Молекулярна будова хромосом.

В інтерфазному ядрі хромосоми частково деконденсовані і тому їх звичайно сумарно називають хроматином.

Хроматин є дезоксирибонуклеопротеїдом (ДНП), тобто він складається з ДНК і білків, на які приходиться 60–70% від сухої маси хромосом.

У бактерій геном організований у певне тіло або тіла, які виглядають досить компактними і займають приблизно третину об’єму клітини. Ці тіла називають нуклеоїдами, вони аналогічні ядру еукаріот. Хоча інколи нуклеоїди називають бактеріальною хромосомою, але ми будемо розглядати хромосому еукаріотичної клітини.

Головна кількісна особливість генетичного матеріалу еукаріот - наявність надлишкової ДНК. Цей факт легко виявляється при аналізі відносини числа генів до кількості ДНК в геномі бактерій і ссавців. Близько 95% генома бактерій складається з кодують послідовностей. Решта 5%, мабуть, зайняті регуляторними елементами. Інша картина спостерігається у еукаріотичних організмів. Наприклад, у людини налічують приблизно 50 тисяч генів (мається на увазі тільки сумарна довжина кодують ділянок ДНК - екзонів). У той же час розмір генома людини 3 × 109 (три мільярди) п.н. Це означає, що кодує частина його генома складає всього 15 - 20% від тотальної ДНК. Існує значне число видів, геном яких у десятки разів більше геному людини, наприклад деякі риби, хвостаті амфібії, Лілійні. Надлишкова ДНК характерна для всіх еукаріот.

У ДНК еукаріот виділяють 3 фракції: унікальні послідовності - у тварин складають 40-90% від усієї ядерної ДНК; у рослин - 12-60%. У людини близько 50% ядерної ДНК представлено унікальними послідовностями довжиною 1-2 тпн. Ці фрагменти розділені між собою помірно повторюваними послідовностями завдовжки 0,1-0,3 тпн. Велика частина унікальної ДНК є "некодуючою", так, наприклад, в геномі людини з 50% унікальною ДНК на кодуючі ділянки припадає тільки 5%.

Помірно повторювані послідовності ДНК кодують, як правило, тРНК, рРНК, гістони. Наприклад, гени 18S і 28S рРНК утворюють тандемні пари (мономерні одиниці розташовані за типом "голова до хвоста"). Спейсер теж транскрибується, до його складу входить ген 5,8 S рРНК. У людини і миші гени рРНК розташовуються в декількох кластерах в акроцентріческіх хромосомах. Кожен кластер генів рРНК відповідає ядерцевому організатору. Гени ранніх гістонів у морського їжака входять до складу однієї одиниці, в результаті повторення якої утворюється кластер тандемних генів, розділених спейсерами - Н1 Н4 Н2В Н3 Н2А. У деяких ссавців гени гістонів розташовуються окремо.

Сателітна ДНК - високоповторювані послідовності ДНК. Розташовуються в центромерних, теломерних районах і в ділянках інтеркалярного гетерохроматину. У різних видів на частку сателітної ДНК припадає від 0,3% до 28% від усієї ядерної ДНК. Близькі види, наприклад миша і щур, мають зовсім різні високочастотні послідовності, у пацюка їх нуклеотидний склад не відрізняється від основної ДНК, тоді як геном миші містить чіткий АТ-збагачений сателіт. Це означає, що високочастотна ДНК здатна до швидких змін в ході видоутворення.

Послідовності сателітної ДНК - це короткі тандемні повтори. У людини сателітна ДНК ділиться на I, II, III класи (з довжиною повторюваної послідовності 1-20 п.н.). Також виділяють альфа, бета і гамма типи (з довжиною повтору 170 п.н., 68 п.н. і 220 п.н. відповідно). Сателітні повтори мають різну ступінь збагаченість АТ-і ГЦ-пар (тип 1 збагачений парами АТ). Сателітна ДНК специфічно розподілена по різних хромосома. Так, в прицентромерному гетерохроматині хромосом 3 і 4 представлений сат ДНК 1. У прицентромерному гетерохроматині хромосом груп Д і G локалізовані сатДНК1 і 3 класів. Розподіл альфа, бета і гамма сателітних ДНК також хромосом специфічно. Альфа сателітні повтори розташовуються в основному в центромерних ділянках хромосом. Мають елементарну одиницю повтору близько 170 п.н. і можуть бути присутніми в тандемі, досягають довжини до 1 млн.п.н.

У сателітній ДНК виділяють 2 типи послідовностей:

– Мікросателіти - одиниця повтору складається з 1-5 нуклеотидів. Загальна довжина кластера - кілька десятків нуклеотидів. Приклад: (АТ) n; (A) n; (AC) n. У кодуючій частині генів частіше зустрічаються тринуклеотидні повтори. Ді-, тетра-і пентануклеотидні повтори рідкісні в кодуючій частині геному, тому що збільшення їх числа обов'язково призведе до зсуву рамки зчитування. Мікросателітні послідовності виявлені в геномі як прокаріотів, так і еукаріотів. Через високу швидкість мутування мікросателіти забезпечують генетичну різноманітність геномів.

– Мінісателіти - одиниця повтору складається з 10-100 пн. Загальний розмір кластера 0,5-100 тпн.

Загальний розмір кластера 0,5-100 тпн. Їх ще називають VNTR - варіабельні за кількістю тандемні повтори. Вони можуть знаходитися всередині або між генами. Число копій кожної специфічної послідовності в різних локусах варіює від 1000 до 5000 п.н. Варіації довжин таких областей лежать в основі методу ДНК-фінгерпрінтінга (метод відбитків).

