Третичная структура ДНК и организация хроматина в эукариотических клетках

Третичная структура ДНК эукариотических клеток также выражена в многократной суперспирализации молекулы, однако в отличие от прокариот она осуществляется в форме комплексов ДНК с белками. ДНК эукариот почти вся находится в хромосомах ядер, лишь небольшое количество ее содержится в митохондриях, а у растений и в пластидах. Суммарный материал хромосом – хроматин – содержит ДНК, гистоны, негистоновые белки, небольшое количество РНК. 

 

До 50% хроматина составляют простые белки гистоны. Разделение гистонов было проведено методами гель-фильтрации, ионообменной хроматографии, электрофореза. Во всех изученных клетках животных и растений обнаружено пять основных классов гистонов: H1, H2A, H2B, H3, H4. Классификация гистонов основана на содержании в них Лиз и Арг. Так, гистон H1 очень богат Лиз, гистоны H2A и H2B содержат умеренное количество Лиз, гистон H3 содержит Цис и умеренно богат Арг, гистон H4 богат Арг и Гли. У птиц и амфибий гистон H1 может быть частично заменен гистоном H5, тоже богатым Лиз. 

Молекула гистона состоит из одной полипептидной цепи, которая в своей средней части спирализована и скручена в глобулу диаметром около 2,5 нм; от глобулы отходят два неспирализованных конца молекулы. Первичная структура гистонов имеет ряд особенностей. Так, в гистонах H2A, H2B, H3, H4 в N-концевой области большинство аминокислотных остатков положительно заряжено, а C-концевая лишена заряда. Первичная структура этих белков эволюционно консервативна, у разных животных и растений они мало отличаются. Например, аминокислотные последовательности гистона H4 из проростков гороха и тимуса быка отличаются только двумя из 102 аминокислот. Исключение в этом плане представляет гистон H1. 

Гистоны взаимодействуют с ДНК в основном через ионные связи (солевые мостики), образующиеся между отрицательно заряженными фосфатными группами ДНК и положительно заряженными лизиновыми и аргининовыми остатками гистонов. 

Все гистоны подвергаются модификациям: ацетилированию, метилированию, фосфорилированию и поли-АДФ-рибозилированию. При этом в их молекулах изменяется распределение электронной плотности, что приводит к изменению их способности взаимодействовать с ДНК. В этом, видимо, заключается один из механизмов регуляции действия генов. 

В организации хромосом различают три уровня, которые отражают и уровни третичной структуры ДНК. Первый уровень – нуклеосомный. Диспергированный хроматин выглядит в электронном микроскопе как цепочка бусин – нуклеосом. Нуклеосома содержит ДНК длиной 160-240 пар нуклеотидов, одну молекулу гистона H1 и гистоновый октамер. Последний состоит из 8 молекул – по две молекулы из гистонов H2A, H2B, H3 и H4. 

Из нуклеосом можно выделить нуколеосомное ядро, или нуклеосомный кор. Эта дискретная частица содержит гистоновый октамер и участок ДНК длиной 145-150 нуклеотидных пар. Нуклеосомный кор выглядит как диск диаметром 11 нм и толщиной 5,7 нм, в котором ДНК образует на поверхности примерно 1,75 витка левой спирали. Гистоновый октамер располагается внутри коровой частицы в виде клинообразной структуры. Коровая частица содержит много полостей, заполненных водой. Между коровыми частицами расположены участки ДНК – линкеры, их длина варьирует в зависимости от типа клеток. В результате этого варьирует и длина фрагмента ДНК, входящего в состав нуклеосом (от 160 до 240 нуклеотидных пар). Межкоровые (линкерные) участки ДНК или свободны, или связаны с гистоном H1 и негистоновыми белками. Гистон H1 способствует компактной упаковке хроматина. При этом он может препятствовать транскрипции ряда генов и таким образом регулировать их активность. 

Упаковке ДНК в нуклеосомы in vitro способствуют белок нуклеоплазмин и фермент топоизомераза I. Упаковочный коэффициент для ДНК, т.е. степень уменьшения размеров, составляет на нуклеосомном уровне около семи. 

Второй уровень организации хромосом – это образование из нуклеосомной нити более толстых фибрилл (20-35 нм). Предполагают, что фибриллы представляют собой по форме соленоиды, образующиеся в результате скручивания нуклеосомной нити. Шаг соленоида равен 11 нм, на один виток приходится около 6-10 нуклеосом. Соленоидная упаковка считается наиболее вероятной, однако существуют и другие модели организации хроматина, например супербидная. Согласно последней фибрилла хроматина диаметром 20-30 нм представляет собой цепь гранул, или супербидов, каждая из которых состоит из восьми нуклеосом. Упаковочный коэффициент 2-го уровня составляет около шести. В сумме 1-й и 2-й уровни обеспечивают уменьшение линейных размеров ДНК в 40-50 раз. 

Третий уровень организации хромосом изучен недостаточно. Фибрилла толщиной 25-30 нм образует петли, дополнительно упаковывается, в результате чего происходит уменьшение линейных размеров ДНК примерно в 200 раз. Петлеобразные структуры типа «ламповых щеток» в ооцитах земноводных можно видеть на цитологических препаратах. Эти петли, видимо, суперспирализованы и представляют собой домены ДНК, соответствующие, вероятно, единицам транскрипции и репликации хроматина. Специфические белки фиксируют основания петель и, возможно, некоторые их внутренние участки. Петлеобразная доменная организация способствует укладке хроматина в метафазных хромосомах в спиральные структуры более высоких порядков. В результате последовательной упаковки хроматина линейные размеры ДНК уменьшаются в 10⁴ раз. 

Существуют данные, что при активировании участка хроматина, т.е. при транскрипции, с него обратимо удаляются сначала гистон H1, а затем и октет гистонов. Это вызывает деконденсацию хроматина, последовательный переход 30-нанометровой фибриллы хроматина в 10-нанометровую нить и ее дальнейшее разворачивание в участки свободной ДНК, т.е. утрату нуклеосомной структуры. 

Анисимов А.А. Основы биохимии. Стр. 198-200.