4. СТРУКТУРА, ХИМИЧЕН СЪСТАВ И СВОЙСТВА НА ХРОМОЗОМИТЕ.
Прокариотни и еукариотни хромозоми
Както бе опоменато в предходният раздел, повечето познати форми на живот на планетата Земя, съхраняват наследствената си информация в молекули ДНК. Специфичните нуклеутидни последователности в ДНК молекулите на всеки отделен индивид представляват неговите гени, отговорни за синтезата на специфични белтъчини. При прокариотните организми се наблюдава наличието на една двойноверижна ДНК молекула (обикновено с пръстеновидна форма) обвита със специфични белтъци, като тази сътруктура образува хромозомата на дадената бактерия. При деленето на клетката, удвояването на бактериалната хромозома (нуклеоид) започва от едно начало на репликация (Origin). Еукариотните организми притежават обособено ядро в което са разположени множество хромозоми с линейна форма. В тези хромозоми ДНК молекулата е обвита със специфични белтъци, които освен структурна имат и реголаторна функция. Поради многократно по-голямото количество на наследствената информация в еукариотните организми, в сравнение с прокариотите, репликацията тук стартира от няколко начални точки.
Морфология на хромозомите
Хромозомите на еукариотните организми представляват дълги молекули съставени от ДНК и специфични белтъчини. През по-голямата част от жизненият цикъл отделните молекули са оплетени една с друга и бихме могли да ги оприличим на кълбо прежда, при която отделни участъци са раздърпани. Хромозомите придобиват характерната си форма и стават видими със светлинен микроскоп само в началните фази на деленето на клетката. Всяка хромозома се състои от две части, които се наричат хроматиди. Те са напълно идентични помежду си и са резултат от удвояването на ДНК чрез процеса репликация. Всяка хроматида следователно съдържа една молекула ДНК. При клетъчното делене те се отделят една от друга. Всяка хроматида се обособява като хромозома за съответната дъщерна клетка. Морфологията на хромозомите се определя от разположението на центромера (първично прищъпване) по дължината на хромозомата. Равнораменни са хромозомите при които центромера е разположен на средата на хромозомата, те се обозначават като метацентрични. При тях центромера разделя хромозомата на две рамена със сравнително еднаква големина. При други хромозоми центромерът разделя хромозомата на рамена с различна дължина и те се обозначават като субметацентрични. При тях по-дългото рамо се бележи като q-рамо, а по-късото, като p-рамо. Когато центромерът е разположен в самият край на хромозомата се наблюдава наличие само на едно рамо на хромозомата. Тези хромозоми се обозначават като телоцентрични. Когато центромерът е разположен много близо до единият край на хромозомата, но не в самият край, хромозомите се обозначават като акроцентрични. При наблюдаване под микроскоп последните два вида хромозоми са много трудни за диферинциране, поради което е прието да се отбелязват като акроцентрични.
Пълният диплоиден набор хромозоми при всеки вид се нарича кариотип. Кариотипът на един организъм се състои от два вида хромозоми – автозоми и полови хромозоми. Автозомите носят информация за синтез на специфичните белтъчини за съответният вид организъм, докато в половите хромозоми се съдържат гени отговорни за половият диморфизъм. При бозайниците хетерогаметен е мъжкият пол и половите хромозоми се бележат с латинските букви X и Y, докато при птиците, пеперудите и влечугите хетерогаметен е женският пол и секс хромозомите се бележат с Z и W. При Описването на броя, формата и структурата на хромозомите при даден индивид се нарича кариограма, а фотографирането и подреждането по двойки, в зависимост от размера на хромозомите се нарича идеограма. Броят и формата на хромозомите на всеки отделен вид организъм е строго специфичен единствено за него и не се променя в поколението му. Един от най-лесните за изпълнение начини за наблюдение на хромозомите на даден индивид е посредством оцветяването на клетките му по метода на Гимза. По този метод са описани специфичните особености на хромозомите на почти всички видове населяващи нашата планета.
Брой на диплоидният хромозомен набор, при някои животни според класификацията на Лобашов:
Специализирана организация на хромозомите
Структурата на хромозомите при еукариотните организми зависи от центромерите и теломерите. При някои хромозоми се наблюдава и още една допълнителна област – организаторът на ядърцето (nucleolar organizer region - NOR). Основната роля на центромерите е в процеса на деленето на клетките, където посредством центромера си всяка хромозома се свързва с нишките на делителното вретено. Ако по някаква причина даден фрагмент загуби връзката си с центромера на хромозомата, то той не може да се предаде в дъшерните клетки. При повечето висши организми центромерът представлява дълъг участък (над 200bp) от често повтарящи се фрагменти сателитна ДНК.
