Чем отличаются гетеро и эухроматиновые участки хромосом
Чем отличаются гетеро и эухроматиновые участки хромосом
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
Научная электронная библиотека
Юров И. Ю., Ворсанова С. Г., Воинова В. Ю., Чурносов М. И., Юров Ю. Б.,
3.2. Гетерохроматин и эухроматин
Каждая хромосома человека дифференцирована на два типа различных участков: так называемые, эухроматиновые и гетерохроматиновые районы хромосом. Существует два основных типа хроматина: гетерохроматин и эухроматин. Данная классификация основана на ранних изучениях свойств хроматина хромосом человека в интерфазных ядрах, содержащих деконденсированный хроматин (эухроматин), распределенный диффузно и слабо окрашиваемый при использовании специфических гистологических красителей, а также конденсированные темно-окрашенные блоки хроматина (гетерохроматин). В эухроматиновых участках хромосом локализовано подавляющее большинство генов, в то время как гетерохроматин содержит мало генов, которые, по-видимому, обычно не активны. Выделяют два основных типа гетерохроматина: конститутивный и факультативный. Конститутивный гетерохроматин, который практически на протяжении всего клеточного цикла конденсирован, генетически не активен. Вероятно, последовательности ДНК, из которых состоит конститутивный гетерохроматин, практически не содержат генов. Этот тип гетерохроматина сформирован особыми классами высокоповторяющихся (сателлитных) последовательностей ДНК и расположен в участках центромер всех хромосом, а также в некоторых других ее участках. Факультативный гетерохроматин представляет собой инактивированные и конденсированные участки хромосом, которые могут обратимо переходить из эухроматинового в гетерохроматиновое состояние в зависимости от типа клетки, стадии клеточного цикла или особенности одной из гомологичных хромосом. Как правило, этот термин применяется для описания процесса инактивации хромосомы Х в клетках, которые содержат две и более хромосомы Х.
Научная электронная библиотека
Юров И. Ю., Воинова В. Ю., Ворсанова С. Г., Юров Ю. Б.,
2.6. Типы хромосомной ДНК
Вся нуклеотидная последовательность ДНК в геноме человека полностью установлена. Однако это утверждение относится лишь к эухроматиновым районам хромосом (около 90 % генома), в то время как определить полностью последовательности ДНК гетерохроматина пока не удалось. В состав генома человека входят уникальные последовательности ДНК, кодирующие отдельные гены, и многочисленные семейства повторяющихся последовательностей ДНК, которые являются транскрипционно неактивными. Повторяющиеся ДНК имеют два основных типа организации в хромосомной ДНК: тандемно повторяющиеся (или сателлитные) и диспергированные по геному последовательности.
К тандемно повторяющимся последовательностям относятся три основных типа ДНК: сателлитные, минисателлитные и микросателлитные ДНК. Сателлитная ДНК человека образована большими участками тандемно повторяющихся последовательностей различной сложности. Повторы ДНК этого типа не транскрибируются и расположены преимущественно в участках гетерохроматина генома человека – в центромерных участках всех хромосом и районах вторичных перетяжек.
Минисателлитные ДНК состоят из среднего размера (20–70 пн) тандемно повторяющихся единиц ДНК (до 1000 повторов длиной до 20 тыс. пн), диспергированных среди различных участков геномной ДНК. Минисателлиты обычно не транскрибируются. К этим повторам относятся так называемые гипервариабельные (высокополиморфные) минисателлитные ДНК, находящие применение при генетической идентификации личности (ДНК фингерпринт).
Микросателлитые ДНК представлены короткими тандемными повторами (1–4 пн), диспергированными по геному. Распространенные мононуклеотидные повторы (А или Т) образуют до 0,3 % генома человека. Динуклеотидные повторы СА формируют до 0,5 % генома. Тринуклеотидные или четырехнуклеотидные повторы относительно редки, но очень часто высокополиморфны и находят применение в разработке полиморфных маркеров для молекулярно-генетических исследований и диагностики.
Существует два основных класса диспергированных ДНК повторов, которые различаются по длине: короткие и длинные ДНК повторы. Короткие диспергированные ДНК повторы (SINEs) относятся к так называемому семейству Alu повторов. Длина Alu повторов составляет около 280 пар нуклеотидов. Эти повторы встречаются примерно через каждые 3 тыс. пн, число которых составляет до одного миллиона на геном. Длинные диспергированные ДНК повторы (LINEs) относятся к так называемому семейству L1 или Kpn повторов. Усредненная последовательность L1 повтора имеет длину 6,1 тыс. пн. Число этих повторов составляет более 100 000 на геном.
Распределение уникальных и повторяющихся последовательностей ДНК в хромосомах человека неравномерно. Эухроматиновые районы хромосом содержат перемежающиеся участки, обогащенные короткими или длинными диспергированными повторами (Alu и L1). Гетерохроматиновые районы хромосом содержат, в основном, сателлитные ДНК повторы.
Научная электронная библиотека
3. АУТИЗМ И ГЕТЕРОХРОМАТИНОВЫЕ ВАРИАНТЫ ХРОМОСОМ
Поскольку при большинстве цитогенетических исследований в группе детей с аутизмом причину патологии в виде численных либо структурных аномалий хромосом обнаруживают в 5–10 % случаев или менее, очевидна необходимость поиска других структурных и функциональных изменений генома в качестве возможной причины аутистических расстройств (Ворсанова и др., 2006; 2008; Brothman et al., 2006).
Практически завершённая программа «Humаn Genоme» («Геном человека») (Venter et аl., 2001; IHGSС, 2004) оказалась неспособна расшифровать геномные последовательности в составе конституциональных гетерохроматиновых районов хромосом человека. Наиболее сложной и значимой проблемой является ответ на вопрос о корреляции вариабельности этих участков хромосом со специфическими фенотипическими проявлениями и о сложностях в дифференцировании так называемых нормальных вариаций гетерохроматиновых участков (гетерохроматиновые или хромосомные варианты) в структуре хромосом от их патологических изменений. Морфологические вариации хромосом за счёт этих участков поднимают вопрос об интерпретации хромосомных вариантов. Для ответа на этот вопрос необходимо знать многое о «нормальных»
вариантах хромосом, что было выполнено при их изучении во многих фундаментальных работах (Прокофьева-Бельговская, 1986; Жимулёв, 1993; Ворсанова и др., 1999; 2006; Wyаndt, Tоnk, 2004; Brоthmаn et аl., 2006). Неоценимый вклад в изучение нормальных хромосомных вариантов (С-вариантов) в различных популяциях внесли публикации 70-х годов, описывающие результаты сравнения групп детей негроидной и европеоидной рас по частоте экстремальных вариантов и гетероморфизма для каждой хромосомы. С-варианты хромосом 1, 9 и 16 встречались чаще, однако варианты в виде уменьшения блоков С-гетерохроматина статистически не различались у этих двух рас, а крупные С-варианты встречались почти в 2 раза чаще у негроидов. Также наблюдались и отличия по частоте инверсий гетерохроматина (1рhqh, 1рh, 9рhqh, 9рh). При Q-окрашивании различия частот определяли для коротких плеч и спутников акроцентрических хромосом, а также для ярко флюоресцирующих вариабельных прицентромерных участков хромосом 3 и 4. Отмечена высокая частота увеличения короткого плеча хромосомы 13 в группе представителей негроидной расы. Полиморфизма других хромосом эта методика дифференциального окрашивания не выявила. Отечественными исследователями также были изучены суммарные частоты экстремальных вариантов у 6000 новорождённых с помощью С- и Q-окрашивания. Общая частота комбинаций всех вариантов составила 12,8 на 1000 новорождённых (Кулешов, Кулиева, 1979).
В целом, вариабельность гетерохроматиновых участков хромосом наблюдают:
а) при С-окрашивании – в хромосомах 1, 9, 16, 13–15, 21, 22 и Y;
б) при Q-окрашивании – в хромосомах 3, 4, 13–15, 21, 22 и Y.
Изредка могут встречаться гетерохроматиновые варианты других хромосом.
Многие группы исследователей анализировали хромосомные варианты в различных группах и популяциях. Отдельные варианты встречаются чаще в одних популяциях, чем в других, однако разная степень качества препаратов, методов окрашивания, степень конденсации гетерохроматина усложняют прямое сравнение частот вариантов хромосом, выявленных различными группами исследователей. Как правило, хромосомные варианты встречаются с частотой 1 % и выше, хотя варианты некоторых хромосом обнаруживаются крайне редко (например, варианты хромосом 8 или 20 встречаются в единичных случаях). Во многих работах отмечено увеличение частоты гетерохроматиновых вариантов при психических расстройствах, в частности, при аутизме (Ворсанова и др., 2008; Демидова и др., 2012; Кравец и др., 2014).
В проведённых в 70-е годы популяционных исследованиях часто не отмечалась зависимость уровня интеллекта от наличия Q- и С-полиморфизма, однако уже тогда стали поступать различные сообщения об увеличенной частоте С- и Q-вариантов в группах лиц со сниженным интеллектом, с шизофренией, гиперактивностью, задержкой психоречевого и психомоторного развития (Ibrаimоv et аl., 1982, 1986). Некоторые исследователи предполагали корреляцию между длиной хромосомы Y и агрессивностью поведения, основываясь на том, что при изучении больших групп мужчин – заключённых тюрем увеличение её длины отмечалось статистически достоверно чаще. Но эти предположения довольно спорны, поскольку, как показывает многолетняя цитогенетическая практика, увеличение длины хромосомы Y происходит в большинстве случаев за счёт гетерохроматинового участка в длинном плече этой хромосомы, что не так уж редко отмечается и при изучении контрольных групп, а случаи перестроек, затрагивающих эухроматиновые последовательности хромосомы Y, довольно редки и чаще сопровождаются нарушениями половой сферы пациентов при сохранном интеллекте (Демидова, Ворсанова, 1990).
Анализируя доступные литературные данные, сложно сделать однозначный вывод о возможной связи между вариациями гетерохроматиновых участков хромосом и нарушениями психики. Публикации в этой области есть, но их мало, и очевидна актуальность проведения таких исследований в различных группах, включая индивидуумов, страдающих нервно-психическими заболеваниями.
Говоря о нервных и психических заболеваниях, необходимо упомянуть и о факультативном гетерохроматине, который, в частности, формируется в случае инактивации хромосомы Х у млекопитающих (Lyоn, 1961). В определенных случаях эухроматиновые участки могут обладать некоторыми свойствами гетерохроматина. Такие участки более конденсированы по сравнению с R-сегментами хромосом, и их экспрессивная активность меньше. Описываемый феномен (называемый «феномен гетерохроматинизации») связан с тем, что ДНК эухроматина, располагаясь около гетерохроматина, может приобретать свойства последнего и, находясь в конденсированном состоянии, частично утрачивать активность. Этот процесс обратим, контролируется определёнными генами и характерен для хромосом Х, которые инактивируются почти по всей длине в раннем эмбриогенезе. Этот эпигенетический феномен в сомаических клетках женщин выравнивает количество продуктов активных генов хромосомы Х у лиц женского и мужского пола (компенсация дозы гена) при развитии тканей и органов (Ворсанова и др., 2008; Lyоn, 1961; Рlаth et аl., 2002; Сhоw, Brоwn, 2003; Heаrd, Disteсhe, 2006; Lee, 2009).
Как известно, женский кариотип содержит 2 хромосомы Х, а мужской – хромосомы X и Y. Возникает несоответствие содержания генетической информации в гоносомах организмов разных полов. У человека, как и у всех млекопитающих, такое нарушение баланса устраняется с помощью инактивации одной из хромосом Х во всех клетках женского организма. Первые предположения об этом феномене были высказаны Лайон в 1961 г. после опытов на мышах, где изучались конденсированные структуры хроматина. Этот феномен был охарактеризован как «транскрипционное молчание одной их хромосом Х у самок млекопитающих», и именно с помощью него достигается межполовая компенсация экспрессии генов хромосомы Х (Lyоn, 1961). В таких клетках образуется исключительно стабильная гетерохроматиновая структура (инактивированная хромосома Х). Мозаичная экспрессия материнских и отцовских аллелей локусов хромосомы Х отмечается у большинства лиц женского пола. В среднем, каждая из них принимает участие в экспрессии примерно в 50 % клеток, но, поскольку процесс инактивации случаен, он может значительно варьировать, что называют сдвигом Х-инактивации. Причинами сдвига инактивации считают импринтинг, структурные аномалии хромосомы Х, а также мутации Х-сцепленных генов (Оrstаvik, 2009; Аgrelо, Wutz, 2010) и мозаицизм типа 45,Х/46,ХХ. С явлением случайной, или неравной, инактивации хромосом Х в клетках женского организма ассоциируют вариации факультативного гетерохроматина и патогенез различных наследственных заболеваний. Отклонение от равного соотношения количества клеток с активной материнской или отцовской хромосомой Х и преобладание одной из клеточных популяций может вызываться мутациями хромосомы Х с последующим отбором в пользу клеток, несущих мутации в инактивированной хромосоме Х (Rаymоnd, 2006). Некоторые состояния связывают с неравной Х-инактивацией, в том числе мультифакторные заболевания (аутизм, аутоиммунные заболевания, онкологические состояния). Это эпигенетический феномен имеет большие перспективы в дальнейших научных исследованиях.
В исследованиях различных групп детей с аутизмом (Саstermаns, Wilquet,, 2004) по сравнению с общей популяцией отмечено значительное увеличение встречаемости различных хромосомных, или гетерохроматиновых вариантов, в частности таких как 1рhqh, 9qh+ и 16qh-, что, вероятно, можно рассматривать как эффект положения генов (Ворсанова и др., 2008).
