Строение хромосом человека. Особенности организации
Все гены в геноме человека, а также детерминанты их экспрессии организованы в 46 хромосом, расположенных в ядре, плюс митохондриальная хромосома. Каждая хромосома состоит из единственной двойной спирали непрерывной ДНК; т.е. каждая хромосома в ядре — длинная, линейная спиральная двойная молекула ДНК, и ядерный геном состоит, следовательно, из 46 молекул, включающих более чем 6 млрд нуклеотидов.
Хромосомы, тем не менее, не просто двойная спираль ДНК. В каждой клетке геном упакован в виде хроматина, в котором ДНК объединена с несколькими классами хромосомных белков. За исключением фазы деления клетки, хроматин распределен по всему ядру и под микроскопом представляется сравнительно гомогенным. Когда клетка приступает к делению, геном конденсируется и появляются видимые под микроскопом хромосомы. Хромосомы, таким образом, видны как дискретные структуры только в ходе деления клеток, хотя они сохраняют свою целостность и между делениями.
В хромосоме молекула ДНК существует в виде хроматина, в комплексе с семейством основных хромосомных белков, называемых гистонами, и с разнородной группой негистоновых белков, значительно хуже охарактеризованных, но, как установлено, определяющих соответствующие условия для нормального поведения хромосом и влияющих на экспрессию генов.
В упаковке хроматина важнейшую роль играют пять основных типов гистонов. По две копии каждого из четырех основных гистонов — Н2А, Н2В, НЗ и Н4 — составляют октамер, вокруг которого, подобно нити вокруг катушки, обматывается сегмент двойной спирали ДНК. Вокруг каждого октамера гистоновых белков ДНК делает два оборота, что составляет приблизительно 140 пар оснований. После короткого (20-60 пар оснований) промежуточного участка ДНК вновь формируется виток и так далее, что придает хроматину вид бусинок, нанизанных на нитку.
Каждый комплекс ДНК с основными гистонами называется нуклеосомой, представляющей основную структурную единицу хроматина, и каждая из 46 хромосом человека содержит от нескольких сот тысяч до более миллиона нуклеосом. Пятый гистон, HI, как установлено, связывается с ДНК в ребре каждой нуклеосомы, в области межнуклеосомного промежутка. Объем ДНК, связываемой с нуклеосомой вместе с промежуточной областью, — почти 200 пар оснований.
Дополнительно к основным типам гистоновых белков множество специализированных гистонов могут заменять Н3 и Н2А, придавая при этом геномной ДНК специфические характеристики. Гистоны НЗ и Н4 также могут модифицироваться в закодированные белки. Эти так называемые посттрансляционные модификации могут изменять свойства нуклеосом. Набор основных и специализированных гистоновых белков и их модификаций часто называют гистоновым кодом, который может изменяться в разных типах клеток, вследствие чего полагают, что он определяет характер упаковки ДНК и доступность ее для регулирующих факторов, определяющих экспрессию генов или другие функции генома.
В течение клеточного цикла хромосомы проходят через последовательность конденсаций и деконденсаций. Тем не менее даже когда хромосомы находятся в наиболее деконденсированном состоянии, на этапе клеточного цикла, называемом интерфазой, ДНК упакована в хроматине в значительно большей степени, чем свободная от белков двойная спираль. Более того, длинные цепочки нуклеосом самоорганизуются во вторичную спиральную структуру хроматина, которая проявляется под электронным микроскопом как толстое волокно диаметром 30 нм, что почти в три раза толще, чем диаметр нуклеосом.
Это цилиндрическое волокно, «соленоид» (от греч. solenoeides — трубообразный), как оказалось — основная единица организации хроматина. Соленоиды — самоупакованные петли или области, присоединяющиеся с интервалом около 100 000 пар оснований (или 100 килобаз, 1 килобаза = 1000 пар оснований) к белковому остову или матриксу ядра. Предполагают, что эти петли — фактически функциональные блоки при копировании ДНК или транскрипции генов и точки присоединения каждого блока фиксированы на ДНК хромосомы. Таким образом, один уровень управления экспрессией генов может зависеть от того, как ДНК и гены упакованы в хромосомах и как они ассоциированы с белками хроматина в ходе упаковки.
Огромный объем геномной ДНК, упакованной в хромосоме, можно оценить после специальной обработки хромосомы для того, чтобы освободить ДНК от белковой основы. При этом могут быть визуализированы длинные петли ДНК, а остатки белкового матрикса могут воспроизводить контуры типичной хромосомы.
Митохондриальная хромосома
Как упоминалось ранее, небольшое, но важное подмножество генов генома человека находится в цитоплазме в митохондриях. Митохондриальные гены наследуются строго по материнской линии. Клетки человека могут иметь сотни тысяч митохондрий, каждая из которых содержит множество копий небольшой циклической молекулы, митохондриальной хромосомы. Митохондриальная молекула ДНК всего 16 килобаз длиной (менее чем 0,03% длины наименьшей ядерной хромосомы!) и кодирует только 37 генов. Продукты этих генов функционируют в митохондриях, хотя большинство белков в митохондрии — фактически продукты ядерных генов.
Возможность мутаций в генах митохондрий продемонстрирована при нескольких заболеваниях с материнским типом наследования, а также как спорадическое нарушение.
