Vad är kromatin: definition, struktur och funktioner. Karyoplasma, kromatin

Kromatinets struktur och kemi

Parameternamn	Menande
Artikelns ämne:	Kromatinets struktur och kemi
Rubrik (tematisk kategori)	Ekologi

Kromatin, huvudkomponenten i cellkärnan, erhålls ganska lätt från isolerade interfaskärnor och från isolerade mitotiska kromosomer. För att göra detta använder de sin förmåga att gå in i ett löst tillstånd under extraktion med vattenlösningar med låg jonstyrka eller helt enkelt avjoniserat vatten. I det här fallet sväller delar av kromatin och förvandlas till en gel. För att omvandla sådana läkemedel till riktiga lösningar krävs starka mekaniska influenser: skakning, omrörning, ytterligare homogenisering. Detta leder naturligtvis till en partiell förstörelse av den ursprungliga kromatinstrukturen, krossning av den till små fragment, men praktiskt taget inte ändra dess kemiska sammansättning.

Kromatinfraktioner som erhålls från olika föremål har en ganska enhetlig uppsättning komponenter. Man fann att den totala kemiska sammansättningen av kromatin från interfaskärnor och mitotiska kromosomer skiljer sig lite från varandra. Huvudkomponenterna i kromatin är DNA och proteiner, varav huvuddelen är histoner och icke-histonproteiner (se tabell 3).

Tabell 3. Kemisk sammansättning av kromatin. Protein- och RNA-innehåll anges i förhållande till DNA

I genomsnitt är cirka 40 % av kromatinet DNA och cirka 60 % är proteiner, bland vilka specifika nukleära histonproteiner utgör från 40 till 80 % av alla proteiner som utgör det isolerade kromatinet. Dessutom inkluderar kromatinfraktionen membrankomponenter, RNA, kolhydrater, lipider och glykoproteiner. Frågan om hur mycket dessa mindre komponenter ingår i kromatinstrukturen är ännu inte löst. Så till exempel kan RNA vara transkriberat RNA som ännu inte har förlorat sin koppling till DNA-mallen. Andra mindre komponenter kan representera substanser från samutfällda fragment av kärnmembranet.

Strukturellt sett är kromatin ett trådliknande komplex av deoxiribonukleoprotein (DNP)-molekyler, som består av DNA associerat med histoner (se fig. 57). Av denna anledning har ett annat namn för kromatin slagit rot: nukleohiston. Det är på grund av associeringen av histoner med DNA som mycket labila, variabla nukleinsyra-histonkomplex bildas, där DNA:histonförhållandet är ungefär ett, ᴛ.ᴇ. de finns i lika stora mängder. Dessa filamentösa DNP-fibriller är elementära kromosomala eller kromatinfilament, vars tjocklek, beroende på graden av DNA-förpackning, kan variera från 10 till 30 nm. Dessa DNP-fibriller kan i sin tur komprimeras ytterligare för att bilda högre nivåer av DNP-strukturering, upp till den mitotiska kromosomen. Rollen för vissa icke-histonproteiner är just i bildandet av höga nivåer av kromatinkomprimering.

Kromatin-DNA. I ett kromatinpreparat står DNA vanligtvis för 30-40%. Detta DNA är en dubbelsträngad spiralformad molekyl, liknande ren isolerad DNA i vattenlösningar. Detta bevisas av många experimentella data. Sålunda, när kromatinlösningar värms upp, observeras en ökning av lösningens optiska densitet, den så kallade hyperkroma effekten associerad med brytningen av internukleotidvätebindningar mellan DNA-kedjor, liknande vad som händer när rent DNA upphettas (smältas) .

Frågan om storleken och längden på DNA-molekyler i kromatin är viktig för att förstå kromosomens struktur som helhet. Med hjälp av standardextraktionsmetoder har kromatin-DNA en molekylvikt på 7-9 x 106, vilket är betydligt mindre än molekylvikten för DNA från Escherichia coli (2,8 x 109). En sådan relativt låg molekylvikt av DNA från kromatinberedningar kan förklaras av mekanisk skada på DNA under processen med kromatinisolering. Om DNA isoleras under förhållanden som utesluter skakning, homogenisering och annan påverkan, är det möjligt att få mycket långa DNA-molekyler från celler. Längden på DNA-molekyler från kärnorna och kromosomerna i eukaryota celler bör studeras med metoden för ljusoptisk autoradiografi, precis som den studerades på prokaryota celler.

Det upptäcktes att inom kromosomer kan längden av individuella linjära (till skillnad från prokaryota kromosomer) DNA-molekyler nå hundratals mikrometer och till och med flera centimeter. Således erhölls DNA-molekyler från 0,5 mm till 2 cm från olika objekt.Dessa resultat visade att det finns en nära överensstämmelse mellan den beräknade längden av DNA per kromosom och autoradiografisk observation.

Efter mild lysis av eukaryota celler kan molekylvikterna för DNA direkt bestämmas med fysikalisk-kemiska metoder. Det har visat sig att den maximala molekylvikten för en Drosophila DNA-molekyl är 41 x 109, vilket motsvarar en längd på cirka 2 cm. I vissa jästsvampar finns en DNA-molekyl per kromosom med en molekylvikt på 1 x 108-109 , som har dimensioner på ca 0,5 mm.

Sådant långt DNA består av en enda molekyl, och inte flera kortare, sammanfogade i en fil med hjälp av proteinbindningar, som vissa forskare trodde. Denna slutsats kom efter att det visade sig att längden på DNA-molekyler inte förändras efter behandling av läkemedel med proteolytiska enzymer.

Den totala mängden DNA som ingår i cellernas kärnstrukturer, i genomet hos organismer, varierar från art till art, även om mängden DNA per cell i mikroorganismer är betydligt lägre än hos ryggradslösa djur, högre växter och djur. En mus har alltså nästan 600 gånger mer DNA per kärna än E. coli. När man jämför mängden DNA per cell i eukaryota organismer är det svårt att urskilja någon korrelation mellan graden av komplexitet hos organismen och mängden DNA per kärna. Sådana olika organismer som lin, sjöborre, abborre (1,4-1,9 pg) eller röding och bullfish (6,4 och 7 pg) har ungefär samma mängd DNA.

Det finns betydande fluktuationer i mängden DNA i stora taxonomiska grupper. Bland högre växter kan mängden DNA i olika arter skilja sig hundratals gånger, precis som bland fiskar skiljer sig mängden DNA i amfibier tiotals gånger.

Vissa amfibier har 10-30 gånger mer DNA i sina kärnor än i mänskliga kärnor, även om människans genetiska konstitution är ojämförligt mer komplex än hos grodor. Följaktligen kan det antas att den "överdrivna" mängden DNA i lägre organiserade organismer antingen inte är förknippad med uppfyllandet av en genetisk roll, eller så upprepas antalet gener ett eller annat antal gånger.

Tabell 4. DNA-innehåll i cellerna i vissa föremål (sid, 10 -12 g)

Det visade sig vara möjligt att lösa dessa problem genom att studera kinetiken för reaktionen av DNA-renaturering eller hybridisering. Om fragmenterade DNA-molekyler i lösningar utsätts för termisk denaturering och sedan inkuberas vid en temperatur som är något lägre än den vid vilken denaturering sker, återställs den ursprungliga dubbelsträngade strukturen av DNA-fragment på grund av återföreningen av komplementära kedjor - renaturering. För DNA-virus och prokaryota celler visades det att hastigheten för sådan renaturering direkt beror på storleken på genomet; ju större genomet, desto större mängd DNA per partikel eller cell, desto mer tid behövs för det slumpmässiga tillvägagångssättet för komplementära kedjor och den specifika reassocieringen av ett större antal DNA-fragment med olika nukleotidsekvens (fig. 53). Naturen hos DNA-reassociationskurvan för prokaryota celler indikerar frånvaron av upprepade bassekvenser i det prokaryota genomet; alla sektioner av deras DNA bär unika sekvenser, vars antal och mångfald återspeglar graden av komplexitet hos objektens genetiska sammansättning och följaktligen deras allmänna biologiska organisation.

En helt annan bild av DNA-reassociation observeras i eukaryota organismer. Det visade sig att deras DNA innehåller fraktioner som renatureras i en mycket högre hastighet än vad man kan förvänta sig baserat på storleken på deras genom, samt en del av DNA som renatureras långsamt, som de unika DNA-sekvenserna av prokaryoter. Samtidigt kräver eukaryoter mycket mer tid för att renaturera denna fraktion, som är associerad med den övergripande stora storleken på deras genom och ett stort antal olika unika gener.

