Heterokromatiini - kromosomien osat, jotka ovat jatkuvasti kompaktissa tilassa.

Eukromatiini - kromosomien huonosti pakatut (dekondensoidut) alueet.

Kromosomien lähes sentromeerisillä alueilla ja akrosentristen kromosomien lyhyissä käsivarsissa heterokromatiini värjäytyy, nimetään rakenteelliseksi, jota havaitaan jatkuvasti sekä mitoottisen solunjakautumisen aikana että faasien välisessä ytimessä. Toinen heterokromatiinityyppi, fakultatiivinen, syntyy eukromaattisten alueiden tiivistymisestä ja sisältää geenejä, jotka osallistuvat proteiinien aineenvaihduntaan. Fakultatiivisen alueen kondensaatio on palautuva, mikä johtaa dekondensoitumiseen.

Kromosomit koostuvat DNA:sta (noin 40 %) ja proteiineista (noin 60 %) muodostaen nukleoproteiinikompleksin. Proteiinit jaetaan kahteen ryhmään: histoniin ja ei-histoniin. Histoneja edustaa viisi molekyyliä: H1, H2A, H2B, H3 ja H4. Histoniproteiinit muodostavat 40-80 % kaikista kromosomaalisista proteiineista. Ne koostuvat pienistä (+) varautuneista molekyyleistä. Niitä hallitsevat tärkeimmät aminohapot arginiini ja lysiini. Rakenteensa vuoksi histoniproteiinit yhdistyvät (-) varautuneen DNA:n kanssa muodostaen DNA-histonikompleksin. Tätä kompleksia kutsutaan kromatiiniksi. Gis. proteiinit suorittavat valtavan DNA-molekyylin spesifisen pakkaamisen kromosomin kompaktiin rakenteeseen. Histonit estävät DNA:n sisältämän biologisen tiedon lukemisen. Tämä on heidän sääntelytehtävänsä. Lisäksi nämä proteiinit suorittavat rakenteellisen toiminnon tarjoamalla DNA:n tilaorganisaation kromosomeissa.

Ei-histoniproteiinien fraktioiden lukumäärä ylittää 100. Niiden joukossa on entsyymejä RNA:n synteesiin ja prosessoimiseen, reduplikaatioon ja DNA:n korjaamiseen. Kromosomien happamilla proteiineilla on myös rakenteellinen ja säätelevä rooli. DNA:n ja proteiinien lisäksi kromosomeista löytyy myös RNA:ta, lipidejä, polysakkarideja ja metalli-ioneja. Kromosomi-RNA:ta edustavat osittain transkriptiotuotteet, jotka eivät ole vielä poistuneet synteesipaikasta. Joillakin fraktioilla on säätelytoiminto. Kromosomien komponenttien säätelyrooli on "kiellä" tai "sallia" tietojen poistaminen DNA-molekyylistä.

Kromosomien eri osissa DNA eroaa koostumukseltaan ja ominaisuuksiltaan.

Sentromeerinen DNA sijaitsee primaaristen supistumien alueella. Telomeerit sisältävät erityistä DNA:ta, joka estää kromosomien lyhenemisen replikaation aikana. Toissijaisten supisteiden vyöhykkeillä on DNA:n osia, jotka vastaavat rRNA:n synteesistä. Kromosomien käsivarsissa sijaitsee pääosa DNA:sta, joka on vastuussa lukuisten lähetti-RNA:iden synteesistä.

Säilyttäen jatkuvuuden useissa solusukupolvissa kromatiini muuttaa solusyklin ajanjakson ja vaiheen mukaan organisaatio. Valomikroskopian välivaiheessa se havaitaan ytimen nukleoplasmaan hajallaan olevien möykkyjen muodossa. Solun siirtyessä mitoosiin, erityisesti metafaasissa, kromatiini muodostuu hyvin erottuvista yksittäisistä voimakkaasti värjäytyneistä kappaleista - kromosomit.

Kromatiinin olemassaolon interfaasi- ja metafaasimuotoja pidetään sen rakenteellisen organisaation kahtena polaarisena muunnelmana, jotka on yhdistetty mitoottisessa syklissä keskinäisillä siirtymillä. Yleisin näkemys on, että kromatiini (kromosomi) on spiraalilanka. Samanaikaisesti erotetaan useita kromatiinin spiralisoitumisen (tiivistymisen) tasoja

Nukleosomifilamentti . Tämän kromatiinin järjestäytymisen tason tarjoavat neljä nukleosomaalisten histonien tyyppiä: H2A, H2B, H3, H4. Ne muodostavat kiekon muotoisia proteiinikappaleita - aivokuoren, joka koostuu kahdeksasta molekyylistä (kaksi molekyyliä kustakin histonityypistä)

Kromatiinifibrilli. Nukleosomaalisen juosteen tiivistämistä lisää HI-mäntä, joka kytkeytymällä linkkeri-DNA:han ja kahteen vierekkäiseen proteiinikappaleeseen tuo ne lähemmäksi toisiaan. Tämän seurauksena muodostuu kompaktimpi rakenne, joka rakennetaan mahdollisesti solenoidin kaltaiseksi. Tällaisen kromatiinifibrillin, jota kutsutaan myös alkuaineeksi, halkaisija on 20-30 nm

Interfaasi kromoneema . Geneettisen materiaalin rakenteellisen organisoinnin seuraava taso johtuu kromatiinifibrillin taittumisesta silmukoiksi. Ilmeisesti niiden muodostumiseen osallistuvat ei-histoniproteiinit, jotka pystyvät tunnistamaan spesifisiä ekstranukleosomaalisen DNA:n nukleotidisekvenssejä, jotka on erotettu toisistaan ​​useilla tuhansilla emäspareilla. Nämä proteiinit yhdistävät osoitetut alueet muodostamalla silmukoita niiden välissä olevista kromatiinifibrillifragmenteista. Tällaisen pakkaamisen seurauksena kromatiinifibrilli, jonka halkaisija on 20-30 nm, muuttuu rakenteeksi, jonka halkaisija on 100-200 nm, jota kutsutaan interfaasikromoneemiksi. .

Erilliset faasien välisen kromoneeman osat tiivistyvät edelleen muodostaen rakennelohkoja, jotka yhdistävät vierekkäiset silmukat samaan organisaatioon.

Lamppuharjan kromosomit löytyy kalojen, sammakkoeläinten, matelijoiden ja lintujen munasoluista diploteenivaiheessa. Kumpikin kahdesta kromosomista on kaksiarvoinen ja koostuu kahdesta kromatidista, joten kun ne konjugoidaan, muodostuu laajennettuja neljän kromatidin rakenteita. Jokainen kromatidi koostuu tiukasti kiertyneestä aksiaalisesta juosteesta, jonka sivusilmukat ulottuvat siitä ja jotka muodostuvat yhdestä DNA:n kaksoiskierteestä. Nämä silmukat edustavat todennäköisesti DNA:ta, joka on vapautettu proteiineista transkriptiota varten. Kromosomit, kuten "l. sch." kirjoitetaan aktiivisemmin kuin tavallinen xp-we. Tämä johtuu tarpeesta kerätä huomattavia määriä geenituotteita munasoluihin.

Mikrofilamentit ovat ohuita filamenttirakenteita (5-7 nm), jotka koostuvat supistumisproteiineista: aktiini, myosiini, tropomyosiini. Ne sijaitsevat pääasiassa sytoplasman kortikaalikerroksessa. Mikrofilamentit läpäisevät koko solun ja muodostavat sytoskeleton perustan. Kaikki solun organellit ovat kiinnittyneet niihin. Aktiini muodostaa jopa 10...15 % kaikista solun proteiineista. Globulaarinen G-aktiini esiintyy yksittäisinä molekyyleinä kolloidisen liuoksen muodossa. ATP:n ja joidenkin proteiinitekijöiden läsnä ollessa aktiinipallojen (fibrillaarinen tai F-aktiini) sekvensseistä muodostuu filamenttirakenne. Myosiini on aina olemassa paksujen filamenttien muodossa. Molemmat proteiinit muodostavat muiden proteiinien kanssa aktiini-myosiinikompleksin, joka pystyy supistumaan johtuen aktiinin ja myosiinin mikrofilamenttien liukumisesta toistensa suhteen (tässä tapauksessa energiaa kuluu ATP-hydrolyysin vuoksi tietyillä myosiinimolekyylien alueilla) . Yhdessä mikrofilamentit muodostavat solun supistumislaitteen, joka tarjoaa erilaisia ​​liikkeitä:

Organellien liike;

Hyaloplasman virtaus;

Muutos solun pinnassa;

Pseudopodiumin muodostuminen ja solujen liike.

Mikrofilamenttien kertyminen lihaskuituihin muodostaa erityisiä organelleja - myofibrillejä.