За локализацією виділяють:

Сателітні повтори в області промотора - (А) n - стимулюють експресію гена, тому що обумовлюють жорстку структуру подвійної спіралі - на цій ділянці не утворюються нуклеосоми, що полегшує доступ ДНК-полімерази і факторів транскрипції до промотора. Довжина поліпролінових, поліаланінових і поліглутамінових ділянок, кодованих мікросателітними тринуклеотидними повторами, впливає на білок-білкові взаємодії, у тому числі і з факторами активації транскрипції.

- Сателітні повтори в інтронах - часто інгібують експресію гена. (АС)21 в інтроні гена рецептора епідермального фактора росту знижує транскрипцію гена на 80%.

– Сателітні повтори в нетранслюємій 5’-області гена (між промотором і геном) - (С) n, (AC) n, (GC) n, (AT) n - інгібують експресію гена.

- Повтори в ділянці гена, що транслюється. Приклад - хорея Гентінгтона - збільшення довжини повтору (CAG) n в першому екзоні гена білка гентінгтіна призводить до подовження поліглутамінової ділянки в білку. Синтезується токсична форма білка, що призводить до загибелі нейронів. Це приклад динамічних мутацій або експансії тринуклеотидних повторів - пов'язані із зміною довжини тринуклеотидних повторів. Швидкість мутування пов'язана з кількістю копій триплета. Після перевищення певного порогу довжини ці повтори стають нестабільними і їх довжина збільшується в наступних поколіннях. У здорових людей число повторів коливається від 6 до 39. У хворих - 36-180. У дорослих хвороба проявляється при 40-55 повторах, при числі повторів більше 70 захворювання проявляється вже у дітей. Тобто для даних мутацій характерне явище антиципації - зростання пенетрантности захворювання в ряду поколінь, більш ранній початок захворювання.

Вперше динамічні мутації описані в 1991 році. Відомі вони тільки у людей. Всього поки описано 16 спадкових захворювань. Всі вони пов'язані з ураженням головного мозку і підкіркових структур. Експансія відбувається як в мейозі, так і в мітозі, зачіпає частіше алелі із спочатку великим числом повторів. Динамічні мутації є причиною розвитку синдрому фрагільної Х - хромосоми або синдрому Мартіна- Белл. Синдром Мартіна- Белл - одна з найбільш частих спадкових форм розумової відсталості (частота захворювання складає 1 випадок на 4000 чоловіків та 1 випадок на 8000 жінок). Синдром пов'язаний з утворенням ламкого сайту в Х -хромосомі через збільшення повторів ( CGG ) в 5- нетранслюємій області гена FMR1 , який експресується в мозку і сім’яниках. Ген кодує РНК -зв'язуючий білок , що циркулює в клітині між ядром і цитоплазмою. У здорових людей ген містить 2-54 триплета (CGG). Збільшення довжини до 200 триплетів - це предмутаційний стан, що не змінює фенотип людини. Збільшення числа копій понад 200 триплетів - повна мутація і прояв синдрому. Збільшення числа копій триплета призводить до гіперметилювання регуляторної зони гена (промотора), в результаті різко знижується або повністю інгібується транскрипція гену .Ще одна категорія повторів в геномі еукаріот - короткі і довгі розкидані по геному ДНК - повтори (не тандемні).

– Короткі розсіяні по геному елементи - SINE - послідовності довжиною менше 500 п.н. Їх копійность в геномі людини складає не менше 500 000. До цієї групи повторів відноситься сімейство Alu-повторів (вони містять сайти рестрикції для ендонуклеази AluI). Alu-повтори в геномі людини складають більше 5% від сумарної кількості ДНК. Функція їх не зрозуміла.

– Інша група розсіяних повторів - LINE. У людини виявлено одне сімейство цих повторів - L1-повтори. Довжина повтору близько 6400 пар основ, сумарно представлені в геномі до 100000 разів. Проявляє властивості ретротранспозонів (транскрипція послідовності, синтез на мРНК за допомогою зворотної транскриптази нової копії ДНК повтору, нова копія інтегрує в хромосому на новому місці).

Еухроматинова частина геному побудована за принципом чергування (інтерсперсіі) унікальних і повторюваних послідовностей. Умовно виділяють два основних типи інтерсперсіі, що отримали назви з тих видів, у яких вони вперше були описані: інтерсперсія типу "ксенопус" і типу "дрозофіла".

Приблизно в 50% генома Xenopus laevis унікальні послідовності з 800-1200 п.н. чергуються з повторюваними, середній розмір яких 300 п.н. В іншій частині геномів типу "ксенопус" відстані між сусідніми повторами значно перевищують 1-2 п.н. Структура геному типу "ксенопус" широко поширена, особливо серед тварин. Ссавці і людина також відносяться до цього типу організації геному. Особливість геному людини та інших приматів складають інтерсперсні високочастотні повтори довжиною близько 300 п.н. У людини ці повтори містять сайт, який розрізається ферментом рестрикції Alu I.

У дрозофіли характер інтерсперсії різко відрізняється від типу "ксенопус". Для неї характерно чергування повторюваних послідовностей довжиною 5600 п.н. з унікальними повторами довжиною не менше 13000 п.н.

Птахи за характером інтерсперсії займають проміжне становище між типом "ксенопус" і типом "дрозофіла".