3. Ядро. Хромосомы. Упаковка ДНК

Лекция №3
Ядро. Хромосомы. Упаковка ДНК.
Глоссарий
ДНП - дезоксирибонуклеопротеиновый комплекс.
Гистоны — обширный класс ядерных белков, выполняющих две основные
функции: они участвуют в упаковке нитей ДНК в ядре и в эпигенетической
регуляции таких ядерных процессов, как транскрипция, репликация и
репарация.
Центромера - кинетохор, участок хромосомы, контролирующий её движение
к разным полюсам клетки во время деления — митоза или мейоза; место
прикрепления к хромосоме нитей (микротрубочек) веретена деления.
Кинетохор — сложная белковая структура, имеющая форму овальной
пластинки, связанной с ДНК центромерного района хромосомы.
Теломеры - относительно короткие последовательности нуклеотидов на
концах ДНК хромосом. Они необходимы для правильной работы фермента
ДНК-полимеразы, удваивающей геном при делении клетки. С каждым
делением происходит укорочение теломер; когда дальнейшее укорочение
невозможно, клетка перестает размножаться.
Клеточное ядро представляет из себя двумембранную структуру, в
которой заключены носители наследственной информации (хромосомы).
Помимо хранения информации, ещё одной ключевой функцией ядра является
поддержание необходимых условий для процесса транскрипции.
Функции ядра
Первая функция реализуется посредством нескольких процессов. К ним
можно отнести механизмы репарации. Если говорить подробнее, то в ДНК по
ходу естественных процессов, например репликации, могут появляться
ошибки. Естественно, что поврежденный код может давать далекоидущие
последствия, как, например, возникновение генных синдромов. Для
предотвращения развития таких последствий и существуют особые
репаративные
механизмы.
Также
сохранение
целостности
ДНК
осуществляется за счёт репликации, которая представляет из себя удвоение
молекулы ДНК. После митоза дочерние клетки имеют меньшее количество
молекул, потому что при делении каждой из них досталась лишь половина
материнских молекул. После репарации количество ДНК увеличивается в два
раза,
таким
образом
восстанавливается
необходимое
количество
наследственной информации.
Вторая группа функций нацелена на реализацию хранящегося в ядре
кода. Здесь нужно понимать, для того чтобы гены нашли своё отражение в тех
или иных признаках осуществляется большая работа всех клеточных структур
(в той или иной мере). Мы же будем говорить о тех, которые связаны
непосредственно с нуклеиновыми кислотами и начальными этапами
реализации генетического кода. Для того, чтобы полипептидная цепь была
синтезирована в рибосомах должно произойти несколько взаимосвязанных
процессов. И начинать здесь нужно даже не с транскрипции целевого гена.
Сначала нужны рибосомы. Они напрямую связаны с деятельностью ядра и
полностью зависимы от него. Во-первых в ядре содержится информация о
рибосомальной РНК, во-вторых сборка структурных единиц рибосом
происходит в специальных структурах – ядрышках, которые тоже находятся в
ядре. Для этого необходимые белки синтезируются в цитоплазме и поступают
в сами ядрышки, где уже и происходит комплектование рибосом всем
необходимым. Также нужна транспортная РНК, которая будет доставлять
аминокислоты в рибосому. Её транскрипция также происходит в ядре. И,
наконец, транскрипция целевого гена. Подробнее этот процесс мы разберем
позже, но сейчас важно упомянуть, что даже транскрибированная РНК не
попадает сразу же в цитоплазму. Сначала она проходит ряд модификаций в
самом ядре (процессинг), в том числе процесс сплайсинга (вырезаются не
кодирующие белок участки – интроны).
Исходя из всего вышесказанного можно сделать вывод, что нарушение
любой из ядерных функций неминуемо приведет к нарушению клеточных
процессов в целом, и в итоге к гибели клетки. Именно поэтому ядру отводится
главенствующая роль в процессах связанных с нуклеиновыми кислотами.
Компоненты ядра
Для наглядности стоит рассмотреть ядро клетки, которая находится в
интерфазе. В ядре можно выделить хроматин, ядрышко, ядерный белковый
матрикс, нуклеоплазму, ядерную мембрану. Также обнаруживаются пери- и
интерхроматиновые образования (гранулы и фибриллы).
Хроматин
Такое
название
было
получено
этим
веществ
за
хорошую
восприимчивость к красителям (краситель Гимзы). Особенно хорошо
проявляются основные красители. Именно эта особенность сыграла
немаловажную роль в успехах исследований синдромов, вызванных
геномными мутациями. Для исследований брали клетки в стадии митоза и
окрашивали, после чего проводили подсчёт хромосом. Интерфазные клетки не
использовали по причине того, что различить оформленные хромосомы на
этой стадии клеточного цикла достаточно затруднительно. Несмотря на это в
интерфазных ядрах всё-таки можно различить отдельные структуры в виде
глыбок.