Välilangat ovat ohuita (10 nm) haarautumattomia filamentteja, jotka sijaitsevat pääasiassa hyaloplasman kortikaaliseen (submembraaniseen) kerrokseen. Kukin välifilamentti muodostuu 32 fibrillaarisen proteiinin molekyylistä (keratiiniepiteelisoluissa, vimentiinifibroblasteissa, desmiinilihassoluissa). Välifilamenttien toiminnallinen tehtävä on tarjota solulle vetolujuus. Joissakin soluissa (ihon epidermosyytit) välifilamentit yhdistyvät nipuiksi ja muodostavat tonofibrillejä, joita pidetään erityisinä organelleina, joilla on tukirooli.

24. mikrotubulukset ovat ontot sylinterit; ulkohalkaisija - 24 nm, sisähalkaisija - 15 nm, Mikrotubuluksen seinämä koostuu globulaarisen proteiinin tubuliinin alayksiköistä, jokainen alayksikkö, joka näyttää pyöristetyiltä palloilta, on halkaisijaltaan 5 nm. organellien sijainti sytoplasmassa ja myös ennalta määrää solunsisäisten liikkeiden suunta. Tubuliiniproteiineilla ei ole kykyä supistua, ja siksi mikrotubulukset eivät supistu. Silioiden ja siimojen koostumuksessa on kuitenkin vuorovaikutusta mikrotubulusten ja niiden liukumisen välillä toistensa suhteen, mikä varmistaa värien ja siimojen liikkumisen.

Mikrotubulukset ovat keskittyneet solun keskelle ja sen reuna-alueille. Ne ovat osa sentrioleja, liikeorganelleja, jakautumiskaroja, muodostavat sytoskeleton solujen ulkonevissa osissa (esimerkiksi hermosolujen aksoneissa). Erilaiset rakenteet (mitokondriot jne.) voivat liikkua mikrotubuluksia pitkin.

25. Cilia ja flagella.

Kaikissa eukaryooteissa värekarvot ja siimot ovat järjestetty samalla tavalla. Flagella on huomattavasti pidempi kuin värekarvo, niiden pituus on 150 μm tai enemmän. Siipien määrä solua kohden on yleensä pieni, harvoin - useita kymmeniä tai satoja, värien määrä on yleensä paljon suurempi (jopa 10-15 tuhatta, harvemmin useita satoja).

Tyypillinen flagellum koostuu perusvartalo(tai kinetosomit), siirtymäalue, päätanko Ja kärki. Pääsauva ja flagellumin kärki on peitetty kalvolla, joka on plasmalemman jatko.

Perusrunko on ontto sylinteri, jonka seinämät on muodostettu yhdeksän kolmoset mikrotubulukset. Siten perusrungolla ja sentriolilla on sama rakenne.

siirtymäalue sijaitsee siiman ja plasmalemman leikkauskohdassa. Siirtymävyöhykkeen keskellä on aksiaalinen rake, josta lähtee kaksi yksittäistä mikrotubulusta, jotka kulkevat siiman akselia pitkin aivan loppuun asti. Siirtymäalueen reunalla on tyvilevy, jossa yksi kunkin tripletin kolmesta mikrotubuluksesta katoaa ja tripletit muuttuvat dupleteiksi.

Ytimessä päätanko flagellum valheita aksoneemi- yhdensuuntaisten mikrotubulusten järjestelmä. Tyypillistä aksoneemia edustaa sylinteri, jonka seinät muodostuvat yhdeksän duplaa mikrotubulukset; kaksi yksittäistä mikrotubulusta ulottuu pitkin aksoneemin akselia.

Kun lähestyt kärki dupletit menettävät vähitellen toisen kahdesta mikrotubuluksesta ja katoavat sitten kokonaan. Siima päättyy kahdella keskeisellä mikrotubuluksella, jotka on peitetty kalvolla.

Flagellum-taivutus johtuu mikrotubulusten kaksoiskappaleiden tai yksittäisten mikrotubulusten välisen etäisyyden muutoksesta. Tämä kuluttaa ATP:n energiaa.

Useissa organismeissa havaittiin joitain poikkeamia tyypillisestä flagellaorganisaatiosta: keskustiehyet joko puuttuvat tai niitä on vain yksi. Joissakin eukaryoottiryhmissä siimat ja värekarvot puuttuvat (angiosiemeniset, sukkulamadot, niveljalkaiset, osa yksisoluisista heterotrofisista protisteista, levät ja useimmat siimansiemeniset).

Eukaryoottisten organismien geneettisellä materiaalilla on hyvin monimutkainen organisaatio. Solun ytimessä sijaitsevat DNA-molekyylit ovat osa erityistä monikomponenttiainetta - kromatiinia.

Käsitteen määritelmä

Kromatiini on soluytimen materiaali, joka sisältää perinnöllistä tietoa, joka on monimutkainen toiminnallinen DNA-kompleksi rakenneproteiinien ja muiden elementtien kanssa, jotka tarjoavat karyoottisen genomin pakkaamisen, varastoinnin ja toteutuksen. Yksinkertaistetussa tulkinnassa tämä on aine, joka muodostaa kromosomit. Termi tulee kreikan sanasta "kromi" - väri, maali.

Fleming esitteli käsitteen jo vuonna 1880, mutta edelleen keskustellaan siitä, mitä kromatiini on biokemiallisen koostumuksen suhteen. Epävarmuus koskee pientä osaa komponenteista, jotka eivät ole mukana geneettisten molekyylien rakenteessa (jotkut entsyymit ja ribonukleiinihapot).

Interfaasisen ytimen elektronikuvassa kromatiini visualisoidaan lukuisina pimeän aineen alueina, jotka voivat olla pieniä ja hajallaan tai yhdistyä suuriksi tiheiksi klustereiksi.

Kromatiinin kondensoituminen solunjakautumisen aikana johtaa kromosomien muodostumiseen, jotka näkyvät jopa tavanomaisella valomikroskoopilla.

Kromatiinin rakenteelliset ja toiminnalliset komponentit

Sen määrittämiseksi, mikä kromatiini on biokemiallisella tasolla, tutkijat uuttivat tämän aineen soluista, siirsivät sen liuokseen ja tutkivat tässä muodossa komponenttien koostumusta ja rakennetta. Tässä tapauksessa käytettiin sekä kemiallisia että fysikaalisia menetelmiä, mukaan lukien elektronimikroskopiatekniikka. Kävi ilmi, että kromatiinin kemiallisesta koostumuksesta 40% edustavat pitkiä DNA-molekyylejä ja lähes 60% eri proteiineja. Jälkimmäiset on jaettu kahteen ryhmään: histonit ja ei-histonit.

Histonit ovat suuri perhe perusydinproteiineja, jotka sitoutuvat tiukasti DNA:han muodostaen kromatiinin rakenteellisen luuston. Niiden lukumäärä on suunnilleen yhtä suuri kuin geneettisten molekyylien prosenttiosuus.

Loput (jopa 20 %) proteiinifraktiosta laskeutuu DNA:ta sitoville ja spatiaalisesti modifioiville proteiineille sekä entsyymeille, jotka osallistuvat geneettisen tiedon luku- ja kopiointiprosesseihin.

Pääalkuaineiden lisäksi kromatiinista löytyy pieniä määriä ribonukleiinihappoja (RNA), glykoproteiineja, hiilihydraatteja ja lipidejä, mutta kysymys niiden yhteydestä DNA-pakkauskompleksiin on edelleen avoin.

Histonit ja nukleosomit

Histonien molekyylipaino vaihtelee välillä 11-21 kDa. Suuri määrä emäksisten aminohappojen lysiinin ja arginiinin tähteitä antaa näille proteiineille positiivisen varauksen, mikä edistää ionisidosten muodostumista DNA:n kaksoiskierteen vastakkaisesti varautuneiden fosfaattiryhmien kanssa.

Histoneja on 5 tyyppiä: H2A, H2B, H3, H4 ja H1. Ensimmäiset neljä tyyppiä osallistuvat kromatiinin päärakenneyksikön - nukleosomin - muodostumiseen, joka koostuu ytimestä (proteiiniytimestä) ja sen ympärille kääritystä DNA:sta.

Nukleosomaalista ydintä edustaa kahdeksan histonimolekyylin oktameerinen kompleksi, joka sisältää H3-H4-tetrameerin ja H2A-H2B-dimeerin. Noin 146 nukleotidiparin pituinen DNA-jakso kierretään proteiinipartikkelin pinnalle muodostaen 1,75 kierrosta ja siirtyy linkkerisekvenssiksi (noin 60 bp), joka yhdistää nukleosomit toisiinsa. H1-molekyyli sitoutuu linkkeri-DNA:han ja suojaa sitä nukleaasien vaikutukselta.

