Хромосома (греч. chroma - цвет, soma - тело, хромосома - окрашенное тело) – дискретный динамический элемент клетки, которому в зависимости от фазы клеточного цикла можно дать различные определения:

• до завершения S-фазы клеточного цикла - хромосома - это внутриядерная структура клетки, состоящая из одной линейной двуцепочечной молекулы ДНК и хромосомных белков
• после завершения S-фазы клеточного цикла и до анафазы митоза или анафазы II мейоза - хромосома - это внеядерная структура клетки, состоящая из двух линейных двуцепочечных молекул ДНК и белков хроматина
• в метафазе митоза, от момента репликации до начала анафазы митоза или анафазы II мейоза - хромосома - структура клетки, получившая название хроматиды, состоящая из двух нитей (две идентичные копии хромосомы), соединенные между собой с помошью специального образования - центромеры, или кинетохора. Кроме того, хромосомы в метафазе называют метафазными хромосомами.

В зависимости от фазы клеточного цикла структура хромосомы имеют разную степень компактизации. Максимальная компактизация наблюдается у прометафазных и метафазных хромосомах, что позволяет изучать их внешний вид с помощью световой микроскопии.

Морфология хромосом

Препараты хромосом можно приготовить из всех тканей и клеточных суспензий, содержащих делящиеся клетки. У человека в большинстве случаев используют препараты из клеток костного мозга(дают возможность изучать митозы in vivo), кратковременной культуры крови (искусственная стимуляция митоза при отсутствии лейкоза), из длительной культуры фибробластов (культивируют из материала биопсии кожи) или непосредственно из сперматозоидов человека (индуцирование митозов для прямого определения хромосомных аномалий в сперматозоидах).

Окрашивание хромосом производят разными методами, позволяющими получить детальную картину структуры хромосом и идентифицировать отдельные хромосомы или их сегменты за счет неоднородности окрашивания отдельных участков. При использовании методик дифференциальной окраски выявляется неодинаковая флуоресценция или распределение красителя по длине хромосомы, строго специфические для каждой отдельной хромосомы и ее гомолога (рис. 1).

Различные типы сегментов обозначают по методам, с помощью которых они выявляются наиболее отчетливо:

• Q-сегменты (quinacrine, акрихин) – участки хромосом, флуоресцирующие после окрашивания акрихин-ипритом или сходными соединениями (например, Hoechst 33258);
• G-сегменты (Giemsa, Гимза) выявляются при окрашивании красителем Гимза в сочетании с дополнительными процедурами, которые способствуют тому, что краситель адсорбируется наиболее интенсивно на определенных участках.

  Q- и G-сегменты идентичны. В большинстве лабораторий в повседневной работе предпочитают G-метод, поскольку он не требует использования флуоресцентного микроскопа и окрашенные препараты можно длительно хранить. Однако специфическое преимущество Q-метода состоит в том, что он позволяет даже в интерфазном ядре идентифицировать Y-хромосому человека по яркой флуоресценции;

• R-сегменты (reverse, обратные) окрашиваются красителем Гимза после контролируемой тепловой денатурации хромосомы. Они располагаются между Q-(или G-) сегментами. Для этого метода могут использоваться и другие красители, в частности хромомициновые красители (хромомицин А3, оливомицин или митрамицин);
• С-сегменты (constitutive heterochromatin, конститутивный гетерохроматин) ограничивают прицентромерные районы в обоих плечах хромосомы. Выявляются с помощью красителя Гимза после денатурации хромосом в насыщенном растворе гидроксида бария;
• Т-сегменты (telomeric, теломерные) расположены в теломерных районах хромосом. Детальное описание этих методов можно найти в многочисленных руководствах. Кроме того, многие лаборатории используют свои собственные модификации.

Природа химических различий, выявляемых с помощью методов дифференциального окрашивания, окончательно не установлена. Интерес представляют следующие гипотезы, предлагаюищие объяснение объяснение этому феномену:

1. ДНК-вая модель дифференциальной окраски [показать]

   Гипотеза исходит из данных о том, что различные участки хромосом человека отличаются по количественному содержанию А/Т и Г/Ц пар оснований. Далее, известно, что акрихин-иприт связывается преимущественно с АТ-богатыми участками, а акридиновый оранжевый, соединяясь с одноцепочечной ДНК, дает красную флуоресценцию. На основании этих данных можно предложить следующую картину: G(Q)-сегменты соответствуют участкам, богатым А/Т-парами, а R-сегменты соответствуют участкам, богатым Г/Ц-парами, которые более устойчивы к тепловой денатурации, чем А/Т-богатые участки. Эта гипотеза не объясняет, однако, все особенности рисунка сегментации.