I den del av eukaryot DNA som kännetecknas av en hög renatureringshastighet särskiljs två subfraktioner: 1) en fraktion med mycket eller ofta upprepade sekvenser, där liknande DNA-sektioner upprepas 106 gånger; 2) en bråkdel av måttligt repetitiva sekvenser som förekommer 102-103 gånger i genomet. Hos möss inkluderar således fraktionen av DNA med ofta upprepade sekvenser 10 % av den totala mängden DNA per genom och 15 % står för fraktionen med måttligt upprepade sekvenser. De återstående 75 % av allt mus-DNA representeras av unika regioner som motsvarar ett stort antal olika icke-repeterande gener.

Fraktioner med ofta upprepade sekvenser kan ha en annan flyttäthet än DNA-massan och kan därför isoleras i ren form som de så kallade satellit-DNA-fraktionerna. Hos musen har denna fraktion en densitet på 1,691 g/ml, och huvuddelen av DNA:t är 1,700 g/ml. Dessa densitetsskillnader bestäms av skillnader i nukleotidsammansättning. Till exempel, i en mus finns det 35 % G- och C-par i denna fraktion och 42 % i huvud-DNA-toppen.

Som det visade sig är satellit-DNA, eller fraktionen av DNA med ofta upprepade sekvenser, inte involverad i syntesen av grundläggande typer av RNA i cellen och är inte associerad med processen för proteinsyntes. Denna slutsats gjordes utifrån det faktum att ingen av cell-RNA-typerna (tRNA, mRNA, rRNA) hybridiserar med satellit-DNA. Följaktligen innehåller dessa DNA inte sekvenser som är ansvariga för syntesen av cellulärt RNA, ᴛ.ᴇ. satellit-DNA är inte mallar för RNA-syntes och är inte involverade i transkription.

Det finns en hypotes att mycket repetitiva sekvenser som inte är direkt involverade i proteinsyntes kan bära information som spelar en viktig strukturell roll i underhållet och funktionen av kromosomer. Dessa inkluderar många sektioner av DNA associerade med kärnproteinerna i interfaskärnan (se nedan), platser där replikation eller transkription börjar, såväl som sektioner av DNA som reglerar dessa processer.

Lokaliseringen av denna fraktion studerades med användning av metoden för nukleinsyrahybridisering direkt på kromosomer (in situ). För att göra detta syntetiserades RNA märkt med 3H-uridin på isolerat satellit-DNA med användning av bakteriella enzymer. Därefter utsattes det cytologiska preparatet med kromosomer för en behandling som orsakar DNA-denaturering (förhöjd temperatur, alkalisk miljö, etc.). Efter detta placerades 3H-märkt RNA på beredningen och hybridisering mellan DNA och RNA uppnåddes. Autoradiografi avslöjade att det mesta av märkningen är lokaliserad i zonen med primära sammandragningar av kromosomer, i zonen av deras centromera regioner. Märket detekterades även i andra regioner av kromosomerna, men mycket svagt (fig. 54).

Under de senaste 10 åren har stora framsteg gjorts i studiet av centromeriskt DNA, särskilt i jästceller. Sålunda, i S. cerevisiae, består centromeriskt DNA av upprepade sektioner på 110 bp. Den består av två konserverade regioner (I och III) och ett centralt element (II), berikat med AT-baspar. Drosophila-kromosomer har en liknande centromer-DNA-struktur. Humant centromeriskt DNA (alfoid satellit-DNA) består av en tandem av 170 bp monomerer organiserade i grupper av dimerer eller pentamerer, som i sin tur bildar stora sekvenser på 1-6 x 103 bp. Denna största enhet upprepas 100-1000 gånger. Speciella centromera proteiner är komplexbundna med detta specifika centromeriska DNA och är involverade i bildandet av kinetochore, en struktur som säkerställer kopplingen av kromosomer med spindelmikrotubuli och i rörelsen av kromosomer i anafas (se nedan).

DNA med mycket repetitiva sekvenser finns också i de telomera regionerna i kromosomerna hos många eukaryota organismer (från jäst till människor). Här finns oftast upprepningar som inkluderar 3-4 guanin nukleotider. Hos människor innehåller telomerer 500-3000 TTAGGG-repetitioner. Dessa sektioner av DNA har en speciell roll - att begränsa ändarna av kromosomen och förhindra dess förkortning under processen med upprepad replikation.

Nyligen fann man att mycket repetitiva DNA-sekvenser av interfaskromosomer binder specifikt till laminproteiner som ligger bakom kärnhöljet och deltar i förankringen av förlängda dekondenserade interfaskromosomer, och därigenom bestämmer ordningen i lokaliseringen av kromosomer i interfaskärnan.

Det har föreslagits att satellit-DNA kan vara involverat i igenkännandet av homologa regioner av kromosomer under meios. Enligt andra antaganden spelar regioner med ofta upprepade sekvenser rollen som separatorer (spacers) mellan olika funktionella enheter av kromosomalt DNA, till exempel mellan replikoner (se nedan).

Som det visade sig, hör andelen av måttligt upprepade (från 102 till 105 gånger) sekvenser till en brokig klass av DNA-regioner som spelar en viktig roll i processerna för att skapa proteinsyntesapparaten. Denna fraktion inkluderar ribosomala DNA-gener, som upprepas i olika arter från 100 till 1000 gånger. Denna fraktion inkluderar många gånger upprepade regioner för syntes av alla tRNA. Dessutom upprepas vissa strukturella gener som är ansvariga för syntesen av vissa proteiner många gånger och representeras i många kopior. Dessa är generna för kromatinproteiner - histoner, upprepade upp till 400 gånger.

Samtidigt inkluderar denna fraktion DNA-sektioner med olika sekvenser (100-400 nukleotidpar vardera), också upprepade många gånger, men utspridda i genomet. Deras roll är ännu inte helt klar. Det har föreslagits att sådana DNA-sektioner kan representera acceptor- eller regulatoriska regioner av olika gener.

Så eukaryota cellers DNA är heterogent i sammansättningen, innehållande flera klasser av nukleotidsekvenser: ofta upprepade sekvenser (> 106 gånger), inkluderade i satellit-DNA-fraktionen och inte transkriberade; en bråkdel av måttligt repetitiva sekvenser (102-105), som representerar block av verkliga gener, såväl som korta sekvenser utspridda genom genomet; en bråkdel av unika sekvenser som bär information för majoriteten av cellproteiner.

Baserat på dessa idéer blir skillnaderna i mängden DNA som observeras i olika organismer tydliga: de är förknippade med en ojämlik andel av vissa klasser av DNA i organismernas genom. Så, till exempel, i amfibien Amphiuma (som har 20 gånger mer DNA än hos människor) står repeterande sekvenser för upp till 80 % av det totala DNA:t, i lök - upp till 70, hos lax - upp till 60 %, etc. P. Den sanna rikedomen av genetisk information bör återspeglas av bråkdelen av unika sekvenser. Vi får inte glömma att i en naturlig, icke-fragmenterad DNA-molekyl i kromosomen, är alla sektioner som inkluderar unika, måttligt och ofta upprepade sekvenser länkade till en enda gigantisk kovalent DNA-kedja.

DNA-molekyler är heterogena inte bara i områden med olika nukleotidsekvenser, utan skiljer sig också i sin syntetiska aktivitet.

Replikation av eukaryot DNA. Den bakteriella kromosomen replikerar som en strukturell enhet, med en startpunkt för replikering och en slutpunkt. Sålunda är bakteriellt cirkulärt DNA en replikon. Från utgångspunkten fortskrider replikationen i två motsatta riktningar, så att när DNA syntetiseras bildas ett så kallat replikationsöga, avgränsat på båda sidor av replikationsgafflar, vilket är tydligt synligt vid elektronmikroskopisk undersökning av virala och bakteriella replikerande kromosomer .

I eukaryota celler är replikationsorganisationen av en annan natur - polyreplicon.Som redan nämnts, med den pulserade inkluderingen av 3HT, uppträder en multipel märkning i nästan alla mitotiska kromosomer. Detta betyder att det samtidigt finns många replikationsställen och många autonoma replikationsursprung i interfaskromosomen. Detta fenomen studerades mer i detalj med hjälp av autoradiografi av märkta molekyler isolerade från DNA (Fig. 55) Om cellerna var pulsmärkta med 3HT kan man i ett ljusmikroskop på autograferna av isolerat DNA se områden med reducerat silver i formen av streckade linjer. Det är små DNA-sträckor som har lyckats replikera, och mellan dem finns sektioner av oreplicerat DNA som inte lämnade en autoradiograf och därför förblir osynliga. När tiden för kontakt mellan 3HT och cellen ökar, ökar storleken på sådana segment och avståndet mellan dem minskar. Från dessa experiment kan hastigheten för DNA-replikation i eukaryota organismer exakt beräknas. Rörelsehastigheten för replikeringsgaffeln visade sig vara 1-3 kb. per minut hos däggdjur, ca 1 kb. per minut i vissa växter, vilket är mycket lägre än DNA-replikationshastigheten i bakterier (50 kb per minut). I samma experiment bevisades polyreplikonstrukturen för DNA från eukaryota kromosomer direkt: längs längden av det kromosomala DNA:t, längs det, finns det många oberoende replikationsställen - replikoner. Med avståndet mellan mittpunkterna på intilliggande märkningsreplikoner, ᴛ.ᴇ. Genom avståndet mellan två närliggande startpunkter för replikering kan du ta reda på storleken på enskilda repliker. I genomsnitt är replikonstorleken för högre djur cirka 30 µm eller 100 kb. Därför bör det finnas 20 000-30 000 replikoner i den haploida uppsättningen av däggdjur. I lägre eukaryoter är replikonerna mindre, cirka 40 kb. I Drosophila finns det alltså 3500 replikoner per genom, och i jäst – 400. Som nämnts sker DNA-syntes i en replikon i två motsatta riktningar. Detta kan enkelt bevisas med autoradiografi: om celler, efter en pulsmärkning, tillåts fortsätta att syntetisera DNA under en tid i ett medium utan 3HT, kommer dess inkludering i DNA att minska, en utspädning av märkningen kommer att inträffa, och på autoradiograf kommer det att vara möjligt att se symmetriska, på båda sidor av den replikerade regionen, vilket minskar antalet korn av reducerat silver.