Итак, хроматин – вещество ядра. Но, как и любое вещество, его можно
разобрать на составляющие. Для хроматина этими составляющими являются
ДНК, РНК и белки (гистоновые и негистоновые). Немаловажно понимать, что
хроматин и хромосомы – это, по своей сути, синонимичные понятия. Различие
заключается в том, что хромосомы – это плотные образования, которые
различимы в период деления. Хроматин – это деконденсированные
(распакованные) хромосомы, которые характерны для интерфазы.
Деконденсация может быть разной степени силы. Одни участки
хромосом разрыхляются сильнее чем другие. Наиболее деконденсированные
участки называются эухроматин, наименее распакованные – гетерохроматин.
То,
насколько
распакована
хромосома,
является
функциональной
активности.
Эухроматин
характеризуется
транскрипционных
процессов,
обратная
картина
показателем
её
наличием
характерна
для
гетерохроматина. Эта особенность может быть показателем интенсивности
процессов синтеза в ядре (чем деконденсированнее хроматин, тем активнее
идёт синтез).
Исходя из вышеописанного можно сделать вывод, что синтетической
активностью обладает только хроматин. То есть процессы транскрипции и
трансляции происходят только в интерфазе. Такой подход может привести к
ошибочному мнению, что во время митоза хромосомы (конденсированный
хроматин) не выполняют никаких функций. Это неверно. Плотная упаковка
генетического материала, с последующим образованием хромосом является
подготовкой для выполнения ещё одной важной функции. Этой функцией
является равномерное распределение наследуемой информации между
дочерними клетками. Если бы в делении учувствовал деконденсированный
хроматин, то это создало бы сложности для нормального функционирования
веретена деления.
Ядрышко
Говоря о различимых ядерных компонентах невозможно не упомянуть
про такое особое образование, как ядрышко. Оно не является самостоятельной
органеллой
или
молекулярной
структурой.
Это
рассматривать в контексте хромосом и их строения.
образование
нужно
Хромосомы
имеют
локусы
(участки),
которые
называются
ядрышковыми организаторами. Характерной чертой этих локусов является
локализация в них генов рибосомной РНК. Клетка, в силу своей
эффективности, создает особые структуры вокруг этих локусов, в которых и
начинает синтезировать рибосомы.
Количество
ядрышек
может
варьировать.
Этому
способствуют
возможные их слияния или увеличение числа хромосом, в которых есть
ядрышковые организаторы.
При микроскопии у ядрышек различают фибриллярную и гранулярную
структуры. Гранулярная представляет собой рибосомные субъединицы
близкие
к
завершению
формирования.
Фибриллярная
–
это
рибонуклеопротеидная (РНП) стадия формирования рибосомных субъединиц,
у неё выделяет центры формирования рибосомной РНК (рРНК). Локализуются
эти структуры следующим образом: фибриллярные в центре, гранулярные –
периферия.
Рибосомы формируются последовательно. В ядре образуются только
субъединицы,
окончательное
формирование
полноценной
рибосомы
происходит уже в цитоплазме (Схема 1). Немаловажным фактом является то,
что на матрице ДНК не синтезируется готовая рРНК. Сначала идёт синтез
пред-рРНК, которая представляет собой длинную молекулу, состоящую из
рРНК, на которые она впоследствии и разделяется.
Схема 1
Синтез рРНК
Формирование рибосомных
субъединиц
Сборка полноценной рибосомы
Присоединение белкового
компонента
Выход из ядра в цитоплазму
Синтез белка
Ядерный белковый матрикс
Этот компонент ядра выполняет ряд структурных функций. Матрикс
обеспечивает
относительное
постоянство
формы
ядра,
обеспечение
пространственной локализации хромосомного материала, также активность
хромосом зависит от это структуры. Ферменты транскрипции и репликации
также располагаются на белковом матриксе. Конденсация хромосом проходит
не без участия этого структурного компонента ядра.
Матрикс сформирован негистоновыми белками и представляет из себя
разветвленную сеть, которая имеет сообщение с ламиной (фибриллярный
подслой ядерной мембраны, который учувствует в организации хроматина).
Нуклеоплазма
Это жидкая составляющая ядра. В этой коллоидной системе находятся
транскрипционные,
репликационные
и
репарационные
ферменты,
нуклеотиды.
Ядерная мембрана
Внешняя ядерная мембрана связывается с эндоплазматическим
ретикулумом. На ней расположены выходы ядерных пор, которые
осуществляется пассивный и активный транспорт веществ.
Внутренняя мембрана покрыта изнутри ламиной, состоящей из
фибриллярных белков – ламинов. Они обеспечивают «сборку/разборку» ядра
при делении и взаиморасположение ядерных пор.
