Структурно-функциональная организация наследственного материала

Ядро наряду с мембраной и цитоплазмой является основным структурным компонентом клетки. Оно было открыто Р.Брауном в растительных клетках (1831г).

Большинство клеток человека имеет одно ядро, однако имеются двухъядерные (например, некоторые нейроны, клетки печени, кардиомиоциты). Двух- и многоядерность являются результатом эндомитоза. Иногда многоядерными клетками называют структуры, которые образовались не вследствие эндорепродукции исходной клетки, а в результате слияния нескольких одноядерных клеток. Такие структуры имеют специальное название – симпласты; они встречаются, в частности, в составе скелетных поперечнополосатых мышечных волокон.

У эукариот хромосомы сосредоточены внутри ядра и отделены от цитоплазмы ядерной оболочкой, или кариотекой. Кариотека образуется за счет расширения и слияния друг с другом цистерн эндоплазматической сети. Поэтому кариотека образована двумя мембранами – внутренней и наружной. Пространство между ними называют перинуклеарным пространством. Оно имеет ширину 20 – 50 нм и сохраняет сообщение с полостями эндоплазматической сети. Со стороны цитоплазмы наружная мембрана нередко покрыта рибосомами.

Местами внутренняя и наружная мембраны кариотеки сливаются, а в месте слияния образуется пора. Пора не зияет: между ее краями упорядоченно располагаются белковые молекулы, так что в целом формируется поровый комплекс.

Комплекс поры представляет собой сложную структуру, которая состоит из двух рядов связанных между собой белковых гранул, каждая из которых содержит по 8 гранул, располагающихся на равном расстоянии друг от друга по обе стороны ядерной оболочки.

Через поровые комплексы осуществляется избирательный транспорт молекул и частиц из ядра в цитоплазму и обратно. Поры могут занимать до 25% поверхности ядра. Количество пор у одного ядра достигает 3000 – 4000, а их плотность составляет около 11 на 1 мкм2 ядерной оболочки. Из ядра в цитоплазму транспортируются, в основном, разные виды РНК. Из цитоплазмы в ядро поступают все ферменты, необходимые для синтеза РНК, для регуляции интенсивности этих синтезов и, в ряде клеток, молекулы гормонов, которые тоже регулирует активность синтезов РНК.

Внутренняя поверхность кариотеки связана с многочисленными промежуточными филаментами. В совокупности они образуют здесь тонкую пластинку, называемую ядерной ламиной. К ней прикреплены хромосомы. Ядерная пластинка связана с поровыми комплексами и играет главную роль в поддержании формы ядра. Она построена из промежуточных филаментов особой структуры. Нуклеоплазма содержит ионы, белки-ферменты, свободные нуклеотиды, АТФ, т.е. все необходимые вещества для ауто- и гетеросинтеза. Следовательно, кариоплазма, в целом, обеспечивает нормальное функционирование наследственного материала.

После фиксации и обработки тканей для световой или электронной микроскопии в кариоплазме становятся видными два типа хроматина (от греч. сhroma – краска): хорошо окрашивающийся электронно-плотный гетерохроматин, образованный осмиофильными гранулами размером 10-15 нм и фибриллярными структурами толщиной около 5 нм, и светлый эухроматин.

Гетерохроматин расположен в основном вблизи внутренней ядерной мембраны, контактируя с ядерной пластинкой и оставляя свободные поры, и вокруг ядрышка. Эухроматин находится между скоплениями гетерохроматина. По сути дела, хроматин – это комплексы веществ, которыми образованы хромосомы – ДНК, белок и РНК в соотношении 1 : 1,3 : 2. Основа каждой хромосомы образована ДНК, молекула которой имеет вид спирали. Она упакована различными белками, среди которых различают гистоновые и негистоновые. В результате ассоциации ДНК с белками образуются дезоксинуклеопротеиды (ДНП). В хромосоме молекула ДНК упакована компактно. Длина одной хромосомы человека в растянутом виде около 5 см, длина всех хромосом около 170 см.