De replikerande ändarna eller gafflarna i en replikon slutar att röra sig när de möter gafflarna hos intilliggande replikoner (vid en terminal som är gemensam för intilliggande replikoner). Vid denna tidpunkt kombineras replikerade sektioner av närliggande replikoner till enkla kovalenta kedjor av två nysyntetiserade DNA-molekyler. Den funktionella uppdelningen av kromosom-DNA i replikoner sammanfaller med den strukturella uppdelningen av DNA i domäner eller slingor, vars baser, som redan nämnts, hålls samman av proteinbindningar.

Således sker all DNA-syntes på en enda kromosom på grund av oberoende syntes på många individuella replikoner, följt av sammanfogning av ändarna av intilliggande DNA-segment. Den biologiska innebörden av denna egenskap blir tydlig när man jämför DNA-syntes i bakterier och eukaryoter. Således syntetiseras en bakteriell monoreplikonkromosom med en längd av 1600 mikron med en hastighet av cirka en halvtimme. Om en centimeterlång DNA-molekyl av en däggdjurskromosom också replikerades som en monoreplikonstruktur skulle det ta ungefär en vecka (6 dagar). Men om en sådan kromosom innehåller flera hundra replikoner, tar dess fullständiga replikering bara ungefär en timme. Faktum är att DNA-replikationstiden hos däggdjur är 6-8 timmar. Detta beror på det faktum att inte alla repliker av en viss kromosom tänds samtidigt.

I vissa fall observeras den samtidiga inkluderingen av alla replikoner eller uppkomsten av ytterligare replikationsursprung, vilket gör det möjligt att slutföra syntesen av alla kromosomer på minimalt kort tid. Detta fenomen inträffar tidigt i embryogenesen hos vissa djur. Det är känt att när äggen från klogrodan Xenopus laevis krossas tar DNA-syntesen bara 20 minuter, medan i somatisk cellodling varar denna process ungefär ett dygn. En liknande bild observeras i Drosophila: i de tidiga embryonala stadierna tar hela DNA-syntesen i kärnan 3,5 minuter och i vävnadskulturceller - 600 minuter. Samtidigt visade sig storleken på replikoner i odlingsceller vara nästan 5 gånger större än i embryon.

DNA-syntes längs längden av en enskild kromosom sker ojämnt. Det visade sig att i en individuell kromosom är aktiva replikoner sammansatta i grupper, replikativa enheter, som inkluderar 20-80 replikationsstartpunkter. Detta följde av analysen av DNA-autografer, där exakt sådan blockering av replikerande segment observerades. En annan grund för idén om förekomsten av block eller kluster av replikoner eller replikationsenheter var experiment med införandet av en tymidinanalog, 5'-bromodeoxiuridin (BrdU), i DNA. Inkluderingen av BrdU i interfaskromatin leder till att områden med BrdU under mitos kondenseras i mindre utsträckning (otillräcklig kondensation) än de områden där tymidin ingick. Av denna anledning kommer de regioner av mitotiska kromosomer där BrdU ingår att vara svagt färgade under differentiell färgning. Detta gör det möjligt att bestämma sekvensen för BrdU-inkorporering, ᴛ.ᴇ, i synkroniserade cellkulturer. sekvensen av DNA-syntes längs längden av en kromosom. Det visade sig att införandet av prekursorn i stora delar av kromosomen inträffar. Införandet av olika sektioner sker strikt sekventiellt under S-perioden. Varje kromosom kännetecknas av hög stabilitet i replikationsordningen längs dess längd och har sitt eget specifika replikationsmönster.

Replikonkluster, kombinerade till replikationsenheter, är associerade med nukleära matrisproteiner (se nedan), som tillsammans med replikationsenzymer bildar de sk. klusterosomer är zoner i interfaskärnan där DNA-syntes sker.

Ordningen i vilken replikationsenheter aktiveras kan sannolikt bestämmas av kromatinstrukturen i dessa regioner. Så till exempel replikeras zoner av konstitutivt heterokromatin (nära centromeren) vanligtvis i slutet av S-perioden; även i slutet av S-perioden fördubblas en del av det fakultativa heterokromatinet (till exempel X-kromosomen av kvinnliga däggdjur). Sekvensen för replikering av kromosomsektioner korrelerar särskilt tydligt i tid med mönstret av differentiell färgning av kromosomer: R-segment tillhör tidigt replikerande segment, G-segment motsvarar kromosomsnitt med sen replikation. C-segment (centromerer) är platserna för senaste replikering.

Eftersom storleken och antalet olika grupper av olika färgade segment är olika i olika kromosomer, skapar detta en bild av den asynkrona början och slutet av replikeringen av olika kromosomer som helhet. Hur som helst är sekvensen för början och slutet av replikeringen av enskilda kromosomer i uppsättningen inte slumpmässig. Det finns en strikt sekvens av kromosomreproduktion i förhållande till de andra kromosomerna i uppsättningen.

Varaktigheten av replikeringsprocessen av enskilda kromosomer beror inte direkt på deras storlek. Sålunda är stora mänskliga kromosomer i grupp A (1-3) märkta under hela S-perioden, såväl som kortare kromosomer i grupp B (4-5).

DNA-syntesen i det eukaryota genomet börjar dock nästan samtidigt på alla kromosomer i kärnan i början av S-perioden. Men samtidigt sker sekventiell och asynkron inkludering av olika replikoner både i olika delar av kromosomerna och i olika kromosomer. Replikationssekvensen för en viss genomregion är strikt genetiskt bestämd. Detta sista uttalande bevisas inte bara av mönstret för inkludering av etiketten i olika segment av S-perioden, utan också av det faktum att det finns en strikt sekvens av uppkomsten av toppar i känsligheten hos vissa gener för mutagener under S-perioden. -period.

De huvudsakliga kromatinproteinerna är histoner. Rollen för DNA i sammansättningen av både interfaskromosomer (kromatin i interfaskärnan) och mitotiska kromosomer är ganska tydlig: lagring och implementering av genetisk information. Dessutom, för att utföra dessa funktioner som en del av interfaskärnor, är det extremt viktigt att ha en tydlig strukturell grund, som skulle göra det möjligt att ordna den enorma längden av DNA-molekyler i en strikt ordning, så att processerna för både RNA-syntes och DNA-reduplicering sker med en viss tidssekvens I interfaskärnan når DNA-koncentrationen 100 mg/ml (!). I genomsnitt innehåller däggdjurets interfaskärna cirka 2 m DNA, som är lokaliserat i en sfärisk kärna med en medeldiameter på cirka 10 μm. Detta innebär att en sådan enorm massa DNA på något sätt måste vikas med en packningskoefficient på 1 x 103 - 1 x 104. Och samtidigt måste en viss ordning i arrangemanget av delvis eller helt dekondenserade kromosomer bevaras i kärnan . Och dessutom måste förutsättningarna för kromosomernas ordnade funktion realiseras. Det är uppenbart att alla dessa krav inte kan realiseras i ett strukturlöst, kaotiskt system.

I cellkärnan tillhör kärnproteiner den ledande rollen i att organisera arrangemanget av DNA, i dess kompaktering och reglering av funktionella belastningar. Som redan nämnts är kromatin ett komplex av DNA med proteiner, deoxiribonukleoprotein (DNP), där proteiner står för cirka 60 % av torrvikten. Proteiner i kromatin är mycket olika, men de kan delas in i två grupper: histoner och icke-histonproteiner. Histoner står för upp till 80 % av alla kromatinproteiner. Deras interaktion med DNA sker genom salt- eller jonbindningar och är ospecifik med avseende på sammansättningen eller sekvensen av nukleotider i DNA-molekylen. Trots deras dominans i total kvantitet representeras histoner av en liten mängd proteiner: eukaryota celler innehåller endast 5-7 typer av histonmolekyler. Till skillnad från histoner, den sk. icke-histonproteiner, för det mesta, interagerar specifikt med vissa sekvenser av DNA-molekyler; det finns en mycket stor variation av typer av proteiner som ingår i denna grupp (flera hundra), och en stor variation av funktioner som de utför.

