Tsitologia_11x

Спирализация молекулы ДНК.
Первый уровень упаковки носит название нуклеосомный. Структурные единицы этого уровня –
нуклеосомы. Они представляют из себя октамер гистонов, которые представлены двумя копиями
гистонов Н2а, Н2b, Н3 и Н4. Гистоны образуют белковую основу нуклеосомы, сердцевину, на
поверхности которой располагается молекула ДНК. Нуклеосома – участок ДНК в комплексе с
гистоном, а свободный – линкер.
Тот линейный участок молекулы ДНК, который располагается на гистонах, имеет как
правило величину, равную 146 последовательностей нуклеотидов. Количество оборотов
составляет 1,75 оборота, а в линкерный участок входит 54 пары нуклеотидов. Линкерный участок
более вариабелен. Гистоны формируют между собой электростатические взаимодействия и с
помощью электро-статических взаимодействий осуществляется связь молекулы ДНК с гистоном.
В фибриллах хроматина линкерный участок не является линейным. Продолжается
спирализованная структура, которая как бы связывает рядом расположенные нуклеосомы,
формируя нить толщиной примерно 30 нм. Укладка этих спиралей происходит за счет
положительно заряженных аминокислотных остатков на поверхности гистона с отрицательно
заряженными фосфатными группами молекулы ДНК. Новые нуклеосомы возникают со скоростью
примерно 3-4 с. и такая высокая скорость образования нуклеосом связана с тем, что в момент
синтеза ДНК уже имеется готовый пункт гистонов всех классов.
Гистоновые гены, относящиеся к фракции умеренно повторяющихся последовательностей
ДНК представлены в виде множественных копий для каждого гистона. Во время транскрипции
часть нуклеосомных белков остается связанной с ДНК и при прохождении фермента РНКполимеразы связь с молекулой ДНК не теряется. Такой способ упаковки позволяет сократить
общую длину молекулы приблизительно в 6-7 раз.
Второй уровень упаковки – тридцати нанометровое хроматиновое волокно. Способ
формирования этого волокна разнообразный. Выделяют несколько типов, например соленоидный
тип. Плотно упакованные нуклеосомы первого уровня образуют равномерную спираль с шагом
около 10 нм. На один виток такой спирали приходится примерно шесть нуклеосом и возникает
фибрилла, которая имеет центральную полость. Считается, что ведущим фактором во втором
способе укладки является тот гистон, который отсутствовал в первом уровне. Это гистон Н1
обеспечивает взаимодействие с соседними нуклеосомами, как бы сближая и притягивая рядом
расположенные нуклеосомы. Причем, своей глобулярной центральной частью гистон Н1
присоединяется к нуклеосоме. Одним концом взаимодействует с линкерным участком, а другим –
к белкам следующей нуклеосомы.
Это сокращает первоначальную длину молекулы почти в 40 раз.
Другим примером формирования хв волокна является нуклеомерный тип укладки. Здесь
тоже вещующий гистон Н1, причем компактность нуклеомеров зависит от концентрации ионов
магния и группируются нуклеомеры как бы блочно по 6-8 штук, а затем существует более
длинный линкерный участок. Эта упаковка тоже сокращает молекулу в 40 раз. Компактизация
молекулы связана с ограничением функций генетического материала.
В составе 30нм фибриллы хроматин практически недоступен. Резко падает способность
хроматина связаться с полимеразой, регуляторными белками, поэтому мы говорим, что при
втором уровне упаковки наблюдается инактивация генной активности.
Петельная укладка (петлевые домены). Ведущую роль выполняют негистоновые белки.
Они составляют 20% от всех белков хроматина. Это сборная группа белков, которая отличается
друг от друга по общим свойствам, по функциям. 80% этих белков относятся к белкам ядреного
матрикса. Онит имеют различную молекулярную массу от 5 до 200 килодальтон. Некоторые белки
водорастворимы, часть растворяется в кислотах. Выполняют они функцию регуляторных белков,
т.к. стимулируют инициацию транскрипции или ингибируют ее. Ряд белков специфически
взаимодействует с определенными последовательностями. Некоторые белки изучены подробно.
Их выделяют в группу белков с высокой подвижностью или белка Джонса. Около 5% от всех
негистонных белков приходятся на эту фракцию. Они обеспечивают изменения уровня
компактизации фибрилл ДНП (дезоксинуклеопротеины). Эти белки делают молекулы более
доступными для взаимодействия с ДНК-полимеразой. Изначальная длина молекулы сокращается в
600 раз.
Очень важно, что размеры отдельных петлевых доменов совпадают с размером средних
репликонтов и соответствуют таким образом одному или нескольким генам. В своих основаниях
петли ДНК связаны негистоновыми белками ядерного матрикса, в состав которых могут входить
как ферменты репликации ДНК, так и транскрипции. Такая петельно-доменная структура
хроматина обеспечивает не только структурную его компактизацию, но и организует
функциональные единицы хромосом, а именно репликоны и транскрибируемые гены.
