1 Определение жизнь с позиций системного подхода. Фундаментальные свойства живого
 Скачать 1.01 Mb.
|
|
Нуклеосомная модель строения хромосом Надмолекулярная организация хромосом называется еще или спирализацией, или конденсацией, или компактизацией. В настоящее время принято три уровня надмолекулярной организации хромосом: первичный, вторичный, третичный. Компактизация ДНК для эукариотической клетки важна по двум причинам: она позволяет не запутать и упорядоченно расположить очень длинные молекулы ДНК в небольшом объеме клеточного ядра и, кроме того, это один из способов функционального контроля генов - характер упаковки ДНК влияет на активность некоторых участков генома. Первичный уровень надмолекулярной организации — нуклеосомный. Элементарной структурой хромосомы, различаемой с помощью электронного микроскопа, является нить, диаметром 10-13 нм, представляющая собой комплекс ДНК и гистоновых белков. Эта нить состоит из гистонового остова (в виде цепочки расположенных друг за другом белковых телец дисковидной формы), поверх которого спирально закручена нить ДНК. Комплекс ДНК и гистонов на уровне одного дисковидного тельца называется нуклеосомой. Она содержит по две молекулы каждого из 4-х типов гистона (Н2А, Н2В, НЗ, Н4), соединенных в форме октамера. ДНК в нуклеосоме лежит поверх октамера, накручиваясь спирально на гистоновый остов. На уровне каждой нуклеосомы ДНК образует 2,3 оборота спирали, что соответствует примерно 200 парам нуклеотидов. Связь между соседниминуклеосомами осуществляется за счет гистона HI. На этот связывающий участок приходится 60 пар нуклеотидов. Формируется нить диаметром примерно 11 нм. Нуклеосома - это универсальная частица, которая обнаруживается как в эухроматине, так и в гетерохроматине, в интерфазном ядре и метафазных хромосомах. В случае линейной выпрямляемости, которая едва ли присутствует в живой клетке, образуемая нуклеосомами структура напоминает нитку "бус" и называется нуклеосомной нитью. Благодаря нуклеосомной организации хромосом происходит укорочение исходной длины ДНК в 7раз, т.е. происходит компактизация. Это, видимо, состояние интерфазной хромосомы, ее эухроматиновых участков. Дальнейшая компактизация ДНК в составе хромосом связана с образованием наднуклеосомных структур. Так, вторичный уровень хромосомной укладки ДНК выражается в формировании суперспиральной нити (соленоида), в которой исходная молекула ДНК укорачивается в 40раз. Толщина достигает 30-40 нм. При образовании суперспиралинуклеосомная нить спирально закручивается за счет взаимодействия гистонов HI и НЗ. Не исключено также и участие в этом негистоновых белков. Этот уровень укладки ДНК соответствует, по-видимому, наблюдаемым под световым микроскопом профазным митотическим и мейотическим хромосомам. Или интерфазным, но не транскрибируемым, возможно, участкам хромосом, т. е. гетерохроматиновым. Третий уровень хромосомной укладки изучен менее всего. Существует две модели: в основу первой положен принцип спиральной укладки, в основе второй - строение по принципу складывания петель. В последние годы накоплен многочисленный материал, говорящий о реальности петлеобразных структур в хромосоме, и их плотной упаковке в метафазной хромосоме вокруг осевого каркаса, построенного из негистоновых белков. Петлевые структуры, но не плотно упакованные, есть и в интерфазной хромосоме. Вокруг каркаса, как в щетке-ерше, располагаются петли суперспиральной нити. Причем концы каждой петли локализуются на одной и той же точке белкового каркаса. Предполагается также, что петли могут скручиваться вокруг своей собственной оси, т.е. метафазную хромосому можно изобразить в виде плотно уложенных соленоидных петель, свернутых в тугую спираль. Типичная хромосома человека может содержать до 2600 петель. Третий уровень укладки - это конденсация профазной хромосомы в метафазную. Толщина такой структуры достигает 1400 нм (две хроматиды), а молекула ДНК при этом укорачивается в I04 раз, т.