Строение и образование гетерохроматина

Обновлено: 09.05.2024

ДНК способна связываться с различными белками, образуя структуру называемую хроматином. Хроматин подразделяется на два функциональных состояния: эухроматин и гетерохроматин. Гетерохроматин разделяется на конститутивный - существующий постоянно в течении всего клеточного цикла и факультативный, образующийся в определенные моменты времени в определенных местах. К отличительным свойствам гетерохроматина относят: конденсированное состояние в интерфазе, транскрипционно неактивное состояние, поздняя репликация в S-фазе клеточного цикла . Так же к особенностям гетерохроматина можно отнести недорепликацию в политенных хромосомах у дрозофилы.
Эухроматин обогащен следующими модификациями: ацетилирование H3 и H4, метилирование H4K20, H4K9 и H3K27.
Для гетерохроматина характерно метилирование H3K9, но эта модификация встречается также и в эухроматине, особенно в ORF.

Цитологическое строение гетерохроматина

Формирование гетерохроматина у Дрозофилы

Наиболее ранний этап формирования гетерохроматина (ГХ) происходит при участии механизма интерференции РНК, при котором sRNA (small RNAs) воздействуют на места будущего гетерохроматина посредством RITS комплекса (см. обзор РНК интерференция).
На следующей стадии происходит замена гистона H2A гистоном H2Av, что запускает процессы ацетилирования H4K12 и деацетилирование H3K9 (см. обзор Гистоны). Деацетилированный Н3K9 метилируется ферментом Su(var)3-9.
К модифицированному таким образом гистону присоединяется HP1 (heterochromatin protein 1), способствующий присоединению гистон метилтрансферазы Suv4-20, триметилирующей гистон H4K20.
Таким образом образование гетерохроматина проходит по следующей схеме
замена H2A на H2Av--> действие RITS-комплекса--> ацетилирование H4K12 --> деацетилирование и метелирование H3K9 --> связывание Me-H3K9 белка HP1 --> метилирование H4K20.

Формирование гетерохроматина у дрожжей

У Sp наблюдается классический эффект положения гена (см. обзор Эффект положения гена) в пределах центромер, теломер и локуса ответственного за определение пола, что говорит о наличии гетерохроматина. Необходимо отметить, что хромосомы дрожжей, в отличие от политенных хромосом дрозофилы, не видны в световой микроскоп, поэтому выявить гетерохроматиновые участки можно только косвенным путем.

рис.1 Механизмы, способствующие образованию гетерохроматина в различных местах.

Образованию гетерохроматина предшествует метилирование H3K9 с последующим присоединением HP1 (Swi6). Конвергентные промоторы в пределах повторов центромерной ДНК образуют dsRNA, которые Dcr1 превращает в siRNA. siRNA связываются с RITS и атакуют образующиеся в промоторах транскрипты, связываясь с ними через комплиментарные взаимодействия. RITS и RDRC комплексы объединяются, увеличивая действие сигнала и стабилизируя процесс. Такой RNAi зависимый процесс основной в установлении метилирования H3K9 (механизм I). Локус ответственный за определение пола определяется HDAC связывания через белки связывающие ДНК (механизм II), усиливая этот процессс, тогда как в теломерах Taz1-зависимый мханизм уменьшается RNAi (механизм III). После метилирования H3K9 белки Clr4 и Swi6 связываются с хромосомой, поддерживая MeH3K9 эпигенетически (механизм IV).

Гены в гетерохроматине

Гены в гетерохроматине L-плеча второй хромосомы дрозофилы

Сокращения.
H4K12 - так обозначается определенная аминокислота в гистоновых белках. В данном случае это лизин (K) в девятом положении гистона H4.

ORF (Open Reading Frames) - рамка считывания, участок ДНК с которого считывается РНК.
Sp (Schizosaccharomyces pombe) - вид дрожжей

Строение и образование гетерохроматина

Строение хромосом: хроматин, центромера, теломера

Слово «хромосома» означает «окрашенное тело» (окрашивается более эффективно, чем остальные компоненты клетки). Каждая хромосома состоит из очень длинной молекулы ДНК, связанной с РНК и белками, образующей вещество, известное как хроматин. Во время интерфазы клеточного цикла (когда клетка не делится) хромосомы распределены по всему ядру, в то время как при митозе и мейозе они уплотняются, располагаясь ближе друг к другу.
ДНК содержится именно в хромосомах, вероятно, потому, что это облегчает разделение полного набора генов между дочерними клетками на стадии митоза, а также её упаковку в головки сперматозоидов после мейоза.

