Будова хромосом: хроматин, центромера, теломера
Слово «хромосома» означає «забарвлене тіло» (забарвлюється більш ефективно, ніж інші компоненти клітини). Кожна хромосома складається з дуже довгою молекули ДНК, пов'язаної з РНК і білками, утворює речовина, відома як хроматин. Під час інтерфази клітинного циклу (коли клітина не ділиться) хромосоми розподілені по всьому ядру, в той час як при мітозі і мейозі вони ущільнюються, розташовуючись ближче один до одного.
ДНК міститься саме в хромосомах, ймовірно, тому, що це полегшує поділ повного набору генів між дочірніми клітинами на стадії мітозу, а також її упаковку в головки сперматозоїдів після мейозу.
Здатність до фарбування використовують в діагностичних цілях для візуального дослідження хромосом, їх ідентифікації та виявлення патологій. Розрізняють слабоокрашенниє частини (еухроматин) і області з більш вираженою забарвленням (гетерохроматин).
Генетична інформація (геном) укладена в молекулі ДНК і кодована певною послідовністю азотистих основ в ДНК. Основна частина цієї інформації знаходиться в складі хромосом в ядрі клітини, однак невелика кількість ДНК у вигляді вільних ланцюжків локалізовано в мітохондріях цитоплазми. Ядра присутні практично у всіх клітинах організму людини, за винятком еритроцитів і клітин кришталика.
Зазвичай в кожному ядрі міститься двометрова ланцюг ДНК, розділена між 23 парами хромосом (приблизно по 4 см на хромосому). Однак безпосередньо перед поділом вона ущільнюється до 5 um (0,005 мм) за допомогою складних процесів спирализации і ущільнення.
Структура хроматину хромосом
У кожній хромосомі ланцюг ДНК двічі обмотана навколо октамерний комплексу, що складається з восьми «білків зберігання» (гістонів), які формують нуклеосоми, при цьому утворена структура нагадує «намиста на нитки». Кора (серцевина) нуклеосоми складається з двох молекул кожного з чотирьох гістонов- Н2А, Н2В, НЗ і Н4. Гістони заряджені позитивно, а тому можуть утворювати іонні зв'язку з негативно зарядженими фосфатними групами ДНК.
Послідовність амінокислот в гістонів у всіх видів збігається практично на 100%, вказуючи на величезну значимість даних елементів в підтримці структури і функцій хроматину. Кожна нуклеосома вміщує близько 200 пар основ молекули ДНК і вкорочує довжину ланцюга ДНК на одну десяту.
Потім подібна бусам нитка спіралізуются в соленоїд, або зигзагоподібну спіраль (фібрила довжиною 30 нм), що складається з 5-6 нуклеосом. При цьому її структура підтримується однією молекулою гистона HI на кожну нуклео-сому. Коефіцієнт упаковки при утворенні соленоїда приблизно дорівнює 5, що в свою чергу дає загальний коефіцієнт упаковки 50. Існує припущення, що в такому стані еухроматин знаходиться під час інтерфази в місцях, де гени НЕ експресуються.
Під час мітозу і мейозу хромосоми ще більше ущільнюються, при цьому коефіцієнт упаковки по відношенню до попередніх рівнів становить 100, а загальний коефіцієнт може досягати 5000. Вважають, що фібрили хроматину складаються в витягнуті петлі, в основі яких розташований скаффолд (остов) з негістонових хромосомних білків, які прикріплюються до певних послідовностей підстав, розосередженим уздовж молекули ДНК. Стиснення цих негістонових хромосомних білків імовірно обумовлює ущільнення хромосом.
Один з ключових білків скаффолда - топоізомераза II, фермент, який розщеплює подвійні ланцюги ДНК, переносить їх через розрив і знову з'єднує, що в свою чергу необхідно для релаксації суперспіраль ДНК під час реплікації або транскрипції. Топоізомераза II прикріплюється до ділянок зв'язування з скаффолдом, які багаті А- і Т-підставами (більше 65% підстав становлять А і Т, див. Розділ 4). Вважають, що кожна петля виступає в ролі незалежного функціонального домена під час реплікації або транскрипції ДНК.
На наступному етапі петлі фібрил хроматину спирализуются, в результаті чого виникає найбільш ущільнений гетерохроматин, що входить до складу хромосоми під час поділу клітин.
Диференціальне фарбування хромосом
Найбільш ущільнені частини хромосом добре фарбуються барвником Гимзе (G-забарвлення). При цьому чітко видно сильно ущільнені маленькі петлі (G-смуги), так як ділянки зв'язування з скаффолдом тісно прилягають один до одного. Їх реплікація відбувається під час S-періоду, вони не активні під час транскрипції. Смуги, які погано фарбуються розчином Гимзе, або R-смуги, складаються з більш вільних петель, багатих Г- і Ц-підставами, вони відрізняються високою активністю під час транскрипції. В основі ідентифікації хромосом лежать відмінності в їх забарвленні.
центромера хромосом
Видимі на ранніх стадіях мітозу хромосоми складаються з двох абсолютно однакових структур, званих сестринськими хроматидами, які з'єднує первинна перетяжка. Вона являє собою недупліцірованний ділянку ДНК, або центромеру, яка дупліціруется на початку анафази мітозу.
Кінетохор - органела, яка локалізована на кожній стороні кожної центромери в період ранньої профази мітозу і полегшує полімеризацію димарів тубуліну, необхідну для утворення мікротрубочок мітотичного веретена (веретена поділу).
Тепомера хромосом
Теломер називають спеціалізовану дільницю кінця хромосоми. До неї прикріплюються теломерспеціфіческіе білки, що утворюють «шапочку» (cap) для захисту кінця хромосоми.
Теломери імовірно перешкоджають патологічного злиття кінців хромосом кінець в кінець, забезпечують повноту реплікації, беруть участь в утворенні пар хромосом під час мейозу і допомагають відновлювати внутрішню структуру ядра на стадії інтерфази шляхом приєднання хромосом до ядерної мембрані.
Еухроматин і гетерохроматин хромосом
Еухроматин знаходиться в ущільненому стані під час ділення клітин і розпаковується на стадії інтерфази. Він обумовлює бліде фарбування R-смуг в ущільнених хромосомах і містить більшість структурних генів.
Гетерохроматин дуже сильно ущільнений під час поділу клітини і залишається в такому стані навіть на стадії інтерфази. Він локалізований в основному на периферії ядра і близько ядерця і активний під час транскрипції. Конструктивний (структурний) гетерохроматин однаковий у всіх клітинах організму, в той час як факультативний гетерохроматин різний в залежності від типу генів, експрессіруемих в диференційованих клітинах певних тканин.