Энциклопедичный YouTube
1 / 3
Хромосомы, хроматиды, хроматин и т.п.
ЗНО Біологія Ядро Ген Хромосоми
Гены, ДНК и хромосомы
Субтитры
Перед погружением в механизм деления клеток, я думаю, будет полезно поговорить о лексике, связанной с ДНК. Есть много слов, и некоторые из них сходны по звучанию друг с другом. Они могут сбивать с толку. Для начала я бы хотел поговорить о том, как ДНК генерирует больше ДНК, создаёт свои копии, или о том, как она вообще делает белки. Мы уже говорили об этом в ролике о ДНК. Давайте я нарисую небольшой участок ДНК. У меня есть A, Г, T, пусть у меня Есть два Т и потом два Ц. Такой небольшой участок. Он продолжается вот так. Конечно, это двойная спираль. Каждой букве соответствует своя. Я нарисую их этим цветом. Итак, A соответствует T, Г соответствует Ц, (точнее Г образует водородные связи с Ц), T - с A, T - с A, Ц - с Г, Ц - с Г. Вся эта спираль тянется, допустим, в этом направлении. Итак, есть пара различных процессов, которые эта ДНК должна осуществить. Один из них связан с клетками вашего тела - необходимо произвести больше клеток вашей кожи. Ваша ДНК должна скопировать себя. Этот процесс называется репликацией. Вы реплицируете ДНК. Я покажу вам репликацию. Как эта ДНК может скопировать себя? Это одна из самых замечательных особенностей структуры ДНК. Репликация. Я делаю общее упрощение, но идея заключается в том, что две цепи ДНК разделяются, и это происходит не само по себе. Этому способствует масса белков и ферментов, но в деталях я буду рассказывать о микробиологии в другом ролике. Итак, эти цепи отделяются друг от друга. Я перенесу цепь сюда. Они отделяются друг от друга. Я возьму другую цепь. Эта слишком большая. Эта цепь будет выглядеть как-то так. Они отделяются друг от друга. Что же может произойти после этого? Я удалю лишние фрагменты здесь и здесь. Итак, вот наша двойная спираль. Они все были связаны. Это пары оснований. Теперь они отделяются друг от друга. Что может делать каждая из них после разделения? Они теперь могут стать матрицей друг для друга. Смотрите… Если эта цепь находится сама по себе, сейчас, неожиданно может прийти тиминовое основание и присоединится здесь, и эти нуклеотиды начнут выстраиваться в линию. Тимин и цитозин, и потом аденин, аденин, гуанин, гуанин. И так продолжаться. И тогда, в этой другой части, на зелёной цепи, которая была до этого прикреплена к этой голубой, будет происходить то же самое. Будет аденин, гуанин, тимин, тимин, цитозин, цитозин. Что произошло только что? Разделением и привлечением комплементарных оснований, мы создали копию этой молекулы. Мы займёмся микробиологией этого в будущем, это только для общего представления о том, как ДНК копирует себя. Особенно, когда мы рассматриваем митоз и мейоз, я могу сказать: «Это стадия, где происходит репликация». Теперь, другой процесс, о котором вы ещё много услышите. Я говорил о нём в ролике о ДНК. Это транскрипция. В ролике о ДНК я не уделял много внимания тому, как ДНК удваивает сама себя, но одна из великолепных особенностей устройства двойной цепи - это лёгкая возможность самоудвоения. Вы просто разделяете 2 полоски, 2 спирали, а потом они становятся матрицей для другой цепи, и тогда появляется копия. Теперь транскрипция. Это то, что должно произойти с ДНК для того, чтобы образовались белки, но транскрипция - это промежуточная стадия. Это стадия, когда вы переходите от ДНК к мРНК. Тогда эта мРНК покидает ядро клетки и направляется к рибосомам. Я буду говорить об этом через несколько секунд. Итак, мы можем сделать то же самое. Эти цепи опять в ходе транскрипции разделяются. Одна отделяется сюда, а другая отделяется... а другая будет отделятся вот сюда. Прекрасно. Может быть имеет смысл использовать только одну половину цепи - я удалю одну. Вот таким образом. Мы собираемся транскрибировать зелёную часть. Вот она. Всё это я удалю. Не тот цвет. Итак, я удаляю всё это. Что произойдёт, если вместо нуклеотидов дезоксирибонуклеиновой кислоты, которые образуют пары с этой цепью ДНК, у вас есть рибонуклеиновая кислота, или РНК, образующая пары. Изображу РНК пурпурным цветом. РНК будет образовывать пары с ДНК. Тимин, находящийся в ДНК, будет образовывать пару с аденином. Гуанин, теперь, когда мы говорим о РНК, вместо тимина у нас будет урацил, урацил, цитозин, цитозин. И это будет продолжаться. Это мРНК. Информационная РНК. Теперь она отделяется. Эта мРНК отделяется и покидает ядро. Она покидает ядро, и тогда происходит трансляция. Трансляция. Запишем этот термин. Трансляция. Это идёт от мРНК... В ролике о ДНК у меня была маленькая тРНК. Транспортная РНК была как бы грузовиком, перевозящим аминокислоты к мРНК. Всё это происходит в части клетки, называемой рибосомой. Трансляция происходит от мРНК к белку. Мы видели, как это происходит. Итак, от мРНК к белку. У вас есть эта цепь - я сделаю копию. Скопирую всю цепь сразу. Эта цепь отделяется, покидает ядро, и тогда у