ГЕНЕТИКА - Підручник - А.В. Сиволоб - 2008

РОЗДІЛ 1. Природа генетичного матеріалу

СТРУКТУРНА ОРГАНІЗАЦІЯ ДНК у КЛІТИНАХ

Хромосоми

У соматичних клітинах переважної більшості багатоклітинних організмів існує подвійний (парний) набір хромосом: гомологічні хромосоми кожної пари містять майже однакові молекули ДНК із майже однаковим набором генів, які розташовані вздовж молекули ДНК в однаковому для двох хромосом порядку (мають певні визначені місця у хромосомі - хромосомні локуси). Таким чином, можна розглядати ген як певний хромосомний локус. При утворенні статевих клітин (гамет) до однієї з них переходить по одній хромосомі від пари гомологічних хромосом (див. процес мейозу, описаний нижче) - статева клітина містить одинарний (гаплоїдний) набір хромосом. Відповідно, при заплідненні відбувається об'єднання двох гаплоїдних хромосомних наборів з утворенням диплоїдного набору нащадка. Оскільки дві гомологічні хромосоми походять від різних особин, вони не є абсолютно ідентичними: певні гени можуть бути відсутніми в одній із гомологічних хромосом або мати відмінності у своїх нуклеотидних послідовностях. Різні варіанти одного гена (локусу) називають алелями даного гена.

Слід зауважити, що хромосомні набори багатьох організмів, які розмножуються статевим шляхом, містять одну пару статевих хромосом (усі інші хромосоми називають аутосом.ами), які представлені двома негомологічними типами. Як правило, одна зі статей є гомогаметною (містить дві статеві хромосоми одного типу), інша - гетерогаметною (різні статеві хромосоми), на чому й базується визначення статі нащадка при заплідненні (див. розділ 6). Слід зазначити також, що зазвичай під геномом виду розуміють сукупність послідовностей ДНК у гаплоїдному наборі. Саме в цьому розумінні наведено дані щодо розмірів геномів і кількості хромосом у табл. 1.1.

Коли клітина вступає в мітоз, після реплікації ДНК (і, відповідно, подвоєння диплоїдного набору хромосом) починається утворення над- компактної мітотичної хромосоми, деталі структурної організації якої залишаються недостатньо зрозумілими. Одночасно з компактизацією хроматинової фібрили частина ламіни "розчиняється" разом із ядерною мембраною, інша частина, разом із внутрішнім матриксом, перебудовується з утворенням білкового каркасу мітотичної хромосоми - хромосомного скефолду (scaffold), з яким залишаються зв'язаними основи хроматинових петель. Компактна мітотична хромосома, яка після відповідного забарвлення стає видимою під оптичним мікроскопом, має два плеча (рис. 1.14), розділених центромерною перетяжкою.

Рис. 1.14. Схема морфології двох гомологічних мітотичних хромосом

Центромера, що розділяє два плеча хромосоми, є ділянкою хромосоми, на якій відбувається утворення складного мультибілкового комплексу - кінетохору, необхідного для прикріплення мікротрубочок веретена поділу. На перших стадіях мітозу унаслідок реплікації ДНК (див. нижче) кожна хромосома представлена двома сестринськими хроматидами, з'єднаними між собою своїми центромерами за рахунок білок-білкових взаємодій. Пізніше веретено поділу забезпечує розходження дочірніх хромосом (див. обговорення мітозу нижче).

Довжина центромерної ділянки ДНК сильно варіює (від 125 пар основ у дріжджів Saccharomyces cerevisiae до 0,1-4 млн пар основ у людини). У деяких видів, скажімо, у нематоди Caenorhabditis elegans та в річкового рака, окремі хромосоми мають дифузну центромеру - мікротрубочки прикріплюються по всій довжині хромосоми (так звані голоцентричні хромосоми). Найчастіше послідовність ДНК в ділянці центромери представлена тандемними АТ-збагаченими повторами й не містить активних генів. Гомології між центромерними послідовностями різних організмів чи певних консенсусних мотивів, притаманних лише центромерній ДНК, немає: провідну роль у визначенні структури центромери відіграють білки, які взаємодіють із ДНК у цій ділянці. Центромерні білки (одним із головних є, зокрема, CENP A - аналог гістону Н3, який входить до складу нуклеосом у центромерній зоні) забезпечують компактизацію центромерної зони хромосоми та рекрутують до цієї зони білки кінетохору.

Розміщення центромери на певній хромосомі є постійною характеристикою: під час кожного клітинного поділу локалізація видимої під мікроскопом центромерної перетяжки не змінюється. Залежно від розміщення центромери хромосоми розподіляють на три типи (рис. 1.15):

✵ метацентричні хромосоми - центромера ділить хромосому на два плеча, приблизно однакових за довжиною;

✵ субм.етацентричні хромосоми - центромера ділить хромосому на два плеча, різних за своєю довжиною; плечі позначають латинськими літерами p (коротке плече) і q(довге плече);

✵ акроцентричні хромосоми - центромера ділить хромосому на два плеча, довжина яких різниться настільки сильно, що під мікроскопом короткі плечі майже не помітні.

Рис. 1.15. Фото трьох типів мітотичних хромосом людини (пар сестринських хроматид, з'єднаних центромерами): метацентрична (а), субметацентрична (б), акроцентрична (в).

Стрілкою позначено центромерну перетяжку

Кожне плече хромосоми закінчується теломерою - комплексом теломерної ДНК на кінці хромосоми та специфічних теломерних білків. Довжина теломерної ділянки варіює в різних організмів (наприклад, у миші понад 30 тис. пар основ, у людини їх 10-15 тис.). Крім того, довжина теломери часто залежить від типу тканини, проліферативної активності клітини тощо.

Розмір хромосом, їхня кількість, відносний розмір плечей - усе це є специфічною видовою характеристикою. Сукупність морфологічних ознак, за якими можна охарактеризувати набір мітотичних хромосом даного організму (виду) називають каріотипом.

Слід зупинитися на особливому випадку, коли окремі хромосоми можна побачити за допомогою оптичного мікроскопа не лише під час мітозу. У деяких клітинах (різноманітні тканини личинок комах, клітини трофобласту у ссавців, клітини зародкового міхура в рослин тощо) хромосоми мають гігантські розміри й видимі постійно. Це стає можливим за рахунок того, що хромосома складається не з однієї молекули ДНК, а з декількох сотень і навіть тисяч ідентичних молекул, які накопичуються в результаті багаторазової реплікації без проходження клітиною мітотичних поділів (ендоредуплікація). Такі хромосоми називають політенними. Загалом реплікація без наступного поділу клітини приводить до виникнення багатьох наборів молекул ДНК - поліплоїдизації (див. розділ 4). Але на відміну від поліплоїдних клітин, при політенії однакові копії молекули ДНК контактують між собою по всій довжині, що й дозволяє побачити їх як одну гігантську деконденсовану хромосому.

Політенні хромосоми на цитологічних препаратах мають характерну поперечну посмугованість: темні смуги (диски, або хромомери) чергуються зі світлими (міждисками), створюючи специфічний лише для даної хромосоми малюнок. Вважається, що в області дисків переважно розміщенні гени, активація яких зумовлює характерне здуття диска - появу так званого пуфа. Великий розмір політенних хромосом, можливість досить легкої ідентифікації конкретних ге- номних ділянок, хромосомних перебудов тощо - усе це робить політенні хромосоми зручним об'єктом дослідження в цитогенетиці. Біологічна роль політенії, можливо, пов'язана з високою метаболічною активністю певних клітин.