2. белковая модель дифференциальной окраски [показать]

   Белковая же гипотеза исходит из данных о том, что протеолитическая обработка индуцирует появление G-сегментов. Но поскольку разные участки ДНК связаны в хромосомах с разными белками, можно полагать, что рисунок сегментации тем или иным образом зависит от особенностей целостного комплекса ДНК/белок.

3. модель дифференциальной окраски Сайтохом Й. и Лаеммли Ю. К. [показать]

   В 1994 году Сайтохом Й. и Лаеммли Ю. К. была предложена еще одна гипотеза, объясняющая феномен дифференциальной окраски хромосом. Как уже говорилось, петли хроматина прикрепляются к белковому скелету хромосомы в строго определенных сайтах – встроенных местах прикрепления. Так вот, согласно предложенной гипотезе G(Q)-сегменты соответствуют тем регионам хромосомы, которые содержат наибольшее количество встроенных мест прикрепления для петель хроматина (в этом случаи петли хроматина называют G/Q петлями). Те же регионы хромосомы, которые имеют наименьшую плотность встроенных мест прикрепления, будут соответствовать R-сегментам (петли хроматина в таком случае называют R петлями).

Для выявления районов ядрышкового организатора применяют метод серебрения, который специфичен именно для этих хромосомных регионов. Они видны как темные пятна на желто-коричневом фоне хромосом. При этом окрашиваются только те ядрышковые организаторы, которые функционировали в предшествующей интерфазе.

Форма и размеры хромосом

При рутинных методах окраски хромосом они различаются по форме и соотносительным размерам (рис.2.). Они отчетливо видны во время деления клеток (митоз), а в промежутках между клеточными делениями незаметны. В начальных и конечных стадиях деления они имеют вид длинных нитевидных телец, на средних стадиях - коротких палочек и шпилек.

В метафазе митоза хромосомы состоят из двух хроматид (нитевидных или палочкообразных телец), соединенных между собой в области первичной перетяжки (центромеры или кинетохора) особым образом организованного участка хромосомы, общего для обеих сестринских хроматид.

Хроматиды скручены в виде спирали. В зависимости от степени спирализации хроматид хромосомы могут становиться длиннее или короче. Хроматиды в свою очередь состоят из хромонем (греч. nemo - струна). Это самые малые из структур, различимых под световым микроскопом. Электронная микросокпия показывает, что каждая хромонема состоит из микрофибрилл, расположенных в хромосомах попарно. В последних заключены парные цепи молекул ДНК, образующих в соединении с белком дезоксирибонуклеопротеиды.

Во второй половине митоза происходит отделение хроматид друг от друга. Из них образуются однонитчатые дочерние хромосомы, распределяющиеся между дочерними клетками.

В зависимости от места положения центромеры и длины плеч, расположенных по обе стороны от нее, различают несколько форм хромосом:

• равноплечие, или метацентрические (с центромерой посередине),
• неравноплечие, или субметацентрические (с центромерой, сдвинутой к одному из концов),
• палочковидные, или акроцентрические (с центромерой, расположенной практически на конце хромосомы),
• точковые - очень небольшие, форму которых трудно определить (рис. 2).

Нередко на хромосоме имеются вторичные перетяжки (ядрышковый организатор). Иногда глубокая вторичная перетяжка отделяет участок плеча, называемый спутником. Такие хромосомы со вторичной перетяжкой называют спутничными или ядрышковыми.

Таким образом, каждая хромосома индивидуальна не только по заключенному в ней набору генов, но и по морфологии и характеру дифференциального окрашивания.

Кариотип

Совокупность числа, величины и морфологии хромосом называется кариотипом данного вида. Рисунки же хромосом, расположенных в ряд в порядке убывания размера называют кариограммой. Как правило, изучение кариотипа данного вида (в том числе и человека) и составление его кариограммы проводиться на прометафазных или метафазных клетках, когда хромосомы имеют максимальную компактизацию.