вас есть эти маленькие грузовики тРНК, которые, собственно, и, так сказать, подъезжают. Итак, допустим, у меня есть тРНК. Давайте посмотрим, аденин, аденин, гуанин и гуанин. Это РНК. Это кодон. Кодон имеет 3 пары оснований и прикреплённую к нему аминокислоту. У вас есть некоторые другие части тРНК. Скажем, урацил, цитозин, аденин. И прикреплённая к нему другая аминокислота. Тогда аминокислоты соединяются и образуют длинную цепь аминокислот, которая является белком. Белки образуют эти странные сложные формы. Чтобы убедиться, что вы поняли. Мы начнём с ДНК. Если мы производим копии ДНК - это репликация. Вы реплицируете ДНК. Итак, если мы производим копии ДНК - это репликация. Если вы начинаете с ДНК и создаёте мРНК с матрицы ДНК, то это транскрипция. Запишем. "Транскрипция" . То есть вы транскрибируете информацию с одной формы на другую - транскрипция. Теперь, когда мРНК покидает ядро клетки… Я нарисую клетку, чтобы обратить на это внимание. Мы займёмся структурой клетки в будущем. Если это целая клетка, ядро - это центр. Это место, где находятся все ДНК, все репликации и транскрипции происходят здесь. Затем мРНК покидает ядро, и тогда в рибосомах, которые мы более подробно обсудим в будущем, происходит трансляция и формируется белок. Итак, от мРНК к белку - это трансляция. Вы транслируете с генетического кода, в так называемый белковый код. Итак, это и есть трансляция. Это именно те слова, которые обычно используются для описания этих процессов. Убедитесь, что вы правильно их используете, называя различные процессы. Теперь другая часть терминологии ДНК. Когда я впервые встретился с ней, я решил, что она чрезвычайно сбивает с толку. Это слово «хромосома». Запишу слова здесь - вы сами можете оценить, как они сбивают с толку: хромосома, хроматин и хроматида. Хроматида. Итак, хромосома, мы уже говорили о ней. У вас может быть цепь ДНК. Это двойная спираль. Эта цепь, если я увеличу её, - на самом деле две разных цепи. Они имеют соединённые пары оснований. Я только что нарисовал пары оснований, соединённые вместе. Я хочу, чтобы было ясно: я нарисовал эту небольшую зелёную линию здесь. Это двойная спираль. Она оборачивается вокруг белков, которые называются гистонами. Гистоны. Пусть она оборачивается вот так и как-то так, а потом как-нибудь так. Здесь у вас есть вещества, называемые гистонами, которые являются белками. Нарисуем их вот таким образом. Вот так. Это структура, то есть ДНК в комбинации с белками, которые её структурируют, заставляя оборачиваться вокруг дальше и дальше. В конечном счёте, в зависимости от стадии жизни клетки, будут образовываться различные структуры. И когда вы говорите о нуклеиновой кислоте, которая является ДНК, и объединяете её с белками, то вы говорите о хроматине. Значит, хроматин - это ДНК плюс структурные белки, которые придают ДНК форму. Структурные белки. Идея хроматина была впервые использована из-за того, что люди видели, когда смотрели на клетку… Помните? Каждый раз я рисовал клеточное ядро определённым образом. Скажем, так. Это ядро клетки. Я рисовал очень хорошо различимые структуры. Это одна, это другая. Может быть, она короче, и у неё есть гомологичная хромосома. Я нарисовал хромосомы, так? И каждая из этих хромосом, как я уже показывал в прошлом видео, - по существу - длинные структуры ДНК, длинные цепи ДНК, плотно обёрнутые друг вокруг друга. Я рисовал это как-то так. Если мы увеличим, то увидим одну цепь, и она действительно обёрнута вокруг себя подобно этому. Это её гомологичная хромосома. Вспомните, в ролике, посвящённом изменчивости, я говорил о гомологичной хромосоме, которая кодирует те же гены, но другую их версию. Синий - от папы, а красный - от мамы, но они по существу кодируют те же гены. Итак, это одна цепь, которую я получил от папы с ДНК этой структуры, мы называем её хромосомой. Итак, хромосома. Я хочу, чтобы это было ясно, ДНК принимает эту форму только на определённых жизненных стадиях, когда она воспроизводит сама себя, т.е. реплицируется. Точнее не так… Когда клетка делится. Перед тем как клетка становится способной к делению, ДНК принимает эту хорошо определённую форму. Большую часть жизни клетки, когда ДНК делает свою работу, когда она создаёт белки, то есть белки транскрибируются и транслируются с ДНК, она не сворачивается таким образом. Если бы она была свёрнута, для репликационной и транскрипционной системы было бы затруднительно проникнуть к ДНК, произвести белки и делать что-то ещё. Обычно ДНК… Давайте я ещё раз нарисую ядро. Чаще всего вы даже не можете увидеть её в обычный световой микроскоп. Она настолько тонкая, что вся спираль ДНК полностью распределена в ядре. Я рисую это здесь, другая может быть здесь. А потом у вас есть более короткая цепь, типа этой. Вы даже не можете её увидеть. Она не находится в этой, хорошо определённой структуре. Обычно это выглядит таким образом. Пусть будет ещё такая короткая цепь. Вы можете