Pakiranje DNK v kromosome. Kromosom in kromatin. Pakiranje genetskega materiala v kromosom

Uvod

Molekule DNA v evkariontskih celicah so zelo velike. Tako dolžina molekul DNK, izoliranih iz človeških celic, doseže več centimetrov. Splošno sprejeto je, da vsak evkariontski kromosom vsebuje eno, eno neprekinjeno molekulo DNA. Glede na vrstno število kromosomov pri sesalcih lahko rečemo, da imajo v povprečju približno 2 m DNK na interfazno jedro, ki se nahaja v sferičnem jedru s premerom manj kot 10 μm. Hkrati je treba v jedru vzdrževati določen vrstni red razporeditve molekul DNK, ki zagotavlja njegovo urejeno delovanje.

Zato so molekule DNA v jedrih evkariontskih celic vedno v kompleksu z beljakovinami kot del kromatina, ki nastane iz kromosomov po koncu jedrne delitve kot posledica zapleten proces odvijanje (despiralizacija) kromosomov.

S preučevanjem strukturne organizacije kromatina in kromosomov lahko zagotovo govorimo o več stopnjah zbijanja DNA. Prvi je nukleosomski, ki daje sedemkratno zgoščenost DNK in sestavo vlaken DNP, drugi je fibril s premerom 30 nm ali nukleomerni nivo, s 40- do 70-kratno stopnjo pakiranja, tretji je domensko zanko ali kromomerno, kar vodi do 600-700-kratne kompaktnosti DNK znotraj teh struktur. Za ohranitev prvih dveh stopenj zbijanja je zadostovala udeležba samo histonskih proteinov, medtem ko so zanke in rozete podobne domenske strukture že zahtevale udeležbo nehistonskih proteinov in prehod iz vijačnega ali solenoidnega tipa zvijanja DNA v tvorba kompaktnih kroglastih struktur, sestavljenih iz zank kromatinskih fibril s premerom 30 nm, do struktur, kot so kromomeri, ki že imajo dimenzije 0,1-0,2 mikronov.

Pakiranje DNK v kromosome

Kompaktnost je temeljna razlika med evkariontskim genomom in prokariontskim genomom. S povprečno razliko v velikostih genoma 3 reda velikosti so linearne velikosti evkariontskih kromosomov primerljive z dolžino prokariontske DNA.

Obstajajo vsaj 4 stopnje zgoščevanja DNK. V tem primeru se veriga DNK "skrajša" za 10.000-krat. To je podobno, kot če bi v škatlico za vžigalice (5 cm) dali nit dolžine Ostankinskega stolpa (500 m).

Kromosomi evkariontskih celic so sestavljeni predvsem iz kromatina - kompleksa dvoverižne DNA in petih histonskih proteinov, označenih z H1, H2A, H2B, H3 in H4.

Histoni zagotavljajo prvi dve ravni zbijanja evkariontskega genoma - nukleosomsko in nukleomerno.

Splošne značilnosti histonov

Histoni so osnovni proteini. Vsi so obogateni z lizinom in argininom - pozitivno nabitima aminokislinama. Glede na razmerje aminokislin v strukturi histonov običajno ločimo 5 frakcij histonov. Proizvede se jih veliko - 60 milijonov molekul vsake frakcije na celico.

Histonske modifikacije močno vplivajo na zbijanje DNK. Histoni so lahko metilirani, fosforilirani (na serin, treonin, tirozin), t.j. aminokislinski ostanki se enostavno spreminjajo. Poleg tega sta možni alkilacija in acetilacija histonov.

Glavne frakcije histona:

Vsi histoni, razen H1, so evolucijsko izjemno ohranjeni (pri kravi in ​​detelji je razlika v H2A samo ena aminokislina!). Posledično ti proteini opravljajo temeljno funkcijo, ki je enako zagotovljena pri vseh evkariontih. Vsaka mutacija histonskih genov je smrtonosna.

H1 je zelo spremenljiva frakcija. Ta histon se razlikuje ne samo med vrstami, ampak celo znotraj istega organizma, odvisno od stopenj ontogeneze.

V histonih sta lizin in arginin združena v skupine. Srednji del histona vsebuje hidrofobne aminokisline. Pozitivno nabite aminokisline histonov posredujejo elektrostatične interakcije z DNK. Osrednji del je potreben za interakcijo histonov med seboj.

Vloga histonov pri zvijanju DNK je pomembna iz naslednjih razlogov:

1) Če bi bili kromosomi sestavljeni samo iz raztegnjene DNK, si je težko predstavljati, kako bi se lahko podvojili in ločili v hčerinske celice, ne da bi se zapletli ali zlomili.

2) V razširjenem stanju bi dvojna vijačnica DNK vsakega človeškega kromosoma tisočkrat prečkala celično jedro; Tako histoni zapakirajo zelo dolgo molekulo DNK na urejen način v jedro s premerom več mikrometrov;

3) Vsa DNK ni zvita na enak način in način, kako je regija genoma zapakirana v kromatin, verjetno vpliva na aktivnost genov v tej regiji.

© Razin S.V.

Prostorska organizacija DNK

S.V. Razin

Sergej Vladimirovič Razin, Dopisni član Ruske akademije znanosti, doktor bioloških znanosti,
Vodja Laboratorija za strukturno in funkcionalno organizacijo kromosomov na Inštitutu za gensko biologijo Ruske akademije znanosti,
Profesor Oddelka za molekularno biologijo Moskovske državne univerze M. V. Lomonosova.

V začetku prejšnjega stoletja je zahvaljujoč uporabi čisto genetskih metod postalo jasno, da so geni linearno nameščeni na kromosomih. Od takrat večina raziskovalcev obravnava genom kot verigo zaporedno lociranih genov in medgenih regij, vključno z različnimi regulatornimi in drugimi (na videz nepomembnimi) sekvencami. Ta stereotip razmišljanja se odraža predvsem v tem, da so razdalje med geni ali drugimi deli DNK običajno označene v tisočih nukleotidnih parov, kar pomeni razdalje vzdolž molekule DNK.

Čeprav je to povsem pravilno, ta ideja o linearnosti genoma vsebuje določene nevarnosti. Dejstvo je, da je v jedru evkariontske celice genom zapakiran izjemno kompleksno. Posledično zaporedja DNK, vključno z geni, ki so drug od drugega oddaljeni za desetine ali sto tisoče nukleotidnih parov in se včasih nahajajo celo na različnih kromosomih, končajo v neposredni bližini v tridimenzionalnem prostoru. To zagotavlja interakcijo proteinskih kompleksov, povezanih z oddaljenimi (če štejemo vzdolž molekule DNK) regulativnimi elementi. Takšne interakcije bistveno razširijo zmožnosti različnih regulatornih sistemov v genomu evkariontske celice. IN zadnja leta Pridobljenih je bilo več bistveno novih opazovanj, ki so znatno povečala zanimanje za prostorsko organizacijo DNK v jedru. Poskusili bomo povzeti sodobnih dosežkov na tem področju.

