سطوح تراکم DNA کروموزوم و کروماتین. بسته بندی مواد ژنتیکی در یک کروموزوم

معرفی

مولکول های DNA در سلول های یوکاریوتی بسیار بزرگ هستند. بنابراین طول مولکول های DNA جدا شده از سلول های انسانی به چندین سانتی متر می رسد. به طور کلی پذیرفته شده است که هر کروموزوم یوکاریوتی حاوی یک مولکول DNA منفرد و پیوسته است. با توجه به تعداد گونه های کروموزوم در پستانداران، می توان گفت که آنها به طور متوسط ​​حدود 2 متر DNA در هر هسته اینترفاز دارند که در یک هسته کروی با قطر کمتر از 10 میکرومتر قرار دارد. در عین حال، نظم خاصی از آرایش مولکول های DNA باید در هسته حفظ شود تا از عملکرد منظم آن اطمینان حاصل شود.

به همین دلیل است که مولکول های DNA در هسته سلول های یوکاریوتی همیشه با پروتئین ها به عنوان بخشی از کروماتین که از کروموزوم ها پس از پایان تقسیم هسته ای در نتیجه فرآیند پیچیده باز شدن (دیسپیرالیزاسیون) کروموزوم ها تشکیل می شود، در کمپلکس هستند.

با بررسی سازماندهی ساختاری کروماتین و کروموزوم ها، قطعاً می توان در مورد چندین سطح از تراکم DNA صحبت کرد. اولی نوکلئوزومی است که تراکم هفت برابری DNA و ترکیب فیبریل های DNP را ایجاد می کند، دومی فیبریلی با قطر 30 نانومتر یا سطح نوکلئومری با درجه بسته بندی 40 تا 70 برابر است، سومین فیبریل دامنه است. حلقه یا کرومریک، منجر به تراکم 600-700 برابری DNA در این ساختارها می شود. برای حفظ دو سطح اول تراکم، مشارکت فقط پروتئین‌های هیستون کافی بود، در حالی که ساختارهای حلقه‌ای و دامنه مانند روزت قبلاً به مشارکت پروتئین‌های غیرهیستونی و انتقال از نوع مارپیچی یا سولنوئیدی تا شدن DNA به تشکیل ساختارهای کروی فشرده متشکل از حلقه هایی از فیبرهای کروماتین با قطر 30 نانومتر، به ساختارهایی مانند کرومرها که قبلاً دارای ابعاد 0.1-0.2 میکرون هستند.

بسته بندی DNA در کروموزوم ها

فشردگی یک تفاوت اساسی بین ژنوم یوکاریوتی و ژنوم پروکاریوتی است. با اختلاف میانگین در اندازه ژنوم 3 مرتبه بزرگی، اندازه خطی کروموزوم های یوکاریوتی با طول DNA پروکاریوتی قابل مقایسه است.

حداقل 4 سطح از تراکم DNA وجود دارد. در این مورد، رشته DNA 10000 بار "کوتاه" می شود. این شبیه قرار دادن نخی به طول برج Ostankino (500 متر) در یک جعبه کبریت (5 سانتی متر) است.

کروموزوم های سلول های یوکاریوتی عمدتاً از کروماتین - مجموعه ای از DNA دو رشته ای و پنج پروتئین هیستونی به نام های H1، H2A، H2B، H3 و H4 تشکیل شده است.

این هیستون ها هستند که دو سطح اول تراکم ژنوم یوکاریوتی - نوکلئوزومی و نوکلئومری را فراهم می کنند.

مشخصات کلی هیستون ها

هیستون ها پروتئین های اساسی هستند. همه آنها با لیزین و آرژنین - اسیدهای آمینه با بار مثبت - غنی شده اند. بسته به نسبت اسیدهای آمینه در ساختار هیستون ها، معمولاً 5 بخش از هیستون ها متمایز می شوند. تعداد زیادی از آنها تولید می شوند - 60 میلیون مولکول از هر بخش در هر سلول.

تغییرات هیستون تا حد زیادی بر تراکم DNA تأثیر می گذارد. هیستون ها می توانند متیله، فسفریله شوند (در سرین، ترئونین، تیروزین)، به عنوان مثال. بقایای اسید آمینه به راحتی اصلاح می شوند. علاوه بر این، آلکیلاسیون و استیلاسیون هیستون ها امکان پذیر است.

فراکسیون های اصلی هیستونی:

همه هیستون ها، به جز H1، از نظر تکاملی بسیار محافظه کار هستند (در گاو و شبدر، تفاوت در H2A تنها یک اسید آمینه است!). در نتیجه، این پروتئین ها یک عملکرد اساسی را انجام می دهند که به طور مساوی در همه یوکاریوت ها ارائه می شود. هر گونه جهش در ژن های هیستون کشنده است.

H1 یک کسر بسیار متغیر است. این هیستون نه تنها در بین گونه ها، بلکه حتی در همان ارگانیسم بسته به مراحل انتوژنز متفاوت است.

در هیستون ها، لیزین و آرژنین خوشه ای هستند. قسمت میانی هیستون حاوی اسیدهای آمینه آبگریز است. اسیدهای آمینه با بار مثبت هیستون ها واسطه برهمکنش های الکترواستاتیکی با DNA هستند. قسمت مرکزی برای برهمکنش هیستون ها با یکدیگر ضروری است.

نقش هیستون ها در چین خوردگی DNA به دلایل زیر مهم است:

1) اگر کروموزوم ها فقط از DNA کشیده شده تشکیل شده باشند، تصور اینکه چگونه می توانند تکثیر شوند و بدون گره خوردن یا شکستن به سلول های دختر جدا شوند دشوار است.

2) در حالت گسترده، مارپیچ دوگانه DNA هر کروموزوم انسانی هزاران بار از هسته سلول عبور می کند. بنابراین، هیستون ها یک مولکول DNA بسیار طولانی را به صورت منظم در هسته ای به قطر چند میکرومتر بسته بندی می کنند.