увидеть только подобный беспорядок, состоящий из путаницы комбинаций ДНК и белков. Это то, что люди в общем-то и называют хроматином. Это нужно записать. "Хроматин" Таким образом, слова могут быть очень неоднозначны и очень запутанны, но общее использование, когда вы говорите о хорошо определённой одной цепи ДНК, вот таким образом хорошо определённой структуры, то это хромосома. Понятие "хроматин" может относиться либо к структуре типа хромосомы, комбинации ДНК и белков, структурирующих ее, либо к беспорядку множества хромосом, в которых есть ДНК. То есть из множества хромосом и белков, перемешанных вместе. Я хочу, чтобы это было понятно. Теперь следующее слово. Что такое хроматида? На всякий случай, если я ещё не сделал этого… Я не помню, помечал ли я это. Эти белки, которые обеспечивают структуру хроматина или составляют хроматин, а также обеспечивают структуру называются "гистонами". Есть различные типы, которые обеспечивают структуру на различных уровнях, мы ещё рассмотрим их детально. Итак, что такое хроматида? Когда ДНК реплицируется… Скажем, это была моя ДНК, она находится в нормальном состоянии. Одна версия - от папы, одна версия - от мамы. Теперь она реплицируется. Версия от папы сначала выглядит так. Это большая цепь ДНК. Она создаёт другую версию себя, идентичную, если система работает правильно, и эта идентичная часть выглядит так. Они изначально прикреплены друг к другу. Они прикреплены друг к другу в месте, называемом центромерой. Теперь, несмотря на то что у меня здесь 2 цепи, скрепленные вместе. Две одинаковые цепи. Одна цепь здесь, одна тут… Хотя давайте я изображу иначе. В принципе это можно изобразить множеством разных способов. Это одна цепь здесь, и вот другая цепь тут. То есть у нас имеются 2 копии. Они кодируют абсолютно одинаковую ДНК. Так вот. Они идентичны, поэтому я всё ещё называю это хромосомой. Запишем это тоже. Всё это вместе называется хромосомой, но теперь каждая отдельная копия называется хроматидой. Итак, это одна хроматида и это другая. Иногда их называют сестринскими хроматидами. Также их можно назвать хроматидами-близнецами, потому что у них одна и та же генетическая информация. Итак, эта хромосома имеет 2 хроматиды. Теперь перед репликацией или перед удвоением ДНК вы можете сказать, что эта хромосома вот здесь имеет одну хроматиду. Вы можете называть это хроматидой, но это не обязательно. Люди начинают говорить о хроматидах тогда, когда две из них присутствуют в хромосоме. Мы узнаем, что в митозе и мейозе эти 2 хроматиды разделяются. Когда они разделяются, тут же цепь ДНК, которую вы однажды называли хроматидой, теперь вы будете называть отдельной хромосомой. Итак, это одна из них, и вот другая, которая могла отделиться в этом направлении. Обведу эту зелёным. Итак, эта может отойти в эту сторону, а эта, которую я обвёл оранжевым, например, в эту … Теперь, когда они отделены и больше не связаны центромерой, то, что мы изначально называли одной хромосомой с двумя хроматидами, теперь вы называете двумя отдельными хромосомами. Или можно сказать, что теперь у вас есть две отдельные хромосомы, каждая из которых состоит из одной хроматиды. Я надеюсь, что это немного проясняет значение терминов, связанных с ДНК. Я всегда находил их довольно запутанными, но они будут полезным инструментом, когда мы начнём митоз и мейоз и я буду говорить о том, что хромосома становится хроматидой. Вы будете спрашивать, как одна хромосома стала двумя хромосомами, и как хроматида стала хромосомой. Всё это вращается вокруг лексики. Я бы выбрал другую, вместо того чтобы называть это хромосомой и каждую из этих отдельными хромосомами, но так решили называть за нас. Возможно, вам интересно узнать, откуда это слово - «хромо». Может быть, вы знаете старую плёнку «Кодак», которая называлась «хромо цвет». В принципе «хромо» означает «цвет». Я думаю, оно происходит от греческого слова «цвет». Когда люди первый раз стали рассматривать ядро клетки, они использовали краситель, и то, что мы называем хромосомами, окрашивалось красителем. И мы могли видеть это в световой микроскоп. Часть «сома» происходит от слова «сома», обозначающего «тело», то есть мы получаем окрашенное тело. Так появилось слово «хромосома». Хроматин также окрашивается… Надеюсь, это немного проясняет понятия «хроматида», «хромосома», «хроматин», и теперь мы подготовлены к изучению митоза и мейоза.
Функции
Центромера принимает участие в соединении сестринских хроматид , формировании кинетохора , конъюгации гомологичных хромосом и вовлечена в контроль экспрессии генов.
Именно в области центромеры соединены сестринские хроматиды в профазе и метафазе митоза и гомологичные хромосомы в профазе и метафазе первого деления мейоза . На центромерах же происходит формирование кинетохоров: белки, связывающиеся с центромерой, формируют точку прикрепления для микротрубочек веретена деления в анафазе и телофазе митоза и мейоза.
