Лекция 2

Структурная организация хромосом. Гетеро- и эухроматин. Характеристика и классификация хромосом человека.

В прокариотических клетках наследственный материал представлен только молекулой ДНК, чаще кольцевой. В эукариотических клетках ДНК в хромосоме существует в комплексе с другими химическими компонентами и в первую очередь с белками. Этот комплекс получил название хроматин. Большая часть хроматина представлена белками (до 65%), ДНК составляет около 35%. Кроме белков и ДНК в хроматин входит: РНК, липиды, углеводы, ионы металлов (Ca, Mg) и некоторые другие компоненты, но эти вещества находятся в хроматине в малом количестве.

Таким образом, хроматин – это сложная многокомпонентная система. Важную роль в хроматине играют белки. Среди белков хроматина выделяют негистоновые белки и белки гистоны, которые составляют до 80% всех белков хроматина. Гистоны небольшие белки с очень высоким содержанием положительно заряженных аминокислот (лизина и аргинина). Суммарный положительный заряд позволяет гистонам прочно связываться с ДНК. Выделяют 5 типов гистонов: H1; H2A; H2B; H3; H4. Особенностью генов этих белков является отсутствие в их последовательностях интронов. Белки гистоны не только выполняют структурную функцию в хроматине, но и участвуют в механизмах функционирования наследственного материала. Негистоновые белки выполняют структурную, регуляторную и ферментативную функцию в хроматине.

Таким образом, хроматин следует рассматривать как вещество хромосом. Отдельные хромосомы представляют собой хроматин с одной молекулой ДНК и определенной структурной организацией.

Структурная организация эукариотической хромосомы достаточно сложная. Эта сложность связана с тем, что длина молекулы ДНК в составе хромосомы во много раз превышает размер самой хромосомы. В среднем одна метафазная хромосома человека размером 5 мкм содержит молекулу ДНК длинной 5 см., то есть ДНК превышает размер хромосомы примерно в 10 тысяч раз. Чтобы молекула ДНК могла уместиться в хромосоме она должна компактно укладываться в ней, поэтому при формировании хромосомы имеет место компактизация ДНК в ней. Выделяют пять уровней упаковки (компактизации) ДНК в хромосоме или пять уровней структурной организации хромосом.

Первый уровень – это формирование нуклеосом. Формирование нуклеосом можно представить путём накручивания спирально молекул ДНК на белковый остов, состоящий из 8 молекул гистонов четырёх типов: H2A; H2B; H3; H4 (гистоновый октамер, белковый кор). При этом молекула ДНК делает около двух витков вокруг белкового остова и переходит на другой остов. Так формируется повторяющаяся структурная единица хромосомы – нуклеосома (рис. 6).

Рис. 6. Нуклеосома

Участки ДНК, расположенные между нуклеосомами, называют линкерной (связывающей) ДНК. Расположенные рядом друг с другом нуклеосомы образуют довольно толстую нить, которая напоминает «бусины на нитке». При этом происходит 7-кратное укорочение длины молекулы ДНК. Нуклеосома рассматривается как универсальная структурная единица хроматина (хромосомы).

На втором уровне компактизации ДНК нуклеосомная нить закручивается в спираль с образованием соленоидо-подобной структуры (фибриллы). Стабильность этого уровня организации хромосомы обеспечивается гистоном H1, который «сшивает» витки ДНК соленоида. Диаметр хроматиновой фибриллы составляет 30 нм. При этом длина нити ДНК сокращается в 50 раз от исходной (рис. 7).

Рис. 7. Соленоид

Третий уровень компактизации ДНК – это формирование хроматиновых петель (рис. 8). Хроматиновые соленоидо-подобные фибриллы укладываются в виде петель, диаметр фибриллы увеличивается до 300 нм. Степень компактизации при этом составляет 10³, первоначальная длина молекулы ДНК сокращается в 1000 раз. Таким образом, в результате спирализации ДНК и взаимодействия с белками образуется три уровня структурной организации хромосом. Все эти три уровня компактизации ДНК в хромосомах имеют место в интерфазу митотического цикла.

Рис. 8. Хроматиновая петля

На следующем четвёртом уровне компактизации ДНК фибриллы с хроматиновыми петлями многократно складываются и превращаются в хроматиды диаметром 700 нм. Длина молекулы ДНК в хроматиде сокращается в 2-3 тысячи раз от исходной.

На пятом уровне наблюдается максимальная степень компактизации ДНК с образованием метафазных хромосом. Благодаря такой суперспирализации достигается плотная упаковка наследственного материала, что важно при расхождении хромосом в митозе. При такой упаковке происходит укорочение метафазных хромосом по сравнению с размерами заключённой в них молекулы ДНК примерно в 10 тысяч раз.

В метафазу хромосомы имеют вид цилиндрических телец, которые интенсивно окрашиваются основными красителями. В метафазной хромосоме можно выделить центромеру (первичную перетяжку), которая делит хромосому на два плеча (рис. 9).

Рис. 9. Метафазная хромосома

Центромеры, которые разделяют хромосомы на плечи, выполняют важные функции. Они обеспечивают: удержание хромосом; правильность выстраивания хромосом по экватору в метафазу; прикрепление к веретену деления; отвечают за контроль наступления анафазы. В центромерах локализованы повторяющиеся последовательности нуклеотидов генома.

В зависимости от положения центромеры хромосомы человека делятся на четыре типа: 1) метацентрические хромосомы, обладающие плечами примерно равной длины (равноплечные); 2) субметацентрические хромосомы с плечами неравной длины (умеренно неравноплечные); 3) очень субметацентрические хромосомы (выражено неравноплечные); 4) акроцентрические хромосомы с очень коротким вторым плечом. Короткое плечо хромосомы принято обозначать p-, длинное плечо q-.