3) همه DNA به طور یکسان تا می شوند، و نحوه بسته بندی ناحیه ای از ژنوم در کروماتین احتمالاً بر فعالیت ژن های موجود در آن ناحیه تأثیر می گذارد.

انواع کروموزوم های متافاز، ساختار آنها. چهار نوع ساختار کروموزوم وجود دارد: تلوسنتریک(کروموزوم های میله ای شکل با یک سانترومر واقع در انتهای پروگزیمال)؛ متمادی(کروموزوم های میله ای شکل با بازوی دوم بسیار کوتاه و تقریبا نامرئی)؛

زیر متاسانتریک(با شانه هایی با طول نابرابر، شبیه به حرف L)؛ متا مرکزی(کروموزوم های V شکل با بازوهایی با طول مساوی). نوع کروموزوم برای هر کروموزوم همولوگ ثابت است و ممکن است در همه اعضای یک گونه یا جنس ثابت باشد.

کروموزوم ها از نظر مصنوعی غیر فعال هستند. ساختار کروموزوم ها به بهترین وجه مورد مطالعه قرار می گیرد

در لحظه بزرگترین تراکم آنها، یعنی. در متافاز و آغاز آنافاز میتوز.

هر کروموزوم در متافاز میتوز از دو کروماتید تشکیل شده است.

در نتیجه تکثیر تشکیل شده و توسط یک سانترومر به هم متصل می شود

(انقباض اولیه). در قسمت مرکزی سانترومر، کینتوکورها وجود دارد که در طول میتوز، میکروتوبول های رشته های دوک به آنها متصل می شوند. در آنافاز، کروماتیدها از یکدیگر جدا می شوند. آنها کروموزوم های دختری را تشکیل می دهند که حاوی اطلاعات ژنتیکی یکسانی هستند. سانترومر کروموزوم را به دو بازو تقسیم می کند. کروموزوم های با بازوهای مساوی، بازوهای مساوی یا متاسانتریک نامیده می شوند، با بازوهایی با طول نابرابر - بازوهای نابرابر - زیر متاسانتریک، با یکی کوتاه و دومی تقریبا نامحسوس - میله ای شکل یا آکروسانتریک (شکل 48).

برخی از کروموزوم ها دارای یک انقباض ثانویه هستند که ماهواره را از هم جدا می کند.

انقباضات ثانویه سازمان دهنده هسته ای نامیده می شوند. در آنها در اینترفاز

تشکیل یک هسته رخ می دهد. سازمان دهنده های هسته حاوی DNA هستند که مسئول سنتز r-RNA هستند. بازوهای کروموزومی به نواحی ختم می شوند

تلومر نامیده می شود که قادر به اتصال به کروموزوم های دیگر نیستند.

تعداد، اندازه و شکل کروموزوم ها در یک مجموعه ممکن است در گونه های مختلف متفاوت باشد.

به مجموعه ویژگی های یک مجموعه کروموزوم، کاریوتایپ می گویند

مجموعه کروموزوم برای افراد هر گونه خاص و ثابت است. U

یک فرد دارای 46 کروموزوم، یک موش دارای 40 کروموزوم و غیره است. آنها همولوگ نامیده می شوند. یک کروموزوم در یک جفت از بدن مادر و دیگری از بدن پدر می آید. تغییر در ساختار کروموزوم ها یا تعداد آنها در نتیجه جهش رخ می دهد. هر جفت کروموزوم در مجموعه فردی است. کروموزوم های جفت های مختلف غیر همولوگ نامیده می شوند.

حلق تعداد زیادی واکوئل گوارشی در سیتوپلاسم وجود دارد و در انتهای خلفی بدن نیز پودر وجود دارد. دو واکوئل انقباضی وجود دارد. میکرونوکلئوس نزدیک به ماکرونوکلئوس بزرگ است. مژک ها قادر به انسداد هستند. خود مژه‌ها و کیست‌هایشان می‌توانند برای مدت طولانی در خارج از بدن میزبان زنده بمانند. در آب لوله کشی تا 7 روز زنده می مانند. کیست ها در یک محیط مرطوب (در دمای اتاق) تا دو ماه زنده می مانند. بالانتیدیوم در روده بزرگ (گاهی اوقات کوچک) انسان قرار دارد و باعث زخم شدن دیواره‌های آن می‌شود. از نظر بالینی، این بیماری شدید با اسهال خونی، قولنج، تب و ضعف عضلانی مشخص می شود. منبع اصلی گسترش بالانتیدیا خوک های آلوده به بالانتیدیا هستند. بالانتیدیا کیست هایی را در روده خوک ها تشکیل می دهد که با مدفوع وارد محیط خارجی شده و برای مدت طولانی در آنجا باقی می ماند. عفونت انسان زمانی رخ می دهد که کیست ها با دست یا غذای کثیف وارد دستگاه گوارش شوند.

بالانتیدازیس اغلب افرادی را که در کار مراقبت هستند تحت تاثیر قرار می دهد.

خوک یا گوشت خوک فرآوری شده تشخیص زمانی انجام می شود که بالانتیدیا در مدفوع یافت شود.

بلیط 11 پیاده سازی اطلاعات ژنتیکی در یک سلول. تنظیم فعالیت ژن در پرو و ​​یوکاریوت ها 2. آنتوژنز، دوره بندی آن. ویژگی های مورفو عملکردی و ژنتیکی سلول های زایا.