Четвертый уровень – хромонемный. Собранные в петли молекулы ДНК свертываются в
еще более плотную структуру за счет суперспирализации с образованием нитчатой структуры,
которая называется Хромонема, которая имеет фиксированную толщину 0,1 – 0,2 мкм. Ведущим
фактором суперспирализации или конденсации хромосом является фосфолирирование гистона Н1,
того гистона, который связан между собой нуклеосомой при втором уровне упаковки. В
результате последнего четвертого уровня упаковки формируется типичная метафазная хромосома.
Фосфолирирование гистона Н1 происходит постепенно. Во время еще интерфазы первый
раз фосфолирируется гистон Н1 в конце S-периода, второй – в конце G2 периода, а третий раз – в
самом начале митоза. 3 остатка фосфорной кислоты.
Ядрышко.
Ядрышки, которые входят в состав ядра, были впервые описаны ученым Фонтана в 1774
году. Ядрышки обнаружены практически во всех ядрах эукариошек. Это более плотная структура
на фоне диффузной организации хроматина. Основным компонентом ядрышка является белок. На
его долю приходится до 80%. Кроме белка, в составе ядрышка находятся нукленовые кислоты.
РНК 5-14%, а ДНК 2-12%. В 30-х годах 20-го века было показано, что возникновение ядрышек
всегда привязано к определенным зонам. Эти зоны ученые Мак Клинтон, Нейтс и Навашин
назвали ядрышковыми организаторами. Другими словами, это место расположения генов
рибосом. Ядрышковые организаторы не являются каким-то точечным локусом, это множественное
по своей структуре образование, которое содержит несколько одинаковых генных участков,
каждый из которых отвечает за образование ядрышка. В составе геномов эукариот рибосомные
гены представлены тысячами единиц. Они принадлежат к умеренно повторяющимся
последовательностям ДНК. Часто ядрышковые организаторы локализованы во вторичных
перетяжках хромосом. У человека ядрышковые организаторы расположены на коротких плечах
некоторых хромосом. Но ядрышко формируется одно.
Максимальное число ядрышек определяется и числом ядрышковых организаторов.
Увеличивается согласно плоидности ядра.
Характерно, что в клетках разных тканей и таксономической принадлежности преобладает
небольшое количество ядрышек. Чаще всего количество ядрышек меньше, чем число
организаторов. Это связано с тем, что при новообразовании ядрышка ядрышковые организаторы
сливаются в одну общую структуру. Они объединяются в пространстве интерфазного ядра,
формируя одно ядрышко от разных хромосом.
В ооцитах число ядрышек достигает нескольких сот. Это явление амплификации генов
рибосомной РНК. Сверхчисленность. Обычно в соматических клетках число генов в рибосомных
РНК постоянно на геном. Оно не меняется в зависимости от уровня транскрипции этих генов. При
репликации ДНК в S периоде происходит и удвоение числа генов рибосомных РНК, а в половых
клетках эти гены подвергаются избыточной репликации с целью обеспечения большого
количества рибосом. В результате сверхсинтеза генов рибосомной РНК их копии становятся
свободными кольцевыми молекулами или внехромосомными. Они могут функционировать
независимо и в результате образуется масса свободных дополнительных ядрышек, которые уже
структурно не связаны с ядрышкообразующими хромосомами. И количество генов рибосомальной
РНК становится почти в 3000 раз больше того, которое приходится на гаплоидной количество
рибосомальной РНК.
Биологический смысл заключается в обеспечении большого количества запасных
продуктов, которые используются на ранних стадиях эмбриогенеза и которые в клетке могут быть
синтезированы только на дополнительных матриксах амплифицированных ядрышек, поскольку
собственный синтез рибосомальных генов у зародыша отсутствует.
После периода созревания ооцитов дополнительные ядрышки разрушаются. Поэтому
репликация рибосомальных генов – временное явление.
В структуре ядрышка выделяют следующие компоненты:
1) Гранулярный компонент;
2) Фибриллярный компонент (представлен центром и плотным компонентом);
3) Хроматин;
4) белковый матрикс.
Ядрышки построены из гранулярного и фибриллярного компанента и взаимное их
расположение различается. Чаще всего гранулярный компонент расположен по периферии
ядрышка, а фибриллярный образует ядрышковые нити, толщиной около 100 – 200 нм. Они иногда
называюся нуклеолонемами. Они не однородны по своему строению в них кроме гранул входит
множество новых фибрилл, которые образуют в нуклеолонемах отдельные сгущения.
Оказалось, что структура и диффузного фибриллярного компанента тоже неоднорода.
Было обнаружено, что в ядрышках встречаются фибриллярные центры. Это участки скопления
фибрилл с низкой электронной плотностью, окруженные зоной фибрилл более высокой
электронной плотности. Эта зона называется плотным компонентов.