Histonit voivat käydä läpi erilaisia ​​modifikaatioita, kuten asetylaatiota, metylaatiota, fosforylaatiota, ADP-ribosylaatiota ja vuorovaikutusta ubiviktiiniproteiinin kanssa. Nämä prosessit vaikuttavat DNA:n spatiaaliseen konfiguraatioon ja pakkaustiheyteen.

Ei-histoniproteiinit

On olemassa useita satoja ei-histoniproteiineja, joilla on erilaisia ​​ominaisuuksia ja toimintoja. Niiden molekyylipaino vaihtelee 5 - 200 kDa. Erityinen ryhmä koostuu paikkaspesifisistä proteiineista, joista jokainen on komplementaarinen tietylle DNA-alueelle. Tähän ryhmään kuuluu 2 perhettä:

• "sinkkisormet" - tunnistaa fragmentteja, joiden pituus on 5 nukleotidiparia;
• homodimeerit - jolle on tunnusomaista rakenne "helix-turn-helix" DNA:han liittyvässä fragmentissa.

Parhaiten tutkitut ovat niin sanotut korkean liikkuvuuden proteiinit (HGM-proteiinit), jotka liittyvät pysyvästi kromatiiniin. Perhe sai tämän nimen proteiinimolekyylien suuren liikkumisnopeuden vuoksi elektroforeettisessa geelissä. Tämä ryhmä kattaa suurimman osan ei-histonifraktiosta ja sisältää neljä päätyyppiä HGM-proteiineja: HGM-1, HGM-14, HGM-17 ja HMO-2. Ne suorittavat rakenteellisia ja sääntelytehtäviä.

Ei-histoniproteiineihin kuuluvat myös entsyymit, jotka tarjoavat transkription (lähetti-RNA-synteesiprosessi), replikaation (DNA:n kaksinkertaistuminen) ja korjauksen (geenimolekyylin vaurion eliminointi).

DNA:n tiivistymisen tasot

Kromatiinin rakenteen erikoisuus on sellainen, että se mahdollistaa yli metrin kokonaispituisten DNA-säikeiden mahtumisen halkaisijaltaan noin 10 mikronin ytimeen. Tämä on mahdollista geneettisten molekyylien monivaiheisen pakkausjärjestelmän ansiosta. Yleinen tiivistysjärjestelmä sisältää viisi tasoa:

1. nukleosomaalinen lanka, jonka halkaisija on 10–11 nm;
2. fibrilli 25-30 nm;
3. silmukkadomeenit (300 nm);
4. kuitu 700 nm paksu;
5. kromosomit (1200 nm).

Tämä järjestäytymismuoto vähentää alkuperäisen DNA-molekyylin pituutta 10 000 kertaa.

Halkaisijaltaan 11 nm:n lanka muodostuu useista nukleosomeista, jotka on yhdistetty DNA:n linkkerialueilla. Elektronimikrokuvassa tällainen rakenne muistuttaa siimaan pujotettuja helmiä. Nukleosomaalinen filamentti on kiertynyt solenoidin tavoin muodostaen 30 nm paksuisen fibrillin. Histoni H1 osallistuu sen muodostumiseen.

Solenoidifibrilli taittuu silmukoiksi (toisin sanoen alueiksi), jotka kiinnittyvät tukevaan intranukleaariseen matriisiin. Jokainen verkkotunnus sisältää 30-100 tuhatta emäsparia. Tämä tiivistymistaso on ominaista faasien väliselle kromatiinille.

Domeenifibrillin spiralisoitumisen aikana muodostuu 700 nm:n paksuinen rakenne, jota kutsutaan kromatidiksi. Kaksi kromatidia puolestaan ​​muodostavat DNA-organisaation viidennen tason - kromosomin, jonka halkaisija on 1400 nm, joka tulee näkyviin mitoosin tai meioosin vaiheessa.

Siten kromatiini ja kromosomi ovat geneettisen materiaalin pakkausmuotoja, jotka riippuvat solun elinkaaresta.

Kromosomit

Kromosomi koostuu kahdesta toistensa kanssa identtisestä sisarkromatidista, joista kummankin muodostaa yksi superkierteinen DNA-molekyyli. Puolikkaat on yhdistetty erityisellä fibrillaarisella rungolla, jota kutsutaan sentromeeriksi. Samaan aikaan tämä rakenne on supistus, joka jakaa jokaisen kromatidin käsivarsiin.

Toisin kuin kromatiini, joka on rakennemateriaali, kromosomi on erillinen toiminnallinen yksikkö, jolle ei ole ominaista vain rakenne ja koostumus, vaan myös ainutlaatuinen geneettinen joukko sekä tietty rooli perinnöllisyys- ja vaihtelumekanismien toteuttamisessa. solutaso.

Eukromatiini ja heterokromatiini

Kromatiini ytimessä on kahdessa muodossa: vähemmän kiertynyt (eukromatiini) ja kompaktimpi (heterokromatiini). Ensimmäinen muoto vastaa DNA:n transkriptionaalisesti aktiivisia alueita, eikä se siksi ole niin tiheästi rakentunut. Heterokromatiini on jaettu fakultatiiviseen (se voi muuttua aktiivisesta muodosta tiheäksi inaktiiviseksi riippuen solun elinkaaren vaiheesta ja tarpeesta realisoida tiettyjä geenejä) ja konstitutiiviseen (jatkuvasti tiivistynyt). Mitoottisen tai meioottisen jakautumisen aikana kaikki kromatiini on inaktiivinen.

Konstitutiivinen heterokromatiini löytyy sentromeerin läheltä ja kromosomin päistä. Elektronimikroskopian tulokset osoittavat, että tällainen kromatiini säilyttää suuren kondensaatioasteen ei vain solunjakautumavaiheessa, vaan myös interfaasin aikana.

Kromatiinin biologinen rooli

Kromatiinin päätehtävä on pakata tiiviisti suuria määriä geneettistä materiaalia. Ei kuitenkaan riitä, että DNA sovitetaan ytimeen solun elinkaaren ajaksi. On välttämätöntä, että nämä molekyylit "toimivat" kunnolla, eli ne voivat välittää niiden sisältämän tiedon DNA-RNA-proteiinijärjestelmän kautta. Lisäksi solun on jaettava geneettistä materiaalia jakautumisen aikana.

Kromatiinin rakenne täyttää nämä tehtävät täysin. Proteiiniosa sisältää kaikki tarvittavat entsyymit, ja rakenteelliset ominaisuudet mahdollistavat niiden vuorovaikutuksen tiettyjen DNA-osien kanssa. Siksi kromatiinin toinen tärkeä tehtävä on tarjota kaikki ydingenomin toteuttamiseen liittyvät prosessit.

Kromosomien kemiallinen koostumus

Eukaryoottisolujen kromosomien fysikaalis-kemiallinen järjestys

Eukaryoottisolujen kromosomien kemiallisen järjestyksen tutkimus osoitti, että ne koostuvat pääasiassa DNA:sta ja proteiineista, jotka muodostavat nukleoproteiinikompleksin. kromatiini, nimetty kyvystään värjätä perusväreillä.

Kuten useat tutkimukset ovat osoittaneet (ks. § 3.2), DNA on perinnöllisyyden ja vaihtelevuuden ominaisuuksien aineellinen kantaja ja sisältää biologista tietoa - ohjelman solun, organismin kehittämiseksi, joka on kirjoitettu erityisellä koodilla. DNA:n määrä tietyn lajin organismin solujen ytimissä on vakio ja verrannollinen niiden ploidisuuteen. Kehon diploidisissa somaattisissa soluissa sitä on kaksi kertaa niin paljon kuin sukusoluissa. Polyploidisten solujen kromosomisarjojen määrän kasvuun liittyy DNA:n määrän suhteellinen lisääntyminen niissä.

Proteiinit muodostavat merkittävän osan kromosomien aineesta. Ne muodostavat noin 65 % näiden rakenteiden massasta. Kaikki kromosomaaliset proteiinit on jaettu kahteen ryhmään: histonit ja ei-histoniproteiinit.

Histonit esitetään viidellä fraktiolla: HI, H2A, H2B, H3, H4. Positiivisesti varautuneina emäksisinä proteiineina ne ovat varsin lujasti kiinnittyneet DNA-molekyyleihin, mikä estää sen sisältämän biologisen tiedon lukemisen. Tämä on heidän sääntelytehtävänsä. Lisäksi nämä proteiinit suorittavat rakenteellisen toiminnon, joka tarjoaa DNA:n tilaorganisaation kromosomeissa (katso kohta 3.5.2.2).

Murtolukujen määrä ei-histoni proteiinien määrä ylittää 100. Niitä ovat entsyymit RNA:n synteesiin ja prosessoimiseen, reduplikaatioon ja DNA:n korjaamiseen. Kromosomien happamilla proteiineilla on myös rakenteellinen ja säätelevä rooli. DNA:n ja proteiinien lisäksi kromosomeista löytyy myös RNA:ta, lipidejä, polysakkarideja ja metalli-ioneja.

