Ы Верстка! Подстраничное примечание. МС Ы 2 страница
1При использования генетической информации ДНК в жизнедеятельности клетки важная роль принадлежит пост(после)транскрипционным и пост(после)трансляционным процессам, благодаря чему путь от гена к функционирующему белку, как правило, долгий. Это объясняет, почему исследования в области геномики и протеомики (см. 1.1) должны проводиться согласованно.
2Гомо- или гетерологичная полимеризация (ди-, три-, тетрамеризация), заключается в образовании надмакромолекулярных комплексов из, соответственно, одинаковых или разных белковых субъединиц (двух, трех, четырех полипептидов или простых белков) является эффективным механизмом регуляции функций на макромолекулярном уровне. Применительно к членам семейства CD44 она способствует усилению сродства к определенным лигандам. Полимеризацию белковых субъединиц допустимо рассматривать как один из способов безмембранной функциональной компартментации внутри- и внеклеточных процессов на макромолекулярном уровне.
Молекулярный полиморфизм CD44 и разнообразие лигандов (гиалуроновая кислота, коллагены I и VI типов, ряд внутриклеточных белков) объясняют вовлеченность белка CD44 во многие события. Это перемещение (миграция) и метастазирование опухолевых клеток, агрегация (образование клетками групп), адгезия (прикрепление, “прилипание” клеток) и активация (обычно под клеточной активацией понимается клеточная пролиферация, то есть митотическое деление) лимфоидных клеток, представление (презентация) ростовых факторов и цитокинов клеткам, хоуминг (англ., home — дом; здесь, избирательное проникновение клеток в подходящую «тканевую нишу») Т-лимфоцитов, выход из сосудистого русла лейкоцитов, например, в очаге воспаления.
2.4.3. Клеточное ядро
Появление 1,9–2 млрд. лет назад на Земле эукариотических организмов (ядерные формы, см. 2.3), клетки которых отличаются наличием отграниченного от цитоплазмы ядра, оценивается биологами, как уже отмечалось выше, как событие более фундаментальное, чем разделение мира жизни на растения и животных. Сведения об эволюционно-функциональных приобретениях, связанных с обособлением наследственного субстрата (ДНК) в отдельной структуре и приобретением молекулами ДНК эукариот линейной формы, можно найти в 1.10 и 2.4.3.4.
Клеточное ядро (рис. 2-8) отделено от содержимого клетки оболочкой. Функции ядра состоят в хранении наследственного материала (ДНК в комплексе с гистонами – нуклеогистоновый комплекс), его воспроизводстве (репликация ДНК и образование адекватного количества гистонов) с целью передачи в ряду клеточных поколений (митоз), а также в реализации наследственной информации в ходе биосинтеза белка в жизнедеятельности клетки (транскрипция, процессинг пре-РНК транскриптов, ядерно-цитоплазматический транспорт веществ и структур). В нем образуются структурные элементы — большая и малая субъединицы — цитоплазматических органелл рибосом, на которых в цитоплазме происходит образование полипептидов (простых белков).
Рис. 2-8. Структура клеточного ядра (схема).
В ядре выделяют ядерную оболочку с поровыми комплексами, ядерный матрикс, ядрышко, хромосомы (хроматин), ядерный сок.
2.4.3.1. Ядерная оболочка
Функции ядерной оболочки (кариолемма) состоят в отграничении ядерного содержимого от цитоплазмы, поддержании условий, необходимых для выполнения ядром функций, в частности, генетических, в обеспечении доступа к генетическому материалу и структурам (ДНК, хромосомы) сигналов (в общем виде лиганды, например, гормоны, транскрипционные факторы), меняющих функциональное состояние генов, в трехмерном упорядочении, то есть в пространственной организации генетических структур (хромосом, в частности, интерфазных) и процессов, в реализации двусторонних ядерно-цитоплазматических обменов и взаимодействий.
