Упаковка ДНК в хромосомах

Молекулы ДНК в эукариотических клетках очень велики. Так, длина мо­лекул ДНК, выделенных из клеток че­ловека, достигает нескольких сантиме­тров. Принято считать, что каждая эукариотическая хромосома содержит одну — единственную непрерывную молекулу ДНК. Учитывая видовое ко­личество хромосом у млекопитающих, можно сказать, что в среднем у них на интерфазное ядро приходится около 2 м ДНК, находящейся в сферическом ядре диаметром менее 10 мкм. При этом в ядре должен сохраняться опре­деленный порядок расположения мо­лекул ДНК, чтобы обеспечить ее упо­рядоченное функционирование.

Молекулы ДНК в ядрах эукариоти­ческих клеток всегда находятся в ком­плексе с белками в составе хроматина, который образуется из хромосом по­сле окончания деления ядер в резуль­тате сложного процесса раскручива­ния (деспирализации) хромосом.

На долю белков приходится около 60% сухого веса хроматина. Белки в его составе очень разнообразны. Обычно их разделяют на две группы: гистоны и негистоновые белки. Имен­но гистоны, характерные только для эукариотических клеток, осуществля­ют первые этапы упаковки ДНК, очень схожие у большинства изученных объектов

На долю гистонов приходится до 80% всех белков хроматина. Их вза­имодействие с ДНК происходит за счет ионных связей и не зависит от по­следовательности нуклеотидов в со­ставе молекулы ДНК. Гистоны не от­личаются большим разнообразием. Это глобулярные белки, представлен­ные 5-7 типами молекул. Наиболее из­вестны следующие классы гистонов: HI, Н2А, Н2В, НЗ и Н4. Их основные свойства определяются относительно высоким содержанием основных ами­нокислот: лизина и аргинина (рис. 3.7). Положительные заряды на аминогруп­пах указанных аминокислот обеспечи­вают электростатическую связь гисто­нов с отрицательными зарядами на фосфатных группах ДНК. Из всех ядерных белков гистоны изучены наи­более хорошо. Их молекулярная масса относительно невелика (максималь­ная — у гистона НЗ — 153 тыс. дальтон). Практически у всех эукариот они обладают сходными свойствами и под­разделяются на одни и те же классы. Из исследованных эти белки наиболее консервативны: их аминокислотные последовательности близки даже у от­даленных видов. Исключение состав­ляют гистоны HI, для которых харак­терны значительные межвидовые и межтканевые вариации

В процессе жизнедеятельности клеток гистоны могут подвергаться посттрансляцион­ным модификациям, что изменяет их свойства и способность связываться с ДНК. Гистоны синтезируются в цитоплазме, переносятся в ядро и связыва­ются с ДНК во время ее репликации в S-периоде клеточного цикла. Вклю­чившиеся в хроматин гистоны очень стабильны и имеют низкую скорость обмена.

Присутствие гистонов во всех эукариотических клетках, их сходство да­же у очень отдаленных видов, обяза­тельность в составе хромосом и хрома­тина — все это говорит о чрезвычайно важной роли этих белков в жизнедея­тельности клеток. Этапным событием в изучении упаковки ДНК в составе хроматина стало открытие нуклеосом частиц, в которых происходит первый этап упаковки ДНК в хроматине. Сердцевина нуклеосомы всегда кон­сервативна, содержит восемь молекул: по две молекулы гистонов Н4, НЗ, Н2А, Н2В. По поверхности сердцеви­ны располагается участок ДНК из 146 нуклеотидных пар, образующий 1,75 оборота вокруг сердцевины. Неболь­шой участок ДНК остается несвязан­ным с сердцевиной, он называется линкером (рис. 3.8). В разных объек­тах линкерный участок может варьи­ровать от 8 до 114 нуклеотидных пар на нуклеосому

Рассчитано, что на весь гаплоидный геном человека (3 х 109 пар оснований) приходится 1,5 х 107 нуклеосом. Общий вид хроматина, представленного молекулой ДНК, упакованной с помощью нуклеосомных структур, можно сравнить с буса­ми на нитке (рис. 3.9). Нуклеосомы способны к самосборке при наличии в пробирке ДНК и гистонов в опреде­ленном соотношении. Первый нуклеосомный уровень компактизации ДНК увеличивает плотность упаковки ДНК в 6-7раз.

