем оказалось, что исчерченность тела хромосомы, ее способность дифференциально окрашиваться по длине, можно выявить с помощью нефлуоресцирующих красителей (например, смесь по Гимза: метилен-азур, метиленовый фиолетовый, метиленовый синий и эозин). Перед окраской препараты обрабатывают разными способами (короткая обработка трипсином, щелочными или кислыми растворами и др.). В зависимости от метода окраски можно выявить окрашивание прицентромерных участков (C-полосы или перевязки) или различные полосы в плечах и теломерах хромосом (G-полосы). При этом, так же как при окраске акрихинипритом, расположение полос характерно для каждой хромосомы (рис. 35).

 Интересно, что получение дифференциальной окраски хромосом связано, скорее всего, с различной способностью к искусственной деконденсации разных участков хромосом. Так, дифференциальную окраску, соответствующую C — и G-полосам, можно получить при окраске обычным гематоксилином или просто наблюдать под фазовым контрастом на нефиксированных хромосомах в процессе их постепенной деконденсации при удалении двухвалентных катионов из окружающих хромосомы растворов, т.е. наблюдать дифференциальную деконденсацию митотических хромосом.

Такая дифференциальная окраска позволила детально изучить строение хромосом человека. При обычных методах окраски весь набор из 46 хромосом человека принято подразделять по их размерам на 7 групп (A, B, C, D, E, F, G). Если при этом легко отличить крупные (1, 2) хромосомы от мелких (19, 20), метацентрические от акроцентрических (13-я), то внутри групп трудно различить одну хромосому от другой. Так, в группе C 6-я и 7-я хромосомы схожи между собой так же, как и с X-хромосомой (рис. 36). Дифференциальное окрашивание позволяет четко отличить эти хромосомы друг от друга (рис. 37). Этот прием цитологического анализа в сочетании с генетическими наблюдениями уже в настоящее время позволил начать составлять хромосомные карты человека, т.е. находить места расположения генов на определенных участках хромосом (рис. 38).

 Несмотря на то, что молекулярные механизмы такой специфической окраски до сих пор еще не ясны, многие исследователи такую способность отдельных участков хромосом к окрашиванию связывают с их химическими различиями. Большое число наблюдений говорит о том, что избирательное окрашивание связано с локализацией так называемого гетерохроматина, ДНК которого обогащена A — и T-основаниями

Нуклеосомная модель строения хромосом

 Надмолекулярная организация хромосом называется еще или спирализацией, или конденсацией, или компактизацией.

 В настоящее время принято три уровня надмолекулярной организации хромосом: первичный, вторичный, третичный.

 Компактизация ДНК для эукариотической клетки важна по двум причинам: она позволяет не запутать и упорядоченно расположить очень длинные молекулы ДНК в небольшом объеме клеточного ядра и, кроме того, это один из способов функционального контроля генов — характер упаковки ДНК влияет на активность некоторых участков генома.

 Первичный уровень надмолекулярной организации — нуклеосомный. Элементарной структурой хромосомы, различаемой с помощью электронного микроскопа, является нить, диаметром 10-13 нм, представляющая собой комплекс ДНК и гистоновых белков. Эта нить состоит из гистонового остова (в виде цепочки расположенных друг за другом белковых телец дисковидной формы), поверх которого спирально закручена нить ДНК. Комплекс ДНК и гистонов на уровне одного дисковидного тельца называется нуклеосомой. Она содержит по две молекулы каждого из 4-х типов гистона (Н2А, Н2В, НЗ, Н4), соединенных в форме октамера. ДНК в нуклеосоме лежит поверх октамера, накручиваясь спирально на гистоновый остов. На уровне каждой нуклеосомы ДНК образует 2,3 оборота спирали, что соответствует примерно 200 парам нуклеотидов. Связь между соседниминуклеосомами осуществляется за счет гистона HI. На этот связывающий участок приходится 60 пар нуклеотидов. Формируется нить диаметром примерно 11 нм.

 Нуклеосома — это универсальная частица, которая обнаруживается как в эухроматине, так и в гетерохроматине, в интерфазном ядре и метафазных хромосомах.

 В случае линейной выпрямляемости, которая едва ли присутствует в живой клетке, образуемая нуклеосомами структура напоминает нитку "бус" и называется нуклеосомной нитью. Благодаря нуклеосомной организации хромосом происходит укорочение исходной длины ДНК в 7раз, т.е. происходит компактизация. Это, видимо, состояние интерфазной хромосомы, ее эухроматиновых участков.

