Четвертична структура ДНК. Хромосоми

ДНК становить лише половину обсягу хромосом. Решта - оболонка невідомої функціональності

• Науково-популярне ,
• Біотехнології

У школі нас вчили, що у ядрі кожної клітини містяться ниткоподібні структури під назвою хромосоми, у яких зберігаються гени - одиниці спадковості, які у лінійному порядку. Гени закодовані у складі макромолекули ДНК. Але все не так просто, як здається.

З самого моменту свого відкриття в 1882 хромосоми зазнали ретельного і пильного вивчення, в тому числі за допомогою оптичних та електронних мікроскопів. Дивно, але вченим досі не вдається чітко зрозуміти, як організовано їхню структуру.

Десятиліттями вчені концентрували свої зусилля на дослідженні, переважно, хроматину. Це основна функціональна речовина хромосом, що є комплексом ДНК, РНК і білків. Саме у складі хроматину відбувається реалізація генетичної інформації, а також реплікація та репарація ДНК.

Одна з головних загадок – як відбувається упаковка (фолдинг) хроматину. Довгий час припускали, що упаковка відбувається випадково, але останнім часом з'явилися інші теорії. Деякі вчені припускають, що упаковка відбувається за зразком розплаву полімеру. Є думки, що хромосоми проходять через ланцюжок взаємопов'язаних процесів упаковки, від гвинтової навивки навколо нуклеосоми до соленоїдального 30 нм волокна, а потім до спіралі більшого розміру. Зрештою, є третій клас теорій, які припускають, що хромосоми складаються з петель хроматину, які стримуються негістонними білками.

Остання з цих моделей структури хромосоми останнім часом отримала додаткове підтвердження. У 2013 році просунуті методи мікроскопії наочно показали, яким чином у ядрі клітини утворюється лінійна матриця з хроматинових петель. Science). На відео більш показано, як відбувається самоорганізація хромосом.

Організація мітотичних хромосом (супровідний матеріал до статті Наталії Наумової з колегами 2013 року)

Вступ

Молекули ДНК у еукаріотичних клітинах дуже великі. Так, довжина молекул ДНК, виділених із клітин людини, сягає кількох сантиметрів. Вважають, кожна еукаріотична хромосома містить одну - єдину безперервну молекулу ДНК. Враховуючи видову кількість хромосом у ссавців, можна сказати, що в середньому у них на інтерфазне ядро ​​припадає близько 2 м ДНК, що знаходиться у сферичному ядрі діаметром менше 10 мкм. При цьому в ядрі повинен зберігатися певний порядок розташування молекул ДНК, щоб забезпечити впорядковане її функціонування.

Саме тому молекули ДНК у ядрах еукаріотичних клітин завжди перебувають у комплексі з білками у складі хроматину, який утворюється з хромосом після закінчення поділу ядер у результаті складного процесу розкручування (деспіралізації) хромосом.

Досліджуючи структурну організацію хроматину та хромосом, можна виразно говорити про декілька рівнів компактизації ДНК. Перший - нуклеосомний, що дає семиразове ущільнення ДНК і складі фібрил ДНП, другий - фібрила діаметром 30 нм, або нуклеомерний рівень, з 40-70-кратним ступенем упаковки, третій - доменно-петльовий, або хромомірний, що приводить до 60 -кратному ущільненню ДНК у складі цих структур Для підтримки перших двох рівнів компактизації було достатньо участі тільки гістонових білків, тоді як петльові та розеткоподібні доменні структури вже вимагали участі негістонових білків і переходу від спірального, або соленоїдного, типу укладання ДНК до утворення компактних глобулярних структур, що складаються з петель хроматинових фібри. , до структур типу хромомірів, які вже мають розміри 0,1-0,2 мкм.

Упаковка ДНК у хромосомах

Компактність - важлива відмінність геному еукаріотів від прокаріотичного геному. При середній різниці розмірів геномів на 3 порядку, лінійні розміри еукаріотичних хромосом можна порівняти з довжиною ДНК прокаріотів.

