Упаковка ДНК в хроматині

Молекули ДНК в клітині дуже великі. Довжина молекул ДНК, виділених з клітин людини, досягає декількох сантиметрів. Прийнято вважати, що кожна хроматида еукаріотичної хромосоми містить одну єдину безперервну молекулу ДНК у вигляді подвійної спіралі. Враховуючи видову кількість хромосом у ссавців, можна сказати, що в середньому у них на інтерфазне ядро ​​припадає близько 2 метрів ДНК, що знаходиться в сферичному ядрі діаметром менше 10 мкм. При цьому в ядрі повинен зберігатися певний порядок розташування молекул ДНК, щоб забезпечити їх впорядковане функціонування.

Молекули ДНК ядер еукаріотів завжди знаходяться в комплексі з білками у складі хроматину, який утворюється з хромосом після закінчення ділення ядер в результаті складного процесу їх розкручування (деспіралізації).

На частку білків припадає близько 60% сухої ваги хроматину. Зазвичай їх поділяють на дві групи: гістони і негістонові білки. Саме гістони, характерні тільки для еукаріотів, здійснюючі перші етапи упаковки ДНК, дуже схожі у більшості вивчених об’єктів. На частку гістонів припадає до 70% всіх білків хроматину. Їх взаємодія з ДНК відбувається за рахунок іонних зв’язків і не залежить від послідовності нуклеотидів у складі молекули ДНК. Гістони не відрізняються великою різноманітністю. Це глобулярні білки, представлені 5-7 типами молекул. Найбільш відомі наступні класи гістонів:

  • Н1;
  • Н2А;
  • Н2В;
  • Н3;
  • Н4,

Вони відрізняються за розміром молекул і складу амінокислот в них. Їх базові властивості визначаються відносно високим вмістом основних амінокислот: лізину і аргініну, у складі молекул яких є додаткові позитивно заряджені NH-групи. Позитивні заряди на аміногрупах вказаних амінокислот забезпечують електростатичный зв’язок гістонів з негативними зарядами на фосфатних групах ДНК. З усіх ядерних білків гістони вивчені найбільш добре. Їх молекулярна маса відносно невелика (максимальна – у гістона Н3, 153 тис. Дальтон), до їх складу входить 100-140 амінокислот, серед яких немає триптофану. Практично у всіх еукаріот вони володіють подібними властивостями і поділяються на одні й ті ж класи. З усіх досліджених білків ці найбільш консервативні: їх амінокислотні послідовності близькі навіть у віддалених видів. Виняток становлять гістони Н1, для яких характерні значні міжвидові і міжтканинні варіації. У процесі життєдіяльності клітин гістони можуть піддаватися посттрансляційним модифікаціям, що змінюють їхні властивості і здатність зв’язуватися з ДНК. Гістони синтезуються в цитоплазмі, переносяться в ядро ​​і зв’язуються з ДНК під час її реплікації в S-періоді клітинного циклу. Включені в хроматин гістони дуже стабільні і мають низьку швидкість обміну.

Присутність гістонів у всіх еукаріотичних клітинах, їх схожість навіть у дуже віддалених видів, обов’язкова присутність у складі хромосом і хроматину – все це свідчить про надзвичайно важливу роль цих білків в життєдіяльності клітин.

Важливою подією у вивченні упаковки ДНК у складі хроматину стало відкриття нуклеосом – частинок, за допомогою яких відбувається перший етап процесу упаковки ДНК в хроматині. Серцевина нуклеосоми завжди консервативна, містить вісім молекул: по дві молекули гістонів фракцій Н4, Н3, Н2А, Н2В. Молекули гістонів об’єднуються, утворюючи еліпсоподібну структуру – гістонових кор, серцевину нуклеосоми. По поверхні серцевини розташовується ділянка ДНК з 146 нуклеотидних пар, яка утворює 1,75 обороту навколо серцевини. Довга молекула ДНК взаємодіє з безліччю гістонових корів одночасно, утворюючи структуру, що нагадує бус-нуклеосомну нитку. Між нуклеосомами розташовані невеликі ділянки ДНК, звані лінкерними, які залишаються непов’язаними. У різних об’єктів лінкерна ділянка може варіювати за розміром від 8 до 114 нуклеотидних пар. Розраховано, що на весь гаплоїдний геном людини (3109 пар основ) припадає 1,5107 нуклеосом. Нуклеосоми здатні до самозбірки при наявності в розчині певних співвідношень ДНК і гістонів. Перший рівень компактизації ДНК називається нуклеосомним, він вкорочує ДНК в 6-7 разів.

У наступний етап упаковки нуклеосомна структура хроматину втягується за допомогою гистона Н1, який зв’язується з лінкерними ділянками частиною ДНК і поверхнею нуклеосоми. Завдяки складній взаємодії всіх компонентів виникає впорядкована структура спірального типу, яку часто називають соленоїдом. Ця структура підвищує компактність ДНК ще в 40 разів. Оскільки соленоїдна структура має знижену здатність зв’язуватися з білками, забезпечуючи транскрипцію, то вважається, що цей рівень компактизації ДНК може грати роль фактора, інактивуючого гени. Деякі автори розглядають соленоїдну структуру як один з можливих варіантів упаковки хроматину за допомогою гістона Н1, проте вважають можливим існування й інших варіантів.

