ХРОМОСОМИ Із усіх клітинних компонентів, що спостерігаються в процесах мітозу та мейозу, найбільш досконало вивчені хромосоми. Вони містяться в каріоплазмі та характеризуються постійно кількістю, якісним складом в клітинах даного виду. Каріотип – кількісний та якісний склад хромосом, властивий особинам даного виду. У більшості диплоїдних видів каріотип складається з 5-30 пар хромосом, однак відомі види, клітини яких містять лише 1 пару (малярійний плазмодій) або сотні пар (радіолярія). Хромосоми однієї пари називають гомологічними, одна з них належить чоловічій батьківській формі, а інша материнській. Їх об’єднання в одному каріотипі здійснюється під час запліднення. Хромосоми різних пар називають гетерологічними. Хромосоми являють собою компоненти ядра, яким властива особлива організація індивідуальність та функція. Вони здатні до самовідновлення та збереження своїх морфологічних та фізіологічних властивостей. Хімічну субстанцію хромосом називають хроматином. МОРФОЛОГІЯ ХРОМОСОМ КАРІОТИПУ Морфологічні особливості хромосом вивчають на стадії метафази та анафази мітозу. У цей час вони мають вигляд циліндричних кілець, які інтенсивно забарвлюються основними барвниками. Хромосоми людини краще вивчати на мазках кісткового мозку, културах лейкоцитів та ін. Форми хромосоми визначаються місцем розташування первинної перетяжки, в цій ділянці знаходиться світла зона з невеликою гранулою або сферулою. Ця світла зона називається центромерою та її функція пов’язана з переміщенням хромосоми під час мітозу або мейозу. До неї приєднуються нитки ахроматинового веретена. Кожна хромосома зазвичай має лише одну центромеру (моноцентрична хромосома), іноді зустрічаються дицентричні та поліцентричні хромосоми. Хромосома ділиться центромерою на 2 частини, які називаються плечами хромосоми. Деякі хромосоми містять вторинну перетяжку, яка може бути короткою або довгою та локалізується в різних точках вздовж хромосоми. В окремих випадках вторинна перетяжка відокремлює від основної структури хромосоми невелике кулясте потовщення. Таку хромосому називають хромосомою із супутником або сателітом – SAT хромосома. Поява деяких вторинних перетяжок пов’язана з утворенням ядерець. Такі спеціалізовані ділянки окремих хромосом називають ядерцевими організаторами. Кінцеві ділянки хромосом називають теломерами. Вони запобігають склеюванню термінальних ділянок хромосом. З кожним поділом клітини теломери вкорочуються до певної довжини. У більшості еукаріот теломери складаються з хромосомної ДНК, яка містить короткі тандемні повтори. Ці ділянки хромосом разом із специфічними білками утворюють нуклеопротеїдний комплекс – теломерний гетерохроматин. З кожним поділом клітини теломери вкорочуються через нездатність ДНК-полімерази синтезувати копію ДНК з 5’-кінця. Цей феномен носить назву біологічного старіння. Явище вкорочення хромосом вперше спостерігав Хейфлік, який встановив, що в культурі клітин клітини гинуть після приблизно 50 поділів. Теломери можуть вкоротитися згідно з межою Хейфліка на 150300 нуклеотидів. Проте в 1998 р. вчені встановили наявність ферменту теломерази, який додає специфічні тандемні послідовності 3’-кінця на ділянках теломер. Виходячи із форми хромосоми та положення первинної перетяжки розрізняють типи хромосом: Метацентричні – первинна перетяжка ділить хромосому на два різних плеча (первинна перетяжка розташована посередині). Субметацентричні – первинна перетяжка утворює плечі неоднакової довжини. Акроцентричні – хромосоми з дистально розміщеною центромерою та дуже коротким майже непомітним другим плечем. Телоцентричні – хромосоми з центромерою на дистальному кінці хромосоми. Найбільш важливими ознаками, що дають можливість ідентифікувати окремі хромосоми під час мітозу є їх кількість, відносні розміри, форма та внутрішня будова. В структурі хромосоми за допомогою світлового мікроскопа розрізняють більш темні ділянки – гетерохроматин та світлі зони – еухроматин. Гетерохроматинові ділянки хромосоми більш спіралізовані, що пояснюється більш інтенсивне забарвлення. Розрізняють конститутивний гетерохроматин, який постійно виявляється в хромосомах та факультативний гетерохроматин, який то з’являється, то зникає в залежності від стадії клітинного циклу та фізіологічного стану клітини. Конститутивний гетерохроматин знаходиться головним чином у прицентромерних та теломерних ділянках хромосоми, де міститься основна кількість сателітної ДНК, яка не містить значущих послідовностей. Характер розподілу еу- та