Том 1 (1129743), страница 72
Текст из файла (страница 72)
Упрощенное представление клеточного цикла эукариот. Во время интерфазы клетка активноэкспрессирует свои гены и поэтому синтезирует белки. Кроме того, в период интерфазы и перед делениемклетки ДНК реплицируется и каждая хромосома дублируется, давая начало двум тесно спаренным дочерним хромосомам (здесь в клетке показаны только две хромосомы). По завершении репликации ДНКклетка может войти в M-фазу, когда происходит митоз и ядро делится на два дочерних ядра. В течениеэтой стадии хромосомы уплотняются, ядерная оболочка разрушается и образуется митотическое веретено деления из микротрубочек и прочих белков.
Уплотненные митотические хромосомы улавливаютсямитотическим веретеном, и по одному полному набору хромосом затем подтягивается к обоим концамклетки, при этом все пары дочерних хромосом разделяются. Ядерная оболочка вновь образуется вокругкаждого набора хромосом, и на заключительном этапе М-фазы клетка делится на две дочерние клетки.Бóльшая часть времени клеточного цикла расходуется на интерфазу; М-фаза в сравнении с нею краткаяи во многих клетках млекопитающих занимает лишь около часа.Глава 4. ДНК, хромосомы и геномы 355Рис.
4.20. Сравнение развернутого интерфазного хроматина с хроматиномв митотической хромосоме. а) Микрофотоснимок митотической хромосомы,полученный на растровом электронноммикроскопе: уплотненная дублированная хромосома, в которой две новыехромосомы все еще соединены друг сдругом (см. рис. 4.21). Стянутая областьотражает положение центромеры, описанной на рис. 4.21, б) Электронныймикрофотоснимок, показывающий гигантское сплетение хроматина, выходящего из лизированного интерфазногоядра.
Обратите внимание на различиев масштабах. (Изображение а любезнопредоставлено Terry D. Allen; б — получено с благосклонного позволенияVictoria Foe.)становления недавней эволюционной истории хромосом человека (рис. 4.18).4.2.5. На протяжении жизни клетки хромосомы находятся в различных состоянияхМы познакомились с тем, как гены расположены в хромосомах, но для образования функционально активной хромосомы молекула ДНК должна бытьспособна на нечто большее, чем просто нести в себе гены: она должна быть способна реплицироваться, а реплицированные копии должны отделяться друг отдруга и надежно разделяться по дочерним клеткам при каждом делении клетки.Этот процесс происходит через упорядоченный ряд стадий, совокупность которыхсоставляет клеточный цикл, который предусматривает временной разрыв междудублированием хромосом и их расхождением на две дочерние нити. Клеточныйцикл вкратце и схематично представлен на рис.
4.19, а подробно рассматриваетсяв главе 17. В этой главе мы коснемся лишь некоторых моментов клеточного цикла.Во время интерфазы хромосомы реплицируются, и в ходе митоза они сильноуплотняются и затем разделяются и распределяются по двум дочерним ядрам.Сильно уплотненные хромосомы в делящейся клетке называют митотическимихромосомами (рис. 4.20, а). Это форма, в которой хромосомы наиболее легкопросматриваются; фактически на всех иллюстрациях хромосом, представленныхранее в этой главе, хромосомы изображены на стадии митоза.
Во время деленияклетки такое уплотненное состояние важно для точного разделения дублированныххромосом митотическим веретеном деления, о чем еще будет сказано подробнее вглаве 17.В течение тех этапов клеточного цикла, когда клетка не делится, хромосомыразворачиваются, и большая часть их хроматина пребывает в ядре в виде сплетения длинных тонких нитей, так что нельзя явно различить отдельные хромосомы(рис. 4.20, б). Мы будем называть хромосомы в таком развернутом состоянииинтерфазными хромосомами. Поскольку клетки проводят бóльшую часть своеговремени в интерфазе, и именно в этот период их генетическая информация считы-356Часть 2. Основные генетические механизмыРис. 4.21. Троица последовательностей ДНК, необходимых для создания в хромосоме эукариот – дляее репликации и, далее, расхождения в митозе.
Каждая хромосома имеет множество точек начала репликации, одну центромеру и две теломеры. Здесь показана цепь событий, которые типичная хромосомапроходит за один клеточный цикл. ДНК реплицируется в интерфазе, начиная с точек начала репликациии продвигаясь от них в двух направлениях через всю хромосому. В М-фазе центромера прикрепляетдублированные хромосомы к митотическому веретену деления, с тем чтобы каждая из дочерних клеток получила по одной копии всех хромосом во время митоза. Вдобавок к этому центромера помогаетудерживать дублированные хромосомы вместе до тех пор, пока они не будут готовы к расхождению.Теломеры формируют специальные колпачки на обеих концах хромосомы.вается, хромосомы представляют наибольший интерес для цитобиологов именнотогда, когда они наименее различимы.4.2.6. Каждая молекула ДНК, которая образует линейную хромосому, должна содержать центромеру, две теломеры и точку началарепликацииХромосома работает как обособленная структурная единица: для того чтобыпри делении клетки копия передавалась каждой дочерней клетке, все хромосомыдолжны реплицироваться, а недавно реплицированные копии – разделяться и правильно распределяться по двум дочерним клеткам.
