Вопрос 37. Хроматин. Хромосомная ДНК

1. Виды хроматина

2. Гены, спейсеры

3. Последовательность нуклеотодов в ДНК

4. Пространственная организация ДНК

1. Во время покоя между актами деления определенные участки хромосом и целые хромосомы остаются компактными. Эти участки хроматина называют гетерохроматином. Он хорошо прокрашивается.

После деления ядра хроматин разрыхляется и в таком виде на­зывается эухроматином. Гетерохроматин в отношении транс­крипции неактивен, а в отношении репликации ДНК ведет се­бя иначе, чем эухроматин.

Факультативный гетерохроматин бывает гетерохроматичным только временами. Он информативен, т. е. содержит гены. Ко­гда он переходит в эухроматическое состояние, эти гены могут становиться доступными для транскрипции. Из двух гомоло­гичных хромосом одна может быть гетерохроматической. Эта факультативная гетерохроматизация тканеспецифична и в оп­ределенных тканях не происходит.

Конститутивный гетерохроматин всегда гетерохроматичен. Он состоит из многократно повторяющихся последовательно­стей оснований, неинформативен (не содержит генов) и по­этому всегда неактивен в отношении транскрипции. Его мож­но видеть иво время деления ядер. Он встречается:

• чаще всего у центромеры;

• на концах хромосом (включая сателлиты);

• вблизи организатора ядрышка;

• вблизи гена 5S-PHK.

Гетерохроматин, прежде всего факультативный, во время ин­терфазы может объединяться в интенсивно окрашивающийся хромоцентр, который находится в большинстве случаев у края клеточного ядра или ядрышка.

2. Каждая хромосома — это непрерывная двойная спираль ДНК, ко­торая у высших организмов состоит более чем из 10⁸ пар осно­ваний. В хромосомах высших растений и животных каждая двойная спираль ДНК (диаметром 2 нм) имеет длину от одно­го до нескольких сантиметров. В результате многократного за­кручивания она упакована в хроматиду длиной несколько мик­рометров.

Вдоль этой двойной спирали линейно распределены гены, ко­торые составляют вместе до 25% ДНК.

Ген — это функциональная единица ДНК, содержащая информа­цию для синтеза полипептида или РНК. Средняя длина гена -около 1000 пар оснований. Последовательность оснований в каждом гене уникальна.

Между генами находятся спейсеры — неинформативные отрезки ДНК различной длины (иногда более 20 000 пар оснований), которые имеют значение для регулирования транскрипции со­седнего гена.

Транскрипируемые спейсеры купируются при транскрипции вме­сте с геном, и их комплементарные копии появляются в пре-и-РНК по обе стороны от копии гена. Даже внутри самого ге­на имеются (только у эукариот и их вирусов) неинформатив­ные последовательности, так называемые интроны, которые тоже транскрипируются. При процессинге все копии интронов и большинство копий спейсеров вырезаются с помощью фер­ментов.

Нетранскрипируемые спейсеры встречаются между генами для гистонов, а также между генами для р-РНК.

Избыточные гены представлены большим числом (до 10⁴ и бо­лее) идентичных копий. Это гены:

• для т-РНК;

• р-РНК;

• 5S-PHK и гистонов;

• для продуктов, синтезируемых в больших количествах.

Копии расположены непосредственно друг за другом и разре­шены идентичными спейсерами. У морского ежа гены для гис­тонов Н₄, Н₂ь, Н_2а и Hi лежат друг за другом, и эта генная по­следовательность повторяется в ДНК больше 100 раз.

3. Повторяющиеся последовательности — это последовательности нуклеотидов, многократно представленные в ДНК. Умеренно повторяющиеся последовательности — последовательности дли­ной в среднем 300 пар нуклеотидов с 10²-10⁴ повторениями. К ним относятся избыточные гены, а также большинство спейсеров.

Высокоповторяющиеся последовательности с 10⁵—10⁶ повторе­ниями образуют конститутивный гетерохроматин. Они всегда неинформативны. Это в основном короткие последовательно­сти, в них обнаруживается чаще всего 7—10 и лишь редко — только 2 (например, AT) или, наоборот, свыше 300 пар нук­леотидов. Они группируются вместе, одна повторяющаяся по­следовательность идет непосредственно за другой. ДНК высокоповторяющегося хроматина называют "сателлит-ными ДНК" по их поведению при аналитических процедурах фракционирования. Около 75% всего хроматина не участвует в транскрипции: это высокоповторяющиеся последовательности и нетраснкрипируемые спейсеры.

4. В изолированном хроматине участки двойной спирали ДНК об­виваются вокруг молекул гистонов, так что здесь возникает су­перспираль первого порядка. Комплексы ДНК с гистоном назы­вают нуклеосомами.Они имеют форму диска или линзы и размеры около 10 Ч 10 Ч 5 нм. В одну нуклеосому входят:

• 8 молекул гистонов:

. центральный тетрамер из двух молекул Нз и двух Н₄; • и отдельно по два Н_2а и Н₂ь;

• участок ДНК (около 140 пар оснований), который образует примерно 1,25 витка спирали и прочно связан с центральным тетрамером.

Между нуклеосомами лежат участки спирали из 30—100 пар оснований без суперспиральной структуры; здесь связывается гистон Hi

В нашивном хроматине ДНК еще больше укорочена в результа­те малоизученной дальнейшей спирализации (суперспирали высших порядков), которая, очевидно, фиксируется благодаря гистону Hi (и некоторым негистоновым белкам). При переходе к интерфазе эухроматин разрыхляется, так как некоторые из суперспиралей более высокого порядка раскру­чиваются. Это происходит, вероятно, в результате конформа-ционных изменений гистонов и ослабления взаимодействий между молекулами Hi Хроматиновые структуры толщиной 10— 25 нм (основные хроматиновые нити или спирали) видны и во время интерфазы.

Транскрипционно-активный хроматин — гены, передающие свою информацию путем синтеза РНК,в результате дальней­шей деспирализации еще больше разрыхляется. По некоторым данным, в соответствующих участках спирали ДНК гистон Hi или отсутствует, или химически изменен, например фосфори-лирован.

Структура нуклеосом также изменяется или полностью разру­шается (в генах для р-РНК в ядрышке). Двойная спираль в от­дельных местах раскручивается. В этих процессах, по-види­мому, участвуют определенные негистоновые белки, скапли­вающиеся в транскрипируемых участках ДНК.