В одном из ранних наших исследований проведён цитогенетический и молекулярно-цитогенетический анализ 90 детей с признаками аутизма и их 18 матерей (Ворсанова и др., 2009 а, б). Репрезентативную основную группу составили 13 девочек и 77 мальчиков. В исследуемой группе возраст варьировал в пределах от 1 до 15 лет (средний возраст – 6,5 лет), возраст матерей – от 24 до 41 года (средний возраст – 32 года). Дети, у которых наблюдались умственная отсталость, сцепленная с ломкой хромосомой Х, синдром Ретта и другие моногенные синдромы, не были включены в исследование. Умственная отсталость наблюдалась у 88 из 90 детей с аутизмом (98 %). В контрольную группу был включен 51 ребёнок без аутистических расстройств – 23 девочки и 28 мальчиков в возрасте от 1 до 15 лет (средний возраст – 5,5 лет). Диагноз «аутизм» установлен у всех пациентов на основании DSM-IV. Тяжесть симптомов оценивали количественно с помощью шкалы САRS (Sсhорler et аl., 1993), как уже отмечалось, включающей в себя анализ следующих областей: коммуникация, подражание, моторное развитие, адаптация к изменениям, игровая деятельность, зрительный контакт, реакция на тактильные и слуховые раздражители, вербальная и невербальная коммуникативная активность, эмоциональное общение, страх и нервозность, уровень активности, дезинтеграция развития разных психических сфер, общее впечатление. Тяжесть патологических проявлений оценивали от 1 до 4 баллов, после чего баллы суммировали. Состояние детей оценивалось как тяжелое. Всем исследуемым детям был проведен анализ при помощи С-окрашивания хромосом и количественной флюоресцентной гибридизации in situ (QFISH). С помощью этих методов было показано достоверное увеличение частоты вариаций гетерохроматина у детей с аутизмом по сравнению с контрольной группой (48 и 16 %, соответственно). В молекулярно-цитогенетических исследованиях применяли FISH и хромосомоспецифичные ДНК пробы, маркирующие вариабельные участки перицентромерного гетерохроматина хромосом 1, 9, и 16. Детекция флюоресцентных сигналов проводилась с помощью системы компьютерного анализа изображения. В результате этих исследований кроме аномалий хромосом у 43 детей (48 %) также были обнаружены изменения размеров гетерохроматиновых участков в виде их уменьшения, увеличения и инверсий, среди которых 1рhqh у 6 (7 %), 9рhqh у 7 (8 %), 9qh + у 3 (3 %), 9qh- у 1 (1 %), 16qh + у 1 (1 %), 16qh- у 3 (3 %), другие варианты у 5 (6 %), сочетанные варианты у 18 (20 %). При расчётах по каждому варианту учитывались как изолированные, так и сочетанные случаи. Также цитогенетически обследованы 18 матерей, среди них гетерохроматиновые варианты хромосом выявлены у 9, причём в 5 случаях эти варианты были унаследованы их детьми. Молекулярно-цитогенетическое исследование вариантов этих хромосом с помощью QFISH полностью подтвердило данные цитогенетического анализа и позволило оценить число копий ДНК при перицентрических инверсиях с увеличенным гетерохроматиновым блоком (1рhqh+ и 9рhqh+) (Iourоv et аl., 2005).
Следует сказать о последних исследованиях гетерохроматиновых районов хромосом при аутизме, проведенных в наших лабораториях: лаборатории молекулярной цитогенетики нервно-психических заболеваний ОСП Научно-исследовательского клинического института педиатрии ГОУ ВПО РНИМУ им. Н.И. Пирогова Минздрава России, лаборатории цитогенетики и геномики психических заболеваний, а также лаборатории генетики мозга ФГБНУ Научный центр психического здоровья, которые представлены ниже.
В работе исследовали гетерохроматиновые участки (С-варианты) отдельных хромосом, выявляемые с помощью стандартного метода С-окрашивания, у 204 детей с аутизмом. У 110 пациентов из 204 обследованных (53,9 %) выявлено изменение гетерохроматиновых участков хромосом (С-вариантов), что представлено на рис. 5.
Рис. 5. Выявление С-вариантов гетерохроматина в группе детей с аутизмом
Большая доля (более половины) гетерохроматиновых вариантов в группе детей с аутизмом по сравнению с 4–6 % в общей популяции может предполагать возможное участие этих вариантов в патогене-
зе аутизма.
Всего нами выявлено 189 вариантов (0,92 варианта на индивидуума). Изолированные варианты были обнаружены в 81 случае (39,7 %). Сочетанные варианты обнаружены в 52 случаях (25,5 %). Наиболее часто встречающиеся варианты (изолированно и в сочетании с другими) представлены в таблице ниже (табл. 5).
Удельный вес различных гетерохроматиновых вариантов (изолированных и сочетанных) представлен на рис. 6 (проценты вычислены от числа случаев с вариантами хромосом – n = 110).
Наиболее часто встречающиеся гетерохроматиновые варианты (изолированные и сочетанные) в группе детей с аутизмом
Число пациентов с данным вариантом (доля от общего числа пациентов в процентах)
Число пациентов с сочетанными вариантами (включая данный)