14. Хромосомный уровень организации генетического материала

Хромосомный уровень организации наследственного материала характеризуется особенностями морфологии и функций хромосом. Роль хромосом в передаче наследственной информации была доказана благодаря:

1) открытию хромосомного определения пола,

2) установлению групп сцепления генов, соответствующих числу хромосом,

3) построению генетических и цитологических карт хромосом.

У ДНК-содержащих вирусов, бактерий, сине-зеленых водорослей, а также в самореплицирующихся органеллах клеток эукариот (пластиды, митохондрии, кинетопласты и др.) наследственный материал представлен единственной хромосомой, которая представляет собой голую двуспиральную молекулу ДНК. Молекула эта у некоторых форм линейна, но у большинства образует кольцо, которое обычно перекручено и имеет суперспирализованный вид. Длина молекул ДНК-содержащих вирусов, прокариот и клеточных органелл составляет: от 5 до 100 мк. У наиболее мелких вирусов - от 0,4 до 1 мк, а у бактерий - 1000-2000 мк.

У большинства РНК-содержащих вирусов хромосома представлена голой однонитевой молекулой РНК, например у ВИЧ. Однако известны вирусы, у которых хромосома образована двунитевой молекулой РНК. Размеры хромосом РНК-содержащих вирусов меньше, чем у ДНК-содержащих вирусов.

В ДНК вирусов закодирована информация обо всех его структурных белках. Многие вирусы содержат гены специфических ферментов, контролирующих репликацию фермента клетки-хозяина. Мелкие вирусы содержат только 3 гена, которые кодируют А-белок, репликазу, белок оболочки. Гены вирусов могут существовать в виде фрагментов ДНК, разделенных генетически инертными нуклеотидными последовательностями, которые в момент работы генов "вырезаются" и целостность генетической информации восстанавливается.

Транскрипция и репликация генетической информации осуществляется с участием ферментов клетки-хозяина.

Хромосомы прокариот представлены голой кольцевой молекулой ДНК. Прокариоты содержат только по одной хромосоме и являются гаплоидами. Молекулярная масса ДНК прокариот соответствует примерно 2000 структурных генов, длиной около 1 500 пар азотистых оснований. Гены располагаются линейно и несут информацию о структуре 3-х – 4,5 тысяч различных белков.

Хромосомы эукариот, в отличие от хромосом прокариот, построены из нуклеопротеида, главными компонентами которого являются ДНК и два типа белков - гистоновых (основных) и негистоновых (кислых) белков. Установлено, что в хромосомах эукариот (за исключением политенных хромосом) имеется лишь одна непрерывная нить ДНК, представляющая единую гигантскую двуспиральную молекулу, состоящую из сотен миллионов пар нуклеотидов. Длина ДНК в хромосоме может достигать нескольких сантиметров. Подтвердилось блестящее представление Н.К. Кольцова, который писал ещё в 30-х годах: «В основе каждой хромосомы лежит тончайшая нить, которая представляет собой спиральный ряд огромных органических молекул - генов. Возможно, что эта спираль является одной гигантской молекулой». Молекулярная организация хромосомы была рассмотрена нами ранее. В метафазе хромосомы, состоящие из двух сильно спирализованных хроматид, хорошо заметны, но гены в них остаются неактивными на протяжении всего митоза. После окончания митоза происходит деспирализация хромосом. В интерфазном ядре хромосома состоит из сильно растянутой хроматиды. Из-за небольшой толщины (25 мк) они не видны в оптический микроскоп, но хорошо видны в электронном микроскопе и не теряют своей индивидуальности на протяжении всего жизненного цикла клетки.

ДНК эукариот по структуре похожа на ДНК прокариот. Различия касаются:

 - количества ДНК на геном;

 - длины молекулы;

 - порядка чередования нуклеотидных последовательностей;

 - формы укладки ДНК. У прокариот – кольцевая форма молекулы ДНК, для эукариот - характерна линейная.

Особенностью ДНК эукариот является ее избыточность. У эукариот размер генов составляет около 1000 пар нуклеотидов. Генов у растений и животных много: у дрозофилы - 100 000, у млекопитающих и человека - 3-6 млн. нуклеотидных пар. А количество ДНК, участвующее в кодировании наследственной информации, необходимой для выполнения полной программы онтогенеза, - около 2% всей ДНК. Это является доказательством избыточности ДНК эукариот.

Часть избыточной ДНК представлена одинаковыми повторами нуклеотидов. Различают многократно и умеренно повторяющиеся последовательности нуклеотидов. Все они либо сконцентрированы в определенных местах генома и образуют структурный (конститутивный) хроматин, либо равномерно распределены вдоль генома. Структурный хроматин обычно встроен между уникальными последовательностями. Избыточная ДНК существует для управления генами, препятствует изменчивости.

Метафазная хромосома (спирализованный хроматин) состоит из двух хроматид. Форма определяется наличием первичной перетяжки - центромеры. Она разделяет хромосому на 2 плеча. Расположение центромеры определяет основные формы хромосом: метацентрические, субметацентрические, акроцентрические, телоцентрические.

Степень спирализации хромосом не одинакова. Участки хромосом со слабой спирализацией называют эухроматиновыми. Это зона высокой метаболической активности, где ДНК состоит из уникальных последовательностей. Зона с сильной спирализацией - гетерохроматиновый участок, способный к транскрипции. Различают конститутивный гетерохроматин-генетический инертный, не содержит генов, не переходит в эухроматин, а так же факультативный, который может переходить в активный эухроматин. Концевые отделы дистальных участков хромосом называют теломеры.