Виділяють принаймні 4 рівні компактизації ДНК. При цьому нитка ДНК "укорочується" у 10 000 разів. Це подібно до того, якщо нитку, довжиною з Останкінську вежу (500 м), укласти в сірникову коробку (5см).

Хромосоми еукаріотичних клітин складаються в основному з хроматину - комплексу дволанцюжкової ДНК та п'яти гістонових білків, що позначаються H1, Н2А, Н2В, Н3 та Н4

Саме гістонами забезпечуються два перші рівні компактизації еукаріотичного геномануклеосомний і нуклеомерний.

Загальна характеристика гістонів

Гістони – основні білки. Усі вони збагачені лізином та аргініном – позитивно зарядженими амінокислотами. Залежно від співвідношення структурі гістонів амінокислот зазвичай виділяють 5 фракцій гістонів. Напрацьовується їх дуже багато – 60 млн. молекул кожної фракції на клітину.

Модифікації гістонів дуже впливають на компактизацію ДНК. Гістони можуть метилироваться, фосфорилироваться (по серину, треоніну, тирозину), тобто. амінокислотні залишки легко модифікуються. Крім того, можливе алкілювання та ацетилювання гістонів.

Основні фракції гістонів:

Всі гістони, крім Н1, надзвичайно консервативні в еволюційному відношенні (у корови та конюшини різниця в Н2А всього в одну амінокислоту!). Отже, ці білки виконують важливу функцію, яка у всіх еукаріотів забезпечується однаково. Будь-яка мутація у гістонових генах летальна.

Н1 – дуже варіабельна фракція. Цей гістон різний у видів, і навіть в одного організму, залежно від стадій онтогенезу.

У гістонах лізин та аргінін кластовані. Середня частина гістону містить гідрофобні амінокислоти. Позитивно заряджені амінокислоти гістонів забезпечують електростатичні взаємодії з ДНК. Центральна частина необхідна взаємодії гістонів між собою.

Роль гістонів у згортанні ДНК важлива з таких причин:

1) Якби хромосоми складалися тільки з витягнутої ДНК, важко уявити, як вони могли б реплікуватися і розділятися по дочірнім клітинам, не заплутуючи або не ламаючись при цьому.

2) У витягнутому стані подвійна спіраль ДНК кожної людської хромосоми перетнула б клітинне ядро ​​тисячі разів; таким чином, гістони впорядкованим чином пакують дуже довгу молекулу ДНК в ядро, що має кілька мікрометрів у діаметрі;

3) Не вся ДНК згорнута однаковим чином, і характер упаковки району геному в хроматин, ймовірно, впливає на активність генів, що містяться в даному районі.

У клітинах чи вірусах ДНК, мабуть, ніколи не знаходиться у вільній, витягнутій формі. Вона пов'язана з низькомолекулярними катіонами - іонами двовалентних металів або з ді- і поліамінами або білками, а можливо, з тими та іншими. Взаємодія здійснюється за допомогою електростатичних сил – негативно заряджені фосфатні групи частково нейтралізуються позитивно зарядженими іонами металів та поліамінами або основними амінокислотними залишками білків. В результаті таких взаємодій відбувається конденсація ДНК із зменшенням об'єму, який займає молекула, іноді в тисячу разів. Кільцева ДНК Е. coli довжиною 1,4 мм укладена в клітину, що має форму палички діаметром 1 мкм та довжиною 2 мкм; у еукаріотичних клітин ядерна ДНК довжиною майже 2 м на стадії інтерфази укладена в ядрі діаметром менше 10 мкм. Ядерна ДНК у клітинах, що у стадії мітозу, конденсована ще більше і у світловому мікроскопі має вигляд дуже компактної структури.

