Хроматиновая фибрилла
|
| 11.Химический состав хромосом. Уровни спирализации.
Изучение химической организации хромосом эукариотических клеток показало, что они состоят в основном из ДНК и белков, которые образуют нуклеопротеиновый комплекс—хроматин, получивший свое название за способность окрашиваться основными красителями. Белки составляют значительную часть вещества хромосом. На их долю приходится около 65% массы этих структур. Все хромосомные белки разделяются на две группы: гистоны и негистоновые белки. Гистоны представлены пятью фракциями: HI, Н2А, Н2В, НЗ, Н4. Являясь положительно заряженными основными белками, они достаточно прочно соединяются с молекулами ДНК. Кроме того, эти белки выполняют структурную функцию, обеспечивая пространственную организацию ДНК в хромосомах. Схема различных уровней компактизации хроматина: а — нуклеосомная нить; б — микрофибрилла; в — интерфазная хромонема; г — молекулярная организация нуклеосомной нити: 1 — нуклеосома; 2 — ДНК; 3 — гистоны Н2А, Н2В, Н3 и Н4; 4 — гистон Н1 Нуклеосомиая нить. Этот уровень организации хроматина обеспечивается четырьмя видами нуклеосомных гистонов: Н2А, Н2В, НЗ, Н4. Они образуют напоминающие по форме шайбу белковые тела — коры, состоящие из восьми молекул (по две молекулы каждого вида гистонов) (рис. 3.46). Хроматиновая фибрилла. Дальнейшая компактизация нуклеосомной нити обеспечивается пистоном HI, который, соединяясь с линкерной ДНК и двумя соседними белковыми телами, сближает их друг с другом. В результате образуется более компактная структура, построенная, возможно, по типу соленоида. Такая Хроматиновая фибрилла, называемая также элементарной, имеет диаметр 20—30 нм. Интерфазная хромонема. Следующий уровень структурной организации генетического материала обусловлен укладкой хроматиновой фибриллы в петли. |
Похожие:
|
Хроматиновая фибрилла Гистоны представлены пятью фракциями: hi, Н2А, Н2В, нз, являясь положительно заряженными основными белками, они достаточно прочно… |
Вы можете разместить ссылку на наш сайт:
Источник: ignorik.ru
Рис. 2-14. Нуклеосомная организация хроматина. а — молекула ДНК накручена на белковые коры; б — электронная микрофотография эукариотического хроматина: видны нуклеосомы и участки линкерной ДНК.
Образование хроматиновой фибриллы диаметром 30 нм (второй уровень компактизации) происходит с участием гистона Н1, который, связываясь с линкерной ДНК, скручивает нуклеосомную нить в спираль по типу соленоида с шагом в 6–8 нуклеосом (рис. 2-15).
Рис. 2-15. Хроматиновая фибрилла диаметром 30 нм. а — соединение нуклеосом с помощью гистона Н1; б — упаковка ДНК в хроматиновой фибрилле в виде соленоида.
Если главная роль в обеспечении компактизации на первых двух уровнях отводится спирализации, то на следующем петельно-доменном уровне, дающем фибриллы диаметром 300 нм, главное событие заключается в укладке фибриллы диаметром 30 нм в петли (рис. 2-16). В этом процессе активная роль отводится негистоновым белкам. Основания петель «заякорены» в ядерном матриксе. Петля содержит от одного до нескольких генов (петельный домен). Длина участка ДНК, равного петле, от 20 тыс. п.н. до 80 тыс. п.н. Инактивация генов сопровождается компактизацией петельного домена в суперсоленоид, а активация — декомпактизацией или «выпетливанием».
Рис. 2-16. Петельно-доменная структура хроматина. а — хроматиновая фибрилла с присоединенными негистоновыми белками; б — образование петли на участке хроматиновой фибриллы; в — участок метафазной хромосомы.
На следующем уровне компактизации фибриллы диаметром 300 нм, складываясь по длине, превращаются в метафазные хроматиды (хромосомы будущих дочерних клеток) диаметром 700 нм. Эти изменения происходят с хромосомным материалом клеток, вступающих в митоз.
Максимальная степень компактизации достигается на пятом уровне в структурах, известных как метафазные хромосомы с диаметром 1400 нм. В этом состоянии ДНК выключена из биоинформационно-генетических процессов (транскрипция, репликация).
кая структура обеспечивает оптимальное решение задачи транспортировки генетического материала в дочерние клетки в анафазе митоза.
2.4.3.4-в. Гетерохроматин и эухроматин интерфазных хромосом
В зависимости от степени компактизации материал интерфазных хромосом представлен эухроматином и гетерохроматином.
Эухроматин отличается низкой степенью компактизации и, следовательно, неплотной «упаковкой» хромосомного материала. В геноме человека на его долю приходится 2,9 млрд. п.н. из 3,2 млрд. п.н. Эухроматин представлен, в основном, ДНК с уникальными последовательностями нуклеотидов. Хотя существует ряд механизмов регуляции генной активности с различными точками приложения в биспирали ДНК и хромосоме, общей предпосылкой возможности транскрипции сайтов ДНК считают их расположение в эухроматиновой зоне (см. 2.4.5.5-а). Гены из эухроматизированного участка хромосомы, оказавшись в гетерохроматизированном участке или рядом с ним, обычно инактивируются – “эффект положения” классической генетики (см., например, 2.4.5.5-а).