Механизмы ядерно-цитоплазматических транспортных потоков разнообразны. Ионы, низкомолекулярные соединения (сахара, аминокислоты, нуклеотиды), некоторые белки (гистоны) проникают из цитоплазмы в ядро относительно легко и вне связи с порами ядерной оболочки. Известен механизм проникновения в ядро стероидных, в частности, половых гормонов (эстрадиол, прогестерон), выполняющих в данной ситуации функцию лигандов (сигнальных молекул). Будучи жирорастворимыми, они легко проходят через плазмалемму из околоклеточной среды в цитоплазму клетки, где комплексируются с цитозольными рецепторами (семейство «белков теплового шока»), образуя ”лиганд-рецепторный комплекс”. Такой комплекс проходит через ядерную оболочку и связывается с гормонидуцируемыми генами. В итоге — активация последних, обусловливающая цепь событий, необходимых для полового развития организма и осуществления им репродуктивной функции (см. также 2.4.3.1). В рассмотренном примере белки теплового шока — это рецепторы для стероидных гормонов и, одновременно, транскрипционные факторы в неактивном состоянии, активируемые путем взаимодействия с гормоном (рис. 2-9).
Рис. 2-9. Комплексирование сигнальной молекулы (стероидный гормон) с цитозольным рецептором (для полового гормона — белки «теплового шока»), приводящее к транспорту в ядро и активации специфического
транскрипционного фактора (схема). 1 — сигнальная молекула; 2 — цитозольный рецептор: участок непосредственного связывания сигнальной молекулы; 3 — цитозольный рецептор: участок (домен) связывания сигнальной молекулы; 4 — цитозольный рецептор: участок (домен) связывания ДНК; 5 — цитозольный рецептор: участок (домен) активации транскрипции; 6 — ингибирующий белок.
Крупные белковые молекулы, рибонуклеопротеидные комплексы (субъединицы рибосом) попадают в ядро или покидают его через особые структуры — ядерные поры. Это проверено введением в цитоплазму клетки частиц коллоидного золота (диаметр порядка 14 нм), которые проникают из цитоплазмы в ядро, предварительно скапливаясь вблизи ядерных пор.
Ядерная оболочка выполняет в отношении главных ядерных структур хромосом организующую функцию. Преобразования ядерной оболочки и хромосом в митозе взаимосвязаны. В конце анафазы перед началом их декомпактизации (см. 2.4.3.4-б) хромосомы устанавливают контакты с мембранными пузырьками, которые затем, параллельно процессу декомпактизации, сливаются в ядерную оболочку. Если в эксперименте вызвать декомпактизацию хромосом уже в метафазе митоза, то каждая из них вступит в контакт с мембранным пузырьком и приобретет самостоятельную отдельную оболочку, имеющую строение ядерной.
Ядерная оболочка состоит из двух мембран, разделенных околоядерным (перинуклеарным) пространством. Несмотря на сходство электронно-микроскопической картины, скорость обмена фосфолипидов во внешней мембране в 4 раза превосходит скорость их обмена во внутренней. Перинуклеарное пространство (20–50 нм) сообщается с канальцами цито(эндо)плазматической сети. К наружной мембране ядерной оболочки прикрепляются рибо(поли)сомы. В околоядерной зоне цитоплазмы повышено содержание микрофиламентов и микротрубочек. К внутренней мембране, за исключением участков, занятых порами, прилежит высоко компактизированный(плотно упакованный)хроматин. Между мембраной и хроматином располагается ядерная ламина (плотная пластинка). Она образована промежуточными микрофиламентами (10 нм) в комплексе с белками внутренней ядерной мембраны. Учитывая прочность связи между пластинкой и хроматином, можно думать, что этим контактом обеспечивается пространственная упорядоченность расположения хромосом в объеме интерфазного ядра (см. 2.4.3.4), что, возможно, имеет функциональный смысл. Так, образование молекул гемоглобина требует скоординированной транскрипции генов a- и b-глобинов, которые у человека расположены, соответственно, на хромосомах 16 и 11. Такая согласованность может достигаться благодаря пространственному сближению названных хромосом (см. также 10.1).
Плотная пластинка выполняет структурную функцию: при ее наличии ядро сохраняет форму в отсутствии обеих мембран ядерной оболочки.