Kromosomin RNA osittain edustavat transkriptiotuotteet, jotka eivät vielä ole poistuneet synteesipaikasta. Joillakin fraktioilla on säätelytoiminto.

Kromosomien komponenttien säätelyrooli on "kiellä" tai "sallia" tietojen poistaminen DNA-molekyylistä.

DNA:n: histonien:ei-histoniproteiinien:RNA:n:lipidien massasuhteet ovat 1:1:(0,2-0,5):(0,1-0,15):(0,01-0,03). Muita komponentteja löytyy pieniä määriä.

Samalla kun kromatiini säilyttää jatkuvuuden useissa solusukupolvissa, se muuttaa organisaatiotaan solusyklin ajanjakson ja vaiheen mukaan. Valomikroskopian välivaiheessa se havaitaan ytimen nukleoplasmaan hajallaan olevien möykkyjen muodossa. Solun siirtyessä mitoosiin, erityisesti metafaasissa, kromatiini muodostuu hyvin erottuvista yksittäisistä voimakkaasti värjäytyneistä kappaleista - kromosomit.

Kromatiinin olemassaolon interfaasi- ja metafaasimuotoja pidetään sen rakenteellisen organisaation kahtena polaarisena muunnelmana, jotka on yhdistetty mitoottisessa syklissä keskinäisillä siirtymillä. Tätä arviota tukevat elektronimikroskopiatiedot, joiden mukaan sekä interfaasi- että metafaasimuodot perustuvat samaan elementaariseen filamenttirakenteeseen. Elektronimikroskooppisten ja fysikaaliskemiallisten tutkimusten prosessissa interfaasikromatiinin ja metafaasikromosomien koostumuksesta havaittiin filamentteja (fibrillejä), joiden halkaisija oli 3,0-5,0, 10, 20-30 nm. On hyödyllistä muistaa, että DNA:n kaksoiskierteen halkaisija on noin 2 nm, interfaasikromatiinin filamenttirakenteen halkaisija on 100-200 nm ja metafaasikromosomin yhden sisarkromatidin halkaisija on 500-600 nm.

Yleisin näkemys on, että kromatiini (kromosomi) on spiraalilanka. Samalla erotetaan useita kromatiinin spiralisoitumisen (tiivistymisen) tasoja (taulukko 3.2).

Taulukko 3.2. Peräkkäiset kromatiinin tiivistymistasot

Riisi. 3.46. Kromatiinin nukleosomaalinen organisaatio.

A - dekondensoitu kromatiinin muoto;

B - Eukaryoottikromatiinin elektronimikroskooppikuva:

A - DNA-molekyyli kierretään proteiiniytimien ympärille;

B - kromatiini koostuu nukleosomeista, jotka on yhdistetty linkkeri-DNA:lla

Nukleosomilanka. Tämän kromatiinin järjestäytymisen tason tarjoavat neljä nukleosomaalisten histonien tyyppiä: H2A, H2B, H3, H4. Ne muodostavat kiekon muotoisia proteiinikappaleita - haukkua, joka koostuu kahdeksasta molekyylistä (kaksi molekyyliä kutakin histonityyppiä) (kuva 3.46).

DNA-molekyyli on täydellinen proteiiniytimillä, jotka kiertyvät niiden ympärille. Tässä tapauksessa DNA-segmentti, joka koostuu 146 emäsparista (bp), on kosketuksessa kunkin ytimen kanssa. DNA-segmenttejä, jotka eivät ole kosketuksissa proteiinikappaleisiin, kutsutaan sideaineet tai linkittäjä. Ne sisältävät 15 - 100 bp. (keskimäärin 60 bp) solutyypistä riippuen.

DNA-molekyylin segmentti, jonka pituus on noin 200 bp. yhdessä proteiiniytimen kanssa on nukleosomi. Tämän organisaation ansiosta kromatiinin rakenne perustuu lankaan, joka on toistuvien yksiköiden - nukleosomien - ketju (kuva 3.46, B). Tässä suhteessa ihmisen genomia, joka koostuu 3 × 10 9 emäsparista, edustaa DNA:n kaksoiskierre, joka on pakattu 1,5 × 107 nukleosomeihin.

Helmiketjua muistuttavan nukleosomijuosteen varrella on DNA:n alueita, joissa ei ole proteiinikappaleita. Näillä useiden tuhansien emäsparien välein sijaitsevilla alueilla on tärkeä rooli kromatiinin lisäpakkauksessa, koska ne sisältävät nukleotidisekvenssejä, jotka erilaiset ei-histoniproteiinit spesifisesti tunnistavat.

Kromatiinin nukleosomaalisen järjestäytymisen seurauksena DNA:n kaksoiskierre, jonka halkaisija on 2 nm, saa halkaisijan 10-11 nm.

Kromatiinifibrilli. Nukleosomaalisen juosteen tiivistämistä lisää HI-mäntä, joka kytkeytymällä linkkeri-DNA:han ja kahteen vierekkäiseen proteiinikappaleeseen tuo ne lähemmäksi toisiaan. Tämän seurauksena muodostuu kompaktimpi rakenne, joka rakennetaan mahdollisesti solenoidin kaltaiseksi. Tämä kromatiinifibrilli, jota kutsutaan myös perus, sen halkaisija on 20-30 nm (kuva 3.47).

Interfaasi kromoneema. Geneettisen materiaalin rakenteellisen organisoinnin seuraava taso johtuu kromatiinifibrillin taittumisesta silmukoiksi. Ilmeisesti niiden muodostumiseen osallistuvat ei-histoniproteiinit, jotka pystyvät tunnistamaan spesifisiä ekstranukleosomaalisen DNA:n nukleotidisekvenssejä, jotka on erotettu toisistaan ​​useilla tuhansilla emäspareilla. Nämä proteiinit yhdistävät osoitetut alueet ja muodostavat silmukoita niiden välissä olevista kromatiinifibrillifragmenteista (kuva 3.48). Yhtä silmukkaa vastaava DNA-osio sisältää 20 000 - 80 000 bp. Ehkä jokainen silmukka on genomin toiminnallinen yksikkö. Tällaisen pakkauksen seurauksena halkaisijaltaan 20-30 nm oleva kromatiinifibrilli muuttuu halkaisijaltaan 100-200 nm:n rakenteeksi ns. interfaasi kromoneema.

Erilliset faasien välisen kromoneeman alueet tiivistyvät edelleen ja muodostuvat rakennelohkot, yhdistämällä vierekkäiset silmukat samaan organisaatioon (kuva 3.49). Niitä löytyy faasien välisestä ytimestä kromatiinipakkareina. On mahdollista, että tällaisten rakennelohkojen olemassaolo määrää joidenkin väriaineiden epätasaisen jakautumisen metafaasikromosomeissa, jota käytetään sytogeneettisissä tutkimuksissa (katso kohdat 3.5.2.3 ja 6.4.3.6).

Interfaasikromosomien eri osien epätasaisella tiivistymisasteella on suuri toiminnallinen merkitys. Kromatiinin tilasta riippuen niitä on eukromaattinen kromosomien osat, jotka ovat vähemmän tiheästi pakattu jakautumattomiin soluihin ja jotka mahdollisesti transkriptoituvat, ja heterokromaattinen alueille, joille on ominaista kompakti organisaatio ja geneettinen inertiteetti. Niiden rajoissa biologisen tiedon transkriptiota ei tapahdu.

On olemassa konstitutiivista (rakenteellista) ja fakultatiivista heterokromatiinia.

konstitutiivinen heterokromatiinia löytyy kaikkien kromosomien perisentromeerisiltä ja telomeerisiltä alueilta sekä yksittäisten kromosomien joissakin sisäisissä fragmenteissa (kuva 3.50). Sen muodostaa vain transkriptioimaton DNA. Todennäköisesti sen tehtävänä on ylläpitää ytimen kokonaisrakennetta, kiinnittää kromatiinia ydinvaippaan, homologisten kromosomien vastavuoroinen tunnistaminen meioosin aikana, viereisten rakennegeenien erottaminen ja osallistuminen niiden toiminnan säätelyyn.

Riisi. 3.49. Rakenteelliset lohkot kromatiinin organisoinnissa.