Histoner är associerade med DNA som ett molekylärt komplex, i form av subenheter eller nukleosomer. Tidigare trodde man att DNA var enhetligt täckt med dessa proteiner, vars koppling till DNA bestämdes av histonernas egenskaper.

Histoner är proteiner som endast är karakteristiska för kromatin och har ett antal speciella egenskaper. Dessa är basiska eller alkaliska proteiner, vars egenskaper bestäms av det relativt höga innehållet av basiska aminosyror som lysin och arginin. Det är de positiva laddningarna på aminogrupperna i lysin och arginin som bestämmer saltet eller den elektrostatiska bindningen av dessa proteiner med de negativa laddningarna på fosfatgrupperna i DNA. Denna koppling är ganska labil och bryts lätt; i detta fall kan dissociation av DNP till DNA och histoner inträffa. Av denna anledning är kromatin, deoxiribonukleoprotein, eller som det tidigare kallades nukleohiston, ett komplext nukleinproteinkomplex som inkluderar linjära högpolymera DNA-molekyler och en stor variation av histonmolekyler (upp till 60 miljoner kopior av varje typ av histon). per kärna).

Histoner är de mest biokemiskt studerade proteinerna (se tabell 5).

Tabell 5. Allmänna egenskaper hos däggdjurshistoner

Histoner är relativt små proteiner i molekylvikt. Dessa proteiner har liknande egenskaper i nästan alla eukaryoter; samma klasser av histoner finns. Klasser av histoner skiljer sig från varandra i innehållet av olika basiska aminosyror. Histonerna H3 och H4 klassificeras således som argininrika, på grund av det relativt höga innehållet av denna aminosyra i dem. Dessa histoner är de mest bevarade av alla studerade proteiner: deras aminosyrasekvenser är nästan desamma även i så avlägsna arter som ko och ärta (endast två aminosyrasubstitutioner).

De andra två histonerna, H2A och H2B, är måttligt lysinberikade proteiner. Olika föremål inom dessa histongrupper uppvisar interartsvariationer i deras primära struktur och aminosyrasekvens.

Histon H1 är ingen unik molekyl, utan en klass av proteiner som består av flera ganska närbesläktade proteiner med överlappande aminosyrasekvenser. Dessa histoner visar betydande variationer mellan arter och vävnader. Dessutom är deras gemensamma egenskap att de är berikade med lysin, vilket gör dem till de mest grundläggande proteinerna som lätt kan separeras från kromatin i saltlösningar (0,5 M). I lösningar med hög jonstyrka (1-2 M NaCl) separeras alla histoner helt från DNA och går i lösning.

Histoner av alla klasser (särskilt H1) kännetecknas av en klusterfördelning av basiska aminosyror, lysin och arginin, vid molekylernas N- och C-terminaler. Mellansektionerna av histonmolekyler bildar flera (3-4) a-spiralformade sektioner, som komprimeras till en globulär struktur under isotoniska förhållanden (Fig. 56). Tydligen är de icke-spiralformade ändarna av histonproteinmolekyler, rika på positiva laddningar, ansvariga för deras koppling till varandra och med DNA.

I histon H1 är den mest varierande N-terminalen, som kommunicerar med andra histoner, och C-terminalen, rik på lysin, interagerar med DNA.

Under celllivet kan posttranslationella förändringar (modifieringar) av histoner inträffa: acetylering och metylering av vissa lysinrester, vilket leder till förlust av antalet positiva laddningar, och fosforylering av serinrester, vilket leder till uppkomsten av en negativ laddning . Acetylering och fosforylering av histoner måste vara reversibla. Dessa modifieringar förändrar väsentligt egenskaperna hos histoner och deras förmåga att binda DNA. Således föregår ökad histonacetylering genaktivering, och fosforylering och defosforylering är associerade med kromatinkondensation respektive dekondensering.

Histoner syntetiseras i cytoplasman, transporteras till kärnan och binder till DNA under dess replikation under S-perioden, ᴛ.ᴇ. histon- och DNA-syntes är synkroniserade. När en cell stoppar DNA-syntesen sönderdelas histonbudbärar-RNA inom några minuter och histonsyntesen stoppas. Histoner som ingår i kromatin är mycket stabila och har en låg ersättningsgrad.

Uppdelningen av histoner i fem grupper och deras tillräckliga likhet inom varje grupp är i allmänhet karakteristisk för eukaryoter. Dessutom observeras ett antal skillnader i sammansättningen av histoner i både högre och lägre eukaryota organismer. Hos lägre ryggradsdjur finns alltså histon H5 i erytrocyter, som innehåller mer arginin och serin, istället för H1, som är karakteristiskt för alla vävnader i dessa organismer. Å andra sidan finns det en frånvaro av vissa grupper av histoner i ett antal eukaryoter, och i ett antal fall en fullständig ersättning av dessa proteiner med andra.

Histonliknande proteiner har hittats i virus, bakterier och mitokondrier. Så till exempel i E. coli finns proteiner (HU och H-NS) i stora mängder i cellen, vilket påminner om histoner i aminosyrasammansättningen.

Funktionella egenskaper hos histoner. Den breda fördelningen av histoner, deras likhet även i mycket avlägsna arter, deras obligatoriska införande i kromosomerna, allt detta indikerar deras extremt viktiga roll i cellernas liv. Redan innan upptäckten av nukleosomer fanns det två komplementära grupper av hypoteser om histonernas funktionella roll, deras reglerande och strukturella roller.

Det upptäcktes att isolerat kromatin, när RNA-polymeras tillsätts till det, borde vara en mall för transkription, men dess aktivitet är endast cirka 10 % av aktiviteten som motsvarar aktiviteten hos isolerat rent DNA. Denna aktivitet ökar successivt när histongrupper tas bort och kan nå 100 % när histoner tas bort helt. Av detta kan man dra slutsatsen att det totala histoninnehållet kan reglera nivån av transkription. Denna observation överensstämmer med det faktum att när histoner, särskilt H1, tas bort, sker progressiv dekondensation och utveckning av DNP-fibriller, vilket möjligen underlättar interaktionen av RNA-polymeras med mall-DNA. Man fann också att histonmodifiering leder till ökad transkription och samtidig dekomprimering av kromatin. Följaktligen antyder slutsatsen att histonernas kvantitativa och kvalitativa tillstånd påverkar graden av kompakthet och aktivitet hos kromatin. Samtidigt förblev frågan öppen om specificiteten hos de reglerande egenskaperna hos histoner: vilken roll har histoner i syntesen av specifika mRNA i olika differentierade celler. Detta problem har ännu inte lösts, även om vissa generaliseringar kan göras: de grupper av histoner som är minst bevarade, såsom H 1 eller H 2 A och H 2 B, som kan modifieras avsevärt och därmed ändra sina egenskaper i vissa regioner av genomet.

Histonernas strukturella, kompakterande roll i kromatinorganisationen var också uppenbar. Således leder den gradvisa tillsatsen av en histonfraktion till lösningar av rent DNA till utfällning av DNP-komplexet, och vice versa leder partiellt avlägsnande av histoner från kromatinberedningar till dess övergång till ett lösligt tillstånd. Å andra sidan, i cytoplasmatiska extrakt av amfibieoocyter eller sjöborreägg som innehåller fria histoner, leder tillsatsen av eventuellt DNA (inklusive fag) till bildandet av kromatinfibriller (CFP), vars längd är flera gånger kortare än originalet. DNA. Dessa data indikerar en strukturell, komprimerande roll för histoner. För att enorma centimeterlånga DNA-molekyler ska kunna staplas längs längden av en kromosom, som bara är några mikrometer stor, måste DNA-molekylen på något sätt vridas, komprimeras med en packningsdensitet på 1: 10 000. Det visade sig att i processen med DNA-komprimering finns det flera förpackningsnivåer, varav de första bestäms direkt av interaktionen mellan histoner och DNA.

Den första nivån av DNA-komprimering. Tidiga biokemiska och elektronmikroskopistudier visade att DNP-preparat innehåller filamentösa strukturer med en diameter på 5 till 50 nm. Det blev gradvis uppenbart att diametern på kromatinfibrillerna beror på metoden för läkemedelsisolering.

Ultratunna sektioner av interfaskärnor och mitotiska kromosomer efter fixering med glutaraldehyd avslöjade kromatiserade fibriller 30 nm tjocka. Kromatinfibriller hade samma dimensioner under fysisk fixering av kärnor - med snabb frysning av kärnor, avhuggning av föremålet och erhållande av repliker från sådana preparat. I det senare fallet uteslöts effekten av varierande kemiska betingelser på kromatin. Men alla dessa

Kromatinets struktur och kemi - koncept och typer. Klassificering och funktioner i kategorin "Kromatinets struktur och kemi" 2017, 2018.

