4.2.3.2.Наднуклеосомная укладка днк

Дальнейшая спирализация хроматина приводит к образованию плотного тела метафазной хромосомы и включает следующие уровни: хроматиновая фибрилла, хромомерный и хромонемный, хроматидный и уровень метафазной хромосомы.

Хроматиновая фибрилла. Этот уровень компактизации обеспечивается гистоном Н1, который будучи связанным с линкерной ДНК, связывается также с соседними нуклеосомами, меняет свою конформацию и, тем самым, сближает их (рис.85).

Рис. 85. Взаимодействие гистона

Н1 с нуклеосомой

При этом образуется глобула, из 6 нуклеосом (сверхбусина), которая составляет один виток спирали по типу соленоида (рис.86).

Рис.86. Структура нити хроматина

диаметром 30 нм

Такая структура называется элементарная хроматиновая фибрилла или нуклеомер; имеет диаметр 30нм и длину 1,2мм. Уровень компактизации составляет 40 раз (рис.87). На один нуклеомер приходится 1600 н.п.

30 нм

а

б

Р ис. 87. Элементарная хроматиновая

Фибрилла – нуклеомер: а – нуклеосома,

б - спираль ДНК ( Из: Ярыгин.2000)

Хромомеры и хромонемы. Следующий уровень структурной компактизации ДНК связан с укладкой хроматиновой фибриллы в петли (рис.88). Соленоидная хроматиновая фибрилла складывается в петли разной длины. В образовании петель участвуют негистоновые белки, которые способны узнавать специфические последовательности ДНК (SAR- последовательности ), отдаленные друг от друга на расстоянии в несколько тысяч пар нуклеотидов. Эти белки образуют остов (scaffold), который связывается SAR-последовательностями ДНК (scaffold attachment regions) и, сближая их, образует петли (рис.88).

Рис.88. Петлевой уровень организации хроматина.

Каждая петля содержит от 20 до 80 тыс. пар нуклеотидов, что может соответствовать одному или нескольким генам и называется петлевой домен. В интерфазном ядре такие петли связаны с сетчатым белковым образованием, расположенным внутри ядерной оболочки и называемым ядерным матриксом, ламиной или ядерной пластинкой (рис.89).

Рис. 89. Схема ядерной мембраны (СЯМ – сетчатый ядерный матрикс) (Из: Фаллер, 2003)

Белки ядерного матрикса называются ламины. Они соединяются с хроматином на участках ДНК, которые называются МАR-последова- тельностями (matrix attachment regions) (рис.90).

Рис. 90. Модели прикреплений оснований петель в ядерном матриксе

(точки - МАR-последовательности ДНК, соединяющиеся с белка-

ми матрикса; серый тон – слой белков матрикса (Из: Жимулев,2007)

В результате такой спирализации хроматиновая фибрилла диаметром 30нм преобразуется в структуру диаметром 300нм, называе- мую интерфазной хромонемой. Отдельные участки хромонемы подвергаются дальнейшей компактизации: соседние петли объединяются в структурные блоки в виде розеток (рис.91), которые, спирализуясь, образуют компактные тельца (0,1-0,20мкм.) - хромомеры. Хромомеры -

Рис. 91. Спирализация хромонем с образованием розетковидных участков:

А – хроматиновая фибрилла диаметром в 30 нм; Б – одна петля фиб-

риллы диаметром 30 нм(а); розетка из петель фибриллы дм 30нм(б);

в результате упаковки (спирализации) каждой петли образуются

компактные тельца – хромомеры (в); диаметр нити составляет 50 нм

( Из: Захаров и др., 1982)

небольшие, сильно окрашивающиеся тельца, различающиеся по форме и раз- меру образуются за счет сильной компактизации ДНК; число и рисунок хромомер у данного организма на данной стадии клеточного цикла одинаковы и постоянны (рис.92).

Петлевые домены и хромомеры расположены неравномерно. Неодинаковая степень спирализации разных участков хромосом имеет большое значение; в зависимости от степени спирализации выделяют эухроматин и гетерохроматин.

Рис. 92. Хромомеры хромосомы XII тритона: а – в нитях хромосом клеток Allium cepa; б) в нитях сестринских хроматид (черные точки)

Эухроматин – это участки хроматина, имеющие меньшую степень спирализации в неделящихся клетках; на препаратах выглядят как более светлые участки. Эухроматин является активной областью хроматина, здесь постоянно идет транскрипция ДНК. На время митоза эти участки сильно спирализуются и транскрипция с них прекращается.

Гетерохроматин (рис.93) – это сильно спирализованные, компактно конденсированные, неактивные участки хроматина. Транскрипция биологической информации в их пределах не происходит. Чаще всего гетерохроматин располагается в прицентромерных, иногда в теломерных участках хромосом или, весьма редко, как вкрапления в эухроматине. Такой гетерохроматин называется интеркалярным. В световом микроскопе он виден в виде глыбок или гранул. Часть гетерохроматина прилежит к кариолемме (примембранный хроматин), часть сосредоточена вокруг ядрышек (перинуклеарный хроматин).

Рис.93. Гетерохроматин в интерфазном ядре (Из: Ярыгин, 2000)

Различают два вида гетерохроматина: конститутивный и факультативный. Конститутивный гетерохроматин – это хроматин, с которого ни в одной клетке никогда не идет считывания информации в виде мRНК. Расположен в прицентромерных и теломерных областях хромосомы. Его роль заключается:

1- в поддержании структуры ядра;

2- прикреплении хроматина к ядерной оболочке;

3- узнавании гомологичных хромосом в мейозе;

4- участие в в регуляции активности генов и разделении соседних генов.

Факультативный гетерохроматин – это участки хроматина, спирализация (конденсация) которых служит механизмом выключения из активной функции генов, транскрипция которых не трбуется в клетках определенной специализации. Его практически нет в эмбриональных клетках, по мере их дифференциации количество этого хроматина увеличивается. Другим примером является одна из двух Х-хромосом женского пола, которая платно упакована в виде телец Бара (тельца полового хроматина). Гены этой хромосомы не транскрибируются. Образование хромонемы и хромомер укорачивают длину ДНК в 1000 раз.

Петельно – доменная структура хроматина имеет диаметр 300 нм и является интерфазной хромосомой. Её последующая спирализация ведёт к образованию хроматиды с диаметром 600-700 нм.

Последняя степень спирализации (в 7000 раз ) происходит в профазе митоза; в результате образуется метафазная хромосома с диаметром 1400нм. Укладка хроматиновой нити на этой ступени спирализации представляет собой её многократное складывание по длине хромосомы (рис.94).

Рис. 94. Схема метафазной хромосомы (Из: Хадорн, 1988):

А) 1 - центромера с кинетохором; 2 – гетерохроматин; 3 – эухроматин;

4 - вторичная перетяжка; 5 – спутник;

Б) участок с более сильным увеличением (сверхспирализация)

Этот процесс начинается в профазе митоза, достигает максимального выражения в метафазе. В телофазе митоза происходит декомпактизация (деспирализация) вещества хромосомам, что приводит к восстановлению интерфазного хроматина.

Степень компактизации хроматина в разные этапы клеточного цикла представлена в таблице 8 и рисунке 95.

Рис.95 .Уровни компактизации хроматина: А - организация хромосомного материала. Уровни ДНК-гистоновой организации изображены в порядке возрас- тания сложности (из: Клаг, 2009); Б - степень компактизации разных уровней организации ДНК (по: Russell,1998 – из: Жимулев,2009)

Таблица 8