A - kromatiinin silmukkarakenne;

B - kromatiinisilmukoiden kondensaatio edelleen;

SISÄÄN - samankaltaisen rakenteen omaavien silmukoiden yhdistäminen lohkoiksi faasien välisen kromosomin lopullisen muodon muodostuessa

Riisi. 3.50. Konstitutiivinen heterokromatiini ihmisen metafaasikromosomeissa

Esimerkki valinnainen heterokromatiini toimii sukupuolikromatiinirunkoina, joka muodostuu normaalisti homogameettisen sukupuolen organismien soluissa (ihmisillä naissukupuoli on homogameettinen) jommallakummalla kahdesta X-kromosomista. Tämän kromosomin geenejä ei kopioida. Fakultatiivisen heterokromatiinin muodostuminen muiden kromosomien geneettisen materiaalin kustannuksella seuraa solujen erilaistumisprosessia ja toimii mekanismina niiden geenien aktiivisten toimintaryhmien poistamiseksi, joiden transkriptiota ei vaadita tietyn erikoistumisen soluissa. Tässä suhteessa eri kudosten ja elinten soluytimien kromatiinikuvio histologisissa valmisteissa vaihtelee. Esimerkki on kromatiinin heterokromatisaatio kypsien linnun punasolujen ytimissä.

Listatut kromatiinin rakenteellisen organisoinnin tasot löytyvät jakautumattomasta solusta, kun kromosomit eivät ole vielä tarpeeksi tiivistyneet ollakseen nähtävissä valomikroskoopissa erillisinä rakenteina. Vain osa niiden alueista, joilla on suurempi pakkaustiheys, havaitaan ytimissä kromatiinipakkareina (kuva 3.51).

Riisi. 3.51. Heterokromatiini interfaasin ytimessä

Kompaktit heterokromatiinilaastarit ryhmittyneet tuman ja ydinkalvon ympärille

metafaasikromosomi. Solun pääsy interfaasista mitoosiin liittyy kromatiinin supertiivistymiseen. Yksittäiset kromosomit erottuvat selvästi. Tämä prosessi alkaa profaasissa ja saavuttaa maksimaalisen ilmentymisensä mitoosin ja anafaasin metafaasissa (katso kohta 2.4.2). Mitoosin telofaasissa tapahtuu kromosomiaineen dekompaktoituminen, joka saa interfaasikromatiinin rakenteen. Kuvattu mitoottinen supertiivistyminen helpottaa kromosomien jakautumista mitoosin anafaasissa mitoosin karan napoihin. Kromatiinin tiivistymisaste solun mitoottisen syklin eri jaksoissa voidaan arvioida taulukossa 1 annetuista tiedoista. 3.2.

Kromatiini on monimutkainen seos aineita, joista eukaryoottikromosomeja rakennetaan. Kromatiinin pääkomponentit ovat DNA ja kromosomaaliset proteiinit, joihin kuuluvat histonit ja ei-histoniproteiinit, jotka muodostavat avaruudessa erittäin järjestäytyneitä rakenteita. DNA:n ja proteiinin suhde kromatiinissa on ~1:1, ja suurinta osaa kromatiiniproteiinista edustavat histonit. W. Flemming otti käyttöön termin "X" vuonna 1880 kuvaamaan erityisillä väriaineilla värjättyjä nukleaarisia rakenteita.

Kromatiini- soluytimen pääkomponentti; se on melko helppo saada eristetyistä faasien välisistä ytimistä ja eristetyistä mitoottisista kromosomeista. Käytä tätä varten sen ominaisuutta siirtyä liuenneeseen tilaan uuttamisen aikana vesiliuoksilla, joilla on alhainen ionivahvuus, tai yksinkertaisesti deionisoidulla vedellä.

Eri esineistä saaduilla kromatiinifraktioilla on melko yhtenäinen komponenttijoukko. Havaittiin, että kokonaiskemiallisen koostumuksen suhteen interfaasien ytimistä peräisin oleva kromatiini eroaa vähän mitoottisista kromosomeista peräisin olevasta kromatiinista. Kromatiinin pääkomponentit ovat DNA ja proteiinit, joista valtaosa on histonit ja ei-histoniproteiinit.

Dia 3. Kromatiinia on kahta tyyppiä: heterokromatiini ja eukromatiini. Ensimmäinen vastaa kromosomien osia, jotka tiivistyvät interfaasin aikana, se on toiminnallisesti inaktiivinen. Tämä kromatiini värjäytyy hyvin, juuri tämä kromatiini näkyy histologisessa valmisteessa. Heterokromatiini on jaettu rakenteelliseen (nämä ovat jatkuvasti tiivistyviä kromosomien osia) ja fakultatiiviseen (se voi dekondensoitua ja muuttua eukromatiiniksi). Eukromatiini vastaa dekondensaatiota kromosomien interfaasialueilla. Tämä on toimiva, toiminnallisesti aktiivinen kromatiini. Se ei värjää, se ei näy histologisessa valmisteessa. Mitoosin aikana kaikki eukromatiini tiivistyy ja liitetään kromosomeihin.

Keskimäärin noin 40 % kromatiinista on DNA:ta ja noin 60 % proteiineja, joista spesifiset tuman histoniproteiinit muodostavat 40-80 % kaikista eristetyn kromatiinin muodostavista proteiineista. Lisäksi kromatiinifraktioiden koostumus sisältää kalvokomponentteja, RNA:ta, hiilihydraatteja, lipidejä, glykoproteiineja. Kysymystä siitä, kuinka nämä pienet komponentit sisällytetään kromatiinin rakenteeseen, ei ole vielä ratkaistu. Siten RNA voi olla transkriptoitu RNA, joka ei ole vielä menettänyt yhteyttään DNA-templaattiin. Muut pienet komponentit voivat viitata ydinvaipan yhteissaostuneiden fragmenttien aineisiin.

PROTEINIT ovat luokka biologisia polymeerejä, joita on jokaisessa elävässä organismissa. Proteiinien osallistuessa tapahtuvat pääprosessit, jotka varmistavat kehon elintärkeän toiminnan: hengitys, ruoansulatus, lihasten supistuminen, hermoimpulssien siirto.

Proteiinit ovat polymeerejä, ja aminohapot ovat niiden monomeeriyksikköjä.

Aminohappoja - nämä ovat orgaanisia yhdisteitä, jotka sisältävät koostumuksessaan (nimen mukaisesti) aminoryhmän NH2 ja orgaanista happoa, ts. karboksyyli, COOH-ryhmä.

Proteiinimolekyyli muodostuu aminohappojen peräkkäisen kytkennän seurauksena, kun taas yhden hapon karboksyyliryhmä on vuorovaikutuksessa viereisen molekyylin aminoryhmän kanssa, minkä seurauksena muodostuu peptidisidos - CO-NH- ja vesi. molekyyli vapautuu. Dia 9

Proteiinimolekyylit sisältävät 50 - 1500 aminohappotähdettä. Proteiinin yksilöllisyyden määrää polymeeriketjun muodostavien aminohappojen joukko ja, mikä ei ole vähemmän tärkeää, niiden vaihtelujärjestys ketjussa. Esimerkiksi insuliinimolekyyli koostuu 51 aminohappotähteestä.

Histonien kemiallinen koostumus. Fysikaalisten ominaisuuksien ominaisuudet ja vuorovaikutus DNA:n kanssa

Histonit- suhteellisen pienet proteiinit, joissa on erittäin suuri osuus positiivisesti varautuneita aminohappoja (lysiini ja arginiini); positiivinen varaus auttaa histoneita sitoutumaan tiukasti DNA:han (joka on erittäin negatiivisesti varautunut) riippumatta sen nukleotidisekvenssistä. Molempien proteiiniluokkien kompleksia eukaryoottisolujen tuman DNA:n kanssa kutsutaan kromatiiniksi. Histonit ovat eukaryoottien ainutlaatuinen ominaisuus, ja niitä on valtava määrä solua kohden (noin 60 miljoonaa molekyyliä kutakin tyyppiä per solu). Histonityypit jakautuvat kahteen pääryhmään, nukleosomaalisiin histoneihin ja H1-histoneihin, jotka muodostavat erittäin konservoituneiden emäksisten proteiinien perheen, joka koostuu viidestä suuresta luokasta - H1 ja H2A, H2B, H3 ja H4. H1-histonit ovat suurempia (noin 220 aminohappoa) ja niiden on havaittu olevan vähemmän konservoituneita evoluution aikana. Histonipolypeptidiketjujen koko vaihtelee välillä 220 (H1) - 102 (H4) aminohappotähdettä. Histoni H1 on erittäin rikastettu Lys-tähteillä, histoneille H2A ja H2B on ominaista kohtalainen Lys-pitoisuus, H3- ja H4-histonien polypeptidiketjut sisältävät runsaasti Arg:a. Jokaisessa histoniluokassa (H4:ää lukuun ottamatta) näiden proteiinien useita alatyyppejä erotetaan aminohapposekvenssien perusteella. Tämä moninaisuus on erityisen ominaista nisäkkäiden H1-luokan histoneille. Tässä tapauksessa erotetaan seitsemän alatyyppiä, nimeltään H1.1-H1.5, H1o ja H1t. Histonit H3 ja H4 ovat konservoituneimpia proteiineja. Tämä evolutionaarinen konservatiivisuus viittaa siihen, että melkein kaikki niiden aminohapot ovat tärkeitä näiden histonien toiminnalle. Näiden histonien N-terminaalinen osa voidaan modifioida reversiibelisti solussa asetyloimalla yksittäisiä lysiinitähteitä, mikä poistaa lysiinien positiivisen varauksen.