Способность к окрашиванию используют в диагностических целях для визуального исследования хромосом, их идентификации и выявления патологий. Различают слабоокрашенные части (эухроматин) и области с более выраженной окраской (гетерохроматин).

Генетическая информация (геном) заключена в молекуле ДНК и кодирована определённой последовательностью азотистых оснований в ДНК. Основная часть этой информации находится в составе хромосом в ядре клетки, однако небольшое количество ДНК в виде свободных цепочек локализовано в митохондриях цитоплазмы. Ядра присутствуют практически во всех клетках организма человека, за исключением эритроцитов и клеток хрусталика.

Обычно в каждом ядре содержится двухметровая цепь ДНК, разделённая между 23 парами хромосом (примерно по 4 см на хромосому). Однако непосредственно перед делением она уплотняется до 5 um (0,005 мм) посредством сложных процессов спирализации и уплотнения.

Структура хроматина хромосом

В каждой хромосоме цепь ДНК дважды обмотана вокруг октамерного комплекса, состоящего из восьми «белков хранения» (гистонов), формирующих нуклеосомы, при этом образованная структура напоминает «бусы на нити». Кора (сердцевина) нуклеосомы состоит из двух молекул каждого из четырех гистонов— Н2А, Н2В, НЗ и Н4. Гистоны заряжены положительно, а потому могут образовывать ионные связи с отрицательно заряженными фосфатными группами ДНК.

Последовательность аминокислот в гистонах у всех видов совпадает практически на 100%, указывая на огромную значимость данных элементов в поддержании структуры и функций хроматина. Каждая нуклеосома вмещает порядка 200 пар оснований молекулы ДНК и укорачивает длину цепи ДНК на одну десятую.

Затем подобная бусам нить спирализуется в соленоид, или зигзагообразную спираль (фибрилла длиной 30 нм), состоящую из 5—6 нуклеосом. При этом её структура поддерживается одной молекулой гистона HI на каждую нуклео-сому. Коэффициент упаковки при образовании соленоида примерно равен 5, что в свою очередь даёт общий коэффициент упаковки 50. Существует предположение, что в таком состоянии эухроматин находится во время интерфазы в местах, где гены не экспрессируются.

Во время митоза и мейоза хромосомы ещё больше уплотняются, при этом коэффициент упаковки по отношению к предыдущим уровням составляет 100, а общий коэффициент может достигать 5000. Считают, что фибриллы хроматина складываются в вытянутые петли, в основании которых расположен скаффолд (остов) из негистоновых хромосомных белков, которые прикрепляются к определённым последовательностям оснований, рассредоточенным вдоль молекулы ДНК. Сжатие этих негистоновых хромосомных белков предположительно обусловливает уплотнение хромосом.

Один из ключевых белков скаффолда — топоизомераза II, фермент, который расщепляет двойные цепи ДНК, переносит их через разрыв и вновь соединяет, что в свою очередь необходимо для релаксации суперспиралей ДНК во время репликации или транскрипции. Топоизомераза II прикрепляется к участкам связывания со скаффолдом, которые богаты А- и Т-основаниями (более 65% оснований составляют А и Т, см. главу 4). Считают, что каждая петля выступает в роли независимого функционального домена во время репликации или транскрипции ДНК.

На следующем этапе петли фибрилл хроматина спирализуются, в результате чего возникает наиболее уплотнённый гетерохроматин, входящий в состав хромосомы во время деления клеток.

Дифференциальное окрашивание хромосом

Наиболее уплотнённые части хромосом хорошо окрашиваются красителем Гимзы (G-окраска). При этом отчётливо видны сильно уплотнённые маленькие петли (G-полосы), так как участки связывания со скаффолдом тесно прилегают друг к другу. Их репликация происходит во время S-периода, они не активны во время транскрипции. Полосы, которые плохо окрашиваются раствором Гимзы, или R-полосы, состоят из более свободных петель, богатых Г- и Ц-основаниями, они отличаются высокой активностью во время транскрипции. В основе идентификации хромосом лежат различия в их окраске.

