Хромосомы, морфология и молекулярная структура

Ядерная ДНК является кодовой формой записи наследственной информации. Линейный генетический код, словами-символами в котором служат тройки нуклеотидов - кодонов, образованные только из четырех букв (А, Г, Т, Ц - это азотистые основания в составе нуклеиновой кислоты, соответственно - аденин, гуанин, цитозин, тимин) позволяет хранить огромное количество информации в ограниченном объеме. Каждая молекула ДНК упакована в надмолекулярную структуру, которая получила название хромосома. Основу хромосомы составляет одна непрерывная двухцепочечная молекула ДНК. На стадии метафазы деления клеток плотноупакованные хромосомы хорошо различимы в световом микроскопе. Каждая хромосома состоит из двух продольных копий­ – сестринских хроматид. В клетках тела двуполых животных и растений каждая хромосома представлена двумя гомологичными хромосомами, происходящими одна от матери, другая от отца. Число хромосом сильно варьирует: от двух до нескольких сотен составляют кариотип у разных видов. Все хромосомы имеют специфические участки: первичную перетяжку – центромеру (участок, где митотическое веретено соединяется с хромосомой), два плеча хромосомы и два концевых теломерных участка или теломеры. Совокупность генов характерных для гаплоидного набора хромосом данного вида организма называется геном. Геном любой клетки многоклеточного организма содержит полную генетическую информацию и любая клетка может быть использована для клонирования этого организма. Геном простейших прокариотических организмов, например, бактерии E.coli содержит 1 молекулу ДНК, составленную из 4,7^.10⁶ нуклеотидных пар (одна хромосома). Геном человека составлен из 6^.10⁹ пар нуклеотидов, упакованных в 23 пары хромосом. Из них 22 пары аутосом и 2 отличающиеся друг от друга половые хромосомы - Y-хромосома (мужская) и Х-хромосома (женская). Другие млекопитающие имеют приблизительно такой же по размеру геном. Главной функцией генома является сохранение наследственной (генетической) информации о структуре и функциях, как всего организма, так и составляющих его систем: органов, тканей, клеток. Сохранность и передача наследственной информации в ряду поколений обеспечивается способностью хромосом удваиваться (реплицироваться) перед каждым делением клетки. Генетическая информация, закодированная в геноме, не только хранится в ядре любой эукариотической клетки, но и постоянно используется в процессе индивидуального развития и жизнедеятельности, как каждой индивидуальной клетки, так и организма в целом. С этой целью в ядре происходит постоянная транскрипция (переписывание) определенных участков нуклеотидной последовательности ДНК с образованием соответствующих последовательностей РНК. Каждый участок молекулы ДНК, на котором синтезируется активная молекула РНК, называется ген. Гены входящие в состав хромосом человека и большинства других животных и растительных организмов могут содержать до 2 млн. нуклеотидных пар, хотя чаще отдельные гены имеют размер около 100 000 нуклеотидных пар. Вместе с тем для кодирования белка среднего размера (300-400 аминокислот) необходима последовательность содержащая около 1000 пар нуклеотидов. Таким образом, значительная часть любого гена состоит из некодирующих участков ДНК, которые называются интронами. Кодирующие последовательности в генах называются экзонами. Большие гены состоят из длинной вереницы чередующихся экзонов и интронов. Кроме того, в каждом гене имеются регуляторные последовательности ДНК, с которыми связываются регуляторные белки, контролирующие процесс транскрипции.

Весьма интересным представляется вопрос о соотношении кодирующих и некодирующих областей в геноме. Как показывает анализ, у C.elegans примерно равные доли – 27 и 26% соответственно – занимают в геноме экзоны (участки гена, в которых записана информация о структуре белка или РНК) и интроны (участки гена, не несущие подобной информации и вырезаемые при образовании зрелой РНК). Остальные 47% генома приходится на повторы, межгенные участки и т.д., т.е. на ДНК с неизвестными функциями. Сравнив эти данные с дрожжевым геномом и геномом человека, мы увидим, что доля кодирующих участков в расчете на геном в ходе эволюции резко уменьшается: у дрожжей она очень высока, у человека очень мала.

Кроме ДНК и регуляторных белков в состав хромосом входит большое количество структурных белков, наиболее изученные и многочисленные из которых гистоны. Комплекс структурных белков с ядерной ДНК называют хроматином. Хроматин на окрашенных препаратах клетки представляет собой сеть тонких фибрилл и глыбок. На электронных фотографиях хроматин напоминает бусины на нитке. Элементарной единицей упаковки хроматина является нуклеосома диаметром около 11 нм (рис). Нуклеосома состоит из двойной спирали ДНК, обмотанной вокруг комплекса из восьми нуклеосомных гистонов. Нуклеосомные частицы отделены друг от друга сегментами линкерной ДНК. Общая длина участка ДНК, включенного в нуклеосому животных, составляет около 200 пар нуклеотидов.

Рис. Нуклеосомы хроматина

Важнейшая роль гистонов, заключается в том, что они обеспечивают упаковку очень длинных молекул ДНК, их длина у человека варьирует от 1,7 до 8,5 см, в компактные структуры, помещающиеся в клеточном ядре и способные осуществлять процесс транскрипции. Особенно компактной и конденсированной становится структура хромосом при делении клеток в фазе клеточного цикла, называемом митоз. Именно в этот период хромосомы можно наблюдать с помощью светового микроскопа. Во всех других стадиях клеточного цикла степень конденсации большинства хромосом сравнительно невелика: они сильно растянуты и спутаны, что делает их невидимыми. В настоящее время считается, что декомпактизация структуры как самой нуклеосомы, так и хроматина в целом происходит вследствие ацетилирования (с помощью ферментов гистонацетилтрансфераз) концевых остатков лизина в гистонах, что нейтрализует их положительный заряд и блокирует их ассоциацию с витками нуклеосомной ДНК