Ядерная пора (поровый комплекс) — структура диаметром порядка 100 нм, в образовании которой принимают участие обе мембраны ядерной оболочки и более 1000 белков (рис. 2-10). Число ядерных пор на 1 мкм2 ядерной оболочки зависит от интенсивности синтетических процессов в клетке. У низших Позвоночных, зрелые эритроциты которых сохраняют ядра, хотя синтезы в них сведены к нулю, на 1 мкм2 ядерной поверхности приходится до 5 пор, тогда как в активно образующих гемоглобин эритробластах Млекопитающих — 30. Оболочка ядра зрелого сперматозоида лишена пор. Относительное количество ядерных пор различается у животных разных видов: для лимфоцитов мышей эта цифра составляет 3,3 на 1 мкм2, а для лимфоцитов человека — порядка 5.
Рис. 2-10. Поровый комплекс (схема).
Структуры, аналогичные по строению поровым комплексам, в качестве редких находок обнаружены электронномикроскопистами в мембранах гранулярной эндоплазматической сети. Их функция неизвестна. Транслоконы, через которые образующиеся на рибо(поли)сомах полипептиды проникают в просвет канальцев эндоплазматической сети, имеют другое строение (см. 2.4.4.4-а).
2.4.3.2. Ядерный матрикс
Ядерный матрикс представлен нерастворимыми белками числом порядка 50. Предполагается наличие единой для внутреннего содержимого ядра сетчатой конструкции (скэффолд). Ее образуют плотно упакованные фибриллы (5–7 нм) с обозначениями согласно зонам их расположения в ядре — перихроматиновые, связанные с ядрышком (см. рис. 2-8). Конструкция связана с поровыми комплексами, плотной пластинкой, хроматином, ядрышком. Ее рассматривают как динамичную каркасную и объединяющую внутриядерные процессы структуру. Во взаимодействии с ядерным матриксом транскрипционные факторы обеспечивают требуемое взаиморасположение промоторных, энхансерных или сайленсерных участков транскрибируемых генов (рис. 2-11), происходят транскрипция и процессинг пре-и(м)РНК транскрипта, включая альтернативный сплайсинг (см. 2.4.5.5 и 8.2.5.2).
В генетически активных участках хроматина нуклеосомы связаны с белками матрикса (см. 2.4.3.4-б). Такой же контакт демонстрируют активно транскрибируемые и потенциально активные гены рДНК в области ядрышковых организаторов (см. 2.4.3.3).
Рис. 2-11. Ядерный матрикс как субстрат для образования транскрипционного инициаторного комплекса: взаимодействие белков матрикса, петли ДНК и общих трансрипционных факторов (схема).
Наряду с ядерным матриксом для обозначения внутренней среды ядра используют термин «ядерный сок» (понятие, возникшее и широко использовавшееся в период классической цитологии и гистологии). Его роль видится в обеспечении условий для функционирования генетического аппарата клетки — наличие предшественников для образования ДНК или РНК и ферментов их синтеза, ферментов молекулярной репарации ДНК или процессинга пре-и(м)РНК транскриптов. В нем находятся «транзитные» компоненты, следующие после проникновения внутрь ядра к ДНК хромосом или же в обратном направлении к ядерной оболочке и далее в цитоплазму.
2.4.3.3. Ядрышко
В интерфазных клеточных ядрах эукариот обнаруживается хорошо различимое при микроскопировании образование — ядрышко (нуклеола). В ядрышках образуются молекулы рибосомных РНК (рРНК), входящих в структуру рибосом — без(не)мембранных цитоплазматических органелл, на которых происходит образование полипептидов (простых белков). Необходимость белковых синтезов для жизнедеятельности любой клетки объясняет наличие ядрышек в клетках всех эукариот. Это правило подтверждается исключениями. Ядрышек нет в ядрах дробящихся клеток (бластомеров) в эмбриогенезе амфибий, поскольку в них используются рибосомы, заготовленные «впрок» в яйцеклетках в периоде роста ово(оо)генеза. Ядрышки утрачиваются сохраняющими ядра зрелыми эритроцитами птиц, поскольку в этих клетках белковый синтез завершен.
Образование трех из четырех видов рРНК эукариот (у прокариот три вида рРНК) происходит на генах (рДНК), занимающих определенные участки или локусы хромосом — ядрышковые организаторы. У человека — это хромосомы 13, 14, 15, 20 и 21. В области организаторов формируются ядрышки. Нередко, но не всегда, указанные области соответствуют участкам первичных (околоцентромерный гетерохроматин) или вторичных перетяжек хромосом (см. 2.4.3.4-в, 4.3.4). Количество ядрышек на ядро — величина переменная. Максимальное их количество не превышает числа организаторов. Снижение в сравнении с числом ядрышковых организаторов количества нуклеол объясняется их слиянием. В диплоидных соматических клетках человека при количестве ядрышковых организаторов, равном 10, ядрышко может быть одно.
