Цитогенетика: Часть 1

Видео

Конспект

Хромосомы эукариот состоят из нескольких обязательных структурных элементов - плеч хромосом (длинное обозначается буквой q, короткое - буквой p), центромер, на которых собирается кинетохорный комплекс, прикрепляющий хромосому к микротрубочкам веретена деления и теломер, специальных ДНК-белковых петель, маскирующих линейные концы молекулы ДНК. При репликации отстающая нить ДНК реплицируется не до конца, поэтому ее нужно достраивать с помощью специального фермента - теломеразы. Укорочение хромосом каждый раз происходит на один фрагмент Оказаки (примерно 200 пар нуклеотидов), что несопоставимо с размерами хромосом позвоночных (например, у человека от 50 до 260 миллионов пар нуклеотидов) и не приводит к потере наследственной информации, однако уменьшение размера теломер приводит к тому, что система репарации («ремонта») ДНК может соединить хромосомы между собой. Такое слияние хромосом приведет при делении клетки к неправильному расхождению хромосом, их разрывам и возможной потере части наследственной информации с ацентрическими фрагментами (не имеющими своих центромер).

1.jpeg Хромосомы в метафазной пластинке во время клеточного деления состоят из двух одинаковых сестринских хроматид. В основе каждой хроматиды лежит одна двунитевая молекула ДНК, связанная с миллионами молекул разнообразных белков. Хромосомы могут быть окрашены по длине равномерно (рутинное окрашивание), либо с помощью дополнительных способов обработки перед окрашиванием (дифференциальное окрашивание) можно получить картину чередующихся ярких и темных полос - бэндов. Распределение бэндов уникально для каждой хромосомы и служит для их определения. Хромосомы человека нумеруются обычно по уменьшению размера, однако исторически сложилось, что самой маленькой хромосомой человека является 21 -ая, а не 22 -ая. Хромосомы, одинаковые у самцов и самок, называются аутосомами. Половые хромосомы отличаются у самцов и самок, если гетерогаметным полом (с двумя разными половыми хромосомами) являются самцы, половые хромосомы называют X и Y , если гетерогаметным полом являются самки, такие половых хромосомы называют Z и W.

ДНК в хромосомах связана с нуклеосомами - белковыми комплексами, состоящими из 8 молекул гистонов, Н2А, Н2В, Н3 и Н4. Они формируют своеобразную «катушку», которая за счет своего положительного заряда прочно связывает отрицательно заряженную ДНК, делающую 1,75 оборота вокруг нуклеосомы. Одна нуклеосома приходится примерно на 200 пар нуклеотидов, соседние нуклеосомы соединяются с помощью линкерного гистона Н1. Аминокислоты в N -концевых участках гистонов могут модифицироваться, что меняет степень связывания ДНК и гистонов. Такими модификациями является метилирование, ацетилирование и фосфорилирование аминокислот в составе гистонов. Прочное связывание ДНК с нуклеосомами ограничивает доступность ДНК для других белковых комплексов, например, для РНК-полимеразы и ДНК-полимеразы. С точки зрения доступности для этих ферментов различают два типа хроматина: эухроматин (высоко доступен для транскрипции, реплицируется первым) и гетерохроматин (плохо доступен для транскрипции, реплицируется позже эухроматина). В составе хромосом связанная с нуклеосомами ДНК образует петли, размером порядка нескольких сотен тысяч пар нуклеотидов, называемые петлевыми доменами. Внутри петлевого домена поддерживается одинаковый тип хроматина, что облегчает регуляцию генов расположенными рядом с ними специальными регуляторными последовательностями.

2.jpeg У позвоночных ДНК метилируется по азотистому основанию цитозину в динуклеотидах CpG, что помогает поддерживать модификацию гистонов и тип хроматина. Цитозин метилируют ферменты метил-трансферазы, убрать метильную группу с азотистого основания напрямую невозможно, ее можно только окислить. При этом спонтанное дезаминирование 5 -метилцитозина превращает его в тимин, формируя не Уотсон-Криковскую пару тимин - гуанин, в то время как дезаминирование обычного цитозина превращает его в урацил - азотистое основание, которого не должно быть в ДНК и которое легко может быть удалено системой репарации. Такие мутации перехода цитозина в тимин (транзиции СТ) являются наиболее частыми точковыми мутациями у позвоночных, поэтому из легкости мутаций реальная встречаемость динуклеотидов CpG в геноме обычно гораздо меньше, чем расчетная встречаемость таких динуклеотидов, . При этом в нашем геноме существуют специальные регуляторные участки, называемые CpG-островками, метилирование или отсутствие метилирования цитозина в которых влияет на тип хроматина и уровень экспрессии генов.