Хромосоми

Загальна схема організації хромосом характерна для всіх еукаріот. Найчастіше це паличкоутворення структури, що мають розміри від 0,5 мкм (мікрохромосоми багатьох видів тварин і рослин) до 20 мкм (у сумчастих і однопрохідних ссавців). Середній розмір хромосом людини 7 мкм.
Хромосоми виявляються тільки в діляться клітинах під час мітозу або мейозу. Вони являють собою максимально конденсована (компактізірованное) стан хроматину, в якому відсутні синтетичні процеси. Головна функція хромосом – перенесення генетичної інформації з материнської клітини в дві дочірні таким чином, щоб ті отримали ідентичну, однакову спадкову інформацію.
Процес компактизації хромосом відбувається поступово протягом 30-60 хвилин. Найбільш щільно упаковані хромосоми, що мають мінімальну довжину, можна побачити в метафазі мітозу (рис. 4.4). У цей час хромосоми складаються з двох сестринських хроматид, які з’єднані один з одним в найтоншому місці хромосоми, в районі центромери, або первинної перетяжки.

Прийнято вважати, що в складі кожної хроматиди є одна упакована двуспіральная молекула ДНК. Дві сестринські хроматиди однієї хромосоми містять дві однакові молекули ДНК, т. К. Вони утворюються з вихідної материнської молекули в процесі реплікації в S-періоді інтерфази.
В останні роки термінологія поняття «хромосома» змінюється. Хромосомою називають структуру, яка містить одну двуспіральную молекулу ДНК. У цьому випадку метафазну хромосому описують як структуру, що складається з двох сестринських хромосом.
Згідно класичним уявленням, центромера ділить хроматиду кожної хромосоми на два плеча. Плечі можуть бути рівними, тоді таку хромосому називають метацентрической. Якщо одне плече коротше іншого, то хромосома іменується субметацентріческіе. Нерідко зустрічаються хромосоми, у яких одне плече значно коротше іншого, вони носять назву акроцентріческіе.
Центромери виконують в хромосомі дуже важливі функції. Одна з них вже вказана: центромера з’єднує дві сестринські хроматиди. Інша функція пов’язана з утворенням кінетохора, особливої ​​білкової структури у вигляді диска або півсфери в безпосередньому контакті з центромерой. До складу кінетохора входить кілька типів різноманітних білків, які мають спорідненість до микротрубочкам веретена поділу і активно зв’язуються з ними. Наявність кінетохор забезпечує прикріплення декількох десятків мікротрубочок до хромосомі в прометафазі мітозу. У дріжджів кінетохор відсутні, і до центромере прикріплюється тільки одна микротрубочка. Якщо хромосоми досить великі, то одна микротрубочка не забезпечить надійного руху хромосом.
Дуже важливим моментом в проходженні мітозу є синхронність одночасного поділу всіх хромосом на дві хроматиди. Вважається, що провідна роль у регуляції цього процесу також належить Центромера і кінетохор.
Розглядаючи морфологію хромосом, не можна обійти увагою їх кінцеві ділянки, звані теломерами. Основною функцією теломерна районів є їх участь в діленні клітин. Після закінчення поділу формуються нові дочірні клітинні ядра, в яких хромосоми прикріплюються до внутрішньої ядерної мембрані за допомогою теломер, що сприяє розташуванню в ядрі хромосом в строго певній зоні (рис. 4.5). Крім цього, теломерні райони запобігають злипання різних хромосом своїми кінцями і перешкоджають утворенню хромосом з двома центромерами, наявність яких свідчить про патологію мітозу. Теломери стабілізують хромосоми, захищаючи їх від руйнування клітинними нуклеазами – ферменту, що каталізує гідроліз всіх незахищених ДНК. В останні роки стало відомо ще одне призначення теломерна кінців: завдяки їм відбувається повне завершення реплікації ДНК при підготовці клітини до поділу. Особливу роль тут відіграє фермент теломераза – вона допомагає завершити реплікацію ДНК на відстаючої ланцюга.

