Файл: Ченцов, Ю. С. Ультраструктура клеточного ядра.pdf

половой хроматин), так и отдельных хромосомных участков, теломер (Онищенко и др., 1972) или центромер (Данжар, 1950).

Как нам кажется, общий вопрос о структуре хромосом в клет­ ке можно разделить на несколько связанных друг с другом отдель­ ных вопросов: структура элементарных хромосомных единиц — фибрилл ДНП, структура хроматина в интерфазных ядрах, струк­ тура хроматина при переходе клетки в митоз, структура митоти­ ческой хромосомы.

Другой важный компонент клеточного ядра — ядрышко. Яд­ рышко не самостоятельная структура, это специализированный участок на хромосомах, который выполняет функции, связанные с синтезом рибосомной РНК и синтезом рибосом. Поэтому его по­ ведение в значительной степени связано с общим поведением хро­ мосом в жизненном цикле клеток. Главными вопросами в изучении ультраструктуры ядрышек являются: вопрос о принципах их ор­ ганизации, об особенностях структуры ядрышек в зависимости от их функциональной нагрузки, об их жизненном цикле и поведении

имеющая специальные аппараты связи кариоплазмы и цитоплаз­ мы (поры), как известно в настоящее время, не только участвует в разграничении клетки на два основных по объему компонента, не только играет ведущую роль в распределении веществ между ядром и цитоплазмой, но и является важным фактором стабили­ зации внутриядерной структуры.

Эти три основные компонента ядра и рассматриваются в дан­ ной монографии, где авторы сделали попытку представить себе об­ щую картину строения и поведения этих ядерных компонентов на протяжении всего клеточного цикла.

Интерфазное ядро

I.СТРУКТУРА ХРОМОСОМ

Говоря о тонком строении хромосом, мы исходим из теории о не­ прерывности существования хромосомы как структурной единицы в жизненном цикле клетки. Химические и морфологические признаки позволяют нам рассматривать хромосому как некую единицу, динамически меняющуюся в зависимости от ее функ­ циональной нагрузки. Однако ввиду того обстоятельства, что в настоящее время вопрос о принципах строения хромосом не решен и число фактов, относящихся к этому вопросу, крайне мало, необходимо разделить общую проблему о структуре хромо­ сомы на ряд более мелких, но подчиненных этой проблеме во­ просов. Как нам представляется, поняв принципы общей органи­ зации хромосом, исследователи могут вплотную подойти к глав­ ному вопросу, связанному с изучением клеточного ядра: какова структура и морфология хромосомы во время ее функционирова­ ния, как хромосома осуществляет свою ведущую роль во всей жизнедеятельности клетки, т. е. как хромосома работает. К сожа­ лению, по ряду причин, изложенных выше, пока не найдены

Химическая организация хромосомных элементов

Как хорошо известно, в интерфазных ядрах при изучении их цитологическими методами выявляются структуры, содержащие ДНК, называемые хроматином. Эти хроматиновые структуры являются вариантом организации хромосом, характерным для

ядра в интерфазном состоянии. Хроматиновые структуры интер­ фазных ядер могут быть достаточно легко выделены для биохи­ мического или структурного анализа. Поэтому основные харак­ теристики о химической композиции хромосом были получены на выделенном хроматине, который представляет в основном дезоксирибонуклеопротеид, сложный комплекс ДНК и разных белков, большую часть которых составляют так называемые ги­ стоны.

ДНК хроматина и хромосом

Этому вопросу посвящена значительная литература (Мирский, Осава, 1963; Боннер, 1967; Браше, 1960; Буш, 1967; Георгиев, 1971), поэтому наша задача — дать краткую химическую харак­ теристику хроматина именно в связи со структурой хромосомы, со структурой ее элементов.

Основные методы получения растворов хроматина для хими­ ческого и морфологического анализов основаны на разрушении ядер и экстракции хроматинового материала растворами низкой ионной силы (Zubay, Doty, 1959; Bonner, 1965; Георгиев, 1971).

При этом участки хроматина набухают и превращаются в сильно набухший гель. Чтобы такие препараты перевести в раствор, необходимы сильные механические воздействия: встряхивание, перемешивание, гомогенизация. Эти процедуры приводят к раз­ рыву длинных нитчатых структурных единиц хроматина. Поэто­ му при исследовании таких препаратов необходимо учитывать эти обстоятельства, а также то, что получаемый препарат нахо­ дится в условиях растворов низкой ионной силы, резко отличных от того, что есть в живом ядре.

Основными химическими компонентами хроматина являются

мощью рентгеноструктурного анализа к этому заключению при­ шли Уилкинс и Зюби (Wilkins et al., 1959). В работе О. Ф. Бо­ рисовой и Э. Е. Минят (1969) был сделан вывод о том, что струк­ тура участков ДНП, доступных для адсорбции с акридиновым оранжевым, соответствует структуре нативной, двухспиральной ДНК. О двунитчатом спиральном состоянии ДНК в хроматине говорят также опыты по тепловой денатурации. При нагревании растворов нуклеогистонов наблюдается гиперхромный эффект, связанный с разрывом межнуклеотидных водородных связей между цепями ДНК, аналогично тому, что происходит при плав­ лении чистой ДНК. Однако температура плавления ДНК в со­ ставе хроматина выше, чем у свободной ДНК, и диапазон пере­

1964). Эти данные показывают, что ДНК в комплексе с белками хроматина обладает большей стабильностью по отношению к де­ натурирующему воздействию температуры.

Вопрос о величине молекул ДНК в составе хроматина и хро­ мосом имеет важное значение для понимания структуры хромо­ сомы в целом. ДНК, выделенная из хроматина, обладает молеку­ лярным весом 7—9 млн., что значительно меньше молекулярного веса ДНК из Е. coli (2,8 -109) (Cairns, 1963). По мнению Боннера

(Bonner, 1965), такой сравнительно малый молекулярный вес ДНК из препаратов хроматина можно объяснить механическими повреждениями ДНК в процессе выделения хроматина. И дейст­ вительно, если выделять ДНК в условиях, исключающих встря­ хивание, гомогенизацию и т. д., то удается получить из ядер клеток высших животных молекулы ДНК очень большой длины. Эта возможность появилась после применения метода Кернса

в том, что клетки с меченной тритированным тимидином ДНК мягко лизировались, лизат помещали на миллипоровый фильтр, в котором ДНК застревала, после чего такие фильтры обрабаты­ вали радиографически. Так, Кернс (Cairns, 1966) показал, что радиоавтографы отдельных меченых молекул ДНК из клеток HeLa могут достигать длины 500 мк. Хюберман и Риггс (Huberman, Riggs, 1966) обнаружили в клетках китайского хомячка молекулы длиной до 180 мк. Сасаки и Норман (Sasaki, Norman, 1966) обнаружили фибриллы ДНК длиной более 2 см в ядрах лейкоцитов человека. Во всех случаях эти молекулы ДНК имели линейный характер в отличие от кольцевидных молекул ДНК фагов и бактерий.

Эти факты хорошо согласуются с расчетной величиной коли­ чества ДНК и ее длины, приходящейся на хромосому. Так, Бон­ нер (Bonner, 1965) считает, что хромосома гороха имеет длину, соответствующую молекулярному весу 250-10"; это показывает, что в ней содержится ДНК несколько больше, чем в 100 хромо­ сомах Е. coli. По расчетам Дю Про (Du Praw, 1968, 1970), в хро­ мосомах человека должны заключаться молекулы ДНК длиной

от 1,5 до 7 см.

Пространственная организация таких гигантских молекул в хромосомах остается неясной. Представлена ли хромосома одной такой гигантской молекулой или же она состоит из ряда более коротких молекул ДНК, располагающихся параллельно друг другу,— эти вопросы имеют большое значение для понимания структуры хромосомы в целом.

Совсем недавно появились исследования, показывающие, что в составе отдельных хромосом может быть обнаружена одна мо­

показано, что расчетный молекулярный вес молекулы ДНК на одну хромосому дрожжей Saccharomyces cerevisiae должен со­ ставлять в среднем 6 • 108 дальтон. Прямые исследования моле­ кулярного веса таких ДНК дали величины от 1-108 до 12-108 дальтон, а при изучении этих ДНК в электронном микроскопе они достигали длины от 50 до 355 мк. Это позволило авторам за­ ключить, что большинство, и очень возможно, все хромосомы дрожжей содержат одну молекулу ДНК. Сходные значения мо­ лекулярного веса хромосом ДНК у этого же организма были получены и в другой работе (Marmur et al., 1973). Более того, были выделены молекулы ДНК огромного молекулярного веса (больше 3 • 108 дальтон) из хромосом клеток культуры дрозофилы (Hearst, 1973). Как бы ни была устроена митотическая хромосо­ ма, в ее организации должен использоваться принцип макси­ мально плотной упаковки элементов. Действительно, для того, чтобы молекулу ДНК длиной до нескольких сантиметров уло­ жить в структуру митотической хромосомы толщиной около 0,5 мк и длиной в несколько микрон, необходимо такую молекулу или изгибать, чтобы она укладывалась продольными рядами, или заставить ее скручиваться, используя спиральный тип ком­ пактной упаковки. Вероятно, ДНК в комплексе с белком-гистоном может несколько менять свою жесткую структуру, что обеспечи­ вает способность таких нуклеопротеидных комплексов к сверх­ скручиванию (Zubay, 1964).

Опыты с кратковременным мечением хромосом тритированным тимидином показали, что такая метка в митотических хро­ мосомах распределяется с определенной закономерностью. Как правило, синтез ДНК происходит в первую очередь в эухроматических районах хромосом и в последнюю — в гетерохроматиче­ ских. Но самое главное, что метка по длине хромосом появляется

основой для предположения Тейлора о существовании в хромо­ сомах отдельных звеньев из молекул ДНК, соединенных белко­ выми связками. Представления Тейлора ненадолго предвосхитили наблюдения Кернса над молекулами ДНК из хромосом высших

организмов.

Кернс (Cairns, 1963) показал, что кольцевая молекула ДНК из кишечной палочки представляет собой единицу репликации, или репликон. Такая кольцевая молекула имеет только одну начальную точку репликации и реплицируется по полуконсервативному способу. Если изучать такие молекулы в процессе реп­ ликации, то на радиоавтографах в местах удвоения нитей ДНК видно их расхождение в виде вилки,