Структура хромосомы

После обсуждения структуры ДНК и белков, входящих в состав хромосомы, рассмотрим ее строение в целом. Оказывается, ДНК в хромосоме не только упакована с помощью гистонов в регулярно повторяющиеся нуклеосомы, но, кроме того, хитроумным способом организована вместе с другими белками в серию субдоменов, обладающих различными свойствами. Эти структуры более высокого порядка являются удивительной особенностью хроматина эукариотических клеток; до сих пор остается загадкой, как именно такие домены функционируют.

9.2.1. Хромосомы, по-видимому, состоят из серии петель [21]

Диаметр ядра обычно не превышает 5 мкм (5 х 10 4 см). Поскольку упаковка ДНК в хроматиновой фибрилле позволяет уменьшить ее линейные размеры до 1 мм, должны существовать другие, более высокие, уровни компактизации. Один из принципов дальнейшей конденсации хроматина был подсказан внешним видом некоторых особых хромосом -так называемых хромосом типа ламповых щеток из ооцитов многих животных и политенных хромосом определенных клеток насекомых. Хромосомы этих двух типов обладают хорошо выраженной петельной

структурой, т. е. имеют серию петельных доменов, которые под углом отходят от основной оси хромосомы. Установлено, что хромосома бактерии E.coli (кольцевая молекула ДНК длиной около 0,1 см, лишенная гистонов) также уложена в виде петель. Существующие в настоящее время данные позволяют считать петельную укладку общим принципом структурной организации хроматина.

Албертс Б., Брей Д., Льюис Дж., Рэфф М., Робертс К. Уотсон Дж. Д. Молекулярная биология клетки: В 3-х т. 2-е изд. перераб. и доп. Т. 2.: Пер. с англ. – М.: Мир, 1993. – 539 с.

Рис. 9-34. Схематическое изображение участка хромосомы, имеющего петельную организацию. Каждая из петель содержит приблизительно от 20000 до 100000 пар оснований двухцепочечной ДНК, входящей в состав 30 нм-хроматиновой фибриллы. А. Модель упаковки, согласно которой на каждом конце петли находится сайт-специфический ДНК-связывающий белок. Б. Модель упаковки с участием хромосомной оси. В настоящее время неизвестно, как в действительности происходит упаковка, хотя цитологические данные свидетельствуют о том, что осевой участок изолированных митотических хромосом (место локализации концов петель) сильно обогащен ферментом, который в клетке содержится в большом количестве,-ДНК топоизоме-разой ll.

Рис. 9-35. Схематическое изображение типичной метафазной хромосомы. Каждая хроматида содержит одну из двух идентичных дочерних молекул ДНК (одна из них выделена цветом], образующихся в процессе репликации на более ранней стадии клеточного цикла.

Была выдвинута гипотеза, предполагающая, что петли хроматина формируются и поддерживаются с помощью ДНК-связывающих белков, которые узнают определенные нуклеотидные последовательности двух отдельных участков хроматиновой фибриллы и сближают их (рис. 9-34, А). В результате эти участки образуют устье петли. Петли могут сформироваться и иным путем при связывании ДНК с осью хромосомы (рис. 9-34, Б). По косвенным оценкам у таких таксономически отдаленных организмов, как дрозофила и человек, средняя длина петель весьма сходна, типичная петля содержит примерно от 20000 до 100000 пар оснований, что соответствует приблизительно 0,5 мкм фибриллы диаметром 30 нм.

Если типичная хромосома человека состоит главным образом из петель, то в ее состав могло бы входить более 2000 таких доменов.