Отклонения от нормального функционирования центромеры ведут к проблемам во взаимном расположении хромосом в делящемся ядре, и в результате - к нарушениям процесса сегрегации хромосом (распределения их между дочерними клетками). Эти нарушения приводят к анеуплоидии , которая может иметь тяжёлые последствия (например, синдром Дауна у человека, связанный с анеуплоидией (трисомией) по 21-й хромосоме).
Центромерная последовательность
У большинства эукариот центромера не имеет определённой, соответствующей ей нуклеотидной последовательности . Обычно она состоит из большого количества повторов ДНК (например, сателлитной ДНК), в которых последовательность внутри индивидуальных повторяющихся элементов схожа, но не идентична. У человека основная повторяющаяся последовательность называется α-сателлит, однако в этом регионе имеется несколько других типов последовательностей. Однако установлено, что повторов α-сателлита недостаточно для образования кинетохора, и что известны функциональные центромеры, не содержащие α-сателлитной ДНК.гетерохроматином , что, возможно, существенно для её функционирования. В этом хроматине нормальный гистон H3 замещен центромер-специфическим гистоном CENP-A (CENP-A характерен для пекарских дрожжей S. cerevisiae , но сходные специализированные нуклеосомы, похоже, присутствуют во всех эукариотных клетках). Считается, что присутствие CENP-A необходимо для сборки кинетохора на центромере и может играть роль в эпигенетическом наследовании местоположения центромеры.
В некоторых случаях, например у нематоды Caenorhabditis elegans , у чешуекрылых , а также у некоторых растений, хромосомы голоцентрические . Это означает, что на хромосоме нет характерной первичной перетяжки - специфического участка, к которому преимущественно крепятся микротрубочки веретена деления. В результате кинетохор имеет диффузный характер, и микротрубочки могут прикрепляться по всей длине хромосомы.
Аберрации центромер
В некоторых случаях у человека отмечено формирование дополнительных неоцентромер . Обычно это сочетается с инактивацией старой центромеры, поскольку дицентрические хромосомы (хромосомы с двумя активными центромерами) обычно разрушаются при митозе.
В некоторых необычных случаях было отмечено спонтанное образование неоцентромер на фрагментах распавшихся хромосом. Некоторые из этих новых позиций изначально состояли из эухроматина и вовсе не содержали альфа-сателлитной ДНК.
Все хромосомы имеют два плеча и расположенный между ними истонченный участок – центромеру , или первичную перетяжку. В области первичной перетяжки расположенкинетохор – плоская структура, белки которой, взаимодействуя с микротрубочками веретена деления, обеспечивают перемещения хромосом во время деления клетки.
Строение метафазной хромосомы: 5 - центромера; 6 - вторичная перетяжка; 7 - спутник; 8 - хроматиды; 9 - теломеры.
1 - метацентрическая; 2 - субметацентрическая; 3, 4 - акроцентрические .
Метафазная хромосома состоит из двух хроматид. Любая хромосома имеет первичную перетяжку (центромеру) (5), которая делит хромосому на плечи.
Центромера(первичная перетяжка) - участок хромосомы, характеризующийся специфическими последовательностью нуклеотидов и структурой. Центромера принимает участие в соединении сестринских хроматид, формировании кинетохора, конъюгации гомологичных хромосом и вовлечена в контроль экспрессии генов.
Именно в области центромеры соединены сестринские хроматиды в профазе и метафазе митоза и гомологичные хромосомы в профазе и метафазе первого деления мейоза. На центромерах же происходит формирование кинетохоров: белки, связывающиеся с центромерой, формируют точку прикрепления для микротрубочек веретена деления в анафазе и телофазе митоза и мейоза.
Отклонения от нормального функционирования центромеры ведут к проблемам во взаимном расположении хромосом в делящемся ядре, и в результате - к нарушениям процесса сегрегации хромосом (распределения их между дочерними клетками). Эти нарушения приводят к анеуплоидии, которая может иметь тяжёлые последствия (например, синдром Дауна у человека, связанный с анеуплоидией (трисомией) по 21-й хромосоме).
Когда говорят о морфологии хромосом, то принимают во внимание следующие признаки: положение центромеры, длину плеч, наличие вторичной перетяжки и спутника.
В зависимости от положения центромеры в кариотипе человека выделяют хромосомы трех типов :
1. Метацентрические , равноплечие хромосомы: первичная перетяжка (центромера) расположена в центре (посередине) хромосомы, плечи хромосомы одинаковые.
2. Субметацентрические , почти равноплечие хромосомы: центромера находится недалеко от середины хромосомы, плечи хромосомы незначительно отличаются по длине.
3. Акроцентрические , очень неравноплечие хромосомы: центромера находится очень далеко от центра (середины) хромосомы, плечи хромосомы существенно различаются по длине.
Короткое плечо обозначают буквой –
Длинное плечо обозначают буквой -
Некоторые хромосомы имеют вторичную перетяжку (6) и спутник(сателлит) (7).
Вторичная перетяжка - участок хромосомы, соединяющий спутник с телом хромосомы. В области вторичной перетяжки расположены гены рибосомных РНК, происходит синтез рРНК и происходит формирование и сборка ядрышка. Такая вторичная перетяжка поэтому называется еще ядрышковым организатором.Вторичные перетяжки могут быть у одних хромосом на длинном плече, у других - на коротком.
