Уровни укладки ДНК в составе хромосом

Нуклеосомный – глобулы 10 нм. Нуклеосома состоит из октамера гистонов с ДНК по поверхности. Октамер гистонов образует сердцевину – кор. По поверхности кора располагается ДНК величиной в 146 п.н. Образует 1, 75 оборота. Остальные 54 п.н. – образуют участок, не связанный с белками – линкер. Кор состоит из гистонов Н2А, Н2В, Н3, Н4 (по две копии). Гистон Н1 частично связывается с основой и с участком линкера. Полная нуклеосома содержит около 200 п.н. Плотность упаковки в 6-7 раз.

Нуклеомерный – фибриллы 30 нм. Фибрилла диаметром 30 нм может обратимо менять свой диаметр – становится фибриллой толщиной 10 нм, если поместить препараты хроматина в деионизированную воду. Характер упаковки нуклеосом в составе фибриллы хроматина диаметром 30 нм может быть различен. Два типа укладки. 1 – соленоидный тип укладки. Нить плотно упакованных нуклеосом диаметром 10 ни образует в свою очередь спиральные витки с шагом спирали около 10 нм. На один виток такой суперспирали уходит 10 нм. Возникает фибрилла спирального типа с центральной полостью, которая иногда видна на негативных препаратах. Гистон Н1 обеспечивает взаимодействие между соседними нуклеосомами, способствуя образованию кооперативной связи между нуклеосомами, благодаря чему возникает плотная спираль. Удаление Н1 вызывает распад фибриллы. Такой тип упаковки – компактизация около 40 раз. 2 – если исследовать хроматин в виде выделенных препаратов, но при поддержании определенной концентрации двухвалентных катионов, то можно видеть дискретность в составе фибрилл хроматина диаметром 30 нм: она состоит из сближенных глобул того же размера – нуклеомеров. Компактность зависит от концентрации ионов магния и наличия гистона Н1. Негистоновые белки не участвуют. Нуклеомеры содержат по 6-8 нуклеосом. В состав одного нуклеомера входит отрезок ДНК равный 1600 п.н. Компактизация различна, но около 40 раз…

Хромомерный – петлевые домены ДНК. Петлевой принцип упаковки ДНК обаруживается, если выделенные ядра обработать 2М NaCl – удалить все гистоны. Целостность ядра сохранится. Вокруг ядра возникнет гало состоящее из огромного числа петель ДНК. Гало (переферия) состоит из огромного количества замкнутых на переферии петель ДНК. Основнание петель закреплено внутри ядра, на участках негистоновых белков. Считается, что после удаления гистонов, основания петлевых доменов связаны с матриксом или скэффолдом – негистоновым белковым остовом интерфазного ядра. Оказалось, что участки ДНК связанные с этим остовом имеют особое сродство к негистоновым белка. Их состав изучен, они получили название MAR или SAR участков. Петлевые домены ДНК интерфазных ядер можно выделить. В выделенных ядрах, в присутствии двухвалентных катионов в хроматине ядра выявляются небольшие сгустки величиной около 100 нм – хромомеры. Если такие хромомеры препаративно выделить, а потом убрать гистоны, то с помощью ЭМ можно видеть розетковидные петлистые структуры, где отдельные петли отходят от центрального плотного участка. Количество петель 15-80 в одной розетке. Эти розетки и называются хромомерами. Размер петлевых доменов совпадает с размером средних репликонов и может соответствовать одному или нескольким генам. В своих основаниях петли ДНК связаны негистоновыми белками ядерного матрикса. Такая петельно-доменная структура хроматина не только обеспечивает структурную компактизацию, но и организует функциональные единицы хромосом – репликоны и транскрибируемые гены. Уплотнение в 600 раз.

Хромонемный уровень упаковки – 0, 1 – 0, 2 мкм. Ультраструктура хромонемного уровня упаковки ДНП хорошо выявляется при постепенном экспериментальном разрыхлении хромосом при понижении концентрации двухвалентных катионов. Оказалось, что плотное тело митотических хромосом сначала разрыхляется, благодаря чему выявляется его хромонемная организация. На срезах видно, что хромосомы представлены сечениями толстых хромосомных нитей – хромонемы. Затем, при последующем снижении концентрации двухвалентных катионов происходит распад хромомнемных элементов на множество линейно расположенных глобулярных блоков хроматина с диаметром 0, 1-0, 2 мкм. Хромонемы спиральны, при расхождении хромонем, хромосомы увеличиваются в объеме.

ХРОМОСОМНЫЕ ТЕРРИТОРИИ

При этом каждое плечо хромосомы занимает определенную зону, объем которой не заходит в объем соседних хромосом, хотя они расположены тесно друг с другом. Каждая из хромосом образует пологую правую спираль (5-7 витков), которая в нескольких местах связана с ядерной оболочкой, как бы фиксируясь на ней. Фиксированы на ядерной оболочке и теломерные участки всех хромосом, которые располагаются на одном из полюсов интерфазного ядра. На противоположном полюсе ядра также в связи с ядерной оболочкой располагаются центромерные районы хромосом, часто объединенные в один хромоцентр - крупный блок интерфазного хроматина.

Прямые наблюдения за локализацией в ядре интерфазных хромосом были сделаны используя метод FISH (флуоресцентная in situ гибридизация нуклеиновых кислот) в сочетании с конфокальной микроскопией. Вначале были выделены индивидуальные митотические хромосомы, из них были получены ДНК, которые метились разными флуорохромами. Такие меченые хромосомные ДНК наносились на препараты интерфазных ядер, ДНК которых была предварительно денатурирована. В результате молекулярной гибридизации флуоресцирующая ДНК ренатурировала только со сходной хромосомой. С помощью конфокального микроскопа просматривалась флуоресцентная метка в трехмерном пространстве интерфазного ядра. Было обнаружено, что интерфазное ядро состоит из тесно расположенных хромосомных территорий, объем которых значительно превосходил объем митотических хромосом. Некоторые особенно крупные хромосомы действительно проявляли ана-телофазную ориентацию.

Суммируя общие представления о формах организации хромосом можно прийти к заключению, что они могут находиться в двух альтернативных состояниях, в двух морфологических выражениях: 1 - максимально конденсированное, компактное, метаболически неактивное, транспортное состояние, предназначенное для того, чтобы в минимальном объеме без структурных нарушений перенести во время клеточного деления огромные по длине молекулы ДНК; 2 - деконденсированное, при котором линейная длина развернутых хромосом увеличивается в десятки, а иногда и в сотни раз, метаболически активное состояние, связанное с синтезом ДНК и РНК (интерфаза).

Отличительной особенностью интерфазной хромосомы от митотической, кроме всего, является то, что по своей длине она может быть деконденсирована, развернута неравномерно - есть участки полной деконденсации и есть участки, находящиеся в плотном, деконденсированном и, соответственно, в неактивном состоянии. Это и придает интерфазному ядру своеобразную структуру, где хромосомы - хроматин - могут быть представлены то плотными блоками, то участками рыхлого, деконденсированного хроматина (рис. 52).