Совокупное количество ядрышкового материала различается в клетках разного типа или в клетках одного типа при изменении функционального состояния. Оно отражает необходимость обеспечить образование требуемой массы рРНК.
Особенность генов рРНК в том, что они представлены в геноме многими копиями (мультигенные семейства или генные кластеры). У человека на гаплоидный набор хромосом их порядка 200. Для сравнения, количество копий генов рРНК: у мыши — 100, у кошки — 1000, у тритона — 4100, у аскариды — 300, у эвглены — 800, у кукурузы — 8500. Нуклеотидные последовательности рДНК относятся к фракции умеренно повторяющихся. У прокариот отсутствуют структуры, соответствующие ядрышковым организаторам эукариот. Тем не менее, сайты (гены, нуклеотидные последовательности) рДНК могут быть повторены в геноме бактерии 6–7 раз. Функциональное значение «тиражирования» генов рРНК заключается в повышении надежности генетической системы, обеспечивающей построение в клетках жизненно необходимого аппарата биосинтеза белка.
В области ядрышковых организаторов сначала создается 45S пре-рРНК транскрипт, путем процессинга которого образуются три из четырех видов эукариотической рРНК — 18S, 5,8S и 28S. Размеры даны в единицах Сведберга (S), отражающих скорость оседания (седиментации) макромолекул при ультрацентрифугировании: чем крупнее молекулы, тем быстрее они оседают. В процессинге пре-рРНК транскрипта участвуют малые ядрышковые РНК (англ., snoRNA — small nucleolar RNA) или «указывающие РНК» (англ., «guide RNA»). Функции этих РНК окончательно не установлены. Предположительно они необходимы для химической модификации в специфических точках и конформационных (объемных, трехмерных) изменений пре-рРНК транскрипта в целях обеспечения приготовления из него зрелых рРНК. Особенность многих snoRNA состоит в том, что их нуклеотидная последовательность закодирована в ДНК интронов структурных генов, особенно тех, которые контролируют образование рибосомальных белков. Гены четвертого вида рРНК эукариот — 5S — размещаются вне ядрышковых организаторов и повторены в геноме человека порядка 2000 раз.
С помощью электронного микроскопа в ядрышке описаны зоны с преимущественно фибриллярной (нитчатой) и гранулярной (зернистой) структурой. Первые представлены комплексами молекул белка и гигантских молекул пре-рРНК, из которых затем образуются более мелкие молекулы зрелых рРНК. В процессе созревания ядрышковые фибриллы преобразуются в гранулы, которыми представлены зоны с гранулярной структурой. Непосредственно в фибриллярной зоне ядрышка располагаются гетерохроматизированные неактивные сайты рДНК (см. 2.4.3.4-в).
2.4.3.4. Хроматин (хромосомы)
В ядре сосредоточена бόльшая часть ДНК эукариотической клетки — порядка 90%. Она распределена между ядерными структурами — хромосомами (греч., chrōma — цвет, soma — тело). Морфология хромосом меняется по стадиям клеточного цикла. При вхождении клетки в митоз материал хромосом приобретает плотную упаковку (митотическая форма), а вне митоза — рыхлую (интерфазная форма). При просмотре в микроскоп гистологических препаратов митотические хромосомы видны как хорошо окрашиваемые основными красителями (гематоксилин, краситель Гимза) тельца. Материал хромосом на гистологических срезах в интерфазных ядрах виден как совокупность интенсивно окрашенных основными красителями глыбок, зерен и волоконец — хроматин в терминологии классической морфологии. Генетикинаполняют этот термин (исторически морфологический) иным содержанием. Под хроматином они понимают вещество хромосомы, как таковое. Исходя из представления о сохранении структурной целостности хромосомвклеточном цикле, подчеркивается, что химический состав хроматина и плотность его упаковки различаются по длине хромосомы и в зависимости от стадии митотического цикла.
