Строение хромосом: хроматида, хромомеры, эухроматические и гетерохроматические районы хромосом. Изменения в организации морфологии хромосом в ходе митоза и мейоза. Репликация хромосом.

Строение хромосом Строение митотической хромосомы: 1 и 2 – сестринские хроматиды; 3 – центромера; 4 – вторичная перетяжка (В кариотипе человека на 3, 14, 15, 21 и 22 хромосомах); 5 – теломеры; 6 – кинетохор. Длина хромосом человека в метафазе находится в пределах от 1,5 до 10 мкм.

Хромосомы состоят из двух хроматид, В зависимости от расположения центромеры различают четыре типа строения хромосом: 1 – метацентрические (равноплечие);

2 – субметацентрические (неравноплечие); 3–5 – акроцентрические (центромера лежит у одного из концов хромосомы, последняя представляет собой палочку с очень коротким или даже незаметным вторым плечом);

6 – телоцентрические палочковидные хромосомы с центромерой, расположенной на проксимальном конце.

Короткое плечо хромосомы обозначается как

р -плечо, а длинное – q- плечо:

Хромомеры - плотно спирализованные участки, по мнению других - уплотнения нуклеопротеидного материала. Промежутки между хромомерами называются межхромомерными нитями.

В структуре хромосом, видимых в световой микроскоп, различают более темные участки – так называемый гетерохроматин и более светлые – эухроматин.

Хроматин – это деспирализованное состояние хромосом в интерфазе клеточного ядра.

В настоящее время установлено, что хроматин представляет собой ДНК (30–45 %), гистоны (30–50 %) и негистоновые белки (4–33 %) и РНК.

Эухроматин – основная часть митотических хромосом, в которой локализована большая часть функциональных генов. Эухроматин претерпевает обычный цикл компактизации-декомпактизации во время митоза. Эухроматин отличается от гетерохроматина также способностью к интенсивному синтезу рибонуклеиновой кислоты (РНК) и большим содержанием негистоновых белков.

 

Гетерохроматин – участки хромосом, находящиеся в конденсированном (упакованном) состоянии в течение всего клеточного цикла. Таким образом, гетерохроматиновые участки в генетическом отношении являются практически неактивными.

Различают конститутивный (истинный, постоянный) и факультативный (временный) гетерохроматин.

Гетерохроматин иногда тесно связан с ядрышком, образуя вокруг него подобие кольца или оболочки. Во время митоза Гетерохроматин окрашивается сильнее или слабее, чем эухроматин (явление положительного или отрицательного гетеропикноза). особенно характерен для половых хромосом многих видов животных. Полагают, что Гетерохроматин не содержит генов, контролирующих развитие организма.

 

Конститутивный гетерохроматин имеет специфическую структуру и постоянно находится в определенных участках хромосомы: как правило, в прицентромерном районе и возле теломерных концов. Этот тип гетерохроматина практически не содержит генов, а в тех генах, которые попадают в места его локализации в результате перестроек хромосом, транскрипция прекращается. Конститутивный гетерохроматин обогащен некодирующими элементами: различными повторами и мобильными генетическими элементами.

Факультативный гетерохроматин – это временно молчащий гетерохроматин, который способен активироваться в определенные периоды жизни клетки или на определенных этапах онтогенеза. Его основное отличие от конститутивного гетерохроматина, что он содержит гены, может переходить в эухроматиновое состояние и становиться транскрипционно активным.

Нуклеосома – структурная единица хроматина.

Нуклеосома является гистоновым октамером – содержит 4 пары гистоновых белков (Н2А, Н2В, Н3 и Н4), образующих сердцевину (гистоновый кор), которые снаружи «опутывает» молекула ДНК.

 

Центромера, или первичная перетяжка - определяет движение хромосомы и различима в виде более светлой зоны, которая движется в митозе, увлекая за собой несколько отстающие плечи хромосомы.

Теломеры, или концевые участки хромосом, в значительной степени ответственны за существование хромосом как индивидуальных образований.

