Хроматин

Хроматин - жасуша ядросының негізгі компоненті; оны интерфазалық ядродан немесе митотикалық хромосомадан бөліп алу айтарлықгай жеңіл. Ол үшін оның әлсіз иондық күші бар сулы ерітіндіде немесе жай деиоидалғаи суда ерітілген күйге көшетін қасиетін пайдаланылады, алайда бірден с.йық күйге емес, қоймалжың күйге ауысады. Мұндай нағыз сұйық ерітіндіге айналдыру үшін сілку, араластыру және қосымша гомогенизация сияқты күшті механикалық эсерлерді кажет етеді. Осындай әсерлер, сондай-ақ оны ұсак фрагменттерге бөлшектегенде хроматиннің қалыпты құрылымының бұзылуына әкеледі, бірақ оның химиялық құрамы өзгеріссіз қалады. Әр түрлі объектілерден алынған хроматин фракциялары айтарлықтай ұқсас немесе бірдей компоненттер жиынтығынан тұратындығы анықталды. Интерфазалық ядродан алынған хроматиннің химиялық құрамы митотикалық хромосоманың хроматинінен аз мөлшерде ерекшеленеді. Хроматиннің негізгі компоненттері ДНҚ және белок, ақуыздардың ішінде негізгісі гистон және гистондық емес белоктар. Бөлініп алынған хроматиннің орташа шамамен 40%-ға жуығын ДНҚ және 60%-ға ақуыздар құрайды, барлық белоктардың ішінде ядролық арнайы белок- гистондар 40-тан 80%-ға дейінгі мөлшерін құрайды. Хроматинді фракцияның құрамына одан басқа, РНҚ, көмірсулар, липидтер, гликопротеидтер сияқты мембраналы компоненттер де кіреді. Бірақ осы минорлы компонентердің хроматин құрылымына қанша мөлшерде кіретіндігі әлі анықталмаған. Тек РНҚ ДНҚ матрицасымен байланыстылығын жоғалтпаған күйіндс, яғни траскрипциялық РНҚ күйінде болуы мүмкін. Басқа да минорлы компонеіптср ядро кабықшасын құрайтын заттарға жатуы мүмкін.

1 кесте. Хроматиннің химиялық құрамы

Хроматин көздері	ДНҚ	Гистондар	Гистондық емес ақуыздар	РНҚ
Бұршак ұрығының сабағы	1,0	1.03	0,29	0,26
Егеукұйрықтың бауыры	1,0	1,16	0,67	0,043
HeLa жасушасы (адам ісігі)	1,0	1,02	0,71	0,09
Бұзаудың тимусы	1,0	1,14	0,33	0,007
Тауықтың эритроциті	1,0	1,08	0,54	0,02

Ескерту. Белок пен РНҚ мөлшері ДНҚ-мен салыстырмалы берілген (Ю.С.Ченцов бойынша). Хроматин кеңістікте құрылымдық жағынан жіп тәрізді болып келеді, ДНҚ- дан және оған ассоциацияланған гистондардан тұратын дезоксирибонуклеопротеидті () молекулалар комплексі. Осыған байланысты хроматинді нуклеогистон деп те атау қалыптасқан. Дәлірек айтканда, гистондардың ДНҚ-ға ассоциациялануының аркасында, сондай-ақ ДНҚ мен гистондардың сандық жағынан бірдей мөлшерде болса өте тұрақсыз, өзгергіш нуклео-гистонды комплекс түзіледі. Бұл жіп тәрізді фибриллдері, яғни элементарлы хромосомалық немесе хромотиндік жіпшелер болып табылады, оның жуандығы ДНҚ-ның құрылымдық деңгейіне тәуелді түрде 10- ман 30 нм-ге дейін ауытқиды. фибриллдері жоғары дәрежелі құрылымын түзе отырып, митотикалық хромосомаға дейін қосымша тығыздала алады. Кейбір гистондық емес белоктардың қызметі хроматиннің жоғары дәрежелі тығыздалуын түзумен аяқталады.

Хроматиннің ДНҚ-сы

Хроматиннің құрамында 30-40%-ы ДНҚ-ның еншісінде болады. Бұл ДНҚ, таза сулы ерітіндіден бөлініп алынған ДНҚ-ға ұқсас, қос спиральді болып келеді. Бұл жайлы көптеген экспериментальді зерттеулер бар. Мысалы, хроматин ерітіндісін қыздырғандадаза ДНҚ-ны қыздырғандағыдай, ДНҚ-ның скі тізбегі арасындағы нулеотид аралық сутектік байланыс үзіліп, ерітіндіде деп аталатын жоғары оптикалық тығыздық қалыптасады. Хромосоманың құрылымын түтастай түсіну үшін хроматин құрамындағы ДНҚ молекуласы ұзындығының маңызы зор. Хроматин ДНҚ-сын бөліп алудың стандартты әдістерінде оның молекулалық массасы 7-9* 10⁶ болады, Бұл ішек таяқшасы ДНҚ-ның молекулалық массасынан (2,8-10⁹) әлдеқайда кіші. Хроматин препаратынан алынған ДНҚ-ның молекулалық массасының салыстырмалы түрде аз болуын, оны хроматин препаратынан бөліп алу процесі кезінде механикалық зақымдалулар эсерінен болуы мүмкін деп түсінуге болады. Егер ДНҚ-ны сілку арқылы, гомогенизация және басқа да жағдайлармен әсер ете отырып бөліп алса, онда ДНҚ молекуласын жасушадан өте үлкен ұзындықта алуға болады. Эукариотты жасушалардың ядросы мен хромосомасындағы ДНҚ молекуласының ұзындығын, прокариотты жасушаларды зерттегендегідей, фотооптикалық радиоавтография әдісінің көмегімен анықтауға болады. Хромосома құрамындағы жеке сызықтық ДНҚ молекуласының ұзындығы (прокариоттық хромосомалардан ерекшелігі) жүздеген микрометрден бірнеше сантиметрге жететіндігі анықталды. Әр түрлі объектілерден алынған ДНҚ молекуласының ұзындығы 0,5 мм-ден 2 см-ге дейін ауытқуы байқалды. Хромосомаға есептелінген ДНҚ-ның ұзындығы радиоавтографиялық әдіс арқылы алынған сандарға жақын келетінін осы нәтижелер көрсетіп отыр.
Эукариотты жасушаның жеңіл еруінен соң ДНҚ-ның молкулалық массасын тікелей физико-химиялық әдіс арқылы анықтауға болады. Дрозофиланың ДНҚ молекуласының жоғарғы молекулалық массасы 41-109, Бұл шамамен 2 см-дей болатындығы көрсетілген. Кейбір ашытқылардың ДНҚ молекуласыпың молекулалық массасы 1-108-109тең, яғни 0,5 мм-ге жуық өлшемге ие. Кейбір зерттеушілер санағандай, ұзын ДНҚ бірнеше қысқа ақуыздардың көмегімен байланыскан құрылым емес, тұтас молекула болып табылады. Осы тұжырымға ДНҚ молекуласының ұзындығы протеолитикалық фермсігг препараттарымен өңдегенде өзгеріссіз қалатындығы анықталған соц ғана белгілі болды.
Клетканың ядролық құрылымына, ағза геномына кіретін ДНҚ-мың жалпы саны жеке түрлер арасында ауытқып отырады, яғни микрооргапизм жасушасында ДНҚ саны омыткасыздар, жоғары сатыдағы өсімдіктср мси жануарларға қарағанда әлдеқайда төмен. Ішек таяқшасына қарағамда егеукүйрық ядросында ДНҚ 600 есе көп болып келеді. Эукариотты ағзалар жасушаларындағы ДНҚ санын салыстыра келе, ағзаның күрделену дәрежесі мен ядродағы ДНҚ санының кандай да бір анықтау қиынға соғып отыр. Зығыр, теңіз кірпісі, алабүға (1,4-1,9) немесе талмабалық пеп бұқа (6,4-7) сияқты әр түрлі азғалар шамалас ДНҚ санына ие. Үлкен таксономиялық топтарда ДНҚ мөлшері едәуір ауытқып отырады. Жоғары сатыдағы өсімдіктердің әр түрлерінде ДНҚ мөлшері балықтардағы секілді бір - бірінен жүз есе айырмашылығы болса, ондаған есе айырмашылық амфибиялардың ДНҚ мөлшерінде байкалады. Кейбір амфибиялардың ядроларында ДНҚ мөлшері көбірск, адамдар ядросына қарағанда 10 -30 есе, бірақ бакаларға қарағанда адамның генетикалық конституциясы бірнеше есе күрделі екендігі сөзсіз. Сондықтам төменгі сатыдағы ағзаларда ДНҚ - ның «артық» мөлшерде болуы, олардың генетикалық рөлімен байланысты емес, тек гендер санының бірнеіпе рет қайталанып келуімен деп тұжырымдауға болады.
Бұл сұрақтардың шешілуі ДНҚ гибридизациясы немесе ренатурация реакциясының кинетикасын зерттеу негізінде мүмкін болды. Егер ерітінділердегі фрагменттелген ДНҚ молекулаларын жылулық үшыратып, содан соң денатурация жүретін температураға қарағанда сәл төмендеу келген температурада инкубацияласақ, ренатурация, яғни комплементарлы тізбектердің қосылуы негізінде ДНҚ фрагменттерінің бастапқы қос тізбекті кұрылымының қайта калпына келу процесі жүреді. ДНҚ вирустары мен прокариоттар жасушалары үшін осындай ренатурацияның жылдамдығы олардың геномының үлкендігіне тәуелді екені көрсетілді: яғни неғұрлым геномы үлкен болса, әрі бөлшек немесе жасушаға ДНҚ мөлшері көп келсе, соғұрлым комплементарлы тізбектердің кездейсок жақындауына және нуклеотидтер тізбегі бойынша әр түрлі келген ДНҚ фрагменттерінің басым бөлігінің спецификалық реассоциациялануына көп уақыт керек. Прокариоттық жасушалардың ДНҚ реассоциациялану кисығы прокариоттар геномында қайталанып келетін қатарлар негіздерінің болмауымен сипатталған: олардың ДНҚ - ның барлық бөлімдері уникалды қатарларға ие, олардың мөлшері мен алуан түрлілігі объекттердің генетикалық композицияларының күрделі дәрежелігін, яғни, олардың ортақ биологиялық ұйымдастырылуын көрсетеді.
Эукариотты ағзаларда ДНҚ реассоциациясы мүлде өзгеше көрініс табады. Яғни, эукариоттардың құрамына олардың геном көлемінің негізіне қарамастан өте үлкен жылдамдықта ренатурацияланатын фракциялар кіреді, сонымен қатар прокариоттар ДНҚ - ның ерекше тізбектері секілді жай ренатурацияланатын фракция кіреді. Дегенмен эукариоттарда Бұл фракцияның ренатурациялануына біраз уақыт кажет, бұл олардың геномының үлкен колсміне және көп мөлшерде алуан түрлі уникальды гендердің бар болуымен байланысты. Үлкен жылдамдықтағы ренатурациямен өзгешеленетін эукариоттар ДНҚ- иың осы бөлігінде екі фракция тармағын ажыратады:

1. жоғары және жиі қайталанып келетін қатарлары бар, мүнда ДНҚ-ның ұқсас участоктары 10 қайталануы мүмкін;
2. шектеулі қайталанып келетін қатарлары бар, геномда І()2-103 кездеседі. Осылай, тышканда жиі кайталанып келетін қатарлары бар ДНҚ фракциясына геномға шакканда ДНҚ-ның барлық мөлшерінің 10% кірсе, 15% шектеулі кайталанып келетін қатарлар фракциясына келеді. Тышканның қалған 75% ДНҚ көп мөлшердегі түрлі қайталанбайтын гендерге сәйкес келетін уникальды бөлімдерге келеді.

Жиі қайталанатын қатарлары бар фракциялар ДНҚ- ның негізгі массасына қарағанда өзге жылжымалы тығыздықка ие, сондықтан оларды сателитті ДНҚ - ның фракциясы ретінде таза күйде бөліп алуға болады. Тышқанның Бұл фракциясының тығыздығы 1,691 г/мл тең, ал ДНҚ - ның нсгізгі бөлігі- 1,700 г/мл-ге тең. Тығыздықтағы айырмашылықтар нуклеотидтер құрамындағы айырмашылықтармен байланысты. Мысалы, тышканның осы фракциясында Г- және Ц- жұптардың 35%, ал негізгі шыңында ДНҚ- ның 42% бар. Сателитті ДНҚ, немесе жиі кайталанып келетін қатарлары бар ДНҚ фракциясы жасушадағы РНҚ- ның негізгі типтерін синтездеуге қатыспайды, әрі белок синтезімен еш байланысы жок. Себебі жасушаның бірде- бір РНҚ түрлері (тРНҚ, рРНҚ, иРНҚ) сателитті ДНҚ- мен гибридизацияланбайтындықтан осындай шешімге келді. Соған қарағанда Бұл ДНҚ- да жасушалық РНК- ның синтезіне жауапты тізбектер жоқ, яғни ДНҚ РНҚ синтезі үшін матрица болып табылмайды және транскрипцияға қатыспайды. Белок синтезіне тікелей қатыспайтын жиі кайталанатын қатарлар өзі бойында информацияны алып жүреді. Бұл информация хромосомалардың сақталуы мен қызметтер аткаруы үшін өте маңызды. Оларға көптеген ДНҚ бөлімдерін, интерфазалық ядроның ақуыздық көпірімен байланыскан ДНҚ бөлімдерін, репликация немесе траскрипция басталатын бөлімдерін, және де осы процестерді реттеп отыратын ДНҚ бөлімдерін жатқызуымызға болады.
Хромосомада нуклеин қышқылдарын гибридизациялау әдісі бойынша (in situ) осы фракциясының локализациялануы зерттелді. Ол үшін оқшауланған сателитті ДНҚ - да бактериалдық ферменттердің көмегімен ³Н - уридинмен таңбаланған РНҚ синтезделді. Содан соң хромосомалармен бірге цитологиялық препаратты ДНҚ денатурациясы жүретіндей өңдеуге ұшыратады (жоғары температура, сілтілік орта және т.б.). Содан соң препаратқа таңбаланған 3Н РНҚ енгізіп, ДНҚ мен РНҚ арасындағы гибридизацияны жүзеге асырады. көмегімен таңбаның басым бөлігі хромосомалардың біріншілік үзбе зонасында жинақталған, олардың центромерлі учаскелерінде жинақталғаны анықталды. Таңба әрі хромосомалардың басқа да бөлімдерінде табылған, бірақ аз түрде .
Соңғы 10 жыл ішінде центромерлі ДНҚ зерттеуде үлкен жетістіктерге кол жеткізілді, әсіресе ашытқы жасушалары негізінде. Мысалы, S. cerivisiae - нің центромерлі ДНҚ - сы 110 ж.н. бойынша қайталанатын бөлімдерден тұрады. Ол 2 консервативті участок (I және III) және негіздері AT - жұптарға бай орталық элементтен (II) тұрады. Дрозофила хромосомасының ДНҚ - центромерасының кұрылысы осыған ұқсас келеді. Адамның центромерлі ДНҚ- сы (альфоидты сателитті ДНҚ) 170 ж.н. бойынша мономерлер бірлігінен құралған, немесе пентамерлер топтарына біріктірілген, өз кезегінде олар 1-6.103 п.н. бойынша үлкен қатарлар түзеді. Осындай ең үлкен бірлік 100- 1000 рет кайталанған. Осындай спецификалық центромерлі ДНҚ-мен ерекше центромерлі ақуыздар комплекс құрады, олар өз кезегінде кинетохора деп аталатын құрылымды түзуге қатысады. Кинетохора-хромосомалардың ұршық микротүтікшелерімен байланыс түзуді, әрі хромосомалардың анафаза кезінде қозғалуын камтамасыз етеді. Жиі қайталанып келетін қатарлары бар ДНҚ көптеген эукариотты организдер хромосомаларының теломерлі аудандарында анықталып табылған (ашытқылардан бастап адамдарға дейін). Мұнда 3-4 гуанин нуклеотидтері кіретін қайталанулар кездеседі. Адам теломерлерінде 500-3000 дейін TTAGGG кайталанулары бар. ДНҚ-ның Бұл аудандары ерекше рөл атқарады: олар хромосоманы шетінен шектеп және бірнеше рет жүрген репликация процесінде оның қысқармауын жүзеге асырады.
Соңғы кезде интерфазалық хромосомалар ДНҚ-ның жиі қайталанатын қатарлары спецификалық түрде ядро кабықшасын төсеп жататын ақуыздар - ламиндермен байланысып, созылған деконденсацияланған интерфазалық хромосомаларды үстап тұруға қатысады, яғни интерфазалық ядро көлемінде хромосомалардың локализациялану тәртібін анықтайдығын тапқан.
Сателитті ДНҚ мейоз кезінде хромосомалардың гомологиялық аудандарын тануға қатыса алатындығы туралы болжам жасалды. Басқа да ұсыныстар бойынша, жиі қайталанып келетін қатарлары бар участоктар хромосомалық ДНҚ-ның әр түрлі функционалдық бірліктері арасында бөлгіштер (спейсерлер) рөлін аткарады, мысалы репликондар арасында. Шектеулі қайталанып келетін қатарлар
(10"-10') фракциясы ДНҚ участоктарының ерекше класына жатады, олар белок синтезін жүзеге асыратын апаратты жасау процесінде маңызды рөл аткаратындығы белгілі болды. Оған ДНҚ рибосомаларының гендері кіреді, олар әр түрлі түрлерде 100- ден 1000-ға дейін қайталануы мүмкін. Осы фракцияға әрі барлық т-РНҚ синтезі үшін бірнеше кайтара қайталанған участоктар кіреді. Сонымен қатар, белгілі бір ақуыздар синтезіне жауапты кейбір структуралық гендер де бірнеше рет қайталануы мүмкін, және бірнеше көшірме түрінде көрсетіледі.Бұл гендер хроматин ақуыздары - гистондар үшін, олар 400-ге дейін қайталанып келеді. Бұдан басқа, Бұл фракцияға әр түрлі қатарлары бар ДНҚ участоктары кіреді (100-400 ж.н. бойынша), олар да бірнеше рет қайталанған, бірақ бүкіл геном бойынша шашыраған. Олардың рөлі әлі де болса толық анық емес. ДНҚ-ның мұндай участоктары түрлі гендердің акцепторлы немесе регуляторлық участоктары болып табылуы мүмкін деген тұжырым айтылған.
Сонымен, эукариотты жасушалардың ДНҚ құрамы бойынша гетерогенді, нуклеотидтер қатарларының бір-екі жасушалары кіреді: сателитті ДНҚ фракциясына кіретін және транскрибицияланбайтын жиі қайталанып келетін қатарлар (> 106 рет); нағыз гендердің блоктары болып табылатын шектеулі түрде қайталанатын қатарлар (10²-10⁶ ), әрі бүкіл геном бойынша шашыраған қысқа қатарлар фракциясы; жасушаның көптеген ақуыздары үшін информация таситын уникальды қатарлар фракциясы. Бұл тұжырымдардан шығатыны, әр түрлі ағзаларда ДНҚ мөлшеріндегі сол айырмашылықтар енді түсінікті болады: бұл азғалар геномындағы ДНҚ-ның белгілі бір кластарының бірдей емес бөліктерімен байланысты. Мысалы, Amphiuma амфибиясында (оның ДНҚ-лы адамға қарағанда 20 есе үлкен) жиі қайталанатын қатарлар бөлігіне бүкіл ДНҚ-ның 80% дейін, пияздарда - 70% дейін,қызыл балықта- 60 % дейін келеді.Генетикалық ақпараттың нағыз күнын уникальды қатарлар фракциясы көрсету керек. ¥мытпау қажет, хромосоманың нативті, фрагменттелмеген ДНҚ молекуласында, құрамына уникальды, шектеулі және жиі қайталанатын қатарлар кіретін, барлық участоктар ДНҚ-ның бір өте үлкен ковалентті тізбегіне біріктірілген.
ДНҚ молекулалары әр түрлі нуклеотидтік қатарларының участоктары бойынша ғана гетерогенді емес, сонымен қатар олардың синтездік белсенділігі негізінде әр түрлі келеді.

