Хроматин и компактизация хромосом

Возникает вопрос, каким образом хромосомная ДНК упаковывается в интерфазную и митотическую хромосому? Выяснено, что эукариотические хромосомы имеют несколько уровней организации, соответствующих уровням компактизации ДНК. От этой организации в значительной мере зависят и другие элементарные генетические процессы. Комплекс ДНК с белками, имеющий специфическую структурную организацию, получил название хроматина, которое ранее применялось для обозначения вещества хромосом. Существенные элементы хроматина - нуклеосомы, дисковидные частицы 10 нм в диаметре. Нуклеосомы образуются в результате взаимодействия четырех классов основных белков - гистонов Н2А, Н2В, Н3 и Н4, причем молекулы двух последних гистонов могут in vitro формировать тетрамер, к которому присоединяются два димера - Н2А Н2В. Участок двойной спирали ДНК образует 1³/₄ оборота вокруг так называемой сердцевины нуклеосомы. Этот участок ДНК, непосредственно связанный с сердцевиной, имеет постоянную длину, равную 140 п.н. В то же время межнуклеосомные линкеры (связки) варьируют по длине от 15 до 100 п.н. и даже больше. Таким образом, закручивание ДНК вокруг нуклеосомы уменьшает ее длину в 7 раз. Еще один тип гистонов - Н1 - непосредственно в формировании нуклеосом не участвует. Он прикреплен к линкеру обоими своими концами и стабилизирует связь нуклеосом, образующих спираль более высокого порядка - соленоид, диаметр которого 25-50 нм. Конденсация ДНК в структуре соленоида дополнительно (к нуклеосомному уровню) уменьшает ее длину в 6 раз. В интерфазных хромосомах путем еще одного цикла конденсации соленоиды образуют полые трубочки диаметром 200 нм, что уменьшает длину ДНК еще в 18 раз. В метафазе вследствие дальнейшей конденсации возникает большая образованная дезоксинуклеопротеидом спираль диаметром около 600 нм. В результате строго упорядоченной иерархии спиралей, в основе которой лежит нуклеосома, в митозе и мейозе хромосомы эукариот совершают цикл компактизации-декомпактизации. Следствие этого цикла - укорочение метафазных хромосом по сравнению с размерами заключенной в них молекулой ДНК в 10³- 10⁴ раз. По-видимому, цикл компактизации-декомпактизации регулируется белками хроматина негистонового типа. Возможно, что некоторые из них выполняют и структурную роль, образуя элементы каркаса метафазных хромосом. В последнее время цитологи много внимания уделяют связи хромосом с ядерной мембраной. Ю.С. Ченцовым и его сотрудниками открыта специальная частица, обеспечивающая связь хроматина с ядерной мембраной, которую предложено называть анкоросомой (якорной частицей).

Особенности репликации эукариотических хромосом

Как и у прокариот, репликация ДНК в клетках эукариотических организмов осуществляется полуконсервативно, о чем свидетельствует распределение ³Н-тимидиновой метки по сестринским хроматидам во втором и последующих митозах после инкубации клеток с радиоактивными предшественниками. Выяснено, что репликация у эукариот носит двунаправленный характер.

Принцип регуляции репликации ДНК эукариот в онтогенезе был открыт английским цитогенетиком Г. Кэлланом в 1972 г. С помощью радиографии меченных ³Н-тимидином волокон ДНК, полученных из клеток животных непосредственно на предметном стекле, Кэллан определил скорость репликации и расстояние между соседними центрами инициации в S-фазе соматических и эмбриональных клеток. По первому показателю между этими типами клеток больших различий не наблюдалось. Число сайтов инициации репликации было максимальным в раннем эмбриогенезе, минимальным в предмейотической S-фазе и промежуточным в соматических клетках. Эти данные в принципе были подтверждены позднее прямым электронно-микроскопическим анализом реплицирующейся ДНК из дробящихся яиц дрозофилы. Таким образом, суть регуляции процесса репликации у эукариот заключается в изменении числа сайтов инициации репликации. Этот механизм позволяет увеличить продолжительность S-фазы (а, следовательно, всего митотического цикла) с 3,5 (на ранних стадиях дробления яиц дрозофилы) до десятков часов в предмейотической S-фазе. Упаковка ДНК и гистонов в нуклеосомы происходит в фазе S, поскольку гистоны синтезируются синхронно с репликацией ДНК.

В определенных тканевых клетках для отдельных генов имеется свой порядок (календарь) репликации по отрезкам S-фазы. Репликация гетерохроматина приходится на конец S-фазы. Это относится как к конститутивному, так и к факультативному гетерохроматину, например, к Х-хромосомам самок млекопитающих. У нормальных самок, имеющих две Х-хромосомы, одна реплицируется в конце S-фазы, другая - синхронно с аутосомами. Предполагается, что задержка репликации гетерохроматических районов обусловливает их постоянную компактизацию и таким образом поддерживает состояние функциональной неактивности ДНК этих районов.