Pakiranje DNK v jedru

V povprečni evkariontski celici je skupna dolžina genomske DNA približno 2 m, premer njenega jedra je le ~10-20 μm. V tem primeru mora biti nabor genov, ki delujejo v določeni celici, dostopen RNA polimerazam in transkripcijskim faktorjem, vsa DNA v delečih se celicah pa mora biti podvojena.

Danes je znano, da pakiranje DNK v jedru evkariontske celice poteka v več fazah (slika 1). Najprej se veriga DNK zloži v nukleosome in njena dolžina se zmanjša za šest do sedemkrat. Nukleosomski filament se nato zvije v tako imenovano 30 nm fibrilo (solenoid ali cikcak filament), ki poskrbi za dodatno 40-kratno zbijanje. Nato je fibril organiziran v velike (50 ali več tisoč baznih parov) zanke, katerih konci so pritrjeni na beljakovinski skelet jedra (pogosto se imenuje jedrska matrika). Na tej stopnji se linearne dimenzije DNK zmanjšajo za 700-krat. Obstajajo tudi naslednje stopnje zgoščevanja DNK, informacije o katerih so trenutno zelo redke in protislovne.

riž. 1. Ravni pakiranja DNK v jedru evkariontske celice.

Doslej smo razpravljali samo o pakiranju ene razširjene molekule DNK. V prvem približku lahko to štejemo za DNK enega kromosoma. Vendar pa je genom evkariontske celice razdeljen na več kromosomov. Na primer, v celicah najljubšega predmeta genetikov - vinske mušice Drosophila - so štirje pari kromosomov (v človeških celicah jih je 46). Posamezne kromosome lahko med mitozo vidimo le pod mikroskopom. V preostalih fazah celičnega cikla niso vidni, celično jedro pa je videti razmeroma homogeno. Molekularne biologe že vrsto let zanima, ali posamezni kromosomi zasedajo omejene prostore v jedru ali pa se, ko so kromosomi dekompaktirani, DNK vsakega od njih porazdeli po jedru in se neizogibno pomeša z DNK drugih kromosomov. .

riž. 2. Barvanje kromosomskih teritorijev.

A - DNK človeških metafaznih kromosomov. B - DNA interfaznega jedra. B - DNK metafaznih kromosomov ( modra) po hibridizaciji s kromosomsko specifičnimi sondami, ki prepoznajo kromosom 18 (rdeča) in kromosom 19 ( zelena); prikazana sta dva homologa ustreznega kromosoma. D - rezultati hibridizacije DNA interfaznih jeder s kromosomsko specifičnimi sondami, ki prepoznavajo kromosoma 18 in 19. S konfokalnim mikroskopom smo naredili osem prerezov jedra; Vsa jedrska DNK je obarvana modro (kot na sliki B).

Pred približno 10 leti je bil odgovor na to vprašanje najden. Metode molekularne hibridizacije so omogočile barvanje posameznih kromosomov v interfaznem jedru (slika 2). Izkazalo se je, da v nasprotju s takratnim splošno sprejetim stališčem zasedajo omejene neprekrivajoče se prostore znotraj jedra (imenovane »kromosomska ozemlja«, slika 3) in se nahajajo nenaključno: kromosomi bogati v genih so lokalizirani bližje središču jedra, kromosomi, revni z geni, pa bližje njegovemu obrobju. Pri ohranjanju specifičnih položajev kromosomskih teritorijev pomembno vlogo igra jedrsko matrico.

riž. 3. Dvodimenzionalni in 3D modeli jedra, ki prikazujejo lokacijo kromosomskih teritorijev.

Interakcija oddaljenih regulacijskih elementov

Pakiranje DNK v hierarhične kromatinske strukture je bistveno pomembno za fizično razdaljo med regulatornimi sekvencami in njihovo prostorsko orientacijo. In te sekvence vedno služijo kot vezavna mesta za regulatorne proteine. Že organizacija DNA v nukleosome lahko naredi ta mesta nedostopna za proteinske dejavnike ali pa jih usmeri tako, da proteinski kompleksi, ki so na njih nameščeni, zaradi povsem steričnih razlogov (na primer usmerjeni v nasprotne smeri) ne morejo medsebojno vplivati. In s tvorbo fibril se povečajo možnosti za zatiranje ali aktiviranje določenih regulatornih sistemov. Je pa razporeditev nukleosomov na DNK precej dinamična. Reverzibilne spremembe v njihovi strukturi in stopnja kondenzacije kromatina (zlasti prehod iz nezvitega nukleosomskega filamenta v 30 nm fibrilo in bolj kompaktne heterokromatske strukture) so najbolj raziskan del epigenetskih mehanizmov.

O teh mehanizmih ne bomo razpravljali, ampak se bomo osredotočili na naslednjo raven pakiranja DNK v kromatinu, in sicer na razširjene zanke DNK (slika 1). Vidimo jih lahko z elektronsko mikroskopijo metafaznih kromosomov in interfaznih jeder, iz katerih so bili odstranjeni histoni. Prisotnost topološko zaprtih zank DNA v interfaznih jedrih je bila dokazana tudi z biokemijskimi metodami.

Zanke DNK, pritrjene na jedrsko matrico, so strokovnjake zanimale predvsem zato, ker bi lahko njihova velikost ustrezala funkcionalnim enotam genoma. Da bi preverili to predpostavko, je bilo treba preučiti specifičnost organizacije DNK v zanke. Najprej ugotoviti, ali je delitev genoma na zanke v vseh celicah enaka. Če je ta predpostavka pravilna, bi morali biti nekateri fragmenti genoma vedno nameščeni na dnu zank DNK, drugi pa v samih zankah. Drugič, ugotoviti, ali obstajajo posebne sekvence DNK, ki so odgovorne za "sidranje" zank na proteinski matriki jedra.

Metoda rezanja genoma

V zadnjih 30 letih je bilo predlaganih več metod za kartiranje mest pritrditve zank DNK na jedrsko matriko (kromosomsko hrbtenico). Čeprav se te metode v podrobnostih razlikujejo, jih lahko razdelimo v dve bistveno različni skupini. Prvi temelji na izolaciji tako imenovane "DNA, ki meji na jedrni matriks" (tj. nahaja se na dnu zank) in deleža DNA zank, ki se odcepi od jedrnega matriksa med omejeno obdelavo jeder. z encimom nukleazo (slika 4). Prednostna prisotnost proučevanega fragmenta DNA v frakciji, ki meji na jedrni matriks, pridobljena po dokaj intenzivni obdelavi z nukleazo, nakazuje, da je pritrjen na jedrski matriks. Druga skupina metod je namenjena proučevanju specifičnosti zaporedij DNK, ki medsebojno delujejo z jedrnim matrikom. Vse metode temeljijo na selektivni vezavi in vitro(tj. in vitro) fragmente klonirane DNK z izolirano jedrno matrico. Vendar so se rezultati, pridobljeni z uporabo dveh metodoloških pristopov, izkazali za precej nasprotujoče si.

riž. 4. Shema za določanje položajev genov v zankah DNA.