Эукариоттардағы ДНҚ репликациясы

Репликацияның басталу нүктесінен және нүктесінен тұратын бактериалды хромосома бір құрылымдық бірлік түрінде репликацияланады. Сондықтан бактериалды циклді ДНҚ бір репликон болып табылады. Электронды микроскоппен вирустар мен бактериялардағы репликацияланушы хромосомаларын зерттегенде, репликацияның басталу нүктелерінен екі қарама-қарсы бағытка ДНҚ синтезі жүргені анық байқалатын репликациялық айырылымды көруге болады. Эукариотты жасушалардың репликациясының құрылымы полирепликон түрінде жүреді. Импулс арқылы ³Н-тимидинді енгізгеннен кейін барлық митотикалық хромосомада көптеген таңба пайда болады. Бұл ұғым бойынша таңба бір уақытта интерфазалық хромосомада көптеген репликация орындары және репликация басталуының автономды нүктелері бар екендігін көрсетеді. Бұл күбылысты толығырақ ДНҚ-ның таңбаланған молекулаларындағы көмегімен зерттеген. Егер жасуша Н тимидинмен таңбаланған болса, жарық микроскопындағы ДНҚ кесінділері автографтарында қалпына келген күмістің бөліктерін пунктирлі сызық түрінде көруге болады. Бұл репликацияланып үлгерген ДНҚ ның аздаған кесінділері, ал оның арасында радиоавтографты калдырмаған, сондықтан көрінбей қалған ДНҚ репликацияланбаған кесінділері орналаскан. ЛН тимидиннің жасушамем қатынасының уақыт аралығы ұзарған сайын, осындай кесінділердің көлемі ұлғаяды, ал олардың аракашықтығы қысқарады. Осы зерттеулердің көмегімен эукариотты ағзалардың ДНҚ репликациясын дәл есептеуге болады. Бактериалды ДНҚ репликациясынан жылдамдығы 50 т.ж.н. сүтқоректілсрдс репликациялық айырылымның козғалыс жылдамдығы 1 минутта 1-3 ж.н. болса, ал кейбір өсімдіктерде минутына 1 т.ж.н. сәйкес болады. Осы зерттеулерде эукариоты ДНҚ хомосомасының кұрылымы полирепликонды екендігі дәлелденді. ДНҚ хромосомының ұзындығы бойынша репликацияда көптеген тәуелсіз бөліктер репликондар орналаскан. Сүтқоректілер гаплоидты топтарында 20000-30000 реплликон болуы кажет. Төменгі сатыдағы эукариоттарда репликон аз шамамен-40 м.ж.н гендерге 3500 репликоннан келеді, ал аңытқыларда 400. Сонымен репликонда ДНҚ синтезі екі карама-карсы бағытта жүреді. Бұл авторадиография көмегімен оңай дәлелденді. Егер жасушаға импулстік таңбадан кейін ортаға тимидинсіз ДНҚ синтезіне жағдай жасасак, онда оның ДНҚ енуі азаяды, және авторадиографияда симметриялы екі бағытка репликацияланған бөлікті көруге болады. Айырлы репликациялану кезінде репликонда козғалыс тоқталады. Көрші репликондардың репликацияланған бөліктері екі синтезделген ДНҚ молекуласының бірдей ковалентті тізбегімен байланысады. Репликондарда ДНҚ хромосоманың функционалды бөлінуі ДНҚ домендерінің бөлінуіне сай келеді. ДНҚ синтезінің биологиялық тұжырымы ДНҚ синтезін бактериямен және хромосомамен салыстырып караса түсінікті. Сонымен ұзындығы 1600 мкм хромосоманың монорепликонды бактериялардың жылдамдығы шамамен жарты сағат синтездейді, ал сүтқоректілерде ДНҚ репликациясы 6-8 сағатты құрайды. Репликациялық айырымдар көршілес репликондардың айырымдарымен терминальді нүктеде кездескенде оның козғалысы тоқтайды. Осы нүктеде көршілес репликондардың репликацияланып болған бөлімдері жаңа синтезделген ДНҚ молекуласының екі ковалентті тізбегіне жалғасады. ДНҚ хромосоманың репликондарға функционалды жіктелуі ДНҚ-ның доменге немесе айырымға кұрылымдық жіктелуіне сәйкес. Осылайша, жеке хромосомадағы ДНҚ синтезі көптеген репликондарда тәуелсіз синтезделіп көршілес ДНҚ кесінділердің ұшымен байланысуының негізінде жүреді. Бұл касиеттің биологиялық мәні эукариоттар мен бактерияда ДНҚ синтезін салыстыру негізінде түсіндіріледі. Ұзындығы 1600 мкм бактериалды монорепликонды хромосома жарты сағаттай синтезделеді. Егер сүтқоректілердің бір сантиметрлік ДНҚ молекуласы осылайша синтезделетін болса, онда синтезге алты күндей уақыт кетер еді. Бірақ, Мұндай хромосомада бірнеше жүз репликон болса, онда толық репликациялануына бір сағат кана қажет болады. Шын мәнінде сүтқоректілерде ДНҚ репликациясы 6-8 сағат жүреді. Бұл жеке хромосомалардың репликондарының бір уақытта қосылуына байланысты. Кейбір жағдайларда репликацияны жеделдету үшін барлық репликондар бір уақытта қосылады немесе қосымша репликациялық нүктелер пайда болады. Бұл күбылыс кейбір жануарлардың эмбрионалды дамуының бастапқы сатысында өтеді. Xenopus laevis бақасының жұмырткасының бөлшектенуі кезінде ДНҚ синтезіне 20 мин кажет, ал соматикалық жасушалар дақылында бір күн ғана алады. Дәл осындай жағдай дрозофилада байкалады: ерте эмбрионалдық кезеңдң ядродағы ДНҚ синтезіне 3,5мин, ал культуралық ұлпа жасушаларында ондағы репликациялық нүктелердің саны эмбрион жасушасынан бес есе көп болса да 600 мин жүреді. Жеке хромосома бойындағы ДНҚ синтезі біртекті жүрмейді. Хромосомада белсенді репликондар 20-80 репликациялық нүктелерден тұратын репликациялық бірліктерден топтар қүрайды. Бұл көрініс ДНҚ радиоавтографтардың талдауының нәтижесінде алынды. Репликациялар блоғы мен кластерлері, бірліктердің бар екендігі ДНҚ-ға тимидиннің аналоғы -5- бромдезоксиуридинді (BrdU) қосу арқылы зерттелді. BrdU ны интерфазалық хроматинге қосса, онда митоз кезінде ВгсШлы аймақ тимидинді аймаққа карағанда жеткіліксіз тығыздалатындығы байқалды. Сондықтан, дифференциалды бояу нәтижесінде митотикалық хромосоманың ВгсШлы аймағы әлсіз боялады. Осылайша, жасушаның синхронды культурасында BrdU іске қосылуын бақылайды. Түрлі аймақтардың іске қосылуы S-кезеңнің уақытында тізбекті жүреді. Әр хромосомаға репликацияның белгілі реті мен суреті тән. Репликациялық бірлікке біріктірілген ядро матриксінің ақуыздарымен байланыскан репликон кластерлары репликация ферменттерімен бірігіп ДНҚ синтезі жүретін интерфазалық ядроның аймағы кластеросоманы түзеді.
Репликациялық бірліктерінің белсендену реті хроматиннің осы аймағының құрыльшына байланысты болуы мүмкін. Мысалы, констутивті гетерохроматин аймағы S-кезең соңында репликацияланады, Сонымен қатар, S-кезеңінің соңында факультативті гетерохроматиннің кейбір аймағы еселенеді (мысалы, сүтқоректілердің аналықтарының X хромосомасы). Хромосомалардың бөлімдерінің репликациялану реті хромосоманы дифференциалды бояу нәтижесінде алынған суретке сәйкес: R-сегмент ерте репликацияланушы аймакка жатады, G-сегмент кеш репликацияланушыға, С-сегмент,яғни центромералық аймақ, ең соңында репликацияланады. Дифференциалды бояу нәтижесінде хромосома сегменттерінің боялу мөлшері мен санының әртүрлі болуы әр хромосомада репликацияның басталуы мен аякталуы асинхронды жүретінін сипаттайды. Дегенмен, хромосома репродукциясының реті қатаң тәртіппен жүреді. Жеке хромосоманың репликациялануы оның мөлшеріне байланыссыз. Мысалы, адамның А-тобының (1-3) хромосомалары В-тобының (4-5) хромосомалары тәрізді S-кезеңі бойы таңбаланылып тұрады. Осылайша, эукариоттар геномындағы репликация процесі барлық ядроның хромосомаларында S-кезеңнің басында бірге басталады. Геномның кез-келген аймағының репликациялануы генетикалық тұрғыдан қадағаланады, ол S-кезеңі кезінде белгілі гендердің мутагендерге сезімталдылығымен дәлелденеді.