Упаковка ДНК
Известно, что общая длина молекул ДНК эукариотической клетки
близка к значению в 2м., при этом размеры клетки на несколько порядков
меньше указанного значения. Таким образом существует только одно
разумное объяснение того, как такая длинная молекула помещается не просто
клетку или ядро, а в хромосому, средние размеры которой колеблются у
значения в 5-6 мкм.
Компактизация ДНК происходит в несколько этапов. Первый этап
можно назвать нуклеосомным. И начать здесь стоит даже не с ДНК. В первую
очередь стоит вспомнить про такие белки, как гистоны. На этом этапе
задействованы гистоны пяти типов: H1, H2A, H2B, H3 и H4. Четыре из них
формируют особую структуру, которая называется октамер (рис. 1). Эта
структура
располагается
в
центре
будущей
нуклеосомы,
поэтому
формирующие её белки (H2A, H2B, H3 и H4) называются коровыми (от слова
core – центр или сердцевина). Гистон H1 не входит в состав октамера, но
прикрепляется к нуклеосоме снаружи и обеспечивает структурную связь
нуклосом друг с другом. За выполнение этой функции H1 и получил звание
линкерного гистона (от link – связь, соединение). Сама по себе нуклеосома
представляет из себя октамер, на который «намотана» нить ДНК.
Рис. 1. Схема нуклеосомы и гистонного октамера (ru.wikipedia.org; автор Richard Wheeler).
Следующим
этапом
компактизации
ДНК
является
образование
нуклеосомной нити (нуклеофиламента). Это происходит благодаря тем самым
гистонам H1. В их строении можно выделить центральную глобулу и своего
рода «плечи». Именно этими «плечами» H1 и соединяет соседние нуклеосомы,
образуя нить.
Дальнейшая
упаковка
происходит
посредством
образования
нуклеомерной структуры – соленоида. По своей структуре она напоминает
спираль. В каждом витке можно выделить до шести нуклеосом, они
располагаются по внешней стороне этой спирали. На внутренней стороне
спирали находятся линкерные гистоны (рис. 2). Диаметр такой спирали
составляет 30 нм.
Последующая
судьба
хроматиновой
фибриллы
заключается
в
образовании петлеобразных структур (доменов). Которые затем формируют
хроматиновую нить (рис. 2). Более плотная упаковка – хроматида характерна
для периода деления клетки.
Рис. 2. Схема
компактизации
ДНК (Concepts of
Genetics (8th ed.) Klug W.S.,
Cummings M.R.,
Spencer C.A.,
2006г.)
Классификация митотических хромосом
Для того, чтобы иметь представление о том, пока как принципам
различают
хромосомы,
нужно
понять
основные
принципы
их
морфологического устройства. Во-первых, для изучения наиболее подходят
хромосомы, пребывающие в состоянии максимальной компактизации, а
именно на этапах деления клетки (метафаза, начало анафазы). Во-вторых,
нужно определиться с понятием центромеры. Обычно, этот участок
хромосомы представлен гетерохроматином и состоит (на уровне нуклеотидов)
и повторяющихся последовательностей, примером может служить α –
сателлит. Центромера выполняет ряд функций, одна из которых – это
формирование кинетохора, к которому крепятся нити веретена деления. Для
классификации важную роль играет расположение центромеры, в зависимости
от этого выделяют длинные и коротки плечи хромосом.
Если длина плеч по бокам от центромеры равна, то такие хромосомы
называют
метацентрическими
(то
есть
центромера
в
середине),
субметацентрические – длина плеч разная (центромера не в середине),
акроцентрическая – одно плечо почти не заметно. Ещё один учитываемый
параметр – размер.
Таблица 1. Классификация хромосом человека по размеру и
расположению центромеры (денверская).
Группа
Размер, мкм
A (I)
Номер по
кариотипу
1–3
B (II)
C (III)
D (IV)
E (V)
F (VI)
G (VII)
4, 5
6 – 12, Х
13 – 15
16 – 18
19, 20
21, 22, Y
7,7
72 – 5,7
4,2
3,6 – 3,2
2,8 – 2,3
< 2,3
11 – 8,3
Характеристика
1, 3 – метацентрические, 2 – крупная
субметацентрическая
Крупные субметацентрические
Средние субметацентрические
Средние акроцентрические
Мелкие субметацентрические
Самые мелкие метацентрические
Самые мелкие акроцентрические
* Генетика человека / В.А. Шевченко, Н.А. Топорнина, Н.С. Стволинская – М.:
ВЛАДОС, 2002г.
Вопросы для самоподготовки:
1.
Функции ядра (как реализуются)?
2.
Компоненты ядра, их функции?
3.
Уровни упаковки ДНК?
4.
Классификация хромосом?