 

Х. в период митоза и мейоза. При переходе клетки к делению синтез ДНК и РНК в Х. прекращается, Х. приобретают всё более плотную упаковку, ядерная мембрана разрушается и Х. выстраиваются на экваторе клетки. В этот период они наиболее доступны для наблюдения и изучения их морфологии.

Каждая метафазная Х. состоит из хроматид, образовавшихся в результате репликации исходной интерфазной Х. Использование меченых и модифицированных предшественников ДНК позволило четко различать в Х., находящейся в метафазе митоза, дифференциально окрашенные хроматиды, благодаря чему было установлено, что при репликации Х. нередко происходит кроссинговер.

 

Хромосомы в митозе

интерфазы Хромосомы на этой стадии находятся в ядре в расправленном, растянутом состоянии и практически невидимы в световой микроскоп до начала митоза.

Профаза. Хромосомы спирализуются, укорачиваясь и утолщаясь. Благодаря этому они становятся заметными в световой микроскоп. Уже в ранней профазе видно, что каждая хромосома состоит из двух хроматид. Это результат репликации, произошедшей в интерфазе – на стадии S клеточного цикла. Хроматиды тесно ассоциированы по длине и перекручены. К концу профазы эта ассоциация ослабевает.

Прометафаза. хромосомы движутся по направлению к экватору. Прометафаза завершается, когда хромосомы достигают экваториальной плоскости.

Метафаза. Хромосомы (каждая из двух хроматид) выстраиваются в плоскости экватора, образуя так называемую метафазную пластинку. Длинные хромосомы, как правило, изогнуты V-образно.

Анафаза начинается в момент деления центромер, удерживающих до этого вместе обе хроматиды каждой хромосомы. Все центромеры делятся одновременно. Хроматиды, ставшие теперь дочерними хромосомами, разъединяются и расходятся к противоположным полюсам по нитям веретена, фиксированным у полюсов митоза.

Телофаза - Хромосомы состоят из одной нити каждая, становятся тоньше и длиннее и становятся невидимыми.

Хромосомы в мейозе

Профаза I –5 этапов: лептотену, зиготену, пахитену, диплотену и диакинез.

Лептотена появляются тонкие перекрученные нити хромосом.

Зиготена конъюгацией сначала отдельных участков гомологичных хромосом, которая завершается по всей их длине к концу зиготены. Для этой стадии характерно появление синаптонемного комплекса (СК), входящего в состав бивалента – пары конъюгирующих хромосом.

Пахитена (стадия толстых нитей) гаплоидное число бивалентов, т. е. фигур, образуемых конъюгирующими хромосомами, каждая из которых состоит из двух хроматид. Завершается формирование СК.

В диплотене наиболее четко видна структура бивалентов и составляющие каждый из них четыре хроматиды. На этой стадии начинается отталкивание гомологов, и становятся различимыми фигуры, напоминающие греческую букву χ, так называемые хиазмы, которые свидетельствуют об обмене в биваленте гомологичными участками хромосом.

В диакинезе спирализация усиливается, уменьшается число хиазм, биваленты располагаются по периферии ядра.

Метафаза I. Биваленты в экваториальной плоскости клетки, образуя метафазную пластинку. Хромосомы при этом сильно спирализованы – утолщены и укорочены. Спирализация хромосом продолжается вплоть до анафазы I, когда хромосомы максимально спирализованы.

В анафазе I хромосомы расходятся к противоположным полюсам. Существенное отличие анафазы I мейоза от анафазы митоза состоит в том, что расходятся хромосомы, состоящие из двух хроматид, скрепленных одной центромерой.

Телофаза восстановление структуры ядра.

После непродолжительной интерфазы -второе деление мейоза. в нем хромосомы не удваиваются.

В профазе II хромосомы становятся хорошо различимыми.

Метафаза II Центромеры располагаются в плоскости экватора.

В анафазе II расходятся удвоенные центромеры, в результате чего дочерние хроматиды расходятся к разным полюсам.