Теломерите са специализирани структури, разположени в крайщата на ДНК молекулите и хромозомите. Независимо от наблюдаваният вид, обикновено те са изградени от многократно повтарящи се фрагменти със секвенцията TTAGGG. Броят на повторенията в теломерите е висок при младите делящи се клетки и постепенно намалява с възрастта на соматичните тъкани, поради което се смята, че това явление е молекулен маркер на процеса стареене. Към теломерите са прикрепени специфични белтъчини като се предполага, че сформираните нуклеопротеини непозволяват рекомбинацията на генетичен материал между крайщата на нехомоложните хромозоми.
Ако центромерът се образува от първичното прищъпване на хромозомата, то организаторът на ядърцето (NOR) се образува т. нар. вторични прищъпвания. Те се състоят от тандемно повторени гени за рибозомните гени за 5,8S, 18S и 28S. Всеки NOR е съставен около 80-100 повторения като през интерфазата на клетъчното делене той се декондензира и около него се организира ядърце, при което NOR от различните хромозоми се обединяват в едно ядърце. Не всички хромозоми притежават вторично прищъпване, но при някои хромозоми то е толкова силно изразено, че една малка част от хромозомата е толкова силно прищъпена, че изглежда като отделена от нея. Такава малка дистална част от хромозомата се нарича Сателит.
Молекулярна структура на хромозомите
Хромозомите са изградени от два основни компонента – ДНК и белтъци, образуващи структура обозначавана като хроматин. Белтъчините участващи в образуването хромозомите се делят на два основни класа – хистонови и нехистонови белтъци. Хистоните са белтъци с ниско молекулно тегло (около 23 kD) и се откриват в равно съотношение с количеството на ДНК в съответната хромозома. Благодарение на наличието на аминокиселините аргинин и лизин, те притежават положителен заряд, който стабилизира структурата на ДНК. При повечето организми са открити пет различни хистона Н1, Н2а, Н2b, H3 и Н4. Аминокиселинната последователност на всеки хистон е висококонсервативна, което показва изключителната важност на тези молекули за живота на еукариотните организми.
Хроматинът в хромозомите е съставен от множество нуклеозоми, изградени от четири хистона (Н2а, Н2b, H3 и Н4) около които се увива молекулата ДНК. Всяка нуклеозома се получава, като участък от ДНК се увие 2 пъти около белтъчен октамер, т.е. комплекс от 8 белтъчни молекули. Октамерът се състои от хистоните Н2А, Н2В, Н3 и Н4, всеки представен с по 2 молекули. Хистон H1 се разполага извън тази структура (нуклеозомата) и спомага фиксирането на навивките на ДНК. Върху една нуклозома се разполага ДНК молекула с големина 146 базови двойки (bp). Между две съседни нуклозоми се разполага молекула ДНК с дължина около 60 bp, която носи името линкер и дължината и варира при различните видове. По нататъшното пакетиране на ДНК зависи от молекулите на хистон Н1, които могат да взаимодействат по между си и да образуват спирална структура съставена от отделни нуклеозоми, наречена соленоид. Нехистоновите (кисели) белтъци изпълняват предимно регулаторна функция и вземат участие в генната експресия. Нехистоновите белтъци, които изграждат хроматина, също се подлагат на модификации – фосфорилиране, ацетилиране и гликолизиране. Към тях се отнасят бързо подвижни белтъци HMG1, 2, 14 и 17, които са нискомолекулни и се намират в тази част на хроматина, където става активна транскрипция. Към тази група спадат всички ензими, които са отговорни за репликацията на ДНК.
Функционален и нефункционален хроматин
Не всички участъци от хроматина вземат еднакво участие в генната експресия, поради което хроматина се разделя на два вида – функционално активен, наречен еухроматин и неактивен обозначаван като хетерохроматин. Участъците от хромозомата в които има натрупване на хетерохроматин са много по-плътни, поради което са лесно видими с обикновен микроскоп. Хетерохроматинът може да се раздели на два подвида – конституитивен и факултативен хетерохроматин. Конституитивният хетерохроматин не взема участие в генната експресия и се предполага, че молекулите на ДНК в него не носят генетична информация. Такъв хетерохроматин се наблюдава в дългото рамо на Y хромозомата на човек и в различни области на половите хромозоми при някои животни. Някои области в хроматина могат да съществуват както в хетеро така и в еухроматично състояние, тези участъци се обозначават като факултативен хетерохроматин. Пример може да бъде даден с образуването на телцето на Бар при женските бозайници. Индивидите от мъжки пол са хетерогаметни т.е. те притежават една Х и една Y хромозома. Женските индивиди са хомогаметни и притежават две Х хромозоми в своят геном. В Х хромозомата при бозайниците освен гени, отговарящи за половият диморфизъм се наблюдават и много гени които нямат отношение към пола на организма. Изхождайки от тези данни бихме могли да предположим много по-голямо количество експресирани гени при женските индивиди, в сравнение с мъжките. Това явление обаче не се наблюдава, тъй като малко след оплождането на яйцеклетката и образуването на зиготата едната Х хромозома приема хетерохроматично състояние и във всички соматични клетки на този организъм се наблюдава само една функционираща Х хромозома. Коя от двете Х хромозоми ще бъде инактивирана е случаен процес, като статистически почти половината от инактивираните Х хромозоми произхождат от майчиният организъм, а другата от бащиният. По време на гаметогенезата (в половите клетки) Х хромозомата се реактивира, като отново приема еухроматично състояние и се предава наравно с другата Х хромозома.