Упаковка ДНК у ядрі

У середній еукаріотичній клітині загальна довжина геномної ДНК становить близько 2 м, діаметр її ядра всього ~10-20 мкм. При цьому сукупність генів, що працюють в даній клітині, повинна бути доступна для РНК-полімераз і транскрипційних факторів, а вся ДНК у клітинах, що діляться, повинна реплікуватися.

Сьогодні відомо, що упаковка ДНК у ядрі еукаріотичної клітини здійснюється у кілька етапів. Спочатку нитка ДНК укладається в нуклеосоми, при цьому її довжина зменшується у шість-сім разів. Потім нуклеосомна нитка складається в так звану 30 нм фібрилу (соленоїд або зигзагоподібну нитку), що забезпечує додаткову компактизацію в 40 разів. Далі фібрил організується у великі (50 і більше тисяч пар нуклеотидів) петлі, кінці яких закріплюються на білковому скелеті ядра (його часто називають ядерним матриксом). На цьому етапі лінійні розміри ДНК скорочуються у 700 разів. Існують і такі рівні компактизації ДНК, інформація про які в даний час дуже мізерна і суперечлива.

Правильна упаковка ДНК із хромосомними білками здійснюється під наглядом допоміжних ферментів. Для коригування упаковки ферменти-помічники використовують енергію АТФ. Дослідники з Університету Пенсільванії (США) зуміли штучно відтворити згортання хромосоми, і, як кажуть вчені, вирішальним фактором виявилася енергія – наявність у реакційній суміші молекул АТФ. Результати експериментів опубліковані у журналі Science.

Рис. 1. Рівні упаковки ДНК у ядрі еукаріотичної клітини.

Поки що йшлося лише про упаковку однієї протяжної молекули ДНК. У першому наближенні такий вважатимуться ДНК однієї хромосоми. Однак геном еукаріотичної клітини поділено на кілька хромосом. Наприклад, у клітинах плодової мушки дрозофіли є чотири пари хромосом (у клітинах людини їх 46). Індивідуальні хромосоми можна побачити під мікроскопом лише під час мітозу. На решті фаз клітинного циклу вони не видно, і ядро ​​клітини представляється відносно гомогенним. Протягом багатьох років молекулярних біологів цікавило питання, чи займають окремі хромосоми обмежені простори всередині ядра або при декомпактизації хромосом ДНК кожної з них розподіляється по всьому ядру, неминуче перемішуючись з ДНК інших хромосом. Близько 10 років тому відповідь на це питання було знайдено. Методи молекулярної гібридизації дозволили фарбувати в інтерфазному ядрі індивідуальні хромосоми. Виявилося, що вони, всупереч загальноприйнятій на той час точці зору, займають усередині ядра обмежені простори, що не перекриваються (названі "хромосомними територіями" і розташовуються невипадково: хромосоми, багаті генами, локалізуються ближче до центру ядра, а бідні генами - ближче до його пери. У підтримці специфічних позицій хромосомних територій важливе значення має ядерний матрикс.

Хромосоми еукаріотів

Хромосоми еукаріотичних клітин складаються в основному з хроматину – комплексу дволанцюжкової ДНК та п'яти гістонових білків, що позначаються H1, Н2А, Н2В, Н3 та Н4. Гістони можуть бути ацетильовані, метильовані, фосфорильовані, роlу(АDР)-рибозильовані, а гістони Н2А та Н2В - ковалентно пов'язані з білком, званим убіквітіном. Яка роль впливу зазначених компонентів на структуру та функції гістонів – до кінця не з'ясовано. Гістон H1 ссавців складається з приблизно 215 амінокислот; розміри інших гістонів варіюють від 100 до 135 амінокислот. Усі вони містять надзвичайно велику кількість позитивно зарядженої амінокислоти лізину; Н3 і Н4 відрізняються від інших тим, що вони досить високий рівень позитивно зарядженої амінокислоти аргініну. Співвідношення між Н2А, Н2В, Н3 і Н4, що містяться в хроматині нижчих еукаріотів (дріжджі, плісняві гриби), таке ж, як у хроматині ссавців.