Хроматиннің негізгі белоғы - гистондар

Интерфазалық хромосомалардағы сиякты (интерафазалық ядроның хроматині) митотикалық хромосомаларда да ДНҚ-ның рөлі анық: сақтау және генетикалық информатикаларды жүзеге асыру. Бірақ Бұл функциялардың орындалуы үшін интерфазалық ядроның құрамында анық құрылысты негіз болу керек. Ол ДНК-ның ұзын молекулаларын катал тәртіпте орналастыру кажет. Белгілі уақыт ішінде процестер жүріп отыру керек: РНҚ синтезі, ДНҚ- ны редупликациясы. Интерфазалық ядрода ДНҚ концентрациясы 100 мг/мл-ге жетеді. Сүтқоректілердің интерфазалық ядросында орта есеппен 2 м ДНҚ, сфералық ядрода орташа диаметрмен 10 мкм шамасында жинақталады. Бұл осындай үлкен ДНҚ-ның 1х 103 - 1 х104 коэффициент болуын көрсетеді. Сонымен қатар ядрода жартылай немесе толығымен босаңсыған хромосомалар реті сақталу керек. Хромосомалардың реттелуіне жағдай жасау керек. Бұның барльтғы құрылыссыз, ретсіз жүйеде жүзеге асырылмайтыны белгілі. Клеткалық ядроның негізгі рөлі ол РНҚ-ның орналасуын қамтамасыз ету, ал функционалды салмактың тығыздалуы және реттелуі ядролық ақуыздардың қызметіне жатады. ДНҚ-ның негізгі белок-гистонмен комплексі (дезоксирибонуклеопротеид) хромосома затының жуық шамамен 90% құрайды. Хромосомадағы ДНК-ның мөлшері түракты. Хроматиннің құрамыыдағы ақуыздар әртүрлі, бірақ оларды 2 топка бөлеміз гистондар мен гистон емес ақуыздар. Хроматин ақуыздың 80% дейін гистон қүрайды. Олардың ДНҚ мен байланысы, тұз немесе иондық байланыспен және ДНҚ молекуласында нуклеотидтің орналасуымен жүзден астам эукариот жасушасы 5-7 тип гистон молекуласынан тұрады. Гистондар ДНҚ мен молекуланың кешен түрінде байланысады. Бұл кезге дейін ДНҚ осы ақуыздармен қоршаған (жабылған) деп келді. ДНҚ-ның негізгі міндеті - генетикалық информацияны сақтау. Бұл функцияның орындалуы үшін интерфазалық ядроның нақты құрылымының негізі болуы керек. Прокариоттық жасуша геномында жалғыз ДНҚ молекуласы болуы мүмкін, эукариоттық жасушада ДНҚ гистондармен және де басқа ақуыздармен комплекс құрайды.
Гистон дегеніміз хромосоманың құрамына енетін негізгі ақуыздар. Бұл негізгі және қышқылдық ақуыздардың құрылымы негізінен аминқышқылдары соның ішінде лизин мен аргининнен тұрады. Дәл осы оң зарядты аргинин мен лизиннің амин топтары ДНҚ-ның теріс зарядты фосфат топтары мен тұз және электростатикалық байланыстардың түзілуін қамтамасыз етеді. Дезоксирибонуклеопротеид (ДНП) ДНҚ мен гистонға диссоциациялануы нәтижесінде байланыс тез үзіледі. Сондықтан хроматин (ДНП немесе бұрын нуклеогистон деп атаған) тізбекті жоғары полимерлі ДНҚ молекуласы мен күрделі гистон молекуласынан тұратын күрделі нуклеин-ақуыздық кешен болып табылады. Гистондар - биохимиясы жақсы зерттелген ақуыздар (төмендегі кестеде көрсетілген).

