Особливості будови генома еукаріот

ДНК хромосом (хроматину). Кожна хромосома еукаріот являє собою гігантську молекулу ДНК розміром в межах від частини до одиниць сантиметра в деконденсованому стані. В складі хроматину на долю ДНК приходиться 30-40%. Але загальна кількість у різних видів еукаріот сильно варіює. При аналізі кількості ДНК у всіх живих організмів відмічається тенденція до збільшення вмісту ДНК в процесі прогресивної еволюції, наприклад від прокаріот до еукаріот. Ця тенденція зберігається у еукаріот, але зі значними відхиленнями. Так, у грибів і безхребетних кількість ДНК в ядрі менше 1пг або дещо більше 1пг. Тоді як у рослин, амфібій вона може сягати десятків і навіть сотень пг. Але в межах вищих таксономічних одиниць (типи, класи) цей показник більш стабільний. Наприклад у ссавців в диплоїдних ядрах кількість ДНК знаходиться в межах 7 пг незалежно від складності організму (кішка — 7, людина — 7, 3). Важко встановити кореляцію між ступенем складності організмів, що належать до різних типів (відділів) царств і кількістю ДНК в ядрах клітин. Так у людини, тритона і цибулі кількість ДНК в пікограмах в диплоїдному ядрі клітин дорівнює 7, 73, 34, відповідно. Хоча конституція людини незрівнянно складніше, ніж у амфібій і рослин, в її клітині кількість ДНК також надлишкова, тобто перевищує число необхідних генів. Враховуючи кількість відомих структурних білків і ферментів, мутацій і гібридизацію зрілої РНК з ДНК. Число генів еукаріот складає від 10 до 200, 000 за даними різних авторів. За сучасними даними у людини число унікальних генів складає близько 50 тисяч. Розрахунки показують, що наведене число генів складає лише кілька відсотків (1-10%) від того числа генів, які могла б кодувати ДНК, що міститься в ядрах еукаріот. Таким чином надлишковість ДНК є характерною рисою еукаріот.

Ця надлишковість стає зрозумілою при знайомстві з особливістю генетичних властивостей ДНК еукаріот. За ступенем унікальності нуклеотидного складу і їх генетичним властивостям ДНК еукаріот поділяється на три функції: 1 — унікальні гени; 2 — повторювані гени; 3 — некодуючі нуклеотидні повтори.

Унікальні гени представлені в геномі однією чи кількома копіями, їх частка найбільша у вищих еукаріот — 40-75%. Вони кодують все різноманіття структурних і регуляторних білків, ферментів, що складає особливості фенотипу даного виду.

Фракцію повторюваних генів чи мультигенні родини генів також називають помірно повторюваними нуклеотидними послідовностями. Вони можуть бути продубльовані в геномі від десятків до сотень, тисяч разів (10²-10⁵ разів), і складають 10-30% хромосомної ДНК. В основному ця фракція являє собою структурні гени, первинний продукт яких необхідний клітині у великій кількості, тому така відносно велика їх повторюваність. Сюди відносяться гени рРНК, тРНК, гени, що кодують білки-гістони.

Фракція некодуючих нуклеотидних повторів гетерогенна по числу повторів і їх розміру, тобто числу нуклеотидних пар (н.п.). Цю фракцію умовно можна поділити на дві фракції: 1 фракція яких — високоповторювані нуклеотидні послідовності (повтори) більше 10 разів; 2 фракція — помірно повторювані повтори від 10 до 100 разів, різної довжини. Більшість повторів, що входять до цих фракцій не транскрибуються, тобто не містять генів.

Функція високо- і помірно повторюваних ділянок РНК мало вивчена як і гетерохроматина. Деякі з них відомі:

1. Структурна роль в організації хромосом і ядра. При цьому повтори можуть збиратись в блоки чи бути розсіяними по хромосомі.

2. Регулюють активність генів.

3. Відіграють роль спейсерів (розмежувачів) структурних і регуляторних генів.

4. Приймають участь у кон’югації гомологічних хромосом і кросинговері.