Центромера хромосом

Видимые на ранних стадиях митоза хромосомы состоят из двух абсолютно одинаковых структур, называемых сестринскими хроматидами, которые соединяет первичная перетяжка. Она представляет собой недуплицированный участок ДНК, или центромеру, которая дуплицируется в начале анафазы митоза.

Кинетохор — органелла, которая локализована на каждой стороне каждой центромеры в период ранней профазы митоза и облегчает полимеризацию димеров тубулина, необходимую для образования микротрубочек митотического веретена (веретена деления).

Тепомера хромосом

Теломерой называют специализированный участок конца хромосомы. К ней прикрепляются теломерспецифические белки, образующие «шапочку» (cap) для защиты конца хромосомы.

Теломеры предположительно препятствуют патологическому слиянию концов хромосом конец в конец, обеспечивают полноту репликации, участвуют в образовании пар хромосом во время мейоза и помогают восстанавливать внутреннюю структуру ядра на стадии интерфазы путём присоединения хромосом к ядерной мембране.

Эухроматин и гетерохроматин хромосом

Эухроматин находится в уплотнённом состоянии во время деления клеток и распаковывается на стадии интерфазы. Он обусловливает бледное окрашивание R-полос в уплотнённых хромосомах и содержит большинство структурных генов.

Гетерохроматин очень сильно уплотнён во время деления клетки и остаётся в таком состоянии даже на стадии интерфазы. Он локализован в основном на периферии ядра и около ядрышка и не активен во время транскрипции. Конструктивный (структурный) гетерохроматин одинаков во всех клетках организма, в то время как факультативный гетерохроматин различен в зависимости от типа генов, экспрессируемых в дифференцированных клетках определённых тканей.

Редактор: Искандер Милевски. Дата обновления публикации: 18.3.2021

Информация на сайте подлежит консультации лечащим врачом и не заменяет очной консультации с ним.
См. подробнее в пользовательском соглашении.

Взаимодействие белков с гистонами при образовании гетерохроматина

• НР1 представляет собой ключевой белок, образующий гетерохроматин. Он действует, связываясь с метилированным гистоном Н3
• Белок RAP1 инициирует образование гетерохроматина у дрожжей, связываясь со специфическими последовательностями ДНК
• Мишенями для RAP1 служат теломерные повторы и молчащие последовательности, расположенные в HML и HMR
• RAP1 участвует в отборе белков SIR3/SIR4, которые взаимодействуют с N-терминальными участками Н3 и Н4

Инактивация хроматина происходит вследствие добавления белков к фибрилле нуклеосом. Она может быть вызвана многими причинами, например конденсацией хроматина, в результате которой он становится недоступным для аппарата генной экспрессии, присоединением белков, непосредственно блокирующих доступ к регуляторным сайтам, или же непосредственно ингибирующих транскрипцию.

Известны две системы инактивации хроматина: НР1 у млекопитающих и комплекс SIR у дрожжей. Хотя белки, входящие в их состав, различаются, процесс осуществляется по общему механизму: точками контакта в хроматине служат N-терминальные участки молекул гистонов.

Белок НР1 (гетерохроматиновый белок 1) был идентифицирован в составе гетерохроматина при окрашивании политенных хромосом соответствующими антителами. У дрожжей 5. pombe гомолог этого белка кодируется геном swi6. Белок, первоначально идентифицированный как НР1, в настоящее время называется HP1а, поскольку в дальнейшем были обнаружены еще два близких белка, НР1b и НР1y.

Белок НР1 содержит область, которая называется хромодомен и располагается вблизи N-концевого участка молекулы, а также связанный с ней другой домен, который называется хромотеневым и располагается на карбоксильном участке молекулы. О важности хромодомена свидетельствует тот факт, что в нем локализовано большинство мутаций, нарушающих функционирование белка НР1. Хромодомен состоит из 60 аминокислот. Он обнаружен в белках, принимающих участие как в активации, так и в репрессии хроматина, что позволяет предполагать его роль в белок-белковых взаимодействиях. Хромодомен(ы) обеспечивают взаимодействие белков с гетерохроматином за счет узнавания метилированных остатков лизина в гистоновых «хвостах».