Каждому виду животных и растений свойственно точно определенное число хромосом (правило постоянства числа хромосом). Например, в ядрах всех клеток тела мухи дрозофилы содержится 8 хромосом, у гороха их 14, у кукурузы — 20, у лилии и лягушки — 24, у речного рака — 116. Для клеток тела человека характерно наличие 46 хромосом.

Совокупность хромосом клетки характеризуется не только числом, но и их строением. Хромосомы, имеющие одинаковое строение, называют гомологичными. Они имеют одинаковую длину и форму, их центромеры расположены в том же самом участке, каждое плечо одной из гомологичных хромосом по количеству, расположению и форме хромомер подобно соответствующему плечу другой. Если имеются вторичные перетяжки и спутники, то в гомологичных хромосомах они лежат в одном и том же месте. В клетках тела животных и растений каждая из хромосом имеет гомологичного партнера (правило парности хромосом). Негомологичные хромосомы имеют различное строение. Каждая из них имеет свои индивидуальные структурные особенности (правило индивидуальности хромосом).

Следовательно, совокупность хромосом клетки представляет собой двойной комплект (набор), состоящий из точно определенного для каждого вида количества пар индивидуально различных хромосом. Такой двойной комплект называется диплоидным. Например, 8 хромосом дрозофилы представляют собой двойной комплект, состоящий из 4 пар различных хромосом. У гороха 14 хромосом представлены 7 парами индивидуально различных хромосом. Исключение составляют половые клетки. В них содержится одиночный, или гаплоидный, набор хромосом, т. е. их вдвое меньше, чем в других клетках тела.

При сравнительном изучении клеток тела самцов и самок было обнаружено, что их хромосомные комплекты не вполне тождественны. Отличие касается лишь одной пары хромосом. Они получили название половых хромосом (гетерохромосом). Остальные пары, одинаковые по своей структуре у самца и самки, называются аутосомами.

В клетках тела человека содержится диплоидный набор хромосом - 23 пары, а в половых клетках - гаплоидный 23 хромосомы. Согласно Денверской классификации 1960 года все эти хромосомы располагаются и нумеруются в зависимости от их длины от 1 до 23. 22 пары хромосом (аутосомы) одинаковы у мужчин и женщин; 23-я пара — половые хромосомы у женщин — представлена двумя крупными X-хромосомами, у мужчин же имеется одна крупная Х-хромосома и одна маленькая — Y-хромосома (рис.).

Хромосомы человека распределяют на 8 групп - от А до G. Для идентификации хромосом используют их длину, положение центромеры и окраску. При использовании центромерного индекса (отношение (в %) длины короткого плеча к длине всей хромосомы) можно идентифицировать три пары метацентрических хромосом группы А, хромосому 16 из группы Е, а так же Y-хромосому (на препаратах высокого качества удается еще идентифицировать и хромосомы 17 и 18). Все же остальные хромосомы групп B, C (включая X-хромосому), D, F и G идентифицируются только с помощью дифференциального окрашивания.

Номенклатура

В соответствии с Парижской номенклатурой, принятой в 1971 году в Париже, короткое плечо хромосомы обозначается латинской буквой р (маленький, от фр. petit), а длинное – q (коса, от англ. queue). Каждое плечо хромосомы делят на несколько регионов, обозначаемых как p1, p2, p3, q1, q2, q3 и т. д., причем их нумерацию ведут от центромеры.

Каждый регион состоит из последовательных морфологически различимых элементов хромосомы (например, несколько сегментов и теломер). В зависимости от разрешающей способности микроскопа в каждом регионе можно идентифицировать сегменты (обозначаются как р11, р12, р13 и т.д.), субсегменты (записываются р11.1, р12.1, р13.2 и т.д.) и субсубсегменты (обозначаются как р11.11, р12.12, р13.23 и т. д.).

Так же как и в случае с регионами нумерацию сегментов, субсегментов и субсубсегментов ведут от центромеры. Центромера по Парижской номенклатуре обозначается "cen", а теломер - "ter".

Индивидуальные характеристики хромосом человека

Нормальный кариотип человека (мужчины и женщины) представлен на рис. 4. Хромосомы, изображенные на этом рисунке, окрашены G-методом. Обобщенная схема (кариограмма) G-сегментации хромосом человека представлена на рис. 5. Соотношение реальной G- и R- сегментации со схематическим изображением G- и R-сегментов показано на рис. 6 (на примере хромосомы 1).