Хромосомы во взаимодействии с внехромосомными механизмами обеспечивают:
Úхранение генетической информации;
Úиспользование этой информации для воспроизводства и поддержания клеточной организации и функций;
Úрегуляцию считывания (транскрипция) наследственной информации;
Úудвоение (репликация, самокопирование) генетического материала материнских клеток перед клеточным делением;
Úпередачу этого материала дочерним клеткам в процессе митоза.
Первую из этих функций хромосома выполняет в обеих структурных формах — митотической и интерфазной, следующие три функции — в интерфазной форме, последнюю — в митотической форме.
Хромосомная организация наследственного материала эукариот создает условия для тонкой регуляции генетических функций, репаративных процессов, минимизирующих объем нарушений молекулярной структуры ДНК, а также для рекомбинации ДНК в ходе мейоза при образовании половых клеток (см. 6.5.2 и 4.1.1, кроссинговер, комбинативная генотипическая изменчивость).
2.4.3.4-а. Химический состав хроматина (хромосом) эукариотической клетки
Бόльшая часть объема хромосом представлена ДНК и белками. Заметные химические компоненты хромосом — РНК и липиды. Среди белков (65% массы хромосом) выделяют гистоновые (60–80% всех белков) и негистоновые. Массовые соотношения ДНК : гистоны : негистоновые белки : РНК : липиды составляют — 1:1:(0,2–0,5):(0,1–0,15):(0,01–0,03). В малых количествах присутствуют полисахариды, ионы металлов (Ca, Mg) и некоторые другие компоненты. Обеспечение биоинформационно-генетических процессов в животных клетках связано, в основном, с ядерной ДНК. На долю ДНК митохондрий приходится порядка 10%. Как правило, эукариотическая хромосома содержит одну двойную спираль ДНК, образованную двумя линейными комплементарными друг другу макромолекулами (цепями).
Известны примеры закономерно увеличенного количества ДНК на клетку (см. также 8.2.5.1). К ним относятся гигантскиеполитенные хромосомы в клетках слюнных желез насекомых, которые образуются в результате многократной репликации ДНК без расхождения биспиралей (эндорепликация). У плодовой мухи количество таких копий 512–1024. В диплотене профазы первого мейотического деления в ово(оо)цитах Рыб, Земноводных, Рептилий и Птиц образуются хромосомытипа «ламповых щеток» (рис. 2-12); для них характерно образование петель. Петля содержит фрагмент ДНК длиной 5–100 тыс. п.н. Хромосомы типа «ламповых щеток» отличаются высоким уровнем транскрипции РНК на ДНК.
Кратное гаплоидному увеличение количества ДНК в клетках печени закономерно происходит в постнатальном онтогенезе крыс и ряда других животных — феномен соматической полиплоидии. Полиплоидные (тетраплоидные — 4с, октаплоидные — 8с и далее, где с — количество ДНК гаплоидного набора хромосом) клетки имеют бóльшие в сравнении с диплоидными (2с) клетками размеры и, следовательно, более высокий функциональный потенциал. Если полиплоидное ядро делится и деление не сопровождается цитотомией, то образуется двуядерная полиплоидная клетка с оптимизированным в сравнении с одноядерной полиплоидной клеткой соотношением объема и площади поверхности ядер. Полиплоидные клетки — печеночные, нервные, кардиомиоциты — обнаружены у человека. В ово(оо)генезе амфибий наблюдается амплификация или временное увеличение количества генов рРНК. В диплоидных клетках африканской шпорцевой лягушки число копий этих генов 900, тогда как в диплотене профазы первого мейотического деления в образовании рибосомных РНК принимает участие более миллиона копий генов рРНК. Подсчитано, что без амплификации образование необходимого количества рибосомных РНК и, следовательно, числа рибосом заняло бы порядка 500 лет в сравнении с отпущенными природой 3–6 мес.
Рис. 2-12. Хромосомы типа «ламповых щеток».
В дополнение к названным выше способам, увеличение количества ДНК может также происходить путем дупликации определенного фрагмента нуклеиновой кислоты (см. также 13.1.2). Последовательная неоднократная дупликация с дивергентным развитием копий ведет, в частности, к образованию генных кластеров или мультигенных семейств, связанных с генетическим контролем в принципе одной функции, но в разных условиях. В качестве примера назовем кластер b-глобиновых генов гемоглобина человека (см. 2.4.3.4-д).