A - nukleoid, pridobljen po ekstrakciji histonov iz jeder, ki niso obdelana z nukleazo; ena od zank DNA vsebuje tri gene: "a" se nahaja v proksimalnem (glede na jedrski matriks) delu zanke, "b" zavzema vmesni položaj in "c" je v distalnem delu;

B - po obdelavi jeder z nukleazo nastaneta približno dva preloma na zanko; Fragmenti DNK, ki se nahajajo na dnu zank (znotraj črtkanega kroga), so pritrjeni na jedrsko matriko. Po diferencialnem centrifugiranju se fragmenti ločijo, geni "a" in "b" pa ostanejo v DNK, pritrjeni na jedrni matriks;

B - po dodatni obdelavi z nukleazo ostane samo gen "a".

Opazili smo, da so vse metode usmerjene v identifikacijo in karakterizacijo fragmentov DNA, lokaliziranih na osnovah zank. Naš popolnoma nov pristop temelji na rezanju celotnega genoma na zanke in njihovem opisovanju. Na prvi pogled je razdelitev genoma na posamezne zanke izjemno težka. Pri tem je zelo pomembno, s katerim orodjem delamo prelome na bazah zank DNK. Na srečo nam je narava sama dala takšno orodje. Študije so pokazale, da je ena glavnih komponent jedrnega matriksa encim DNA topoizomeraza II, ki uravnava topologijo DNA. Ta encim vnaša dvoverižne prekinitve v DNK, ki jih po odstranitvi topoloških napetosti ali ločitvi katenanov isti encim zašije (ligira). Ves čas reakcije ostane encim, ki je sestavljen iz dveh podenot, vezan na DNK.

obstaja cela serija Inhibitorji DNA topoizomeraze II (v našem primeru VM-26), ki ustavijo reakcijo na stopnji intermediarnega kompleksa encim-DNA. (Zanimivo je, da se jih večina uporablja kot protitumorska sredstva.) V tem primeru ostane vsaka od encimskih podenot kovalentno povezana s 5' koncem pretrgane verige DNA. Če takšne blokirane komplekse obdelamo z denaturacijskim sredstvom in jih nato encim uniči, dobimo pripravek DNK, razrezan na fragmente na mestih stika med DNK in encimom (slika 5). Če bi se topoizomeraza II nahajala samo v jedrnem matriksu, bi preprosto zdravljenje živih celic z njenimi zaviralci prerezalo celoten genom na mestih, kjer se DNK pritrdi na jedrski matriks. Nalogo pa otežuje dejstvo, da je ta encim v nukleoplazmi prisoten v topni obliki in lahko povzroči prekinitve kjer koli (če je slučajno blizu DNK v času, ko celice tretiramo z inhibitorjem). Najverjetnejše mejne točke bodo regije brez nukleosomov, ki so najbolj občutljive na DNA nukleazo (DNase I). Da bi izključili možnost prekinitev zunaj zanimivih mest za pritrditev DNA na jedrni matriks, smo ekstrahirali topni encim in hkrati histone z obdelavo jeder z 2M NaCl (slika 4). Nastale tako imenovane nukleoide smo obdelali z zaviralci DNA topoizomeraze II. Tako smo lahko celoten genom razrezali na posamezne zanke in njihove oligomere.

riž. 5. Shema metode preslikave zanke DNA:

A - reakcija, ki jo katalizira DNA topoizomeraza II in mehanizem rezanja DNA, ko je aktivnost navzkrižnega povezovanja encima inhibirana z VM-26 in drugimi "strupi topoizomeraze";

B - rezanje genomske DNK na posamezne zanke. Po odstranitvi histonov so razvite zanke DNK še vedno pritrjene na jedrni matriks (rumeni krogi), ki vsebuje DNK topoizomerazo II (vijolični krogi). Nukleoide inkubiramo v mediju VM-26 in nato liziramo z natrijevim dodecil sulfatom (SDS). Na mestih, kjer se zanke pritrdijo na jedrni matriks, topoizomeraza II prereže DNK;

B - prelomi se pojavijo v zankah DNA, obdelanih z restrikcijskim encimom Sfi I. Fragment Sfi I-Sfi I (prikazan modro) je mogoče identificirati s hibridizacijo s sondo, ki je komplementarna enemu koncu restrikcijskega fragmenta polne dolžine (modra puščica). Na desni je ista regija genoma po dodatnem prelomu, ki ga povzroča topoizomeraza II (vijolični krog). Velikost skrajšanega fragmenta je enaka razdalji od mesta cepitve z DNA restrikcijskim encimom Sfi I do mesta cepitve s topoizomerazo II;

D - tipična slika rezultata elektroforeze. DNK fragment Sfi I-Sfi I v polni dolžini je viden na vseh pasovih. V sledovih, ki vsebujejo DNK iz nukleoidov, obdelanih z visokimi koncentracijami VM-26, se pojavi dodaten (Sfi I-Topo II) fragment, ki kaže, da je znotraj proučevanega fragmenta DNK mesto pritrditve na jedrno matriko.

Kaj storiti naprej? Kako ugotoviti položaje koncev zanke na fizičnem zemljevidu genoma? Spomnimo se, da tak zemljevid prikazuje realne razdalje vzdolž molekule DNK med določenimi markerji. Fizični zemljevidi različnih genomov so začeli nastajati veliko preden so bili dešifrirani genomi ljudi in številnih drugih organizmov. Mesta cepitve DNA z restrikcijskimi encimi se običajno uporabljajo kot označevalci pri ustvarjanju takšnih zemljevidov. Določite položaj mesta pritrditve zanke DNK na jedrsko matrico na fizični zemljevid- pomeni določanje razdalje od mesta pritrditve do mesta cepitve DNA s enim ali drugim restrikcijskim encimom. Če želite to narediti, lahko uporabite metodo posrednega končnega označevanja fragmentov DNA, ki je bila predlagana pred približno 30 leti za preslikavo položajev mest preobčutljivosti na DNazo I.

Načelo te metode je, da se po vnosu prelomov DNA s pomočjo enega ali drugega sredstva (v našem primeru DNA topoizomeraze II jedrnega matriksa) preparat dodatno prereže z izbranim restrikcijskim encimom. Ko so fragmenti ločeni z elektroforezo in preneseni v nitrocelulozni filter, se izvede hibridizacija z vzorcem, ki je komplementaren koncu izrezanega fragmenta, znotraj katerega je lahko dodatna vrzel. Če takšne vrzeli ni, potem po hibridizaciji dobimo fragment polne velikosti. Če pa je DNK znotraj tega fragmenta prerezala topoizomeraza II jedrnega matriksa ali drug encim, bo fragment krajši, njegova dolžina pa je enaka razdalji od mesta cepitve DNK z restrikcijskim encimom do mesta cepitve DNK s strani preučevanega povzročitelja (slika 5). Pri delu z zankami, ki jih prereže DNA topoizomeraza II, je glavna težava potreba po ločevanju zelo dolgih fragmentov DNA po velikosti. Ta problem je mogoče rešiti z elektroforezo s pulznim poljem, ki omogoča ločevanje fragmentov DNA v velikosti od nekaj tisoč do več milijonov nukleotidnih parov.