Некоторые хромосомы содержат вторичные перетяжки. Часть хромосомы, которая отделяется вторичной перетяжкой получила название – спутник. Хромосомы, которые имеют спутник называют спутничными (рис. 10).

Рис. 10. Спутничная хромосома

Спутничными хромосомами у человека являются 13-15, 21-22 хромосомы. В коротких плечах спутничных хромосом локализованы ядрышко-образующие районы хромосом (ЯОР). На препаратах метафазных хромосом активные ЯО-районы выявляются как вторичные перетяжки и окрашиваются азотнокислым серебром. В ЯО-районах хромосом образуются ядрышки.

Особое значение имеют концевые участки хромосом, получившие название теломеры (рис. 11). Они расположены на обоих концах линейной хромосомы. В теломерных районах хромосом локализованы в основном двунитевые некодирующие повторы (ТТАГГГ)n, заканчивающиеся 3′-однонитевым участком. Основными функциями теломер являются: сохранение целостности хромосомы; обеспечение её полной репликации. Кроме того, теломеры: а) участвуют в прикреплении хромосом к ядерному матриксу; б) способствуют конъюгации хромосом и кроссинговеру в профазу мейоза I; в) способствуют удержанию сестринских хроматид в метафазу митоза.

Рис. 11. Теломерные участки хромосом

В интерфазных хромосомах сохраняются только три первых уровня компактизации хроматина, поэтому интерфазный хроматин гораздо более растянут по сравнению с хроматином, который имеется во время митоза. Это связано с некоторой деспирализацией, менее плотной упаковкой хромосом в интерфазу. Нитевидные хромосомы в интерфазу свободно располагаются в ядерном соке, переплетаются между собой и различить каждую хромосому становится невозможным. Однако степень спирализации, уплотнения как отдельных хромосом, так и отдельных участков хромосом не одинакова. Выделяют гетерохроматиновые (гетерохроматин) и эухроматиновые (эухроматин) области хромосом. Гетерохроматин – плотные, компактные (конденсированные) районы хромосом, интенсивно окрашиваются и могут быть видны в световой микроскоп. Выделяют два вида гетерохроматина:

1) структурный (конститутивный) гетерохроматин; 2) факультативный гетерохроматин. Структурный гетерохроматин стабильно выявляется в хромосомах в зоне центромеры. Он в целом генетически инертный, так как не содержит активно транскрибируемых генов.

Факультативный гетерохроматин – это гетерохроматизированные эухроматические районы хромосом. Примером факультативного гетерохроматина является тельце полового хроматина (тельце Барра), которое образуется в клетках гомогаметного пола (у женщин). При этом одна из двух Х-хромосом сворачивается, плотно укладывается и хорошо прокрашивается.

Эухроматин – это менее конденсированные районы хромосом. Обычно эухроматин не виден в световой микроскоп, либо виден в виде слабоокрашенных структур. Эухроматин транскрипционно активен, содержит функционирующие гены.

Итак, у эукариот ДНК сосредоточена в хромосомах. В ядре клеток человека 46 хромосом, из них 22 пары аутосом и пара половых хромосом. Хромосомы, которые относятся к одной паре называют гомологичными. Гомологичные хромосомы абсолютно аналогичны. Число хромосом в клетках организма – это видовой признак. Кроме количества хромосомы каждого вида характеризуются определенным размером, формой, деталями строения. Хромосомный набор клеток данного вида организмов с характерным числом, морфологическими особенностями отдельных хромосом называется кариотипом.

Хромосомы человека не очень легко отличить одну от другой. С целью унификации методов идентификации хромосом человека в 1960 г на конференции цитогенетиков в г. Денвере (США) была принята классификация, учитывающая величину хромосом и расположение центромер. В том же году К. Патау дополнил эту классификацию и предложил разделить 23 пары хромосом человека на 7 групп от А до G (табл. 1).

Табл. 1. Классификация хромосом человека

Группа	Хромосомы	Описание
А (I)	1–3	Большие, метацентрические
В (II)	4, 5	Большие, очень субметацентрические
С (III)	6–12, Х	Среднего размера, субметацентрические
D (IV)	13–15	Среднего размера, акроцентрические со спутниками
E (V)	16–18	Маленькие, 16 хромосома – метацентрическая 17 и 18 - субметацентрические
F (VI)	19, 20	Маленькие, метацентрические
G (VII)	21, 22 Y	Маленькие, акроцентрические со спутниками Маленькая, акроцентрическая без спутников

Внутри семи этих групп хромосом при обычной окраске на основании лишь внешних различий, видимых в простой микроскоп, провести идентификацию хромосом человека очень трудно. Для более точной идентификации хромосом используют дифференциальную окраску хромосом, основанную на избирательном поглощении разными участками хромосом специальных красителей. В результате дифференциального окрашивания по всей длине хромосомы выявляются темные и светлые полосы (бэнды). Бэнд – это участок хромосомы, отличающийся от соседних по интенсивности окраски при использовании метода дифференциальной окраски (рис. 12).

Рис. 12. Кариотип человека. Хромосомные бэнды

Бэнды определенных участков хромосом объединяются в районы. Нумерация районов и бэндов идет от центромеры в обоих плечах хромосомы. При обозначении места локализации бэнда в хромосоме используется соответствующая символика: первая цифра – номер хромосомы, в которой локализован данный бэнд; второй символ (p или q) – плечо хромосомы; третий символ – номер района, в состав которого входит бэнд; четвертый символ – номер бэнда в составе района. Например, 1p31 – первый бэнд, локализованный в третьем районе короткого плеча хромосомы 1 (читается справа налево).