В некоторых случаях механизм дупликации использовался в эволюции для увеличения в геноме количества практически идентичных копий нуклеотидной последовательности, кодирующей макромолекулы, необходимые для выполнения жизненно важных общеклеточных функций: рРНК (см. 2.4.3.3), тРНК, гистонов.
Дополнительная новая ДНК приобретается также вследствие включения в геномы генов от других организмов путем горизонтального (латерального) их переноса, а также мобильных генетических элементов(см. 13.1.2).
Белки хромосом выполняют функции: защитную, структурную, регуляторную1, каталитическую, сервисную, опознавательно-конценсусно-сигнальную и ряд других.
1Регуляторная роль компонентов хромосом заключается в «запрещении» или «разрешении» считывания информации (транскрипция) с ДНК, в изменении скорости транскрипции и репликации ДНК.
Особое место среди хромосомных белков принадлежит гистонам. Проявляя в химическом отношении основные (щелочные) свойства и характеризуясь в целом положительным зарядом (благодаря высокому содержанию диаминокислот аргинина и лизина), они образуют ионные связи с отрицательно заряженными фосфатными группами внешней стороны двойной спирали ДНК. В составе нуклеогистонового комплекса ДНК менее доступна ферментам нуклеазам, вызывающим ее гидролиз (функция защиты). Гистоны выполняют структурную функцию, участвуя в процессе компактизации хроматина (см. 2.4.3.4-б, нуклеосомный уровень компактизации). Нуклеогистоновый комплекс ограничивает доступ к ДНК с целью использовать заключенную в ней генетическую информацию. Формирование инициаторного (стартового) комплекса перед началом транскрипции включает ацетилирование гистонов в промоторной области транскриптона, что, предположительно, облегчает доступ соответствующих ферментов к ДНК (регуляторная функция). Гистоновые белки представлены пятью видами (фракциями): Н1, Н2А, Н2В, Н3 и Н4.
Число ядерных негистоновых белков превышает несколько сотен. Среди них ферменты транскрипции РНК, репликации, репарации и химической модификации ДНК (каталитическая функция). Структурно-регуляторную функцию приписывают негистоновым белкам хромосомного матрикса (скэффолд — см. 2.4.3.2). Фиксируя участки двойной спирали (англ., SAR — Scaffold Attachment Regions), такие белки удерживают «открытую» конфигурацию хроматина, «разрешающую» доступ к биоинформации ДНК, то есть ее транскрипцию.
Многие негистоновые белки обнаруживаются в составе хромосом лишь некоторое время в связи с той или иной функциональной задачей. Так, начало процесса репликации ДНК состоит в присоединении к хромосоме инициирующих или «узнающих» белков (cм. 2.4.5.3), помечающих стартовую точку репликонов (опознавательно-сигнальная функция). Затем появляются расплетающие биспираль ферменты — х(г)еликаза и топоизомеразы, далее белки SSB (англ., Single Strand Binding Proteins), стабилизирующие одноцепочечные участки ДНК, белок-активатор праймазы — фермента, катализирующего образование РНК-затравки (РНК-праймера), — и, наконец, ДНК-полимераза. Сборка белковых комплексов — необходимое условие многих процессов с участием ДНК хромосом, включая репликацию и транскрипцию. Так, транскрипция фрагмента ДНК (структурный, транскрибируемый и транслируемый, экспрессируемый ген) у эукариот начинается с образования в области промотора гетеробелкового инициаторного комплекса, участниками которого являются так называемые общие транскрипционные факторы. Без этого невозможны ни «посадка» РНК-полимеразы на ДНК в требуемом месте, ни определение стартовой точки транскрипции (см. 2.4.5.5) — сервисная функция.
К категории «временных» относятся цитозольные белки-рецепторы (функционально –нередкотранскрипционные факторы), захватывающие сигнальные молекулы, например, стероидные гормоны, в комплексе с которыми они проникают в ядро и которые их активируют (см. 2.4.3.1).