Гетерохроматин отличается высокой степенью компактизации, то есть плотной «упаковкой» материала хромосомы. Большая его часть представлена умеренно или многократно повторяющимися нуклеотидными последовательностями ДНК. К первым относятся мультикопийные гены (мультигенные семейства или генные кластеры) гистонов, рибосомных и транспортных РНК, α- и β-глобинов.
высокоповторяющимся повторам (от сотен тысяч до миллионов копий) относятся – см. 2.4.3.4-д.
Выделяют факультативный и конститутивный (структурный) гетерохроматин. Факультативная гетерохроматизация — инструмент выключения из функционирования групп сцепления (хромосом), геномов или генов на известных стадиях онтогенеза или в соответствующих физиологических условиях. Примером факультативного гетерохроматина на хромосомном уровне служит тельце полового хроматина (тельце Барра), образуемое в клетках организмов гомогаметного пола (у людей — женский) вследствие инактивации одной из двух однотипных половых хромосом (у человека — Х). Гены гетерохроматизированной хромосомы Х клеток женского организма, кроме восьми, не транскрибируются (феномен дозовой компенсации в сравнении с особями гетерогаментного пола: у человека — мужчины, имеющие в клетках при паре половых хромосом XY единичную хромосому Х). Один из названных восьми генов активен только на гетерохроматизированной хромосоме Х, семь других — на обеих. Некоторые из этих генов участвуют в контроле развития половых желез и фертильности (способность к репродукции) организма женщины. Гетерохроматизация хромосомы Х происходит на 16-е сутки эмбрионального периода развития человека. До указанного срока развития женского организма гены, по крайней мере, некоторые обеих хомосом Х должны быть, видимо, в активном состоянии. Центр гетерохроматизации и, таким образом, генетической инактивации находится непосредственно в хромосоме Х.
В кариотипе (46ХХ) гомогаметного пола (у людей — женского) одна из хромосом Х материнского, тогда как вторая – отцовского происхождения.
нетическая инактивация одной из хромосом Х путем ее гетерохроматизации (превращения в тельце полового хроматина, тельце Барра) в разных клетках происходит случайным образом, то есть независимо от того, каково ее происхождение – материнское или отцовское. Именно поэтому в части соматических клеток женщин активны материнские, тогда как в части — отцовские хромосомы Х.
Примером факультативной гетерохроматизации на геномном (генотипическом) уровне служит хроматин ядер зрелых эритроцитов птиц. Полная гетерохроматизация хроматина в данном случае совпадает с прекращением транскрипции всех генов, включая глобиновые. В зрелых эритроцитах птиц гетерохроматизированы оба генома — материнский и отцовский. У диплоидных самцов мучнистого червеца Planococcus cirti гетерохроматизируются хромосомы отцовского генома, что превращает их в гаплоидных особей. У самок животных этого вида на протяжении жизни активны геномы и матери, и отца.
Факультативная гетерохроматизация затрагивает участки хромосом (блоки генов или отдельные гены). Выбор таких участков может быть связан с направлением клеточной дифференцировки: рисунок хроматина интерфазных ядер клеток разных тканей и органов на гистологических препаратах различается.
Конститутивная гетерохроматизация отличается постоянством локализации гетерохроматизированных участков по длине хромосом и сохранением названного состояния хроматина во времени, например, в ряду клеточных поколений.
качестве примера назовем около(при)центромерные участки хромосом, в которых располагаются нередко ядрышковые организаторы (см. 2.4.3.3), содержащие копии генов рРНК (рДНК). У человека известны четыре вида сайтов рДНК: активно транскрибируемые, потенциально активные (не транскрибируются в клетках определенной специализации), неактивные и «молчащие». Неактивные сайты располагаются в центральной области фибриллярных зон (фибриллярные центры) ядрышка в участках плотной «упаковки» (гетерохроматин) петель хроматина. Генетически активные сайты рДНК занимают периферию фибриллярных зон. «Молчащие» сайты располагаются вне ядрышек. Предположительно, конститутивная гетерохроматизация около(при)центромерных участков является инструментом количественной регуляции генетической активности в мультикопийном семействе генов (кластере генов) рРНК.
В составе около(при)центромерного гетерохроматина с постоянством обнаруживается сателлитная ДНК (см. 2.4.3.4-д). Это короткие тандемно (друг за другом) расположенные нуклеотидные последовательности, не выполняющие кодирующей функции и повторенные от десятков и сотен тысяч до миллионов раз. Генетические функции сателлитной ДНК, видимо, разнообразны, и выясняются.
Роль конститутивной гетерохроматизации в функционировании генома определяется в большей мере не состоянием ДНК, а белками.
этом говорят мутации, ослабляющие или, наоборот, усиливающие степень инактивации генов эухроматиновых участков при попадании их в зону конститутивного гетерохроматина (см. “эффект положения”).
2.4.3.4-г. Теломерные участки молекул ДНК: организация и репликация. Функциональный аспект
Конститутивная гетерохроматизация характеризует теломерные (концевые) участки хромосом. Длина этих участков различается у разных видов животных: 10–15 тыс. п.н. в клетках эмбрионов человека и порядка 100 тыс. п.н. — в клетках мыши. Теломерные участки ДНК человека от 3′-конца образованы короткими тандемными повторами ТТАГГГ. За ними следуют более протяженные повторяющиеся последовательности и далее идет участок также повторяющихся последовательностей, уникальных для каждой хромосомы. Комплекс ДНК со специфическими белками на концах хромосом обозначают как теломера.