Хромосомы обладают следующими свойствами (правила хромосом):

1. Индивидуальности - отличия негомологичных хромосом.

2. Парности.

3. Постоянством числа - характерным для каждого вида.

4. Непрерывности - способности к репродукции.

Хромосомы подразделяются на аутосомы (соматических клеток) и гетерохромосомы (половых клеток).

По предложению Левитского (1924) диплоидный набор соматических хромосом клетки был назван кариотипом. Он характеризуется числом, формой, размерами хромосом. Для описания хромосом кариотипа по предложению С.Г. Навашина их располагают в виде идиограммы - систематизированного кариотипа. В 1960 году была предложена Денверская международная классификация хромосом, где хромосомы классифицированы по величине и расположению центромеры. В кариотипе соматической клетки человека различают 22 пары аутосом и пару половых хромосом. Набор хромосом в соматических клетках называют диплоидным, а в половых клетках - гаплоидным (он равен половине набора аутосом). В идиограмме кариотипа человека хромосомы делят на 7 групп, в зависимости от их размеров и формы.

1 - 1-3 крупные метацентрические.

2 - 4-5 крупные субметацентрические.

3 - 6-12 и Х-хромосома средние метацентрические.

4 - 13-15 средние акроцентрические.

5 - 16-18 относительно малые мета-субметацентрические.

6 - 19-20 малые метацентрические.

7 - 21-22 и Y-хромосома наиболее малые акроцентрические.

Согласно Парижской классификации хромосомы разделены на группы по их размерам и форме, а также линейной дифференцировке.

Хромосомы эукариот – это спирализованный хроматин – комплекс ДНК и белков, где 40% приходится на ДНК, 40% - на гистоновые (основные) белки и почти 20% - на негистоновые белки и немного РНК.

Гистоны - хромосомные белки с высоким содержанием аргинина и лизина. Гистоны стабилизируют структуру хромосомы и играют роль в регуляции активности генов.

Негистоновые (кислые) белки. В хромосомах их количество приблизительно вдвое меньше гистоновых. Существует более 100 видов негистоновых белков. Они разнообразны по молекулярному весу, структуре, видос-пецифичны. Эти белки могут быть ответственны за репликацию, репарацию, транскрипцию, возможно, играют роль и в активации генов. К ним относят актин, миозин, тубулин, ферменты синтеза РНК и ДНК - полимеразы и другие.

Из пяти классов гистонов, четыре (Н2А, Н2В, Н3, Н4) образуют своеобразные шаровидные тельца - нуклеосомы диаметром около 10 нм. В одну нуклеосому входит 8 молекул гистонов. Вокруг нуклеосомы уложен отрезок двуспиральной нити ДНК (около 140 нуклеотидных пар), который образует вокруг нее почти два оборота. Соседние нуклеосомы соединены друг с другом короткими отрезками ДНК (1-10 нм или 30-100 пар нуклеотидов). К каждому такому отрезку присоединены молекулы гистона Н1. На ген среднего размера приходится участок цепочки, приблизительно, из шести нуклеосом. Допускается, что вследствие взаимодействия Н1 с нуклеосомами происходит конденсация нуклеотидной структуры в особую хроматиновую нить (элементарную фибриллу, d=10 нм), которая закручивается в хроматиновую спираль (d= 25нм), или хроматиновый филамент. Хроматиновая спираль, возможно, идентична с хромонемой, которая во время деления скручивается в хроматиду.

Таким образом, уровни упаковки ДНК следующие:

1) Нуклеосомный (2,5 оборота двуспиральной ДНК вокруг восьми молекул гистоновых белков).

2) Супернуклеосомный - хроматиновая спираль (хромонема).

3) Хроматидный - спирализованная хромонема.

4) Хромосома - четвертая степень сперализации ДНК.

В интерфазном ядре хромосомы деконденсированы и представлены хроматином. Деспирализованный участок, содержащий гены, называется эухроматин (разрыхленный, волокнистый хроматин). Это необходимое условие для транскрипции. Во время покоя между делениями определенные участки хромосом и целые хромосомы остаются компактными.

Эти спирализованные, сильно окрашивающиеся участки, называются гетерохроматином. Они неактивны в отношении транскрипции. Различают факультативный и конститутивный гетерохроматин.

Факультативный гетерохроматин информативен, т.к. содержит гены и может переходить в эухроматин. Из двух гомологичных хромосом одна может гетерохроматической. Конститутивный гетерохроматин всегда гетерохроматичен, неиформативен (не содержит генов) и поэтому всегда неактивен в отношении транскрипции.

Хромосомная ДНК состоит из более 10⁸ пар оснований, из которых образуется информативные блоки - гены, расположенные линейно. На их долю приходится до 25% ДНК. Ген - функциональная единица ДНК, содержащая информацию для синтеза полипептидов, или всех РНК. Между генами находятся спейсеры - неинформативные отрезки ДНК разной длины. Избыточные гены представлены большим числом - 10⁴ идентичных копий. Примером являются гены для т-РНК, р-РНК, гистонов. В ДНК встречаются последовательности одних и тех же нуклеотидов. Они могут быть умеренно повторяющимися и высоко повторяющимися последовательностями. Умеренно повторяющиеся последовательности достигают 300 пар нуклеотидов с повторениями 10² - 10⁴ и представляют чаще всего спейсеры, избыточные гены.

Высокоповторяющиеся последовательности (10⁵ - 10⁶) образуют конститутивный гетерохроматин. Около 75% всего хроматина не участвует в транскрипции, он приходится на высокоповторяющиеся последовательности и нетранскрибируемые спейсеры.