 

Репликация.

Удвоение хромосом у эукариотов является сложным процессом, поскольку включает не только репликацию гигантских молекул ДНК, но и синтез связанных с ДНК пистонов и негистоновых хромосомных белков. Конечный этап - упаковка ДНК и гистонов в нуклеосомы.

Репликационное поведение хромосом обосновывается на трех фундаментальных свойствах: репликация, сегрегация хромосом при репликации ДНК и делении клеток, а также репликация и предохранение концов хромосом.

0-пункты репликации существуют в хромосомах (сайты инициации репликации) также организмов-эукариотов. Эти пункты получили название автономно реплицирующихся последовательностей (ARS-элементов). по каждой хромосоме двигаются много репликационных «вилок», причем одновременно и независимо одна от другой. Инициацию репликации ДНК обеспечивают белки, связанные с 0-пунктом репликации, а также белки-киназы.

За сегрегацию хромосом в дочерние клетки ответственны центромеры.

В репликации и предохранении концов хромосом имеют значение теломеры,. Они в обеспечивают доступ ДНК-полимеразы к концам цепей ДНК. Вновь образованные хромосомы содержат как старые гистоны, так и вновь синтезированные, контроль которых у млекопитающих осуществляется 20 генными блоками, каждый из которых содержит по 5 гистоновых генов.

репликация хромосомы эукариотов происходит в двух направлениях, поскольку репликационные «вилки» двигаются в двух направлениях из центральных 0-пунктов к репликационным терминусам (пунктам остановки репликации). Сегмент хромосомы, чья репликация находится под контролем одного 0-пункта и двух тер- минусов, является единицей репликации и ее называют репликоном. Размеры эукариотических репликонов зависят от вида организмов, но в общем они составляют около 10-100 нм.

ЭКЗАМЕНАЦИОННЫЙ БИЛЕТ № 18

1. Деление клетки и воспроизведение. Митотический цикл и фазы митоза. Мейоз и образование гамет. Конъюгация хромосом. Редукция числа хромосом. Генетическая роль митоза и мейоза, Кариотип. Парность хромосом в соматических клетках. Гомологичные хромосомы. Специфичность морфологии и числа хромосом.

Все новые клетки возникают в результате деления надвое уже существующих. Многоклеточный организм также начинает свое развитие чаще всего с одной-единственной клетки. Жизнь клетки от одного деления до другого или до смерти называется клеточным, или жизненным, циклом клетки.

Клеточный цикл состоит из четырех периодов: пресинтетического (G1) – образование РНК и белков-ферментов, периода синтеза ДНК (S) – репликация ДНК, продолжается синтез РНК и белков, удвоение центриолей, деление митохондрий, постсентитического (G2) – завершение подготовки, синтез белков, и митоза (М).

В покоящейся клетке на стадии интерфазы различают сферическое ядро, окруженное двухслойной ядерной мембраной с порами диаметром около 40 мкм. Хромосомы на этой стадии находятся в ядре в расправленном, растянутом состоянии и практически невидимы в световой микроскоп до начала митоза.

Профаза. Хромосомы спирализуются, укорачиваясь и утолщаясь. Благодаря этому они становятся заметными в световой микроскоп. Уже в ранней профазе видно, что каждая хромосома состоит из двух хроматид. Это результат репликации, произошедшей в интерфазе – на стадии S клеточного цикла. Хроматиды тесно ассоциированы по длине и перекручены. К концу профазы эта ассоциация ослабевает. Исчезают ядрышки, растворяется ядерная мембрана, и хромосомы оказываются в цитоплазме. Этот момент обозначает завершение профазы.

Прометафаза. После растворения ядерной мембраны хромосомы движутся по направлению к экватору. Прометафаза завершается, когда хромосомы достигают экваториальной плоскости.