Ydin on histonin hännän alue.

Helmiä A-nauhassa

Lyhyt vuorovaikutusalue

Linkkerin histonit

Kuitu 30 nm:ssä

Chromonema kuitu

Pitkän kantaman kuituvuorovaikutukset

nukleosomin kromatiinihistoni

Histonien rooli DNA-laskostuksessa on tärkeä seuraavista syistä:

• 1) Jos kromosomit olisivat vain venytettyä DNA:ta, on vaikea kuvitella, kuinka ne voisivat replikoitua ja erottua tytärsoluiksi sotkeutumatta tai rikkoutumatta.
• 2) Laajennetussa tilassa jokaisen ihmisen kromosomin DNA:n kaksoiskierre ylittäisi solun ytimen tuhansia kertoja; näin ollen histonit pakkaavat hyvin pitkän DNA-molekyylin hallitulla tavalla halkaisijaltaan useita mikrometrejä olevaan ytimeen;
• 3) Kaikki DNA ei laskostu samalla tavalla, ja genomin alueen pakkaamisen luonne kromatiiniin vaikuttaa todennäköisesti tämän alueen sisältämien geenien aktiivisuuteen.

Kromatiinissa DNA ulottuu jatkuvana kaksoisjuosteena nukleosomista toiseen. Jokainen nukleosomi erotetaan seuraavasta linkkeri-DNA:n segmentillä, jonka koko vaihtelee välillä 0 - 80 bp. Keskimäärin toistuvien nukleosomien nukleotidiväli on noin 200 nukleotidiparia. Elektronimikroskooppikuvissa tämä histonioktameerin vuorottelu kiertyneen DNA:n ja linkkeri-DNA:n kanssa antaa kromatiinille "helmien nauhassa" ulkonäön (prosessoinnin jälkeen, joka avaa korkeamman asteen pakkauksen).

Metylointi kuinka histonien kovalenttinen modifikaatio on monimutkaisempi kuin mikään muu, koska se voi tapahtua sekä lysiineissä että arginiineissa. Lisäksi, toisin kuin mikään muu ryhmän 1 modifikaatio, metylaation seuraukset voivat olla joko positiivisia tai negatiivisia transkription ilmentymisen suhteen riippuen tähteen sijainnista histonissa (taulukko 10.1). Toinen monimutkaisuusaste johtuu siitä, että jokaisella tähteellä voi olla useita metyloituja tiloja. Lysiinit voivat olla mono- (me1), di- (me2) tai tri- (me3) metyloituja, kun taas arginiinit voivat olla mono- (me1) tai di- (me2) metyloituja.

Fosforylaatio RTM tunnetaan parhaiten, koska on jo pitkään ymmärretty, että kinaasit säätelevät signaalin transduktiota solun pinnalta sytoplasmaan ja tumaan, mikä johtaa muutoksiin geeniekspressiossa. Histonit olivat ensimmäisiä proteiineja, jotka fosforyloitiin. Vuoteen 1991 mennessä havaittiin, että kun soluja stimuloitiin lisääntymään, niin kutsuttuja "välittömän aikaisia" geenejä indusoitiin, ja niistä tuli transkriptionaalisesti aktiivisia ja ne toimivat stimuloimaan solusykliä. Tämä lisääntynyt geeniekspressio korreloi H3-histonin fosforylaation kanssa (Mahadevan et ai., 1991). H3-histoniseriinin 10 (H3S10) on osoitettu olevan tärkeä fosforylaatiokohta transkriptiossa hiivasta ihmisiin, ja se näyttää olevan erityisen tärkeä Drosophilassa (Nowak ja Corces, 2004)

Ubiquitinaatio prosessi, jossa ubikitiinimolekyylien "ketju" kiinnitetään proteiiniin (katso Ubiquitin). Kohdassa U. on ubikitiinin C-pään yhteys substraatissa olevien lysiinin sivujäänteiden kanssa. Polyubikvitiiniketju ripustetaan tiukasti määritellyllä hetkellä ja se on signaali, joka osoittaa, että tämä proteiini on alttiina hajoamiselle.

Histonin asetylaatiolla on tärkeä rooli kromatiinin rakenteen moduloinnissa transkription aktivaation aikana, mikä lisää kromatiinin pääsyä transkriptiokoneistoon. Uskotaan, että asetyloidut histonit sitoutuvat vähemmän voimakkaasti DNA:han ja siksi transkriptiokoneen on helpompi voittaa kromatiinipakkauksen vastustuskyky. Erityisesti asetylaatio voi helpottaa transkriptiotekijöiden pääsyä ja sitoutumista DNA:n tunnistuselementteihinsä. Histonin asetylaatiota ja deasetylaatiota suorittavia entsyymejä on nyt tunnistettu, ja saamme todennäköisesti pian tietää lisää siitä, miten tämä liittyy transkription aktivaatioon.

Tiedetään, että asetyloidut histonit ovat merkki transkriptionaalisesti aktiivisesta kromatiinista.

Histonit ovat biokemiallisesti eniten tutkittuja proteiineja.

Nukleosomien järjestäytyminen

Nukleosomi on kromatiinipakkauksen perusyksikkö. Se koostuu DNA-kaksoiskierteestä, joka on kietoutunut kahdeksan nukleosomihistonin tietyn kompleksin (histonioktameeri) ympärille. Nukleosomi on kiekon muotoinen partikkeli, jonka halkaisija on noin 11 nm ja joka sisältää kaksi kopiota kustakin nukleosomaalisesta histonista (H2A, H2B, H3, H4). Histonioktameeri muodostaa proteiiniytimen, jonka ympärillä on kaksijuosteinen DNA (146 nukleotidiparia DNA:ta per histonioktameeri).

Säikeet muodostavat nukleosomit sijaitsevat enemmän tai vähemmän tasaisesti DNA-molekyyliä pitkin 10–20 nm:n etäisyydellä toisistaan.

Tiedot nukleosomien rakenteesta saatiin käyttämällä nukleosomikiteiden matala- ja korkearesoluutioista röntgendiffraktioanalyysiä, proteiini-DNA-molekyylien välisiä ristisidoksia ja DNA:n pilkkomista nukleosomeissa käyttämällä nukleaaseja tai hydroksyyliradikaaleja. A. Klug rakensi nukleosomista mallin, jonka mukaan DNA (146 bp) B-muodossa (oikeakätinen heliksi, askel 10 bp) on kierretty histonioktameeriin, jonka keskiosassa histonit H3 ja H4 sijaitsevat, ja reunalla - H2a ja H2b. Tällaisen nukleosomaalisen kiekon halkaisija on 11 nm ja paksuus 5,5 nm. Rakennetta, joka koostuu histonioktameerista ja sen ympärille kiertyneestä DNA:sta, kutsutaan nukleosomaaliseksi ydinpartikkeliksi. Ydinpartikkelit erotetaan toisistaan ​​linkkeri-DNA-segmenteillä. Eläimen nukleosomiin sisältyvän DNA-segmentin kokonaispituus on 200 (+/-15) bp.

Histonipolypeptidiketjut sisältävät usean tyyppisiä rakenteellisia domeeneja. Keskeistä globulaarista domeenia ja joustavia ulkonevia N- ja C-terminaalisia alueita, jotka on rikastettu emäksisillä aminohapoilla, kutsutaan käsivarsiksi (arm). Polypeptidiketjujen C-terminaaliset domeenit, jotka osallistuvat histoni-histoni-vuorovaikutuksiin ydinpartikkelin sisällä, ovat pääasiassa alfakierteen muodossa, jossa on laajennettu keskikierrealue, jota pitkin on yksi lyhyempi kierre molemmille puolille. Kaikki solusyklin aikana tai solujen erilaistumisen aikana tapahtuvien palautuvien translaation jälkeisten histonimodifikaatioiden tunnetut kohdat sijaitsevat niiden polypeptidiketjujen taipuisissa pääketjudomeeneissa (taulukko I.2). Samaan aikaan H3- ja H4-histonien N-terminaaliset haarat ovat molekyylien konservoituneimpia alueita, ja histonit ovat kokonaisuudessaan evoluutionaalisesti konservoituneimpia proteiineja. S. cerevisiae -hiivan geneettisiä tutkimuksia käyttämällä havaittiin, että pieniin deleetioihin ja pistemutaatioihin histonigeenien N-terminaalisissa osissa liittyy syvällisiä ja monipuolisia muutoksia hiivasolujen fenotyypissä, mikä osoittaa hiivasolujen eheyden tärkeyden. histonimolekyylejä eukaryoottigeenien asianmukaisen toiminnan varmistamisessa. Liuoksessa histonit H3 ja H4 voivat esiintyä stabiileina tetrameereinä (H3) 2 (H4) 2, kun taas histonit H2A ja H2B voivat esiintyä stabiileina dimeereinä. Asteittainen ionivahvuuden kasvu natiivia kromatiinia sisältävissä liuoksissa johtaa ensin H2A/H2B-dimeerien ja sitten H3/H4-tetrameerien vapautumiseen.

