Том 1 (1129743), страница 81
Текст из файла (страница 81)
Ввиде 30-нм волокна типичная хромосома человека все еще была бы 0,1 см в длину,то есть более чем в 100 раз длиннее ядра клеткии. Ясно, что должен существоватьеще более высокий уровень укладки, даже в интерфазных хромосомах. Хотя молекулярная основа такой упаковки более высокого порядка все еще в значительноймере остается тайной, она почти наверняка заключается в свертывании 30-нм волокна в ряд петель и катушек. Такая упаковка хроматина неустойчивая и частоизменяется в ответ на потребности клетки.Мы начнем с описания некоторых необычных интерфазных хромосом, которые392Часть 2.
Основные генетические механизмыРис. 4.54. Хромосомы типа ламповой щетки. а) Полученный на световом микроскопе микрофотоснимок хромосом типа ламповой щетки в ооците земноводного. На ранних стадиях дифференциацииооцита каждая хромосома реплицируется, чтобы начать мейоз, и гомологичные реплицированныехромосомы спариваются и образуют эту протяженную структуру, содержащую в целом четыре молекулыреплицированной ДНК, или хроматиды. Стадия ламповой щетки сохраняется в хромосоме в течениемногих месяцев или лет, пока ооцит создает запас материалов, требующихся для его окончательногоразвития в новую особь.
б) Увеличенная область подобной хромосомы, окрашенной флуоресцентнымреактивом, который позволяет ясно различить петли, на которых происходит синтез РНК. (Снимки любезно предоставлены J. G. Gall.)могут быть легко изображены, поскольку некоторые особенности этих исключительных случаев, как думают, являются характерными для всех интерфазных хромосом.
Более того, они представляют уникальное средство исследования некоторыхфундаментальных вопросов о структуре хроматина, поставленных в предыдущемпараграфе. Затем мы опишем, как типичная интерфазная хромосома устроена вядре клетки, сосредоточив внимание на клетках человека. Наконец, мы завершимнаш обзор обсуждением дополнительного десятикратного уплотнения, которомуинтерфазные хромосомы подвергаются во время процесса митоза.4.4.1. Хромосомы свернуты в крупные петли хроматинаПредставление о структуре хромосом в интерфазных клетках было полученов ходе исследований плотных и распростертых спаренных в мейозе хромосом врастущих ооцитах (незрелых яйцеклетках) земноводных. Эти очень необычныехромосомы типа ламповой щетки (наибольшие из известных хромосом) ясно вид-Глава 4.
ДНК, хромосомы и геномы 393Рис. 4.55. Модель структуры хромосомы типа ламповой щетки. Набор хромосом типа ламповой щеткиу многих земноводных содержит в общем около 10 000 хроматиновых петель, хотя основная доля ДНКво всех хромосомах остается в высококонденсированной форме и пребывает в хромомерах. Каждаяпетля соответствует определенной последовательности ДНК. В каждой клетке имеется по четыре копиикаждой петли, так как каждая из двух главных единиц, показанных в верхней части рисунка, состоит издвух сильно сближенных недавно реплицированных хромосом.
Такая четырехнитевая структура характерна для этой стадии развития ооцита (диплотенная стадия мейоза); см. рис. 21.9.ны даже в световой микроскоп, где они имеют вид организованного ряда большихпетель хроматина, отходящих от линейной оси хромосомы (рис. 4.54).Организация хромосомы типа ламповой щетки показана на рис. 4.55. Всякаяотдельно взятая петля всегда содержит одну и ту же последовательность ДНК ина всем протяжении роста ооцита остается развернутой в одной и той же степени.Такие хромосомы производят большие количества РНК для ооцита, и большинствогенов, расположенных в петлях ДНК, активно экспрессируются.
Однако бóльшаячасть ДНК находится не в петлях, а остается в высококонденсированной формев хромомерах на оси, где гены, как правило, не экспрессируются.Думают, что интерфазные хромосомы всех эукариот подобным образом организованы в виде петель. Хотя эти петли обычно слишком малы и хрупки, чтобы ихможно было легко наблюдать в световой микроскоп, можно обнаружить их наличиес помощью других методов. Например, стало возможно оценить частоту, с который394Часть 2. Основные генетические механизмыРис.
