Ченцов Ю.С. Введение в клеточную биологию. Общая цитология

Подождите немного. Документ загружается.

число плечей митотических хромосом, вероятно, за счет того, что в интерфазе

эти теломерные участки соседних хромосом могут ассоциировать друг с другом.

Интересно, что в интерфазном ядре эти участки располагаются на одном из

полюсов, как бы повторяя теломерную ориентацию хромосом в митозе.

Подобным же образом можно наблюдать в интерфазных ядрах центромерные

участки хромосом. Так у мыши центромеры всех акроцентрических хромосом

интенсивно окрашиваются по методике выявления C-сегментов (рис. 50). Таким

же свойством обладают связанные с периферией ядра плотные участки

интерфазного хроматина - хромоцентры. Показано, что эти участки по своей

молекулярной композиции аналогичны центромерным участкам митотических

хромосом.

Наконец, в интерфазных клетках можно наблюдать целые отдельные

хромосомы; например, одну из X-хромосом самок млекопитающих. Правда,

такие целиком конденсированные хромосомы (тельца Барра) не обладают общей

морфологией митотических хромосом, но по объему и количеству ДНК

полностью соответствуют X-хромосоме в митозе. У пашенной полевки

(Microtus agrestis) Х половые хромосомы обладают способностью целиком

интенсивно окрашиваться по C-методике. В интерфазных ядрах различных

клеток этого животного можно с помощью этой же окраски видеть два больших

блока интенсивно окрашенного хроматина в клетках самок.

Каково же пространственное расположение отдельных деконденсированных

интерфазных хромосом в трехмерном объеме клеточного ядра? Существует ли

какой-либо порядок в размещении хромосом в интерфазном ядре или же они

хаотически разбросаны внутри ядра? Первые исследования о порядке

расположения хромосом внутри ядра принадлежат К. Раблю (1885), который

изучая профазные ядра растений, предположил, что внутри ядра хромосомы

повторяют свою анафазную ориентацию (центромеры - на одном полюсе,

теломеры на другом) в течение всего клеточного цикла.

101

В пользу этого говорит расположение в интерфазном ядре центромерных и

теломерных участков деконденсированных хромосом. Но особенно

демонстративно это положение было показано при изучении пространственной

локализации политенных хромосом. С помощью послойных оптических

разрезов, используя компьютерную технику воспроизведения изображения,

удалось создать объемную стереоскопическую реконструкцию интерфазного

ядра и проследить в его трехмерном пространстве каждую из четырех

гигантских политенных хромосом (рис. 51). Было обнаружено, что

действительно в объеме ядер хромосомы располагаются повторяя ана-

телофазную ориентацию (т.н. ориентацию по Раблю). При этом каждое плечо

хромосомы занимает определенную зону, объем которой не заходит в объем

соседних хромосом, хотя они расположены тесно друг с другом. Каждая из

хромосом образует пологую правую спираль (5-7 витков), которая в нескольких

местах связана с ядерной оболочкой, как бы фиксируясь на ней. Фиксированы

на ядерной оболочке и теломерные участки всех хромосом, которые

располагаются на одном из полюсов интерфазного ядра. На противоположном

полюсе ядра также в связи с ядерной оболочкой располагаются центромерные

районы хромосом, часто объединенные в один хромоцентр - крупный блок

интерфазного хроматина.

Прямые наблюдения за локализацией в ядре интерфазных хромосом были

сделаны используя метод FISH (флуоресцентная in situ гибридизация

нуклеиновых кислот) в сочетании с конфокальной микроскопией. Вначале были

выделены индивидуальные митотические хромосомы, из них были получены

ДНК, которые метились разными флуорохромами. Такие меченые хромосомные

ДНК наносились на препараты интерфазных ядер, ДНК которых была

предварительно денатурирована. В результате молекулярной гибридизации

флуоресцирующая ДНК ренатурировала только со сходной хромосомой. С

помощью конфокального микроскопа просматривалась флуоресцентная метка в

трехмерном пространстве интерфазного ядра. Было обнаружено, что

102

интерфазное ядро состоит из тесно расположенных хромосомных территорий,

объем которых значительно превосходил объем митотических хромосом.

Некоторые особенно крупные хромосомы действительно проявляли ана-

телофазную ориентацию.