От первичной вторичная перетяжка отличается отсутствием заметного угла между сегментами хромосомы.
У человека вторичную перетяжку имеют хромосомы9, 13, 14, 15, 21 и 22.
Спутник (сателлит) - это хромосомный сегмент, чаще всего гетерохроматический, расположенный дистально от вторичной перетяжки. По классическим определениям спутник – сферическое тельце с диаметром, равным диаметру хромосомы или меньше его, которое связано с хромосомой тонкой нитью. Выделяют следующие5 типов спутников:
микроспутники – сфероидальной формы, маленькие спутники с диаметром вдвое или еще меньше диаметра хромосомы;
макроспутники – довольно крупные формы спутников с диаметром, превышающим половину диаметра хромосомы;
линейные - спутники, имеющие форму длинного хромосомного сегмента. Вторичная перетяжка значительно удалена от терминального конца;
терминальные – спутники, локализованные на конце хромосомы;
интеркалярные – спутники, локализованные между двумя вторичными перетяжками.
Хромосомы, имеющие спутник, называются спутничными, их принято обозначать SAT-хромосомами. Форма, величина спутника и связывающей его нити постоянны для каждой хромосомы.
Спутник вместе с вторичной перетяжкой составляют спутничный район.
Концы хромосом называются теломерами (9).
Теломе́ры (от др.-греч. τέλος- конец и μέρος- часть) - концевые участки хромосом. Теломерные участки хромосом характеризуются отсутствием способности к соединению с другими хромосомами или их фрагментами и выполняют защитную функцию.
Термин «теломера» предложил Г. Мёллер в 1932 г.
У человека ДНК теломерного участка представляет собой многократно повторяющуюся нуклеотидную последовательность 5" ТТАГГГ 3" в одной из нуклеотидных цепей ДНК.
Функции хромосом:
1) хранение наследственной информации,
2) реализация наследственной информации,
3) передача генетического материала от материнской клетки к дочерним.
Правила хромосом
1. Постоянство числа. Соматические клетки организма каждого вида имеют строго определенное число хромосом (у человека -46, у кошки- 38, у мушки-дрозофилы - 8, у собаки -78. у курицы -78).
2. Парность. Каждая хромосома в соматических клетках с диплоидным набором имеет такую же гомологичную (одинаковую) хромосому, идентичную по размерам, форме, но неодинаковую по происхождению: одну - от отца, другую - от матери.
3. Индивидуальность. Каждая пара хромосом отличается от другой пары размерами, формой, чередованием светлых и темных полос.
4. Непрерывность. Перед делением клетки ДНК удваивается и в результате получается 2 сестринские хроматиды. После деления в дочерние клетки попадает по одной хроматиде и, таким о6разом, хромосомы непрерывны - от хромосомы образуется хромосома.
№9, 2007 г.
© Вершинин А.В.
Центромеры и теломеры хромосом
А.В. Вершинин
Александр Васильевич Вершинин , д.б.н., гл.научн.сотр. Института цитологии и генетики СО РАН.
Что такое хромосомы, сегодня известно почти каждому. Эти ядерные
органеллы, в которых локализуются все гены, и составляют кариотип данного
вида. Под микроскопом хромосомы выглядят как однородные, вытянутые темные
палочкообразные структуры, и вряд ли увиденная картина покажется интригующим
зрелищем. Тем более, что препараты хромосом великого множества живых существ,
обитающих на Земле, отличаются разве что числом этих палочек да модификациями
их формы. Однако есть два свойства, характерные для хромосом всех видов.
Первое - наличие обязательного сжатия (или перетяжки), расположенного или
посередине, или смещенного к одному из концов хромосомы, получившего название
“центромера”. Второе - присутствие на каждом конце хромосомы специализированной
структуры - теломеры (рис.1). Различные гены, расположенные вдоль плеч
(частей хромосомы от центромеры до физического конца) хромосом, вместе
с регуляторными последовательностями ДНК ответственны за выполнение разнообразных
функций. Это и обеспечивает уникальность генетической информации, закодированной
в каждом плече каждой отдельной хромосомы.
Центромерные и теломерные районы занимают особое положение, ибо выполняют крайне важные, но одни и те же функции в хромосомах всех видов эукариот. Многочисленные исследования пока не дали ясного ответа на вопрос, какие молекулярные структуры ответственны за выполнение этих функций и как они их осуществляют, но очевидный прогресс в этом направлении в последние годы достигнут.
До выяснения молекулярной структуры центромер и теломер полагали, что их функции должны определяться (кодироваться) универсальными и в тоже время специфичными для данных районов последовательностями ДНК. Но прямое определение первичной последовательности нуклеотидов (секвенирование ДНК) осложнялось тем, что эти районы, как правило, соседствуют в хромосомах с участками высокой концентрации повторяющихся последовательностей ДНК. Что сегодня известно об этих функционально важных районах хромосом?