Kiteissä olevien nukleosomien hienorakenteen jalostuksen suorittivat K. Luger et ai. (1997) käyttämällä korkean resoluution röntgendiffraktioanalyysiä. Havaittiin, että kunkin histoniheterodimeerin kupera pinta oktameerissa on kietoutunut 27-28 bp pituisten DNA-segmenttien ympärille, jotka sijaitsevat 140 asteen kulmassa toisiinsa nähden ja joita erottavat 4 bp pituiset linkkerialueet.

DNA:n tiivistymistasot: nukleosomit, fibrillit, silmukat, mitoottinen kromosomi

DNA:n tiivistymisen ensimmäinen taso on nukleosomi. Jos kromatiini altistetaan nukleaasin vaikutukselle, se ja DNA hajoavat säännöllisesti toistuviksi rakenteiksi. Nukleaasikäsittelyn jälkeen osa partikkeleista eristetään kromatiinista sentrifugoimalla sedimentaationopeudella 11S. 11S-partikkelit sisältävät noin 200 emäsparia DNA:ta ja kahdeksan histonia. Tällaista monimutkaista nukleoproteiinipartikkelia kutsutaan nukleosomeiksi. Siinä histonit muodostavat proteiiniytimen, jonka pinnalla DNA sijaitsee. DNA muodostaa paikan, joka ei liity ydinproteiineihin - linkkerin, joka yhdistää kaksi vierekkäistä nukleosomia siirtyy seuraavan nukleosomin DNA:han. Ne muodostavat "helmiä", noin 10 nm:n pallomaisia ​​muodostumia, jotka istuvat peräkkäin pitkänomaisten DNA-molekyylien päällä. Toinen tiivistymistaso on 30 nm fibrilli. Ensimmäisellä, nukleosomaalisella, kromatiinin tiivistymistasolla on säätelevä ja rakenteellinen rooli, mikä tarjoaa DNA:n pakkaustiheyden 6-7 kertaa. Mitoottisissa kromosomeissa ja faasien välisissä ytimissä havaitaan kromatiinifibrillejä, joiden halkaisija on 25-30 nm. Solenoidityyppinen nukleosomipakkaus erottuu: tiheästi pakattujen nukleosomien lanka, jonka halkaisija on 10 nm, muodostaa keloja, joiden kierukkaväli on noin 10 nm. Tällaisen superheliksin kierrosta kohti on 6-7 nukleosomia. Tällaisen pakkauksen seurauksena syntyy kierukkatyyppinen fibrilli, jossa on keskiontelo. Kromatiinilla ytimissä on 25 nm fibrilli, joka koostuu samankokoisista vierekkäisistä palloista - nukleomeereistä. Näitä nukleomeereja kutsutaan superhelmiksi ("superbids"). Pääkromatiinifibrilli, halkaisijaltaan 25 nm, on nukleomeerien lineaarinen vuorottelu tiivistettyä DNA-molekyyliä pitkin. Osana nukleomeeriä muodostuu kaksi nukleosomaalisen fibrillin kierrosta, joissa kummassakin on 4 nukleosomia. Kromatiinipakkauksen nukleomeeritaso saa aikaan DNA:n 40-kertaisen tiivistymisen. Kromatiini-DNA:n tiivistymisen nuklesomaaliset ja nukleomeeriset (superbid) tasot suoritetaan histoniproteiinien avulla. DNA:n silmukkadomeenit-kolmas taso kromatiinin rakenteellinen organisaatio. Korkeammilla kromatiinin organisoitumisen tasoilla spesifiset proteiinit sitoutuvat DNA:n tiettyihin alueisiin, jotka muodostavat suuria silmukoita tai domeeneja sitoutumiskohtiin. Joissain paikoissa on tiivistyneen kromatiinipaakkuja, ruusukkeen muotoisia muodostelmia, jotka koostuvat monista 30 nm:n fibrillisilmukoista, jotka on yhdistetty tiheään keskustaan. Ruusukkeiden keskikoko on 100-150 nm. Kromatiinifibrillien ruusukkeet - kromomeerit. Jokainen kromomeeri koostuu useista silmukoista, jotka sisältävät nukleosomeja, jotka on yhdistetty yhteen keskustaan. Kromomeerit ovat yhteydessä toisiinsa nukleosomaalisen kromatiinin alueilla. Tällainen kromatiinin silmukka-domeenirakenne tarjoaa kromatiinin rakenteellisen tiivistymisen ja järjestää kromosomien toiminnalliset yksiköt - replikonit ja transkriptoidut geenit.

Neutronisirontamenetelmällä pystyttiin määrittämään nukleosomien muoto ja tarkat mitat; karkeasti arvioituna se on litteä sylinteri tai aluslevy, jonka halkaisija on 11 nm ja korkeus 6 nm. Koska ne sijaitsevat elektronimikroskopiaa varten tarkoitetulla alustalla, ne muodostavat "helmiä" - noin 10 nm:n pallomaisia ​​muodostelmia, yhdessä tiedostossa, istuen rinnakkain pitkänomaisten DNA-molekyyleiden päällä. Itse asiassa vain linkkerialueet ovat pitkänomaisia; loput kolme neljäsosaa DNA:n pituudesta on pinottu kierteisesti histonioktameerin reunaa pitkin. Itse histonioktameerin uskotaan olevan rugbypallon muotoinen, ja se käsittää (H3-H4)2-tetrameerin ja kaksi itsenäistä H2A-H2B-dimeeriä. Kuvassa Kuvio 60 esittää histonien asettelua nukleosomin ydinosassa.

Sentromeerien ja telomeerien koostumus

Mitä kromosomit ovat, nykyään melkein kaikki tietävät. Nämä ydinorganellit, joissa kaikki geenit sijaitsevat, muodostavat tietyn lajin karyotyypin. Mikroskoopin alla kromosomit näyttävät yhtenäisiltä, ​​pitkänomaisilta tummilta sauvan muotoisilta rakenteilta, eikä nähty kuva näytä kiehtovalta näkyltä. Lisäksi monien maan päällä elävien elävien olentojen kromosomien valmisteet eroavat vain näiden sauvojen lukumäärästä ja niiden muodon muutoksista. On kuitenkin olemassa kaksi ominaisuutta, jotka ovat yhteisiä kaikkien lajien kromosomeille.

Yleensä kuvataan viisi solunjakautumisen vaihetta (mitoosi). Yksinkertaisuuden vuoksi keskitymme kolmeen päävaiheeseen jakautuvan solun kromosomien käyttäytymisessä. Ensimmäisessä vaiheessa tapahtuu asteittainen lineaarinen kromosomien supistuminen ja paksuuntuminen, sitten muodostuu solunjakokara, joka koostuu mikrotubuluksista. Toisella kromosomit siirtyvät vähitellen kohti ytimen keskustaa ja asettuvat linjaan päiväntasaajaa pitkin luultavasti helpottaakseen mikrotubulusten kiinnittymistä sentromeereihin. Tässä tapauksessa ydinvaippa katoaa. Viimeisessä vaiheessa kromosomien puolikkaat - kromatidit - eroavat. Näyttää siltä, ​​että sentromeereihin kiinnittyneet mikrotubulukset, kuten hinaaja, vetävät kromatidit solun napoihin. Eron hetkestä lähtien entisiä sisarkromatideja kutsutaan tytärkromosomeiksi. Ne saavuttavat karan navat ja tulevat yhteen rinnakkain. Ydinvaippa muodostuu.

Malli, joka selittää sentromeerien evoluutiota.

Ylös- Sentromeerit (harmaat soikeat) sisältävät erikoisen joukon proteiineja (kinetochore), mukaan lukien histonit CENH3 (H) ja CENP-C (C), jotka vuorostaan ​​ovat vuorovaikutuksessa karan mikrotubulusten kanssa (punaiset viivat). Eri taksoneissa yksi näistä proteiineista kehittyy adaptiivisesti ja sopusoinnussa primaarisen sentromeeri-DNA-rakenteen eron kanssa.

