Уровни компактизации хроматина

Понятие хроматина и его биологическая роль

В ядрах соматических клеток большинства эукариот, включая человека, генетический материал находится в виде плотных комплексов. Основой этой структуры является ДНП (дезоксирибонуклеопротеид) — соединение нуклеиновой кислоты с белками.

Сам термин хроматин обозначает специфический комплекс ДНК и белков-гистонов. Свое название он получил благодаря выраженной способности интенсивно окрашиваться специальными клеточными красителями.

Белки в составе хроматина выполняют сразу несколько критически важных функций:

• Осуществляют физическую упаковку и изменение конформации тонкой нити ДНК в объемную компактную структуру.
• Регулируют процессы экспрессии генов, открывая или закрывая к ним доступ.
• Принимают непосредственное участие в процессах репликации (удвоения) и репарации (восстановления) ДНК.

Динамика структуры в течение клеточного цикла

Состояние генетического материала непостоянно и напрямую зависит от фазы жизни клетки:

1. В период интерфазы хромосомы представляют собой длинные, переплетенные и деспирализованные нити ДНП. Именно в таком «расслабленном» виде хроматина возможен синтез новых молекул — происходит репликация.
2. В период деления клетки хроматин меняет свою конфигурацию, переходя в высококонденсированное (максимально плотное) состояние, и формирует четко различимые хромосомы. Главная цель такой жесткой конденсации — обеспечить строго равномерное расхождение дуплицированных хромосом между образующимися дочерними клетками.

Хромосомный набор и типы хромосом

В соматических клетках человека представлен диплоидный набор (обозначается как 2n), который суммарно насчитывает 46 хромосом. Половина этого набора (50%) наследуется от материнского организма, а вторая половина — от отцовского.

Хромосомы в кариотипе подразделяются на пары. Гомологичные хромосомы — это парные структуры, которые обладают следующими признаками:

• Содержат абсолютно одинаковый набор генов.
• Имеют морфологическое сходство (одинаковое строение).
• Способны конъюгировать (сближаться и соединяться) в процессе мейоза.
• При этом они могут нести в себе различные аллельные формы одного и того же гена.

Отдельно выделяют половые хромосомы. У человека это хромосомы X и Y, которые являются негомологичными по отношению друг к другу.

Стадии компактизации ДНК

Процесс упаковки генетического материала проходит строго последовательно. Каждая стадия формирует структуру определенного диаметра и увеличивает общую степень компактизации молекулы.

1. Двойная цепь ДНК

Базовый уровень, представляющий собой свободную двойную спираль с диаметром 2 нм. Короткий виток спирали содержит около 5 оборотов.

1. Нуклеосомный уровень («бусины на нити»)

Первая ступень компактизации увеличивает плотность упаковки в 6–7 раз, диаметр нити составляет 11 нм.

• Основная единица — нуклеосома. Это белковый кор (сердцевина), состоящий из 8 гистонов (октамер, включающий по две молекулы белков H2A, H2B, H3 и H4).
• ДНК накручивается на этот октамер, делая 1¾ оборота, что охватывает участок примерно в 146 пар нуклеотидов (п.н.).
• Между нуклеосомами находится линкер — свободный участок ДНК длиной 50–70 п.н., который не связан с белковым кором и служит соединительным мостиком.

1. Нуклеомерный (соленоидный) уровень

Нить нуклеосом закручивается в спираль (соленоид или нуклеомер), образуя хроматиновую фибриллу диаметром 30 нм. Степень упаковки достигает 40 раз. На один виток спирали приходится 6–8 нуклеосом. Структура жестко стабилизируется дополнительным гистоновым белком H1, задача которого — укорачивать линкерную ДНК.

1. Хромомерный (петельный) уровень

Диаметр достигает 300 нм, а степень компактизации — 700 раз. Хроматиновая фибрилла складывается в крупные петли. Эти петли прикрепляются к специальному остову, который образован уже негистоновыми белками. Одна такая петля представляет собой домен, содержащий несколько генов (ее длина составляет от 50 до 200 тысяч п.н.).

1. Хромонемный уровень

Петельные домены подвергаются дальнейшей спирализации. Образуется нитчатая хроматиновая структура диаметром 700 нм, обеспечивающая компактизацию в 1500 раз. Внешне это выглядит как конденсированные участки одной из метафазных хроматид.

1. Хромосомный уровень

Финальная стадия укладки хромонемных нитей. Формируется полноценная метафазная хромосома диаметром 1400 нм. На этом этапе достигается предельная степень компактизации — ДНК упаковывается в 10 000 раз плотнее своего исходного состояния.

Вопросы с занятий и экзамена

Что ещё разобрать по теме

• Строение белков-гистонов и их аминокислотный состав
• Негистоновые белки: функции и участие в образовании хромосомного остова
• Механизмы конъюгации гомологичных хромосом в мейозе
• Регуляция экспрессии генов через изменение степени компактизации хроматина

Другие темы раздела «Хромосомы (хроматин)»

Материал подготовлен преподавателями Школы Сеченова по учебной программе медицинских вузов. Носит образовательный характер.