Центромеры
К середине прошлого столетия многочисленные цитологические исследования показали определяющую роль центромеры в морфологии хромосом. Позднее установили, что центромера вместе с кинетохором (структурой, состоящей в основном из белков) ответственна за правильное расхождение хромосом в дочерние клетки в ходе клеточного деления. Направляющая роль центромеры в этом процессе очевидна: ведь именно к ней прикрепляется веретено деления, которое вместе с клеточными центрами (полюсами) составляет аппарат клеточного деления. Благодаря сокращению нитей веретена хромосомы движутся во время деления к полюсам клетки.
Обычно описывают пять стадий клеточного деления (митоза). Для простоты
мы остановимся на трех основных этапах в поведении хромосом делящейся клетки
(рис.2). На первом этапе происходит постепенное линейное сжатие и утолщение
хромосом, затем образуется веретено деления клетки, состоящее из микротрубочек.
На втором хромосомы постепенно продвигаются к центру ядра и выстраиваются
вдоль экватора, вероятно, чтобы облегчить присоединение микротрубочек к
центромерам. При этом ядерная оболочка исчезает. На последнем этапе половинки
хромосом - хроматиды - расходятся. Создается впечатление, что микротрубочки,
прикрепленные к центромерам, как буксир, тянут хроматиды к полюсам клетки.
С момента расхождения бывшие сестринские хроматиды называются дочерними
хромосомами. Они достигают полюсов веретена и собираются вместе в параллельном
порядке. Образуется ядерная оболочка.
Рис. 2.
Основные этапы митоза.
Слева направо:
компактизация хромосом, образование веретена деления; выстраивание хромосом вдоль экватора клетки,
прикрепление веретена деления к центромерам; движение хроматид к полюсам клетки.
При тщательном наблюдении можно заметить, что в процессе клеточного деления в каждой хромосоме центромера находится на постоянной позиции. Она поддерживает тесную динамическую связь с клеточным центром (полюсом). Деление центромер происходит одновременно во всех хромосомах.
Разработанные в последние годы методы секвенирования позволили определить первичную структуру ДНК протяженных участков центромер человека, плодовой мухи Drosophila и растения Arabidopsis . Оказалось, что в хромосомах и человека, и растения центромерная активность связана с блоком тандемно организованных повторов (мономеров) ДНК, близких по размеру (170-180 нуклеотидных пар, нп). Такие участки называют сателлитной ДНК. У многих видов, в том числе и эволюционно далеких друг от друга, размер мономеров почти не отличается: различные виды обезьян - 171 нп, кукуруза - 180 нп, рис - 168 нп, насекомое хирономус - 155 нп. Возможно, это отражает общие требования, необходимые для центромерной функции.
Несмотря на то, что третичная структура центромер человека и арабидопсиса
организована одинаково, первичные последовательности нуклеотидов (или порядок
нуклеотидов) в их мономерах оказались совершенно разными (рис.3). Это удивительно
для района хромосомы, выполняющего столь важную и универсальную функцию.
Однако при анализе молекулярной организации центромер у дрозофилы обнаружили
определенную структурную закономерность, а именно наличие участков из мономеров
примерно одного размера. Так, у дрозофилы центромера Х-хромосомы состоит
в основном из двух типов очень коротких простых повторов (ААТАТ и ААGАG),
прерываемых ретротранспозонами (мобильными элементами ДНК) и “островками”
более сложной ДНК. Все эти элементы нашли в геноме дрозофилы и вне центромер,
однако последовательностей ДНК, характерных для каждой центромеры, у них
не обнаружили. Значит, сами по себе центромерные последовательности ДНК
недостаточны и необязательны для образования центромеры.
Рис. 3. Структура ДНК в центромерах человека и растения.
Прямоугольники соответствуют тандемно организованным мономерам с идентичной последовательностью нуклеотидов внутри (первичная структура ДНК). У разных видов первичная структура ДНК мономеров различается, а вторичная представляет собой спираль. Последовательность мономеров отражает структурную организацию ДНК более высокого уровня.Это предположение подтверждается и проявлением центромерной активности за пределами нормальных центромер. Такие неоцентромеры ведут себя как обычные центромеры: образуют цитологически различимую перетяжку и формируют кинетохор, связывающий белки. Однако анализ ДНК двух неоцентромер человека и обычной центромеры общих последовательностей не выявил, что говорит о возможной роли других структурных компонентов хромосомы. Ими могут быть гистоновые и негистоновые белки, которые связываются с ДНК, формируя нуклеосомную структуру хроматина.
Функциональную роль центромерной структуры хроматина подтверждает присутствие специфических для каждого биологического вида варианта гистона Н3 в центромерном хроматине: у человека они названы CENP-A, у растений - CENH3. Среди множества имеющихся в кинетохоре белков только два, СЕNН3 и центромерный белок С (СЕNР-С), непосредственно связываются с ДНК. Возможно, именно CENH3, взаимодействуя с другими гистонами (Н2А, Н2В и Н4), формирует и определяет специфический для центромер тип нуклеосом. Такие нуклеосомы могут служить своего рода якорями для образования кинетохора. Варианты гистона Н3 в центромерах различных видов подобны канонической молекуле гистона Н3 в участках взаимодействия с другими гистоновыми белками (Н2А, Н2В, Н4). Однако участок центромерного гистона Н3, взаимодействующий с молекулой ДНК, видимо, находится под действием движущего отбора. Как уже говорилось, первичная структура центромерной ДНК отличается между видами, и было высказано предположение, что центромерный гистон Н3 коэволюционирует вместе с центромерной ДНК, в частности у дрозофилы и арабидопсиса .