Zemljevid organizacije domene zanke človeškega gena za distrofin

Zgoraj opisano metodo smo uspešno uporabili za preslikavo meja zanke v več regijah genoma človeka in Drosophile. Po tem je bila zastavljena obsežna naloga - sestaviti zemljevid organizacije v zančne domene najdaljšega znanega gena - gena človeškega distrofina. Ta gen, ki se nahaja na kromosomu X, ima približno 2500 tisoč nukleotidnih parov, velikost njegove mRNA pa je le 14 tisoč nukleotidnih parov. Z drugimi besedami, več kot 99 % celotne dolžine gena zasedajo nekodirajoče sekvence (introni). V genu za distrofin se pogosto zgodijo različne preureditve, od katerih nekatere povzročijo hude dedne bolezni- mišične distrofije.

riž. 6. Zemljevid organizacije zanke človeškega gena za distrofin.

Gor- diagram lokacije mest in območij pritrditve DNA na jedrni matriks (vodoravne črte, označene s številkami 1-8) znotraj meja gena za distrofin. Navpične puščice (lat črke A-I) navedite lokacijo mest cepitve; vodoravno - na mestu hibridizacijskih vzorcev.

Dol- diagram vizualizacije edinstvenih fragmentov DNA na nukleoidnih pripravkih. Ko se histoni ekstrahirajo iz jedra, se zanke DNK poravnajo in tvorijo krono okoli jedrske matrike (a). Preparati so hibridizirani z vzorci, ki vsebujejo biotin (debela črta na diagramu b). Tak vzorec lahko vidimo po barvanju s protitelesi, vezanimi na fluorescentno barvilo (črni krogi v diagramu c).

Zemljevid cepitve gena za distrofin z restrikcijskim encimom SfiI je bil izdelan, še preden je bilo določeno celotno nukleotidno zaporedje človeškega genoma. Preslikali smo položaje mest pritrditve DNK na jedrni matriks glede na točke cepitve DNK s tem restrikcijskim encimom in ugotovili, da ima gen za distrofin vsaj devet zank, ločenih z osmimi pritrdilnimi conami. V nekaterih primerih je dolžina odsekov DNK, ki ločujeta dve sosednji zanki, primerljiva z dolžino samih zank (slika 6, a). To bistveno novo opazovanje je omogočilo obravnavanje območij pritrditve DNK na jedrsko matrico kot posebnega dela genoma. Zanimivo je, da se tukaj nahajajo prej identificirane žarišča rekombinacije v genu za distrofin. Odkriti vzorec se je izkazal za resničnega za številne druge proučevane gene. Druga zanimiva ugotovitev (potrjena tudi v drugih eksperimentalnih modelih) je, da so v območjih pritrditve zanke mesta, iz katerih se začne replikacija DNA. To potrjuje stališče, ki smo ga oblikovali pred 20 leti o najpomembnejšem principu organizacije evkariontskega kromosoma - njegovi konstrukciji iz strukturnih in funkcionalnih domen, ki ustrezajo replikacijskim enotam.

DNK zanke pod mikroskopom

Eksperimentalni pristop, ki smo ga uporabili za preslikavo zank DNK, temelji na številnih logičnih predpostavkah, ki izhajajo iz modela kromosomske strukture z radialno zanko. Do nedavnega ni bilo neposrednih dokazov, da so zanke DNK preslikane z uporabo različne metode, prav tiste, ki jih lahko vidimo na citoloških preparatih. Med številnimi prepletajočimi se zankami DNK, ki jih opazimo pod elektronski mikroskop, je skoraj nemogoče identificirati zanko kot genomski fragment, ki zanima raziskovalca. Vendar je to mogoče pri analizi zank pri nižji ločljivosti.

riž. 7. Mikrofotografije rezultatov hibridizacije in situ z jedrnimi halo pripravki (a) s fragmentom človeškega genoma - zanko DNK, preslikano na gen za distrofin. Ta zanka je omejena na pritrdilni regiji jedrske matrice 7 in 8. Hibridizacija brez konkurenčne DNA (b) in v prisotnosti presežka neoznačenega deleža ponavljajočih se sekvenc človeške DNA (c).

Če pogledate jedra, ekstrahirana z 2M NaCl v fluorescenčnem mikroskopu (po obarvanju DNA z enim ali drugim fluorescenčnim barvilom), lahko vidite krono zank DNA v obliki oblaka, ki obdaja svetleje obarvano osrednjo cono (jedrska matrika ) (slika 7, a in diagrami na sliki 6). Takšni pripravki se imenujejo jedrski haloji, v katerih se posamezne zanke ne razlikujejo. Če jih želite videti, morate uporabiti metodo hibridizacije in situ(v tem primeru pripravki jedrskih halojev, imobiliziranih na steklu) z zanimivim fragmentom genoma. Vzorec mora vsebovati nukleotidne analoge (na primer biotinilirani uridin), ki se po hibridizaciji obarvajo s fluorescenčnimi barvili, kot sta rdeča ali zelena. To omogoča sočasno analizo porazdelitve DNK, ki jo najlažje obarvamo z DAPI (4',6-diamidino-2-fenilindolom) v lila barva, in porazdelitev vzorca po hibridizaciji, obarvan rdeče ali zeleno.

Med izvajanjem programa sekvenciranja človeškega genoma je bilo v različnih laboratorijih kloniranih na tisoče dolgih (100-300 tisoč nukleotidnih parov) fragmentov človeške DNK. Večino klonov smo sistematizirali glede na položaje fragmentov klonirane DNK v človeškem genomu. Obstaja več raziskovalnih centrov, kjer lahko kupite klon, ki vas zanima. Vzeli smo klonirani fragment človeške DNK, ki predstavlja zanko DNK, ki smo jo preslikali v gen za distrofin, omejeno s pritrditvenimi mesti 7 in 8 (glej sliko 6). Po hibridizaciji tega fragmenta s pripravki jedrskih halojev se zazna veliko signalov, porazdeljenih po celotnem polju (slika 7, b). To je posledica dejstva, da DNK višjih evkariontov, vključno s človekom, vsebuje veliko ponavljajočih se sekvenc, porazdeljenih po celotnem genomu.