Гистон - молекулалық массасы жоғары емес ақуыздар. Көптеген эукариотта гистон кластары бірдей. Гистон кластары бір-бірінен аминқышқылдары құрамындағы әртүрлілігімен ғана ерекшеленеді. Гистондар ДНҚ імолекуласын тығыздауға көмектеседі. Мысалы: НЗ және Н4 гистондары. Аминқышқылдарының аргинин түрі көп болғандықтан аргининге бай түрі болып есептеледі. Бұл гистондар барлық зерттелген ақуыздарға қарағанда консервативті: олардың аминқышқылдық жүйелілігі алыс түрлердің арасында да бірдей болып келеді. Мысалы сиыр мен бүршак түрлерінде (екі ғана аминқышқылдары ауыскан) ұқсас болып келеді. Ал, Н2А мен Н2В - лизинге бай ақуызға жатады. Әртүрлі түрлердің ішінде Бұл гистондардың топтары аминқышқылдық тізбегінде олардың бірінші реттік кұрылымында түраралық вариациялар байқалады. HI гистоны аминқышқылдық тізбекпен бүркелетін бірнеше жақын туыстас белоктарынан тұратын бірегей емес молекулаларынан тұрады. Бұл гистондарда айтарлықтай ұлпааралық және түраралық вариациялар табылған. Алайда, олардық ортақ касиеті - құрамында негіздік ақуыздарға тән лизиннің болуы. Ерітіндіде жоғары иондық күштің әсерінен (1-2M NaCl) барлық гистондар ДНҚ-дан ажырайды да ерітіндіге айналады. Гистонның барлық кластарында N және С соңы бар. Гистон молекуласының орталық бөліктері L- спиральды бөліктен тұрады. HI гистонында басқа гистондармен байланыс тудыратын N соңы бар, ал С соңы ДНҚ мен байланыскан лизинге бай. H1 гистоны нуклеосомдардың ирек тәрізді орналасуын камтамасыз етеді. Гистондар цитоплазмада синтезделеді, ядрода транспортталады және репликацияның S кезеңінде ДНҚмен байланысады. Нақты айтқанда ДНҚ синхрондалады. Гистондардың барлық кластарына (әсіресе Hl-ге) негізгі аминқышқылдары - лизин мен аргинин молекулаларының N және С соңына кластерлі ыдырауына тән. Гистон молекулаларының орталық бөліктері изотониялық жағдайда глобулярлы құрылымда жинақталатын бірнеше a - спиральді бөліктер түзеді. Гистондардың ақуызды молекулаларының спиральданбаған соңы оң зарядтарға бай, олар бір - бірімен және ДНҚ - мен байланысты жүзеге асырады.
H1 гистонының басқа гистондармен байланысты камтамасыз ететін N - соңы біршама вариабелді, ал лизинге бай С - соңы ДНҚ - мен әрекеттеседі. Клеткалардың тіршілік ету барысында гистондардың тасымалдаудан кейінгі өзгерісі жүреді: лизиннің кейбір қалдықтарының ацетилденуі мсп метилденуі оң зарядтар санының жойылуына, ал серинді қалдықтардың фосфорлануы теріс зарядтардың пайда болуына алып келеді. Гистондардың ацетилденуі мен фосфорлануы кайтымды. Бұл өзгеріс гистондардың қасиетін, олардың ДНҚ - мен байланысу кабілетін өзгертеді. Мысалы: артық ацетилдену гендердің активациясына, ал фосфорлану мен фосфорланбау хроматиннің конденсациясы мен деконденсациясына әсер етеді. Гистондар цитоплазмада синтезделіп, ядроға тасымалданады да ДНҚ - мен байланысады, яғни гистон мен ДНҚ синтезі синхронды. ДНҚ синтезі тоқтағанда гистонды ақпараттық РНҚ бірнеше минут ішінде ыдырап, гистондардың синтезі токтайды. Хроматинге қосылған гистондар өте тұрақты және алмасу жылдамдығы төмен. Гистондар бес топка бөлінеді және олардың әр топ ішіндегі ұқсастығы жалпы эукариоттарға тән. Бірақ гистондардың құрамындағы өзгерістердің бірқатары жоғарғы және төменгі сатыдағы эукариотты ағзаларға тән. Төменгі сатыдағы омырткалыларда HI орнына аргинин мен серинге бай Н5 гистоны болады. Гистон тәрізді ақуыздар вирустар, бактериялар мен митохондриялар құрамында да табылған. Е.соң жасушасында құрамы аминқышқылды гистондарға ұқсас ақуыздар (HU және H-NS) көп мөлшерде кездескен.

Гистондардың функционалдық қасиеттері.

Гистондардың кең таралауы, өте алшақ түрлерде де ұқсас болуы, хромосома құрамына кіру міндеттілігі олардың жасуша өміршеңділігіндегі маңызды рөлін көрсетеді. Нуклеосомалар ашылудан бұрын да гистондардың функционалдық рөлдері- реттеуші және құрылымдық рөлдері жайлы бір-бірін толықтыратын екі топ гипотезалар болған. Бөлініп алынған хроматин оған РНК-полимеразаны қосқанда транскрипцияға матрица бола алады, алайда бөлініп алынған таза ДНҚ-ның активтілігімен сәйкес келетін хроматиннің активтілігі тек 10 % қүрайтыны анықталған. Бұл активтілік топтарын алып тастау нәтижесінде азайып отырады және гистондарды толығымен жойған кезде 100%-ға жетуі мүмкін. Бүдан жалпы гистондардың толығымен болуы транскрипция деңгейін реттей алатындығын көруге болады. Бұл байқалғандар мынандай фактормен сәйкес келеді, гистондарды жою нәтижесінде әсіресе HI гистонын жойса деконденсациялау- ДНП фибриллаларының бұратылуы прогрессивті жүреді, бұл РНК-полимеразаның матрицалық ДНҚ- мен әсерлесуін жеңілдетуі мүмкін. Сонымен қатар, гистондардың модификациясы транскрипцияның ұлғаюына және бір уақытта хроматиннің әкелетіндігі белгілі болған. Бұл гистондардың сандық және сапалық касиеттері хроматиннің компактілігі мен активтілік дәрежесіне әсер етеді деген қорытынды жасуға негіз болып отыр. Алайда, гистондардың реттегіш қасиеттерінің спецификалығы, яғни әртүрлі маманданған жасушаларда спецификалық иРНҚ- ның синтезінде гистондардың рөлі қандай деген сұрак туады. Бұл сұрактың казіргі күнге дейін шешімі табылмай отыр, бірақ бірнеше жалпылама болжамдар келтіруге болады: жоғарыда келтірілген рөлге гистондардың аз консервативті айтарлықтай өзгеріске үшырай алатын және сол арқылы геномның белгілі бір аймағында өз касиеттерін өзгертетін салыстырмалы топтары H1 немесе Н2А және Н2В топтары таласады. Хроматиннің ұйымында гистондардың құрылымдық- тығыздау рөлі де анықталған. Гистондардың фракцияларын біртіндеп таза ДНҚ- ның ерітіндісіне қосу ДНП комплексінің тұнбаға түсуіне алып келеді және керісінше, хроматин препараттарынан гистондарды біртіндеп алып тастау оның еріген күйге ауысуына алып келеді. Сонымен қатар, құрлықта тіршілік ететін ағзалардың ооциттерінің немесе теңіз кірпісінің жұмыртқасының бос гистондары болатын цитоплазмалық қоспаларына ДНҚ- ның кез-келген түрін қосу, ұзындығы бастапқы ДНҚ-дан бірнеше есе қысқа хроматиндік фибриллалар (ДНП) түзілуіне алып келеді. Бұл мәліметтер гистондардың кұрылымдық компактизациялау рөлін көрсетеді. ДНҚ- ның үлкен сантиметрлі молекулаларын ұзындығы бірнеше микрометр ғана болатын хромосома ұзындығына сыйдыру үшін ДНҚ молекуласы қапталу тығыздығы 1:10000 қатынасына тең болатындай шиыршықталып, компактизациялануы қажет. ДНҚ-ны компактизациялау процессінде каптаудың бірнеше деңгейі болатындығы байкалған, олардың біріншілері тікелей гистондардың ДНҚ-мен эсерлесуімен анықталады.