Суммируя общие представления о формах организации хромосом можно

прийти к заключению, что они могут находиться в двух альтернативных

состояниях, в двух морфологических выражениях: 1 - максимально

конденсированное, компактное, метаболически неактивное, транспортное

состояние, предназначенное для того, чтобы в минимальном объеме без

структурных нарушений перенести во время клеточного деления огромные по

длине молекулы ДНК; 2 - деконденсированное, при котором линейная длина

развернутых хромосом увеличивается в десятки, а иногда и в сотни раз,

метаболически активное состояние, связанное с синтезом ДНК и РНК

(интерфаза).

Отличительной особенностью интерфазной хромосомы от митотической,

кроме всего, является то, что по своей длине она может быть деконденсирована,

развернута неравномерно - есть участки полной деконденсации и есть участки,

находящиеся в плотном, деконденсированном и, соответственно, в неактивном

состоянии. Это и придает интерфазному ядру своеобразную структуру, где

хромосомы - хроматин - могут быть представлены то плотными блоками, то

участками рыхлого, деконденсированного хроматина (рис. 52).

Глава 5. Структура и химия хроматина

Хроматин – основной компонент клеточного ядра – достаточно легко

получить из выделенных интерфазных ядер и из выделенных митотических

хромосом. Для этого используют его свойство переходить в растворенное

состояние при экстракции водными растворами с низкой ионной силой или

просто деионизованной водой. При этом участки хроматина набухают и

переходят в гель. Чтобы такие препараты перевести в настоящие растворы,

необходимы сильные механические воздействия: встряхивание, перемешивание,

103

дополнительная гомогенизация. Это, конечно, приводит к частичному

разрушению исходной структуры хроматина, дробит его на мелкие фрагменты,

но практически не меняет его химического состава.

Фракции хроматина, полученные из разных объектов, обладают довольно

однообразным набором компонентов. Было найдено, что суммарный

химический состав хроматина из интерфазных ядер и митотических хромосом

мало отличаются друг от друга. Главными компонентами хроматина являются

ДНК и белки, среди которых основную массу составляют гистоны и

негистоновые белки (см табл. 3).

Таблица 3. Химический состав хроматина. Содержание белков и РНК дано по

отношению к ДНК

Источник

хроматина

ДНК Гистоны Негистонов

ые белки

РНК

Стебель

зародыша гороха

1,0 1,03 0,29 0,26

Печень крысы 1,0 1,16 0,67 0,043

Клетки Hela

(опухоль

человека)

1,0 1,02 0,71 0,09

Тимус теленка 1,0 1,14 0,33 0,007

Эритроциты

курицы

1,0 1,08 0,54 0,02

В среднем в хроматине около 40% приходится на ДНК и около 60 % на белки,

среди которых специфические ядерные белки-гистоны, составляют от 40 до

80% от всех белков, входящих в состав выделенного хроматина. Кроме того в

состав хроматиновой фракциии входят мембранные компоненты, РНК,

углеводы, липиды, гликопротеиды. Вопрос о том, насколько эти минорные

компоненты входят в структуру хроматина еще не решен. Так, например, РНК

может представлять собой транскрибируемую РНК, которая еще не потеряла

связь с матрицей ДНК. Другие же минорные компоненты могут представлять

собой вещества соосажденных фрагментов ядерной оболочки.

104

В структурном отношении хроматин представляет собой нитчатые

комплексные молекулы дезоксирибонуклеопротеида (ДНП), которые состоят из

ДНК, ассоциированной с гистонами (см. рис. 57). Поэтому укоренилось другое

название хроматина – нуклеогистон. Именно за счет ассоциации гистонов с

ДНК образуются очень лабильные, изменчивые нуклеиново-гистоновые

комплексы, где отношения ДНК : гистон равно примерно единице, т.е. они

присутствуют в равных весовых количествах. Эти нитчатые фибриллы ДНП и

есть элементарные хромосомные или хроматиновые нити, толщина которых в

зависимости от степени упаковки ДНК может колебаться от 10 до 30 нм. Эти

фибриллы ДНП могут в свою очередь дополнительно компактизоваться с

образованием более высоких уровней структуризации ДНП, вплоть до

митотической хромосомы. Роль некоторых негистоновых белков заключается

именно в образовании высоких уровней компактизации хроматина.

