1.2 Строение хроматина
В клетках эукариотических организмов ДНК локализуется в ядре, занимающем порядка 10% общего объема клетки. Поскольку молекулы ДНК представлены достаточно длинными цепями нуклеотидов, для помещения полного генома в ядро клетки требуется соответствующая его упаковка. Было установлено, что ДНК в ядре находится в виде комплекса с особыми белками (гистонами), в составе молекул которых присутствует значительное количество остатков основных аминокислот (лизин и аргинин). Присутствие основных аминокислот создает суммарный положительный заряд на поверхности молекул гистонов, что обеспечивает их электростатическое взаимодействие с ДНК. Комплекс ДНК с гистоновыми белками образует хроматин, в составе которого ДНК упаковывается в компактные структуры, нуклеосомы, из которых в результате дальнейшей конденсации формируются хромосомы. Кроме гистоновых белков, участвующих в упаковке ДНК, в состав хроматина входит комплекс регуляторных белков и РНК, осуществляющих контроль экспрессии генов, репликацию и репарацию ДНК. При исследовании структуры хроматина с помощью электронного микроскопа он оказывается представленным в виде комплекса нитевидных структур с диаметром порядка 30 нм. При обработке такого препарата, вызывающей частичную деконденсацию хроматина, эти нитевидные структуры приобретают форму, напоминающую бусы. Нить таких «бус» представлена цепью ДНК, а сами бусины - нуклеосомами, образованные, так называемым нуклеосомным кором, образовынным гистоновыми белками и намотанной на него цепью ДНК (Рис. 2).
Рис. 2 Электронная микрофотография хроматина интерфазной клетки до (А) и после (Б) его частичной деконденсации
Структурная организация нуклеосом была впервые исследована в экспериментах, с применением эндонуклеаз, расщепляющих цепь ДНК в участках между нуклеосомами. После такого расщепления фрагменты цепи ДНК, соединяющей нуклеосомы, подвергаются быстрой деградации, а сами нуклеосомные частицы представляют собой комплекс, в состав которого входят 8 гистоновых белков (Н2А, Н2В, Н3 и Н4, по 2 молекулы каждого) и фрагмент двухцепочечной ДНК, длиной 147 пар оснований. Комплекс 8-ми молекул гистонов (гистоновый октамер) образует так называемый белковый кор, на который наматывается двухцепочечная ДНК (Рис. 3).
Рис. 3 Принцип организации нуклеосомы
Образовавшаяся таким образом нить нуклеосом может подвергаться дальнейшей конденсации с образованием еще более плотно упакованных структур, наиболее высокоорганизованной из которых является стадия формирования митотических хромосом Рис. 4
Рис. 4 Топологические уровни организации хроматина на различных стадиях клеточного цикла .
1.3 Хромосомы
Все клетки многоклеточных организмов содержат идентичный, уникальный для данного вида набор хромосом, каждая из которых представлена в соматических клетках в виде двух копий. При этом, хромосомный набор (кариотип) удваивается в ходе каждого клеточного деления и обе его копии равномерно распределяются между дочерними клетками. Каждая из хромосом несет специфический, уникальный для нее набор генов, а каждый ген располагается в специфическом для него участке хромосомы, называемом локусом.
Как было сказано выше, большинство клеток организма имеют диплоидный набор хромосом. Исключение составляют половые клетки, сперматозоиды и яйцеклетки, каждая из которых несет по одной копии каждой хромосомы, т.е. обладает гаплоидным кариотипом. При оплодотворении происходит восстановление диплоидного набора хромосом. Материнская и отцовская хромосомы называют гомологичными хромосомами. Все клетки биологических организмов происходят от оплодотворенной яйцеклетки, что означает, что все клетки организма человека (~ 3 x 1013 клеток) содержат одинаковый полный набор генов. В тоже время, не все гены, входящие в состав генома клеток, одинаково эффективно участвуют в формировании фенотипа клеток, принадлежащих различным тканям. Другими словами, имеет место дифференцированная экспрессия генов, лежащая в основе дифференцировки тканей. Большинство хромосом, формирующих кариотип клеток, являются гомологичными хромосомами или аутосомами. Исключение составляют составляют половые хромосомы. У человека женский фенотип определяется хромосомной парой, состоящей из друх Х-хромосом, а мужской - парой, образованной Х- и Y-хромосомой. При этом Y-хромосома имеет меньший размер, по сравнению с Х-хромосомами и аутосомами, и несет, соответственно, меньшее количество генов. Кариотип большинства клеток человека (за исключением половых клеток и эритроцитов) представлен 22 парами аутосом и парой половых хромосом, т.е. в сумме образован 46 хромосомами (Рис. 5).
Рис. 5 Кариотип человека, выявленный с помощью специфического окрашивания хромосом (метод FISH). (А) Вид препарата окрашенных хромосом человека, полученный после лизиса клеток; (Б) Пронумерованный кариотип человека .
Большинство генов, сцепленных с Х-хромосомами, являются критически важными для нормального развития и жизнедеятельности организма. Поэтому асимметрия мужского кариотипа делает мужские особи более уязвимыми, по сравнению с женскими. Именно этим объясняется биологический смысл того, что большинство генов локализуется в аутосомах, представленных в соматических клетках в виде двух копий. Данный факт имеет принципиальное значение для предупреждения онкогенеза, так как все гены, ответственные за регуляцию пролиферации и дифференцировки клеток, локализуются в аутосомах. Соответственно, необходимым условием для выключения механизма подавления роста опухолей (подавления экспрессии генов-супрессоров опухолевого роста) и запуска процесса онкогенеза, является потеря в результате мутации обеих здоровых аллелей.