5. Можуть відігравати роль мігруючих генетичних елементів (МГЕ), особливо з ділянкою поліндромів. МГЕ включаючись в унікальні гени змінюють їх активність (посилюють чи вимикають).

6. Роль акцепторних регуляторних ділянок для унікальних генів (помірно повторювані послідовності (розсіяні по хромосомі).

Внесок інтронів в регуляцію активності генів і комбінативну мінливість

1. Спосіб регуляції активності генів. Частина інтронів самостійно чи сумісно з екзонами складає проміжні гени, що кодують проміжні білки-ферменти, що контролюють вирізання (екзицію) з самих інтронів при дозріванні про-іРНК і наступне сполучення екзонів (сплайсинг). Цим самим регулюється активність первинних генів. Дані проміжні продукти можуть приймати участь в процесингу інших про-іРНК, а значить регулювати інші гени. Наприклад, інтрон 2 гена цитохрому в мітохондрій дріжджів кодує фермент мутуразу, що каталізує сплайсинг мРНК.

2. Спосіб новоутворення генних продуктів. Під час процесингу, під дією проміжних білків-ферментів перекомбіновуються на екзони і інтрони. Так може відбутися сплайсинг екзонів в послідовності 1-2-3, але може утворитися комбінація 1-3-2. Значить будуть синтезовані різні білки.

3. Одна і та ж ділянка ДНК (ген) може кодувати різні білки шляхом зміщення рамки зчитування при транскрипції, завдяки не перекриванню триплетного коду.

Дане явище може виникати в ході диференціювання клітин багатоклітинного організму. При цьому екзони й інтрони змінюють свою генетичну суть, тобто інтрони стають екзонами і навпаки. В результаті утворюється дві популяції клітин.

1. Деякі інтрони можуть ставати МГЕ, змінювати своє положення і переходити з одного гена в інший, що відображається на функціональній активності обох генів.

2. Інтрони є резервом мутаційної мінливості. Накопичення в ньому мутацій може перетворити його в екзон.

Таким чином уже на далеко не повних даних про біологічне значення надлишковості геному еукаріот можна з впевненістю сказати, що особливість їх геному є прогресивним еволюційним надбанням:

1. Забезпечується тонка регуляція активності генів у різні періоди онтогенезу, що визначає напрямок диференціювання стовбурових клітин.

2. Відбувається швидка перекомбінація вихідних генів, а також новоутворення генів. Тим самим нові білки, а значить і ознаки швидше утворяться, ніж серія послідовних мутацій.

Білки хроматину еукаріот

Білки хроматину представлені основними (лужними) білками, названими гістонами, і негістоновими кислими білками. Основність гістонів пов’язана з амінокислотами лізином і аргініном, яких в цих білках 20-30%. По фізико-хімічним властивостям розрізняють 5 фракцій гістонів (Н₁; Н_2а; Н_2б; Н₃; Н₄). Головна функція гістонів структурна. Завдяки основним властивостям вони сполучаються з ДНК, утворюють ДНП комплекс, впливають на початкові рівні конденсації (упаковки) хроматину в хромосомах: нуклеосомний, нуклеомерний. Окрім того, тісне сполучення гістонів з ДНК унеможливлює процеси реплікації і транскрипції. Таким чином відбувається неспецифічна регуляція розмноження клітин і активності генів.

Функція кислих білків у складі хроматину різноманітна і специфічна. Частина з них виконує структурну функцію, приймаючи участь в багатоетапній упаковці хроматину при конденсації хромосом, особливо на останніх її етапах. Частина з них є ферментами, забезпечуючи реплікацію, репарацію, транскрипцію ДНК, частина кислих білків проводить специфічну регуляцію активності генів: «відкривають» чи «закривають» їх для транскрипції.