На електронно-мікроскопічних фотографіях залежно від умов виділення та ступеня розтягування хроматин виглядає або як довге волокно діаметром 10 нм, або частіше як витягнуте волокно з потовщеннями - «намистинками» діаметром 10 нм, нанизаними по всій довжині волокна з певними інтервалами:

Електронні мікрофотографії хроматину.
А. Волокно хроматину діаметром 10 нм із ниркових клітин CV1 мавпи.
Б. Хроматин з еритроцитів курчати, що має вигляд нитки з нанизаними на неї намистинками.

Кожна з цих бусинок є нуклеосомним кором, на який намотаний сегмент хромосомної ДНК довжиною 145 пар основ. Кор - це гістоновий октамер, що складається з гістонів Н2А, Н2В, Н3 і Н4 по дві молекули кожного виду:

Модель нуклеосомного кора, побудована за даними кристалографічного аналізу низького та високого дозволу.
Сегмент ДНК (145 пар основ), зображений у вигляді трубки, обвиває гістоновий октамер, роблячи навколо нього 1 3/4 обороту

Молекула ДНК, обвиваючись 13/4 рази навколо нуклеосомного кора, утворює надспіраль.

П'ятий гістон, H1, не входить до складу нуклеосомного кору і не бере участі в процесі намотування ДНК на гістоновий октамер. Він контактує з ДНК у тих місцях, де подвійна спіраль входить і виходить із нуклеосомного кора:

Гістон Н1 «зшиває» ДНК у місцях, де вона починає і припиняє намотуватися на нуклеосомний кор.

У такій структурі з одним гістоновим октамером та молекулою гістону H1 асоційовано 168 пар основ спіральної ДНК. Як ми вже зазначали, на електронно-мікроскопічних фотографіях хроматин часто виявляється у двох альтернативних формах: у формі волокна з чітко розділеними нуклеосомами (нуклеосоми мають вигляд намистин, нанизаних на нитку) або у формі волокна діаметром 10 нм, в якому нуклеосоми упаковані бік по всій його довжині. Волокно діаметром 10 нм може зазнавати подальшої конденсації з утворенням структур вищого порядку. При цьому нуклеосоми, очевидно, утворюють соленоїд - структуру діаметром 30 нм:

Структура хроматину з різним ступенем конденсації.
У нижній частині малюнка представлений хроматин, що знаходиться у розтягнутій формі; він має вигляд нитки з нанизаними на неї намистинками.
Далі зображено хроматин у частково конденсованій формі, що являє собою волокно діаметром 10 нм.
У верхній частині малюнка представлений хроматин у найбільш конденсованому стані, коли волокно діаметром 10 нм утворює соленоїд діаметром 30 нм.
Зверніть увагу на взаємодію молекул гістону Н1, пов'язаних з кожною нуклеосомою, що сприяє конденсації волокна діаметром 10 нм у більш щільну структуру

В результаті взаємодії ДНК з гістонами сегмент подвійної спіралі ДНК із 168 пар основ із середнім діаметром 2 нм і довжиною 57 нм перетворюється на спіраль діаметром 10 нм та довжиною 5 нм. При подальшому стиску цієї спіралі до волокна діаметром 30 нм ступінь конденсації збільшується ще в шість разів. Таким чином, упаковка дуплексу ДНК із п'ятьма гістонами призводить до 50-кратної конденсації ДНК. Однак навіть такий високий ступінь конденсації не може пояснити майже 5000-кратне ущільнення ДНК метафазної хромосомі.

Еукаріотичний хроматин містить інші білки, які зазвичай називають негістоновими. Деякі з них, наприклад, ферменти, необхідні для реплікації та експресії ДНК, можуть зв'язуватися з хроматином тимчасово. Білки, що беруть участь у різних процесах регуляції, зв'язуються з ДНК лише у специфічних тканинах або на певних стадіях диференціації.

