Особенности морфологического, функционального строения хромосом. Гетеро- и эухроматин

Термин хромосома был предложен в 1888 г. немецким морфологом В. Вальдейером, который применил его для обозначения внутриядерных структур эукариотической клетки, хорошо окрашивающихся основными красителями (от греч. хрома — цвет, краска, и сома — тело). К началу XX в. углубленное изучение поведения этих структур в ходе самовоспроизведения клеток, при созревании половых клеток, при оплодотворении и раннем развитии зародыша обнаружило строго закономерные динамические изменения их организации. Это привело немецкого цитолога и эмбриолога Т. Бовери (1902—1907) и американского цитолога У. Сеттона (1902—1903) к утверждению тесной связи наследственного материала с хромосомами, что легло в основу хромосомной теории наследственности. Детальная разработка этой теории была осуществлена в началеXX в. школой американских генетиков, возглавляемой Т. Морганом.

Представление о хромосомах как носителях комплексов генов было высказано на основе наблюдения сцепленного наследования ряда родительских признаков друг с другом при передаче их в ряду поколений.

Изучение химической организации хромосом эукариотических клеток показало, что они состоят в основном из ДНК и белков, которые образуют нуклеопротеиновый комплекс— хроматин, получивший свое название за способность окрашиваться основными красителями.

Все хромосомные белки разделяются на две группы: гистоны и негистоновые белки.

Гистоны представлены пятью фракциями: HI, Н2А, Н2В, НЗ, Н4. Являясь положительно заряженными основными белками, они достаточно прочно соединяются с молекулами ДНК, чем препятствуют считыванию заключенной в ней биологической информации. В этом состоит их регуляторная роль. Кроме того, эти белки выполняют структурную функцию, обеспечивая пространственную организацию ДНК в хромосомах.

Число фракций негистоновых белков превышает 100. Среди них ферменты синтеза и процессинга РНК, редупликации и репарации ДНК. Кислые белки хромосом выполняют также структурную и регуляторную роль. Регуляторная роль компонентов хромосом заключается в «запрещении» или «разрешении» списывания информации с молекулы ДНК.

Хроматин в зависимости от периода и фазы клеточного цикла меняет свою организацию. В интерфазе при световой микроскопии он выявляется в виде глыбок, рассеянных в нуклеоплазме ядра. При переходе клетки к митозу, особенно в метафазе, хроматин приобретает вид хорошо различимых отдельных интенсивно окрашенных телец — хромосом. Хромосомымогут находиться в двух структурно-функциональных состоя­ниях: в конденсированном (спирализованном) и деконденсированном (деспирализованном). В неделящейся клет­ке хромосомы не видны, обнаружива­ются лишь глыбки и гранулы хромати­на, так как хромосомы частично или полностью деконденсируются. Это их рабочее состояние. Чем более диффузен хроматин, тем интенсивнее в нем синтетические процессы. Ко времени деления клетки происходит конденса­ция (спирализация) хроматина и при митозе хромосомы хорошо видны.

Мельчайшими структурными ком­понентами хромосом являются нуклеопротеидные фибриллы, они видимы лишь в электронный микроскоп. Хро­мосомные нуклеопротеиды — ДНП — состоят из ДНК и белков, преимущественно гистонов. Молекулы гистонов образуют группы — нуклеосомы. Каж­дая нуклеосома состоит из 8 белковых молекул. Размер нуклеосомы около 8 нм. С каждой нуклеосомой связан участок ДНК, спирально оплетающий ее снаружи.

В хроматине не вся ДНК связана с нуклеосомами, около 10—13 % ее дли­ны свободно от них.

Существует представление, что хро­мосома состоит из одной гигантской фибриллы ДНП, образующей мелкие петли, спирали и разнообразные из­гибы. По другим представлениям фиб­риллы ДНК попарно скручиваются, образуя хромонемы (гр. пета — стру­на), которые входят в комплексы более высокого порядка — также спирально закрученные полухроматиды. Пара полухроматид составляет хроматиду, а пара хроматид — хромосому.

Каким бы ни было тонкое строение хромосомы, от степени скручивания нитчатых структур зависит ее длина. На различных участках одной и той же хромосомы спирализация, компактность ее основных элементов неоди­накова, с этим связана различная ин­тенсивность окраски отдельных участ­ков хромосомы.

Участки хромосомы, интенсивно вос­принимающие красители, получили название гетерохроматических (состоящих из гетерохроматина), они даже в период между делениями клетки остаются компактными, видимыми в световой микроскоп. Слабо окрашиваю­щиеся участки, деконденсирующиеся в периоды между делениями клетки и становящиеся невидимыми, получили название э ухроматических (состоящих из эухроматина).

Предполагается, что эухроматин содержит в себе гены, а гетерохроматин выполняет по преимуществу струк­турную функцию. Он находится в ин­тенсивно спирализованном состоянии и занимает одни и те же участки в го­мологичных хромосомах, в частности составляет участки, прилегающие к центромере и находящиеся на концах хромосом. Потеря участков гетеро­хроматина может не отражаться на жизнедеятельности клетки. Выделяют факультативный гетерохроматин. Он возникает при спирализации и инак­тивации двух гомологичных хромосом, так образуется тельце Бара (х — поло­вой хроматин). Его образует одна из двух Х-хромосом у женских особей млекопитающих и человека.