Мутации по ацетилазе, затрагивающие H3Ac-14Lys, предотвращают метилирование 9 Lys. Гистон Н3, который метилируется по 9 Lys, связывает белок НР1 через хромодомен. На рисунке ниже представлена модель образования гетерохроматина. Вначале происходит удаление ацетильной группы с 14 Lys с помощью деацетилазы. Затем при участии метил азы в «хвосте» гистона Н3 создается метилированный сайт, к которому присоединяется белок НР1. На рисунке ниже показано, что между хромодоменом и метилированным лизином происходит взаимодействие, которое служит событием, запускающим процесс формирования неактивного хроматина. Как показано на рисунке ниже, в дальнейшем неактивная область может распространяться по хроматину, за счет способности все новых молекул НР1 к взаимодействию между собой.

Существование общего механизма формирования молчащих последовательностей у дрожжей подтверждается зависимостью их активации от общего набора генетических локусов. Мутации по любому из этих генов вызывают активацию двух молчащих локусов (HML и HMR), а также ослабляют степень инактивации генов, расположенных поблизости от теломерного гетерохроматина. Поэтому продукты этих генов ответственны за поддержание неактивного состояния обоих типов гетерохроматина.

Фермент SUV39H1 представляет собой гистон метилтрансферазу,
которая метилирует Lys-9 в гистоне Н3.
НР1 связывается с метилированным гистоном.

На рисунке ниже представлена модель, описывающая механизм действия этих белков. Лишь один из них способен связываться со специфической последовательностью ДНК. Это белок RAP1, который связывается с С_1-3А повторами в теломерной области и присоединяется к цис-элементу сайленсинга, необходимому для подавления активности HML и HMR. Белки SIR3 и SIR4 реагируют с RAP1 и друг с другом (они могут функционировать как гетеромультимер). SIR3/SIR4 взаимодействуют с N-терминальными «хвостами» гистонов Н3 и Н4. (Фактически первое свидетельство в пользу непосредственного участия гистонов в формировании гетерохроматина было получено при исследовании мутаций, активирующих локусы HML и HMR, которые расположены в области генов, кодирующих синтез Н3 и Н4.)

Критическую роль в узнавании последовательностей ДНК, участвующих в формировании участков гетерохроматина, играет белок RAP1. Он обеспечивает взаимодействие белков SIR3/SIR4 с гистонами Н3 и Н4. Когда они связались с гистонами, образование комплекса может продолжаться и распространяться по хроматину дальше. Это может приводить к инактивации участка хроматина либо из-за ингибирующего эффекта SIR3/SIR4, либо из-за того, что связывание с гистонами НЗ/Н4 вызывает дальнейшие изменения в структуре хроматина. Мы не знаем, какие факторы ограничивают распространение комплекса. С-концевой участок молекулы SIR3 по составу близок к ядерным ламинам (компонентам ядерного матрикса) и может участвовать в фиксации гетерохроматина на периферии ядра.

Сказанное также справедливо для молчащих локусов HMR и HML. В образовании комплекса участвуют три фактора, проявляющих специфичность к определенным последовательностям ДНК: RAP1, ABF1 (фактор транскрипции) и ORC (комплекс начала репликации). В этом случае белок SIR1 взаимодействует с фактором, связанным с определенной последовательностью, и запускает процесс образования репрессорной структуры, состоящей из белков SIR2, SIR3 и SIR4. Белок SIR2 представляет собой деацетилазу гистонов. Реакция деацетилирования необходима для поддержания связывания белка SIR с хроматином.

Каким образом комплекс сайленсинга подавляет активность хроматина? Этот комплекс может вызвать такую конденсацию хроматина, что регуляторные белки окажутся не в состоянии найти свои мишени. Проще всего было бы предположить, что присутствие комплекса несовместимо с факторами транскрипции и РНК-полимеразой. Возможно, что комплексы блокируют ремоделирование хроматина (и таким образом предотвращают связывание этих факторов) или же непосредственно блокируют сайты связывания, тем самым предотвращая присоединение к ним факторов транскрипции.

Впрочем, все может быть не так просто, поскольку факторы транскрипции и РНК-полимеразу можно обнаружить в промоторной области неактивного хроматина. Это позволяет считать, что комплекс сайленсинга предотвращает функционирование факторов, а не их связывание с хроматином. Фактически может наблюдаться конкуренция между активаторами генов и репрессорами хроматина, за счет которой при активации промотора распространение комплекса сайленсинга по хроматину ингибируется.