Метафаза. Хромосомы (каждая из двух хроматид) выстраиваются в плоскости экватора, образуя так называемую метафазную пластинку. Длинные хромосомы, как правило, изогнуты V-образно. При этом острие V указывает в центр метафазной пластинки и на нем видна неокрашенная перетяжка – центромера, к которой прикрепляется нить ахроматинового веретена, обеспечивающая движение хромосомы.

Анафаза начинается в момент деления центромер, удерживающих до этого вместе обе хроматиды каждой хромосомы. Все центромеры делятся одновременно. Хроматиды, ставшие теперь дочерними хромосомами, разъединяются и расходятся к противоположным полюсам по нитям веретена, фиксированным у полюсов митоза.

Телофаза – заключительная стадия митоза – начинается завершением движения хромосом к полюсам. Вслед за этим происходит реконструкция интерфазных ядер, которая словно повторяет ход профазы в обратном порядке: формируется ядерная мембрана, вновь появляются ядрышки. Хромосомы, которые теперь состоят из одной нити каждая, становятся тоньше и длиннее и становятся невидимыми. В это же время происходит цитокинез – разделение цитоплазмы.

Митоз лежит в основе роста и вегетативного размножения всех организмов, имеющих ядро, – эукариот. Основное значение митоза – идентичное воспроизведение клетки, поддержание постоянства числа хромосом, а, следовательно, копирование генетической информации.

Мейоз – это два следующих друг за другом деления клетки, которые лежат в основе об-разования гамет, содержащих один набор (n) хромосом, в отличие от соматических кле-ток, имеющих два набора (2n) хромосом.

Мейоз протекает сходно почти у всех организмов. Два деления мейоза условно называют мейоз I (редукционное деление) и мейоз II (эквационное деление). В каждом делении мейоза, как и в митозе, различают профазу, метафазу, анафазу и телофазу. Репликация хромосом осуществляется в периоде S – интерфазе, предшествующей мейозу I. На этой стадии делящиеся клетки еще не детерминированы к мейозу и могут вновь делиться митотически. Критической стадией, на которой клетка необратимо вовлекается в мейоз, является профаза мейоза I.

Профаза I – сложно организованная стадия. Ее принято подразделять на 5 этапов: лепто-тену, зиготену, пахитену, диплотену и диакинез.

Лептотена (стадия тонких нитей) напоминает раннюю профазу митоза. На этой стадии появляются тонкие перекрученные нити хромосом.

Зиготена знаменуется конъюгацией сначала отдельных участков гомологичных хромосом, которая завершается по всей их длине к концу зиготены. Для этой стадии характерно появление синаптонемного комплекса (СК), входящего в состав бивалента – пары конъ июгирующих хромосом.

Пахитена (стадия толстых нитей) характеризуется гаплоидным числом бивалентов, т. е. фигур, образуемых конъюгирующими хромосомами, каждая из которых состоит из двух хроматид. Завершается формирование СК.

В диплотене наиболее четко видна структура бивалентов и составляющие каждый из них четыре хроматиды. На этой стадии начинается отталкивание гомологов, и становятся различимыми фигуры, напоминающие греческую букву χ, так называемые хиазмы, которые свидетельствуют об обмене в биваленте гомологичными участками хромосом.

В диакинезе спирализация усиливается, уменьшается число хиазм, биваленты располагаются по периферии ядра.

Метафаза I. Разрушается ядерная мембрана и профаза сменяется метафазой. Исчезают ядрышки. Биваленты располагаются в экваториальной плоскости клетки, образуя метафазную пластинку. Хромосомы при этом сильно спирализованы – утолщены и укорочены. Спирализация хромосом продолжается вплоть до анафазы I, когда хромосомы максимально спирализованы.

В анафазе I хромосомы расходятся к противоположным полюсам. Существенное отличие анафазы I мейоза от анафазы митоза состоит в том, что расходятся хромосомы, состоящие из двух хроматид, скрепленных одной центромерой.

Телофазу I характеризует образование ядерной мембраны и восстановление структуры ядра.