Ponovitve, prisotne v našem vzorcu, hibridizirajo z vsemi komplementarnimi zaporedji. Jasno je, da rezultatov takšnega poskusa ni mogoče interpretirati. Na srečo je mogoče potlačiti signale iz hibridizacije ponavljajočih se sekvenc. Da bi to naredili, smo izvedli hibridizacijo v prisotnosti presežka neoznačene frakcije ponavljajočih se sekvenc človeške DNK in videli zanke DNK, pritrjene na jedrsko matriko (slika 7c). Vsi so imeli enako velikost (znotraj merilne napake), kar je ustrezalo dolžini fragmenta DNA, ki je bil preslikan v poskusih rezanja zanke topoizomeraze II jedrske matrike DNA.

Pomen tega rezultata presega preprosto potrditev pravilnosti našega zemljevida domenske organizacije gena za distrofin. Prvič na svetu smo pokazali, da biokemična metoda, ki temelji na radialnem modelu strukture kromosomov, dejansko omogoča preslikavo zank DNK, opaženih v citoloških preparatih. To potrjuje tudi radialni model strukture kromosomov, na podlagi katerega je bila razvita naša metoda rezanja zanke. Poleg tega zmožnost opazovanja identičnih zank DNK pri analizi številnih pripravkov jedrskega haloja potrjuje dejstvo, da je DNK statično organizirana v zanke, tj. V vseh celicah so enaki fragmenti DNA pritrjeni na jedrni matriks, področja med njimi pa tvorijo zanke. Izvedli smo poskus na aktivno delečih se celicah. Ker so v vseh celicah identificirane enake zanke DNK, lahko trdimo, da se specifična organizacija DNK v zanke, ločene s pritrdilnimi conami, ohranja skozi niz celičnih delitev. Ta okoliščina je izjemno pomembna, saj nam omogoča, da takšno organizacijo DNK obravnavamo kot enega od epigenetskih mehanizmov. Dejansko se med oblikovanjem zank lahko določijo položaji različnih regulativnih elementov in njihovih ciljev, kar spodbuja njihovo interakcijo ali, nasprotno, izključuje.

Zanke DNK, kromosomske preureditve in evolucija genoma

Kot smo že omenili, se vroče točke za rekombinacijo gena distrofina nahajajo v segmentih, pritrjenih na jedrni matriks. Dodatne študije so pokazale, da so rekombinacijske vroče točke pritrjene tudi na jedrni matriks in so prisotne v številnih drugih genih, zlasti tistih, katerih rekombinacije so povezane z razvojem levkemije. Težko je verjeti, da je bilo to zgolj naključje. Najverjetneje je stalni stik DNK s topoizomerazo vzrok za nastanek "vročih točk" kromosomskih preureditev. Topoizomeraza II je lahko neposredno vpletena v nelegitimno rekombinacijo. Še bolj verjetno je, da dvojni zlomi, ki jih vnese v DNK pod določenimi pogoji, lahko spodbudijo netočno popravilo teh poškodb.

Znano je, da popravilo dvoverižnih prelomov v DNA višjih evkariontov pogosto vodi do različnih rekombinacijskih dogodkov. Na možno vlogo topoizomeraze II kot induktorja kromosomskih preureditev kažejo številni podatki, da uporaba inhibitorjev tega encima v kemoterapiji tumorjev pogosto povzroči sekundarno levkemijo. Za celice teh levkemij so značilne različne obsežne kromosomske spremembe, najpogostejše na mestih cepitve DNA topoizomeraze II. Pomembno je omeniti, da so pritrdilna mesta zanke na molekuli DNK precej oddaljena drug od drugega, znotraj jedra pa so lahko v neposredni bližini. Nezakonita rekombinacija med takšnimi regijami bo povzročila izgubo ali premik razširjenih delov genoma, kar pa lahko pomemben dejavnik evolucija genoma.

Literatura

1. Getzenberg R.H., Pienta K.J., Ward W.S., Coffey D.S.// Journal of Cellular Biochemistry. 1991. V.47. Str.289-299.

2. Cremer T., Kurz A., Zirbel R., Dietzel S. et al.// Cold Spring Harb. Symp. Količina Biol. 1993.V.58. P.777-792.

3. Peterson C.L., Laniel M.A.//Curr. Biol. 2004. V.14. P.R546-551.

4. Razin S., Gromova I.I., Iarovaia O.V.// Mednarodni pregled citologije. 1995. V.162B. P.405-448.

5. Razin S.V., Hancock R., Iarovaia O., Westergaard O. et al.// Cold Spring Harbor Symp. Količina Biol. 1993.V.58. Str.25-35.

6. Nedospasov S.A., Georgiev G.P.// Biochem. Biophys. Res. Komun. 1980. V.92. P.532-539.

7. Schwartz D.C., Cantor C.R.// Celica. 1984. V.37. Str.67-75.

8. Hoffman E.P., Schwartz L.// Mol. Aspects Med. 1991.V.12. Str.175-194.

9. Iarovaia O.V., Bystritskiy A., Ravcheev D., Hancock R. et al.// Nucl. kisline. Res. 2004. V.32. P.2079-2086.

10. Razin S.V., Kekelidze M.G., Lukanidin E.M., Scherrer K. et al.// Nucl. kisline res. 1986. V.14. P.8189-8207.

11. Iarovaia O.V., Shkumatov P., Razin S.V.// J. Cell. Sci. 2004. V.117. P.4583-4590.

12. Super H.J., McCabe N.R., Thirman M.J., Larson R.A. et al.// Kri. 1993.V.82. P.3705-3711.

13. Zhang Y., Strissel P., Strick R., Chen J. et al.//Proc. Natl. Akad. Sci. ZDA. 2002.V.99. P.3070-3075.

14. Razin S.V.// Crit. Rev. Eukar. Gene Exp. 1999.V.9. Str.279-283.

Molekule DNA v evkariontskih celicah so zelo velike. Tako dolžina molekul DNK, izoliranih iz človeških celic, doseže več centimetrov. Splošno sprejeto je, da vsak evkariontski kromosom vsebuje eno samo neprekinjeno molekulo DNA. Glede na vrstno število kromosomov pri sesalcih lahko rečemo, da imajo v povprečju približno 2 m DNK na interfazno jedro, ki se nahaja v sferičnem jedru s premerom manj kot 10 μm. Hkrati je treba v jedru vzdrževati določen vrstni red razporeditve molekul DNK, ki zagotavlja njegovo urejeno delovanje.

Molekule DNA v jedrih evkariontskih celic so vedno v kompleksu z beljakovinami kot del kromatina, ki nastane iz kromosomov po koncu jedrne delitve kot posledica kompleksnega procesa odvijanja (despiralizacije) kromosomov.

Beljakovine predstavljajo približno 60% suhe teže kromatina. Beljakovine v njegovi sestavi so zelo raznolike. Običajno jih delimo v dve skupini: histone in nehistonske proteine. Histoni, značilni samo za evkariontske celice, izvajajo prve faze pakiranja DNK, ki so si pri večini proučevanih predmetov zelo podobne.