Образование особой структуры хроматина на центромерных участках может быть связано с образованием гетерохроматина в определенной области. В клетках человека в области центромеры содержится специфический белок, CENP-B, необходимый для запуска модификации гистона Н3 (деацетилирование 9 Lys и 14 Lys, с последующим метилированием 9 Lys), необходимой для связывания с белком Swi6, которое приводит к формированию гетерохроматина в данном участке.

В результате метилирования гистона Н3 на нем создается сайт связывания для НР1. В результате связывания НР1 с метилированным Н3 гистоном образуется триггер,
способный запускать инактивацию генов, поскольку присоединение дополнительных молекул НР1 приводит к их агрегации на нуклеосомной цепи. Связывание RAP1 с ДНК приводит к образованию гетерохроматина.
SIR3/SIR4 связывается с RAP1 и с гистонами Н3/Н4.
Комплекс полимеризуется вдоль хроматина и может связывать теломеры с ядерным матриксом.

• Гетерохроматин формируется на специфических последовательностях, и неактивная структура распространяется по фибрилле хроматина

• Гены в области гетерохроматина находятся в неактивном состоянии

• Поскольку длина неактивного региона варьирует от клетки к клетке, инактивация генов в этой области обусловливает эффект положения мозаичного типа

• Аналогичные эффекты распространения проявляются на теломерах и на молчащих кассетах, контролирующих тип спаривания у дрожжей

Интерфазное ядро содержит как эу-, так и гетерохроматин. Степень конденсации гетерохроматина почти такая же, как в митотических хромосомах. Гетерохроматин не проявляет активности. В интерфазе он остается в конденсированном состоянии, транскрипция в нем подавлена, репликация приходится на позднюю S-фазу, и чаще всего он локализован на периферии ядра. Гетерохроматин центромеры обычно содержит сателлитную ДНК.

Однако образование гетерохроматина не зависит от первичной структуры ДНК. Когда ген перемещается за счет хромосомной транслокации или трансфекции и интегрируется в другое положение, ближе к гетерохроматину, в результате попадания на новое место он может инактивироваться. При этом предполагается, что он приобретает черты гетерохроматинового гена.

Мозаичный эффект положения, проявляющийся в изменении цвета глаз,
возникает, когда белый ген интегрируется рядом с гетерохроматиновым участком.
Клетки, в которых белый ген неактивен, образуют бляшки белоглазости, а клетки с активным белым геном образуют красные бляшки.
Выраженность эффекта определяется близостью интегрированного гена к гетерохроматиновой области.

Такая инактивация является результатом эпигенетического эффекта. Для отдельных клеток эукариот он может проявляться по-разному и приводить к эффекту положения мозаичного типа (PEV), при котором генетически идентичные клетки обладают различным фенотипом. Этот эффект хорошо изучен у Drosophila. иллюстрирует эффект положения на примере окраски глаза дрозофилы, некоторые фасетки которого не имеют окраски, в то время как другие окрашены в красный цвет.

Это объясняется тем, что белая окраска вызвана геном, который в некоторых клетках инактивировался под действием примыкающего гетерохроматина, в то время как в других остался активным.

На рисунке ниже представлено схематическое объяснение этого эффекта. Инактивация распространяется на разное расстояние от гетерохроматина в примыкающие области. В одних клетках она заходит достаточно далеко для того, чтобы инактивировать соседний ген, в других клетках этого не наблюдается. Это происходит в определенный момент эмбрионального развития, после чего состояние гена передается всем клеткам-потомкам. Потомки, произошедшие от клеток с инактивированным геном, образуют фасетки с фенотипом, отражающим выпадение признака (в данном случае неокрашенные, т. е. белого цвета).

Чем ближе располагается ген к гетерохроматиновой области, тем выше вероятность того, что он будет инактивирован. Это позволяет предполагать, что образование гетерохроматина представляет собой двухэтапный процесс: вначале на специфической последовательности происходит нуклеация, а затем неактивное состояние распространяется по фибрилле хроматина.

Расстояние, на которое оно распространяется, точно не известно; скорее всего, процесс имеет стохастическую природу, и на него влияют такие параметры, как количество белковых компонентов, играющих ограничительную роль. К числу факторов, влияющих на процесс распространения, относится активация промоторов в определенной области; активный промотор может ингибировать распространение гетерохроматина.