Сьогодні прийшли нові технології та методи, завдяки чому мікроскопія в біології стала тривимірною. З'явилася можливість розглянути хромосому в інтерфазному ядрі та отримати інформацію про локалізацію у ньому відразу всіх хромосом людини. Для цього широко застосовують гібридизацію in situ(FISH) ДНК індивідуальних хромосом, міченої флуоресцентними барвниками, з ДНК інтерфазного ядра. Потім за допомогою лазерного скануючого мікроскопа отримують серію оптичних зрізів ядра, на яких зареєстровані сигнали, що цікавлять дослідника. Такі оптичні зрізи можна розглядати окремо, використовуватиме створення ортогональних проекцій чи реконструкції тривимірної організації клітинного ядра.

Хромосоми прокаріотів

Наскільки відомо, в упаковці прокаріотичної геномної ДНК беруть участь лише два або три білки. Про природу взаємодії цих білків з ДНК та про структуру конденсованого комплексу білокнуклеїнова кислота відомо небагато. У Е. coli, мабуть, існує лише один білок або один клас ДНК-зв'язуючих білків, званих HU-білками; за своїм розміром, вмістом лізину та аргініну, антигенним властивостям вони подібні до еукаріотичним гістоном Н2А. Інший білок, білок II, виявлений у Е. coli та ціанобактерій, за підвищеним вмістом лізину та ДНК-зв'язуючих властивостей також нагадує еукаріотичний гістон. Білки HU та II виявлені в кількостях, достатніх для утворення комплексу принаймні з половиною ДНК Е. coli і, мабуть, спільно з поліамінами та ще невідомими нам білками можуть здійснювати ті ж самі функції при конденсації та упаковці ДНК, що й п'ять еукаріотичних гістонів.

Мітоз

Мітоз, або непрямий поділ, - основний спосіб розмноження еукаріотів, що зумовлює, зокрема, можливість збільшення їх біомаси, зростання і регенерацію. Мітоз складається із чотирьох фаз.

Перша – профаза – характеризується початком циклу компактизації хромосом, який продовжується протягом усієї цієї фази. Внаслідок цього хромосоми стають видимими під мікроскопом, причому вже в середній профазі мітозу вони видаються подвійними структурами - сестринськими хроматидами, які є такими, поки утримуються центромір разом. До кінця профази зникають ядерце і ядерна мембрана.

Друга – метафаза . Процес компактизації хромосом продовжується і веде до ще більшого вкорочення їхньої довжини. Хромосоми вишиковуються за екватором клітини. Хроматиди з'єднані між собою між собою в центромірі, що називається також первинною перетяжкою. З'являються нитки мітотичного веретена, які приєднуються до ценромірів. Кожна ценромера зазнає напруги, оскільки нитки веретена тягнуть її до протилежних полюсів.

Полюси клітини формуються спеціальними органелами – центросомами.

Третя – анафаза – починається з розриву ценромери, у результаті сестринські хроматиди розходяться до різних полюсів клітини. З цього моменту кожна пара сестринських хроматид отримує назву дочірніх хромосом. .

Четверта – телофаза . Хромосоми досягають полюсів клітини, з'являються ядерна мембрана, ядерце. Відбуваються декомпактизація хромосом та відновлення структури інтерфазного ядра. Закінчується мітоз розподілом цитоплазми і в типових випадках - відновленням вихідної біомаси дочірніх клітин.

Біологічна роль мітозу полягає у забезпеченні ідентичною генетичною інформацією двох дочірніх клітин. Це можна досягти тільки завдяки циклу компактизації – декомпактизації, який дозволяє розподілити спадкові молекули в мінімальному обсязі мітотичних хромосом. В іншому випадку, враховуючи розміри клітини (десятки або сотні кубічних мікрометрів) та довжину декомпактизованої хромосоми (сантиметри), кожен клітинний поділ супроводжувався б хаотичним переплетенням хромосомного матеріалу.