гетерохроматинових ділянок вздовж хромосоми є дуже постійним на певній стадії мітозу, що слугує додатковим критерієм для ідентифікації хромосом. ГІГАНТСКІ ХРОМОСОМИ У деяких клітинах на певних стадіях їх життєвого циклу спостерігають особливі гігантські хромосоми, при цьому збільшені розміри ядер, які містять ці хромосоми. До гігантських хромосом відносять політенні хромосоми, які виявляють в клітинах слинних залоз личинних двокрилих комах, в ядрах клітин кишечника, мальпігієвих судин, а також в деяких рослин в ядрах синергії. У дрозофіли меланогастер політенні хромомсоми за об’ємом у 1000 разів більші, ніж звичайні. Такі величезні розміри є наслідком ендомітозу – 9-10 послідовних реплікацій хромонем, без наступного їх розходження. Тільки ДНК у таких хромосомах зростає приблизно в 1000 разів, а сотні хромонем гомологів тісно кон’югують (як у профазі мейозу). Це явище називають соматичною гібридизацією. Вважається, що ці хромосоми постійно знаходяться на стадії профази мітозу. До гігантських хромосом можна віднести також хромосоми типу лампових щіток, які спостерігаються в ооцитах на стадії першого поділу мейозу. Їх довжина більша за довжину політенних хромосом. Хромосоми типу лампових щіток мають множинні тонкі бокові вирости, які надають їм відповідного вигляду. Центральна вісь таких хромосом складається із сплетених гомологів, в яких лінійно розташовуються хромомери. Ріст хромосом типу лампових щіток здійснюється за рахунок збільшення розмірів хромомерів. Бокові вирости мають форму петель. Через хромомери та петлі проходить неперервна молекулу ДНК. Бокові петлі утримують наростаючі фрагменти РНК, що утворюються в процесі транскрипції. МОЛЕКУЛЯРНА ОРГАНІЗАЦІЯ ХРОМОСОМ ЕУКАРІОТІВ Основними хімічними компонентами хроматину є ДНК та білки, які входять до складу хромосоми майже в однакових кількостях. Інші компоненти (РНК, ліпіди, органічні іони) зустрічаються в малих кількостях. Кожна еукаріотична хромосома, за винятком політенних хромосом, утримує лише одну велетенську молекулу ДНК, оточену різними білками. В хромосомі ссавців середня довжина молекули ДНК – 2 см. Сумарна протяжність всіх ДНК у клітині – 1.8 м. Лінійні розміри хромосоми в 6-10000 разів поступаються розмірам ДНК, що свідчить про дуже компактну укладку ДНК в хромосомах. До складу хромосом входять білки гістони, а також невелика група негістонових білків. ГІСТОНИ Гістони являють собою поліпептиди, що складаються з 50-200 амінокислотних залишків. 25% усіх амінокислот у гістонах представляють лізин, аргінін, гістидин, що визначають лужні властивості цих білків. 5 основних класів гістонів: Н1 містить багато лізину та є дуже варіабельним за будовою та кількістю молекул в організмі різних видів. Н2А Н2B Н3 Н4 Н2А, Н2В, Н3, Н4 гістони присутні у складі більшості хроматинів в еквімолярних кількостях (1:1) та досить консервативні в еволюційному плані. Середня частина молекул гістонів Н2А, Н2В, Н3 та Н4, що складається із 70-80 амінокислотних залишків спіралізована та утворює глобулу діаметром 2.5 нм. По обидві сторони цієїглобули відходять неспіралізовані «хвости молекули». З ДНК тісно зв’язуються головним чином ті чатини молекули гістонів, які несуть найбільшу кількість позитивно заряджених радикалів. Решта молекули взаємодіє з ДНК за рахунок гідрофобних та водневих зв’язків. Одна із дуже важливих особливостей гістонів – їхня здатність до біохімічних модифікацій, без яких було неможливим нормальне функціонування генів. Під біохімічними модифікаціями розуміють, наприклад, фосфорилювання, ацетилювання, метилювання амінокислот. За цих перебудов послаблюються позитивні заряди гістонів та ДНК хромосом декомпактизується, що сприяє її реплікації або транскрипції. За винятком метилювання усі біохімічні модифікації гістонів є зворотніми. Вони відбуваються у чітко визначеній терміни клітинного циклу. НЕГІСТОНОВІ БІЛКИ ХРОМАТИНУ Негістонові білки хроматину (кислі білки) – це всі інші білки хроматину, в кількісному відношенні їх менше, ніж білків гістонів, але вони дуже різноманітні за будовою та функціями. Ці білки протилежність гістонам виявляють значну міжвидову та міжтканинну специфічність. Їм властиві як слабколужні, так і кислі властивості. До негістонових білків належать: білки-ферменти, необхідні для реплікації, транскрипції або репарації. Серед них є білки-активатори та репресори генів. Негістонові білки не тільки беруть участь у функціонування геному, але й разом з гістонами забезпечують необхідну структурну організацію хромосом, впливаючи на