• Группа А (1-3). Большие, метацентрические и субметацентрические хромосомы. Хромосома 1 – самая большая метацентрическая хромосома. Центромера расположена посередине, центромерный индекс равен 48-49. В проксимальной части длинного плеча вблизи центромеры часто обнаруживается вторичная перетяжка, что в ряде случаев приводит к удлинению q-плеча. Растянутый сегмент по сравнению с остальной частью хромосомы может выглядеть очень тонким, а по сравнению со сверхспирализованными метафазными – недоспирализованным (uncoiler). Признак недоспирализации, как и другие индивидуальные особенности хромосомной морфологии, обнаруживается во всех соматических и в половине половых клеток, т. е. наследуется как простой доминантный признак. Локус uncoiler-1, определяющий этот признак, был использован для картирования локуса Даффи на хромосоме 1. При окрашивании Q-методом вторичная перетяжка флуоресцирует слабо, при использовании G-метода она выглядит как плотный сегмент.

  Самой большой субметацентрической хромосомой является хромосома 2 (центромерный индекс 38-40). Радиоавтографическое исследование показало, что хромосома 2, особенно проксимальные районы обоих плеч, реплицируется относительно поздно.

  Хромосома 3 с центромерным индексом 45-46 почти на 20% короче хромосомы 1 и, следовательно, легко идентифицируется. При окрашивании Q-методом в проксимальном районе ее длинного плеча часто выявляется ярко флуоресцирующий сегмент. Интенсивность флуоресценции значительно варьирует у разных индивидов, но постоянна во всех клетках для одного и того же хромосомного варианта.

• Группа В (4 и 5). Большие субметацентрические хромосомы (центромерный индекс 24-30) не различаются между собой без радиоавтографии или дифференциального окрашивания. Согласно данным радиоавтографических исследований, хромосома 4 является поздно реплицирующейся по всей своей длине, в то время как в хромосоме 5 поздно реплицируется только короткое плечо. Рисунки распределения R-и G-сегментов у этих хромосом совершенно различны.

• Группа С (6-12). Хромосомы среднего размера, субметацентрические. При стандартном окрашивании Х-хромосому нельзя отличить от других хромосом этой группы. Хромосомы 6, 7, 8, 11 и 12 являются относительно субметацентрическими, их центромерный индекс 27-35. В хромосоме 9 часто обнаруживают вторичную перетяжку в проксимальной части длинного плеча. Все эти хромосомы легко идентифицируются с помощью Q- и G-окрашивания. Вторичная перетяжка хромосомы 9 не окрашивается ни акрихином, ни красителем Гимза. Хромосомы 11 и 12 обнаруживают очень сходный рисунок сегментации, что наводит на мысль об их общем происхождении и эволюции (они содержат локусы лактат-дегидрогеназы А и В, соответственно, общее происхождение которых предполагается на основании биохимических данных). Однако хромосома 11 заметно более метацентрическая, чем хромосома 12.

• Х-хромосома. В противоположность другим хромосомам группы С Х-хромосома значительно варьирует по длине. В целом она сходна с самыми длинными из С хромосом. Центромерный индекс высокий, но довольно вариабельный. В клетках женщин одна из двух Х-хромосом реплицируется в поздней S-фазе, когда репликация других С-хромосом (за исключением ряда коротких сегментов) уже завершена. Важно, что поздним является не только завершение, но также и начало репликации ДНК.

• Группа D (13-15). Эти хромосомы акроцентрические по форме, сильно отличаются от всех других хромосом человека. Центромерный индекс около 15 – наименьший в кариотипе человека. Все три пары содержат спутник. Короткое плечо этих хромосом обнаруживает сильную межхромосомную вариабельность. Длина проксимальных участков коротких плеч варьирует, спутники могут отсутствовать, а могут быть очень большими, могут ярко флуоресцировать, а могут и не давать флуоресценции. В некоторых случаях наблюдаются двойные (тандемные) спутники. Длинные плечи трех хромосом четко различаются по Q- и G-сегментам. Для выявления вариантов в группе D-G сравнивают длины короткого плеча этих хромосом с длиной короткого плеча хромосомы 18 в той же клетке. Плечо считают длинным, если оно такой же длины, как короткое плечо хромосомы 18, и очень длинным, если оно длиннее короткого плеча этой хромосомы. Большие спутники обозначают (ps+), двойные спутники (pss), укороченное p-плечо со спутниками или без них (ph-). Частота гетероморфизма гомологов в этой группе составляет 3,7% (8 из 216) в препаратах после дифференциального окрашивания и 2,3% (411 из 24400) в стандартных препаратах.