ДНК ассоциирована с белками-гистонами, в результате чего образуются нуклеосомы, являющиеся структурными единицами хроматина. Нуклеосомы, напоминающие бусины диаметром 10 нм, состоят из 8 молекул гистонов (по две молекулы гистонов Н2А, Н2В, Н3 и Н4), вокруг которых закручен участок ДНК, включающий 146 пар нуклеотидов. Между нуклеосомами располагаются линкерные участки ДНК, состоящие из 60 пар нуклеотидов, а гистон – HI обеспечивает взаимный контакт соседних нуклеосом. Нуклеосомы – это лишь первый уровень укладки ДНК. В результате суперспирализации ДНП в делящемся ядре хромосомы становятся видимыми при увеличении светового микроскопа. Каждая хромосома образована одной длинной молекулой ДНП. Они представляют собой удлиненные палочковидные структуры, имеющие два плеча, разделенные пентромерой. В зависимости от ее расположения и взаимного расположения плеч выделяют три типа хромосом: метацентрические, имеющие примерно одинаковые плечи; акроцентрические, имеющие одно очень короткое и одно длинное плечо; субметацентрические, у которых одно длинное и одно более короткое плечо. Некоторые акроцентрические хромосомы имеют спутников (сателлитов) – мелкие участки короткого плеча, соединенные с ним тонким неокрашивающимся фрагментом (вторичная перетяжка). В хромосоме имеются эу- и гетерохроматиновые участки. Последние в неделящемся ядре (вне митоза) остаются компактными. Чередование эу- и гетерохроматиновых участков используют для идентификации хромосом.

Метафазная хромосома состоит из двух соединенных центромерой сестринских хроматид, каждая из которых содержит одну молекулу ДНП, уложенную в виде суперспирали. При спирализации участки эу- и гетерохроматина укладываются закономерным образом, так что по протяжению хроматид образуются чередующиеся поперечные полосы. Их выявляют при помощи специальных окрасок. Поверхность хромосом покрыта различными молекулами, главным образом, рибонуклеопротеинами (РНП). В соматических клетках имеются по две копии каждой хромосомы, их называют гомологичными. Они одинаковы по длине, форме, строению, расположению полос, несут одни и те же гены, которые локализованы одинаково. Гомологичные хромосомы могут различаться аллелями генов, содержащихся в них. Ген – это участок молекулы. ДНК, на котором синтезируется активная молекула РНК. Гены, входящие в состав хромосом человека, могут содержать до двух миллионов пар нуклеотидов.

Итак, хромосомы представляют собой двойные цепи ДНК, окруженные сложной системой белков. С одними участками ДНК связаны гистоны. Они могут прикрывать их или освобождать. В первом случае данная область хромосомы не способна синтезировать РНК, во втором же синтез происходит. Это – один из способов регуляции функциональной активности клетки путем дерепрессии и репрессии генов. Существуют и иные способы такого управления.

Некоторые участки хромосом остаются окруженными белками постоянно и в данной клетке никогда не участвуют в синтезе РНК. Их можно назвать блокированными. Механизмы блокирования разнообразны. Обычно такие участки очень сильно спирализуются и покрываются не только гистонами, но и другими белками с более крупными молекулами.

Деспирализованные активные участки хромосом не видны под микроскопом. Лишь слабая гомогенная базофилия нуклеоплазмы указывает на присутствие ДНК; их можно выявить также гистохимическими методами. Такие участки относят к эухроматину. Неактивные сильно спирализованные комплексы ДНК и высокомолекулярных белков выделяются при окрасках в виде глыбок гетерохроматина. Хромосомы фиксированы на внутренней поверхности кариотеки к ядерной ламине.

Следует отметить, что между интерфазными ядрами клеток, взятых от особей мужского и женского пола существует различие, позволяющее определить пол индивидуума, которому принадлежали клетки. В ядрах женских клеток обнаруживается глыбка хроматина около 1 мкм в диаметре, лежащая почти всегда на внутренней поверхности ядерной оболочки. Природа этой хроматиновой глыбки (тельце Барра) установлена – это одна из 2-х Х-хромосом, остающаяся в интерфазе в конденсированном состоянии. В ядрах клеток мужского пола (в N) таких глыбок полового хроматина не обнаруживается. Но если мужская клетка содержит две Х-хромосомы, как при синдроме Клайнфельтера, то обнаружится тельце Барра. Соответственно, если в женских клетках Х-хромосом не две, а три, как при трисомии, то телец Барра будет два. Метод определения полового хроматина используется при диагностике половых генетических аномалий.

Морфологию митотических хромосом лучше всего изучать в стадии метафазной пластинки, т.е. в момент наибольшей конденсации. У каждой хромосомы имеется первичная перетяжка, которая делит хромосому на 2 плеча. В зависимости от положения центромеры, хромосомы бывают равноплечими (метацентрическими) и неравноплечими (субметацентрическими и акроцентрическими). Некоторые хромосомы кроме первичной перетяжки имеют вторичную, которая является местом формирования ядрышек.

Совокупность числа, величины и морфологии хромосом соматических клеток называется кариотипом вида. Кариотип – это генетический критерий вида («лицо вида»). Для каждого вида характерно (в N) строго определенное количество хромосом (правило постоянства). В практику хромосомного анализа широко входят методы дифференциального окрашивания хромосом. При обработке хромосом специальными красителями во флуоресцентном микроскопе видна исчерченность по длине хромосом (провел впервые Касперссон в 1968г, обрабатывал акрихин-ипритом, ныне есть и другие методы). Каждая пара хромосом характеризуется индивидуальной исчерченностью (равно как отпечаток пальцев). Идентификация хромосом позволяет составить идиограмму кариотипа.

На основании ряда критериев 22 пары хромосом человека классифицированы, половые хромосомы 23-й пары выделяются отдельно (Международная Денверская классификация, 1960г). Для идентификации применяют морфометрический метод и центромерный индекс.

Классификация и номенклатура равномерно окрашенных хромосом человека была выработана на международных совещаниях, созывавшихся в Денвере (1960г), Лондоне(1963г) и Чикаго (1966г). Согласно рекомендациям этих конференций, хромосомы располагаются в порядке уменьшения их длины. Все хромосомы разделены на семь групп, которые были обозначены буквами английского алфавита от А до G. Все пары хромосом было предложено нумеровать арабскими цифрами.

Группа А (1-3) – самые крупные хромосомы. Хромосомы 1 и 3 – метацентрические, 2 – субметацентрическая.

Группа В (4-5) – две пары крупных субметацентрических хромосом.

Группа С (6-12) – хромосомы субметацентрические, средних размеров. Х-хромосома по размеру и морфологии сходна с хромосомами 6 и 7.

Группа D (13-15) – акроцентрические хромосомы средних размеров.

Группа Е (16-18) – средние хромосомы (16, 17 – метацентрические, 18 – акроцентрическая).

Группа F (19-20) – мелкие метацентрики, практически между собой не различимы.

Группа G (21-22) – две пары самых мелких акроцентрических хромосом. Y-хромосома выделяется как самостоятельная, но по морфологии и размерам она относится к группе G.

При этом хромосомы различных групп хорошо отличаются друг от друга, в то время как внутри группы их невозможно различить, за исключением группы А. Каждая хромосома человека содержит только ей свойственную последовательность полос, что позволяет точно идентифицировать каждую хромосому и с более высокой точностью определить, в каком сегменте произошла перестройка. Поперечная исчерченность хромосом есть результат неравномерной конденсации гетеро- (высокоспирализованная ДНК) и эухроматина (релаксированная ДНК) на протяжении всей длины хромосомы, отражающий порядок расположения генов в молекуле ДНК.

Кариотип человека в норме и при отклонениях обозначается таким образом:

46, XY – нормальный кариотип мужчины

46, XX – нормальный кариотип женщины

47, XX+G – кариотип женщины с лишней хромосомой из группы G

В настоящее время существует ДНК-маркеры (или зонды) для многих еще более мелких сегментов практически всех пар хромосом. С помощью таких ДНК-зондов можно точно оценить наличие или отсутствие определенного, даже очень маленького, сегмента в хромосоме.

Возможность идентификации хромосом позволяет выявлять хромосомные аномалии, как на уровне соматических клеток, так и первичных половых клеток. Эти аномалии возникают в трех случаях на 100 беременностей. Аномалии по крупным хромосомам не совместимы с жизнью и вызывают самопроизвольные выкидыши на разных сроках. Широко известна болезнь Дауна, когда в кариотипе присутствует лишняя 21-ая хромосома: 2n+1(+21). Частота рождаемости детей с трисомией по 21-ой хромосоме высокая 1:500 и продолжает расти в связи с неблагоприятным экологическим окружением, приводящем к нерасхождению 21 пары хромосом.

