Особенности системы компактизации хромосом и ее разновидности

Особенности системы компактизации хромосом

Компактизация ДНК представляет собой процесс «укладки» ДНК внутри хромосом.

Хромосомы состоят из двух плечей, соединенных хроматидой. Внутри клеток человека общая длина ДНК примерно равна 2 метрам. Диаметр ядра клетки равен приблизительно 7 мкм. Поскольку каждая хромосома представлена отдельной молекулой ДНК, компактизация ДНК составляет свыше 6 тысяч раз.

Такая «укладка» осуществляется в несколько уровней.

Первый уровень

Первый уровень компактизации хромосом получил название нуклеосомного. При находящимся под действием нуклеазы хроматине происходит распадение ДНК: в этом случае она состоит из регулярно повторяющихся структур. В качестве структур выступают 8 молекул белков-гистонов, которые намотаны на октамер ДНК. Такой комплекс называют нуклеосомой. В такой нуклеосоме гистонами образуется белковая основа-сердцевина. На ее поверхности размещаются примерно 2 витка ДНК.

Между нуклеосомами остается линкер — это участок, который соединяет две соседние нуклеосомы. Этот уровень компактизации ДНК нередко называют «бусинами на нитке», где под бусинами понимают нуклеосомы, а под ниткой — ДНК. Диаметр нуклеосомы составляет приблизительно 11 нм. Этому уровню компактизации отводится структурная роль и функция обеспечения плотности упаковки ДНК.

Второй уровень

Второй уровень компактизации хромосом составляет уже 30 нм и получает вид фибриллы. В митотических хромосомах встречаются фибриллы диаметром 25-30 нм. Здесь же обнаруживается соленоидный тип нуклеосом: он имеет вид нити с витками и спиральным шагом в 10 нм. На каждом из витков происходит образование фибриллы с центральной полостью. Хроматин, входящий в состав ядер этих клеток, обладает фибриллами по 25 нм. Благодаря этому типу укладки ДНК осуществляется уплотнение ее в сорок раз.

Третий уровень

Третий уровень компактизации ДНК имеет вид петлевых доменов. Его называют хромомерным. Это уровень высшего ранга. Внутри этих уровней происходит связывание специфических белков с ДНК. В результате образуются большие петли. В отдельных местах находятся сгустки конденсированного хроматина, розетковидные образования. Они состоят из множества петель 30-нм фибрилл, которые соединяются в плотном центре.

В среднем такие розетки достигают в размерах 100-150 нм.

Хромомер состоит из нескольких нуклеосом или петель, связанных в одном центре. Наблюдается связывание хромомеров один с другим и с отдельными участками нуклеосомного хроматина. Благодаря этому можно говорить о структурной компактизации хроматина и организации функциональных хромосомных единиц: репликонов и генов, которые транскрибируются в пределах хроматина.

Дальнейшая компактизация хромомеров обеспечивает более плотную компактизацию ДНК на хроматидном и хромосомном уровнях. Этот процесс происходит в клетках, которые делятся, и которые содержат плотные хромосомы.

Такую компактизацию можно наблюдать даже при помощи светового микроскопа — она представляет собой отдельные образования. В случае неделения клетки, происходит деспирализация хромосом: границы между ними становятся не видны. Диффузный материал этих хромосом называют хроматином.

Виды компактизации ДНК

Если посмотреть на растительную клетку при помощи электронной микрофотографии, то можно обнаружить темные и плотные участки гетерохроматина и светлые части — это эухроматин. При транскрипции происходит активизация эухроматина, а вот гетерохроматин не активизируется: это молчащие участки ДНК.

Кроме этого, выделяют теломеры и центромеры (структурные элементы хромосом), в которых отсутствуют гены. Центромеры и теломеры — составные компоненты облигатного или обязательного гетерохроматина.

С учетом этого выделяют следующие уровни компактизации хроматина:

• нуклеосомный. Это 2,5 витка двойной спирали ДНК, которая намотана на белковый корд;
• нуклеомерный или со структурой суперспирали. В ее образовании участвует гистоновый белок. Как результат — образование хроматиновой фибриллы. Ее толщина равна 30 нм. То есть, ДНК компактизирована в 40 раз;
• хромомерный или петельный белок. Он сцепляется между собой при помощи негистонового белка. Толщина этой структуры уже составляет 300 нм;
• хромонемный белок. Его образование связано со сближением хромомеров по всей длине. Происходит включение в нее одной огромной молекулы ДНК;
• хроматидный белок. Он складывается несколько раз и образует хроматидное тело. В результате репликации в ДНК присутствует примерно 2 хроматиды;
• хромосомный белок, состоящий из 2 хроматид. Центромера соединяет хроматиды. В ходе деления клетки происходит расхождение хроматид, которые попадают в разные дочерние клетки.

Как видно, хроматин меняет собственную организацию, сохраняя, при этом, преемственность в поколениях. В интерфазе происходит его выделения в виде глыбок, рассеянных в нуклеоплазме ядра. При переходе клетки в митоз (в первую очередь в метафазе) хроматин получает вид интенсивно окрашенных телец — хромосом.

Такие формы существования воспринимают как 2 полярных варианта структурной организации хроматина.

Их связывание происходит в митотическом цикле при помощи своеобразных взаимных переходов. Это подтверждают и эмпирические данные, которые ученые получают в случае использования метода электронной микроскопии.

Неодинаковый уровень компактизации хромосом крайне важен. Выделяют конститутивный (структурный) и факультативный гетерохроматин. Предполагается, что его функция — поддержка общей структуры ядра и прикрепление хроматина к ядерной оболочке, а также регулирование активности отдельных клеточных структур.

Кариотип — это совокупность всех хромосом, которая включает в себя все молекулы ДНК, содержащие информацию о признаках организма. Если количество хромосом в кариотипе меняется, то приводит к различным заболеваниям.

Самое распространенное хромосомное заболевание человека — синдром Дауна.