• Группа Е (16-18). Относительно короткие метацентрические или субметацентрические хромосомы. Хромосома 16 имеет центромерный индекс около 40. В среднем ее длина составляет чуть более одной трети длины хромосомы 1, но обнаруживает значительную изменчивость. В длинном плече примерно в 10% случаев выявляется вторичная перетяжка. Длина проксимального G-сегмента варьирует в зависимости от выраженности этой перетяжки. Хромосома 18 примерно на 5-10% короче хромосомы 17 и имеет более короткое длинное плечо (у хромосомы 17 центромерный индекс составляет 31 по сравнению с 26 у хромосомы 18). Хромосома 17 реплицируется рано, хромосома 18 - поздно.

• Группа F (19-20). Эти две хромосомы имеют центромерный индекс в пределах 36-46. В стандартных препаратах они выглядят одинаково, но при дифференциальном окрашивании резко различаются.

• Группа G (21 и 22). У этих маленьких акроцентрических хромосом центромерный индекс варьирует в пределах 13-33. Они легко различаются по рисунку сегментации. Изменчивость их коротких плеч так же значительна, как и в хромосомах группы D. Здесь классифицируют такие же варианты, как и в группе D. Флуоресценция спутников и коротких плеч может быть слабой, умеренной и сильной, так же как и интенсивность окрашивания при использовании G-метода. В выборке из 2444 новорожденных 3,5% обнаруживают удлиненные короткие плечи. Другие варианты, такие, как гигантские спутники, удлиненные или укороченные короткие плечи, встречаются намного реже. По данным некоторых исследователей, общая частота вариантов хромосом группы G составляет 1,8% по препаратам с дифференциальным окрашиванием и 1,6% в стандартных препаратах. Короткие плечи хромосом группы D и G содержат ядрышковый организатор и специфично окрашиваются методом серебрения.

• Y-хромосома. Y-хромосома обычно (но не всегда) больше, чем хромосомы группы G, и хроматиды ее длинного плеча, как правило, лежат параллельно одна другой. Этим она отличается от хромосом группы G, у которых хроматиды длинных плеч часто образуют широкий угол. Центромера видна менее четко, спутники отсутствуют, размер длинного плеча сильно варьирует, и некоторые варианты его длины наследуются. Центромерный индекс варьирует от 0 до 26 (в среднем ~16). При окрашивании акрихином обнаруживается довольно изменчивый ярко флуоресцирующий дистальный участок длинного плеча. Во многих случаях находят два сильно флуоресцирующих сегмента, реже – три. В популяционных исследованиях частота выраженных вариантов размеров длинного плеча Y-хромосомы составляет 5,6% (в выборке из 2444 новорожденных). В большинстве случаев Y-хромосома была удлиненной; у 5% новорожденных она оказалась длиннее F-хромосомы, у 0,33% – длиннее хромосомы 18; однако в 0,25% образцов была обнаружена очень маленькая Y-хромосома.

  Обобщенная характеристика хромосом человека представлена в табл. 9. В этой таблице приведены данные по относительной длине (в процентах от длины гаплоидного набора аутосом) индивидуальных хромосом человека, их центромерному индексу и количеству ДНК.

Центромерные регионы хромосом

Центромера, или первичная перетяжка, морфологически выглядит как утончение тела хромосомы, которое делит ее на два плеча – короткое и длинное. Главной задачей этого структурного элемента хромосом является корректная сегрегация (разделение) сестринских хроматид по двум дочерним клеткам во время митотического или мейотического деления исходной родительской клетки. Известны случаи утери хромосомами центромерных регионов, что приводит к образованию ацентрических хромосомных фрагментов. Такие фрагменты элиминируются из клетки во время ее последующих делений, так как они не способны взаимодействовать с нитями веретена деления и корректно распределяться по двум вновь формирующимся клеткам.

