Строение метафазной хромосомы: схема и элементы

Метафазная хромосома - это не «Х-образная молекула ДНК», а временно предельно упакованная форма одной уже удвоенной хромосомы. Такой вид она принимает во время митоза, когда её особенно удобно рассматривать в световой микроскоп и сопоставлять с другими хромосомами в кариотипе. Буква X на схеме важна, но легко вводит в заблуждение: её половины не две разные хромосомы, а две копии одной хромосомы. Они называются сестринскими хроматидами. Разберём, где находятся центромера и кинетохор, почему плечи называют p и q, что считать спутником и как форма помогает описать кариотип.

Что именно видно в метафазе

До деления клетка копирует ДНК. Поэтому в метафазе каждая хромосома состоит из двух сестринских хроматид: каждая содержит одну непрерывную молекулу ДНК с тем же набором генов и в норме почти той же последовательностью. Хроматиды удерживаются белковыми комплексами когезина; в области центромеры связь сохраняется до начала анафазы. Когда связь разрушается, хроматиды расходятся к полюсам и с этого момента считаются самостоятельными дочерними хромосомами.

Важно не смешивать число хромосом с количеством молекул ДНК. В метафазной клетке человека по-прежнему считают 46 хромосом: число определяют по центромерам. Но молекул ДНК уже 92, поскольку у каждой хромосомы две хроматиды. Последовательность фаз и момент расхождения хроматид подробнее показаны в материале о митозе и мейозе.

Центромера, первичная перетяжка и кинетохор

Самое заметное сужение на рисунке - первичная перетяжка, то есть область центромеры. Центромера - участок хромосомы, на котором во время деления собирается белковая структура кинетохора. Сам кинетохор не равен центромере: центромера задаётся ДНК и специальным центромерным хроматином, а кинетохор - собранный на нём белковый комплекс.

Кинетохор обращён к микротрубочкам веретена деления. На каждой из двух сестринских хроматид есть свой кинетохор; в правильной метафазе они ориентированы к противоположным полюсам. Контрольная точка веретена задерживает анафазу, если это прикрепление не сформировалось или натяжение недостаточно. Поэтому центромера - не просто «талия» Х-образной фигуры, а место, через которое хромосома физически участвует в распределении; о такой проверке читайте в статье про контрольные точки клеточного цикла.

Рассчитать для своей задачи

Плечи p и q и теломеры

Центромера делит каждую хроматиду на два плеча. Короткое обозначают p, от французского petit, а длинное - q. Буква q выбрана как следующая после p; это не сокращение отдельного слова. Если центромера лежит близко к середине, плечи похожи по длине; если смещена к концу, p-плечо заметно короче. В цитогенетической записи от центромеры к теломере нумеруют районы и полосы: например, координата 7q31.2 относится к длинному плечу седьмой хромосомы. Как устроена эта система адресов и идиограмма, объясняет статья «Карты хромосом».

Теломеры находятся на обоих концах каждой хроматиды. Это специализированные комплексы повторяющейся ДНК и белков, которые отличают естественный конец хромосомы от разрыва. Без такой защиты конец могли бы ошибочно «чинить», соединяя его с другой хромосомой. На учебной схеме теломеры обычно рисуют как четыре концевые точки: по одной на конце каждого плеча обеих хроматид.

Вторичная перетяжка, спутник и ядрышковый организатор

Помимо первичной перетяжки иногда видна вторичная: участок менее плотного хроматина вне центромеры. Маленький концевой фрагмент за ней называют спутником. Не всякая вторичная перетяжка означает одно и то же, но классический пример у человека связан с ядрышковыми организаторами, или NOR. На коротких плечах акроцентрических хромосом 13, 14, 15, 21 и 22 расположены кластеры генов рибосомной РНК; активные NOR на метафазных препаратах могут выглядеть как вторичные перетяжки.

Спутник не является отдельной хромосомой и не надо путать его с теломерой. Он остаётся частью той же хромосомы, отделённой вторичной перетяжкой. В интерфазе вокруг активных NOR собирается ядрышко, где синтезируется и созревает рРНК. Механизм этой связи разобран отдельно в статье о функциях ядрышка.

Как ДНК превращается в видимую хроматиду

В основе хроматиды лежит одна длинная двойная спираль ДНК, но уровни упаковки нельзя понимать как набор неподвижных трубок строго заданного диаметра. Удобная учебная цепочка начинается с нуклеосомы: примерно 147 пар оснований ДНК обвивают гистоновый октамер. Нуклеосомы, соединённые линкерной ДНК, дают нить типа «бусины на нити».