В следующий этап упаковки нуклеосомная структура хроматина вовле­кается с помощью гистона HI, который связывается с линкернои частью ДНК и поверхностью нуклеосомы. Благодаря сложному взаимодействию всех компонентов возникает упорядо­ченная структура спирального типа, которую часто называют соленоидом (рис. 3.10). Она повышает компакт­ность ДНК еще в 40 раз. Поскольку со­леноидная структура имеет сниженную способность связываться с белка­ми, обеспечивающими транскрипцию, то считается, что этот уровень компактизации ДНК может играть роль фак­тора, инактивирующего гены. Некото­рые авторы рассматривают соленоид­ную структуру как один из возможных вариантов упаковки хроматина

с по­мощью гистона HI и полагают вероятным существование и других морфо­логических вариантов, например, нуклеомер, или сверхбусин (рис. 3.11).

Более высокие уровни компактизации ДНК в хроматине связаны с негистоновыми белками. На их долю при­ходится около 20% всех белков хрома­тина. Эту сборную группу белков от­личает широкий спектр свойств и функций. Всего фракция негистоновых белков объединяет около 450 ин­дивидуальных белков, свойства и кон­кретные функции которых еще не до­статочно изучены. Выяснено, что не­которые из них специфично связыва­ются с определенными участками ДНК, в результате чего фибриллы хро­матина в местах связывания ДНК с не­ гистоновыми белками образуют петли. Таким образом, более высокие уровни упаковки ДНК в составе хроматина обеспечиваются не спирализацией ни­тей хроматина, а образованием попе­речной петлистой структуры вдоль хромосомы (рис. 3.12). На всех указан­ных этапах компактизации ДНК хро­матин представлен в активной форме, в нем происходит транскрипция, син­тез всех типов молекул РНК. Такой хроматин называют эухроматином. Дальнейшая упаковка хроматина ве­дет к переходу его в неактивное состо­яние с образованием гетерохроматина

Этот процесс связан со спирализацией групп петель и образованием из фиб­рилл хроматина розеткоподобных структур, которые обладают оптичес­кой и электронной плотностью и назы­ваются хромомерами (рис. 3.12). Пред­полагается, что вдоль хромосомы рас­положено большое количество хромомер, соединенных между собой в еди­ную структуру участками хроматина с пуклеосомной или соленоидной упа­ковкой ДНК. Каждая пара гомологич­ных хромосом имеет свой хромомерный рисунок, который можно выявить с помощью специальных методов ок­рашивания при условии сиирализации хроматина и перехода его в состояние хромосом.

Петельно-розеточная структура хроматина обеспечивает не только упаковку ДНК, но и организует функ­циональные хромосом, поскольку в своих основаниях петли ДНК связаны с негистоновыми белками, в состав ко­торых могут входить ферменты репли­кации, обеспечивающие удвоение ДНК, и ферменты транскрипции, бла­годаря которым происходит синтез всех типов РНК.

Участки ДНК, упакованные в виде гетерохроматина, могут иметь двоя­кую природу. Различают два типа гетерохроматина: факультативный и кон­ститутивный (структурный). Факуль­тативный гетерохроматин представля­ет собой участки генома, временно инактивированные в тех или иных клетках. Примером такого хроматина служит половой гетерохроматин инактивированной Х-хромосомы в сомати­ческих клетках женщин. Структурный гетерохроматин во всех клетках посто­янно находится в неактивном состоя­нии и, вероятно, выполняет структур­ные или регуляторные функции.