Во время поздней профазы митоза (или профазы I мейоза) на центромере образуется пара дисковидных кинетохоров – по одному на каждую сестринскую хроматиду. В дальнейшем к этим структурам присоединяются многочисленные кинетохорные микротрубочки, тем самым, формируя физическую связь между хромосомой и двумя полюсами веретена деления. В анафазе кинетохорные микротрубочки обеспечивают расхождение сестринских хроматид к противоположным полюсам клетки, причем ключевую роль в этом процессе играют как раз кинетохоры, которые контролируют процессы сборки и разборки микротрубочек.

Поскольку положение центромеры строго постоянно для каждой индивидуальной хромосомы, то можно предположить, что ее строение и, в конечном итоге, функция связаны с определенными последовательностями ДНК. Отчасти это предположение подтверждается экспериментальными данными. Так, установлено, что центромерный гетерохроматин представлен главным образом сателлитной ДНК. Однако, не понятно, почему именно такой класс ДНК присутствует в центромерной области хромосом и как такая ДНК определяет свойства этих структур.

Теломерные концы хромосом

Теломеры – это специализированные структуры, расположенные на концах хромосом. Главным структурным компонентом теломерных концов являются кластеры коротких тандемно повторяющихся последовательностей ДНК. В отличие от центромерной ДНК, которая весьма вариабельна у разных видов, последовательности теломерной ДНК эволюционно очень консервативны. У большинства изученных организмов "коровая" единица теломерной ДНК состоит из 5-7-и нуклеотидов: ТТГГГГ (Paramecium), ТАГГГ (Trypanosoma), ТТТАГГГ (Arabidopsis) и ТТАГГГ (Homo sapiens). Тандемно повторяясь, эти пента-гептануклеотиды и образуют кластеры протяженностью от 10 до 15 Кб.

Транскрипционной активностью теломерная ДНК не обладает. Однако она, являясь главным компонентом теломерных концов хромосом, принимает участие в выполнении последними их специфических функций: препятствие "слипанию" концов хромосом, полная репликация концевых участков хромосомной ДНК, обеспечение пространственной организации хромосом в ядре и пространственной организации самого ядра, а также контроль количества делений клетки.

В норме теломеры являются обязательным компонентом эукариотических хромосом. При этом ДНК-белковый комплекс, составляющий их основу, надежно защищает хромосому от деградации и "слипания" ее концов с концами других хромосом. В тех же случаях, когда происходит утеря теломерных фрагментов, хромосомы приобретают нестабильность, их концы могут "слипаться", рекомбинировать и деградировать.

С теломерами связана еще одна проблема существования хромосом. Известно, что при репликации ДНК одна из ее нитей, лидирующая, синтезируется непрерывно, а вторая, запаздывающая, фрагментами. Причем в последнем случае для инициации синтеза фрагмента запаздывающей цепи необходим РНК-праймер, который в свою очередь синтезируется по ДНК-матрице лидирующей цепи. Так как ДНК эукариотических хромосом линейна, то возникает проблема репликации небольших концевых участков запаздывающей цепи. Эта проблема решается с помощью специфического РНК-содержащего фермента – теломеразы (РНК-зависимой ДНК-полимеразы). РНК, входящая в состав этого фермента, является матрицей для синтеза лидирующей цепи ДНК. После удлинения конца этой цепи создаются условия для синтеза дополнительных РНК-праймеров на лидирующей цепи как матрице. В последующем дополнительно синтезированные РНК-праймеры служат затравками для работы ДНК-полимеразы α, которая и достраивает запаздывающую цепь (рис. 7).

Проблема репликации концов хромосомальной ДНК и участие в этом процессе теломеразы в последние годы активно обсуждается в связи с еще одним вопросом – вопросом взаимосвязи между теломерами и старением клетки. Дело в том, что в норме теломеразная активность обнаруживается только в активно делящихся стволовых клетках организма (например, в плюрипотентных стволовых клетках крови), а в слабо- или неделящихся дифференцированных клетках теломераза не работает. В связи с этим с каждым новым делением клетка, лишенная теломеразной активности, теряет небольшой фрагмент теломера. Когда же теряется весь теломер, то клетка перестает делиться и вскоре погибает. Точный механизм такого контроля количества делений дифференцированных клеток пока не установлен.