е. с 5 см растянутой ДНК до 5 мкм. Эта суперспирализация сопровождается фосфорилированием в клетке всех молекул HI. В любом случае, ДНК в ядрах эукариотических клеток образует иерархическую систему спиралей и петель, основной единицей которой является нуклеосома. Нуклеосомы, в свою очередь, расположены не везде строго одинаково. Эти малозаметные и малоизученные различия биологически очень важны, т.к. по-видимому, они преимущественно происходят в тех областях хроматина, где находятся активные гены. В S-период интерфазы процесс репликации каким-то образом, как - неизвестно, проходит через нуклеосомы родительской цепи хроматина, которые переходят на одну из дочерних спиралей ДНК. Тогда все новые октамеры гистонов присоединяются ко второй дочерней спирали ДНК, свободной от нуклеосом. Нуклеосомная структура сохраняется и во время транскрипции ДНК, хотя довольно трудно представить себе как РНК-полимераза может транскрибировать ассоциированную с гистонами ДНК без каких-либо заметных изменений в организации нуклеосомы. Но в клетках эмбрионов насекомых в области активированных генов для р-РНК, по-видимому, нуклеосомы отсутствуют. И биохимические отличия между транскрибируемым активным и неактивным хроматином обнаружены. В частности, HI соединен с нуклеосомами гораздо менее прочно в активном хроматине и вообще гистоны в этих участках обнаруживают более высокую степень ацетилирования. 19 – Хромосомы. Определение. Этапы упаковки хромосом. Понятие о кариотипе. Правила хромосомных наборов. Этапы упаковки хромосом двойная спираль ДНК — 1,5 нм (толщина биспирали) нуклеосомная нить (ДНК присоединяет белки и скручивается в нуклеогистоновый комплекс) — 8 молекул гистонов: Н2а, Н2в, Н3, Н4 они служат основой – образуя белковые тела — коры, на которые «накручены» фрагменты ДНК длиной примерно в 200 пар нуклеотидов. Гистон Н1 «сшивает» витки ДНК. Участки ДНК не связанные с белками, расположенные между гистоновыми корами, называются связующими или линкёрными. Результат скручивания ДНК и присоединение белка преобразуется в нуклеогистоновый комплекс с нуклеосомной структурой – 10 – 13 нм хроматиновая фибрилла 20 – 25 нм, дальнейшее скручивание ДНК и присоединение белков серии петельных доменов (хромонема) 100 – 200 нм. Домен – область с поперечным размером, возвышение конденсированный участок хромосомы – 700 нм (образуют глыбки хроматина) метафазная хромосома — 1400 нм Кариотип - совокупность признаков (число, размеры, форма и т. д.) полного набора хромосом, присущая клеткам данного биологического вида (видовой кариотип), данного организма (индивидуальный кариотип) или линии (клона) клеток. Кариотипом иногда также называют и визуальное представление полного хромосомного набора (кариограммы). ХРОМОСОМНЫЙ НАБОР— совокупность хромосом, свойственная клеткам данного организма. Различают два типа X. в.: гаплоидный — в зрелых половых клетках и диплоидный — в соматических клетках. При оплодотворении объединяются два гаплоидных X. н., привносимых мужской и женской гаметами, вследствие чего образуется зигота с диплоидным X. в. При мейозе снова происходит редукция диплоидного числа хромосом вдвое и образование гамет с гаплоидным X. в. Если изменения числа хромосом не кратны основному числу, X. в. называется гетероплиидиым (напр., организмы, у которых в диплоидном X. в., отсутствует одна хромосома, называются моносомиками). 