Хромосомы во время деления клет­ки, в период метафазы имеют форму нитей, палочек и т. д. Строение одной и той же хромосомы на различных участках неоднородно. В хромосомах различают первичную перетяжку, делящую хромосому на два плеча. Первичная перетяжка (центромера) — наименее спирализованная часть хромосомы. На ней располагает­ся кинетохор (гр. kinesis — движение, phoros — несущий), к которому при делении клетки прикрепляются нити веретена деления. Место расположения пер­вичной перетяжки у каждой пары хро­мосом постоянно, оно обусловливает и форму. В зависимости от места рас­положения центромеры различают три типа хромосом: метацентрические, субметацентрические и акроцентрические. Метацентрические хромосомы имеют равной или почти равной ве­личины плечи, у субметацентрических плечи неравной величины, акроцентрические имеют палочковидную форму с очень коротким, почти неза­метным вторым плечом. Могут возник­нуть и телоцентрические хромосомы в результате отрыва одного плеча, у них остается только одно плечо и центромера находится на конце хромо­сомы. В нормальном кариотипе такие хромосомы не встречаются.

Концы плеч хромосом получили на­звание теломеров, это специализиро­ванные участки, которые препятству­ют соединению хромосом между собой или с их фрагментами. Лишенный теломеры конец хромосомы оказывается «ненасыщенным», «липким» и легко присоединяет фрагменты хромосом или соединяется с такими же участками. В норме теломеры препятствуют та­ким процессам и сохраняют хромосому как дискретную индивидуальную еди­ницу, т. е. обеспечивают ее индивиду­альность. Некоторые хромосомы имеют глубокие вторичные перетяжки, отде­ляющие участки хромосом, называе­мые спутниками. Такие хромосомы в ядрах клеток человека могут сбли­жаться друг с другом, вступать в ассо­циации, а тонкие нити, соединяющие спутники с плечами хромосом, при этом способствуют формированию ядрышек. Именно эти участки в хромосомах человека являются ядрышковыми орга­низаторами. У человека вторичные перетяжки имеются на длинном плече 1, 9 и 16 хромосом и на концевых участ­ках коротких плеч 13—15 и 21—22 хромосом.

В плечах хромосом видны более тол­стые и интенсивнее окрашенные участ­ки — хромомеры, чередующиеся с межхромомернымн нитями. Вследствие это­го хромосома может напоминать нитку неравномерно нанизанных бус.

Установлено, что каждый вид расте­ний и животных имеет определенное и постоянное число хромосом. Другими словами, число хромосом и характер­ные особенности их строения — видо­вой признак. Эта особенность известна как правило постоянства числа хромо­сом. Так, в ядрах всех клеток лошади­ной аскариды (Paraascarismegalocephalaunivalenus) находятся по 2 хро­мосомы, у мухи дрозофилы (Drosophilamelanogaster) — по 8, у человека — по 46. Примеры: малярийный плазмодий (2), гидра (32), речной рак (116) и т.д.

Число хромо­сом не зависит от высоты организации и не всегда указывает на филогенети­ческое родство: одно и то же число может встречаться у очень далеких друг от друга форм и сильно разнить­ся у близких видов. Однако очень важно, что у всех организмов, отно­сящихся к одному виду, число хромо­сом в ядрах всех клеток, как правило, постоянна.

Следует обратить внимание на то, что во всех приведенных выше приме­рах число хромосом четное. Это связа­но с тем, что хромосомы составляют пары (правило парности хромосом).

У лошадиной аскариды одна пара хромосом, у дрозофилы — 4, у человека — 23. Хромосомы, которые отно­сятся к одной паре, называются гомологичными. Гомологичные хромосомы одинаковы по величине и форме, у них совпадают расположение центромер, порядок расположения хромомер и межхромомерных нитей, а также дру­гие детали строения, в частности, расположение гетерохроматиновых уча­стков. Негомологичные хромосомы всегда имеют отличия. Каждая пара хромосом характеризуется своими осо­бенностями. В этом выражается пра­вило индивидуальности хромосом.

В последовательных генерациях кле­ток сохраняется постоянное число хро­мосом и их индивидуальность вслед­ствие того, что хромосомы обладают способностью к авторепродукции при делении клетки.

Таким образом, не только «каждая клетка от клетки», но и «каждая хромо­сома от хромосомы». В этом выража­ется правило непрерывности хромосом.

В ядрах клеток тела (т. е. соматиче­ских клетках) содержится полный двой­ной набор хромосом. В нем каж­дая хромосома имеет партнера. Такой набор называется диплоидным и обо­значается 2n. В ядрах половых клеток в отличие от соматических из каждой пары гомологичных хромосом присут­ствует лишь одна хромосома. Так, в ядрах половых клеток лошадиной ас­кариды всего одна хромосома, дрозо­филы — 4, человека — 23. Все они раз­личны, негомологичны. Такой оди­нарный набор хромосом называется гаплоидным и обозначается п. При оп­лодотворении происходит слияние по­ловых клеток, каждая из которых вно­сит в зиготу гаплоидный набор хромо­сом, и восстанавливается диплоидный набор: п + п = 2n.

При сравнении хромосомных набо­ров из соматических клеток мужских и женских особей, принадлежащих од­ному виду, обнаруживалось отличие в одной паре хромосом. Эта пара полу­чила название половых хромосом, или гетерохромосом. Все остальные пары хромосом, одинаковые у обоих полов, имеют общее название аутосом. Так, у дрозофилы 3 пары аутосом и одна пара гетерохромосом.