На протяжении клеточного цикла хромосома сохраняет структурную целостность. В разные фазы цикла наблюдаемые под микроскопом картины меняются. Изменения хромосом при переходах из одной формы структурной организации в другую в клеточном цикле связаны со сменой функциональных приоритетов (см. п. 2.4.3.4). В основе таких переходов лежит процесс компактизации-декомпактизации (конденсация-деконденсация) хромосомного материала — хроматина. Суммарная длина вытянутых в нити биспиралей ДНК 46 хромосом человека равна примерно 190 см, тогда как суммарная длина 46 метафазных хромосом, содержащих те же молекулы ДНК в состоянии максимальной компактизации, составляет порядка 180 мкм. Вследствие компактизации при переходе хромосом из интерфазной формы в ми-тотическую суммарный линейный показатель сокращается примерно в 7-10 тыс. раз. Тело человека состоит из 5х1013-1014 клеток и, следовательно, суммарная длина всех биспиралей ДНК в организме людей составляет 1011 км. Хотя это почти в 1000 раз больше расстояния от Земли до Солнца, в клетке на долю ДНК приходится менее 1\% массы.
Выделяют следующие уровни компактизации хроматина (табл. 2.1 и рис. 2.13).
Таблица 2.1. Последовательные уровни компактизации хроматина
В образовании нуклеосомной нити диаметром 11 нм (первый уровень компактизации) ведущая роль принадлежит гистонам Н2А, Н2В, Н3 и Н4. Они образуют белковые тела или коры, состоящие из восьми молекул (по две молекулы каждого вида). Молекула ДНК комплексуется с белковыми корами, спирально накручиваясь на них. В контакте с ко-ром оказывается фрагмент биспирали в 146 п.н. Свободную от контакта с корами ДНК (протяженность от 15 до 100 п.н. в клетках разных типов) называют линкерной (связующая). Отрезок ДНК порядка 200 п.н. вместе с белковым кором образует нуклеосому (рис. 2.14, а). Благодаря описанной организации в основе структуры хроматина находится фибрилла, напоминающая нитку бус и представляющая собой цепочку повторяющихся единиц — нуклеосом (рис. 2.14, б). ДНК генома человека, насчитывающая суммарно 3,2х109 п.н., упаковывается максимально в 1,5х107 нуклеосом. В нуклеогистоновом комплексе имеются области без нуклеосом. Они располагаются с интервалами в несколько тысяч пар нуклеотидов. Им принадлежит важная роль в дальнейшей упаковке хроматина, поскольку они содержат нуклеотидные последовательности, специфически узнаваемые негистоновыми белками. Нуклеосомы важны для осуществления ДНК биоинформационно-генетической функции. Благодаря нуклеосомам в промоторных участках ДНК заблокированы области инициации (начала) транскрипции. Для того чтобы инициатор-ный комплекс возник, нуклеосомы должны быть «вытеснены» из соответствующих фрагментов ДНК.
Рис. 2.13. Уровни компактизации хроматина. Старт — биспираль ДНК
Рис. 2.14. Нуклеосомная организация хроматина: а — молекула ДНК накручена на белковые коры; б — электронная микрофотография эукариотического хроматина: видны нуклеосомы и участки линкерной ДНК
Образование хроматиновой фибриллы диаметром 30 нм (второй уровень компактизации) происходит с участием гистона Н1, который, связываясь с линкерной ДНК, скручивает нуклеосомную нить в спираль по типу соленоида с шагом в 6-8 нуклеосом (рис. 2.15).
Если главная роль в обеспечении компактизации на первых двух уровнях отводится спирализации, то на следующем петельно-доменном уровне, дающем фибриллы диаметром 300 нм, главное событие заключается в укладке фибриллы диаметром 30 нм в петли (рис. 2.16). В этом процессе активная роль отводится негистоновым белкам. Основания петель «заякорены» в ядерном матриксе. Петля содержит от одного до нескольких генов (петельный домен). Длина участка ДНК, равного петле, от 20 тыс. п.н. до 80 тыс. п.н. Инактивация генов сопровождается компактизацией петельного домена в суперсоленоид, а активация — декомпактизацией или «выпетливанием». Хроматиновые фибриллы диаметром 300 нм являются, по-видимому, наиболее типичными структурами интерфазного хроматина.
На следующем уровне компактизации фибриллы диаметром 300 нм, складываясь по длине, превращаются в метафазные хроматиды (хромосомы будущих дочерних клеток) диаметром 700 нм. Эти изменения происходят с хромосомным материалом клеток, вступающих в митоз.
Рис. 2.15. Хроматиновая фибрилла диаметром 30 нм: а — соединение нуклеосом с помощью гистона Н1; б — упаковка ДНК в хроматиновой фибрилле в виде соленоида
Рис. 2.16. Петельно-доменная структура хроматина: а — хроматиновая фибрилла с присоединенными негистоновыми белками; б — образование петли на участке хроматиновой фибриллы; в — участок метафазной хромосомы
Максимальная степень компактизации достигается на пятом уровне в структурах, известных как метафазные хромосомы с диаметром 1400 нм. В этом состоянии ДНК выключена из биоинформационно-генетических процессов (транскрипция, репликация). Такая структура обеспечивает оптимальное решение задачи транспортировки генетического материала в дочерние клетки в анафазе митоза.