20 - Хромосомные мутации, их классификация. Причины и механизмы возникновения хромосомных мутаций. Роль хромосомных мутаций в развитии патологии человека и эволюционном процессе. Хромосомные мутации – изменение структуры хромосомы: первоночальное нарушение ее целостности – разрывы, которые сопровождаются различными перестройами. Происходят в ходе кроссинговера, когда хромосомы обмениваются гомологичными участками. Классификация: 1. Внутрихромосомные: Способы: Делеции — появление в хромосоме новых групп сцепления, где отдельные участки выпадают – кошачий крик Дупликации — появление в хромосоме новых групп сцепления, где отдельные участки удваиваются (у дрозофил ген Бар – норма, БарБар – узкие галаза, БарБарБар – глаза-щели) Инверсии — поворот участка хромосомы между двумя разрывами на 180 градусов. В зависимости от положения к центромере различают перицентрические и парацентрические 2. Межхромосомные: Транслокация — осуществляется при разрыве двух рядом расположенных хромосом. В результате этого обе хромосомы обмениваются своими частями, образовывая новый набор генетического материала. Различают: • Реципрокные-когда негомологичные хромосомы взаимно обмениваются участками • Нереципрокные-сегмент одной хромосомы переносится на другую без взаимного обмена • Дицентрические-при слиянии фрагментов негомологичных хромосом, несущих участки с центромерами. • Разновидностью реципрокной транслокации является филадельфийская хромосома, когда фрагменты 9 и 22 хромосомы объединяются.Такое наблюдается в клетках крови и приводит к лейкозу. 3. Изохромосомные аберрации — образование одинаковых, но зеркальных фрагментов двух разных хромосом, содержащих одни и те же наборы генов. Это происходит в результате поперечного разрыва хроматид через центромеры (отсюда другое название — центрическое соединение). • Робертсоновская транслокация- 2 акроцентрические хромосомы теряют короткие плечи и сливаются своими центромерами Основная причина возникновения различных хромосомных мутаций – разрывы хромосом и хроматид и воссоединения в новых сочетаниях. Хромосомныемутации приводят к изменению функционирования генов К хромосомным мутациям относят: - делеции- потеря участка или целого плеча одной из хромосом. - инверсия – переворот участка хромосомы внутри самой хромосомы. В результате нарушается только порядок расположения генов. - дупликация – удвоение участка хромосомы или плеча хромосомы Хромосомные мутации проявляются у 1% новорожденных. Хромосомные мутации (хромосомные перестройки, хромосомные аберрации) приводят к изменению числа, размеров и организации хромосом. В случае гетероплоидии особенно тяжелы моносомии. Моносомии по аутосомам заканчиваются летально еще в первые дни эмбрионального развития или приводят к гибели зародыша на более поздних стадиях (спонтанные аборты). Полные трисомии описаны у человека по большому количеству хромосом: 8, 9, 13, 14, 18, 21, X, Y. Наиболее изученными синдромами, в основе которых лежат нарушения в системе аутосом (геномные мутации, хромосомные мутации) являются трисомии 21, 13, 18, транслокационная форма Дауна, синдром «кошачьего крика», в системе половых хромосом трисомии XXY, XXX, XYY и моносомия XO. Внутрихромосомные: 1) Делеция – утрата участка хромосомы · В гомозиготном состоянии =» летальные мутации · В гетерозиготном состоянии =» тяжелые нарушения развития Синдром кошачьего крика – делеция ½ короткого плеча 5-ой хромосомы (маленький головной мозг, мяукающий плач, продолжительность жизни 5 лет) Синдром Орбели – делеция длинного плеча 13ой хромосомы (тяжелые соматические и умственные расстройства) 2) Дупликация – удвоение участка хромосомы · У человека описаны по всем аутосомам · Не происходит утраты генетического материала Синдром 9р+ (задержка роста, короткая шея, птоз, умственная отсталость) 3) Инверсия – поворот участка хромосомы на 180о · количество генетического материала не изменяется, но изменяется порядок сцепления генов Инверсия длинного плеча 21-ой хромосомы – признаки синдрома Дауна. Инверсия длинного плеча Х-хромосомы – признаки синдрома Шерешевского – Тернера. 