Histoni predstavljajo do 80% vseh beljakovin kromatina. Njihova interakcija z DNK nastane zaradi ionske vezi in ni odvisen od zaporedja nukleotidov v molekuli DNA. Histoni niso zelo raznoliki. To so globularni proteini, ki jih predstavlja 5-7 vrst molekul. Najbolj znani razredi histonov so: HI, H2A, H2B, NZ in H4. Njihove glavne lastnosti so določene z relativno visoko vsebnostjo bazičnih aminokislin: lizina in arginina (slika 3.7). Pozitivni naboji na amino skupinah teh aminokislin zagotavljajo elektrostatično povezavo histonov z negativnimi naboji na fosfatnih skupinah DNA. Od vseh jedrskih proteinov so histoni najbolj raziskani. Njihova molekulska masa je relativno majhna (največja je za histon NZ - 153 tisoč daltonov). Pri skoraj vseh evkariontih imajo podobne lastnosti in so razdeljeni v iste razrede. Od preučevanih so ti proteini najbolj konzervativni: njihova aminokislinska zaporedja so podobna tudi pri oddaljenih vrstah. Izjema je histon HI, za katerega so značilne pomembne medvrstne in medtkivne variacije.

Med celičnim življenjem so lahko histoni podvrženi posttranslacijskim modifikacijam, kar spremeni njihove lastnosti in sposobnost vezave DNA. Histoni se sintetizirajo v citoplazmi, prenesejo v jedro in se vežejo na DNK med njeno replikacijo v S obdobju celičnega cikla. Histoni, vključeni v kromatin, so zelo stabilni in imajo nizko stopnjo menjave.

Prisotnost histonov v vseh evkariontskih celicah, njihova podobnost tudi pri zelo oddaljenih vrstah, njihova bistvena sestava v kromosomih in kromatinu - vse to kaže na izjemno pomembno vlogo teh proteinov v življenju celic. Prelomni dogodek v študiji pakiranja DNK v kromatinu je bilo odkritje nukleosomov delcev, v katerih nastopi prva stopnja pakiranja DNK v kromatinu. Jedro nukleosoma je vedno konzervativno in vsebuje osem molekul: po dve molekuli histonov H4, H3, H2A, H2B. Na površini jedra je odsek DNK s 146 nukleotidnimi pari, ki tvorijo 1,75 zavojev okoli jedra. Majhen košček DNK ostane nevezan na jedro, imenovan povezovalec (slika 3.8). V različnih objektih lahko vezna regija variira od 8 do 114 nukleotidnih parov na nukleosom

Izračunano je, da celoten haploidni človeški genom (3 x 109 baznih parov) vsebuje 1,5 x 107 nukleosomov. Splošni pogled kromatin, ki ga predstavlja molekula DNK, pakirana z uporabo nukleosomskih struktur, lahko primerjamo s kroglicami na vrvici (slika 3.9). Nukleosomi so sposobni samosestavljanja, če sta v epruveti prisotna DNK in histoni v določenem razmerju. Prva nukleosomska stopnja zbijanja DNK poveča gostoto embalaže DNK za 6-7 krat.

V naslednji fazi pakiranja se vključi nukleosomska kromatinska struktura s pomočjo histona HI, ki se veže na povezovalni del DNK in površino nukleosoma. Zahvaljujoč kompleksni interakciji vseh komponent nastane urejena struktura spiralnega tipa, ki se pogosto imenuje solenoid (slika 3.10). Kompaktnost DNK poveča še za 40-krat. Ker ima solenoidna struktura zmanjšano sposobnost vezave na proteine, ki zagotavljajo transkripcijo, se domneva, da lahko ta stopnja zbijanja DNA igra vlogo faktorja inaktivacije genov. Nekateri avtorji menijo, da je solenoidna struktura ena od možne možnosti pakiranje kromatina

s pomočjo histona HI in verjeten je obstoj drugih morfoloških različic, na primer nukleomer ali superbead (slika 3.11).

Višje stopnje zbijanja DNK v kromatinu so povezane z nehistonskimi proteini. Predstavljajo približno 20% vseh beljakovin kromatina. To skupno skupino beljakovin odlikuje širok spekter lastnosti in funkcij. Skupaj frakcija nehistonskih proteinov vključuje približno 450 posameznih proteinov, katerih lastnosti in specifične funkcije še niso dovolj raziskane. Ugotovljeno je bilo, da se nekateri izmed njih specifično vežejo na določene dele DNK, zaradi česar kromatinska vlakna tvorijo zanke na mestih, kjer se DNK veže na nehistonske proteine. Tako višje ravni pakiranja DNA v kromatinu niso zagotovljene s spiralizacijo kromatinskih niti, temveč s tvorbo strukture prečne zanke vzdolž kromosoma (slika 3.12). Na vseh teh stopnjah zbijanja DNA je kromatin prisoten v aktivna oblika, v njej poteka prepisovanje in sinteza vseh vrst molekul RNK. Ta kromatin se imenuje evhromatin. Nadaljnje pakiranje kromatina vodi do njegovega prehoda v neaktivno stanje s tvorbo heterokromatina

Ta proces je povezan s spiralizacijo skupin zank in nastankom rozetastih struktur iz kromatinskih fibril, ki imajo optično in elektronsko gostoto in se imenujejo kromomeri (slika 3.12). Predpostavlja se, da vzdolž kromosoma obstaja veliko število kromomerov, ki so med seboj povezani v eno strukturo z odseki kromatina s pukleosomsko ali solenoidno embalažo DNK. Vsak par homolognih kromosomov ima svoj kromomerni vzorec, ki ga je mogoče identificirati s posebnimi metodami obarvanja pod pogojem, da je kromatin siraliziran in preoblikovan v stanje kromosoma.

Zankasto-rozetna struktura kromatina ne zagotavlja samo pakiranja DNA, ampak tudi organizira funkcionalne kromosome, saj so na svojih osnovah zanke DNA povezane z nehistonskimi proteini, ki lahko vključujejo replikacijske encime, ki zagotavljajo podvajanje DNA, in transkripcijske encime, zaradi pri katerem pride do sinteze vseh vrst RNA.

Regije DNK, pakirane v obliki heterokromatina, imajo lahko dvojno naravo. Obstajata dve vrsti heterokromatina: fakultativni in konstitutivni (strukturni). Fakultativni heterokromatin predstavlja regije genoma, ki so v določenih celicah začasno inaktivirane. Primer takega kromatina je spolni heterokromatin inaktiviranega kromosoma X v somatskih celicah žensk. Strukturni heterokromatin v vseh celicah je nenehno v neaktivnem stanju in verjetno opravlja strukturne ali regulativne funkcije.

Konec dela -

Ta tema spada v razdelek:

Tema kromosomske teorije

Tema: kromosomska teorija.. lekcija: genske mutacije.. lekcija: kromosomske in genomske mutacije..

Če potrebujete dodatni material na to temo ali niste našli tistega, kar ste iskali, priporočamo uporabo iskanja v naši bazi del:

Kaj bomo naredili s prejetim materialom:

Če vam je bilo to gradivo koristno, ga lahko shranite na svojo stran v družabnih omrežjih:

Tweet

Vse teme v tem razdelku:

Xxxxxxxxxx
xxxxxxxxxx xxxxxxx METODOLOŠKA NAVODILA za predmet “Med.