ДНҚ тығыздалуының бірінші деңгейі: нуклеосомдардың қурылымдық рөлі

Ерте биохимиялық және электронды - микроскопиялық жұмыстарда көрсеткендей ДНП препараттары диаметрі 5нм-ден 50нм-ге дейін жететін жіпшелі құрылымдардан тұрады. Кейін фибриллдердің диаметрі препараттың бөлінуі тәуелді екендігі анықталды. Интерфазалық ядроның жұқа кесінділерінде және митотикалық хромосомасында глутарлы альдегид фиксациясынан кейін қалыңдығы 30 нм хроматин фибриллдері анықталды. Ядро фиксациясы кезінде де осындай көлемді хроматин фибриллдері болды. Бірақ осы барлық әдістерді қолданғанмен ешкандай хроматин фибриллдеріндегі гистондарды және ДНҚ топталуын сипаттай алмады. Нуклеосома дегеніміз - хроматиннің дискретті бөлшектері. Хроматиннің зерттеу жұмыстарында ірі ашылу болады, ол нуклеосомдардың екі түрлі жолмен ашуы. Хроматин препаратының ионды күші әлсіз сілтілі ортада электронды микроскоп тақтайшасына отырғызғанда оның жіпшеге орналаскан моншак тәрізді екендігі көрінеді: бір-бірімен ұзындығы 20нм ДНҚ кесіндісі арқылы байланыскан шамамен Юнм орташа глобулалар. Бұл бақылаулар хроматинді нуклеазалық өңдеуден кейін фракциялағандағы нәтижемен сәйкес. Бөлініп алынған хроматинге микроккок нуклеазасымен әсер еткенде ол жиі қайталанатын құрылымдарға ажырайтындығы анықталады. Мысалы, хроматиннен алынған ДНҚ, нуклеазамен өңделген, сүр кесінділерден құралды, қысқа 200 жүпқа негіз болды, 200, 400, 600, 800 жұп нуклеотидтер кесінділерде кездесті. Бұл яғни шамамен 200ж.н. орналаскан хроматин құрамындағы нуклеаза тартысында ДНҚ бөлігіне тартылады. Сонымен қатар ДНҚ ядросының 2% ғана ДНҚ-ның қышқылды фракциясына кетеді.
Центрифугалау жолымен хроматиннен өңдегеннен кейін 11S жылдамдығымен фракция бөліктерін ажыратуға болады. (S- Сведберг бірлігі седиментация жылдамдығын анықтайды.) Сонымен қатар бөліктер өлшемі: димерлер, тримерлер, тетрамерлер және т.б. 11S бөлігінің құрамында шамамен 200ж.н. ДНҚ және 8 гистондар(октамер) 2-ден гистон көшірмесі Н2А, Н2В, НЗ және Н4 және HI бір гистон көшірмесі. Мұндай күрделі нуклепротеид бөлігі нуклеосома атауына ие болды.Нуклеосома мынадай жолмен құралған: гистон октамерлері өзекті ақуызды негізге өзгередЦағылшын сөзі соге-қыртыс, қыртысты бөлік жоғарғы жағында 146ж.н. тұратын ДНҚ болады, 1,75 айналымнан өзгерген, ал калғандары 54ж.н. ДНҚ бөлікті өзгертеді, линкер- өзекті ақуызбен байланыспаған,ол 2 көрші нуклеосоманы байланыстырады. HI гистоны жиілеп, негізгі және линкер бөлігімен байланысады. Толық нуклеосома құрамында шамамен 200 ж.н. ДНҚ және гистонның қыртысты октамерлері және HI гистонының 1 молекуласы бар. Толық нуклеосоманың молекулалық массасы 262000 Да.
Өзекті немесе қыртысты бөлік құрылымы бойынша өте консервативті: құрамында үнемі 146 ж.н. ДНҚ және гистон октамерлері бар. Нейтронды орналастыру әдісін пайдалана отырып нуклеосоманың анық өлшемін және формасын анықтауға болады. Электронды микрокөшірмесіне орналасады да, тартылған ДНҚ молекуласында тығыз, үйлесімді отырғызылған шамаімен Юнм, «моншактарға» өзгереді. Негізінен тек линкерлі бөлігі тығыздалған, ал калғандары гистон октамерлерінің шеткі жағында ДНҚ ұзындығына спиральді түрде салынған. Гистон октамерлерінің өзі, құрамына тетрамер (НЗ. Н4) және 2 тәуелсіз димер Н2А.Н2В кіреді, және формасы ойнайтын допты еске түсіреді. Нуклеосома бөлігінің үстіне ДНҚ спиралін жалғастырсақ, ол тығыз нуклеосомада орналаскан, калыңдығы шамамен Юнм тегіс жіпшеге өзгерте отырып, көрші нуклеотидтерді байланыстырады. Сонымен қатар қосымша ДНҚ спиралданғаннан кейін, біріншілік ДНҚ компактизациясы жүреді. ДНҚ фосфаттарымен гистон октамерлерінің жоғарғы жағында оң зарядталған амин қышқылдар калдықтарының қарым-қатынас әсерінен, нуклеосоманың өзегінің шеткі бөлімімен 2ДНҚ жіпшесі байланысады. Өзекті гистондарының үштарындағы бөліктер, оң зарядпен толтырылған, яғни ол қосымша нуклеосома құрылымына тұрақтылық беру қызметін аткарады.
ДНҚ тығыздалуында өзекті ақуыздарының қызметі нуклеосоманың өзін- өзі жинақталуында көрсетілген. ДНҚ және гистондарды қосып, толық реконструкциялы нуклеосомдарды алуға болады. Гистон HI нуклеосомдардың өзгеруіне қажет емес, ол жоғарғы деңгейдегі ДНҚ тығыздалуына және дайын нуклеосомдарды бір-біріне байланыстырады.НЗ және Н4 гистондары нуклеосомдарды орналасуына қатысады. ДНҚ бастамасында тетрамерлермен байланысады (НЗН4), содан кейінірек екі димер Н2А.Н2В байланысады. Нуклеосомдардың өзгерісіне ДНҚ компактизациясының біріншілік этаптарына НЗ және Н4 гистондары құрылымдық қызмет атқарады.

Репликация және транспирация кезіндегі нуклеосома

ДНҚ репликациясы кезінде нуклеосома қалай түзіледі, репликациялық айырылым кезінде нуклеосоманың тағдыры кандай, ескі және жаңа нуклеосома немесе ақуыздар қалай бөлінеді деген сұрақтар бүгінгі күнге дейін әлі шешімін тапкан жоқ. Электронды микроскоппен зерттеу жүргізу нәтижесінде репликацияға ұшыраған хроматиннің екі жіпшесінде де нуклеосома болатыны анықталды. Эукариоттарда ДНҚ синтезінің жылдамдығы (20нм/с), онда жаңа нуклеосома хромосом жіпшелерінің екі еселенуіне 3-4с болады. Нуклеосоманың түзілуінің Бұндай жылдамдықта болуы ДНҚ синтезі кезінде синтезделген гистондардың түрлеріне байланысты және ол нуклеосома құрамына кіруге дайын болады. Гистонды гендар ДНҚ-ның жүйелілікпен қайталанатынына байланысты, көрнекі түрде әр гистондар бірнеше көшірмелерден тұрады. Олар ДНҚ синтезін бірге белсендетеді, сондықтан репликациялық айырылым ДНҚ-ның жаңа бөлігі жаңа синтезделген гистондармен қосыла алады. Жаңа синтезделген гистондар және ескі гистондар ДНҚ-ның репликациясы кезінде, нуклеосоманың түзілуіне қосылмайды. Октамерлі гистондармен бірге репликацияға дейін қатысушы интакты күйінде калып және ДНҚ-ның жаңа дуплексына ауысады. Сол кезде жаңа гистондар нуклеосомның ДНҚ -дан босаған бөлігіне жиналады. Ескі және жаңа актомерлі гистондар жаңа ДНҚ-ның екі еселенуі кез келген жерден жүреді.
ДНК репликациясының айырылымындағы ескі нуклеосоманың тағдыры әлі күнге дейін зерттелмеген. Бір гипотиза бойынша әрбір нуклеосома репликациялық айырылым келген кезде 2-ге айырылады «жарты нуклеосома» ал ДНҚ полимеразасының осы ауданға кіру үшін нуклеосомды ДНК бұрылады. Осыдан кейін жаңа синтезделген ДНҚ тізбегі ядро ішіндегі гистондармен байланысады және ДНҚ-ның екінші тізбегінде жаңа нуклеосома түзіледі.
Хроматиннің активті бөлігіне жинақталуына шашыраңқы калыпы тән. Хроматиннің бұл құрылымын цинтрофуга әдісімен шашыраңқы хроматиннің карқындылығын жоғарылатады. Активті хроматиннің құрылымы нуклеосомаға жоғарғы сезімталдылық, кейбір емес ақуыздардың құрамын гистондардың өзгергіштік деңгейін жоғарылатады.
Биохимиялық дәлелдемелерде нуклеосолмалық ақуыздар транскрипция кезінде ДНҚ мен байланысты болады. Нуклеосома хромасома жіпшелерінің бір бөлігі ретінде транскрипция болған жерден байқалады, содан кейін сирек жағдайда РНҚ полимераза ферменті нуклеосомаға қарағанда екі есс үлкен келеді. Бұл фермент болған кезде (мысалы рибосомалық гендердің транскрипция кезінде немесе гендердің басқада активті орталары) РНҚ полемеразасы бір-біріне тығыз орналасады да олардың арасындағы нуклеосома байкалмайды. Нуклеосомалық ақуыздар РНҚ полимеразасы кезінде ДНҚ мсн байланысын жоғалтпайтындығы таң қаларлық жағдай, ал ДНҚ-ның өзі нуклеосома құрамында ширатылады. Нуклеосома құрылымы РНҚ синтезделер кезінде екі түрлі нұска таңдауға беріледі. Олардың біреуінде нуклеосома екі жартылай нуклеосомаға бөлінеді де ДНҚ ширатылады; басқа нуклеосома жанында аздап еркін орналасады, тетромерлер сақталада (НЗ. Н4)2 ал димерлер Н2А. Н2В уақытша жоғалып кетеді, ал кейіннен РНҚ полимераза процесінен кейін қайтып келеді де бұрынғы нуклеосома калыптасады.