После непродолжительной интерфазы, или интеркинеза, происходит второе деление мейоза. От обычной интерфазы интеркинез отличается тем, что в нем хромосомы не удваиваются.

В профазе II хромосомы становятся хорошо различимыми.

Метафаза II осуществляется по митотическому типу. Центромеры располагаются в плоскости экватора.

В анафазе II расходятся удвоенные центромеры, в результате чего дочерние хроматиды расходятся к разным полюсам.

В телофазе II образуются четыре гаплоидных ядра.

Гаметогенез

Самым важным событием мейоза являет конъюгация хромосом с последующим кроссинговером. Конъюгация – это попарное временное сближение гомологичных хромосом, во время которого между ними может произойти обмен гомологичными участками. Происходит в профазе I мейоза. Когда гомологичные хромосомы синаптируют, их концы прикрепляются к ядерной оболочке. Потом такие концевые мембранные комплексы перемещаются при содействии ядерного цитоскелета, пока соответственные концы хромосом не объединятся в пары. После этого и межконцевые участки хромосом начинают сближаться, при этом они могут соединяться посредством РНК-белкового комплекса, называемого синаптонемальным комплексом. Синапсису подвергаются только аутосомы в процессе мейоза, половые же хромосомы остаются неспаренными.

Мейоз способ деления, лежащий в основе редукции числа хромосом: 2n à n. Этот феномен обуславливает поддержание постоянного числа хромосом вида из поколения в поколение. Редукция числа хромосом приводит к образованию «чистых гамет», несущих только один аллель соответствующего локуса. Мейоз обеспечивает комбинативную изменчивость, рекомбинацию участков гомологичных хромосом.

Кариоти́п — совокупность признаков (число, размеры, форма и т. д.) полного набора хромосом, присущая клеткам данного биологического вида (видовой кариотип), данного организма (индивидуальный кариотип) или линии (клона) клеток. Кариотипом иногда также называют и наглядное представление полного хромосомного набора (кариограммы).

Внешний вид хромосом существенно меняется в течение клеточного цикла: в течение интерфазы хромосомы локализованы в ядре, как правило, деспирализованы и труднодоступны для наблюдения, поэтому для определения кариотипа используются клетки в одной из стадий их деления — метафазе митоза.

Для получения классического кариотипа используется окраска хромосом различными красителями или их смесями: в силу различий в связывании красителя с различными участками хромосом окрашивание происходит неравномерно и образуется характерная полосчатая структура (комплекс поперечных меток, англ. Banding). Первый метод окраски хромосом, позволяющий получить такие высокодетализированные изображения, был разработан шведским цитологом Касперссоном (Q-окрашивание). Используются и другие красители, такие методики получили общее название дифференциального окрашивания хромосом:

· Q-окрашивание — окрашивание по Касперссону акрихин-ипритом с исследованием под флуоресцентным микроскопом. Чаще всего применяется для исследования Y-хромосом (быстрое определения генетического пола, выявление транслокаций между X- и Y-хромосомами или между Y-хромосомой и аутосомами, скрининг мозаицизма с участием Y-хромосом)

· G-окрашивание — модифицированное окрашивание по Романовскому — Гимзе. Чувствительность выше, чем у Q-окрашивания, поэтому используется как стандартный метод цитогенетического анализа. Применяется при выявлении небольших аберраций и маркерных хромосом (сегментированных иначе, чем нормальные гомологичные хромосомы)

· R-окрашивание — используется акридиновый оранжевый и подобные красители, при этом окрашиваются участки хромосом, нечувствительные к G-окрашиванию. Используется для выявления деталей гомологичных G- или Q-негативных участков сестринских хроматид или гомологичных хромосом.

· C-окрашивание — применяется для анализа центромерных районов хромосом, содержащих конститутивный гетерохроматин и вариабельной дистальной части Y-хромосомы.

· T-окрашивание — применяют для анализа теломерных районов хромосом.