В еволюції еукаріотичних клітин, мабуть, ця обставина і спричинила становлення такого складного генетичного процесу, як мітоз.

Кожна хромосома індивідуальна, тобто. характеризується властивими тільки їй розмірами, формою та положенням центроміру. У клітинах тіла організмів, що розмножуються статевим шляхом, будь-яка хромосома представлена ​​двома копіями або гомологами. При утворенні статевих клітин у мейозіу кожну з них потрапляє одна з двох гомологічних хромосом. При заплідненні парність гомологічних хромосом відновлюється: одна хромосома кожної батьківської пари, інша - материнська.
Сукупність ознак хромосомного набору (число хромосом, їх розмір і форма) стала для клітин кожного виду і називається його каріотипом. У каріотипі розрізняють пару визначальних статей організму статевих хромосомі решта хромосом – аутосоми. Вивченням поведінки хромосом у мітозі та мейозі, а також ролі хромосом, особливо статевих, при передачі ознак від одного покоління до іншого призвело до створення на поч. 20 ст. хромосомна теорія спадковості і до теперішнього часу досліджується величезною кількістю як цитогенетиків, так і інших вчених, включаючи і фізиків. Як було зазначено, хромосомою часто називають генетичний матеріал бактерій і вірусів, хоча його будова відрізняється від хромосом еукаріотичних організмів.

Довжина ДНК диплоїдного набору хромосом людини становить приблизно 174 см, середня довжина ДНК однієї хромосоми – 5 см. У ядрі довжина однієї хромосоми становить 0,5 – 1 мікрон. Таке пакування подвійної спіралі ДНК пояснюється її подальшою послідовною компактизацією.

Рис. 12. A-, B-, C- та D-форми ДНК

(А. С. Конічев, Г. А. Севастьянова, 2005, с. 90)

1. Нуклеосомнийрівень. Нуклеосома – це ДНК – гістоновий комплекс, який виглядає як частка дископодібної форми діаметром 11 нм. Вперше нуклеосоми були описані у 1974р. А. Олінсі Д. Олінс. Кожна нуклеосома складається з білкового кора або октамера і 2 оборотів фрагмента дволанцюжкової ДНК (рис.13).

Рис. 13. Модель нуклеосомної кори. Сегмент ДНК (146 пар основ), обвиває білковий кор, роблячи навколо нього приблизно 2 обороти (1?). (С. Б. Бокуть та ін., 2005, с. 52)

Білковий кор (серцевина) містить набір із 4 пар гістонових білків Н2А, Н2В, Н3, Н4. Це найконсервативніші білки в будь-якому геномі. Вони практично однакові у гороху та в людини.

Нуклеосоми зв'язуються ділянками ДНК (лінкерна ДНК), вільними від контакту з білковим кором.

Укладання лінкерної ділянки ДНК (60-80 п.н.) та з'єднання нуклеосом один з одним йдуть за допомогою гістону Н1. Молекула цього білка має центральну (глобулярну) частину та витягнуті «плечі». Центральна частина прикріплюється до специфічної ділянки поверхні кора, витягнуті «плечі» з'єднують сусідні нуклеосоми. При цьому ДНК намотується на сусідні кори щоразу в протилежному напрямку (рис. 14).

Виділити нуклеосоми можна нетривалою обробкою хромосом ферментами дезоксирибонуклеазами. При цьому розщеплюються ділянки стикування нуклеосом. У геномі людини містяться 1,5 х 107 нуклеосом.

Нуклеосомний рівень підвищує щільність упаковки ДНК у 7-10 разів. (Рис. 14, 20)

Рис.14. Модель нуклеосомної фібрили.

2. Нуклеомірний рівень. Подальша компактизація ДНК у складі хроматину пов'язана з утворенням нуклеосомних комплексів (рис. 15, 20).