9.2.2. Митотические хромосомы состоят из максимально сконденсированного хроматина [22]

Большинство хромосом чрезвычайно растянуты и спутаны, что делает их невидимыми на всех фазах клеточного цикла за исключением митоза. В этот период хромосомы спирализуются, конденсируются и приобретают четкие формы. Эта суперспирализация, уменьшающая линейные размеры ДНК с 5 см по 5 мкм, сопровождается фосфорилированием всех молекул гистона Н., присутствующих в клетке, по пяти сериновым остаткам. В связи с тем, что гистон Н. связывает между собой нукдеосомные частицы (см. рис. 9-28), его фосфорилирование может играть ключевую роль в конденсации хромосом в процессе митоза.

На рис. 9-3 5 изображена типичная митотическая хромосома на стадии метафазы. Две дочерние молекулы ДНК упаковываются порознь и образуют сестринские хроматиды, которые удерживаются вместе с помощью центромеры. Митотические хромосомы обычно несут на своей поверхности множество других молекул, в том числе большое количество рибонуклеопротеинов. Если удалить эту оболочку, на электронных микрофотографиях можно отчетливо увидеть, что каждая хро-

Албертс Б., Брей Д., Льюис Дж., Рэфф М., Робертс К. Уотсон Дж. Д. Молекулярная биология клетки: В 3-х т. 2-е изд. перераб. и доп. Т. 2.: Пер. с англ. – М.: Мир, 1993. – 539 с.

Рис. 9-36. Микрофотография участка типичной высококонденсированной митотическоЙ хромосомы, полученная с помощью сканирующего электронного микроскопа. Предполагается, что каждый выступ, напоминающий клубенёк, представляет собой конец отдельного петлевого домена. Обратите внимание, как хорошо различимы две идентичные спаренные хрома-тиды, схема которых представлена на рис. 9-35.

(По Mardsen M. Р., Laemmli U.K. Cell 17: 849-858, 1979.)

матида построена из хроматиновых петель, отходящих от центральной оси (рис. 9-36 и 9-37). Экспериментально доказано, что поперечная исчерченность, характерная для митотических хромосом, отражает в какой-то степени порядок расположения генов в молекуле ДНК. Различные способы упаковки длинной спирали ДНК представлены на рис. 9-38.

Рис. 9-37. Электронная микрофотография одиночной хроматиды митотическай хромосоми насекомого (Oncopelfus). Специальная обработка позволяет визуализировать петли хроматина, от&одящае от центральной оси хромагиды. (С любезного разрешения Victoria Foe.)

Албертс Б., Брей Д., Льюис Дж., Рэфф М., Робертс К. Уотсон Дж. Д. Молекулярная биология клетки: В 3-х т. 2-е изд. перераб. и доп. Т. 2.: Пер. с англ. – М.: Мир, 1993. – 539 с.

Рис. 9-38. Схема, иллюстрирующая различные уровни упаковки хроматина, которые, по-видимому, отражают последовательные этапы формирования высококонденсированной метафазной хромосомы.

В митотической хромосоме хроматин транскрипционно неактивен: синтез РНК с началом конденсации хромосом прекращается. По-

видимому, РНК-полимераза не может в этих условиях продвигаться вперед по ДНК, хотя возможно это обусловлено и другими причинами.

9.2.3. Каждая митотическая хромосома содержит определенный набор очень больших доменов [23]

Набор из 46 митотических хромосом человека называют его кариотнпом. Цитологические методы, разработанные в начале 70-х гг., позволяют безошибочно идентифицировать каждую хромосому в кариотипе человека. Для этого специально подготовленные препараты митотических хромосом обрабатывают красителями, способными флуоресцировать только при связывании с определенными типами последовательностей ДНК. Несмотря на то, что эти красители обладают очень низкой избирательностью [их использование позволяет в основном отличать участки ДНК, обогащенные АТ-парами (G-полосы) от участков с GC-богатыми последовательностями (R-полосы)], обработка ими митотических хромосом выявляет в каждой из них характерную картину чередования темных и светлых полос (сегментов) (рис. 9-39).