ДНҚ тығыздалуының екінші реттік деңгейі

Көптеген электрондық микроскопиялық зерттеулер көрсеткендей митотикалық хромосомаларда интерфаза кезінде ядродағы хромитин фибрилдерінің диаметрі 30 нм болып көрінеді. Мұндай диаметрі 30 нм болатын хроматинді фибриллдер глутар альдегидімен ультра жұқа кесіндіні өңдегенде ерітіндіден хромасомаларды, хроматиндерді бөліп алғанда байқалады. Хроматин фибрилдері кайтымды, өз диаметрлерін өзгертетіндігі анықталған яғни, қалыңдығы 10 нм., ал егер хроматин препараттарын деионизацияланған суға немесе ЭДТА хелатоны бар ерітіндіге ауыстырса бастапқы калпына кайта айналады. Егер оған HI гистонын қосатын болса бастапқы қалпына келеді.
Хроматин фибрилдерінің қалыңдығы нуклеотидтердің диаметрі 30 нм-лі қасиетіне тән екі түрлі көзкарас калыптасқан. Оның бірі нуклеосом компактизациялауының соленоидтық типі деп аталады. Бұл модельге сәйкес жіптің бойы нуклеосомдармен тығыз ширатылып өз кезегінде диаметрі 10 нм болатын спиральді бүтак құрайды. Спиральдің бір кадамы 10 нм. Мұндай суперспиральдің бүтағына 6 сәйкес келеді. Нәтижесінде мұндай компактизацияланудан фибрилланың спиральді типі пайда болады. Ортаңғы бөлігі куыс, егер негативті бояумен бояса фибрилланың центрінде «жіңішке канал» көрінеді. Егер де осы фибрилланың бөліктерін ажыратар болсақ онда нуклеосомдар фибрилла бойында «ирек тәрізді» орналасқандығы жаксы көрінеді. HI гистондары көрші орналаскан араларын өзара біріктіріп тұратындығын қамтамасыз етеді, тек оларды бір-бірімен байланыстырып қана қоймай диаметрі 10 нм спиральдің барынша тығыздылығын камтамасыз ету осыған байланысты. Егерде хроматидтерді ядро құрамында не болмаса екі валентті катиондардың белгілі бір концентрациясында зерттейтін болса, онда хромосомалардың глобулалар тәрізді нуклеомерлер түзетіндегі анықталған. Екінші тип - тип, мұнда глобулалар фибрилдердің бойында шиыршықталады. Нуклеомерлердің шиыршықталуы магний иондары мен HI гистонының болуына байланысты. Гистондық емес ақуыздар мұндай процеске қатыспайды. Гистонды ақуыздар тек нуклеосомды және нуклеомерлі деңгейде ДНК компактизациясына ғана қатысады, сонымен қатар фибрилдерде дезоксирибонуклеопротеидтердің (ДНП) кооперациясының бірігуін қамтамасыз етеді.

Гистон емес белоктар

Гистон емес ақуыздар барлық белок хроматиндерінің 20 %-ке жуығын құрайды. Анықтау бойынша гистон емес ақуыздар- бұлар гистоннан басқа, хромосома немесе хроматиндерден бөлінген, барлық белок хроматиндері болып табылады. Бұл жинақталған белок топтары жалпы құрамы бойынша сонымен қатар функционалдық маңыздылығы бойынша бір-бірінен ерекшеленеді. Гистон емес ақуыздардың 80 % жуығын ядро матриксіндегі ақуыздарға жатқызуға болады, яғни интерфазалық ядро құрамында, сонымен бірге хромосомалардан табылған. Құрылымдардың кешенініне арналған, ядро матриксінің құрамына кіретін бұл белок топтары жеке бөімдерде қарастырылған: қабат немесе ядролық қабат ламинасы және ішкі ядро матриксі, интерхроматинді тор, ядрошық матриксі.
Гистон емес ақуыздар фракциясына әртүрлі молекулалық массадағы (5- 200 кДа) 450-ге жуық жеке ақуыздарды жатқызуға болады. Бұл ақуыздардың бөлігі суға ерігіш, бір бөлігі қышқылдық ерітіндіде ерігіш, енді бір бөлігі хроматинмен әлсіз байланысқан және (5 М мочевина) денатурациялайтын агенттің қатысуымен, 0,35 М тұз концентрациясында (3 М NaCl) диссоцияцияланады. Сондықтан да осы ақуыздардың сипатталуы және жіктелуі киынға соғады, Бұл ақуыздар әлі де толықтай карастырылмаған.
Гистон емес ақуыздардың арасында бірнеше қатар реттеуіш ақуыздарды байкауға болады, яғни транскрипция бағытын ынталандырады, сонымен қатар оларды бәсеңдететін айқын сәйкестігімен арнайы байланысқан ақуыздарды кездестіруге болады. Гистон емес ақуыздарға ферменттерді, нуклеин қышқылдарының метаболизміне қатысатын (ДНК -полимераза, ДНК- топоизомераза, ДНК және РНК метилазалары, РНК-полимеразалары, РНКаза мен ДНКаза және т.б.), хроматин ақуыздары (протеинкиназа, метилаза, ацетилаза, протеаза және т.б.) және көптеген басқалары жатады.
Гистон емес ақуыздардың толықтай зерттелгендері , олар жоғары жылжымалы топтар (HMG - high mobility group, немесе «Джонс белоктары»). Олар 0,35 М NaCI мен 5% НСЮ4 бөлініп алынып және де жоғары жылжымалылықка ие болады. Негізгі HMG-ақуыздары төртеу: HMG-1 (м.с. - 25500), HMG-2 (м.с. = 26000), HMG-14 (м.с. = 100000. HMG-17 (м.с. = 9247). Бұл топтар гистон емес ақуыздардың арасында ең коп карастырылған: барлық гистон сандарының жасушада олар 5% жуық. Әсірссс осы ақуыздар белсенді хроматинде жиірек кездеседі (шамамен HMG- белоғының 1 молекуласына 10 нуклеосом). HMG-1 және HMG-2 ақуыздары нуклесом құрамына кірмейді, бірақта ДНҚ - ның линкерлі бөлігімен байланысқанын байқауға болады. HMG-14 және HMG-17 ақуыздары нуклеосоманың жүрекше тәрізді ақуыздарымен байланысып, ДНП фибриллі компактизациясы деңгейінің өзгеруін қамтамасыз етеді, яғни РНК- полимеразасымен өзара әрекеттесуіне неғүрлым қолайлы болады. Осыған байланысты HMG-ақуыздары транскрипциялық белсенділіктің сапалы реттегіштері бойынша алға шығып отыр. Хроматин фракциясы ДНК-аза I жоғарғы сезімталдығына ие болуы, HMG- ақуыздарымен көбейтілгені байқалған. == Ядролық белок матриксіндегі ДНҚ ==

Ядролық матрикстің құрамына кірген ДНҚ-ның срскшслігін қарастырғанда бұл қалдық ДНҚ-ның кұрғақ массасы 0,1 - 1% жоие барлық ДНҚ молекуласында 1% мөлшерінде ғана болады. Бұл ДНҚ нуклеаз орекстіне өте төзімді екені белгілі болды. Ядролық матрикстің құрамынан шықкан ДНҚ фрагментіи білу коитегсн ғалымдардың қызығушылығын танытты. Ядрода 60 000 нан 125 мыңга дейіи ДНҚ бөлімшесінен тұратындығы нуклеоз әсерінен қорғалған жоис Бұл бөлімшелер барлық ядролық матрикстің үшкомпонентінде де орналасатындьн ы көрінді.
Тышқанының асцитті карцином жасушасының ДНҚ ядролық матриксі зерттелінген. Ядролық матрикстің құрамынан ДНҚ фрагментінің екі молшерлі тобы табылған. Бастапқы ДНҚ мөлшерінің 0,02% құрайтын 100 мың ж.н. тұратын жоғары молекулалы фрагменттер бірінші топқа жатқызылады. ДНҚ бойындағы бір фрагменттер хромосомадағы ядролық матрикскс 2-3 нүктс арқылы бекінеді. Бұл фрагменттер сателитті ДНҚмен толтырылган жонс ламинмен байланысқан. Бұл бөлімшелердің функционалдық белгілері олардың анықталған бөлімшелерінің (, ) ламинде бекітілуі көмегімен ядрода хроімосомалардың фиксациялануынан тұрады.
Фрагменттің екінші тобы ДНҚ-ның (120-140 ж.н.) гетерогенді тізбегінен тұратын кішігірім болігі матрикспен байланысқан. Олар ұзындығы 50 п.ж.н. тұратын ДНҚ-ның бөліктері арасында кездесіп, хроматиннің ілмек тәрізді негізгі құрылымын жасайды. Осындай қысқа бөлікті ДНҚ-ның екінші тобының функционалды көрсеткіші хроматиннің орталық розетка тәрізді құрылымында жаткан немесе хроматиннің активациясы кезінде ДНҚ-ның ілмек тәрізді бүратылған негізін қүрайтын ақуыздармен айқындалады.
Ұқсас нәтижелер көптеген обьектілерден алынды. ДНҚ матрикспен (MAR- matrix attachment regions немесе SAR-scaffold attachment regions) байланысқан аудандар бір-бірінен 5-112 мың ж.н. қашықтықта орналасатындығы және 200 ж.н. тұратындығы табылған. Дрозофиланың ядросында MAR ( немесе SAR) ауданының 10 000 кіреді.