Политенни хромозоми
Поради факта, че са многократно по-дълги (около 200 пъти) в сравнение с нормалните метафазни хромозоми, политенните хромозоми се обозначават като гигантски хромозоми. Този вид хромозоми са описани в клетки на слюнчените жлези на личинките на Chironomus, в клетките на червата, както и при някои растения. Причината за възникването на този тип хромозоми в слюнчените жлези на личинките при двукрилите насекоми е, че при тях клетките не претърпяват клетъчно деление, но хромозомите увеличават размера си. През всеки етап от развитието на личинките, ядрата на клетките постоянно се намират в интерфаза и хомоложните хромозоми взаимно се привиличат. Това взаимно притегляне на хомоложните хромозоми е изключение от познатите правила и се обозначава като соматична конюгация. Политенните хромозоми се образуват вследствие на репликацията на хромозомите, която не се последва от разделяне на клетката. По този начин хромозомата придобива вид на схопче изградено от хромонемни нишки.
Гигантските хромозоми са изградени от огромен брой хромонеми (над 1000), поради което те се визуализират като снопчета от паралелни нишки. Една част от тези снопчета са много плътно кондензирани и се наричат бендове, а други са по-слабо кондензирани и се наричат интербендове. Предполага се, че всяка отделна нишка представлява отделна хромозома, като степента на политения се определя от броя хаплоидни хромозоми, които се намират в гигантската хромозома.
Отделяме такова внимание на политенните хромозоми поради едно изключително тяхно качество – активните места на генна експресия могат лесно да бъдат наблюдавани. Описаните силно кондензирани зони лесно се разширяват (образуват пуфи), след което могат могат бързо да възвърнат първоначалното си състояние. Пуфите са места в които се извършва транскрипция на информационна РНК, т.е. участъците в които се наблюдават пуфите съдържат гени, които в момента експресирани. В повечето случаи всяка пуфа произлиза от отделен бенд като процесът на декондензация се индуцира от хормона ecdysone. Участъците в които се наблюдават пуфи са богати на допълнителни протеини - ензимът РНК полимераза II и други протеини нужни за правилното протичане на транскрипцията. В миналото, когато молекулярно биологичните методи не са били толкова развити, този тип хромозоми е бил използван за определяне локализацията на даден ген в хромозомата.
Хромозоми тип “Лампови четки”
При земноводните, рибите, птиците и влечугите се наблюдава една разновидност на гигантските хромозоми обозначавани като хромозоми тип „лампови четки“. Те се образуват в резултат на необикновено дългата мейоза при някои видове земноводни, протичаща за период от няколко месеца. През този период те представляват изключително дълги структури и могат лесно да бъдат наблюдавани със светлинен микроскоп. В последствие (в края на мейозата) те възстановяват характерната си форма. “Ламповите четки” са мейотични биваленти като всяка хромозома се състои от два чифта сестрински хроматиди. Сестринските хроматидни чифтове са отделени така, че те се държат само от хиазма. Всяка двойка хомоложни хромозоми е изградена от четири хромонеми, а от тях излизат странични примки изградени от ДНК молекули и хистонови белтъчини. Описаната до момента структура била оприличена на четка за миене на газовите лампи използвани в миналото.
Трябва да отбележим, че „ламповите четки“ не са политенни, защото не са изградени от такъв голям брой хроматиди, а от силно деспирализирани хромонеми. При тритона Notophtalmus viridescens дължината на хромозомите тип „лампови четки“ достига до 800мм, докато в края на мейозата техният размер е почти 40 пъти по-малък – около 15-20 мм.
Въпроси за самоподготовка!
Белтъчините участващи в образуването хромозомите се делят на:
- Хистонови и нехистонови белтъци
- Ядрени и Цитоплазмени
- ДНК и РНК
- Монопептиди и Дипептиди
Нуклеозомата е съставена от следните четири групи хистони:
- H1, H2A, H2B, H3
- H1, H2A, H3, H4
- H1, H2B, H3, H4
- H2A, H2B, H3, H4
В зависимост от участието си в генната експресия, хроматинът се разделя на:
- Факултативен и конституитивен
- Еухроматин и Хетерохроматин
- Значим и незначим
- Същински и еволюционно стар