4) Транспозиция– перемещение участка хромосомы либо внутри хромосомы, либо в другую хромосомы. · Играют регуляторную роль: включают или выключают ген в работу Межхромосомные мутации – происходит обмен участками негомологичных хромосом. 1. Реципрокные транслокации – взаимный обмен участками двух негомологичных хромосом · Умственно отсталые дети Транслокация в соматических клетках 9 и 22 хромосомы =» развитие миелоидного лейкоза (филадельфийская ph-хромосома укорочена =» синтез окнобелков) 2. Нереципрокные транслокации – взаимного обмена не происходит. Потеря части коротких плеч двух негомологичных хромосом и их соединения. Транслокация целой хромосомы в другую негомологичную хромосому (рождение детей с транслокацией синдрома Дауна) 3. Робертсоновские транслокации – слияние негомологичных акроцентрических хромосом в области центромеры · Фенотипически здоровый человек, так как имеют сбалансированный генотип, но велика вероятность рождения детей-Даунов. Хромосомные перестройки играют определенную роль в эволюционном процессе и видообразовании, в нарушении фертильности, в онкологических и врождённых наследственных заболеваниях человека. 21 - Митоз. Определение. Митотический (пролиферативный) цикл клетки. Фазы митотического цикла, их характеристика и значение. Амитоз. Эндомитоз, политения, их значение. Митоз Митоз является непрямым способом деления клетки, наиболее распространенным среди эукариотических организмов. По продолжительности занимает около 1 часа. К митозу клетка готовится в период интерфазы путем синтеза белков, АТФ и удвоения молекулы ДНК в синтетическом периоде. Митоз состоит из 4 фаз, которые мы далее детально рассмотрим: профаза, метафаза, анафаза, телофаза. Напомню, что клетка вступает в митоз с уже удвоенным (в синтетическом периоде) количеством ДНК. Мы рассмотрим митоз на примере клетки с набором хромосом и ДНК 2n4c. Профаза - 2n4c Бесформенный хроматин в ядре начинает собираться в четкие оформленные структуры - хромосомы - происходит это за счет спирализации ДНК (вспомните мой пример ассоциации хромосомы с мотком ниток) Оболочка ядра распадается, хромосомы оказываются в цитоплазме клетки Центриоли перемещаются к полюсам клетки, образуются центры веретена деления Метафаза - 2n4c ДНК максимально спирализована в хромосомы, которые располагаются на экваторе клетки. Каждая хромосома состоит из двух хроматид, соединенных центромерой (кинетохором). Нити веретена деления прикрепляются к центромерам хромосом (если точнее, прикрепляются к кинетохору центромеры). Анафаза - 4n4c Самая короткая фаза митоза. Хромосомы, состоящие из двух хроматид, распадаются на отдельные хроматиды. Нити веретена деления тянут хроматиды (синоним - дочерние хромосомы) к полюсам клетки. Телофаза - 2n2c В этой фазе хроматиды (дочерние хромосомы) достигают полюсов клетки. Начинается процесс деспирализации ДНК, хромосомы исчезают и становятся хроматином (вспомните ассоциацию про раскрученный моток ниток) Появляется ядерная оболочка, формируется ядро Разрушаются нити веретена деления В телофазе происходит деление цитоплазмы - цитокинез (цитотомия), в результате которого образуются две дочерние клетки с набором 2n2c. В клетках животных цитокинез осуществляется стягиванием цитоплазмы, в клетках растений - формированием плотной клеточной стенки (которая растет изнутри кнаружи). Образовавшиеся в телофазе дочерние клетки 2n2c вступают в постмитотический период. Затем в синтетический период, где происходит удвоение ДНК, после чего каждая хромосома состоит из двух хроматид - 2n4c. Клетка с набором 2n4c и попадает в профазу митоза. Так замыкается клеточный цикл. Значение амитоза Этот способ деления клетки позволяет быстро восстановить поврежденные ткани у растений и животных, быстро размножиться одноклеточным организмам. Окончательного мнения ученых по поводу биологического значения амитоза пока нет. Значение: Эндомитоз и политения приводят к образованию полиплоидных клеток, отличающихся кратным увеличением объема наследственного материала. В таких клетках в отличие от диплоидных гены повторены более чем в два раза. Пропорционально увеличению числа генов растет масса клетки, что повышает её функциональные возможности. В оганизме млекопитающих полиплоидизация с возрастом свойственна печеночным клеткам. Увеличивается генетическая стабильность, т.