Обнаружение центромерного гистона Н3 породило крайнюю точку зрения, согласно которой центромерная функция и ее полная независимость от первичной структуры ДНК определяется нуклеосомной организацией и этим гистоном. Но достаточно ли этих факторов для полноценной активности центромеры? Модели, игнорирующие роль первичной структуры ДНК, должны предполагать случайное распределение изменений в структуре центромерной ДНК в различных популяциях в отсутствие отбора. Однако анализ сателлитной ДНК в центромерах человека и Arabidopsis выявил консервативные районы, так же как и районы с более высокой, чем средняя, вариабильностью, что указывает на давление отбора на центромерную ДНК. Кроме того, искусственные центромеры удалось получить только с a-сателлитными повторами человека, амплифицированными из природных центромер, но не из a-сателлитов прицентромерных районов хромосом.
Меньше принципиальных трудностей для объяснения встречают модели, в которых решающим фактором в определении позиции центромеры (сохраняющейся от поколения к поколению) и ее функций служит третичная (или даже более высокого порядка) структура ДНК. Ее консерватизм допускает большие вариации в последовательности нуклеотидов и не исключает тонкую подстройку первичной структуры.
В последние годы стало очевидным, что универсальных последовательностей ДНК, непосредственно определяющих функции центромер и теломер, нет. В этих районах хромосом ДНК служит платформой для сборки сложных, многокомпонентных ДНК-белковых комплексов, которые и обеспечивают выполнение этих функций. Более подробно о комплементарной организации этих комплексов и их координированного функционирования можно прочитать в нашем обзоре . Наряду со специфическими для центромер и теломер компонентами этих комплексов в их состав входят и такие, которые участвуют в выполнении нескольких функций, иногда даже противоположных. Например, Ku70/80-гетеродимер входит в состав теломер и работает как позитивный регулятор длины теломер у дрожжей и негативный регулятор - у растения арабидопсис. В тоже время этот белок участвует в распознавании разрывов хромосом и их восстановлении. Без сомнения, одно из наиболее актуальных направлений исследований - выявление молекулярной природы механизмов регуляции разнообразных молекулярных комплексов, обеспечивающих активность центромер и теломер.
Работа выполнена при поддержке Российского
фонда фундаментальных исследований (проект 04-04-48813), INTAS (03-51-5908)
и Программы интеграционных проектов
СО РАН (проект 45/2).
Литература
1. Talbert P.B., Bryson T.D., Henikoff S.
//
J. Biol. 2004. V.3. Article 18. 2. Вершинин А.В.
// Генетика. 2006. V.42. P.1200-1214. 3. Wu J., Yamagata H., Hayashi-Tsugane M. et al.
// Plant Cell. 2004. V.16. P.967-976. 4. Scott K.C., Merrett S.L., Willard H.F.
//
Curr. Biol. 2006. V.16. P.119-129. 5. Muller H.J.
Further studies on the nature
and causes of gene mutations // Proc. Sixth Int. Congr. Genet. 1932. V.1.
P.213-255. 6. Louis E.J., Vershinin A.V
. // BioEssays. 2005.
V.27. P.685-697. 7. Lange T.de
// Genes Dev. 2005. V.19. P.2100-2110.
Центромеры - это хромосомные структуры ответственные за направление движения хромосом во время митоза. К функциям центромер относятся адгезия сестринских хроматид, образование кинетохора, спаривание гомологичных хромосом и вовлечение в контроль генетической экспрессии. У большинства эукариот центромеры не содержат определенной последовательности ДНК. Обычно они содержат повторы (например, сателлитной ДНК), схожие, но не идентичные. У нематоды Caenorhabditis elegans и некоторых растений хромосомы голоцентрические, т.е. образование кинетохора не локализовано определенным участком, а происходит диффузно по всей длине хромосомы.
Центромеры дрожжей
Центромера Sp
длинной 35-110 тпн (чем хромосома длиннее, тем центромера меньше) и состоит из двух доменов - центральной коровой области и внешней области повторов (otr), предстравленной гетерохроматином (рис1). Центральная коровая область состоит из области неповторяющейся ДНК (cnt) и области инвертированных
повторов (imt) по краям cnt. В центральной коровой области нормальный гистон H3 заменен своим аналогом (CENP-A у Sc) и в этом месте собирается кинетохор. Маркерные гены встраеваемые в центромерную последовательность становятся транскрипционно неактивными. Их замолкание зависит от положения, например, на внешних повторах оно сильнее, а в центральной области менее выражено. Белки Mis6, Mis12, Mal2 и Sim4 связываются с центральным районом центромеры. Центральный район частично переваривается микрококковой нуклеазой, что указывает на особую организацию хроматина, причем эта организация не зависит от ДНК (ДНК перенесенная в Sp или в другие участки хромосомы не сохраняет такую организацию). Внешние повторы упакованы в нуклеосомы, с деацетилированными гистонами (при помощи деацетилаз Clr3, Clr6 и Sir2). Метилтрансфераза Clr4 диметилирует H3K9, на который садится Swi6 (аналог HP1) и Chp1. Таким образом, на центромере формируется гетерохроматин
(см. обзор Гетерохроматин). Swi6 отвечает за присоединение когезинов к области внешних повторов. otr состоят из dg и dh повторов, разделенные другими повторами. Внутренние и внешние повторы содержат кластеры генов тРНК. Установлено, что dg повторы имеют первостепенную роль в установлении центромерной активности.