ДНК хроматина

В препарате хроматина на долю ДНК приходится обычно 30-40%. Эта ДНК

представляет собой двухцепочечную спиральную молекулу подобно чистой

выделенной ДНК в водных растворах. Об этом говорят многие

экспериментальные данные. Так, при нагревании растворов хроматина

наблюдается повышение оптической плотности раствора, так называемый

гиперхромный эффект, связанный с разрывом межнуклеотидных водородных

связей между цепями ДНК, подобно тому, что происходит при нагревании

(плавлении) чистой ДНК.

Вопрос о размере, длине молекул ДНК в составе хроматина имеет важное

значение для понимания структуры хромосомы в целом. При стандартных

методах выделения ДНК хроматина обладает молекулярной массой 7-9 х 10

что значительно меньше молекулярной массы ДНК из кишечной палочки (2,8 х

). Такую сравнительно малую молекулярную массу ДНК из препаратов

хроматина можно объяснить механическими повреждениями ДНК в процессе

выделения хроматина. Если же выделять ДНК в условиях, исключающих

105

встряхивание, гомогенизацию и другие воздействия, то удается из клеток

получить молекулы ДНК очень большой длины. Длина молекул ДНК из ядер и

хромосом эукариотических клеток может быть изучена с помощью метода

светооптической радиоавтографии, подобно тому как это изучалось на

прокариотических клетках.

Было обнаружено, что в составе хромосом длина индивидуальных линейных (

в отличие от прокариотических хромосом) молекул ДНК может достигать сотен

микрометров и даже нескольких сантиметров. Так, у разных объектов были

получены молекулы ДНК от 0,5 мм до 2 см. Эти результаты показали, что есть

близкое совпадение между расчетной длиной ДНК на хромосому и

радиоавтографическим наблюдением.

После мягкого лизиса клеток эукариот можно прямо определять

молекулярные массы ДНК физико-химическими методами. Было показано, что

максимальная молекулярная масса молекулы ДНК дрозофилы равна 41 х 10

что соответствует длине около 2 см. У некоторых дрожжей на хромосому

приходится молекула ДНК с молекулярной массой 1 х 10

-10

, которая имеет

размеры около 0,5 мм.

Такие длинные ДНК представляют собой одну молекулу, а не несколько более

коротких, сшитых гуськом с помощью белковых связок, как считали некоторые

исследователи. К этому заключению пришли после того, как оказалось, что

длина молекул ДНК не изменяется после обработки препаратов

протеолитическими ферментами.

Общее количество ДНК, входящее в ядерные структуры клеток, в геном

организмов, колеблется от вида к виду, хотя у микроорганизмов количество ДНК

на клетку значительно ниже, чем у беспозвоночных, высших растений и

животных. Так, у мыши на ядро приходится почти в 600 раз больше ДНК, чем у

кишечной палочки. Сравнивая количество ДНК на клетку у эукариотических

организмов, трудно уловить какие-либо корреляции между степенью сложности

организма и количеством ДНК на ядро. Примерно одинаковое количество ДНК

106

имеют такие различные организмы как лен, морской еж, окунь (1,4-1,9 пг) или

рыба голец и бык (6,4 и 7 пг).

Значительны колебания количества ДНК в больших таксономических

группах. Среди высших растений количество ДНК у разных видов может

отличаться в сотни раз, так же, как и среди рыб, в десятки раз отличается

количество ДНК у амфибий.

У некоторых амфибий в ядрах количество ДНК больше, чем в ядрах человека

в 10-30 раз, хотя генетическая конституция человека несравненно сложнее, чем

у лягушек. Следовательно, можно предполагать, что «избыточное» количество

ДНК у более низко организованных организмов либо не связано с выполнением

генетической роли, либо число генов повторяется то или иное число раз.