Нуклеомірне укладання хроматину сприяє укороченню нитки ДНК приблизно в 6 разів, а обидва рівні призводять до компактизації ДНК в середньому в 50 разів (42-60).

3. Хромомірний рівень.

Наступний етап компактизації ДНК пов'язані з утворенням петлеподібних структур, які називаються хромомерами (рис.16). При цьому можливі два шляхи пакування ДНК за допомогою негістонових білків:

Рис. 16. Хромомірний тип укладання хромосом.

Нитка нуклеосом розбита на ділянки по 20 – 80 тисяч пар азотистих основ (у середньому – 50 тисяч). У місцях розбивки знаходяться молекули – глобули – негістонових хромосомних білків. ДНК - білки, що зв'язують, пізнають глобули негістонових білків і зближують їх. Утворюється гирло петлі. Середня довжина петлі (300-400 нм) подібна у різних організмів (дрозофіла та людина) і включає приблизно 50 тисяч основ. Таку петельну структуру називають інтерфазною хромонімою.

Хроматин типу «лампових щіток» – це інтерфазний еухроматин (рис.17). Вважають, що петлі мають зв'язки з білками хромосомного каркасу, ядерного матриксу та білками ламіни.

Рис. 17. Фрагменти хромосом типу «лампових щіток» із ядра ооциту тритону.

Можна бачити ділянки ДНК, що утворюють петлі центральної осі. (С. Гільберт, 1993, т. 2, с. 186)

Укорочення фібрили цьому рівні відбувається у середньому 25 разів, але в усіх 3 рівнях в 1000-1500 раз.

4. Хромонімний рівень. При розподілі клітин йде подальша компактизація хромосом - утворення більших петель із хромомірної фібрили. На поверхні упаковані молекули ДНК несуть багато білків, які утворюють подобу чохла. Якщо видалити цей чохол, то під електронним мікроскопом можна чітко побачити, що кожна хроматида побудована з хроматинових петель, що відходять від центральної осі. Діаметр такого пакування 700 нм (рис. 18).

Рис.18. Хромонімний тип укладання хромосом.

5. Хромосомний рівень. Подальша компактизація хромосом забезпечується петельним укладанням хромонемної нитки (мал.19), що скорочує їх довжину приблизно в 10 разів.

Рис.19. Хромосомний тип укладання.

На цьому етапі відбувається об'єднання петель, які мають однакову організацію, утворюються блоки або мінідиски. У освіті одного мінідиску беруть участь приблизно 20 петель. Таким чином, за рахунок кількох рівнів компактизації довжина ДНК скорочується приблизно 10000 разів. До конденсація хромосомз деконденсованого стану - це не спіралізація, а дуже складний комплекс компактизації, пов'язаний не тільки зі зміною їх лінійних розмірів, але і з регуляцієюїх роботи у процесі життєдіяльності клітини. (Мал. 20)

Крім того, компактизація хромосоми – найважливіший процес, пов'язаний із точною передачею спадкової інформації черговому поколінню.

Після відкриття структури ДНК довгий час вважали, що бактеріальна хромосома є чистою ДНК у вигляді подвійної спіралі. Однак пізніше з'ясувалося, що хромосома прокаріотів містить у своїй структурі приблизно 20% білків. Їх роль – забезпечити певну компактизацію та прикріплення ДНК до оболонки бактерії. Нині білки прокаріотичної хромосоми відомі. Показано, що мутації у відповідних генах не призводять до помітних проявів фенотипу. Очевидно, роль цих білків допоміжна, і можуть заміняти одне одного у створенні певної структури. Таким чином, прокаріоти, на відміну від еукаріотів, не мають високоспеціалізованої системи організації хромосоми.