ДНК центральной коровой области АТ-богатая и состоит из трех участков cnt1, cnt3 - гомологичны на 99%, расположены по кроям от сnt2 гомологичного с ними на 48%. Левый и правый imr инвертированы и уникальны для каждой центромеры.
Рис. 1
Все 16 центромер Sc имеют длину 90 пн и содержат три элемента: CDEI, CDEII и CDEIII (рис.2). CDEII - это АТ-богатый неконсервативный спейсер длинной 78-90 пн, разделяющий CDEI и CDEIII. CDEI имеет длину 8 пн. Этот участок не существеннен для центромерной активности, но его делеция повышает вероятность неправильного расхождения хромосом во время митоза. СDEII - 78-90 пн, содержит ~90% АТ-пар. Делеции в этом участке прерывают образование центромеры, не нарушая расхождение хромомсом. СDEIII - 26 пн содержит несовершенные палиндромы. Одиночная нуклеотидная замена в этом участке полностью прерывает центромерную активность.
Рис. 2
Рис. 3 Последовательности центромерной ДНК хромосом Sc
Центромеры человека
Центромера человека представляет участок 1-4 Мпн AT-богатого а-сателлита длинной ~171 пн (альфоид ). Другие сателлиты также присутствуют. В пределах повторов устанавливается место образования центромеры называемое неоцентромера. Первичная последовательность ДНК в установившейся неоцентромере не имеет значения. Не все а-сателлиты становятся центромерой, не смотря на присутствие двух локусов богатых а-сателлитом, активной центромерой становится только один из них. Интактная ДНК, содержащая альфоид и помещенная в ядро, не образует активной центромеры, поэтому первичный механизм образования активной центромеры остается неясным.
Являются двухцепочечными, реплицированными хромосомами, которые образуются во время деления . Основная функция центромера заключается в том, чтобы служить местом крепления волокон веретена деления. Веретено удлиняет клетки и разделяет хромосомы, чтобы гарантировать, что каждая новая получит правильное количество хромосом при завершении или .
ДНК в центромерной области хромосомы состоит из плотно упакованного , известного как гетерохроматин, который очень уплотнен и поэтому не транскрибируется. Из-за наличия гетерохроматина, область центромера окрашивается красителями в более темный цвет, чем другие части хромосомы.
Расположение
Центромер не всегда расположен в центральной области хромосомы (см. фото выше). Хромосома состоит из короткого плеча (p) и длинного плеча (q), которые соединяются в центромерной области. Центромеры могут находиться, как вблизи середины, так и в нескольких положениях вдоль хромосомы. Метацентрические центромеры расположены вблизи центра хромосом. Субметацентрические центромеры смещены в одну сторону от центра, так что одно плече длиннее другого. Акроцентрические центромеры расположены вблизи конца хромосомы, а телоцентрические центромеры находятся на конце или в области теломер хромосомы.
Положение центромера легко обнаруживается в кариотипе человека . Хромосома 1 является примером метацентрической центромеры, хромосома 5 является примером субметацентрической центромеры, а хромосома 13 является примером центромера акроцентрика.
Расхождение хромосом в митозе
До начала митоза клетка входит в стадию, известную как интерфаза, где она реплицирует свою ДНК при подготовке к делению клеток. Образуются сестринские , которые соединены в их центромерах.
В профазе митоза специализированные области на центромерах, называемые кинетохорами, прикрепляют хромосомы к веретенообразным волокнам. Кинетохоры состоят из ряда белковых комплексов, которые генерируют кинетохорные волокна, прикрепляющиеся к веретену делния. Эти волокна помогают манипулировать и разделять хромосомы во время деления клеток.
На стадии метафазы хромосомы удерживаются на метафазной пластине равными силами полярных волокон, нажимая на центромеры.
Во время анафазы парные центромеры в каждой отдельной хромосоме начинают расходится друг от друга, так как сначала центрируются относительно противоположных полюсов клетки.
Во время телофазы новообразованные включают отдельные дочерние хромосомы. После цитокинеза образуются две разные .
Расхождение хромосом в мейозе
В мейозе клетка проходит через две стадии процесса деления (мейоз I и мейоз II). Во время метафазы I центромеры гомологичных хромосом ориентированы на противоположные полюсы клеток. Это означает, что гомологичные хромосомы будут прикрепляться в своих центромерных областях к волокнам веретена деления, простирающимся только от одного из двух полюсов клетки.
Когда волокна веретена сокращаются во время анафазы I, гомологичные хромосомы вытягиваются к противоположным полюсам клеток, но сестринские хроматиды остаются вместе. В мейозе II волокна веретена, простирающиеся от обоих полюсов клеток, прикрепляются к сестринским хроматидам в их центромерах. Сестринские хроматиды разделяются в анафазе II, когда волокна веретена тянут их к противоположным полюсам. Мейоз приводит к разделению и распределению хромосом среди четырех новых дочерних клеток. Каждая клетка , содержащая только половину числа хромосом от исходной клетки.