پیاده سازی اطلاعات ژنتیکی فرآیندی است که در داخل هر یک اتفاق می افتدسلول زنده، که در طی آناطلاعات ژنتیکی، نوشته شده درDNAتجسم در مواد فعال بیولوژیکی -RNAوسنجاب ها. انتقال اطلاعات ژنتیکی از DNA به RNA و از RNA به پروتئین برای همه موجودات سلولی بدون استثنا جهانی است. ایده این جریان اطلاعات، دگم مرکزی زیست شناسی مولکولی نامیده می شود، نمودار اساسی اجرای اطلاعات ژنتیکی در پرو و ​​یوکاریوت ها.
پروکاریوت ها Uپروکاریوتسنتزسنجاب ریبوزوم(پخش) از نظر مکانی جدا نشده استرونویسی هاو می تواند حتی قبل از اتمام سنتز رخ دهدmRNA RNA پلیمراز. mRNA های پروکاریوتی اغلب پلی هستندسیسترونیکیعنی شامل چندین مستقل هستندژن ها.
یوکاریوت ها. mRNAیوکاریوت هاسنتز شده به عنوان یک پیش ساز، pre-mRNA، که سپس دچار بلوغ مرحله ای پیچیده می شود -در حال پردازش، از جمله پیوستنکلاه لبه دار-ساختارها به5" - انتهای مولکول، افزودن چندین ده باقیماندهآدنینبه او3" -پایان (پلی آدنیلاسیون) برش مناطق کم اهمیت -اینترون هاو اتصال بخش های معنی دار به یکدیگر -اگزون ها(پیوند دادن). در این حالت، پیوستن اگزون‌های همان pre-mRNA می‌تواند به روش‌های متفاوتی رخ دهد، که منجر به تشکیل mRNA‌های بالغ مختلف، و در نهایت انواع پروتئین‌های مختلف (پیچیدن جایگزین) می‌شود. فقط mRNA که با موفقیت تحت پردازش قرار گرفته است از هسته به سیتوپلاسم صادر می شود و در ترجمه نقش دارد.

2. آنتوژنز - رشد فردی یک فرد - از لحظه ادغام شروع می شود

اسپرم و تخمک و تشکیل زیگوت به مرگ ختم می شود.

شکل داخل رحمی مشخصه پستانداران و انسان است. همه

عملکرد جنین با هزینه بدن مادر و با کمک انجام می شود

اندام خاص - جفت.

تخمک یک سلول بزرگ و بی حرکت است که دارای مواد مغذی است. اندازه تخمک ماده 150 تا 170 میکرون است (بسیار بزرگتر از اسپرم مرد که اندازه آن 50 تا 70 میکرون است). عملکرد مواد مغذی متنوع است. انجام می شوند:

1) اجزای لازم برای فرآیندهای بیوسنتز پروتئین (آنزیم ها، ریبوزوم ها، m-RNA، t-RNA و پیش سازهای آنها).

2) مواد تنظیم کننده خاص که تمام فرآیندهای رخ داده در تخم مرغ را کنترل می کند، به عنوان مثال، عامل تجزیه غشای هسته ای

3) زرده که حاوی پروتئین ها، فسفولیپیدها، چربی های مختلف و نمک های معدنی است. تخم معمولاً شکل کروی یا کمی کشیده دارد و شامل مجموعه ای از اندامک های معمولی است که هر سلولی دارد. مانند سایر سلول ها، تخمک توسط یک غشای پلاسمایی محدود شده است، اما در خارج توسط یک غشای براق متشکل از موکوپلی ساکاریدها احاطه شده است (نام خود را به دلیل خواص نوری خود گرفته است). زونا پلوسیدا با corona radiata یا غشای فولیکولی پوشیده شده است که میکروویلی سلول های فولیکولی است. نقش محافظتی دارد و تخم مرغ را تغذیه می کند. در عرض 4 تا 7 روز، تخمک از طریق مجرای تخمک به حفره رحم می رسد، فاصله تقریباً 10 سانتی متری تخمک با جداسازی پلاسمایی مشخص می شود. این بدان معنی است که پس از لقاح، چنین توزیع یکنواختی از سیتوپلاسم در تخمکی که هنوز خرد نشده است رخ می دهد، به طوری که متعاقباً سلول های ابتدایی بافت های آینده آن را به مقدار منظم دریافت می کنند.

اطلاعات مربوطه.

در سلول ها یا ویروس ها، به نظر می رسد DNA هرگز به شکل آزاد و کشیده نیست. با کاتیون های با وزن مولکولی کم - یون های فلزات دو ظرفیتی یا با دی و پلی آمین ها یا پروتئین ها و احتمالاً با هر دو مرتبط است. این تعامل با استفاده از نیروهای الکترواستاتیک انجام می شود - گروه های فسفات با بار منفی تا حدی توسط یون های فلزی با بار مثبت و پلی آمین ها یا باقی مانده های اسید آمینه اساسی پروتئین ها خنثی می شوند. در نتیجه چنین فعل و انفعالی، تراکم DNA با کاهش حجم اشغال شده توسط مولکول، گاهی اوقات تا هزار برابر، رخ می دهد. DNA دایره ای به طول 1.4 میلی متر E. coli در یک سلول میله ای شکل با قطر 1 میکرومتر و طول 2 میکرومتر محصور شده است. در سلول‌های یوکاریوتی، DNA هسته‌ای به طول تقریباً 2 متر، در مرحله اینترفاز در هسته‌ای با قطر کمتر از 10 میکرومتر قرار دارد. DNA هسته ای در سلول ها در مرحله میتوز حتی متراکم تر است و در یک میکروسکوپ نوری مانند یک ساختار بسیار فشرده به نظر می رسد.

بسته بندی DNA در هسته

در یک سلول یوکاریوتی متوسط، طول کل DNA ژنومی حدود 2 متر است، قطر هسته آن تنها ~ 10-20 میکرومتر است. در این حالت، مجموعه ژن‌هایی که در یک سلول خاص عمل می‌کنند باید برای RNA پلیمرازها و فاکتورهای رونویسی قابل دسترسی باشند و تمام DNA موجود در سلول‌های در حال تقسیم باید همانندسازی شوند.

امروزه مشخص شده است که بسته بندی DNA در هسته یک سلول یوکاریوتی در چند مرحله اتفاق می افتد. ابتدا رشته DNA به شکل نوکلئوزوم تا می شود و طول آن شش تا هفت برابر کاهش می یابد. سپس رشته نوکلئوزومی به یک فیبریل 30 نانومتری (رشته برقی یا زیگزاگ) تا می‌شود که فشردگی 40 برابری اضافی را فراهم می‌کند. در مرحله بعد، فیبریل به حلقه های بزرگ (50 یا بیشتر هزار جفت پایه) سازماندهی می شود که انتهای آن به اسکلت پروتئینی هسته متصل می شود (اغلب به آن ماتریکس هسته ای می گویند). در این مرحله ابعاد خطی DNA 700 برابر کاهش می یابد. همچنین سطوح زیر از تراکم DNA وجود دارد که اطلاعات در مورد آنها در حال حاضر بسیار کمیاب و متناقض است.

بسته بندی صحیح DNA با پروتئین های کروموزومی تحت نظارت آنزیم های کمکی انجام می شود. آنزیم های کمکی از انرژی ATP برای تنظیم بسته بندی استفاده می کنند. محققان دانشگاه پنسیلوانیا (ایالات متحده آمریکا) توانستند چین خوردگی یک کروموزوم را به طور مصنوعی بازتولید کنند و همانطور که دانشمندان می گویند، عامل تعیین کننده انرژی - وجود مولکول های ATP در مخلوط واکنش است. نتایج این آزمایش ها در مجله Science منتشر شد.

برنج. 1. سطوح بسته بندی DNA در هسته یک سلول یوکاریوتی.

تا کنون ما فقط در مورد بسته بندی یک مولکول DNA توسعه یافته بحث کرده ایم. برای اولین تقریب، این را می توان DNA یک کروموزوم در نظر گرفت. با این حال، ژنوم یک سلول یوکاریوتی به چندین کروموزوم تقسیم می شود. به عنوان مثال، در سلول های مگس میوه مگس سرکه چهار جفت کروموزوم وجود دارد (در سلول های انسانی 46 جفت). کروموزوم های منفرد را فقط می توان در زیر میکروسکوپ در طول میتوز مشاهده کرد. در طول مراحل باقی مانده از چرخه سلولی، آنها قابل مشاهده نیستند و هسته سلول نسبتاً همگن به نظر می رسد. سال‌هاست که زیست‌شناسان مولکولی به این سوال علاقه‌مند بوده‌اند که آیا کروموزوم‌های منفرد فضاهای محدودی در داخل هسته اشغال می‌کنند یا وقتی کروموزوم‌ها متلاشی می‌شوند، DNA هر یک از آنها در سراسر هسته توزیع می‌شود و ناگزیر با DNA کروموزوم‌های دیگر مخلوط می‌شود. حدود 10 سال پیش پاسخ این سوال پیدا شد. روش‌های هیبریداسیون مولکولی امکان رنگ‌آمیزی کروموزوم‌های منفرد در هسته اینترفاز را فراهم کرد. معلوم شد که برخلاف دیدگاه عموماً پذیرفته شده در آن زمان، آنها فضاهای محدودی را در داخل هسته اشغال می کنند (که "منطقه های کروموزومی" نامیده می شود و به صورت غیر تصادفی قرار دارند: کروموزوم های غنی از ژن نزدیک تر می شوند. به مرکز هسته، و آنهایی که از نظر ژن فقیر هستند به پیرامون آن نزدیک تر هستند، ماتریکس هسته ای نقش مهمی در حفظ موقعیت های خاص قلمروهای کروموزومی ایفا می کند.

کروموزوم های یوکاریوتی

کروموزوم های سلول های یوکاریوتی عمدتاً از کروماتین - مجموعه ای از DNA دو رشته ای و پنج پروتئین هیستونی به نام های H1، H2A، H2B، H3 و H4 تشکیل شده است. هیستون ها را می توان استیله، متیله، فسفریله، پلی(ADP)-ریبوسیله کرد و هیستون های H2A و H2B به طور کووالانسی به پروتئینی به نام یوبیکوئیتین مرتبط هستند. نقش تأثیر این اجزا بر ساختار و عملکرد هیستون ها به طور کامل شناخته نشده است. هیستون H1 پستانداران تقریباً از 215 اسید آمینه تشکیل شده است. اندازه هیستون های دیگر از 100 تا 135 اسید آمینه متفاوت است. همه آنها حاوی مقادیر غیرمعمول زیادی اسید آمینه لیزین با بار مثبت هستند. تفاوت H3 و H4 با سایرین در این است که دارای سطوح بسیار بالایی از اسید آمینه آرژنین با بار مثبت هستند. نسبت بین H2A، H2B، H3 و H4 موجود در کروماتین یوکاریوت های پایین تر (مخمر، کپک ها) مانند کروماتین پستانداران است.

در عکس های میکروسکوپی الکترونی، بسته به شرایط انزوا و میزان کشش، کروماتین یا به صورت یک فیبر بلند با قطر 10 نانومتر یا اغلب به صورت فیبر درازتر با ضخامت - "مهره ها" با قطر 10 ظاهر می شود. نانومتر، در امتداد تمام طول فیبر در فواصل زمانی معین رشته می‌شود:

میکروگراف الکترونی کروماتین
الف. فیبر کروماتین با قطر 10 نانومتر از سلول های کلیه CV1 میمون.
ب. کروماتین از گلبول های قرمز مرغ که شبیه نخی است که روی آن مهره هایی کشیده شده است.

هر یک از این مهره ها نشان دهنده یک هسته نوکلئوزومی است که بخش 145 جفت باز DNA کروموزومی در اطراف آن پیچیده شده است. هسته یک اکتامر هیستونی است که از هیستون های H2A، H2B، H3 و H4، دو مولکول از هر نوع تشکیل شده است:

مدلی از هسته نوکلئوزوم بر اساس تجزیه و تحلیل کریستالوگرافی با وضوح پایین و بالا.
قطعه ای از DNA (145 جفت باز)، که به صورت یک لوله نشان داده شده است، به دور اکتامر هیستونی می پیچد و 1 3/4 دور آن می چرخد.

مولکول DNA که 1/4 بار به دور هسته نوکلئوزومی پیچیده می شود، یک ابرمارپیچ را تشکیل می دهد.

هیستون پنجم، H1، بخشی از هسته نوکلئوزومی نیست و در فرآیند پیچش DNA روی اکتامر هیستون دخالتی ندارد. در محل هایی که مارپیچ دوگانه وارد هسته نوکلئوزومی شده و از آن خارج می شود با DNA تماس می گیرد:

هیستون H1 DNA را در نقاطی که شروع می‌کند و از پیچیدن آن به دور هسته نوکلئوزومی متوقف می‌شود، "پیوند متقاطع" می‌کند.

در چنین ساختاری، 168 جفت باز DNA مارپیچ با یک اکتامر هیستون و یک مولکول هیستون H1 مرتبط هستند. همانطور که قبلاً اشاره کردیم، کروماتین اغلب در عکس‌های میکروسکوپ الکترونی به دو شکل جایگزین یافت می‌شود: به شکل یک فیبر با نوکلئوزوم‌های کاملاً جدا شده (نوکلئوزوم‌ها شبیه مهره‌هایی هستند که روی یک نخ قرار گرفته‌اند) یا به شکل فیبر با قطر 10 نانومتر. که در آن نوکلئوزوم ها در تمام طول آن در کنار هم قرار گرفته اند. فیبر با قطر 10 نانومتر می تواند تحت چگالش بیشتری قرار گیرد تا ساختارهای مرتبه بالاتری را تشکیل دهد. در این مورد، نوکلئوزوم ها ظاهراً یک سلونوئید - ساختاری با قطر 30 نانومتر تشکیل می دهند:

ساختار کروماتین با درجات مختلف تراکم.
قسمت پایین شکل کروماتین را به شکل گسترده نشان می دهد. به نظر می رسد مانند یک نخ با مهره هایی که بر روی آن بسته شده است.
شکل زیر کروماتین را به شکل نیمه متراکم نشان می دهد که نشان دهنده فیبری با قطر 10 نانومتر است.
قسمت بالای شکل کروماتین را در متراکم ترین حالت خود نشان می دهد، زمانی که فیبری با قطر 10 نانومتر یک سلونوئید با قطر 30 نانومتر تشکیل می دهد.
به برهمکنش مولکول های هیستون H1 مرتبط با هر نوکلئوزوم توجه کنید، که تراکم فیبر با قطر 10 نانومتر را به ساختار متراکم تر می کند.

در نتیجه برهمکنش DNA با هیستون ها، قطعه ای از یک مارپیچ دوگانه DNA با 168 جفت باز با قطر متوسط ​​2 نانومتر و طول 57 نانومتر به مارپیچ با قطر 10 نانومتر و طول آن تبدیل می شود. 5 نانومتر هنگامی که این مارپیچ متعاقباً به فیبری با قطر 30 نانومتر فشرده می شود، درجه تراکم شش برابر افزایش می یابد. بنابراین، بسته بندی یک DNA دوبلکس با پنج هیستون منجر به تراکم 50 برابری DNA می شود. با این حال، حتی چنین درجه بالایی از تراکم نمی تواند فشردگی تقریبا 5000 برابری DNA در کروموزوم متافاز را توضیح دهد.

کروماتین یوکاریوتی همچنین حاوی پروتئین های دیگری است که معمولاً پروتئین های غیر هیستونی نامیده می شوند. برخی از آنها، مانند آنزیم های لازم برای همانندسازی و بیان DNA، می توانند به طور گذرا به کروماتین متصل شوند. پروتئین های دخیل در فرآیندهای تنظیمی مختلف فقط در بافت های خاص یا در مراحل خاصی از تمایز به DNA متصل می شوند.

امروزه فناوری ها و روش های جدیدی از راه رسیده است که به لطف آنها میکروسکوپ در زیست شناسی سه بعدی شده است. بررسی یک کروموزوم در هسته اینترفاز و به دست آوردن اطلاعات در مورد محلی سازی همه کروموزوم های انسانی در آن به یکباره امکان پذیر شد. هیبریداسیون به طور گسترده برای این منظور استفاده می شود. در موقعیت(FISH) DNA کروموزوم‌های منفرد، نشان‌دار شده با رنگ‌های فلورسنت، با DNA هسته اینترفاز. سپس با استفاده از میکروسکوپ اسکن لیزری، یک سری مقاطع نوری از هسته به دست می آید که سیگنال های مورد علاقه محقق روی آن ها ثبت می شود. چنین بخش های نوری را می توان به طور جداگانه مشاهده کرد، برای ایجاد برجستگی های متعامد، یا برای بازسازی سازماندهی سه بعدی هسته سلول استفاده کرد.

کروموزوم های پروکاریوت ها

تا آنجا که مشخص است، تنها دو یا سه پروتئین در بسته بندی DNA ژنومی پروکاریوتی نقش دارند. اطلاعات کمی در مورد ماهیت برهمکنش این پروتئین ها با DNA و ساختار مجتمع پروتئین- اسید نوکلئیک متراکم وجود دارد. به نظر می رسد در E. coli تنها یک پروتئین یا یک دسته از پروتئین های متصل شونده به DNA وجود دارد که پروتئین های HU نامیده می شوند. از نظر اندازه، محتوای لیزین و آرژنین و خواص آنتی ژنی آنها شبیه هیستون یوکاریوتی H2A هستند. پروتئین دیگری به نام پروتئین II که در E.coli و سیانوباکتری ها یافت می شود، همچنین به دلیل افزایش محتوای لیزین و خواص اتصال به DNA، شبیه هیستون یوکاریوتی است. پروتئین‌های HU و II در مقادیر کافی برای تشکیل کمپلکس با حداقل نیمی از DNA E. coli یافت شدند و ظاهراً همراه با پلی‌آمین‌ها و پروتئین‌هایی که هنوز برای ما ناشناخته هستند، می‌توانند عملکردهای مشابهی را در طول تراکم و بسته‌بندی DNA انجام دهند. پنج هیستون یوکاریوتی

میتوز

میتوز یا تقسیم غیرمستقیم روش اصلی تولید مثل سلول های یوکاریوتی است که به ویژه امکان افزایش زیست توده، رشد و بازسازی آنها را تعیین می کند. میتوز از چهار مرحله تشکیل شده است.

اولی پروفاز است – با شروع چرخه تراکم کروموزوم مشخص می شود که در طول این مرحله ادامه دارد. در نتیجه، کروموزوم ها در زیر میکروسکوپ قابل مشاهده می شوند و در حال حاضر در پروفاز میانی میتوز آنها به صورت ساختارهای دوگانه - کروماتیدهای خواهری ظاهر می شوند که تا زمانی که توسط سانترومر در کنار هم نگه داشته شوند. در پایان پروفاز، هسته و غشای هسته ناپدید می شوند.

دوم متافاز است . روند تراکم کروموزوم ها ادامه می یابد و منجر به کوتاه شدن بیشتر طول آنها می شود. کروموزوم ها در امتداد خط استوای سلول قرار می گیرند. کروماتیدها در سانترومر به یکدیگر متصل هستند که انقباض اولیه نیز نامیده می شود. رشته های دوک میتوزی ظاهر می شوند و به سانترومرها متصل می شوند. هر سانترومر زمانی که نخ های دوک آن را به سمت قطب های مخالف می کشند، کشش را تجربه می کند.

قطب های سلولی توسط اندامک های ویژه - سانتروزوم ها تشکیل می شوند.

سوم - آنافاز – با پارگی سانترومر شروع می شود، در نتیجه کروماتیدهای خواهر به قطب های مختلف سلول حرکت می کنند. از این لحظه به بعد، هر جفت کروماتید خواهر، کروموزوم دختر نامیده می شود .

چهارم - تلوفاز . کروموزوم ها به قطب های سلول می رسند، غشای هسته و هسته ظاهر می شوند. کروموزوم ها تجزیه می شوند و ساختار هسته اینترفاز بازسازی می شود. میتوز با تقسیم سیتوپلاسم و در موارد معمولی، بازیابی زیست توده اولیه سلول های دختر به پایان می رسد.

نقش بیولوژیکی میتوز ارائه اطلاعات ژنتیکی یکسان به دو سلول دختر است. این امر تنها به لطف چرخه تراکم - فشردگی که امکان توزیع مولکول های ارثی را در حداقل حجم کروموزوم های میتوزی فراهم می کند، قابل دستیابی است. در غیر این صورت، با توجه به اندازه سلول (ده ها یا صدها میکرومتر مکعب) و طول کروموزوم متلاشی شده (سانتی متر)، هر تقسیم سلولی با درهم تنیدگی آشفته ای از مواد کروموزومی همراه خواهد بود.

در تکامل سلول های یوکاریوتی، ظاهراً این شرایط دلیل شکل گیری چنین فرآیند ژنتیکی پیچیده ای مانند میتوز بود.

هر کروموزوم فردی است، یعنی. تنها با اندازه، شکل و موقعیت سانترومر مشخص می شود. در سلول های بدن موجوداتی که از طریق جنسی تولید مثل می کنند، هر کروموزوم با دو نسخه یا همولوگ نشان داده می شود. در طول تشکیل سلول های زایا در میوزهر یک از آنها حاوی یکی از دو کروموزوم همولوگ است. در طول لقاح، جفت شدن کروموزوم های همولوگ بازسازی می شود: یک کروموزوم از هر جفت پدری است، دیگری مادری است.
مجموعه ویژگی های یک مجموعه کروموزوم (تعداد کروموزوم ها، اندازه و شکل آنها) برای سلول های هر نوع ثابت است و نامیده می شود. کاریوتیپ. در کاریوتایپ، یک جفت ارگانیسم تعیین کننده جنسیت متمایز می شود کروموزوم های جنسیو همه کروموزوم های دیگر اتوزوم هستند. بررسی رفتار کروموزوم ها در میتوز و میوز و همچنین نقش کروموزوم ها به ویژه کروموزوم های جنسی در انتقال صفات از نسلی به نسل دیگر منجر به ایجاد در ابتدا شد. قرن 20 نظریه کروموزومی وراثت و هنوز هم توسط تعداد زیادی سیتوژنتیک و سایر دانشمندان، از جمله فیزیکدانان، در حال مطالعه است.. همانطور که قبلا ذکر شد، ماده ژنتیکی باکتری ها و ویروس ها اغلب کروموزوم نامیده می شود، اگرچه ساختار آن با کروموزوم های موجودات یوکاریوتی متفاوت است.

طول DNA یک مجموعه دیپلوئیدی از کروموزوم های انسانی تقریباً 174 سانتی متر است، طول متوسط ​​DNA یک کروموزوم 5 سانتی متر است، طول یک کروموزوم 0.5 - 1 میکرون است. این بسته بندی مارپیچ دوگانه DNA با فشردگی متوالی بیشتر آن توضیح داده می شود.

برنج. 12. اشکال A-، B-، C- و D DNA

(A. S. Konichev, G. A. Sevastyanova, 2005, p. 90)

1. نوکلئوزومیمرحله. نوکلئوزوم یک مجموعه DNA - هیستون است که شبیه یک ذره دیسکی شکل با قطر 11 نانومتر است. نوکلئوزوم ها برای اولین بار در سال 1974 توصیف شدند. A. Olinsو D. Olins. هر نوکلئوزوم از یک هسته پروتئینی یا اکتامر و 2 نوبت از یک قطعه DNA دو رشته ای تشکیل شده است (شکل 13).

برنج. 13. مدل هسته نوکلئوزوم. یک قطعه DNA (146 جفت باز) به دور هسته پروتئین می‌پیچد و تقریباً 2 چرخش (1¾) در اطراف آن ایجاد می‌کند. (S. B. Bokut et al., 2005, p. 52)

هسته پروتئینی (هسته) شامل مجموعه ای از 4 جفت پروتئین هیستونی H2A، H2B، H3، H4 است. اینها محافظت شده ترین پروتئین ها در هر ژنومی هستند. آنها تقریباً در نخود و انسان یکسان هستند.

نوکلئوزوم ها توسط بخش های DNA (DNA پیوند دهنده) که از تماس با هسته پروتئینی آزاد هستند، متصل می شوند.

تخمگذار ناحیه پیوند دهنده DNA (60-80 جفت باز) و اتصال نوکلئوزوم ها با یکدیگر با کمک هیستون H1 اتفاق می افتد. مولکول این پروتئین دارای یک قسمت مرکزی (کروبی) و "شانه" دراز است. بخش مرکزی به یک منطقه خاص در سطح هسته متصل است و "بازوهای" کشیده نوکلئوزوم های همسایه را به هم متصل می کند. در این حالت، DNA هر بار در جهت مخالف بر روی قشر همسایه زخم می شود (شکل 14).

نوکلئوزوم ها را می توان با درمان مختصر کروموزوم ها با آنزیم های دئوکسی ریبونوکلئاز جدا کرد. در این مورد، محل‌هایی که نوکلئوزوم‌ها در آن لنگر انداخته‌اند، شکافته می‌شوند. ژنوم انسان حاوی 1.5×107 نوکلئوزوم است.

سطح نوکلئوزومی تراکم بسته بندی DNA را 7-10 برابر افزایش می دهد. (شکل 14 و 20)

شکل 14. مدل فیبریل نوکلئوزومی

2. سطح نوکلئومری. فشردگی بیشتر DNA در داخل کروماتین با تشکیل کمپلکس های نوکلئوزومی همراه است (شکل 15 و 20 یک فیبریل کروماتین فشرده تشکیل می شود که یا به عنوان یک سلونوئید (نوع مارپیچ تاشو) یا به عنوان یک نوع نوکلئومری (4-12 نوکلئوزوم) ساخته می شود. یک کروی تشکیل می دهند).

تاخوردگی نوکلئومری کروماتین به کوتاه شدن رشته DNA تقریباً 6 برابر کمک می کند و هر دو سطح به طور متوسط ​​50 برابر به تراکم DNA منجر می شود (42-60).

3. سطح کرومریک

مرحله بعدی تراکم DNA با تشکیل ساختارهای حلقه مانندی به نام کرومورها همراه است (شکل 16). در این مورد، دو روش ممکن برای بسته بندی DNA با استفاده از پروتئین های غیر هیستونی وجود دارد:

برنج. 16. نوع کرومومر بسته بندی کروموزوم.

رشته نوکلئوزوم ها به بخش های 20 - 80 هزار جفت باز نیتروژنی (به طور متوسط ​​- 50 هزار) تقسیم می شود. در محل های تجزیه مولکول ها - گلبول ها - از پروتئین های کروموزومی غیر هیستونی وجود دارد. پروتئین های متصل شونده به DNA گلبول های پروتئین های غیر هیستونی را شناسایی کرده و آنها را به هم نزدیک می کنند. دهانه حلقه تشکیل می شود. طول متوسط ​​حلقه (300-400 نانومتر) در موجودات مختلف (دروزوفیلا و انسان) مشابه است و تقریباً 50 هزار پایه را شامل می شود. این ساختار حلقه کرومونما اینترفاز نامیده می شود.

کروماتین از نوع "لامپ براش" یوکروماتین بین فازی است (شکل 17). اعتقاد بر این است که حلقه ها با پروتئین های چارچوب کروموزومی، ماتریکس هسته ای و پروتئین های لایه ای ارتباط دارند.

برنج. 17. قطعاتی از کروموزوم های نوع "lampbrush" از هسته یک تخمک نیوت.

می‌توانید بخش‌هایی از DNA را ببینید که حلقه‌هایی را از محور مرکزی تشکیل می‌دهند. (اس. گیلبرت، 1993، ج 2، ص 186)

کوتاه شدن فیبریل در این سطح به طور متوسط ​​25 بار و در هر 3 سطح 1000-1500 برابر رخ می دهد.

4. سطح کرومونمیک. در طول تقسیم سلولی، فشردگی بیشتر کروموزوم ها رخ می دهد - تشکیل حلقه های بزرگتر از فیبریل کرومریک. در سطح، مولکول های DNA بسته بندی شده، پروتئین های زیادی را حمل می کنند که نوعی پوشش را تشکیل می دهند. اگر این پوشش را بردارید، در زیر میکروسکوپ الکترونی به وضوح می توانید ببینید که هر کروماتید از حلقه های کروماتین که از محور مرکزی امتداد یافته اند ساخته شده است. قطر چنین بسته ای 700 نانومتر است (شکل 18).

شکل 18. نوع کرومونمیک بسته بندی کروموزوم.

5. سطح کروموزومی. تراکم بیشتر کروموزوم ها با آرایش حلقه نخ کرومونمال تضمین می شود (شکل 19.)، که طول آنها را تقریباً 10 برابر کاهش می دهد.

شکل 19. نوع کروموزومی بسته بندی.

در این مرحله، حلقه هایی با سازماندهی یکسان ترکیب می شوند، بلوک ها یا مینی دیسک ها تشکیل می شوند. تقریباً 20 حلقه در تشکیل یک مینی دیسک نقش دارند. بنابراین، به دلیل چندین سطح تراکم، طول DNA تقریباً 10000 برابر کاهش می یابد. به تراکم کروموزوماز حالت متراکم - این است نه مارپیچی، اما بسیار پیچیده است مجتمع فشرده سازی، نه تنها با تغییر آنها مرتبط است ابعاد خطی، بلکه با مقرراتکار آنها در طول عمر سلول. (شکل 20)

علاوه بر این، تراکم کروموزوم مهمترین فرآیند مرتبط با انتقال دقیق اطلاعات ارثی به نسل بعدی است.

کروموزوم ها- ساختارهای سلولی که اطلاعات ارثی را ذخیره و منتقل می کنند. یک کروموزوم از DNA و پروتئین تشکیل شده است. مجموعه ای از پروتئین های متصل به DNA کروماتین را تشکیل می دهد. پروتئین ها نقش مهمی در بسته بندی مولکول های DNA در هسته دارند.

DNA در کروموزوم ها به گونه ای بسته بندی شده است که در هسته قرار می گیرد که قطر آن معمولاً از 5 میکرون (5-10 - 4 سانتی متر) تجاوز نمی کند. بسته بندی DNA شکل یک ساختار حلقه ای را به خود می گیرد، شبیه به کروموزوم های لامپ برس دوزیستان یا کروموزوم های پلی تنی حشرات. حلقه‌ها توسط پروتئین‌هایی حفظ می‌شوند که توالی‌های نوکلئوتیدی خاص را شناسایی کرده و آنها را به هم نزدیک می‌کنند. ساختار کروموزوم به بهترین وجه در متافاز میتوز دیده می شود.

کروموزوم یک ساختار میله ای شکل است و از دو کروماتید خواهر تشکیل شده است که توسط سانترومر در ناحیه انقباض اولیه نگه داشته می شوند. هر کروماتید از حلقه های کروماتین ساخته شده است. کروماتین تکثیر نمی شود. فقط DNA تکثیر می شود.

اولین سطح تراکم DNA نوکلئوزومی است. اگر کروماتین در معرض نوکلئازها قرار گیرد، آن و DNA به ساختارهایی که مرتباً تکرار می شوند، تجزیه می شوند. پس از تیمار نوکلئاز، کسری از ذرات با نرخ ته نشینی 11S با سانتریفیوژ از کروماتین جدا می شود. ذرات 11S حاوی حدود 200 جفت باز DNA و هشت هیستون هستند. این ذره نوکلئوپروتئین پیچیده نامیده می شود نوکلئوزوم ها. در آن، هیستون ها یک هسته پروتئینی را تشکیل می دهند که روی سطح آن DNA قرار دارد. DNA ناحیه ای را تشکیل می دهد که با پروتئین های هسته مرتبط نیست - پیوند دهنده, که با اتصال دو نوکلئوزوم همسایه، به DNA نوکلئوزوم بعدی منتقل می شود. آنها "دانه ها" را تشکیل می دهند، تشکیلات کروی با طول حدود 10 نانومتر، که یکی پس از دیگری بر روی مولکول های DNA کشیده می نشینند. سطح دوم تراکم فیبریل 30 نانومتری است. پاولین، نوکلئوزومی، سطح تراکم کروماتین نقش تنظیمی و ساختاری ایفا می کند و تراکم بسته بندی DNA را 6-7 برابر تضمین می کند. در کروموزوم های میتوزی و در هسته های اینترفاز، فیبرهای کروماتین با قطر 25-30 نانومتر شناسایی می شوند. نوع سولنوئیدی از بسته بندی نوکلئوزومی متمایز می شود: رشته ای از نوکلئوزوم های متراکم با قطر 10 نانومتر با گام مارپیچ حدود 10 نانومتر می چرخد. 6-7 نوکلئوزوم در هر نوبت چنین ابرمارپیچ وجود دارد. در نتیجه چنین بسته بندی، یک فیبریل از نوع مارپیچی با یک حفره مرکزی ظاهر می شود. کروماتین درون هسته دارای فیبرهای 25 نانومتری است که از گلبول های نزدیک به هم اندازه تشکیل شده است. نوکلئومرها. این نوکلئومرها ابر دانه‌ها ("ابر مهره") نامیده می‌شوند. فیبریل کروماتین اصلی با قطر 25 نانومتر یک تناوب خطی از نوکلئومرها در امتداد یک مولکول DNA فشرده است. به عنوان بخشی از نوکلئومر، دو چرخش فیبریل نوکلئوزومی با 4 نوکلئوزوم در هر یک تشکیل می‌شود. سطح نوکلئومری بسته بندی کروماتین تراکم 40 برابری DNA را تضمین می کند. سطوح نوکلزومی و نوکلئومری (superbid) تراکم DNA کروماتین توسط پروتئین های هیستون انجام می شود. دامنه های حلقه DNA سومین سطح سازمان ساختاری کروماتین هستند. در سطوح بالاتر سازمان کروماتین، پروتئین‌های خاص به بخش‌های خاصی از DNA متصل می‌شوند که حلقه‌ها یا دامنه‌های بزرگی را در محل‌های اتصال تشکیل می‌دهند. در برخی مکان‌ها توده‌هایی از کروماتین متراکم وجود دارد، تشکیلات روزت مانند که از حلقه‌های زیادی از فیبرهای 30 نانومتری تشکیل شده‌اند که در یک مرکز متراکم به هم متصل می‌شوند. اندازه متوسط ​​روزت ها به 100-150 نانومتر می رسد. گل سرخ فیبریل های کروماتین - کرومورها. هر کرومور از چندین حلقه حاوی نوکلئوزوم تشکیل شده است که در یک مرکز واحد به هم متصل شده اند. کرومورها توسط بخش هایی از کروماتین نوکلئوزومی به یکدیگر متصل می شوند. این ساختار حلقه-دامنه کروماتین فشردگی ساختاری کروماتین را تضمین می کند و واحدهای عملکردی کروموزوم ها - replicon ها و ژن های رونویسی شده را سازمان می دهد.