Митоз хромосомаларының морфологиясы

Хромосомалардың морфологиясын митоздың метафаза кезеңінде жақсы тексеруге болады. Өсімдіктер мен жануарлар жасушаларында хромосомалар таяқша тәрізді, ұзынша келеді. Хромосоманың ең жіңішкерген жері бірінші үзбесі оны екі иыққа бөледі. Осыған байланысты хромосомаларды морфологиясына карай 3 түрге ажыратады: метацентрлі, және акроцентрлі. Егер хромосомалардың екі иығы тең болса, онда оларды — метацентрлі, егер иықтары тең болмаса, субметацентрлі, ал бір иығы жетілмегендерін акроцентрлі деп атайды

Хромосоманың бірінші үзбе аймағында центромера немесе кинотохор орналасады. Хромосомада бір немесе екі, кейде одан да көп центромерлер болуы мүмкін. Кинотохор жіңішке фибрилдер арқылы хромосома денешігімен үзбе аймағында байланысып тұрады. Центромердің құрылысы және қызметі толық зерттеле қойған жок, алайда Бұл аймақта көп мөлшерде тубулин белоғы жинақталады және центромерден үршық жіпшелерін түзетін микротүтікшелер шығады. Митоз кезінде хромосомаларды полюстерге жылжытатын осылар. Хромосомалардың бірінші үзбе аймағында ДНҚ фибрилдері, ал хроімосомалардың центроімераға тақау орналасқан аймағында қосак ДНҚ орналасады. Олардың айырмашылығы ДНҚ молекуласында нуклеотидтердің кайталанып орналасуы жиі кездеседі. Кейбір хромосомада екінші үзбе болады. Екінші үзбе хромосома денесінен алшақ орналасады, кейде осы екінші үзбе аймағын ядрошық аймағы деп те атайды, өйткені осы орталықтан р-РНҚ синтездейтін ДНҚ орналасады. Хромосомалардың иықтары теломерлермен аяқталады. Хромосомалардың көлемі әр ағзада әр түрлі болады, негізінде 0,2 мкм- нен 50 мкм-ге дейін барады. Адам хромосомасының ұзындығы 1,5—10 мкм, ал өте үсақ хромосомалар кейбір қарапайым ағзаларда, қарапайымдарда, саңыраукүлақтарда, балдырларда кездеседі. Ал ең, үлкен хромосомалар жарғақ канатты жәндіктерде, қосмекенділерде болады. Хромосомалардың саны ор ағзада тұрақты болады. Мысалы, өсімдігінде хромосомалардың саны 50-ге түт ағашында 308, ал өзен шаянында 198 хромосома кездессе, адам жасушасында -10 хромосома болады. Ал ең аз хромосома (1 хромосома) аскариданың бір түрінде күрделі-гүлділср тұқымдасының бір түрі Helopappus gzacilie өсімдігінде не бары 4 хромосома (2 жүп). Сонымен белгілі бір ағза түріндегі хромосома санының морфологиясының жиынтығын осы ағзаның кариотипі деп атайды. Хромосомалардың құрылымдарын зерттеу үшін соңғы жылдары көптеген әдістер қолданылып жүр, солардың бірі әр түрлі бояулар арқылы хромосомаларды дифференциалау. Егер хромосомаларды бояуымен бояп флуоресценция микроскопы арқылы қарағанда хромосомалардың ұзына бойында көлденең жолақты байқауға болады. (Р жолағы деп белгілейді). Р жолағын басқа да көптеген бояулармен анықтауға болады Дифференциалды әдіс арқылы адам хромосомасының құрылысы зерттелді. Жай әдістермен боялғанда адам жасушасының 46 хромосомасын 7 топка бөлуге болады

Ең үлкен хромосомаларды (1, 2), кішірек хромосомаларды (19, 20) және акроцентрлі (13) хромосомаларды бір-бірінен жаксы ажыратуға болады. Бірақ та бұл әдіс ұқсас хромосомаларды ажыратуға мүмкіндік бермейді. Ал дифференциалды әдіспен әр хромосомалардың бір-бірінен айырмашылығы жаксы байкалады. Бұл әдіс арқылы қазіргі кезде адам хромосомасының картасы жасалып, гендердің хромосома бөлімдерінде орналасуы анықталды. Хромосоманың гетерохроматин бөлімінің тығыз орналасуына байланысты бояуларды өзіне жаксы сіңіреді. Ал хромосоманың бөлімі шашыраңқы бос құрылымнан тұрады. Эухроматин хромосоманың активті бөлімі болып саналады, онда негізінде гендер кешені жинакталады.

Көптеген генетикалық, цитогенетикалық зерттеулерден хромосоманың гетерохроматин аймағы аймағына еніп, әсерін тигізетіні байқалды, бұл хромосомалардың кайта құрылуы арқылы жүзеге асады, яғни эухроматин аймағы тығыздалып олардың активтілігі жойылады. Гетерохроматин барлық уақытта да спиральданып тұрады. ДНП жіпшелері митоз және мейоз хромосомаларының негізгі құрамы болып саналады. Хромосоманың құрылысын толық түсіну үшін осы ДНП жіпшелерінің хромосома денесінде қалай орналасқанын білу шарт. Хромосомалардың күрлысы 50-жылдардың орта кезінде әр түрлі әдістермен зерттелгені белгілі, алайда электронды микроскоп хромосоманың құрылысынан айтарлықтай жаңалық қоспады, ол ядроны да хромосомаиы да дәл көрсете алмады.

Соңғы жылдары хромосоманың құрлысын жасушадан бөліп барып тексеріп жүр. Осындай жолмен берілген хромосоманы зерттегенде ол негізінде бір ғана ДНП фибриллінен тұратыны анықталды. Осы фибриллдер ирелеңдеп барып әр түрлі ілмектер түзеді. Осы ілмектердің және иілістердің тығыз орналасуынан митоз хромосомасының денесі құрылады. Осыдан хромосомалар бір ғана иілген фибриллдерден құрылады деген модель шықты. Хромосома жіпшелерінің орналасу реті әрі оның канша жіпшелерден тұратыны түсініксіз. Хромосоманың құрамындағы жіпше тәрізді құрылымды хромонем (хроматин жіпшелері) деп атайды.

Хромонем хроматин материалының аралық заты болып есептелетінін, әсіресе, митоздың профазасында хромосомалардың тығыздалуына немесе хромосоманың телофазада босаңсуына байланысты жақсы байқауға болады. Мұндай хромонемалар өсімдік және жануарлар жасушаларында кездеседі. Сонымен өсімдіктер мен жануарлар жасушаларының профазасының бастапқы кезеңінде хромосома материалының тығыздалатыны және фибриллдерінен түзілген хромонем құрылымы хромосоманың күрделеыуіндегі аралық заттың негізгі материалы болып табылатыны анықталды. Ал телофазада осыған қарама-қарсы процесс жүреді. Митоздың басқа фазаларында хромомемалар байқалмайды. Политен хромосомаларында хромомерлер өте айқын көрінеді, олар қатар орналасып дискілерін қүруда негіз калайды. Қорытып айтканда, хромосоманың құрылысынан ДНҚ орналасуының, ДНП фибриллдерінің хромомерлі, хромонемді және хроматидті деңгейлерін байқауға болады. ДНҚ-ның тығыздалу деңгейлерінің күрделенуі арқылы митоз хромосоманың денесі құрылады. Қазіргі уақытта хромосома денесінде ұзынша орналаскан элементтер жөнінде әр түрлі деректер бар. Полинем гипотезасы хромосоманың денесі бір- бірімен спиральдана орналасқан бірнеше ұзынша жіпшелерден тұрады десе, Унинем болжамы хромосоманың бойында ұзынша орналаскан бір құрылымның барын дәлелдейді.

Унинем болжаімына карсы пікірдегілер мүның генетикалық үғымға кайшы келетіндігін айтты. Бұл теория хромосомадағы субхроматид элементтері бірдей ме, егер бірдей болса, мұндай жағдайда ген мутациясы қалай жүреді, әр түрлі болса, кроссинговер процесімен, хромосомалардың бойында гендердің орналасу принциптерімен калай байланыстыруға болады деген көптеген сүрақтарға жауап бере алмады. Эксперименттік әдістер унинем болжамында айтылған түжырымның растығын дәлелдеді. Мейоз хромосомасын ДНҚ-аза ферментімен бұзғанда Бұл хромосоманың құрамында ДНҚ-ының бір ғапа молекуласының бары айқындалды. Сонымен марфологиялық және физика- химиялық әдістер арқылы дрозофильдің бір хромосомасында бір ғана ДНҚ молекуласының бары, яғни дрозофилдің хромосомы унинемді екені анықталды.

Дереккөздер

1. Цитология және гистология. Оқу құралы. Сапаров Қ.Ә. - Алматы: Қазақ университеті, 2009. - 128 бет. ISBN 978-601-247-057-4