107

Таблица 4. Содержание ДНК в клетках некоторых объектов (пг, 10

-12

г)

Объект Количество ДНК в пг

Бактериофаги

Т1

Т4

Бактерии

кишечная палочка

Грибы

дрожжи

нейроспора

Высшие растения

лен

кукуруза

лилия

Беспозвоночные

животные

дрозофила

сверчок домашний

Рыбы

осетр

протоптерус

Амфибии

тритон

обыкновенный

амфиума

Пресмыкающиеся

черепаха зеленая

Птицы

курица

Количество ДНК на частицу

0,000007

0,000027

количество ДНК на клетку

0,009

количество ДНК на гаплоидную

клетку

0,027

0,017

количество ДНК на диплоидную

клетку

1,4

15,4

134,2

0,2

12,0

3,2

100,0

73,0

108,0

5,0

2,3

108

Млекопитающие

мышь

человек

5,0

6,0

Разрешить эти вопросы оказалось возможным на основании изучения

кинетики реакции ренатурации или гибридизации ДНК. Если

фрагментированные молекулы ДНК в растворах подвергнуть тепловой

денатурации, а затем инкубировать их при температуре несколько более низкой,

чем та, при которой происходит денатурация, то идет восстановление исходной

двуспиральной структуры фрагментов ДНК за счет воссоединения

комплементарных цепей – ренатурация. Для ДНК вирусов и прокариотических

клеток было показано, что скорость такой ренатурации прямо зависит от

величины генома; чем больше геном, чем больше количество ДНК на частицу

или клетку, тем больше нужно времени для случайного сближения

комплементарных цепей и специфической реассоциации большего числа разных

по нуклеотидной последовательности фрагментов ДНК (рис. 53). Характер

кривой реассоциации ДНК прокариотических клеток указывает на отсутствие

повторяющихся последовательностей оснований в геноме прокариот; все

участки их ДНК несут уникальные последовательности, число и разнообразие

которых отражает степень сложности генетической композиции объектов и,

следовательно, их общей биологической организации.

Совсем другая картина реассоциации ДНК наблюдается у эукариотических

организмов. Оказалось, что в состав их ДНК входят фракции, которые

ренатурируют с гораздо более высокой скоростью, чем можно было бы

предполагать на основании размера их генома, а также фракция ДНК,

ренатурирующая медленно, подобно уникальным последовательностям ДНК

прокариот. Однако для эукариот требуется значительно большее время для

ренатурации этой фракции, что связано с общим большим размером их генома и

с большим числом различных уникальных генов.

109

В той части ДНК эукариотов, которая отличается высокой скоростью

ренатурации, различают две подфракции: 1) фракцию с высоко или часто

повторяющимися последовательностями, где сходные участки ДНК могут быть

повторены 10

раз; 2) фракцию умеренно повторяющихся последовательностей,

встречающихся в геноме 10

-10

раз. Так, у мыши во фракцию ДНК с часто

повторяющимися последовательностями входит 10% от общего количества ДНК

на геном и 15% приходится на фракцию с умеренно повторяющимися

последовательностями. Остальные 75% от всей ДНК мыши представлены

уникальными участками, соответствующими большому числу различных

неповторяющихся генов.

Фракции с часто повторяющимися последовательностями могут обладать

иной плавучей плотностью, чем основная масса ДНК, и поэтому могут быть

выделены в чистом виде, как так называемые фракции сателлитной ДНК. У

мыши эта фракция имеет плотность, равную 1,691 г/мл, а основная часть ДНК -

1,700 г/мл. Эти различия плотности определяются различиями в нуклеотидном

составе. Например, у мыши в этой фракции имеется 35% Г и Ц пар, а в

основном пике ДНК - 42%.

Как оказалось, сателлитная ДНК, или фракция ДНК с часто повторяющимися

последовательностями, не участвует в синтезе основных типов РНК в клетке, не

связана с процессом синтеза белка. Этот вывод сделан был на основании того,

что ни один из типов РНК клетки (тРНК, иРНК, рРНК) не гибридизируется с

сателлитными ДНК. Следовательно, на этих ДНК нет последовательностей,

отвечающих за синтез клеточных РНК, т.е. сателлитные ДНК не являются

матрицами для синтеза РНК, не участвуют в транскрипции.

Существует гипотеза о том, что высокоповторяющиеся последовательности,

не участвующие непосредственно в синтезе белков, могут нести информацию,

играющую важную структурную роль в сохранении и функционировании

хромосом. К ним могут быть отнесены многочисленные участки ДНК,

связанные с белками остова интерфазного ядра (см. ниже), участки начала

110