Хроматин

Хроматин - клетка ядросының негізгі компоненті; оны интерфазалық ядродан немесе митотикалық хромосомадан бөліп алу айтарлықгай жеңіл. Ол үшін оның әлсіз иондық күші бар сулы ерітіндіде немесе жай иондалған суда ерітілген күйге көшетін қасиетін пайдаланылады, алайда бірден сұйық күйге емес, қоймалжың күйге ауысады. Мұндай препараттарды 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, белоктардың ішінде негізгісі гистон және гистондық емес белоктар. Бөлініп алынған хроматиннің орташа шамамен 40%-ға жуығын ДНҚ және 60%-ға белоктар құрайды, барлық белоктардың ішінде ядролық арнайы белок- гистондар 40-тан 80%-ға дейінгі мөлшерін құрайды. Хроматиндіфракцияның 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.

Хроматиннің ДНҚ-сы

Хроматиннің құрамында 30-40%-ы ДНҚ-ның еншісінде болады. Бұл ДНҚ, таза сулы ерітіндіден бөлініп алынған ДНҚ-ға ұқсас, қосспиральді 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 гиперхромдық эффектдеп 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 клеткадан өте үлкен ұзындықта алуға болады. Эукариотты клеткалардың ядросы мен хромосомасындағы ДНҚ молекуласының ұзындығын, прокариотты клеткаларды 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 клетканың 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 белоктардың 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, организм геномына кіретін ДНҚ-мың жалпы саны жеке түрлер арасында ауытқып отырады, яғни микрооргапизм клеткасында ДНҚ саны омыткасыздар, жоғары сатыдағы өсімдіктср мси жануарларға қарағанда әлдеқайда төмен. Ішек таяқшасына қарағамда егеукүйрық ядросында ДНҚ 600 есе көп болып келеді. Эукариотты организмдср клеткасындағы ДНҚ санын салыстыра келе, организмнің күрделену дәрежесі мен ядродағы ДНҚ санының кандай да бір қорреляциясын анықтау қиынға соғып отыр. Зығыр, теңіз кірпісі, алабүға (1,4-1,9) немесе талмабалық пеп бұқа (6,4-7) сияқты әр түрлі организмдер 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 организмдерде 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 денатураңияға 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 менпрокариоттар клеткалары үшін осындай ренатурацияның жылдамдығы олардың геномының үлкендігіне тәуелді екені көрсетілді: яғни неғұрлым геномы үлкен болса, әрі бөлшек немесе клеткаға 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 клеткалардың ДНҚ реассоциациялану кисығы прокариоттар геномындақайталанып 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 организмдерде 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 клеткадағы РНҚ- ның негізгі типтерін синтездеуге қатыспайды, әрі белок синтезімен еш байланысы жок. Себебі клетканың бірде- бір РНҚ түрлері (тРНҚ, рРНҚ, иРНҚ) сателитті ДНҚ- мен гибридизацияланбайтындықтан осындай шешімге келді. Соған қарағанда Бұл ДНҚ- да клеткалық РНК- ның синтезіне жауапты тізбектер жоқ, яғни сателитті 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 белоктық 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. Радиоавтография 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 клеткалары 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, димерлернемесе 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 белоктар 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 белоктар - 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 белоктар синтезіне жауапты кейбір структуралық гендер де бірнеше рет қайталануы мүмкін, және бірнеше көшірме түрінде көрсетіледі.Бұл гендер хроматин белоктары - 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 клеткалардың ДНҚ құрамы бойынша гетерогенді, нуклеотидтер қатарларының бір-екі клеткалары 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; клетканың көптеген белоктары үшін информация таситын уникальды қатарлар фракциясы. Бұл тұжырымдардан шығатыны, әр түрлі организмдерде ДНҚ мөлшеріндегі сол айырмашылықтар енді түсінікті болады: бұл организмдер 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.

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 нуклеазаны өңдегеннен кейін 11S седиментация 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 белокты 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 белокпен 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, глобулярлы«моншактарға» өзгереді. Негізінен тек линкерлі бөлігі тығыздалған, ал калғандары гистон октамерлерінің шеткі жағында ДНҚұзындығына 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 белоктарының 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.