Распределение

Албертс Б., Брей Д., Льюис Дж., Рэфф М., Робертс К. Уотсон Дж. Д. Молекулярная биология клетки: В 3-х т. 2-е изд. перераб. и доп. Т. 2.: Пер. с англ. – М.: Мир, 1993. – 539 с.

Рис. 9-39. Микрофотографии трех пар митотических хромосом человека, полученные с помощью флуоресцентного микроскопа. А.

Окрашивание хромосом АТ-специфичес-ким красителем Hoescht 33258 (G-полосы). Б. Окрашивание хромосом GC-специфическим красителем оливомицином (R-полосы). Черта указывает положение центромеры. Обратите внимание на то, что картины распределения сегментов (полос) в хромосомах на обеих фотографиях комплементарны: полосы, яркоокрашенные на А, на Б затемнены и наоборот. G-полосы проявляются и при окрашивании красителем Гимза (отсюда их название), а обозначение полос буквой R отражает тот факт, что они как бы обратны (reverse) G-no-

лосам. (По K.F. Jorgenson, J.H. van de Sande and С. С. Zin, Chromosoma 68: 287-302, 1978.)

этих полос специфично для каждого типа хромосом, что делает возможной их однозначную идентификацию (рис. 9-40).

При анализе хромосом человека, проведенном с помощью флуоресцентных красителей, на ранних стадиях митоза, когда хромосомы значительно менее компактны, чем в метафазе, удалось подсчитать, что весь гашюидный набор содержит по меньшей мере 2000 четко выраженных полос, соответствующих АТ-богатым последовательностям ДНК.

Рис. 9-40. Стандартная карта распределения сегментов в каждой из хромосом, составляющих человеческий кариотип, на стадии прометафазы митоза. Хромосомы от 1-й до 22-й пронумерованы в примерном соответствии с размером. Диплоидная клетка человека содержит по две хромосомы каждого типа плюс две Х-хромосомьт (у женщин) или Х- и Y-хромосомы (у мужчин). 850 полос, указанных на рисунке - это G-

полосы, обнаруживаемые при окрашивании реагентами, специфичными к АТ-последова-тельностям ДНК. Выделенные цветом «головки» на хромосомах 13, 14, 15, 21 и 22 указывают на расположение генов, кодирующих большие рибосомные РНК, цветными линиями отмечено положение центромеры на каждой хромосоме. (С изменениями по U. Franke, Cytogenet. Cell Genet. 31: 24-32, 1981.)

Албертс Б., Брей Д., Льюис Дж., Рэфф М., Робертс К. Уотсон Дж. Д. Молекулярная биология клетки: В 3-х т. 2-е изд. перераб. и доп. Т. 2.: Пер. с англ. – М.: Мир, 1993. – 539 с.

В ходе митоза происходит дальнейшая конденсация хромосом и, как следствие, утолщение полос и уменьшение их числа.

Наличие поперечной исчерченности составляет общую черту миготических хромосом даже таких далеких друг от друга видов, как человек и дрозофила. Более того, картина распределения полос в хромосомах почти не изменилась за долгие периоды эволюции. Например, почти каждой хромосоме человека соответствует аналог в кариотипе шимпанзе, гориллы и орангутана (хотя в результате слияния одной пары хромосом у человека имеется 46, а не 48 хромосом, как у обезьян), причем картина распределения полос у них практически одинакова. Все это лишний раз указывает на большое значение пространственной организации ДНК в составе хромосом для экспрессии соответствующих генов, а само существование полос, возможно, отражает какие-то черты функциональной организации хроматина. Почему образуются такие полосы, до сих пор является загадкой. Даже наиболее тонкие полосы, изображенные на рис. 9-40, должны содержать не менее 30 петель, а суммарный нуклеотидный состав столь длинных последовательностей ДНК (более миллиона пар оснований, что соответствует размеру среднего бактериального генома), по-

видимому, близок к среднестатистическому. Известно, что как АТ-богатые, так и GC-богатые полосы содержат гены.

Дата добавления: 2015-08-31