Рівні структурної організації хромосом в інтерфазному ядрі та клітинах, що діляться. Хромосоми являють собою гігантські молекули ДНК в комплексі з білками. У вигляді однієї компактної структури, хромосоми можна розгледіти лише під час поділу клітини за рахунок їх конденсації по всій довжині, в результаті чого вони скорочуються і потовщуються. Процес конденсації хромосом дуже складний, багатоетапний. Достовірно встановлено 4 рівня конденсації, а значить і будови хромосом в різні періоди життя клітини. Перші три характерні для інтерфазного ядра, четвертий — для клітин, що діляться.

Перший рівень конденсації хроматину — нуклеосомний. Структурна одиниця цього рівня — нуклеосома діаметром 10 нм. Нуклеосома являє собою гістоновий октамер кулевидної форми, за іншими даними — у вигляді шайби. Його утворюють по дві молекули гістонів кожної фракції (Н₃, Н_2а, Н_2б, Н₄). Навколо нуклеосоми обгорнута молекула ДНК.

Ділянка ДНК між нуклеосомами називається лінкерною, вона може бути різної довжини. Нуклеосоми з обгорнутою ДНК нагадують намисто. Такі ж фігури спостерігають в електронному мікроскопі, при спеціальній обробці хроматину — інкубація в розчині з пониженою іонною силою. Міжнуклеосомні (лінкерні) ділянки ДНК асоційовані з Н₁ гістоном, який зближує намистинки в одну нитку діаметром 10 нм (діаметр нуклеосом). Перший рівень конденсації хроматину дає вкорочення ДНК в 7 разів. Нуклеосомна організація хромосом є функціонально активною.

Другий рівень конденсації — нуклеомерний. Структурна одиниця цього рівня — нуклеомер. Нуклеосомна нитка, спіралізуючись навколо уявної осі, утворює нитку другого порядку діаметром 20 або 30 нм. Утворена надсубодиниця — глобула називається нуклеомер. В утворенні цієї структури продовжує відігравати єдину роль гістон Н, але не виключена участь кислих білків і гетерохроматинових ділянок ДНК. Нуклеомерна упаковка дає додаткове вкорочення ДНК ще в 6 разів, а загальне — понад 40 разів. Також нитка ДНП діаметром 20 і 30 нм спостерігається в неактивному непошкодженому хроматині ядра і хромосом. Тому ці нитки (фібрили) вважають елементарними хромосомними нитками, вони характерні для неактивного хроматину ядра.

Третій рівень конденсації має кілька назв: хромомерний, петлеподібний. Кожен з цих термінів описує одну із ознак упаковки. Структурною одиницею даного рівня є хромомер. Даний рівень конденсації ДНП найменш вивчений і може включати ще кілька проміжних етапів. Нитка ДНП другого порядку утворює петлі, що сходяться в одній точці (зближуються в центрі); і з’єднуються кислими кінцями білків осьової структури (серцевини) хромосоми і до негістонового матриксу інтерфазного ядра. Утворюється петлеподібна розетка, яка ще називається хромомером. Довжина петель неоднакова — 10-30 мкм (в середньому 3000 н.п.). Кількість петель в розетці також різна 15-20 шт.

Другий етап третього рівня полягає в компактизації петель розетки (хромомера). Вважають, що кожна з петель розетки спіралізується навколо своєї осі, в результаті чого утворюється петлеподібна (спіралізована) розетка (хромомер) діаметром 0, 2-0, 3 мкм. Третій етап цього рівня полягає в зближенні за допомогою кислих білків хромомер, в результаті чого утворюється нитка діаметром 0, 2-0, 3 мкм (діаметр хромомера), яка зветься хромонемою (лат. нема — нитка). Зближення хромомер нерівномірне: є ділянки ущільнення та послаблення. Тому хромонема має вигляд намиста, яке добре видно на ранній профазі (особливо мейозу).

Третій рівень конденсації хроматину за всі періоди дає вкорочення нитки ДНК в 20-30 разів. Загальне вкорочення всіх трьох рівнів конденсації хроматина (нуклеосомний, нуклеомерний, хромомерний) буде становити понад 10³ разів.