Далее в школьных схемах обычно показывают 30-нм фибриллу, затем петли, прикреплённые к белковому каркасу, и более толстую хромонему, из которой формируется хроматида. Такая последовательность полезна для понимания роста компактности. Но современная микроскопия не подтверждает одну универсальную жёсткую 30-нм фибриллу внутри живой метафазной хромосомы: организация зависит от условий и описывается также иерархическими петлями и белковыми комплексами конденсина. Это уточнение не отменяет нуклеосому как базовую единицу упаковки.

При входе в митоз петли и их более крупные домены уплотняются, поэтому отдельная хроматида становится короткой и толстой, а гены почти не транскрибируются. Сравнить митотическую конденсацию с менее плотным состоянием интерфазы помогает материал о хроматине, эухроматине и гетерохроматине.

Типы хромосом по положению центромеры

Положение центромеры описывают по соотношению плеч. У метацентрической хромосомы центромера примерно посередине, и p- и q-плечи близки по длине. У субметацентрической она смещена, поэтому короткое плечо заметно меньше. У акроцентрической центромера расположена почти у конца: p-плечо очень короткое, иногда на нём видны вторичная перетяжка и спутник. У телоцентрической центромера практически на самом конце, так что различимо одно плечо.

Рассчитать для своей задачи

У нормального кариотипа человека есть мета-, субмета- и акроцентрические хромосомы, а телоцентрических нет. Тип формы - морфологическая характеристика, а не диагноз: она нужна, чтобы распознавать пару на кариограмме и описывать перестройки. При структурных изменениях форма может меняться, например при делеции или транслокации; различие нормальной структуры и поломок разбирает статья о хромосомных аберрациях.

Центромерный индекс и кариотип

Для количественного описания используют центромерный индекс. Его считают как долю длины короткого плеча от общей длины хромосомы:

$CI = \frac{p}{p + q} \times 100\%.$

Здесь $p$ и $q$ измеряют от центромеры до теломер. Чем ближе центромера к середине, тем больше индекс; при её смещении к концу он уменьшается. В учебной задаче сначала находят короткое плечо, затем складывают оба плеча и только после этого вычисляют процент. Индекс зависит от качества метафазного препарата и способа измерения, поэтому служит для сравнения формы, а не для поиска точного адреса гена.

Кариотип - упорядоченный набор хромосом клетки. Для кариограммы метафазные хромосомы фотографируют, сопоставляют по размеру, положению центромеры и рисунку полос, а затем раскладывают по парам. Две сестринские хроматиды при этом не раскладывают как «пару»: одна метафазная хромосома уже включает их обе. Именно поэтому схема строения нужна перед чтением кариограммы.

Удобный порядок разбора кариограммы такой: сначала находят первичную перетяжку и определяют p- и q-плечи, затем сравнивают относительную длину хромосом, после этого используют полосатый рисунок. Только совокупность признаков позволяет уверенно различить похожие пары. Центромерный индекс особенно полезен в учебной задаче, когда полосы не показаны, однако сам по себе не заменяет кариотипирование. При анализе реального препарата форма также зависит от того, насколько одинаково расправились и сконденсировались хромосомы. Поэтому измерение повторяют на нескольких хорошо видимых метафазных пластинках и не делают вывод о болезни только по условно нарисованной разнице плеч. В клинической цитогенетике результат оформляют стандартизированной записью и при необходимости подтверждают молекулярными методами.

Частые ошибки

• Называть две хроматиды двумя гомологичными хромосомами. Гомологи приходят от разных родителей, а сестринские хроматиды возникают при копировании одной хромосомы.
• Ставить знак равенства между центромерой и кинетохором. Центромера - хромосомная область, кинетохор - белковая площадка, собранная на ней.
• Считать спутник отдельным объектом или теломерой. Спутник остаётся участком той же хромосомы за вторичной перетяжкой.
• Делить число хромосом на два из-за двух хроматид. До расхождения число задают центромерами, а не числом видимых «палочек».

FAQ

Почему хромосому рисуют буквой X?

Так выглядит одна удвоенная хромосома в метафазе: две её сестринские хроматиды соединены в районе центромеры. В интерфазе та же хромосома не имеет такой компактной формы.

Есть ли у каждой хромосомы спутник?

Нет. Спутник - специальный небольшой участок за вторичной перетяжкой; у человека он характерен для коротких плеч акроцентрических хромосом с NOR.

Чем центромерный индекс отличается от номера полосы?

Индекс - измеряемое отношение длин плеч, которое описывает форму. Номер полосы - адрес участка на цитогенетической карте и отсчитывается от центромеры.

Коротко

Метафазная хромосома состоит из двух сестринских хроматид, удерживаемых у центромеры. На центромере собирается кинетохор, плечи называют p и q, а их концы защищают теломеры. Вторичная перетяжка со спутником особенно важна для акроцентрических хромосом с ядрышковыми организаторами. Положение центромеры и центромерный индекс позволяют описывать форму хромосомы в кариотипе.