Гены, расположенные поблизости от гетерохроматиновых областей, находятся в неактивном состоянии и поэтому в большинстве клеток неактивны. Эта модель предполагает, что границы гетерохроматиновой области могут меняться в зависимости от присутствия необходимых белков.

У дрожжей известен т. н. эффект теломерного молчания, аналогичный эффекту положения мозаичного типа у Drosophila: гены, локализованные в области тело-меры, в различной степени инактивированы. Это объясняется эффектом распространения гетерохроматина от теломеры.

Для дрожжей характерна еще одна форма эффекта молчания. Тип спаривания у них определяется активностью одного локуса (МАТ), однако в геноме содержатся две копии таких последовательностей (HML и HMR), которые находятся в неактивной конфигурации. Молчащие локусы HML и HMR имеют много общего с гетерохроматином, и их можно рассматривать как его небольшие области.

Распространение участка гетерохроматина приводит к инактивации генов.
Вероятность инактивации гена определяется его расстоянием от гетерохроматиновой области.

X Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2018

Было отмечено многими исследователями, что степень структуризации, конденсации хроматина в интерфазных ядрах может быть выражена в разной мере. Так в интенсивно делящихся и в мало специализированных клетках ядра имеют диффузную структуру, в них кроме узкого периферического ободка конденсированного хроматина встречается небольшое число мелких хромоцентров, основная же часть ядра занята диффузным, деконденсированным хроматином. С другой стороны в клетках высокоспециализированных или в клетках, заканчивающих свой жизненный цикл, хроматин представлен в виде массивного периферического слоя и крупных хромоцентров, блоков конденсированного хроматина. Такую структуру имеют, например, ядра нормобластов (одна из стадий дифференцировки эритроцитов), ядра зрелых лейкоцитов. Эти два примера могут иллюстрировать общее правило: чем больше в ядре доля конденсированного хроматина, тем меньше метаболическая активность ядра. При естественной или экспериментальной инактивации ядер происходит прогрессивная конденсация хроматина, и, наоборот, при активации ядер увеличивается доля диффузного хроматина.

Хроматин

хроматин (греч. χρώματα — цвета, краски) — это вещество хромосом, представляющее собой комплекс ДНК, РНК и белков. Хроматин находится внутри ядра клеток эукариот и входит в состав нуклеоида у прокариот. Именно в составе хроматина происходит реализация генетической информации, а также репликация и репарация ДНК.

До 25—40% сухого веса хроматина составляют гистоновые белки. Гистоны являются компонентом нуклеосом, надмолекулярных структур, участвующих в упаковке хромосом. Нуклеосомы располагаются довольно регулярно, так что образующаяся структура напоминает бусы. Нуклеосома состоит из гистонов четырёх типов: H2A, H2B, H3 и H4. Эти гистоны называются кóровыми. В одну нуклеосому входят по два кóровых гистона каждого типа — всего восемь белков. Линкерный гистон H1, более крупный, чем кóровые гистоны, связывается с ДНК в месте её входа на нуклеосому.

Нить ДНК с нуклеосомами образует нерегулярную соленоид-подобную структуру толщиной около 30 нанометров, так называемую 30 нм фибриллу. Дальнейшая упаковка этой фибриллы может иметь различную плотность. Если хроматин упакован плотно, его называют конденсированным или гетерохроматином, он хорошо видим под микроскопом. ДНК, находящаяся в гетерохроматине не транскрибируется, обычно это состояние характерно для незначащих или молчащих участков. В интерфазе гетерохроматин обычно располагается по периферии ядра (пристеночный гетерохроматин). Полная конденсация хромосом происходит перед делением клетки.

Если хроматин упакован неплотно, его называют эу- или интерхроматином. Этот вид хроматина гораздо менее плотный при наблюдении под микроскопом и обычно характеризуется транскрипционной активностью. Плотность упаковки хроматина во многом определяется модификациями гистонов — ацетилированием, фосфорилированием, метилированием и другими модификациями.

Считается, что в ядре существуют так называемые функциональные домены хроматина (ДНК одного домена содержит приблизительно 30 тысяч пар оснований), то есть каждый участок хромосомы имеет собственную «территорию». Вопрос пространственного распределения хроматина в ядре изучен пока недостаточно. Известно, что теломерные (концевые) и центромерные (отвечающие за связывание сестринских хроматид в митозе) участки хромосом закреплены на белках ядерной ламины.