Хроматин ядрышка – околоядрышковый хроматин, который может примыкать к ядрышку
и даже окружать его полностью. Часто традцатинанометровые фибриллы хроматина заходят
между нуклеолонемными участками.
На срезах мы не можем выделить белковый матрикс в виде отдельного компаненты.
Кроме различной степены выраженности, существуют и другие варианты структурной
организации ядрышка.
Несколько типов ядрышка: 1) ретикулярный или нуклеолонемный 2) компактный 3)
кольцевидный 4) остаточный или покоящийся 5) сегрипированный.
Ретикулярный характерен для большинства клеток. Для него типично нуклеолонемное
строение. Фибриллярные центры проявляются плохо, поскольку очень высок уровень
транскрипции. Этот тип ядрышек встречается в клетках животных и растений и типичен для
политенных хромосом двукрылых.
Компактный тип отличается меньшей выраженностью нуклеолонемы, большей частотой
встречаемости в фибриллярных центрах. Встречается в активно размножающихся клетках, в
клетках растительных меристем, в клетках культуры тканей. Предполагают, что первый тип может
переходить и наоборот.
Кольцевидные ядрышки характерны для животных. Имеют форму кольца, которое
является фибриллярным центром, окруженным фибриллами и гранами. Размер таких ядрышек
около 1 мкм. Типичные кольцевидные ядрышки характерны для эндоцитов, эндоэлеоцитов, т.е.
для клеток с низким уровнем транскрипции.
Остаточные – характерны для клеток, потерявших способность к синтезу рибосомальных.
Сегрегированные ядрышки – это клетки, которые подвержены воздействию различных
химических веществ, которые вызывают прекращение синтеза в рибосомальных РНК.
Термин используется в связи с тем, что происходит обособление разных компонентов
ядрышек, сопровождающихся прогрессивным уменьшением его объема. В неактивной форме
ядрышковый организатор хромосом представлен в виде одного крупного фибриллярного центра,
включающего в себя компактно уложенную часть хромосомной ДНК, в котором находятся друг за
другом следующие рибосомные гены. В начале активации ядрышка проихсодит деконденсация
рибосомальных генов на периферии фибриллярного центра. Эти гены начинают
транскрибироваться и на них образуются РНП-транскрипты. Эти транскрипты при созревании
дают начало предшественникам рибосом, которые скапливаются по периферии активированного
ядрышка. По мере усиления транскрипции единый фибриллярный центр распадается на ряд более
мелких структур, связанных друг с другом полностью деконденсированными участками ДНК. Чем
выше транскрипционная активность ядрышка, тем больше количество мелких связанных друг с
другом фибриллярных структур, окруженных плотным фибриллярным компонентом, который
содержат предшественники рибосомальных генов 45 S. При полной активации ядрышка все
мелкие фиблиллярные центры деконденсируются и в этом случае зоны плотного компонента
содержат всю рибосомную РНК, которая находится в активном состоянии. В случае инактивации
ядрышка происходит постепенная конденсация рибосомальных ДНК, снова образуются
фибриллярные центры. Они объединяются друг с другом и величина их растет параллельно
уменьшению долей плотного компонента.Такое инактивированное состояние ядрышка сходно по
своим структурам с ядрышковым организатором митотических хромосом.
Ядрышко является непостоянной структурой в клетке. Оно меняет свои свойства и
структуру в ходе клеточного цикла. В начале митоза структуры ядрышка слегка уплотняются, а
после разрыва ядреной оболочки напротив – теряют плотность, разрыхляются, распадаются на
свои структурные составляющие и в виде ядрышкового материала растекаются между
конденсированными хромосомами. И поэтому в метафазе и анафазе ядрышки как таковые в клетке
отсутствуют. Они находятся в виде матрикса митотических хромосом. Первые признаки новых
ядрышек появляются в средней телофазе, одновременно с практически уже деконденсированными
хромосомами и с клетками, имеющими новую ядреную оболочку в виде плотных колец, которые
называются предъядрышками. Число их обычно большое. В G1-периоде клеточного цикла
предъядрышки растут, объединяются друг с другом их общее число падает, а суммарный объем
увеличивается. В G2 и Sпериодах общий объем ядрышка удваивается.
Таким образом, в новые дочерние ядра после деления переносятся белковые компаненты,
ферменты, что создает условия, необходимые для возобновления синтеза и созревания как
рибосом, так и синтеза иРНК. Митотическая хромосома переносит в дочернее ядро не только
генетическую информацию в виде ДНК-хроматина, но и необходимое количество синтетического
аппарата, готового к активации транскрипции в новом клеточном цикле. И эти необходимые
компоненты находятся в виде матрикса на митотических хромосомах.
Функции ядрышка: синтез рибосомальных РНК; участие в созревании информационных
РНК; Участие в созревании транспортных РНК; В ядрышках образуются типы РНК, входящие в
состав srp-частицы рибосом; в ядрышке осуществляется синтез переносчика протонов накотинамид-диноклеотид