Хромосомы. Уровни структурной организации хромосом
Хромосо́мы (др.-греч.χρῶμα — цвет и σῶμα — тело) — нуклеопротеидные структуры в ядреэукариотическойклетки (клетки, содержащей ядро), которые становятся легко заметными в определённых фазах клеточного цикла (во время митоза или мейоза). Хромосомы представляют собой высокую степень конденсации хроматина, постоянно присутствующего в клеточном ядре. Исходно термин был предложен для обозначения структур, выявляемых в эукариотических клетках, но в последние десятилетия всё чаще говорят о бактериальных хромосомах. В хромосомах сосредоточена большая часть наследственной информации.
1. Деконденсированные интерфазные хромосомы (эухроматин): нуклеосомная организация (рис. 4.7). Как мы уже сказали, благодаря гистонам хромосомы имеют нуклеосомную организацию.
а) Нуклеосома. Основа нуклеосомы — глобула из 8 белковых молекул (октамер), содержащая по 2 молекулы гистонов четырех видов (Н2А, Н2В, Н3 и Н4). Вокруг одной такой глобулы молекула ДНК делает примерно 2 оборота, что и образует в итоге нуклеосому.
В участках между глобулами с ДНК связано еще по 1 молекуле гистона (H1). С учетом этих соединительных(линкерных) отделов, период нуклеосомной организации составляет примерно 200 н.п. ДНК.
б) Хромосома в целом. Молекула ДНК участвует в образовании очень большого числа нуклеосом (в среднем 600000). В результате на данном уровне организации каждая хромосома представляет собой длинную нить «бусинок»-нуклеосомтолщиной 10 нм. Это придает деконденсированному (т. е. эу-) хроматину мелкогранулярную структуру, различимую при электронной микроскопии.
Как при этом связаны с хромосомой кислые белки, пока неясно.
в) Нуклеосомная организация не препятствует действию на ДНК внутриядерных ферментов. Хотя не исключено, что в момент прохождения ферментного комплекса по какому-либо участку ДНК последний (участок ДНК) на короткое время освобождается от связи с гистоновыми октамерами. Но затем эта связь быстро восстанавливается.
Кроме того, и новообразованные участки строящейся цепи ДНК (при репликации ДНК) почти сразу приобретают нуклеосомную структуру.
Таким образом, данный уровень укладки присущ хромосомам практически постоянно.
г) Заметим также: по сравнению с молекулой ДНК, нуклеосомная нить оказывается в 6,2 раза короче — благодаря закручиванию ДНК вокруг каждого октамера.
2. Конденсированные интерфазные хромосомы (гетерохроматин): нуклеомерная и хромомерная организация
Те интерфазные хромосомы или их части, которые образуют гетерохроматин, тоже имеют нуклеосомную организацию. Однако здесь добавляются и следующие уровни укладки хромосомы.
а) Второй уровень: нуклеомерный. Взаимодействие друг с другом молекул гистона H1, находящихся в составе нуклеосомной нити, приводит (при определенных условиях) к конденсации этой нити в более плотную структуру —нуклеомерную нить, или хроматиновую фибриллу, толщиной около 30 нм.
Полагают, что нуклеомерная нить представляет собой суперспираль, причем такую, в которой вновь (как в нуклеосомной цепи) чередуются глобулярные и линкерные участки. Иначе говоря, это цепочка «супербус». В одной «супербусине» (нуклеомере) — 5-8 нуклеосом.
Однако в этой цепочке ДНК уже недоступна для ферментных комплексов (в т.ч. того, который осуществляет транскрипцию). Поэтому данный уровень организации отсутствует у эухроматина.
Там же, где этот уровень имеется, длина хромосомы (или ее отдела, если конденсируется только он) уменьшается еще примерно в 6-7 раз.
б) Третий уровень: хромомерный. Дальнейшая компактизация хромосом происходит под влиянием уже не гистонов, а определенных кислых белков. И начинает использоваться другой принцип укладки — образование петель, или складок.
Так, хроматиновая нить образует множество петель. Последние собираются в розетки. Каждую розетку составляют несколько соседних петель, которые прикрепляются своими основаниями к общему белковому центру. Подобные центры в большом количестве содержатся в ядерном матриксе.
Таким образом, на этом уровне организации хромосома представляет собой цепь, состоящую из розеток. Последние еще называются петельными доменами, а также хромомерами.
В гетерохроматине розетки, видимо, расположены более-менее рыхло, т.е. дальше компактизация хромосом не идет.
3. Метафазные хромосомы: высшие степени конденсации
а) Третий уровень: хромонемный. При формировании метафзных хромосом третий уровень компактизации выглядит несколько иначе: петли в розетках и сами розетки (хромомеры) тесно прилегают друг к другу. В таком состоянии они образуют т.н. хромосомную фибриллу, или хромонему, толщиной 300 нм.
б) Четвертый уровень: хроматидный. Хромонема спирализуется или тоже складывается в петли.
При этом петли, возможно, упакованы так, как показано на рис. 4.8: они образуют группы, составляющие сегмент хроматиды и связанные друг с другом короткими линкерными участками. Это соответствует тому обстоятельству, что под действием повреждающих факторов хромосома может распадаться на сегменты.
Продукт данного (и последнего) этапа конденсации — хроматида толщиной 700 нм, одна из двух «половинок» метафазной хромосомы. Толщина всей хромосомы в состоянии максимальной компактизации — вдвое больше: 1400 нм.
Зато длина хромосомы человека за счет всех уровней укладки сокращается в итоге в 10000 раз.