Как было упомянуто выше, во вторичных перетяжках некоторых хромосом осуществляется образование ядрышек, но независимо от количества, их общая масса ядрышкового материала оказывается при этом постоянной. В клетках быстро пролиферирующих злокачественных новообразований ядрышки обычно крупнее, что сопряжено с активным синтезом белка. Ядрышко служит местом синтеза рибосомной РНК вдоль молекул ДНК деконденсированного хроматина в пределах ядрышкового материала. В связи с этим, области хромосом, выполняющие эту функцию, называют организаторами ядрышка. У человека это 13, 14, 15, 21, 22 хромосомы, имеющие сателлиты (спутники). Образующиеся в результате транскрипции ядрышки в разных ядрышковых организаторах, затем сливаются в общую единую структуру, поэтому, чаще всего в ядре одно ядрышко. По данным ЭМ, ядрышко представляет собой структуру, состоящую из участков темного и светлого материала, не окруженных мембраной. Зернистость темной части обусловлена скоплением рибонуклеопротеидных частиц (гранулярная часть ядрышка). Другой компонент темной части – фибриллярный, представлен плотными тонкими нитями р-РНК, а их скопления называют фибриллярными центрами. Светлые участки – это компоненты ядерного сока. Ядрышко в конце профазы исчезает, хроматин его конденсируется, фибриллярный и гранулярный материал деконденсируется, с середины телофазы процессы идут в обратном порядке. Таким образом, единственный компонент ядрышка, сохраняющий какую-то непрерывность от одного поколения клеток до следующего, это хроматин, содержащий ДНК, которая кодирует р-РНК – организаторов ядрышек. Схема участия ядрышек в синтезе цитоплазматических белков представлена следующим образом: на ДНК вторичных перетяжек хромосом образуется р-РНК, которая в зоне ядрышка образует комплексы с белком – субъединицы рибосом, которые через ядерную оболочку выходят в цитоплазму и участвуют в процессах синтеза белка. Соответственно, ядерная оболочка для этого должна быть структурно, а значит и функционально состоятельной.

Кариотека (оболочка ядра ) характерна для всех эукариотических клеток, состоит из 2-х мембран – внешней и внутренней с перинуклеарным пространством между ними шириной 20-60 нм. Мембраны ядерной оболочки в морфологическом отношении не отличаются от остальных внутриклеточных мембран. Ее особенность заключается в том, что в зонах многочисленных слияний 2-х мембран образуются округлые перфорации – поровые комплексы. Каждое округлое отверстие заполнено сложноорганизованными глобулярными и фибриллярными структурами октагональной симметрии: три ряда гранул по 8 штук в каждом, размером 25 нм. Один ряд располагается со стороны цитоплазмы, другой со стороны ядра и третий между ними. В центре всей структуры располагается центральная гранула. Все гранулы соединены фибриллами, которые поперек поры образуют перегородку-диафрагму. Размеры пор стабильны, число же подвержено значительным вариациям, что связано с функциональной активностью клеток и размерами ядра: чем выше синтетические процессы в клетках, тем больше пор на 1 мкм. (в зрелых сперматозоидах их нет). По поверхности ядра поры располагаются, как правило, равномерно, но число их резко падает в тех местах ядерной оболочки, где фиксируется гетерохроматин. Поровые комплексы обнаружены в мембранах гранулярного эндоплазматического ретикулума. Внешняя мембрана ядерной оболочки, непосредственно контактирующая с цитоплазмой клетки, имеет неровную поверхность, переходит в систему каналов эндоплазматической мембраны и также содержит на своей поверхности рибосомы.

При делении клеток ядерная оболочка фрагментируется и микротрубочками веретена деления оттесняются (ее отдельные элементы) к периферическим зонам. При реконструкции новых ядер идет сборка мембран ядра из мембран ЭПС, а сигналом, по-видимому, служит деконденсация хромосом. Ядерная оболочка проницаема для веществ малого молекулярного веса-моносахаридов, аминокислот, нуклеотидов, ферментов для ауто- и гетеросинтеза. Через нее в ядро проходят гистоновые и негистоновые белки для образования хромосом.

Из ядра в цитоплазму транспортируются рибосомы, РНК. Еще один путь транспорта связан с образованием выростов ядерной оболочки, которые могут отделяться от ядра в виде вакуолей, содержимое их затем изливается в цитоплазму.