РНК хромосом представлена продуктами транскрипции, еще не покинувшими место синтеза, — непосредственный продукт транскрипции генов или пре-и(м)РНК, пре-рРНК, пре-тРНК транскрипты. 5S РНК, которые «метят» начало и конец фрагментов пре-и(м)РНК транскрипта, соответствующие интронам, чем обеспечивают точность их удаления (сервисная или «конценсусная» функция на уровне пре-и(м)РНК транскрипта). Некоторые виды РНК «временного внутриядерного пребывания» создают условия для основного процесса, выполняя сигнальную функцию. Так, репликация ДНК требует для своего начала образуемой «на месте» РНК-затравки (РНК-праймера), которая по завершении процесса разрушается здесь же в ядре.
2.4.3.4-б. Структурная организация эукариотической хромосомы
На протяжении клеточного цикла хромосомасохраняет структурную целостность. В разные фазы цикла наблюдаемые под микроскопом картины меняются. Изменения хромосом при переходах из одной формы структурной организации в другую в клеточном цикле связаны со сменой функциональных приоритетов (см. 2.4.3.4). В основе таких переходов лежит процесс компактизации-декомпактизации (спирализации-деспирализации, конденсации-деконденсации) хромосомного материала — хроматина. Суммарная длина вытянутых в нити биспиралей ДНК 46 хромосом человека равна примерно 190 см, тогда как суммарная длина 46 метафазных хромосом, содержащих те же молекулы ДНК в состоянии максимальной компактизации, составляет порядка 180 мкм. Вследствие компактизации при переходе хромосом из интерфазной формы в митотическую суммарный линейный показатель сокращается примерно в 7–10 тыс. раз.
Тело человека состоит из 5´1013–1014 клеток и, следовательно, суммарная длина всех биспиралей ДНК в организме людей составляет 1011 км. Хотя это почти в 1000 раз больше расстояния от Земли до Солнца, в клетке на долю ДНК приходится менее 1% массы.
Выделяют следующие уровни компактизации хроматина (таблица 2-1 и рис. 2-13).
Таблица 2-1. Последовательные уровни компактизации хроматина
| Уровень, структура | Степень укорочения по сравнению с биспиралью ДНК | Диаметр, нм |
| Биспираль ДНК | ||
| 1. Нуклеосомный, нуклеосомная нить | 6–7 | |
| 2. Нуклеомерный, хроматиновая фибрилла, состоящая из упакованных нуклеосом | 25–30 | |
| 3. Хромомерный или петельно-доменный, петли хроматиновой фибриллы | ||
| 4. Хромонемный, конденсированный участок метафазной хромосомы (одной из хроматид) | 1 600 | |
| 5. Хроматидный, целая метафазная хромосома (состоит из двух хроматид — хромосом дочерних клеток) | 7 000–10 000 | 1 400 |
Рис. 2-13. Уровни компактизации хроматина. Старт — биспираль ДНК.
В образовании нуклеосомной нити диаметром 11 нм (первый уровень компактизации) ведущая роль принадлежит гистонам Н2А, Н2В, Н3 и Н4. Они образуют белковые тела или коры, состоящие из восьми молекул (по две молекулы каждого вида названных гистонов). Молекула ДНК комплексуется с белковыми корами, спирально накручиваясь на них. В контакте с кором оказывается фрагмент биспирали в 146 п.н. Свободную от контакта с корами ДНК (протяженность от 15 до 100 п.н. в клетках разных типов) называют линкерной (связующая). Отрезок ДНК порядка 200 п.н. вместе с белковым кором образует нуклеосому(рис. 2-14а). Благодаря описанной организации в основе структуры хроматина находится фибрилла, напоминающая нитку бус и представляющая собой цепочку повторяющихся единиц — нуклеосом (рис. 2-14б). ДНК генома человека, насчитывающая суммарно порядка 3,2´109 п.н., упаковывается максимально в 1,5´107 нуклеосом. В нуклеогистоновом комплексе имеются области без нуклеосом. Они располагаются с интервалами в несколько тысяч п.н. Им принадлежит важная роль в дальнейшей упаковке хроматина, поскольку они содержат нуклеотидные последовательности, специфически узнаваемые негистоновыми белками. Нуклеосомы важны для осуществления ДНК биоинформационно-генетической функции. Благодаря нуклеосомам в промоторных участках ДНК заблокированы области инициации (начала) транскрипции. Для того чтобы инициаторный комплекс возник, нуклеосомы должны быть «вытеснены» из соответствующих фрагментов промоторов ДНК.