Kromosomska teorija dednosti
Lekcija 6. Dedovanje spolno povezanih lastnosti………………………………………………………….

Lekcija 7. Posebnosti dedovanja genov, lokaliziranih na enem kromosomu …………… Lekcija 8. Kartirova
Populacijska genetika

Razred. Genetska struktura populacije (križanci in samoopraševalci) 1. Opredelite populacijo. Opišite populacije glede na način razmnoževanja organizmov.
Koncept genetske informacije. Dokazi o vlogi jedra in kromosomov v pojavih dednosti. Lokalizacija genov v kromosomih. Vloga citoplazemskih dejavnikov pri prenosu dednih informacij

Genetska analiza
Osnovni vzorci dedovanja. Cilji in principi genetske analize. Metode: hibridološka, ​​mutacijska, citogenetska, populacijska, dvojčkova, biokemijska, statistična. G

Ekstranuklearno dedovanje
Vzorci nekromosomskega dedovanja, razlika od kromosomskega dedovanja. Študijske metode: recipročna, recipročna in absorpcijska križanja, transplantacijska metoda, biokemijske metode.

Genetska variabilnost
Pojem dedne in nededne (modifikacijske) variabilnosti. Oblikovanje lastnosti kot posledica interakcije genotipa in okoljskih dejavnikov. Normalna reakcija genotipa. Prilagodljiv značaj

Osnove molekularne genetike
Ideja šole Morgan o strukturi in funkciji gena. Preučevanje fine strukture gena na primeru faga T4 (Benzer). Gen kot enota funkcije (cistron). Prekrivanje genov v enem kosu DNK. Int

Populacijska genetika
Pojem vrste in populacije. Prebivalstvo kot naravnozgodovinska struktura. Koncept genskih frekvenc in genotipov. Matematični modeli v populacijski genetiki. Hardy-Weinbergov zakon, verjetno

Človeška genetika
Značilnosti osebe kot predmeta genetske raziskave. Metode preučevanja človeške genetike: genealoške, dvojčkove, citogenetske, biokemijske, ontogenetske, populacijske. Ispol

Zgodovina človeške genetike
Uspehi humane genetike in njena zgodovina so tesno povezani z razvojem vseh vej genetike. Dolgo pred odkritjem G. Mendela so različni avtorji opisovali patološke dedne značilnosti pri ljudeh

Genealoška metoda
Osnovne zakonitosti dedovanja, uveljavljene za žive organizme, so univerzalne in v celoti veljavne za človeka. Hkrati pa ima človek kot objekt genetskega raziskovanja

Dvojna metoda
To je metoda preučevanja genetskih vzorcev pri dvojčkih. Prvič jo je predlagal F. Galton leta 1875. Dvojna metoda omogoča ugotavljanje prispevka genetske (dedne) in

Metoda populacijske statistike
Ena od pomembnih usmeritev v moderna genetika je populacijska genetika. Proučuje genetsko strukturo populacij, njihov genski sklad, interakcijo dejavnikov, ki določajo stalnost

Citogenetska metoda
Osnova metode je mikroskopska študija človeških kromosomov. Citogenetske študije so bile široko uporabljene od zgodnjih dvajsetih let. XX stoletje za preučevanje morfologije človeških kromosomov, štetje hrv

Metoda genetike somatskih celic
Dejstvo, da somatske celice nosijo celotno količino genetske informacije, omogoča preučevanje genetskih vzorcev celotnega organizma z njihovo pomočjo.

Biokemijska metoda
Vzrok številnih prirojenih napak v presnovi so različne encimske okvare, ki nastanejo kot posledica mutacij, ki spremenijo njihovo strukturo. Biokemični parametri (primarni genski produkt, na

Molekularno genetske metode
Končni rezultat molekularno genetskih metod je prepoznavanje sprememb na določenih delih DNK, gena ali kromosoma. Temeljijo na sodobne tehnike delo z DNK ali RNK. V 70-80 letih. v St.

Kemična sestava in zgradba molekule DNA
Utemeljitelj genetike Gregor Mendel je leta 1865 prvi dokazal, da je vsaka lastnost organizma določena s parom dednih dejavnikov. V začetku 20. stol. parni dedni dejavniki, prejeti na

Organizacija genetskega materiala v človeških kromosomih
Splošna organizacija človeških kromosomov je tradicionalna: v metafazi je kromosom sestavljen iz dveh sestrskih kromatid, ki sta med seboj povezani v območju primarne zožitve (centromera). Centromere deli hro

Človeški kromosomi
Zgodovina razvoja človeške citogenetike Prvič so bili človeški mitotični kromosomi opisani v delih J. Arnolda (1879) in W. Flemminga (1882). V naslednjih letih so bile različne ocene njihovega števila

Sodobne metode kartiranja kromosomov
Na prelomu 70. let. XX stoletje molekularna genetika je dosegla določen zaključek v svojem razvoju: ugotovljena sta bila struktura in mehanizem replikacije DNA, razglašena je bila "osrednja dogma".

Študija človeških genomov
Prikazana so zadnja desetletja na prelomu dveh obdobij hitra rast na področju višje biologije človeka. To je na začetku posledica dela na dešifriranju človeškega genoma, opravljenega v preteklosti.

kromosomi- celične strukture, ki shranjujejo in prenašajo dedne informacije. Kromosom je sestavljen iz DNK in beljakovin. Kompleks beljakovin, vezan na DNA, tvori kromatin. Beljakovine igrajo pomembno vlogo pri pakiranju molekul DNK v jedru.

DNK v kromosomih je pakirana tako, da se prilega jedru, katerega premer običajno ne presega 5 mikronov (5-10 - 4 cm). Embalaža DNK je videti kot zankasta struktura, podobna kromosomom čopičev pri dvoživkah ali politenskim kromosomom žuželk. Zanke vzdržujejo proteini, ki prepoznajo specifične nukleotidne sekvence in jih povezujejo. Zgradbo kromosoma najbolje vidimo v metafazi mitoze.

Kromosom je paličasta struktura in je sestavljen iz dveh sestrskih kromatid, ki ju drži centromera v predelu primarne zožitve. Vsaka kromatida je zgrajena iz kromatinskih zank. Kromatin se ne podvaja. Replicira se samo DNK.