Kromatin, huvudkomponenten i cellkärnan, är ganska lätt att få från isolerade interfaskärnor och från isolerade mitotiska kromosomer. För att göra detta använder de sin förmåga att gå in i ett löst tillstånd under extraktion med vattenlösningar med låg jonstyrka eller helt enkelt avjoniserat vatten. I det här fallet sväller delar av kromatin och förvandlas till en gel. För att omvandla sådana läkemedel till riktiga lösningar krävs starka mekaniska influenser: skakning, omrörning, ytterligare homogenisering. Detta leder naturligtvis till en partiell förstörelse av den ursprungliga kromatinstrukturen, krossning av den till små fragment, men praktiskt taget inte ändra dess kemiska sammansättning.

Tabell 3. Kemisk sammansättning av kromatin. Protein- och RNA-innehåll anges i förhållande till DNA

I genomsnitt är cirka 40 % av kromatinet DNA och cirka 60 % är proteiner, inklusive specifika nukleära proteiner - histoner, utgör från 40 till 80 % av alla proteiner som utgör det isolerade kromatinet. Dessutom inkluderar kromatinfraktionen membrankomponenter, RNA, kolhydrater, lipider och glykoproteiner. Frågan om hur mycket dessa mindre komponenter ingår i kromatinstrukturen är ännu inte löst. Således kan till exempel RNA vara transkriberat RNA som ännu inte har förlorat sin koppling till DNA-mallen. Andra mindre komponenter kan representera substanser från samutfällda fragment av kärnmembranet.

Strukturellt sett är kromatin ett trådliknande komplex av deoxiribonukleoprotein (DNP)-molekyler, som består av DNA associerat med histoner (se fig. 57). Därför har ett annat namn för kromatin slagit rot - nukleohiston. Det är på grund av associeringen av histoner med DNA som mycket labila, variabla nukleinsyra-histonkomplex bildas, där DNA:histonförhållandet är ungefär ett, d.v.s. de finns i lika stora mängder. Dessa filamentösa DNP-fibriller är elementära kromosomala eller kromatinfilament, vars tjocklek, beroende på graden av DNA-förpackning, kan variera från 10 till 30 nm. Dessa DNP-fibriller kan i sin tur komprimeras ytterligare för att bilda högre nivåer av DNP-strukturering, upp till den mitotiska kromosomen. Rollen för vissa icke-histonproteiner är just i bildandet av höga nivåer av kromatinkomprimering.

DNA-kromatin

I ett kromatinpreparat står DNA vanligtvis för 30-40%. Detta DNA är en dubbelsträngad spiralformad molekyl, liknande ren isolerad DNA i vattenlösningar. Detta bevisas av många experimentella data. Sålunda, när kromatinlösningar värms upp, observeras en ökning av lösningens optiska densitet, den så kallade hyperkroma effekten associerad med brytningen av internukleotidvätebindningar mellan DNA-kedjor, liknande vad som händer när rent DNA upphettas (smältas) .

Frågan om storleken och längden på DNA-molekyler i kromatin är viktig för att förstå kromosomens struktur som helhet. Med användning av standardmetoder för DNA-isolering har kromatin en molekylvikt på 7-9 x 10 6, vilket är betydligt mindre än molekylvikten för DNA från Escherichia coli (2,8 x 10 9). En sådan relativt låg molekylvikt av DNA från kromatinberedningar kan förklaras av mekanisk skada på DNA under processen med kromatinisolering. Om DNA isoleras under förhållanden som utesluter skakning, homogenisering och annan påverkan, är det möjligt att få mycket långa DNA-molekyler från celler. Längden på DNA-molekyler från kärnorna och kromosomerna i eukaryota celler kan studeras med den ljusoptiska autoradiografimetoden, precis som den studerades på prokaryota celler.

Efter mild lysis av eukaryota celler kan molekylvikterna för DNA direkt bestämmas med fysikalisk-kemiska metoder. Det har visat sig att den maximala molekylvikten för en Drosophila DNA-molekyl är 41 x 10 9, vilket motsvarar en längd på cirka 2 cm. I vissa jästsvampar finns en DNA-molekyl per kromosom med en molekylvikt på 1 x 10 8 -10 9, som mäter ca 0,5 mm .

Så långt DNA är en enda molekyl, och inte flera kortare, sammanfogade i en fil med hjälp av proteinbindningar, som vissa forskare trodde. Denna slutsats kom efter att det visade sig att längden på DNA-molekyler inte förändras efter behandling av läkemedel med proteolytiska enzymer.

Vissa amfibier har 10-30 gånger mer DNA i sina kärnor än i mänskliga kärnor, även om människans genetiska konstitution är ojämförligt mer komplex än hos grodor. Därför kan det antas att den "överskottsmängden" av DNA i lägre organiserade organismer antingen inte är associerad med uppfyllandet av en genetisk roll, eller så upprepas antalet gener ett eller annat antal gånger.

Tabell 4. DNA-innehåll i cellerna i vissa föremål (sid, 10 -12 g)

Det visade sig vara möjligt att lösa dessa problem genom att studera kinetiken för reaktionen av renaturering eller DNA-hybridisering. Om fragmenterade DNA-molekyler i lösningar utsätts för termisk denaturering och sedan inkuberas vid en temperatur som är något lägre än den vid vilken denaturering sker, återställs den ursprungliga dubbelsträngade strukturen av DNA-fragment på grund av återföreningen av komplementära kedjor - renaturering. För DNA-virus och prokaryota celler visades det att hastigheten för sådan renaturering direkt beror på storleken på genomet; ju större genomet, desto större mängd DNA per partikel eller cell, desto mer tid behövs för det slumpmässiga tillvägagångssättet för komplementära kedjor och den specifika reassocieringen av ett större antal DNA-fragment med olika nukleotidsekvens (fig. 53). Naturen hos DNA-reassociationskurvan för prokaryota celler indikerar frånvaron av upprepade bassekvenser i det prokaryota genomet; alla sektioner av deras DNA bär unika sekvenser, vars antal och mångfald återspeglar graden av komplexitet hos objektens genetiska sammansättning och följaktligen deras allmänna biologiska organisation.

En helt annan bild av DNA-reassociation observeras i eukaryota organismer. Det visade sig att deras DNA innehåller fraktioner som renatureras i en mycket högre hastighet än vad man kan förvänta sig baserat på storleken på deras genom, samt en del av DNA som renatureras långsamt, som de unika DNA-sekvenserna av prokaryoter. Emellertid kräver eukaryoter betydligt mer tid för att renaturera denna fraktion, som är associerad med den övergripande stora storleken på deras genom och det stora antalet olika unika gener.

I den del av eukaryot DNA som kännetecknas av en hög renatureringshastighet särskiljs två subfraktioner: 1) en fraktion med mycket eller ofta upprepade sekvenser, där liknande DNA-sektioner kan upprepas 10 6 gånger; 2) en bråkdel av måttligt repetitiva sekvenser som förekommer 102-103 gånger i genomet. Hos möss inkluderar således fraktionen av DNA med ofta upprepade sekvenser 10 % av den totala mängden DNA per genom och 15 % står för fraktionen med måttligt upprepade sekvenser. De återstående 75 % av allt mus-DNA representeras av unika regioner som motsvarar ett stort antal olika icke-repeterande gener.

Fraktioner med mycket upprepade sekvenser kan ha en annan flyttäthet än DNA-massan och kan därför isoleras i ren form som så kallade fraktioner satellit-DNA. Hos musen har denna fraktion en densitet på 1,691 g/ml, och huvuddelen av DNA:t är 1,700 g/ml. Dessa densitetsskillnader bestäms av skillnader i nukleotidsammansättning. Till exempel, i en mus finns det 35 % G- och C-par i denna fraktion och 42 % i huvud-DNA-toppen.

Som det visade sig är satellit-DNA, eller den del av DNA med ofta upprepade sekvenser, inte involverad i syntesen av huvudtyperna av RNA i cellen och är inte associerad med processen för proteinsyntes. Denna slutsats gjordes utifrån det faktum att ingen av cell-RNA-typerna (tRNA, mRNA, rRNA) hybridiserar med satellit-DNA. Följaktligen innehåller dessa DNA inte sekvenser som är ansvariga för syntesen av cellulärt RNA, dvs. satellit-DNA är inte mallar för RNA-syntes och är inte involverade i transkription.

Det finns en hypotes att mycket repetitiva sekvenser som inte är direkt involverade i proteinsyntes kan bära information som spelar en viktig strukturell roll i underhållet och funktionen av kromosomer. Dessa kan inkludera många sektioner av DNA associerade med kärnproteinerna i interfaskärnan (se nedan), platser vid ursprunget för replikation eller transkription, såväl som sektioner av DNA som reglerar dessa processer.