Теломеры участвуют в прикреплении хромосом к структурам ядерного матрикса и, возможно, к ядерной ламине (см. 2.4.3.1, плотная пластинка), чем обеспечивается пространственная ориентация интерфазныххромосом в объеме ядра. В зиготене профазы первого деления мейоза направленное перемещение по внутренней поверхности ядерной оболочки концов гомологичных хромосом, в чем предположительно участвуют теломеры, способствует их конъюгации и далее (пахитена профазы первого деления мейоза) кроссинговеру (см.
5.2). В метафазе митоза сестринские хроматиды удерживаются в парах, в том числе, благодаря взаимодействию их теломер. В анафазе митоза это взаимодействие ослабевает и хроматиды, теперь уже как самостоятельные хромосомы, расходятся в дочерние клетки. Известна мутация в области теломерной ДНК, проявляющаяся фенотипически в нерасхождении хромосом в анафазе. Предположительно теломеры «защищают» ДНК от разрушающего действия ферментов нуклеаз.
Специфическая черта теломер, отражающая «технические» особенности репликации ДНК (необходимость для начала процесса РНК-затравки), состоит в том, что в каждом репликационном цикле (период S интерфазы) концы и материнской, и дочерней макромолекул (цепей) ДНК в связи с недорепликацией укорачиваются, в среднем, на 50 нуклеотидов. Недорепликация ДНК на концах хромосом (в связи с необразованием РНК-затравки) не является фатальной благодаря наличию в клетках макромолекулярного комплекса с ферментативной активностью — теломеразы. Последняя функционирует как обратная транскриптаза, достраивая недореплицируемые участки ДНК.
Концевая недорепликация ДНК как неизбежное («техническое») событие благодаря тому, что теломеры лишены структурных (смысловых, кодирующих) генов, не наносит вреда в виде биоинформационных потерь (функция буфера). Известны примеры, когда при участии теломеразы путем образования теломерной ДНК «закрываются» концы на месте случайных разрывов хромосом. Это сохраняет оторвавшиеся участки хромосом функционирующими, хотя бы частично. Такое наблюдается, например, у больных -талассемией — наследственным заболеванием, связанным с мутацией в кластере, в частности, -глобиновых генов в виде разрыва в длинном плече хромосомы 16. Транскрипционная активность генов вблизи теломер в силу их гетерохроматизации обычно снижена (“эффект положения”). При укорочении теломер из-за недорепликации ДНК названный эффект снимается и гены активируются.
Теломеразный механизм, активный в клетках эмбриона, не функционирует во многих типах дифференцированных клеток взрослого организма, и потери концевой ДНК в репликационных циклах не восполняются. Укорочение хромосом до известного предела приводит к выходу клетки из пролиферативного пула (англ., pool – группа вещей или предметов, здесь-делящихся клеток в органе или ткани) с единственной перспективой, профункционировав некоторое время в качестве специализированной клетки, погибнуть (терминальная дифференцировка). Исключение составляют клетки зародышевого пути.
В концевой недорепликации ДНК (маргинотомия) видят причину лимита Л.Хейфлика, высказавшего на основании исследований пролиферации клеток в культуре (вне организма, in vitro) мысль о конечности числа делений клеток многоклеточного организма, с чем фундаментальная геронтология пыталась связать закономерные возрастные изменения — теломерная теория (гипотеза) старения. Современные исследования внесли свои уточнения. Теломеразная активность сохраняется или восстанавливается у взрослых особей в интенсивно делящихся или возобновляющих пролиферацию клеточных популяциях (обновляющихся – эпителий выстилки кишечной трубки и, возможно, растущих — гепатоциты), а также в стволовых и прогениторных клетках (см. 3.2). Активная теломераза — отличительная черта клеток большинства злокачественных новообразований.
2.4.3.4-д. Функционально-генетическая организация ДНК. Проект «Геном человека». От структурной геномики к геномике функциональной и сравнительно-эволюционной
ДНК генома человека насчитывает 3,2109 п.н. (по другим данным, 3,165109 п.н. или 3109 п.н.). На долю смысловых (кодирующих, структурных,транскрибируемых и транслируемых, экспрессируемых) нуклеотидных последовательностей для полипептидов в нем приходится 1,2% (не более 2%) ДНК. Если присовокупить смысловые последовательности для нетранслируемых в полипептиды РНК — рибосомные, транспортные и др., то суммарное количество ДНК, выполняющее биоинформационно-генетическую функцию непосредственно, в геноме человека составляет порядка 3%.
Впервые в конце 70-х гг. ХХ в. была полностью определена последовательность нуклеотидов ДНК генома фага (греч., фи — phi) Х174 — 5375 п.н., 9 генов. Рубеж ХХ–ХХI вв. ознаменован реализацией проекта «Геном человека», состоящего в определении последовательности нуклеотидов (секвенирование) в молекулах ДНК всех хромосом человека.