Prva stopnja zbijanja DNK je nukleosomska. Če je kromatin izpostavljen nukleazam, se on in DNK razgradita v redno ponavljajoče se strukture. Po obdelavi z nukleazo se iz kromatina s centrifugiranjem izolira frakcija delcev s hitrostjo sedimentacije 11S. Delci 11S vsebujejo približno 200 baznih parov DNK in osem histonov. Ta kompleksen nukleoproteinski delec se imenuje Nukleosomi. V njem histoni tvorijo beljakovinsko jedro, na površini katerega se nahaja DNK. DNK tvori regijo, ki ni povezana z jedrnimi beljakovinami - Povezovalnik, Ki s povezavo dveh sosednjih nukleosomov preide v DNK naslednjega nukleosoma. Tvorijo "kroglice", kroglaste tvorbe približno 10 nm, ki se nahajajo ena za drugo na podolgovatih molekulah DNA. Druga stopnja zbijanja je 30 nm fibril. p Prva, nukleosomska, raven zbijanja kromatina ima regulatorno in strukturno vlogo, kar zagotavlja 6-7-kratno gostoto pakiranja DNK. V mitotskih kromosomih in v interfaznih jedrih so odkrite kromatinske fibrile s premerom 25-30 nm. Razlikujemo solenoidni tip pakiranja nukleosomov: nit gosto zapakiranih nukleosomov s premerom 10 nm tvori zavoje s spiralnim korakom približno 10 nm. Na zavoj takšne supervijačnice je 6-7 nukleosomov. Kot rezultat takšnega pakiranja se pojavi spiralna fibrila z osrednjo votlino. Kromatin v jedru ima 25-nm fibrile, ki so sestavljene iz tesnih kroglic enake velikosti - Nukleomeri. Ti nukleomeri se imenujejo superkroglice ("superkroglice"). Glavna kromatinska fibrila s premerom 25 nm je linearna alternacija nukleomerov vzdolž strnjene molekule DNA. Kot del nukleomera nastaneta dva zavoja nukleosomske fibrile, v vsakem po 4 nukleosome. Nukleomerna stopnja pakiranja kromatina zagotavlja 40-kratno zgoščenost DNA. Nuklezomske in nukleomerne (superbid) ravni zbijanja kromatinske DNA izvajajo histonski proteini. Domene zanke DNA – tretji nivo strukturna organizacija kromatin. Na višjih ravneh organizacije kromatina se specifični proteini vežejo na specifične odseke DNA, ki tvorijo velike zanke ali domene na veznih mestih. Ponekod so kepe kondenziranega kromatina, rozete podobne tvorbe, sestavljene iz številnih zank 30 nm fibril, ki se povezujejo v gostem središču. Povprečna velikost rozet doseže 100-150 nm. Rozete kromatinskih vlaken - Kromomeri. Vsak kromomer je sestavljen iz več zank, ki vsebujejo nukleosome in so povezane v enem samem središču. Kromomeri so med seboj povezani z odseki nukleosomskega kromatina. Ta struktura kromatina z zankasto domeno zagotavlja strukturno zbijanje kromatina in organizira funkcionalne enote kromosomov - replikone in transkribirane gene.

Kvartarna struktura DNK. kromosomi

Kvartarna struktura DNK je razporeditev nukleosomov v kromatin, tako da se nekaj centimetrov dolga molekula DNK zvije na 5 nm. Kromatin na obarvanih celičnih preparatih je mreža tankih niti (fibril), majhnih zrnc ali grudic. Osnovo kromatina tvorijo nukleoproteini - dolge nitaste molekule DNK (40%), povezane s specifičnimi proteini - histoni (40%). Histoni so glavni razred nukleoproteinov, jedrskih proteinov, potrebnih za sestavljanje in pakiranje verig DNK v kromosome. Pet jih je različne vrste histoni: H1, H2A, H2B, H3, H4. Histoni so obogateni z aminokislinami s pozitivno nabitimi (arginin, lizin) in hidrofobnimi (valin itd.) radikali. Istočasno histoni zaradi argininskih in lizinskih radikalov interagirajo z DNK, zaradi hidrofobnih radikalov pa med seboj. Histoni opravljajo pomembno funkcijo oblikovanja strukture.

Kromatin vključuje tudi RNK, kisle beljakovine (verjetno imajo kisle beljakovine tudi strukturno vlogo, saj sodelujejo pri tvorbi višjih, supranukleomernih, ravni pakiranja kromosomov), lipide in minerale (Ca²+ in Mg²+), pa tudi encim DNA polimeraza , ki je potreben za replikacijo DNK. Med delitvijo jedra se nukleoproteini spiralno skrajšajo in posledično postanejo gostejši ter se oblikujejo v kompaktne paličaste oblike. kromosomi ki postanejo opazne, če jih opazujemo pod svetlobnim mikroskopom. Kromosom je najbolj kompaktna oblika dednega materiala celice (v primerjavi z verigo DNK je skrajšanje približno 1600-krat). Pri večini evkariontov se DNK do te mere zvije le med delitvijo.

Zgradba kromosomov. Vsak kromosom ima primarno zožitev - centromero (tanek, nespiraliziran del), ki deli kromosom na dva kraka. V območju primarne zožitve je fibrilarno telo - kinetohor, ki uravnava gibanje kromosomov med celično delitvijo: nanj so pritrjene niti vretena, ki ločujejo kromosome na poli.

riž. 1. Zgradba kromosoma: 1 – primarna zožitev (cenromera); 2 – kraki kromosomov; 3 – molekule DNK; 4 – telomeri

Glede na lokacijo zožitve obstajajo tri glavne vrste kromosomov:

1. Enaka ramena - z rameni enake dolžine;

2. Neenaka ramena - z rameni neenake dolžine;

3. Enoramna (paličasta) - z enim dolgim ​​in drugim zelo kratkim, komaj opaznim plečem.

riž. 2. Glavne vrste kromosomov: 1 – enakokraki kromosomi; 2 – neenaki kromosomi; 3 – enokraki kromosomi

Sekundarna zožitev je nukleolarni organizator, vsebuje gene rRNA in je prisotna na enem ali dveh kromosomih v genomu. Ta regija kromosoma nadzoruje sintezo nukleolusa.

Telomeri so končni odseki kromosomov, ki vsebujejo do 10 tisoč nukleotidnih parov s ponavljajočim se zaporedjem TTAGGG. Telomeri ne vsebujejo genov, temveč:

Konci kromosomov so zaščiteni z delovanjem nukleaz – encimov, ki uničujejo DNK.

· zagotavljajo pritrditev koncev kromosomov od znotraj na jedrsko membrano.

· zaščititi gene pred končno premajhno replikacijo.

Za vsako celico določene vrste živih organizmov je značilno določeno število, velikost in oblika kromosomov. Nabor kromosomov somatske celice, značilen za določeno sistematično skupino gliv, živali ali rastlin, se imenuje kromosomski nabor ali kariotip.

Število kromosomov v zrelih zarodnih celicah imenujemo haploidni niz in ga označujemo s črko n. Somatske celice vsebujejo dvojno število kromosomov (diploidni niz), označeno kot 2n. Celice, ki imajo več kot dva kompleta kromosomov, so poliploidne (4n, 8n itd.). Parni kromosomi, to je enaki po obliki, strukturi in velikosti, vendar imajo različnega izvora(ena materina, druga očetova) se imenujejo homologne.