Останній, четвертий рівень конденсації хроматину — хромосоми клітин, що діляться. Він також багато в чому незрозумілий. Вважають, що починаючи з профази стопки хромомер, які складають хромонему, ще більше зближуються одна до одної за рахунок кислих білків з одночасною спіралізацією навколо осі. Залежно від довжини хромосоми хромонема робить від 4 до 10 крупних витків. В результаті утворюється структура метафазної хромосоми діаметром 1, 0-1, 5 мкм. Вкорочення ДНК цього рівня — 8-10 разів, а з урахуванням всіх рівнів кінцеве скорочення ДНК складає понад 10 разів. Даний рівень упаковки хроматину, як і всіх попередніх також нерівномірний. Ця сукупна нерівномірність конденсації проявляється у вигляді хромодисків по довжині хромосом клітин, що діляться.

Будова хромосом в клітинах, що діляться.

Залежно відперіодів поділу найбільш часто вивчають метафазні та анафазні хромосоми. Метафазні хромосоми подвійні, тобто складаються з 2-х хроматид. Такий вигляд вони мають від синтетичного періоду інтерфази, протягом якого відбувається редуплікація ДНК, до анафази мітозу. Анафазні хромосоми складаються з однієї хроматиди. Вони утворюються після розходження хроматид до полюсів при поділі, і в такому вигляді вони існують в С₁- періоді до 1-го періоду інтерфази. Одинарні, анафазні хромосоми — основний стан хромосом в онтогенезі клітин; подвійні, метафазні — лише під час вступу клітин в період поділу. Але найчастіше цитогенетики вивчають метафазні хромосоми: вони найкоротші і найтовщі.

Метафазна хромосома, складається з двох хроматид, сполучених в ділянці первинної перетяжки. Первинна перетяжка являє собою ділянку часткової деконденсації хроматину. В первинній перетяжці розміщується центромера або кінетохор, життєво важлива структура для хромосоми: її втрата призводить до втрати клітиною даної хромосоми.

Центромера погано вивчена морфологічно і функціонально. В електронному мікроскопі видно, що це пластинчасте утворення у вигляді диску, зв’язане з тілом хромосоми (ДНП) тоненькими фібрилами. Вважають, що центромера є одним з ЦОМТів в клітині, центром утворення мікротрубочок. При поділі від неї відходить пучок мікротрубочок у напрямку до центріолей веретена поділу (у тваринних клітинах). Значить, центромера бере участь у поділі хромосом до полюсів клітини.

Характеристика хромосомного набору виду. Генетичний апарат клітини характеризується поняттям про каріотип. Каріотип або набір хромосом — це сукупність хромосом клітини, який характеризується їх визначеним числом, величиною і формою, унікальний для даного виду. Розрізняють гаплоїдний (одинарний) набір хромосом, позначається літерою «n» і диплоїдний (подвійний) набір хромосом «2n». В гаплоїдному наборі кожна хромосома, унікальна, тобто немає гомологів. Диплоїдний набір представлений парами гомологічних хромосом.

Гомологічними називають хромосоми однакового розміру, форми, тобто за розміщенням центромери, набором і розміщенням локусівгенів, але відрізняються алельністю цих генів, так як вони різного походження: одна від яйцеклітини, інша від сперматозоїда. Цим гомологічні хромосоми відрізняються від сестринських хромосом, тобто хроматид. Сестринські хромосоми є ідентичними, вони утворюються в результаті редуплікації ДНК — точного процесу копіювання (матричного синтезу).

Контрольні питання:

1. Назвати загальні структурно-генетичні ознаки всіх живих організмів Землі.

2. Назвати специфічні особливості будови генетичного апарату про- та еукаріот.

3. Які структури хромосом ми розрізняємо в світловому мікроскопі?

4. Розкрийте поняття «функціонально активний еухроматин». Вказати його молекулярно-генетичний структурний рівень.

5. Чому видове різноманіття кислих білків значне, тоді як гістони за цією ознакою консервативні.

6. Чим обумовлена нерівномірність укладки хромосом на кожному з її рівнів і як ця ознака використовується в каріотипуванні.

Література: основна — 1-3, 6, 7; додаткова — 1-4, 9, 11-13.