На начало 2001 г. информации оказалось достаточно, чтобы представить организацию человеческого генома в целом (область интереса структурной геномики). Транскрибируемая часть составляет 28–30% генома, но транслируется до белков не более 5% (экзонная порция). 45–50% ДНК генома представлено повторяющимися последовательностями. Из них 45% приходится на «избыточную» (она же «паразитическая», «эгоистическая») ДНК. Приведенные эпитеты возникли потому, что соответствующие участки нуклеиновой кислоты (ДНК), не выполняя видимой (известной) генетической функции, тем не менее, реплицируются в обязательном порядке, то есть сохраняются в клеточных геномах в ряду поколений не смотря на значительную энергозатратность. Науке еще предстоит раскрыть функции многих участков генома (область интереса функциональной геномики).
В области структурной геномики не все доведено до необходимого уровня ясности: доля ДНК, участвующей в синтезе белков непосредственно, оценивается разными исследователями и в 1,2%, и в 3%, и в 5%.
В геноме человека структурные (смысловые, кодирующие, транскрибируемые, экспрессируемые) гены расположены по длине хромосом блоками, между которыми находятся протяженные участки некодирующей межгенной ДНК. От участков «избыточной» ДНК гены отделены «монотонными» последовательностями из Г-Ц пар до 30 тыс. п.н. длиной. Допускается, но не доказано бесспорно, что такие участки имеют отношение к регуляции активности смысловых (структурных, кодирующих, транскрибируемых и транслируемых, экспрессируемых) генов.
В ДНК обнаруживаются уникальныенуклеотидные последовательности, представленные в геноме в единственном экземпляре, а также повторяющиеся последовательности: 3% ДНК — это короткие повторы, 5% — длинные повторы. Среди повторяющихся нуклеотидных последовательностей есть, во-первых, тандемные повторы, когда соответствующие участки ДНК следуют друг за другом по типу «голова-хвост», и диспергированные повторы, когда участки (нуклеотидные последовательности)-повторы разбросаны по геному. Во-вторых, в зависимости от числа копий имеются высокоповторяющиеся (от сотен тысяч до миллионов копий), среднеповторяющиеся (тысячи и десятки тысяч копий) и слабоповторяющиеся (десятки или сотни копий) последовательности. В-третьих, длина повторяющихся последовательностей варьирует от сотен и реже тысяч до 1 или 2–10 нуклеотидов. В-четвертых, относительно небольшая доля повторов представлена идентичными последовательностями, тогда как большая их часть характеризуется наличием в копиях повторяющейся последовательности нуклеотидных замен, выпадений (делеций) и вставок (инсерций).
В современном генетическом словаре есть термин сателлитная ДНК. Она представлена большим числом (миллионы) копий коротких нуклеотидных фрагментов. Выделяют также микросателлитные (длина повторяющегося фрагмента от 1,2 до 4 п.н.) и минисателлитные (длина 4–6 п.н.) повторы. К последним относятся теломерные повторы (см. 2.4.3.4-г). У представителей ряда видов повторяющиеся единицы теломерной ДНК имеют идентичный нуклеотидный состав (у человека — ТТАГГГ), у других нуклеотидный состав различается. Теломерные повторы относятся к категории тандемных.
В геноме животных и человека имеются кластеры генов (мультигенные семейства), возникновение которых в эволюции связывают с неоднократной дупликацией предковой нуклеотидной последовательности. Молекулярная дивергенция членов такого кластера, например, вследствие нуклеотидных замен, с последующим отбором вела к возникновению совокупностей структурных (смысловых, кодирующих, транскрибируемых и транслируемых, экспрессируемых) генов со «скромными» различиями по нуклеотидному составу, кодирующих в принципе один и тот же полипептид, но с определенными функциональными особенностями. Рассмотрим -глобиновый кластер, расположенный у человека на коротком плече хромосомы 11, члены которого обусловливают экспрессию -полипептида гемоглобина: эмбриона — ген , плода — гены A и G, взрослого — гены и . Кластерная организация характеризует гены, контролирующие синтез рибосомных и транспортных РНК, гистоновых белков. Здесь, однако, имеет место многократный повтор стереотипной нуклеотидной последовательности. Диспергированные повторы образуют несколько семейств. Это короткие или SINE (англ., Short Interspersed Nucleotide Elements) повторы. Представителем этого семейства является Alu—повтор (300 п.н., высокоповторяющаяся последовательность с числом копий у человека 105–106 на геном. Alu-повтор встречается в интронах, межгенной и сателлитной ДНК). У Млекопитающих есть семейство длинных или LINE (англ., Long Interspersеd Nucleotide Elements) повторов (не более 6–7 тыс. п.н.). Отдельные члены семейства различаются последовательностью нуклеотидов. К LINE-повторам относятся ретротранспозоны (мигрирующие или «прыгающие» генетические элементы), в структуре которых имеется ген обратной транскриптазы (см. теломеразный ферментный комплекс, 2.4.3.4-г).
Известны также среднеповторяющиеся последовательности с числом копий у человека 103–105 на геном.
Нуклеотидные повторы обнаруживаются в кодирующей ДНК. Так, особенность 2-пептида коллагена I типа (кожа, сухожилия, кости, строма внутренних органов) — это повтор из аминокислот пролина, оксипролина и глицина, которым соответствуют повторы соответствующих кодонов в экзонах коллагенового гена Colla I. Благодаря названным аминокислотным повторам достигается плотная «упаковка» пептидов в коллагеновых волокнах.