ступінь компактизації ДНК у хромосомі. НАДМОЛЕКУЛЯРНА ОРГАНІЗАЦІЯ ХРОМОСОМ ЕУКАРІОТІВ У 1974 р. було з’ясовано, що хроматин складається з субодиниць, які мають однаковий тип організації у всіх еукаріотів. Ця субодиниця, так звана нуклеосома, являє собою глобулу з 8 молекул гістонів та намотаного на неї фрагмента ДНК довжиною близько 200 пар нуклетидів (п. н.). Ядро нуклеосоми складають гістони Н2А, Н2В, Н3, Н4 – по 2 молекули кожного, отже всього 8 молекул. Крім того, з кожною нуклеосомою зв’язана 1 молекула Н1. Ця молекула з’єднує між собою нуклеосоми, які зв’язані між собою молекулою ДНК. ДНК намотана на ці нуклеосоми, 1.8 витка навкруги кожного білкового октамеру. Таким чином, між кожними 2 нуклеосомами є певної протяжності (від 8-114 п. н.) фрагмент ДНК, який називають лінкерною ДНК. Довжина ДНК, що входить до складу нуклеосоми коливається 180-260 п. н. залежно від об’єкту дослідження, стадій індивідуального розвитку та інших причин. Після обробки нуклеосом нуклеазою можна отримати мономери хроматину з меншою, але досить стабільною довжиною ДНК, яка намотана на білковий октамер. Субодиниці хроматину, кожна з яких складається з 8 молекул гістонів, та відносно не чутливого до нуклеази фрагмента ДНК (146 п. н.) назвали мінімальними нуклеосомами або корчастками. Їх препарати використовують у різних структурних дослідженнях замість препаратів нуклеосом, у яких довжина фрагмента ДНК буває різною. Негістонові білки нуклеосом (кислі білки) , наприклад, білок нуклеогістон взаємодіє з гістонами в процесі утворення нуклеосом і тим запобігає неупорядкованому, хаотичному утворенню нуклеосом. Крім того, негістонові білки приєднуються до ДНК деяких інших стратегічних ділянках, захищаючи їх від нуклеазного розщеплення та проявляючи функцію регуляторів або каталізаторів хромосомних функцій. Схема компактизації хроматину еукаріот 1 РІВЕНЬ УКЛАДКИ ДНК 1 рівень – утворення нуклеосом, довжина ДНК скорочується в 6.5-7 разів, а ДНК намотана на гістонові октамери утворює нуклеосомну нитку діаметром 11 нм. 2 РІВЕНЬ УКЛАДКИ ДНК 2 рівень – супернуклеосомний полягає в утворенні хроматинової фібрили діаметром 30 нм. В залежності від умов структура хроматину на цьому рівні може змінюватися за рахунок деякої свободи у взаєморозміщенні нуклеосом вздовж нуклеосомної фібрили. Укладка нуклеосом у складі хроматинової фібрили залежить від гістону Н1. Цей гістон наче притягує сусідні нуклеосоми одна до одної. Загальне розташування нуклеосом у гетеро- та еухроматинових ділянок хромосом неоднакове. Для гетерохроматину характерні компактні хроматинові фібрили, а в еухроматині більш рихле розташування нуклеосом. В останньому випадку гістон Н1 виявляє менш міцний зв’язок з хроматином. Пазування нуклеосом - нерівномірне розташування нуклеосом вздовж нуклеосомної нитки, залежне від нуклеотидної послідовності ДНК. Запропоновано декілька моделей упаковки нуклеосом у складі хроматинової фібрили. Одна з них полягає в тому, що нуклеосомна нитка спіралізується, на 1 виток спіралі припадає 6 нуклеосом. Інші електрономікроскопічні та біохімічні дані свідчать, що нуклеосомна нитка на 2 рівні компактизації утворює структури, які не мають ознак спіральної. Дві моделі можливі укладки нуклеосомної нитки в хроматиновій фібрилі 3 РІВЕНЬ УКЛАДКИ ДНК Відбувається подальша спіралізація хроматинових фібрил з утворенням петельних структур. Поодинока суперспіралізована петля, що утворена хроматиновою фібрилою називається нуклеомером. Розетка із нуклеомерів утворює хромомер – характерну структуру метафазної хромосоми. Кожна хромосома являє собою певну послідовність зазначених хромомерів, які можна виявити цитологічно. Є переконливі докази того, що всі хромосоми мають петельну організацію, тобто являють собою серію петельних доменів. У хромемерах ці петельні домени надспіралізовані та компактно укладені в кластери. У місцях активного хроматину петлі вивільняються та розкручуються. Кожен петельний домен – самостійна функціональна одиниця, що утримує послідовності ДНК, які кодують 1 або декілька РНК. За рахунок надспіралізованих петельних доменів (3 рівня компактизації) протяжність ДНК зменшується ще в 103 разів, що характерно для інтерфазної хромосоми. У процесі поділу клітин здійснюється подальша конденсація хромосом за рахунок нового рівня спіралізації, а загальне скорочення довжини ДНК досягає 104, 105 разів. На цьому рівні організації хроматину утворюється соленоїд другого порядку з діаметром 2 мкм, тобто дорівнює діаметру метафазної хромосоми.