Använda metoden för hybridisering av nukleinsyror direkt på kromosomer ( på plats) lokaliseringen av denna fraktion studerades. För att göra detta syntetiserades RNA märkt med 3H-uridin på isolerat satellit-DNA med användning av bakteriella enzymer. Sedan utsattes det cytologiska preparatet med kromosomer för sådan behandling att DNA-denaturering uppstår (förhöjd temperatur, alkalisk miljö etc.). Efter detta placerades 3H-märkt RNA på beredningen och hybridisering mellan DNA och RNA uppnåddes. Autoradiografi avslöjade att det mesta av märkningen är lokaliserad i zonen med primära sammandragningar av kromosomer, i zonen av deras centromera regioner. Märket detekterades även i andra regioner av kromosomerna, men mycket svagt (fig. 54).

Under de senaste 10 åren har stora framsteg gjorts i studierna centromeriskt DNA, speciellt i jästceller. Så gör S. cerevisiae Centromeriskt DNA består av repeterande regioner på 110 bp. Den består av två konserverade regioner (I och III) och ett centralt element (II), berikat med AT-baspar. Drosophila-kromosomer har en liknande centromer-DNA-struktur. Humant centromeriskt DNA (alfoid satellit-DNA) består av en tandem av 170 bp monomerer organiserade i grupper av dimerer eller pentamerer, som i sin tur bildar stora sekvenser på 1-6 x 10 3 bp. Denna största enhet upprepas 100-1000 gånger. Speciella centromera proteiner är komplexbundna med detta specifika centromera DNA och är involverade i bildningen kinetochore, en struktur som säkerställer kopplingen av kromosomer med spindelmikrotubuli och i rörelsen av kromosomer i anafas (se nedan).

DNA med mycket repetitiva sekvenser har också hittats i telomera regioner kromosomer från många eukaryota organismer (från jäst till människor). Upprepningar finns oftast här, som inkluderar 3-4 guanin nukleotider. Hos människor innehåller telomerer 500-3000 TTAGGG-repetitioner. Dessa sektioner av DNA har en speciell roll - att begränsa ändarna av kromosomen och förhindra dess förkortning under processen med upprepad replikation.

Som det visade sig, hör andelen av måttligt upprepade (från 10 2 till 10 5 gånger) sekvenser till en brokig klass av DNA-regioner som spelar en viktig roll i processerna för att skapa proteinsyntesapparaten. Denna fraktion inkluderar ribosomala DNA-gener, som kan upprepas 100 till 1000 gånger i olika arter. Denna fraktion inkluderar många gånger upprepade regioner för syntes av alla tRNA. Dessutom kan vissa strukturella gener som är ansvariga för syntesen av vissa proteiner också upprepas många gånger, representerade av många kopior. Dessa är generna för kromatinproteiner - histoner, upprepade upp till 400 gånger.

Dessutom inkluderar denna fraktion DNA-sektioner med olika sekvenser (100-400 nukleotidpar vardera), också upprepade många gånger, men utspridda i genomet. Deras roll är ännu inte helt klar. Det har föreslagits att sådana DNA-sektioner kan representera acceptor- eller regulatoriska regioner av olika gener.

Så, DNA:t från eukaryota celler är heterogent i sammansättning, innehållande flera klasser av nukleotidsekvenser: ofta upprepade sekvenser (> 10 6 gånger), inkluderade i satellit-DNA-fraktionen och inte transkriberade; en bråkdel av måttligt repetitiva sekvenser (102-105), som representerar block av verkliga gener, såväl som korta sekvenser utspridda genom genomet; en bråkdel av unika sekvenser som bär information för majoriteten av cellproteiner.

Baserat på dessa idéer blir skillnaderna i mängden DNA som observeras i olika organismer tydliga: de kan vara associerade med en ojämlik andel av vissa klasser av DNA i organismernas genom. Så till exempel i en amfibie Amphiuma(som har 20 gånger mer DNA än människor) repeterande sekvenser står för upp till 80% av det totala DNA, i lök - upp till 70, i lax - upp till 60%, etc. Den sanna rikedomen av genetisk information bör återspeglas av bråkdelen av unika sekvenser. Vi får inte glömma att i en naturlig, icke-fragmenterad DNA-molekyl i kromosomen, är alla regioner som inkluderar unika, måttligt och ofta upprepade sekvenser länkade till en enda gigantisk kovalent DNA-kedja.

DNA-molekyler är heterogena inte bara i områden med olika nukleotidsekvenser, utan skiljer sig också i sin syntetiska aktivitet.

Eukaryot DNA-replikation

Den bakteriella kromosomen replikerar som en strukturell enhet, med en startpunkt för replikering och en slutpunkt. Således är bakteriellt cirkulärt DNA ett replikon. Från utgångspunkten fortskrider replikationen i två motsatta riktningar, så att när DNA syntetiseras bildas ett så kallat replikationsöga, avgränsat på båda sidor av replikationsgafflar, vilket är tydligt synligt vid elektronmikroskopisk undersökning av virala och bakteriella replikerande kromosomer .

I eukaryota celler är replikationsorganisationen av en annan karaktär - polyreplicon.Som redan nämnts, med den pulserade inkluderingen av 3HT, uppträder en multipel märkning i nästan alla mitotiska kromosomer. Detta betyder att det samtidigt finns många replikationsställen och många autonoma replikationsursprung i interfaskromosomen. Detta fenomen studerades mer i detalj med hjälp av autoradiografi av märkta molekyler isolerade från DNA (Fig. 55) Om cellerna var pulsmärkta med 3 HT kan man i ett ljusmikroskop på autograferna av isolerat DNA se områden med reducerat silver i form av prickade linjer. Det är små DNA-sträckor som har lyckats replikera, och mellan dem finns sektioner av oreplicerat DNA som inte lämnade en autoradiograf och därför förblir osynliga. När kontakttiden för 3 NT med cellen ökar, ökar storleken på sådana segment och avståndet mellan dem minskar. Från dessa experiment kan hastigheten för DNA-replikation i eukaryota organismer exakt beräknas. Rörelsehastigheten för replikeringsgaffeln visade sig vara 1-3 kb. per minut hos däggdjur, ca 1 kb. per minut i vissa växter, vilket är mycket lägre än DNA-replikationshastigheten i bakterier (50 kb per minut). I samma experiment bevisades polyreplikonstrukturen för DNA från eukaryota kromosomer direkt: längs längden av det kromosomala DNA:t, längs det, finns det många oberoende replikationsställen - replikoner. Enligt avståndet mellan mittpunkterna av intilliggande märkningsreplikoner, dvs. Baserat på avståndet mellan två intilliggande replikeringsstartpunkter kan storleken på individuella repliker bestämmas. I genomsnitt är replikonstorleken för högre djur cirka 30 µm eller 100 kb. Därför bör det finnas 20 000-30 000 replikoner i den haploida uppsättningen av däggdjur. I lägre eukaryoter är replikonerna mindre, cirka 40 kb. I Drosophila finns det alltså 3500 replikoner per genom, och i jäst – 400. Som nämnts sker DNA-syntes i en replikon i två motsatta riktningar. Detta kan enkelt bevisas med autoradiografi: om celler, efter en pulsmärkning, tillåts fortsätta att syntetisera DNA under en tid i ett medium utan 3 HT, då kommer dess inkludering i DNA att minska, en utspädning av märkningen kommer att ske, och på autoradiografen kommer det att vara möjligt att se ett symmetriskt mönster på båda sidor av det replikerade området, vilket minskar antalet korn av reducerat silver.

Sålunda sker all DNA-syntes på en enda kromosom genom oberoende syntes på många individuella replikoner, följt av sammanfogning av ändarna av intilliggande DNA-segment. Den biologiska innebörden av denna egenskap blir tydlig när man jämför DNA-syntes i bakterier och eukaryoter. Således syntetiseras en bakteriell monoreplikonkromosom med en längd av 1600 mikron med en hastighet av cirka en halvtimme. Om en centimeterlång DNA-molekyl av en däggdjurskromosom också replikerades som en monoreplikonstruktur skulle det ta ungefär en vecka (6 dagar). Men om en sådan kromosom innehåller flera hundra replikoner, tar dess fullständiga replikering bara ungefär en timme. Faktum är att DNA-replikationstiden hos däggdjur är 6-8 timmar. Detta beror på det faktum att inte alla repliker av en enskild kromosom är aktiverade samtidigt.

I vissa fall observeras den samtidiga inkluderingen av alla replikoner eller uppkomsten av ytterligare replikationsursprung, vilket gör det möjligt att slutföra syntesen av alla kromosomer på minimalt kort tid. Detta fenomen inträffar tidigt i embryogenesen hos vissa djur. Det är känt att när man krossar äggen av klogrodor Xenopus laevis DNA-syntes tar bara 20 minuter, medan i somatisk cellodling varar denna process ungefär en dag. En liknande bild observeras i Drosophila: i de tidiga embryonala stadierna tar hela DNA-syntesen i kärnan 3,5 minuter och i vävnadskulturceller - 600 minuter. Samtidigt visade sig storleken på replikoner i odlingsceller vara nästan 5 gånger större än i embryon.

DNA-syntes sker ojämnt längs längden av en enskild kromosom. Det visade sig att i en individuell kromosom är aktiva replikoner sammansatta i grupper, replikativa enheter, som inkluderar 20-80 replikationsstartpunkter. Detta följde av analysen av DNA-autografer, där exakt sådan blockering av replikerande segment observerades. En annan grund för idén om förekomsten av block eller kluster av replikoner eller replikationsenheter var experiment med införandet av en tymidinanalog, 5'-bromodeoxiuridin (BrdU), i DNA. Inkluderingen av BrdU i interfaskromatin leder till att områden med BrdU under mitos kondenseras i mindre utsträckning (otillräcklig kondensation) än de områden där tymidin ingick. Därför kommer de regioner av mitotiska kromosomer där BrdU ingår att vara svagt färgade under differentiell färgning. Detta gör det möjligt att bestämma sekvensen för BrdU-inkorporering med användning av synkroniserade cellkulturer, dvs. sekvens av DNA-syntes längs längden av en kromosom. Det visade sig att införandet av prekursorn i stora delar av kromosomen inträffar. Införandet av olika sektioner sker strikt sekventiellt under S-perioden. Varje kromosom kännetecknas av hög stabilitet i replikationsordningen längs dess längd och har sitt eget specifika replikationsmönster.

Kluster av replikoner, kombinerade till replikationsenheter, är associerade med nukleära matrisproteiner (se nedan), som tillsammans med replikationsenzymer bildar de sk. klusterosomer är zoner i interfaskärnan där DNA-syntes sker.

Ordningen i vilken replikationsenheter aktiveras kan sannolikt bestämmas av kromatinstrukturen i dessa regioner. Till exempel replikeras vanligtvis zoner av konstitutivt heterokromatin (nära centromeren) i slutet av S-perioden; även i slutet av S-perioden fördubblas en del av det fakultativa heterokromatinet (till exempel X-kromosomen hos honor) däggdjur). Sekvensen för replikering av kromosomsektioner korrelerar särskilt tydligt i tid med mönstret av differentiell färgning av kromosomer: R-segment tillhör tidigt replikerande segment, G-segment motsvarar kromosomsnitt med sen replikation. C-segment (centromerer) är platserna för senaste replikering.

Således börjar DNA-syntesen i det eukaryota genomet nästan samtidigt på alla kromosomer i kärnan i början av S-perioden. Men samtidigt sker sekventiell och asynkron inkludering av olika replikoner både i olika delar av kromosomerna och i olika kromosomer. Replikationssekvensen för en viss genomregion är strikt genetiskt bestämd. Detta sista uttalande bevisas inte bara av mönstret för inkludering av etiketten i olika segment av S-perioden, utan också av det faktum att det finns en strikt sekvens av uppkomsten av toppar i känsligheten hos vissa gener för mutagener under S-perioden. -period.

Kärnkromatinär ett komplex av deoxiribonukleinsyror med proteiner, där DNA är i olika grader av kondensation.

Med ljusmikroskopi framträder kromatin som oregelbundet formade klumpar som inte har tydliga gränser och är färgade med grundläggande färgämnen. Svagt och starkt kondenserade zoner av kromatin övergår smidigt till varandra. Baserat på elektron- och ljusoptisk densitet särskiljs elektrontät, ljust färgad heterokromatin och mindre färgad, mindre elektrontät eukromatin.

Heterokromatin är en zon av mycket kondenserad DNA associerad med histonproteiner. Under elektronmikroskopi är mörka, oregelbundet formade klumpar synliga.

Heterokromatin är en tätt packad samling nukleosomer. Heterokromatin, beroende på dess placering, delas in i parietal, matrix och perinukleär.

Parietal heterokromatin ligger intill kärnhöljets inre yta, matrisheterokromatin är fördelat i karyoplasmamatrisen och perinukleärt heterokromatin är intill nukleolen.

Eukromatin är en region med svagt kondenserad DNA. Eukromatin motsvarar regioner av kromosomer som har blivit diffusa, men det finns ingen tydlig gräns mellan kondenserat och dekondenserat kromatin. Mestadels är icke-histonproteiner associerade med nukleinsyror i eukromatin, men det finns också histoner som bildar nukleosomer, som är löst fördelade mellan sektioner av icke-kondenserat DNA. Icke-histonproteiner uppvisar mindre uttalade grundläggande egenskaper, är mer olika i kemisk sammansättning och är mycket mer varierande i upplösning. De deltar i transkription och reglerar denna process. På nivån för transmissionselektronmikroskopi är eukromatin en struktur med låg elektrondensitet som består av fina granulära och fina fibrillära strukturer.

Nukleosomer är komplexa deoxiribonukleoproteinkomplex som innehåller DNA och proteiner med en diameter på cirka 10 nm. Nukleosomer består av 8 proteiner - histoner H2a, H2b, H3 och H4, arrangerade i 2 rader.

Runt det makromolekylära proteinkomplexet bildar DNA-fragmentet 2,5 spiralformade varv och täcker 140 nukleotidpar. Denna del av DNA kallas kärna och betecknas kärn-DNA (nDNA). Regionen av DNA mellan nukleosomer kallas ibland en linker. Linkerregioner upptar cirka 60 baspar och betecknas iDNA.

Histoner är lågmolekylära, evolutionärt konserverade proteiner med distinkta grundläggande egenskaper. De kontrollerar läsningen av genetisk information. I nukleosomens region blockeras transkriptionsprocessen, men vid behov kan DNA-spiralen "vinda av" och nukleär RNA-polymerisation aktiveras runt den. Således är histoner viktiga som proteiner som styr implementeringen av det genetiska programmet och cellens specifika funktionella aktivitet.

Både eukromatin och heterokromatin har en nukleosomal organisationsnivå. Men om histon H1 är fäst vid länkområdet, förenas nukleosomerna med varandra, och ytterligare kondensation (komprimering) av DNA sker med bildandet av grova konglomerat - heterokromatin. I eukromatin sker ingen signifikant DNA-kondensation.

DNA-kondensering kan uppstå som en superkula eller solenoid. I det här fallet ligger åtta nukleosomer kompakt intill varandra och bildar en superkula. I både solenoidmodellen och superpärlan ligger nukleosomerna med största sannolikhet i en spiral.

DNA kan bli ännu mer kompakt och bilda kromomerer. I kroomeren kombineras deoxiribonukleoproteinfibriller till slingor som hålls samman av icke-histonproteiner. Kromomerer kan lokaliseras mer eller mindre kompakt. Kromomerer blir ännu mer kondenserade under mitos och bildar ett kromonem (trådliknande struktur). Kromoner är synliga under ett ljusmikroskop, bildas i mitosprofas och deltar i bildandet av kromosomer, arrangerade i ett spiralarrangemang.

Det är bekvämare att studera kromosomernas morfologi när de är som mest kondenserade i metafas och i början av anafas. I detta tillstånd är kromosomerna formade som stavar av varierande längd, men med en ganska konstant tjocklek. I dem är den primära förträngningszonen tydligt synlig, som delar kromosomen i två armar.

Vissa kromosomer innehåller en sekundär förträngning. Den sekundära förträngningen är en nukleolär organisatör, eftersom det under interfas är i dessa områden som nukleoler bildas.

Centromerer, eller kinetokorer, är fästa vid området för den primära förträngningen. Kinetochore är en diskoid platta. Kinetochorerna är förenade med mikronät, som är anslutna till centriolerna. Mikrotubuli "drar isär" kromosomer i mitos.

Kromosomer kan variera avsevärt i storlek och armförhållande. Om axlarna är lika eller nästan lika, då är de metacentriska. Om en av armarna är mycket kort (nästan omärklig), är en sådan kromosom akrocentrisk. Den submetacentriska kromosomen intar en mellanposition. Kromosomer med sekundära förträngningar kallas ibland satellitkromosomer.

Barr-kroppar (könskromatin) är speciella kromatinstrukturer som oftare finns i celler hos kvinnor. I neuroner är dessa kroppar belägna nära kärnan. I epitelet ligger de nära väggarna och har en oval form; i neutrofiler sticker de ut i cytoplasman i form av en "trumpinne", och i neuroner har de en rund form. De finns i 90% av kvinnliga och endast 10% av manliga celler. Barr-kroppen motsvarar en av X-könskromosomerna, som tros vara i ett kondenserat tillstånd. Identifiering av Barr-kroppar är viktigt för att bestämma ett djurs kön.

Perikromatin och interkromatinfibriller finns i den karyoplasmatiska matrisen och ligger antingen nära kromatinet (perikromatin) eller utspridda (interkromatin). Det antas att dessa fibriller är svagt kondenserade ribonukleinsyror fångade i ett snett eller längsgående snitt.