Pohjalla- Muutokset sentromeerisen DNA:n primäärirakenteessa tai -organisaatiossa (tummanharmaa soikea) voivat luoda vahvempia sentromeerejä, mikä johtaa enemmän mikrotubuluksiin kiinnittymiseen.

Telomeerit

Termiä "telomeeri" ehdotti G. Möller jo vuonna 1932. Hänen mielestään se ei tarkoittanut vain kromosomin fyysistä loppua, vaan myös "terminaalisen geenin, jolla on erityinen tehtävä kromosomin sinetöimiseksi (sulkemiseksi)" läsnäoloa, mikä teki siitä haitallisten vaikutusten (kromosomien uudelleenjärjestelyt, deleetiot, nukleaasit jne.). Terminaalisen geenin läsnäoloa ei vahvistettu myöhemmissä tutkimuksissa, mutta telomeerin toiminta määritettiin tarkasti.

Myöhemmin paljastettiin toinen toiminto. Koska tavallinen replikaatiomekanismi ei toimi kromosomien päissä, solussa on toinen tapa, joka säilyttää vakaat kromosomikoot solun jakautumisen aikana. Tätä roolia suorittaa erityinen entsyymi, telomeraasi, joka toimii kuten toinen entsyymi, käänteinen transkriptaasi: se käyttää yksijuosteista RNA-templaattia syntetisoimaan toisen juosteen ja korjaamaan kromosomien päitä. Siten telomeerit kaikissa organismeissa suorittavat kaksi tärkeää tehtävää: ne suojaavat kromosomien päitä ja säilyttävät niiden pituuden ja eheyden.

On ehdotettu malli kuuden telomeerispesifisen proteiinin proteiinikompleksista, joka muodostuu ihmisen kromosomien telomeereihin. DNA muodostaa t-silmukan, ja yksijuosteinen ulkonema liitetään kaksijuosteiseen DNA-alueeseen, joka sijaitsee distaalisesti (kuvio 6). Proteiinikompleksin avulla solut voivat erottaa telomeerit ja kromosomikatkokohdat (DNA). Kaikki telomeeriproteiinit eivät ole osa kompleksia, joka on redundantti telomeereissä, mutta puuttuu muilta kromosomien alueilta. Kompleksin suojaavat ominaisuudet johtuvat sen kyvystä vaikuttaa telomeerisen DNA:n rakenteeseen ainakin kolmella tavalla: määrittää telomeerin kärjen rakenne; osallistua t-silmukan muodostukseen; ohjaa telomeerisen DNA:n synteesiä telomeraasilla. Samanlaisia ​​komplekseja on löydetty myös joidenkin muiden eukaryoottilajien telomeereistä.

Ylös -telomeeri kromosomin replikaation aikana, kun sen pää on telomeraasikompleksin ulottuvilla, joka suorittaa replikaatiota (DNA-ketjun kaksinkertaistuminen kromosomin kärjessä). Replikaation jälkeen telomeerinen DNA (mustat viivat) yhdessä siinä olevien proteiinien kanssa (näkyy monivärisinä soikeina) muodostaa t-silmukan ( kuvan alareunassa).

DNA:n tiivistymisaika solusyklissä ja tärkeimmät prosesseja stimuloivat tekijät

Muista kromosomien rakenne (biologian kurssilta) - ne näytetään yleensä kirjainparina X, jossa jokainen kromosomi on pari ja jokaisessa on kaksi identtistä osaa - vasen ja oikea kromatidi. Tällainen kromosomijoukko on tyypillinen solulle, joka on jo aloittanut jakautumisensa, ts. solut, jotka ovat käyneet läpi DNA-kaksoisprosessin. DNA:n määrän kaksinkertaistamista kutsutaan solusyklin synteettiseksi jaksoksi tai S-jaksoksi. He sanovat, että kromosomien lukumäärä solussa pysyy samana (2n), ja kromatidien lukumäärä kussakin kromosomissa kaksinkertaistuu (4c - 4 kromatidia kromosomiparia kohti) - 2n4c. Jakautuessaan yksi kromatidi kustakin kromosomista tulee tytärsoluihin ja solut saavat täydellisen diploidisarjan 2n2c:tä.

Solun (tarkemmin sanoen sen ytimen) tilaa kahden jakautumisen välillä kutsutaan interfaasiksi. Välivaiheessa erotetaan kolme osaa - presynteettinen, synteettinen ja postsynteettinen ajanjakso.

Siten koko solusykli koostuu 4 aikajaksosta: varsinainen mitoosi (M), presynteettinen (G1), synteettinen (S) ja synteettinen (G2) interfaasijakso (kuvio 19). Kirjain G - englanninkielisestä aukosta - intervalli, intervalli. G1-jaksolla välittömästi jakautumisen jälkeen soluilla on diploidi DNA-pitoisuus ydintä kohti (2c). G1-jakson aikana solujen kasvu alkaa pääasiassa solun proteiinien kertymisen vuoksi, mikä määräytyy RNA:n määrän kasvuna solua kohden. Tänä aikana alkaa solun valmistautuminen DNA-synteesiin (S-jakso).

Todettiin, että proteiini- tai mRNA-synteesin suppressio G1-jaksolla estää S-jakson alkamisen, koska G1-jakson aikana tapahtuu DNA-prekursoreiden (esim. nukleotidifosfokinaasien), RNA:n entsyymien muodostumiseen tarvittavien entsyymien synteesi. ja proteiiniaineenvaihdunta tapahtuu. Tämä tapahtuu samaan aikaan RNA:n ja proteiinisynteesin lisääntymisen kanssa. Tämä lisää jyrkästi energia-aineenvaihduntaan osallistuvien entsyymien aktiivisuutta.

Seuraavalla S-jaksolla DNA:n määrä tumaa kohti kaksinkertaistuu ja vastaavasti kromosomien määrä kaksinkertaistuu. S-jakson eri soluista löytyy erilaisia ​​määriä DNA:ta - 2c:stä 4c:hen. Tämä johtuu siitä, että soluja tutkitaan DNA-synteesin eri vaiheissa (niissä, jotka ovat juuri aloittaneet synteesin ja ne, jotka ovat jo saaneet sen päätökseen). S-jakso on solusyklin solmukohta. Yhtään tapausta solujen mitoottisesta jakautumisesta ei tunneta ilman DNA-synteesiä.

Synteettistä (G2) vaihetta kutsutaan myös premitoottiseksi. Viimeinen termi korostaa sen suurta merkitystä seuraavan vaiheen - mitoottisen jakautumisen vaiheen - kulkua varten. Tässä vaiheessa tapahtuu mRNA-synteesi, mikä on välttämätöntä mitoosin läpikulkua varten. Hieman tätä aikaisemmin syntetisoidaan ribosomin rRNA, joka määrää solun jakautumisen. Tällä hetkellä syntetisoitujen proteiinien joukossa erityinen paikka on tubuliinit - mitoottisen karan mikrotubulusten proteiinit.

G2-jakson lopussa tai mitoosin aikana, kun mitoottiset kromosomit tiivistyvät, RNA-synteesi laskee jyrkästi ja pysähtyy kokonaan mitoosin aikana. Proteiinisynteesi mitoosin aikana laskee 25 prosenttiin alkuperäisestä tasosta ja saavuttaa sen jälkeen maksiminsa G2-jaksolla, toistaen yleensä RNA-synteesin luonnetta.

Kasvien ja eläinten kasvavissa kudoksissa on aina soluja, jotka ovat ikään kuin syklin ulkopuolella. Tällaisia ​​soluja kutsutaan yleensä G0-jakson soluiksi. Juuri nämä solut ovat ns. lepääviä, tilapäisesti tai lopullisesti lisääntyviä soluja. Joissakin kudoksissa tällaiset solut voivat pysyä pitkään muuttamatta erityisesti niiden morfologisia ominaisuuksia: ne säilyttävät periaatteessa kykynsä jakautua ja muuttuvat kambaalisiksi kantasoluiksi (esimerkiksi hematopoieettisessa kudoksessa). Useimmiten jakamiskyvyn menettämiseen (vaikkakin väliaikaiseen) liittyy kyky erikoistua, erottua. Tällaiset erilaistuvat solut poistuvat syklistä, mutta erityisissä olosuhteissa ne voivat palata kiertoon. Esimerkiksi useimmat maksasolut ovat G0-jaksolla; ne eivät osallistu DNA-synteesiin eivätkä hajoa. Kuitenkin, kun osa maksasta poistetaan koe-eläimillä, monet solut alkavat valmistautua mitoosiin (G1-jakso), etenevät DNA-synteesiin ja voivat jakautua mitoottisesti. Muissa tapauksissa, esimerkiksi ihon orvaskedessä, lisääntymis- ja erilaistumissyklistä poistumisen jälkeen solut toimivat jonkin aikaa ja sitten kuolevat (integumentaarisen epiteelin keratinisoituneet solut).