Повторы не типичны для ДНК прокариот, которая представлена почти исключительно уникальными последовательностями.
Сведения о различных категориях нуклеотидных последовательностей эукариотического генома, которыми располагает современная наука, фрагментарны, нередко противоречивы и недостаточны для того, чтобы однозначно оценить их участие в процессах жизнедеятельности клеток, индивидуальном и историческом развитии живых форм.
Наряду со структурной и функциональной геномикой, интенсивно развивается сравнительная геномика, имеющая целью, если говорить о человечестве, конкретизировать генетический полиморфизм и особенности гено(аллело)фондов различных популяций, народностей, расовых и этнических групп, а также сопоставить геномы представителей различных таксонов живых существ (включая инфекционные и паразитарные агенты). В качестве раздела сравнительной геномики можно рассматривать эволюционную, в частности, палеогеномику, то есть секвенирование и анализ нуклеотидных последовательностей ДНК, выделенной из ископаемого материала предковых форм (в том числе, человека, например, неандертальца), с целью сравнить их с нуклеотидными последовательностями представителей разных систематических групп ныне существующих форм или людей современного типа (аборигенов с разных континентов или из разных регионов планеты –Африка, Европа, Северная и Южная Америка, Передняя Азия, Юго-Восточная Азия и др.).
Внимания заслуживают однонуклеотидные замены, с которыми связывают особую разновидность генетического полиморфизма (многообразия) — SNP (англ., Single Nucleotide Polymorphism). Будучи распространенными (встречаются через каждые 1–2 тыс. п.н., в геноме человека их 3,2109), они играют важную роль в наследственном полиморфизме людей. Так как примерно половина (1,5106) однонуклеотидных замен в геноме человека приходится на экспрессируемую (смысловая, кодирующая, транскрибируемая и транслируемая) часть генома, их идентификация используется в целях картирования генов на хромосомах, молекулярной диагностики наследственных болезней, изучения генетической предрасположенности к мультифакториальным болезням.
2.4.3.4-е. Эволюция генома
Как у прокариот, так и у эукариот носителями генетической информации являются нуклеиновые кислоты и белки, а способы ее кодирования (записи) в биоинформационных макромолекулах совпадают. Предполагают, что геномы этих типов организмов являются результатом дивергентной эволюции от общего предка. На уровне предкового генома уже, видимо, были решены задачи самовоспроизведения на основе матричного синтеза (см. репликация ДНК), записи информации в виде последовательности триплетов нуклеотидов (нуклеиновые кислоты) и аминокислот (белки), а также универсальности генетического кода. Способность к репликации (самосохранение через самовоспроизведение) оформилась в эволюции, по видимому, раньше, чем функция кодирования. С появлением функции кодирования стало возможным на биоинформационной основе генотипов создание фенотипов. Фенотипы становятся объектом действия естественного отбора, и процесс исторического развития (эволюция) приобретает приспособительную и прогрессивную направленность. Появляются предпосылки для коэволюции.
Еще одна предполагаемая характеристика предкового генома — наличие избыточной ДНК. На заре эволюции живых форм в условиях, когда главные составляющие потока биоинформации (механизмы репликации, рекомбинации, транскрипции и трансляции) были несовершенны, присутствие избыточной ДНК создавало, по-видимому, возможность «эволюционного маневра» в виде наращивания доли кодирующих (смысловых, структурных, транскрибируемых и транслируемых, экспрессируемых) нуклеотидных последовательностей и, таким образом, увеличения разнообразия фенотипов, тестируемых отбором на жизнеспособность.
Предположительно расхождение про- и эукариотического геномов от общего предка началось с момента, когда в связи с возросшей надежностью потока биоинформации дальнейшее приращение объема смысловых (кодирующих, структурных, транскрибируемых и транслируемых, экспрессируемых) последовательностей перестало быть критическим для обеспечения выживаемости в разнообразных средах.
Эволюционный путь к геному современных прокариот состоял, видимо, в уменьшении размеров и «упрощении» за счет освобождения от избыточной ДНК. Этот путь в сочетании с коротким временем генерации прокариотических организмов (десятки минут) и их гаплоидностью обеспечивает выживание за счет появления в популяциях «перспективных» мутантов, среди которых есть отвечающие новым требованиям среды обитания, и быстрой смены поколений (см. также 2.3).
Для прокариотических геномов характерен полицистронный формат организации единиц транскрипции,представленных оперонами (см. также особенности генома многоклеточного эукариотического организма — круглого червя С.elegans, здесь же ниже). При этом цистроны (по существу, гены), собранные в одном опероне, например, лактозном E. coli, контролируют экспрессию белков, необходимых для обеспечения отдельных этапов конкретного биохимического пути (см. 2.4.5.6-б).
Эволюционный путь к геному современных эукариот состоял в увеличении его размеров (количества ДНК), в т.ч. за счет «мобилизации» уже имевшихся некодирующих нуклеотидных последовательностей. Ставка была сделана на усложнение структуры генетического аппарата клеток на надмолекулярном уровне. Все это служило оптимизации и расширению способов использования генетической информации, повышению надежности биоинформационных процессов, совершенствованию механизмов их регуляции. Вспомним характерные черты эукариотического генома — линейная форма молекул ДНК, существование ДНК в виде нуклеогистонового комплекса, две структурных формы хромосом (митотическая и интерфазная), наличие эу- и гетерохроматина, распределение ДНК по хромосомам. Все это открыло возможности тонкой регуляции генетических функций и использования биоинформации частями, а также точное качественное и количественное воспроизведение ДНК в дочерних клетках при клеточном делении (митоз) в условиях увеличенного количества наследственного материала. Диплоидность (появление в эукариотической клетке удвоенного набора хромосом и, следовательно, превращение “генома” в “генотип”) эукариотических клеток послужила предпосылкой образования резерва наследственной изменчивости. Эукариотические клетки с их сложной организацией приобрели способность к формированию многоклеточных живых конструкций.
Учитывая гипотезу о происхождении эукариот от прокариот, интересны материалы сравнительноэволюционной геномики и протеомики. Так, структурные (смысловые, кодирующие, транскрибируемые и транслируемые) гены белков транскрипции и трансляции эукариот гомологичны генам наиболее древних микроорганизмов из группы Archаea, а гены метаболических белков — генам микроорганизмов из парафилитической группе Archaea группы Bacteria, что рассматривается как аргумент в пользу, с одной стороны, симбиотической гипотезы происхождения эукариотической клетки, тогда как, с другой – горизонтального переноса генов или совокупностей генов из геномов разных (в том числе парафилитических) групп прокариот и/или из геномов органелл-симбионтов в ядро. Таким образом, речь может идти о блочном или модульном характере эволюционного процесса.
Сравнение секвенированных геномов одноклеточного эукариота Sacchoromyces cerevisiae (дрожжи) и многоклеточного эукариота Caenorhabditis elegans (круглый червь) указывает на наличие как общих генов, характеризующих эукариотность обоих организмов, так и генов, связанных с многоклеточностью, присутствующих только у червя. Это, в частности, гены, кодирующие белки межклеточного общения и клеточной адгезии, а также контролирующие программированную клеточную гибель — апоптоз.
В геноме червя порядка 15% генов собраны в опероны. Транскрипция всех генов оперона «запускается» с одного промотора, образуется общий пре-РНК транскрипт. Вместе с тем, в отличие от прокариот, для которых оперонная организация генома есть правило, у C elegans гены (цистроны) одного оперона не обязательно связаны функционально и могут транслироваться независимо друг от друга.
Согласно морфобиологической теории эволюции и теории филэмбриогенезов А.Н. Северцова, эволюционно значимые изменения затрагивают эмбриогенез и происходят в форме ароморфозов (начальные фазы процесса индивидуального развития), если речь идет о появлении на арене жизни принципиально нового типа структурно-функциональной организации. Известно беспозвоночное низшее Хордовое Ciona intestinalis (подтип Личиночнохордовые или Urochordata) с полностью секвенированным геномом. Сравнительная (эволюционная) геномика говорит о том, что в геномах высших Хордовых (подтип Позвоночные или Vertebrata) изменения касаются гомеозисных генов Hox, определяющих существенные черты эмбриогенеза. Если у С. intestinalis имеется один кластер из 9 генов Hox, то у Позвоночных животных таких кластеров несколько, причем в каждом по 13 генов (о гомеозисных генах см. 8.2.10.1).
Источник: textarchive.ru
Все знают, что в ядре клетки находятся хромосомы. Хромосомы состоят из свернутых ДНК, которые состоят из нуклеотидов. Некоторые группы нуклеотидов являются генами, т.е. содержат в себе информацию об устройстве белков и РНК.
А в каком именно виде эти хромосомы находятся в ядре?
Если посмотреть в микроскоп на клетку (что и сделали когда-то древние люди), то в общем хрен что увидишь — клетка выглядит какой-то полупрозрачной и однородной. Поэтому, почесав дубиной в затылке, древние люди придумали прежде чем смотреть на клетку под микроскопом, сначала ее окрасить. И вот тут всё получилось. Оказывается, что некоторые части клетки окрашиваются прекрасно данным красителем, а остальные части — не окрашиваются. И в таком виде клетку стало легко наблюдать и изучать. Причем если взять другой краситель, то другие уже части клетки будут хорошо окрашены, так что теперь и их можно рассматривать.
В общем, окрасив клетку, люди заметили, что в ее ядре можно заметить некоторые сгустки, зоны плотного и хорошо окрашенного вещества. Потому их и назвали — ХРОМАТИН (хрома — цвет, краска по-гречески). Это и есть хромосомы в куче с гистонами — белками, на которые намотаны ДНК.
Когда клетка не делится, а просто живет себе и выполняет свои функции, это ее состояние называется ИНТЕРФАЗА. Потому что она «между» «фазами деления». В интерфазе клетка активно работает со своими генами — информация с генов считывается, передается в РИБОСОМЫ, которые и занимаются производством белков, нужных клетке или организму в целом. Рибосомы — фабрики, на которых строятся белки по чертежам, принесенным от ДНК.
Так вот в интерфазе ДНК должна находиться в таком состоянии, чтобы с нее легко было считывать информацию. То есть она не должна быть туго намотанной на гистоны. Поэтому ДНК разрыхляется, степень намотанности ослабевает. Такая разрыхленная ДНК называется ЭУХРОМАТИН. А туго намотанные части хромосомы называются ГЕТЕРОХРОМАТИН.