4.56. Метод определения положения петель в интерфазных хромосомах. В этой методике, известной под названием метода 3C (chromosome conformation cupture; захват конформации хромосомы),клетки обрабатывают формальдегидом, чтобы создать обозначенные на рисунке ковалентные поперечные сшивки типа ДНК–белок и ДНК–ДНК. Затем ДНК обрабатывают нуклеазой рестрикции, котораянарезает ее на множество кусочков, производя разрезы в строго определенных последовательностяхнуклеотидов и формируя наборы идентичных «липких концов» (см.
рис. 8.34). Липкие концы могутсоединиться друг с другом за счет комплементарного спаривания оснований. Важно, чтобы перед показанным шагом лигирования ДНК находилась в растворенной форме, с тем чтобы фрагменты, которыеподдерживались в близком соседстве друг с другом (при помощи поперечных сшивок), соединилисьс наибольшей вероятностью. Наконец, поперечные сшивки разрушаются, и недавно лигированныефрагменты ДНК идентифицируют и определяют их количество при помощи ПЦР (полимеразная цепнаяреакция, описанная в главе 8). Объединив информацию о частоте контактов сегментов ДНК, полученную 3C-методом, с информацией о последовательности ДНК, можно построить структурные моделиконформации интерфазных хромосом.любые два локуса интерфазной хромосомы контактируют друг с другом, и такимобразом определить вероятные потенциальные участки на хроматине, которыеформируют сильно сближенные основания петельных структур (рис.
4.56). Этии другие эксперименты дают возможность предположить, что ДНК в хромосомахчеловека организована в петли различной длины. Типичная петля может содержатьот 50 000 до 200 000 пар нуклеотидов ДНК, хотя допустимым и вполне возможнымпределом является миллион пар нуклеотидов (рис. 4.57).Глава 4. ДНК, хромосомы и геномы 395Рис. 4.57. Модель организации интерфазной хромосомы. Схематическое изображение участка интерфазной хромосомы, имеющего петельную организацию. Каждый из петлеобразных доменов содержит,возможно, 50 000–200 000 пар нуклеотидов двойной спирали ДНК, конденсированной в 30-нм фибриллу.
Хроматин в каждой отдельной петле еще более конденсирован благодаря пока еще недостаточнопонятым процессам фолдинга, которые обращаются вспять, когда клетка требует прямого доступа кДНК, упакованной в петле. Ни состав постулированной хромосомной оси, ни то, как свернутая 30-нмфибрилла закрепляется на ней, не ясны. Однако в митотических хромосомах основания хромосомныхпетель обогащены и конденсинами, и ферментами ДНК-топоизомеразами II — двумя белками, которыемогут формировать во время метафазы большую часть оси (см.
рис. 4.74).4.4.2. Политенные хромосомы как ничто иное пригодны для демонстрации структур хроматинаНекоторые гигантские клетки насекомых выросли до своих огромных размеровза счет многократных циклов синтеза ДНК, не сопровождавшегося делением клетки.Такие клетки с комплементом ДНК, превышающим нормальный, являются, какговорят, полиплоидными и содержат повышенное число стандартных хромосом.Но у личинок мухи в секреторных клетках нескольких типов все гомологичныекопии хромосом удерживаются бок о бок, подобно соломинкам для питья в коробке, и образуют отдельные крупные политенные хромосомы. Поскольку в некоторых случаях политенные хромосомы могут распасться и дать начало обычнойполиплоидной клетке, эти два состояния хромосом близко связаны между собой.Поэтому внутренняя структура политенной хромосомы должна быть подобна таковой нормальной хромосомы.Политения была лучше всего изучена в клетках слюнных желез личинокплодовой мушки дрозофилы. Когда такие политенные хромосомы рассматриваютв световой микроскоп, заметны отдельные чередующиеся темные полосы, или диски, и светлые междисковые участки (рис.
4.58), каждый из которых образованиз тысяч идентичных последовательностей ДНК, расположенных в ряд бок о бок.Приблизительно 95 % ДНК в политенных хромосомах находится в дисках, а 5 % —в междисковых промежутках. Очень тонкая полоса может содержать 3 000 парнуклеотидов, тогда как толстая полоса может содержать 200 000 пар нуклеотидов вкаждой из своих хроматиновых нитей.
Хроматин в каждом диске выглядит темным,потому что в них ДНК уплотнена сильнее, чем ДНК в междисковых участках; ктому же в диске может содержаться более высокая доля белков (рис. 4.59).В полном наборе политенных хромосом дрозофилы насчитывается приблизительно 3 700 полос и 3 700 междисков.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