к. при мутации одного гена остается еще масса неповрежденных копий этого гена. Это тупиковый путь регуляции экспрессии генов, поэтому он довольно редко встречается в природе. Т.е. увеличение количества белков - продуктов генов достигается не интенсивно, не путем увеличения экспрессии генов. а экстенсивно, путем увеличения количества копий гено. И стабильность генома достигается тоже экстенсивно (путем увеличения количества копий генов), а не путем совершенствования системы репарации. 22 - Мейоз как процесс формирования гаплоидных клеток. Фазы мейоза, их характеристика и значение. Рекомбинация наследственного материала, ее медицинское и эволюционное значение Мейоз - способ деления клетки, при котором наследственный материал в них (число хромосом) уменьшается вдвое. Мейоз происходит в ходе образования половых клеток (гамет) у животных и спор у растений. В результате мейоза из диплоидных клеток (2n) получаются гаплоидные (n). Мейоз состоит из двух последовательных делений, между которыми практически отсутствует пауза. Удвоение ДНК перед мейозом происходит в синтетическом периоде интерфазы (как и при митозе). Профаза мейоза I Помимо типичных для профазы процессов (спирализация ДНК в хромосомы, разрушение ядерной оболочки, движение центриолей к полюсам клетки) в профазе мейоза I происходят два важнейших процесса: конъюгация и кроссинговер. Конъюгация (лат. conjugatio — соединение) - сближение гомологичных хромосом друг с другом. Гомологичными хромосомами называются такие, которые соответствуют друг другу по размерам, форме и строению. В результате конъюгации образуются комплексы, состоящие из двух хромосом - биваленты (лат. bi - двойной и valens - сильный). После конъюгации становится возможен следующий процесс - кроссинговер (от англ. crossing over — пересечение), в ходе которого происходит обмен участками между гомологичными хромосомами. Кроссинговер является важнейшим процессом, в ходе которого возникают рекомбинации генов, что создает уникальный материал для эволюции, последующего естественного отбора. Кроссинговер приводит к генетическому разнообразию потомства. Метафаза мейоза I Биваленты (комплексы из двух хромосом) выстраиваются по экватору клетки. Формируется веретено деления, нити которого крепятся к центромере (кинетохору) каждой хромосомы, составляющей бивалент. Анафаза мейоза I Нити веретена деления сокращаются, вследствие чего биваленты распадаются на отдельные хромосомы, которые и притягиваются к полюсам клетки. В результате у каждого полюса формируется гаплоидный набор будущей клетки - n2c, за счет чего мейоз I и называется редукционным делением. Телофаза мейоза I Происходит цитокинез - деление цитоплазмы. Формируются две клетки с гаплоидным набором хромосом. Очень короткая интерфаза после мейоза I сменяется новым делением - мейозом II. Главное отличие мейоза II от мейоза I в том, что в анафазе мейоза II к полюсам клетки расходятся не хромосомы, а хроматиды (дочерние хромосомы). В результате мейоза I и мейоза II мы получили из диплоидной клетки 2n4c гаплоидную клетку - nc. В этом и состоит сущность мейоза - образование гаплоидных (половых) клеток. Вспомнить набор хромосом и ДНК в различных фазах мейоза нам еще предстоит, когда будем изучать гаметогенез, в результате которого образуются сперматозоиды и яйцеклетки - половые клетки (гаметы). |