Гетерохроматин.

Гетерохромати́н — участки хроматина, находящиеся в течение клеточного цикла в конденсированном (компактном) состоянии. Особенностью гетерохроматиновой ДНК является крайне низкая транскрибируемость. Выделяют два класса гетерохроматина: структурный и факультативный.

При метаболической активации не всякие участки конденсированного хроматина могут переходить в диффузную форму. Еще в начале 30-х годов было замечено Э. Гейтцем, что в интерфазных ядрах существуют постоянные участки конденсированного хроматина, наличие которого не зависит от степени дифференцированнности ткани или от функциональной активности клеток. акие участки получили название гетерохроматина, в отличие от остальной массы хроматина – эухроматина (собственно хроматина).

Участки конститутивного гетерохроматина обладают целым рядом особенностей, которые отличают его от остального хроматина. Конститутивный гетерохроматин генетически не активен, он не транскрибируется, реплицируется он позже всего остального хроматина, в его состав входит особая (сателлитная) ДНК, обогащенная высокоповторяющимися последовательностями нуклеотидов (см. ниже); он локализован в центромерных, теломерных и интеркалярных зонах митотических хромосом. Доля конститутивного хроматина может быть неодинаковой у разных объектов. Так у млекопитающих на него приходится 10-15% всего генома, а у некоторых амфибий – даже до 60%.

Вся остальная, основная масса хроматина ядра может менять степень своей компактизации в зависимости от функциональной активности, она относится к эухроматину. Эухроматические неактивные участки, которые находятся в конденсированном состоянии, стали называть факультативным гетерохроматином, подчеркивая необязательность такого его состояния.

Факультативный геторохроматин.

Обычно факультативные гетерохроматиновые участки присутствуют в только одной из гомологичных хромосом. Типичным примером факультативного гетерохроматина является неактивная половая хромосома при гомогаметном кариотипе, например, неактивная X-хромосома у женских особей млекопитающих, деактивирующаяся в конденсированное гетерохроматиновое состояние; такая гетерохроматиновая X-хромосома наблюдается в интерфазе как тельце Барра. Вместе с тем, при гаметогенезе и на ранних стадиях эмбриогенеза обе X-хромосомы являются эухроматиновыми и транскрипционно активными.

Другим примером образования факультативного гетерохроматина является пахитенная стадия мейотического деления гетерогаметного гаметоцита, сопровождающаяся у млекопитающих при сперматогенезе образованием гетерохроматинового комплекса XY-хромосом — полового пузырька. Образование такого гетерохроматинового комплекса является временным и обратимым, необходимым для деактивации половых хромосом на этой стадии мейоза: в случае, когда Х и Y хромосомы остаются активными на этой стадии, происходит нарушение баланса между продуктами экспрессии аутосом и половых хромосом, что приводит к гибели клеток.

Факультативный гетерохроматин обуславливает также «молчание» тканеспецифичных генов, переходящих в эухроматиновое состояние и экспрессирующихся только в дифференцированных клетках определённых тканей: в таких клетках активны ~10 % генов — остальные гены являются инактивированными и находятся в составе факультативного гетерохроматина.

Предполагается, что в нем сосредоточена та ДНК, которая в интерфазе генетически активна. Он состоит из деспирализованных нитей. Эухроматин содержит основную часть наследственной информации, определяющей признаки организма. Эухроматин соответствует сегментам хромосом, которые деспирализованы и от-крыты для транскрипции. Данные сегменты не окрашиваются и не видны в световой микроскоп.

Вывод.

Таким образом, по морфологическим признакам ядра (по соотношению содержания эу- и гетерохромати-на) можно оценить активность процессов транскрипции, а, следовательно, синтетической функции клетки. При её повышении это соотношение изменяется в пользу эухроматина, при снижении – нарастает содержание гетеро-хроматина. При полном подавлении функций ядра (например, в поврежденных и гибнущих клетках, при орогове-нии эпителиальных клеток эпидермиса – кератиноцитов, при образовании ретикулоцитов крови) оно уменьшается в размерах, содержит только гетерохроматин и окрашивается основными красителями интенсивно и равномерно. Такое явление называется кариопикнозом (от греч. karyon – ядро и pyknosis – уплотнение).

Читайте также: