Ультраструктура митотических хромосом

Элементарные фибриллы (нити ДНП) - основа структуры митотических и мейотических хромосом.

Причины медленного прогресса изучения тонкой организации клеточного ядра: современные методы электронной микроскопии не позволяют изучать ядро и хромосомы в целостной совокупности составляющих элементов. Хромосома оказалась слишком мала для детального анализа с помощью светового микроскопа и слишком велика и плотна для изучения в электронном микроскопе (наложение проекций разных уровней); трудно изучать хромосомы и на ультратонких срезах из-за невозможности получить объёмное представление о структуре; чтобы изучать хромосомы, нужно получить их в виде препарата, но разные обработки могут приводить к артефактам.

Для изучения ультраструктуры хромосом широко применяется метод получения целых выделенных митотических хромосом. Но для этого необходимо сначала разрушить клетки. Обычно они разрушаются в гипотонических растворах солей (концентрация которых ниже, чем в клетке). В этих условиях клетки, набирая воду, набухают, и достаточно небольшого механического усилия, чтобы их плазмалемма разорвалась. Из образовавшегося клеточного гомогената легко выделить хромосомы. Часто используют простой метод распластывания клеточных структур на поверхности водного мениска: если маленькую каплю клеточного гомогената поместить на поверхность воды, то часть белков на границе вода-воздух образует мономолекулярную плёнку, в которую могут быть вовлечены разные включения, в том числе и хромосомы. На поверхности воды хромосомы растягиваются и лежат одним слоем. Такие хромосомы легко перенести на плёнки-подложки и изучать в электронном микроскопе. Однако процесс выделения хромосом приводит к изменению их структуры.

В состав хромосом входит одна гигантская фибрилла ДНП, которая, изгибаясь, образует мелкие петли, плотное расположение которых и образует собственно тело митотической хромосомы.

Данные, полученные при изучении митотических хромосом на ультратонких срезах после фиксации альдегидами: хроматиновый материал в составе хромосомы подразделяется на толстые нитчатые образования со средним диаметром 0,2-0,3 мкм - хромонемы (хроматиновые нити). По мере прохождения профазы отдельные отрезки хромонемы располагаются всё теснее, в рез-те чего резче выступают контуры хромосом. В анафазе - наоборот расхождение, обособление участков хромонемы друг от друга. Особенно заметен этот процесс в телофазе. В это время хромосомы увеличиваются в объёме, расстояние между отдельными участками хромонемы возрастает. В поздней телофазе хромосомы уже полностью окружены ядерной оболочкой, некоторые участки хромонем начинают разрыхляться, их толщина возрастает (деконденсация).

Промежуточный этап конденсации хромосомного материала - образование из фибрилл ДНП нитчатых хромонемных структур, являющихся единицей последующей хромосомной структуризации.

Хромомеры - утолщения по длине растянутых профазных мейотических и реже митотических хромосом. Хромомеры заметны лишь на самых ранних этапах профазы. Более отчётливо видны в политенных (многонитчатых) хромосомах, где они, выстраиваясь в ряд, являются единицами образования дисков политенных хромосом. С состав одного хромомера входит около 50-70 тыс. пар оснований ДНК, что соответствует размеру ДНК в одном гене.

ЕСТЕСТВЕННЫЕ УРОВНИ КОМПАКТИЗАЦИИ ДНК В СОСТАВЕ ХРОМОСОМ:

1. Уровень фибрилл ДНП, дающий компактизацию ДНК в 20 раз.

2. Хромомерный уровень, приводящий к компактизации, равной примерно 2*10² крат.

3. Хромонемный.

4. Хроматидный.

Возможно, что образование митотической хромосомы включает в себя ещё и другие промежуточные стадии конденсации.

Осевая структура хромосом

Если разрыхлять нативные выделенные хромосомы с помощью солевых растворов, в которых экстрагируются (удаляются) хромосомные белки (гистоны и негистоновые белки), то тело хромосомы разваливается. Было замечено, что при частичной экстракции белков на периферии сильно изменённых хромосом выявляются длинные петли. Особенно хорошо это стало заметно при экстракции одних только гистонов. В этом случае хромосомы настолько деконденсируются, что перестают быть видны в фазово-контрастном микроскопе. При добавлении же флуорохрома, связывающегося с ДНК, было видно, что сильно набухшие хромосомы не разваливались, а значительно (до 4 раз) увеличивались в длину и ширину. Такие сильно набухшие, лишённые гистонов хромосомы помещали на подложку и рассматривали в электронный микроскоп.

Оказалось, что разрыхленные хромосомы состоят из двух компонентов: из рыхлой сети плотных фибрилл в центральных участках (осевые компоненты) и из многочисленных длинных тонких боковых петель, поперечно отходящих от них. Если препарат петель обработать ДНКазой, можно получить белковые остовы. Оказывается, в них присутствует около 20 белков негистоновой природы. Было подтверждено петлистое расположение ДНК вдоль хромосомы. Однако при разных способах депротеинизации в периферии набухших хромосом можно было выявить и розеткоподобные структуры, состоящие из ДНК. В теле хромосомы есть негистоновые белковые связки (скрепки), сшивающие основания боковых петель ДНК, но эти связки рыхло разбросаны по объёму хромосомы.