Вопрос 39. Молекулярная структура хромосом. Набор хромосом

Хроматин

В хромосомах высших растений и животных каждая двойная спираль ДНК (диаметром 2 нм) имеет длину от одного до нескольких сантиметров. В результате многократного закручивания она упакована в хроматиду длиной несколько микрометров.

В изолированном хроматине участки двойной спирали обвиваются вокруг молекул гистонов, так что здесь возникает суперспираль первого порядка. Комплексы ДНК с гистоном называют нуклеосомами; они имеют форму диска или линзы и размеры около 10х10х5 нм. В одну нуклеосому входят 8 молекул гистонов (центральный тетрамер из двух молекул Н3 и двух Н4 и отдельно по два Н2а и Н2в) и участок ДНК (около 140 пар оснований), который образует примерно 1 1/4 витка спирали и прочно связан с центральным тетрамером. Между нуклеосомами лежат участки спирали из 30—100 пар оснований без суперспиральной структуры; здесь связывается гистон Н1.

В нативном хроматине ДНК еще больше укорочена в результате малоизученной дальнейшей спирализации (суперспирали высших порядков), которая, очевидно, фиксируется благодаря гистону Н1 (и некоторым негистоновым белкам).

При разрыхлении эухроматина (переход к интерфазе) некоторые из суперспиралей более высокого порядка раскручиваются, вероятно, в результате конформационных изменений гистонов и ослабления взаимодействий между молекулами Н1. Хроматиновые структуры толщиной 10–25 нм (основные хроматиновые нити или спирали) видны и во время интерфазы.

Транскрибционно-активный хроматин

Транскрипционно-активный хроматин (гены, передающие свою информацию путем синтеза РНК) в результате дальнейшей деспирализации еще больше разрыхляется. По некоторым данным, в соответствующих участках спирали ДНК гистон Н1 или отсутствует, или химически изменен (например, фосфорилирован), Структура нуклеосом также изменяется или полностью разрушается (в генах для rРНК в ядрышке). Двойная спираль в отдельных местах раскручивается. В этих процессах, по-видимому, участвуют определенные негистоновые белки, скапливающиеся в транскрибируемых участках ДНК.

Гаплоидные клетки

Весь фонд генетической информации каждого клеточного ядра – геном – распределен между некоторым постоянным числом хромосом. Это число (n) специфично для данного вида (или подвида). У лошадиной аскариды оно равно 1, у кукурузы – 10, у человека – 23, у водоросли Netrium digitus – около 600. Хромосомы одного набора различаются по величине, картине хромомер, положению перетяжек и содержанию информации.

Гаплоидные клетки содержат одинарный набор хромосом (n), а диплоидные – двойной (2n), так что генетическая информация в последних представлена дважды. В полиплоидных клетках имеется несколько наборов хромосом (4n, 8n, 16n и т. д .). Половые клетки гаплоидны . У высших растений и животных соматические клетки диплоидны и содержат один отцовский и один материнский набор хромосом. Однако в определенных тканях клетки могут быть полипоидными. Последние часто особенно активны в метаболическом отношении; таковы, например, многие клетки печени у млекопитающих. Гаплоидные клетки образуются из диплоидных в результате мейоза, а диплоидные из гаплоидных – в результате оплодотворения.

Полиплоидные клетки

Полиплоидные клетки возникают из диплоидных путем эндомитоза – преждевременно прерванного деления ядра: после полной репликации и разделения хроматид дочерние хромосомы остаются в одном клеточном ядре, вместо того чтобы распределиться между двумя ядрами. Этот процесс может повторяться многократно. Аномалии при образовании половых клеток могут приводить к полиплоидии всего организма. При неполной репликации некоторые части генома, например гетерохроматин, не реплицируются и остаются после эндомитоза диплоидными в отличие от других частей, которые становятся полиплоидными.

Амплификация генов – это многократная сверхрепликация, когда реплицируются только определенные гены, которые становятся полиплоидными (гены для rРНК в ядрышке).

Хромосомы диплоидного ядра могут быть сгруппированы попарно, по две гомологичные хромосомы. Большинство из них (так называемые аутосомы) попарно идентичны. Только две половые хромосомы (гетерохромосомы), определяющие пол особи, у самцов неодинаковы – это хромосомы Х и Y; большую часть последней занимает конститутивный гетерохроматин; у самок имеются две Х-хромосомы (у бабочек, птиц и ряда других животных дело обстоит наоборот: самцы имеют набор ХХ, самки – ХY).

Гиганские хромосомы

Политенные хромосомы (гигантские хромосомы) содержат во много раз больше ДНК, чем обычные. Они не изменяют своей формы на протяжении цикла деления и достигают длины до 0,5 мм и толщины 25 мкм. Они встречаются, например, в слюнных железах двукрылых (мух и комаров), в макронуклеусе инфузорий и в тканях завязи бобов. Чаще всего они видны в гаплоидном числе, так как гомологичные хромосомы тесно спарены.

Политения возникает в результате эндорепликации. По сравнению с эндомитозом это еще более редуцированный процесс деления: после репликации хроматиды не разделяются. Этот процесс повторяется многократно. При этом разные отрезки ДНК умножаются в различной степени: участки центромер – незначительно, большинство информативных областей – приблизительно в 1000 раз, а некоторые – более чем в 30000 раз. Поэтому политенные хромосомы представляют собой пучки из бесчисленных не полностью разделенных хроматид. Эти хроматиды растянуты, гомологичные хромомеры образуют темные диски, тесно расположенные вдоль хромосомы. Эти диски разделены более светлыми полосами. Вероятно, на хроматиде один диск и одна промежуточная полоса образуют, помимо спейсера, один ген (реже несколько генов), который, по-видимому, находится в диске. Политенные хромосомы чрезвычайно бедны гетерохроматином.

На политенных хромосомах отдельные диски временами раздуваются в пуфы (кольца Бальбиани). Там гомологичные хроматиды отделяются друг от друга, гомологичные хромомеры раздвигаются и возникает разрыхленная структура транскрипционно-активного хроматина. В пуфах содержится меньше гистона Н1, чем в дисках, вместо него здесь находится фермент РНК-полимераза (что указывает на синтез РНК). Присутствие РНК-полимеразы можно выявить и химическим методом. В промежуточных полосах тоже мало гистона Н1, но есть РНК-полимераза и, возможно, происходит хотя бы незначительный синтез РНК.