Виды и особенности компактизации хромосом

Секрет прост, и в то же время поразителен: ДНК в комплексе с белками гистонами формирует хромосомы – ядерные структуры, служащие для хранения и передачи наследственной информации. Гистоны занимают 60% хромосомы, оставшиеся 40% приходятся на ДНК. Для того чтобы поместиться в клетку молекула ДНК подвергается процессу компактизации, в результате которого её размеры уменьшаются более чем в 10 тысяч раз. Компактизация хромосом сохраняет наследственный материал в наиболее компактной и удобной форме, а также обеспечивает его передачу из поколения в поколение.

Уровни компактизации хромосом

Первый уровень – нуклеосомный

На первом уровне образуется нуклеосома – нуклеопротеидная структура диаметром 11 нм, состоящая из ДНК длиной порядка 200 пар нуклеотидов и белков гистонов. В процессе участвуют четыре вида нуклеосомных гистонов: H2A, H2B, H3 и H4. Гистоны образуют протеиновый каркас, на котором витками располагается молекула дезоксирибонуклеиновой кислоты. Участок, связывающий соседние нуклеосомы, называется линкер.

Впервые нуклеосома была обнаружена на электронно-микроскопических снимках деконденсированных хроматиновых фибрилл: выявленные комплексы глобулярных белков и ДНК назвали «бусины на нитке».

Второй уровень – соленоидный или фибриллярный

Нуклеосомная нить скручивается с образованием хроматинового волокна – фибриллы. Этот процесс обеспечивается гистоном H1, который соединяет линкерную ДНК и белки. Белок стабилизирует фибриллу, но не определяет её строение. Впоследствии фибрилла спонтанно образует спираль с оборотами размером около 10 нм; каждый виток состоит 6-7 нуклеосом. Нуклеосомная фибрилла является термодинамически стабильной, поэтому легко формируется в экспериментальных условиях. Этот уровень наблюдается в митотических ядрах. На данном этапе укладки ДНК уплотняется в сорок раз, а диаметр фибриллы составляет 30 нм.

Третий уровень – хромомерный

Фибриллы складываются в петли, каждая из которых содержит до 90 тыс. пар нуклеотидов. Петли фиксируются специальными белками – скэффолд-белками. Из петель образуются конденсаты хроматина в форме розетковидных образований, которые не только участвуют в компактизации ДНК, но и организуют функционально активные единицы хромосом. Такие розетки называются хромомеры. Средний размер хромомера составляет 100-150 нм.

Четвёртый уровень – хромонемный

Хромомерные петли укладываются в стопки, которые называются хромонемы. В их образовании участвуют негистоновые белки, имеющие способность узнавать специфические нуклеотидные последовательности и сближать их. Степень конденсации хромонем неравномерна – участки более плотной спирализации называются хромоцентрами. На данном этапе линейные размеры ДНК сокращаются ещё в 10 раз, при этом вследствие высокой степени конденсации молекула теряется свою способность нести генетическую информацию, то есть не может принимать участие в процессах транскрипции и репликации. В таком состоянии генетический материал находится во время интерфазы.

Пятый уровень – хромосомный

Когда клетка вступает в митотический период, хроматин переходит в суперкомактизированное состояние. Это объясняется тем, что в компактной форме наследственный материал проще передать в дочерние клетки в процессе деления. На данном уровне компактизации генетический материал не имеет функциональной активности и не способен участвовать в процессах внутриклеточного синтеза. Хромонемы соединяются друг с другом, образуя хроматиды. Крупные, видимые в световой микроскоп хромосомы диаметром 1400 нм состоят из двух хроматид. Процесс компактизации хромосом наиболее выражен в периоды метафазы и анафазы. К наступлению телофазы генетический материал переходит в состояние интерфазного хроматина.

Виды компактизации ДНК

При окраске ядер специфическими для ДНК красителями было обнаружено, что ДНК упаковано неравномерно: некоторые участки приобретали более яркий цвет и впоследствии были названы хроматиновыми глыбками. Учёные сделали вывод, что интенсивно окрашивающиеся участки имеют более высокий уровень конденсации, чем светлые участки. Позднее было экспериментально подтверждено, что генетический материал в упакованном состоянии не имеет функциональной активности, а деконденсированный хроматин участвует во внутриклеточных процессах.

Когда клетка пребывает в интерфазе, уровень компактизации хромосом низкий, потому что они деспирализуются до хроматина. Именно в деконденсированном состоянии хроматин используются в процессах транскрипции и репликации – в такой форме он называется эухроматин. Эухроматиновые участки не выявляются при окраске ядер и не наблюдаются в световом микроскопе. Конденсированный и неактивный хроматин называется гетерохроматин. Он подразделяется на конститутивный (облигатный), то есть всегда находящийся в компактном состоянии, и факультативный – способный переходить в эухроматин и участвовать во внутриклеточных процессах. Конститутивный хроматин выполняет структурную функцию: он поддерживает форму ядра и обеспечивает прикрепление хроматина к ядерной мембране.

Соотношение эухроматина и гетерохроматина является показателем активности внутриклеточных процессов. Высокое содержание эухроматина свидетельствует об активных процесс клеточного синтеза. Если функции клетки полностью подавлены, в ней не происходит процессы транскрипции и репликации, то наблюдается явление кариопикноза, при котором ядро уменьшается в размерах и содержит исключительно гетерохроматин.