Наконец, теломерный гетерохроматин, взаимодействуя с белками ядерной пластинки, обеспечивает прикрепление хромосом к ядерной оболочке, тем самым пространственно организуя их в ядре.

Точки начала репликации хромосом

К сожалению, у человека пока не обнаружены уникальные точки начала репликации хромосом наподобие аутономно реплицирующихся последовательностей дрожжей. На эту роль претендует недавно идентифицированная с помощью компьютерного анализа последовательность WAWTTDDWWWDHWGWHMAWTT (где W=A или Т; D=А, Г или Т; Н=А, Ц или Т; М=А или Ц), однако, экспериментально это предположение еще не подтверждено. Некоторые авторы полагают, что хромосомы человека имеют множество сайтов начала репликации, которые объединены в регион протяженностью несколько десятков килобаз. Однако и эта гипотеза пока экспериментальным путем ни подтверждена, ни опровергнута.

Функциональное значение хромосом

Хромосомы человека выполняют функцию основного генетического аппарата клетки. Исследования показали, что в них находятся единицы наследственной информации — гены, каждый из которых обусловливает развитие того или другого наследственного признака. Гены расположены в хромосомах в линейном порядке, и каждый из них занимает строго определенное место (локус) в одной из хромосом. В других негомологичных хромосомах этого гена не может быть. Поэтому негомологичные хромосомы физиологически не могут заменить друг друга. Отдельная хромосома содержит много генов, но они составляют лишь часть той совокупности генов, которая необходима для нормального развития организма. Полный набор генов, необходимый для развития всех видовых и индивидуальных наследственных свойств, содержится только в полном комплекте хромосом.

Во время митотического и мейотического деления клеток хромосомы обеспечивают равномерное распределение наследственного материала между двумя дочерними клетками. Выполнение этих функций возможно благодаря трем главным структурным элементам хромосом – наличию у них центромерных регионов, теломерных концов и точек начала репликации ДНК.

Перед началом митотического деления клетки происходит процесс самовоспроизведения - редупликации хромосом. Это позволяет в ходе последующего деления передать дочернему поколению полноценный комплекс генов, заключенный в каждой отдельной хромосоме. В основе самовоспроизведения хромосомы лежит репликация ДНК с образованием из одной материнской спирали двух дочерних молекул, на базе которых образуются две сестринские хроматиды (рис. 3). Благодаря высокой точности репликации ДНК сестринские хроматиды несут практически одинаковую информацию, записанную в ее дочерних молекулах. В каждой хроматиде ДНК находится в комплексе с гистонами, и ей присущи все описанные выше уровни компактизации хроматина, свойственные интерфазной клетке.

Таким образом, готовясь к самовоспроизведению, клетка удваивает содержание ДНК в каждой хромосоме. При этом последняя приобретает двунитчатую структуру.

Известны случаи, когда репликация ДНК, причем неоднократная, не сопровождается формированием хроматид на базе дочерних спиралей. При этом образуются так называемые политенные хромосомы, содержащие многие сотни копий ДНК. Такие хромосомы обнаруживаются, например, в неделящихся клетках слюнных желез личинок некоторых насекомых при обычной световой микроскопии (рис. 4).

Распределение материала материнских хромосом между дочерними клетками в митозе

В ходе митотического деления обеспечивается закономерное распределение сестринских хроматид каждой хромосомы между дочерними клетками. В составе дочерних хромосом (бывших сестринских хроматид) каждая клетка нового поколения получает одну из двух молекул ДНК, образовавшихся в результате репликации материнской двойной спирали. Следовательно, новое поколение клеток получает одинаковую генетическую информацию в составе каждой группы сцепления.

Таким образом, процессы, происходящие с хромосомами при подготовке клеток к делению и в самом делении, обеспечивают самовоспроизведение и постоянство их структуры в ряду клеточных поколений.

После митоза хромосомы дочерней клетки представлены одной молекулой ДНК, компактно упакованной с помощью белков в одну хроматиновую нить, т.е. имеют такую же структуру, какую имели хромосомы материнской клетки до начала процесса репликации ДНК. Если вновь образованная клетка выбирает путь подготовки к делению, то в ней должны произойти все описанные выше события, связанные с динамикой структурной организации ее хромосом.

Дополнительно: Хромосомы и хромосомные болезни