3.4. Уровни упаковки генетического материала эукариот

Двойная спираль молекулы ДНК соединяется с гистоновыми и негистоновыми белками, образуя нуклеопротеидные фибриллы. Длина этих фибрилл в диплоидном наборе хромо­сом человека равна примерно 2 м, а совокупная длина всех хромосом в метафазе составляет около 150 мкм. В настоящее время установлено, что каждая хроматида хромосомы содер­жит одну непрерывную молекулу ДНК, состоящую из 10⁷ пар нуклеотидов. Упаковка генетического материала до­стигается путем спирализации (конденсации) фибрилл.

Первый уровень упаковки ДНК — нуклеосомный. Нуклеосома представляет собой октамер (цилиндр) диаметром около 10 нм и высотой 6 нм, содержащий по две молекулы каждого из четырех гистонов (Н2А, Н2В, НЗ, Н4), вокруг кото­рого двойная спираль ДНК образует 1,8 витка и переходит на следующий цилиндр. Участок ДНК, не контактирующий с гистоновым октамером, называется линкер ной ДНК. Дли­на "накрученного" фрагмента ДНК составляет примерно 60 нм (около 150 пар нуклеотидов). Образованная таким способом нуклеосомная нить имеет диаметр около 12 нм. Длина молекулы ДНК уменьшается в 5-7 раз (рис. 3.8). Нуклеосомный уровень упаковки обнаруживается под электрон­ным микроскопом в интерфазе и при митозе.

Рис. 3.8. Схема нуклеосомного уровня упаковки:

1 - октамер (гистоны Н2А, Н2В, Н3,Н4); 2 - нуклеосома;

3- двойная спираль ДНК; 4- линкерная ДНК

Рис. 3.9. Схема супернуклео- Рис. 3.10. Схема хроматидного

сомного уровня упаковки: уровня упаковки:

1- нуклеосома; 2- линкерная ДНК; 1- ось хроматиды; 2- петля

3- молекула гистона Н1

Второй уровень упаковки ДНК — соленоидный (супернуклеосомный). Нуклеосомная нить конденсирует­ся. Ее нуклеосомы "сшиваются" гистоном Н1; он закрывает примерно 20 пар нуклеотидов линкерной ДНК и обеспечива­ет формирование спирали диаметром около 30 нм. Один виток спирали содержит 6-10 нуклеосом. Этим достигается укорочение нити еще в 6 раз (рис. 3.9). Супернуклеосомный уровень упаковки обнаруживается под электронным микро­скопом как в интерфазных, так и в митотических хромосомах.

Третий уровень упаковки ДНК — хроматидный (пет­левой). Супернуклеосомная нить конденсируется с образо­ванием петель и изгибов. Она составляет основу хроматиды и обеспечивает хроматидный уровень упаковки. Он обнаружи­вается в профазе. Диаметр петель около 50 нм. Нить ДНП (ДНК+белок) укорачивается в 10-20 раз (рис. 3.10).

Четвертый уровень упаковки ДНК — уровень метафазной хромосомы. Хроматиды в метафазе способны еще спирализоваться с образованием минидисков, уложен­ных в стопку. При этом происходит укорочение ДНП в 20 раз (рис. 3.11).

Рис. 3.11. Схема уровня упаковки метафазной хромосомы:

1- хроматвда; 2- хромосома

Метафазные хромосомы имеют длину от 0,2 до 150 мкм и диаметр от 0,2 до 5,0 мкм. Общий итог конденса­ции — укорочение нити ДНП в 10 000 раз.

"Хромосомы" прокариотических клеток представляют собой кольцевые молекулы ДНК, содержащие около 5^.10⁶ пар нук­леотидов и образующие комплексы с негистоновыми белками. Используя специаль­ные методы исследования прокариот, можно обна­ружить, что их ДНК со­брана в "бусины", прибли­жающиеся по величине к нуклеосомам эукариот. Эти бусины очень лабиль­ны, что указывает на сла­бое взаимодействие ДНК с белками. Характер конденсации хромосомы прокариот не вполне выяснен, но в целом она может быть выделена в виде компактной структуры, называемой нуклеоидом. В прокариотических клетках (бактерий) содержатся и кольцевые двухцепочечные молекулы ДНК, состоящие из нескольких тысяч пар нуклеотидов, которыми они могут обмениваться с другими бактериями. Эти автономные генетические элементы — плазмиды — способны реплицироваться вне зависимости от репликации нуклеоида. Плазмиды в большинстве своем содержат гены устойчивости к антибактериальным факторам.

Кольцевидные молекулы ДНК содержатся и в эукариотических клетках в самореплицирующихся органоидах (мито­хондрии, пластиды). Эти молекулы невелики и кодируют не­большое количество белков, необходимых для осуществления автономных функций органоидов. ДНК органоидов не связа­на с гистонами.