Хромосома еукаріотів складається в основному з білків (50-60%) і ДНК, з незначною кількістю молекул РНК (до 10% від кількості ДНК). Білки можна поділити на гістонові (половина або велика частка білків хромосоми) та негістонові. У свою чергу гістонові білки, частка яких у структурі хромосоми становить до 80%, поділяються на 5 основних класів: НЗ, Н4, Н2А та Н2В та Н1. Негістонові білки (переважно кислі, на відміну від гістонів) представлені великою кількістю різних видів. Показано, що вони беруть участь у освіті структур надмолекулярного рівня.

Хромосомна ДНК еукаріотичної клітини упакована винятково компактно. Наприклад, найменша хромосома людини - 22 містить приблизно 4.6 * 107 п.н., що відповідає довжині 1,4 см. Під час мітозу ця хромосома коротшає до 2 мкм, тобто. стає в 7000 разів компактнішим. Очевидно, щоб досягти такої щільності упаковки та зберегти ефективність основних генетичних процесів (як правило, пов'язаних з локальним розпакуванням), структура хромосоми повинна мати кілька рівнів організації. Речовина хромосоми – хроматин. У цьому терміні підкреслюється здатність речовини хромосоми до фарбування, видиме на стадії інтерфази. Хімічна структура хроматину відрізняється на самому рівні хромосоми, а сам хроматин зазнає різних рівнів своєї упаковки від інтерфази до метафази клітинних поділів.

Існують дві найбільш відомі моделі, що пояснюють механізм упакування хроматину. Згідно з однією з них, найбільш відомою в зарубіжній літературі, нитка ДНК зазнає п'яти рівнів компактизації від 2 нм (її власний діаметр) до 1400 нм (висококонденсована метафазна хромосома). Нижчим рівнем ієрархічної організації хромосом вважається нуклеосомний. Нуклеосома складається з кора (серцевини, стрижня) і намотаної на ньогоДНК(146 п.н„ 1,8 витка). Кор є гістоновим октамером Н2А, Н2В, НЗ, Н4 (по дві молекули кожного). Хроматин на цій стадії має вигляд «намистин» (глобул діаметром 11 нм), нанизаних на «нитку» (молекулярну ДНК). Така структура забезпечує компактизацію приблизно в 6-7 разів. Другий ступінь компактизації – формування хроматинової фібрили діаметром 30 нм. У цьому процесі бере участь гістон HI, який зв'язується з ДНК між нуклеосомними корами і згортає нуклеосомну фібрилу в спіраль, наполобіє соленоїда, з кроком 6-8 нуклеосом. Рівень компактизації цьому етапі досягає приблизно 40.

Третій етап - петельно-доменний - найскладніший. Соленоїдна фібрила складається, утворюючи петлі різної довжини. Загальний рівень компактизации збільшується до 1000, але, очевидно, може відрізнятися в різних районах хромосоми. Діаметр такої структури в середньому становить 300 нм, мабуть, вона найбільш типова для інтерфазної хромосоми.

На четвертому етапі компактизації 300 нм-фібрили додатково згортаються, утворюючи хроматиди діаметром приблизно 600-700 нм.

Остання, п'ята, ступінь компактизації (7000 разів) характерна для метафазної хромосоми; її діаметр дорівнює 1400 нм. Відома та інша схема компактизації хроматину, запропонована Ю.С. Ченцовим. Вона заснована на даних світлової та електронної мікроскопії. Відповідно до цієї моделі першим рівнем також є нуклеосомний. З другого краю етапі 8-Ю нуклеосом утворюють глобулу, звану нуклеомером. Ряд зближених нуклсомірів формують 20-30-нанометрову фібрилу. Третій рівень – хромомірний. Петлі фібрил ДНП, скріплені негістоновими білками, утворюють розеткоподібні структури. На четвертому - хромонемному рівні відбувається їх зближення із заснуванням структур, які з петлевих доменів. Передбачається, що на наступному, п'ятому рівні компактизації, характерному для хроматид, відбувається спіральне укладання хромонемних ниток.