 Дальнейшая компактизация ДНК в составе хромосом связана с образованием наднуклеосомных структур. Так, вторичный уровень хромосомной укладки ДНК выражается в формировании суперспиральной нити (соленоида), в которой исходная молекула ДНК укорачивается в 40раз. Толщина достигает 30-40 нм. При образовании суперспиралинуклеосомная нить спирально закручивается за счет взаимодействия гистонов HI и НЗ. Не исключено также и участие в этом негистоновых белков. Этот уровень укладки ДНК соответствует, по-видимому, наблюдаемым под световым микроскопом профазным митотическим и мейотическим хромосомам. Или интерфазным, но не транскрибируемым, возможно, участкам хромосом, т. е. гетерохроматиновым.

Третий уровень хромосомной укладки изучен менее всего.

 Существует две модели: в основу первой положен принцип спиральной укладки, в основе второй — строение по принципу складывания петель. В последние годы накоплен многочисленный материал, говорящий о реальности петлеобразных структур в хромосоме, и их плотной упаковке в метафазной хромосоме вокруг осевого каркаса, построенного из негистоновых белков. Петлевые структуры, но не плотно упакованные, есть и в интерфазной хромосоме. Вокруг каркаса, как в щетке-ерше, располагаются петли суперспиральной нити. Причем концы каждой петли локализуются на одной и той же точке белкового каркаса. Предполагается также, что петли могут скручиваться вокруг своей собственной оси, т.е. метафазную хромосому можно изобразить в виде плотно уложенных соленоидных петель, свернутых в тугую спираль. Типичная хромосома человека может содержать до 2600 петель.

Третий уровень укладки — это конденсация профазной хромосомы в метафазную. Толщина такой структуры достигает 1400 нм (две хроматиды), а молекула ДНК при этом укорачивается в I04 раз, т.е. с 5 см растянутой ДНК до 5 мкм. Эта суперспирализация сопровождается фосфорилированием в клетке всех молекул HI. В любом случае, ДНК в ядрах эукариотических клеток образует иерархическую систему спиралей и петель, основной единицей которой является нуклеосома. Нуклеосомы, в свою очередь, расположены не везде строго одинаково. Эти малозаметные и малоизученные различия биологически очень важны, т.к. по-видимому, они преимущественно происходят в тех областях хроматина, где находятся активные гены. В S-период интерфазы процесс репликации каким-то образом, как — неизвестно, проходит через нуклеосомы родительской цепи хроматина, которые переходят на одну из дочерних спиралей ДНК. Тогда все новые октамеры гистонов присоединяются ко второй дочерней спирали ДНК, свободной от нуклеосом.

 Нуклеосомная структура сохраняется и во время транскрипции ДНК, хотя довольно трудно представить себе как РНК-полимераза может транскрибировать ассоциированную с гистонами ДНК без каких-либо заметных изменений в организации нуклеосомы. Но в клетках эмбрионов насекомых в области активированных генов для р-РНК, по-видимому, нуклеосомы отсутствуют. И биохимические отличия между транскрибируемым активным и неактивным хроматином обнаружены. В частности, HI соединен с нуклеосомами гораздо менее прочно в активном хроматине и вообще гистоны в этих участках обнаруживают более высокую степень ацетилирования.

Основные положения хромосомной теории наследственности

  •  Анализ явлений сцепленного наследования, кроссинговера, сравнение генетической и цитологической карт позволяют сформулировать основные положения хромосомной теории наследственности:

  •  Гены локализованы в хромосомах. При этом различные хромосомы содержат неодинаковое число генов. Кроме того, набор генов каждой из негомологичных хромосом уникален.

  •  Аллельные гены занимают одинаковые локусы в гомологичных хромосомах.

  •  Гены расположены в хромосоме в линейной последовательности.

  •  Гены одной хромосомы образуют группу сцепления, то есть наследуются преимущественно сцепленно (совместно), благодаря чему происходит сцепленное наследование некоторых признаков. Число групп сцепления равно гаплоидному числу хромосом данного вида (у гомогаметного пола) или больше на 1 (у гетерогаметного пола).

  •  Сцепление нарушается в результате кроссинговера, частота которого прямо пропорциональна расстоянию между генами в хромосоме (поэтому сила сцепления находится в обратной зависимости от расстояния между генами).

  •  Каждый биологический вид характеризуется определенным набором хромосом — кариотипом.