Perikromatingranulat är partiklar med en storlek på 30...50 nm, hög elektrondensitet. De ligger i periferin av heterochromatin och innehåller DNA och proteiner; detta är en lokal region med tätt packade nukleosomer.

Interkromatingranulat har en hög elektrondensitet, en diameter på 20...25 nm och är en samling ribonukleinsyror och enzymer. Dessa kan vara ribosomala subenheter som transporteras till kärnhöljet.

Om du hittar ett fel, markera en text och klicka Ctrl+Enter.

Kromatin är substansen i kromosomer - ett komplex av DNA, RNA och proteiner. Kromatin finns inuti kärnan i eukaryota celler och är en del av nukleoiden i prokaryoter. Det är i sammansättningen av kromatin som genetisk information realiseras, liksom DNA-replikation och reparation.

När man observerar vissa levande celler, särskilt växtceller eller celler efter fixering och färgning, avslöjas zoner av tätt material inuti kärnan. Kromatin består av DNA i komplex med protein. I interfasceller kan kromatin jämnt fylla kärnans volym eller vara lokaliserat i separata klumpar (kromocenter). Ofta är det särskilt tydligt synligt i kärnans periferi (parietal kromatin nära membran) eller bildar sammanvävningar av ganska tjocka (cirka 0,3 μm) och långa strängar inuti kärnan, som bildar ett sken av en intranukleär kedja.

Kromatinet i interfaskärnor är en DNA-bärande kropp (kromosomer), som vid denna tidpunkt förlorar sin kompakta form, lossnar och dekondenserar. Graden av sådan kromosomdekondensering kan variera i kärnorna i olika celler. När en kromosom eller en del av den är helt dekondenserad, kallas dessa zoner diffust kromatin. När kromosomerna är ofullständigt lossnade är områden av kondenserad kromatin (ibland kallad heterokromatin) synliga i interfaskärnan. Det har visat sig att graden av dekondensering av kromosomalt material i interfas kan återspegla den funktionella belastningen av denna struktur. Ju mer diffust kromatinet i interfaskärnan är, desto högre är syntetiska processer i den. En minskning av RNA-syntes i celler åtföljs vanligtvis av en ökning av zoner av kondenserad kromatin.

Kromatin kondenseras till sitt maximum under mitotisk celldelning, när det finns i form av täta kroppar - kromosomer. Under denna period bär kromosomerna inga syntetiska belastningar; DNA- och RNA-prekursorer är inte inkorporerade i dem.

I arbetstillståndet, delvis eller helt dekondenserat, när processerna för transkription och reduplicering sker med deras deltagande i interfaskärnan;

Inaktiv - i ett tillstånd av metabolisk vila vid maximal kondensation, när de utför funktionen att distribuera och överföra genetiskt material till dotterceller.

Kemiskt sett är kromatinberedningar komplexa komplex av deoxiribonukleoproteiner, som inkluderar DNA och speciella kromosomala proteiner - histoner. RNA hittades också i kromatin. I kvantitativa termer återfinns DNA, protein och RNA som 1: 1, 3: 0, 2. Det finns ännu inte tillräckligt med entydiga data om betydelsen av RNA i kromatins sammansättning. Det är möjligt att detta RNA representerar en läkemedelsrelaterad funktion av det syntetiserade RNA:t och därför delvis är associerat med DNA, eller så är det en speciell typ av RNA som är karakteristisk för kromatinstrukturen.

Kromatinkondensationsschema:

Parameternamn	Menande
Artikelns ämne:	Kromatin
Rubrik (tematisk kategori)	Biologi

Kärnkraftsjuice

Kärnhölje

Uppgift nr 1

Ämne 5 Cellkärna

1. Läs utbildningsmaterialet nedan.

2. Analysera tabeller från applikationen

3.Svara självkontrollfrågor.

Kärnstruktur

Kärnan är den viktigaste komponenten i cellen.

Funktioner:

1.Lagring och reproduktion av ärftlig information.

2. Reglering av alla metaboliska processer i cellen.

Kärnan i en eukaryot cell kan ha en annan form: rund, elliptisk, avlång; det beror på typen av växt och djur, såväl som på cellens typ, ålder och funktionella tillstånd.

Som regel har en cell en kärna. Samtidigt är flerkärniga celler kända, vissa specialiserade eukaryota celler saknar kärna.

Kärnan i en eukaryot cell består av:

Kärnhölje

Kärnkraftsjuice

Kromatin

Separerar kärnan från cytoplasman, säkerställer dess integritet och förbinder samtidigt kärnan med andra delar av cellen.

Kärnhöljet består av två membran: yttre och inre. Det yttre membranet bildar utsprång genom vilka det ansluter till ER-kanalerna. Ribosomer är fästa vid den; det inre membranet i kontakt med karyoplasman saknar dem. Kärnhöljet innehåller många porer genom vilka molekyler utbyts mellan kärnan och cytoplasman. Området mellan de två membranen kallas vanligtvis det perinukleära utrymmet, det förbinder kärnan med ER. På grund av närvaron av porer som ger selektiv insikt, styr kärnhöljet utbytet av ämnen mellan kärnan och cytoplasman

Det halvflytande ämnet, som ligger under kärnhöljet, representerar kärnans inre miljö. Den innehåller vatten, proteiner, inkl. de flesta nukleära enzymer, kromatinproteiner, aminosyror, alla typer av RNA. Karyoplasma kopplar samman alla kärnstrukturer

En uppsättning kromosomer. Detta är kärnans huvudkomponent.

Sammansättningen av kromatin inkluderar: DNA, PROTEINER, en liten mängd RNA, oorganiska joner.

Funktion – överföring av genetisk information.

På färgade preparat är celler i vila ett nätverk av tunna trådar, små granuler eller klumpar. Grunden för kromatin är uppbyggd av nukleoproteiner - långa trådliknande DNA-molekyler kopplade till specifika proteiner. Under processen med nukleär delning spiralformar nukleoproteiner, förkortas, komprimeras till kompakta kromosomer , som blir synliga under ett ljusmikroskop.

En kromosom består av två DNA-strängar - kromatid. Kromosom är en oberoende kärnstruktur med armar och en primär sammandragning centromer– området till vilket spindelfilamenten är fästa under celldelningen. Centromeren delar kromatiden i två armar. Kromosomer som är identiska i form och storlek och bär samma gener kallas homologa. Centromerens placering bestämmer tre grundläggande typer av kromosomer:

Lika axlar

Oegentlighet

Stångformad

Kromosomregler.

1. I alla somatiska celler i kroppen är antalet kromosomer detsamma.

Könsceller innehåller alltid hälften så många kromosomer som somatiska celler i en given typ av organism.

2. Alla organismer som tillhör samma art har samma antal kromosomer i sina celler.

Antalet kromosomer beror inte på organisationsnivån och indikerar inte alltid förhållande. Uppsättningen av kvantitativa och kvalitativa egenskaper hos kromosomuppsättningen kallas karyotyp.

Kromosomuppsättningen i en somatisk cell, där varje kromosom har ett par, kallas diploid och betecknas (2n). Från varje par homologa kromosomer kommer bara en in i könscellerna och i samband med detta kallas kromosomuppsättningen könsceller haploid och betecknas (n).

Kromatin - koncept och typer. Klassificering och funktioner i kategorin "Chromatin" 2017, 2018.

- SEXUELL KROMATIN

Könskromosomer (gonosomer, heterosomer) skiljer sig både i struktur (längd, centromerposition, mängd heterokromatin) och i geninnehåll. Kromosom X är en medelstor submetacentrisk kromosom, en del av grupp C). Det finns i somatiska celler...

- Kompakterisering av ärftligt material. Kemisk sammansättning och struktur av kromatin.

EUKARYOTER Heteros i växtodlingen Beroende på graden av utveckling av vegetativa organ, produktivitet, motståndskraft mot sjukdomar, skadedjur och ogynnsamma miljöförhållanden. Hos växter fixeras inte heteros genom fröförökning. Potatis, lök,...

- Expressmetod för att studera X-sex kromatin i kärnorna i epitelet i munslemhinnan

Cytogenetisk analys av karyotypen (baserat på mikrofotografier av metafasplattor). Tabell Genomföra fingeravtrycksanalys För att göra egna fingeravtryck behöver du följande utrustning:... .

- Metod för att bestämma könskromatin

Förbered objektglas och täckglas: torka av dem med en bomullstuss indränkt i alkohol. Ta en spatel och torka av ena änden med alkohol. Kör kanten på spateln längs den inre ytan av kinden, försök att ta bort epitelet från slemhinnan. Smörj ut skrapningen av epitelet på...

Liknande artiklar

Läcker hemlagad lecho för vintern

Lecho från peppar och tomat - recept på lecho från paprika

Moderna problem med vetenskap och utbildning

Karyoplasma, kromatin - cellkärna Kromatinets struktur