В последнее время используется методика так называемого спектрального кариотипирования (флюоресцентная гибридизация in situ, англ. Fluorescence in situ hybridization, FISH), состоящая в окрашивании хромосом набором флуоресцентных красителей, связывающихся со специфическими областями хромосом. В результате такого окрашивания гомологичные пары хромосом приобретают идентичные спектральные характеристики, что не только существенно облегчает выявление таких пар, но и облегчает обнаружение межхромосомных транслокаций, то есть перемещений участков между хромосомами — транслоцированные участки имеют спектр, отличающийся от спектра остальной хромосомы.

Номенклатура: Для кариотипа используется запись, имеющая следующий формат:

[количество хромосом], [половые хромосомы], [особенности]

Например: индивидуальный кариотип домашней свиньи с делецией (потерей участка) длинного плеча (q) 10-й хромосомы: 38, XX, 10q-

В соматических клетках большинства живых организмов содержится двойной набор хромосом – т.е. они диплоидны. Преимущество диплоидности состоит том, что уменьшаются вредные последствия мутаций, так как одновременная мутация двух одинаковых генов маловероятна.

Важнейшим признаком кариотипа служит наличие пар гомологичных хромосом. Оба гомолога в паре имеют одинаково генетическое содержание, размер, положение центромер, рисунок хромомеров. Пары гомологов индивидуальны по этим особенностям и отличаются от хромосом любой другой пары. При двуполом размножении одна гомологичная хромосома наследуется организмом от матери, а другая — от отца. Гомологичные хромосомы не идентичны друг другу. Они имеют один и тот же набор генов, однако они могут быть представлены как различными (у гетерозигот), так и одинаковыми (у гомозигот) аллелями, то есть формами одного и того же гена, ответственными за проявление различных вариантов одного и того же признака. Кроме того, в результате некоторых мутаций (дупликаций, инверсий, делеций и транслокаций) могут возникать гомологичные хромосомы, различающиеся наборами или расположением генов.

Морфологию хромосом обычно описывают на стадии метафазы или анафазы, когда они лучше всего видны в клетке.

В зависимости от расположения центромеры различают:

1. Акроцентрические, или палочкообразные, хромосомы, у которых центромера находится на конце или второе плечо настолько мало, что его не различают на цитологических препаратах.

2. Субметацентрические хромосомы с плечами разной длины.

3. Метацентрические хромосомы, у которых центромера расположена посередине или почти посередине.

Центромера, или первичная перетяжка, – важнейшая часть хромосомы. Она определяет движение хромосомы и различима в виде более светлой зоны, которая движется в ми-тозе, увлекая за собой несколько отстающие плечи хромосомы. Центромера имеет сложное строение: в ней находится ДНК с характерной последовательностью нуклеотидов, ассоциированная со специальными белками. Хромосома обычно имеет одну центромеру.

Вторичные перетяжки в отличие от первичной перетяжки не служат местом прикрепления нитей веретена и не определяют угла изгиба хромосом при их движении. Вторичные перетяжки связаны с образованием ядрышек, их также называют ядрышковыми организаторами. Во вторичных перетяжках локализуются гены, ответственные за синтез рРНК. Синтез и созревание рРНК происходит в ядрышках.

Теломеры, или концевые участки хромосом, в значительной степени ответственны за существование хромосом как индивидуальных образований. Концы разорванных хромосом могут сливаться между собой, но никогда не сливаются с теломерами. Следовательно, именно теломеры препятствуют слипанию хромосом.

В структуре хромосом, видимых в световой микроскоп, различают более темные участки – так называемый гетерохроматин и более светлые – эухроматин. В гетерохроматине хромосомы сильнее спирализованы, чем в эухроматине. Гетерохроматиновые участки функционально менее активны, чем эухроматиновые, в которых и локализована большая часть известных генов.

Наименьшее число хромосом среди эукариот имеет нематода (2n = 2). Наибольшие числа хромосом встречаются у простейших и папоротников, для которых характерны высокие значения полиплоидии. Обычные диплоидные наборы содержат от десятка до нескольких десятков хромосом.