У одной и той же хромосомы некоторые ее части могут быть разрыхленными, а другие — компактными — в зависимости от того, какие гены сейчас должны работать. Чем больший объем ядра занимает эухроматин, тем интенсивнее в клетке протекают процессы синтеза белков и РНК.
А вот когда клетка делится, ей некогда заниматься производством. Ей надо собраться с мыслями, сосредоточиться и разделиться на две клетки. Это ответственный процесс. Процесс деления клетки называется МИТОЗ. Во время митоза эухроматин исчезает, и все ДНК находятся в виде гетерохроматина.
Именно тогда-то мы и можем видеть ту самую классическую форму хромосом, которую мы так привыкли видеть на картинках. В результате засилья таких иллюстраций люди начинают представлять себе хромосому в виде двойной спирали, вокруг которой висит какая-то вата. На самом деле все не так, и мы уже об этом писали. Вот вся эта пухлая «вата» и является сложно свернутой двойной спиралью. Вот вся эта пухлость — это и есть свернутая хитрым образом двойная спирать, и нет в хромосоме никакой такой центральной двойной спирали, на которой висит какой-то пух.
Сначала кусочек двойной спирали наматывается на гистоновый комплекс. В итоге по всей своей длине двойная спираль оказывается намотанной на множество гистоновых комплексов (в одном гистоновом комплексе 8 отдельных гистонов). И вот каждый отдельный такой кусочек (мелкий кусок ДНК, намотанный на гистоновый комплекс) имеет свое название — он называется НУКЛЕОСОМА. Так что если мы посмотрим на ДНК в этом состоянии, мы увидим нечто вроде нитки, густо усаженной узелками. Каждый такой узелок — это нуклеосома. Две соседние нуклеосомы связаны кусочком двойной спирали ДНК.
Потом все это начинает сворачиваться дальше. Представь себе, что ты берешь нитку с узелками и начинаешь ее закручивать. Она превращается в толстую нитку, в которой узелки уже не расположены равномерно друг за другом, а плотно прижаты друг к другу. Со стороны теперь наша нитка будет выглядеть как немного лохматый толстый шнур. Такой шнур ДНК называется ФИБРИЛЛА. В этом состоянии гены достаточно доступны для копирования с них информации, так как они не слишком плотно намотаны на гистоновые комплексы.
Но шнур этот слишком длинный, поэтому в реальности в клетке этот шнур сворачивается дальше в виде петель. И со стороны мы теперь увидим ДНК как недлинный шнур, на котором равномерно расположены петли-розочки, состоящие из того же шнура. Такое состояние ДНК — нормальное, рабочее состояние во время интерфазы. И когда приходит время делиться, то все это начинает еще сильнее и сильнее сворачиваться, закручиваться, пока не появляется конечная, плотная форма ДНК — пухлая САРДЕЛЬКА хромосомы.
Когда такая сарделька связана примерно по центру с другой сарделькой — своей копией, которая делается перед делением, то в таком состоянии каждая хромосома называется ХРОМАТИДОЙ. Затем эта связь разрывается, каждая хроматида расходится в свой угол делящейся клетки, чтобы у каждой из получившихся новых клеток был свой набор хромосом.
Источник: bodhi.name
Определение понятия
Хроматином называется содержащий наследственную информацию материал клеточного ядра, представляющий собой сложный функциональный комплекс ДНК со структурными белками и другими элементами, обеспечивающими упаковку, хранение и реализацию кариотического генома. В упрощенной трактовке это вещество, из которого состоят хромосомы. Термин происходит от греческого «хрома» – цвет, краска.
Понятие было введено Флемингом еще в 1880 году, но до сих пор идут споры о том, что такое хроматин, с точки зрения биохимического состава. Неопределенность касается небольшой части компонентов, не участвующих в структурировании генетических молекул (некоторые ферменты и рибонуклеиновые кислоты).
На электронной фотографии интерфазного ядра хроматин визуализируется как многочисленные участки темной материи, которые могут быть мелкими и разрозненными или объединяться в крупные плотные скопления.
Конденсация хроматина во время клеточного деления приводит к образованию хромосом, которые видны даже в обычном световом микроскопе.
Структурные и функциональные компоненты хроматина
С целью определить, что такое хроматин на биохимическом уровне, ученые экстрагировали это вещество из клеток, переводили в раствор и в таком виде изучали компонентный состав и структуру. При этом использовались как химические, так и физические методы, включая технологии электронной микроскопии. Выяснилось, что химический состав хроматина на 40% представлен длинными молекулами ДНК и почти на 60% – различными белками. Последние подразделяются на две группы: гистоны и негистоновые.
Гистонами называют большое семейство основных ядерных белков, которые прочно связываются с ДНК, формируя структурный скелет хроматина. Их количество примерно равно процентному содержанию генетических молекул.
Остальная часть (до 20%) протеиновой фракции приходится на ДНК-связывающие и пространственно-модифицирующие белки, а также ферменты, принимающие участие в процессах считывания и копирования генетической информации.
Помимо основных элементов, в составе хроматина в небольшом количестве обнаруживаются рибонуклеиновые кислоты (РНК), гликопротеиды, углеводы и липиды, однако вопрос об их ассоциации с ДНК-упаковочным комплексом до сих пор открыт.