Більш високі рівні компактизації ДНК в хроматині пов’язані з негістоновими білками, на частку яких припадає близько 20% всіх білків хроматину. Цю збірну групу білків відрізняє широкий спектр властивостей і функцій. Всього фракція негістонових білків об’єднує близько 450 індивідуальних білків, властивості і конкретні функції яких ще не достатньо вивчені. З’ясовано, що деякі з них специфічно зв’язуються з певними ділянками ДНК, в результаті чого фібрили хроматину утворюють петлі, в основі яких розташовані негістонові білки. Таким чином, більш високі рівні упаковки ДНК у складі хроматину забезпечують не спіралізацію ниток хроматину, а утворення поперечної петлистой структури уздовж хромосоми.

На всіх зазначених етапах компактизації ДНК хроматин представлений в активній формі, в ньому відбувається транскрипція, синтез всіх типів молекул РНК. Такий хроматин називають еухроматин, або дифузним хроматином. Подальша упаковка хроматину веде до переходу його в неактивний стан з утворенням гетерохроматина, або конденсованого хроматину. Цей процес пов’язаний зі спіралізацією груп петель і утворенням з фібрил хроматину розеткоподібних структур, які володіють оптичною та електронною щільністю і називаються – хромомери. Передбачається, що вздовж хромосом розташована велика кількість хромомер, з’єднаних між собою в єдину структуру ділянками хроматину з нуклеосомної або соленоїдної упаковки ДНК. Кожна пара гомологічних хромосом має свій хромомірний малюнок, який можна виявити за допомогою спеціальних методів фарбування за умови спіралізації хроматину і перетворення його в стан хромосом. Кілька хромомер, об’єднаних разом, утворюють грудочки хроматину, які добре видно на зрізах як в світловому, так і в електронному мікроскопі.

Петельно-розеткова структура хроматину забезпечує не тільки упаковку ДНК, а й організовує функціональні одиниці хромосом, оскільки в своїх підставах петлі ДНК пов’язані з негістонових білків, до складу яких можуть входити ферменти реплікації, що забезпечують подвоєння ДНК, і ферменти транскрипції, завдяки яким відбувається синтез всіх типів РНК.

Ділянки ДНК, упаковані у вигляді гетерохроматина, можуть мати двояку природу. Розрізняють два типи гетерохроматина:

  • факультативний;
  • конститутивний (структурний).

Факультативний гетерохроматин являє собою ділянки геному, тимчасово інактивовані в тих чи інших клітинах. Прикладом такого хроматину служить статевий гетерохроматин інактивованої Х-хромосоми в соматичних клітинах жінок. У жінок в соматичних клітинах дві однакові статеві Х-хромосоми, у чоловіків – одна статева хромосома Х, а інша – Y. Відомо, що Х-хромосоми містять не тільки гени, що відповідають за розвиток статевих ознак, а й звичайні соматичні гени, які контролюють виконання різноманітних функцій організму, наприклад гени Х-хромосоми контролюють процес згортання крові.

Х-хромосоми функціонують в соматичних клітинах чоловіків і жінок. У жінок в клітинах дві Х-хромосоми, одна з них працює у вигляді активного хроматину, тоді як інша переходить в неактивний стан з утворенням великої грудочки гетерохроматину. Такий гетерохроматин, який спостерігається у всіх соматичних клітинах жінок і представляє одну з двох інактивованих хромосом, і називається статевим хроматином. У клітинах статевої системи в жіночому організмі працюють одночасно дві Х-хромосоми, а статевий хроматин відсутній.

Інший вид гетерохроматину – структурний, або конститутивний. Представлений невеликими ділянками в ряді районів хромосом, що містять багаторазово повторювані послідовності нуклеотидів, що виконують, ймовірно, структурні або регуляторні функції. Конститутивний гетерохроматин не містить генів. Він присутній у всіх клітинах, в кожній хромосомі, постійно знаходиться в неактивному стані. Таким чином, суперспіралізація всього хроматину ядра призводить до утворення хромосом, що супроводжується згасанням синтетичних процесів у ньому. Утворення хромосом з хроматину можна спостерігати в профазі мітозу.

Значення поетапної упаковки довгих молекул ДНК в хроматині двояке. По-перше, вона забезпечує впорядковане укорочення молекул ДНК в десятки тисяч разів, що дозволяє розмістити їх в невеликому ядрі так, щоб кожна з них зайняла своє, строго певне місце. По-друге, упаковка ДНК в хроматині служить однією з форм регуляції активності генів. Чим більш щільно упакований хроматин, тим менш активні гени, що знаходяться в ньому.

Питання

  • Який хімічний склад хроматину?
  • Розкажіть про етапи упаковки ДНК в хроматині.
  • Які етапи упаковки ДНК пов’язані з утворенням дифузного хроматину?
  • Що таке гетерохроматин? Які два види гетерохроматина ви знаєте?
  • Наведіть приклад факультативного гетерохроматину.
  • У чому значення упаковки ДНК в хроматині?
Посилання на основну публікацію