Эти основополагающие функцииуправляются тремя типами специализированных последовательностей нуклеотидовв ДНК, каждая из которых связывает специфические белки, что направляют машины, которые реплицируют и разводят хромосомы (рис. 4.21).В ходе экспериментов над дрожжами, хромосомы которых относительно малыи легко поддаются манипуляциям, были идентифицированы минимальные элементыпоследовательности ДНК, отвечающие за каждую из этих функций.
Последовательность нуклеотидов одного типа служит точкой начала репликации, или сайтоминициации репликации (replication origin), ДНК — здесь начинается дублированиеДНК. Хромосомы эукариот содержат много точек начала репликационных вилок,что позволяет гарантировать быструю репликацию всей хромосомы в целом; этообсуждается подробно в главе 5.После репликации две дочерние хромосомы остаются соединенными другГлава 4. ДНК, хромосомы и геномы 357с другом и, по мере продвижения клеточного цикла, еще более уплотняются ипреобразуются в митотические хромосомы. Наличие второй специализированнойпоследовательности ДНК, названной центромерой, позволяет в момент деленияклетки затянуть в каждую дочернюю клетку по одной копии каждой дублированной и уплотненной хромосомы. При центромере образуется белковый комплекс,называемый кинетохором, который прикрепляет дублированные хромосомы кмитотическому веретену деления, что позволяет оттянуть их друг от друга (обсуждение — в главе 17).Третья специализированная последовательность ДНК образует теломеры, тоесть концы хромосомы.
Теломеры содержат повторяющиеся последовательностинуклеотидов, которые обеспечивают эффективную репликацию концов хромосом.Теломеры исполняют также и другую функцию: повторные последовательности теломерной ДНК вместе с областями, примыкающими к ним, формируют структуры,которые защищают конец хромосомы от того, чтобы быть ошибочно признаннымклеткой за разорванную молекулу ДНК при оценке клеткой необходимого объемаремонта. Как восстановление такого рода, так и структуру, и функцию теломермы обсудим в главе 5.В клетках дрожжей последовательности этих трех типов, необходимые дляприумножения хромосом, относительно коротки (обычно не более 1 000 пар оснований каждая) и поэтому занимают лишь ничтожную долю информационнойемкости хромосомы.
Хотя последовательности теломер довольно просты и малы увсех эукариот, последовательности ДНК, которые образуют центромеры и точкиначала репликации в более сложных организмах, намного длиннее своих аналогову дрожжей. Например, эксперименты показывают, что центромеры человека содержат до 100 000 пар нуклеотидов и не обязательно требуют отрезка ДНК с заданной последовательностью.
Вместо этого, о чем мы еще расскажем в этой главе,они, по-видимому, состоят из большой регулярно повторяющейся структуры типабелок нуклеиновая кислота, которая передается по наследству при репликациихромосомы.Рис. 4.22. Нуклеосомы как они есть в поле зрения электронного микроскопа. а) Хроматин, выделенныйпрямо из интерфазного ядра, выглядит как нить толщиной 30 нм. б) На этом электронном микрофотоснимке показан сегмент хроматина, который после выделения был искусственно «распакован», илиразуплотнен, чтобы можно было различить нуклеосомы.
(Снимок а любезно предоставила BarbaraHamkalo; фотография б была прислана Victoria Foe.)358Часть 2. Основные генетические механизмы4.2.7. В хромосомах молекулы ДНК сильно уплотненыВсе относящиеся к эукариотам организмы имеют специальные способы упаковки ДНК в хромосомы. Например, если 48 миллионов пар нуклеотидов ДНК,составляющих хромосому 22, вытянуть в виде одной длинной правильной двойнойспирали, то молекула простиралась бы приблизительно на 1,5 см от одного концадо другого. Но во время митоза хромосома 22 составляет в длину лишь около 2 мкм(см.
рис. 4.10 и 4.11), что соответствует степени уплотнения по всей длине почтив 10 000 раз. Эта достойная восхищения степень уплотнения достигается работойбелков, которые последовательно сматывают и укладывают ДНК на все более иболее высоких уровнях организации. Хотя ДНК интерфазных хромосом человеказначительно менее уплотнена, чем митотические хромосомы, она все же достаточноплотно упакована: общая степень уплотнения составляет приблизительно 500 раз(длина спирали хромосомной ДНК делится на полную длину этой хромосомы).При чтении этих пунктов важно иметь в виду, что структура хромосомы самапо себе динамична.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