Гистоны и нуклеосомы
Молекулярная масса гистонов варьирует в пределах от 11 до 21 кДа. Большое количество остатков основных аминокислот лизина и аргинина придают этим белкам положительный заряд, способствуя формированию ионных связей с противоположно заряженными фосфатными группами двойной спирали ДНК.
Выделяют 5 разновидностей гистонов: H2A, H2B, H3, H4 и H1. Первые четыре типа участвуют в формировании основной структурной единицы хроматина – нуклеосомы, которая состоит из кора (белковой сердцевины) и обмотанной вокруг него ДНК.
Нуклеосомный кор представлен октамерным комплексом из восьми молекул гистонов, в который входят тетрамер H3-H4 и димер Н2A-H2B. Участок ДНК протяженностью около 146 нуклеотидных пар накручивается на поверхность белковой частицы, образуя 1,75 витка, и переходит в линкерную последовательность (примерно 60 н. п.), соединяющую нуклеосомы друг с другом. Молекула H1 связывается с линкерной ДНК, защищая ее от действия нуклеаз.
Гистоны могут подвергаться различным модификациям, таким как ацетилирование, метилирование, фосфорилирование, ADP-рибозилирование и взаимодействие с убивиктиновым белком. Эти процессы влияют на пространственную конфигурацию и плотность упаковки ДНК.
Негистоновые белки
Существует несколько сотен разновидностей негистоновых белков с различными свойствами и функциями. Их молекулярная масса варьирует от 5 до 200 кДа. Особую группу составляют сайт-специфические белки, каждый из которых комплементарен определенному участку ДНК. В эту группу входят 2 семейства:
- «цинковые пальцы» – узнают фрагменты длиной в 5 нуклеотидных пар;
- гомодимеры – характеризуются структурой «спираль-поворот-спираль» во фрагменте, связанном с ДНК.
Лучше всего изучены так называемые белки высокой подвижности (HGM-белки), постоянно ассоциированые с хроматином. Такое наименование семейство получило из-за высокой скорости перемещения белковых молекул в электрофорезном геле. Эта группа занимает большую часть негистоновой фракции и включает в себя четыре основных типа HGM-белков: HGM-1, HGM-14, HGM-17 и HMO-2. Они выполняют структурную и регуляторную функции.
К негистоновым белкам относят также ферменты, обеспечивающие транскрипцию (процесс синтеза матричной РНК), репликацию (удвоение ДНК) и репарацию (устранение повреждений в генетической молекуле).
Уровни компактизации ДНК
Особенность структуры хроматина такая, что позволяет нитям ДНК с суммарной длиной более метра поместиться в ядро диаметром около 10 мкм. Такое возможно благодаря многоступенчатой системе упаковки генетических молекул. Общая схема компактизации включает пять уровней:
- нуклеосомная нить диаметром 10–11 нм;
- фибрилла 25–30 нм;
- петлевые домены (300 нм);
- волокно толщиной 700 нм;
- хромосомы (1200 нм).
Такая форма организации обеспечивает уменьшение длины исходной молекулы ДНК в 10 тысяч раз.
Нить диаметром 11 нм образована рядом нуклеосом, связанных линкерными участками ДНК. На электронной микрофотографии такая структура напоминает нанизанные на леску бусы. Нуклеосомная нить сворачивается в спираль по типу соленоида, образуя фибриллу толщиной 30 нм. В ее формировании участвует гистон H1.
Соленоидная фибрилла складывается в петли (иначе – домены), которые закрепляются на поддерживающем внутриядерном матриксе. Каждый домен содержит от 30 до 100 тысяч пар нуклеотидов. Такой уровень компактизации характерен для интерфазного хроматина.
Структура толщиной 700 нм образуется при спирализации доменной фибриллы и называется хроматидой. В свою очередь, две хроматиды формируют пятый уровень организации ДНК – хромосому диаметром 1400 нм, которая становится видна на стадии митоза или мейоза.
Таким образом, хроматин и хромосома – это формы упаковки генетического материала, зависящие от жизненного цикла клетки.
Хромосомы
Хромосома состоит из двух идентичных друг другу сестринских хроматид, каждая из которых образована одной суперспирализованной молекулой ДНК. Половинки соединяются особым фибриллярным тельцем, называемым центромерой. Одновременно эта структура является перетяжкой, разделяющей каждую хроматиду на плечи.
В отличие хроматина, представляющего собой структурный материал, хромосома – это дискретная функциональная единица, характеризующаяся не только структурой и составом, но и уникальным генетическим набором, а также определенной ролью в реализации механизмов наследственности и изменчивости на клеточном уровне.
Эухроматин и гетерохроматин
Хроматин в ядре существует в двух формах: менее спирализованной (эухроматин) и более компактной (гетерохроматин). Первая форма соответствует транскрипционно-активным участкам ДНК и поэтому структурирована не так плотно. Гетерохроматин подразделяется на факультативный (может переходить из активной формы в плотную неактивную в зависимости от стадии жизненного цикла клетки и необходимости реализовать те или иные гены) и конститутивный (постоянно уплотнен). Во время митотического или мейотического деления весь хроматин неактивен.
Конститутивный гетерохроматин обнаружен возле центромер и в концевых участках хромосомы. Результаты электронной микроскопии показывают, что такой хроматин сохраняет высокую степень конденсации не только на стадии деления клетки, но и во время интерфазы.
Источник: www.nastroy.net