Теломерні райони, що обмежують хроматиди з двох кінців, містять певну послідовність нуклеотидів ТТАГГ, яка повторюється багато разів – від 250 до 1500 разів. За допомогою таких повторів враховується кількість поділів, скоєних кліткою. Відомо, що нескінченна кількість поділів можуть здійснювати тільки трансформовані пухлинні клітини.
Кожна молекула ДНК в хроматиді гетерогенна за своїм складом. У ній є ділянки з унікальною послідовністю азотистих основ, які несуть інформацію про більшість білків клітини. У той же час в ній зустрічаються послідовності нуклеотидів, багаторазово повторювані в геномі у складі цієї ж або інших молекул ДНК. За кількістю повторів в хромосомах такі послідовності підрозділяють на два класи: помірні і часті повтори. Перший клас – помірно повторювані послідовності з числом повторів від 100 до 10 000. На їх частку припадає приблизно чверть ДНК, і вони можуть являти собою як блоки справжніх генів, як наприклад гени гістонів, так і структурні райони ДНК. До структурних районам, що складається з поміркованих повторів, відносяться короткі послідовності, які не кодують білки. Вони розкидані по всьому хромосомами, а їх довжина відповідає приблизно 300 нуклеотидних пар. Другий клас – часто повторювані послідовності, або сателітні ДНК, число повторів яких на клітку перевищує мільйон разів. Це теж нетранскрібіруемие ділянки ДНК, на яких не йде утворення РНК.
У роботах різних авторів показано, що зазвичай лише кілька відсотків довжини молекули ДНК представлено унікальними послідовностями, що представляють структурні гени. В основному вони розподілені у складі довгих молекул ДНК між короткими помірно повторюваними послідовностями, довжина яких не перевищує 300 пар нуклеотидів. Багато з таких помірних повторів мають схожу будову. Ймовірно, вони виконують структурні і регуляторні функції у складі генів. Помірні повтори, що представляють гени, зустрічаються в кожній клітині, де є ядро. Вони містять гени, необхідні всім клітинам в кожній фазі індивідуального розвитку. Це гени Хвороби, гістонів та транспортної РНК.
Гени Хвороби є частиною району ядерцевого організатора на хромосомах. Вони кодують Хвороби, які синтезуються в полісом. Освіта рРНК – складний процес: з однієї гігантської новосинтезованих молекули утворюються три різні молекули рРНК меншого розміру, а надлишкові послідовності видаляються. Зрілі рРНК беруть участь в збірці субодиниць рибосом. Таким чином, ядерце – це місце ядра, де функціонують рибосомні гени, воно містить сукупність всіх рибосомних РНК, що знаходяться на різних стадіях освіти, тут відбувається процес формування субодиниць рибосом. У людини район ядерцевого організатора розташований в коротких плечах акроцентріческіх пар хромосом з номерами 13, 14, 15, 21 і 22 (рис. 4.6). У формуванні ядерця можуть брати участь відразу кілька хромосом. Середнє число копій рибосомних генів у клітинах людини, за даними різних авторів, – 416-443 на клітку, так що в районі ядерцевого організатора однієї хроматиди розташовані один за одним одні й ті ж гени, повторюючись десятки разів. Таке розташування генів називається кластерним.

До класу помірно повторюваних послідовностей у людини можна віднести також сімейство численних генів варіабельних ділянок імуноглобулінів, що грають ключову роль в імунітеті. Помірні повтори виявлені у всіх хромосомах людини, де вони локалізовані по всій довжині плечей.
Часто повторювані послідовності займають приблизно десяту частину генома. Ділянки ДНК з такими повторами виявлені в певних місцях хромосом: це, насамперед, околоцентромерном і теломерні райони. На диференційовано забарвлених хромосомах вони виявляються у вигляді конститутивного гетерохроматину, в якому не відбувається транскрипція. Більше того, конститутивний гетерохроматин може впливати на близько розташовані гени, пригнічуючи їх активність.
Часто повторювані послідовності ДНК інакше називають сателітної ДНК. У людини виділені і охарактеризовані індивідуальні сателітні ДНК, розташовані в різних хромосомах. Так, відомі кілька типів сателітної ДНК з Y-хромосоми, 1-й, 9-й і 16-й хромосом. Функції сателітної ДНК в чому залишаються невідомими. Передбачається, наприклад, що сателітна ДНК бере участь у розпізнаванні гомологічниххромосом під час кон’югації в мейозі, також розглядається можливість регуляторного участі сателітної ДНК у функціонуванні генів.
Таким чином, у складі однієї молекули ДНК, упакованої в одній хроматиді, уздовж її довжини зустрічаються унікальні гени, що повторюються гени і різноманітні структурні ділянки, що не містять генів, що повторюються десятки й тисячі разів.

Питання
1. Що таке хромосоми? Яка їхня роль в мітозі?
2. Що таке центромера? Яке її значення в хромосомі?
3. Що таке теломери? Яка їхня роль в хромосомі?
4. Що таке сестринські хроматиди і плечі хромосоми?
5. Скільки молекул ДНК містить одна хроматида?
6. Чи розрізняються молекули ДНК у двох сестринських хроматид? Відповідь слід обгрунтувати.
7. Яку частку в послідовностях ДНК хромосом складають унікальні гени?
8. Що ви знаєте про послідовності ДНК, званих помірними повторами?
9. Що таке сателітна ДНК? Чи велика частка таких послідовностей в хромосомах? Яка їхня функція?
10. Що таке район ядерцевого організатора в хромосомах?

ПОДІЛИТИСЯ: