Biokhimia_T3_Strayer_L_1984 (1123304), страница 36
Текст из файла (страница 36)
Замечательная консервативность структурыгистонов Н3 и Н4 свидетельствует о том,что они выполняют какую-то чрезвычайноважную функцию, возникшую на заре эволюции эукариот и сохранившуюся с техпор почти без изменений.29.4. Нуклеосомы - повторяющиесясубъединицы хроматинаКак происходит взаимодействие гистоновс ДНК и образование нити хроматина?Основываясь на данных, полученных различными методами, Роджер Корнберг(Roger Kornberg) высказал в 1974 г. предположение, что хроматин состоит из повторяющихся субъединиц, каждая из которых включает 200 пар оснований ДНК29.
Хромосомы и выражениегенов у эукариот129Рис. 29.4.Электронная микрофотография хроматина. Частицы, похожие на бусины, имеют диаметроколо 100 А. (Печатается с любезного разрешения д-ра AdaOlins и д-ра Donald Olins.)и по 2 молекулы гистонов Н2А, Н2В, Н3и Н4. Теперь эти повторяющиеся единицыназывают нуклеосомами. Большая частьДНК намотана на гистоновую сердцевину(гистоновый кор). Остальная ДНК, так называемый линкер, или межнуклеосомнаяДНК, соединяет соседние нуклеосомыи обеспечивает гибкость хроматиновой нити. Таким образом, хроматиновая нитьпредставляет собой гибкую цепочку нуклеосом, напоминающую бусины на нитке.130Часть IV.ИнформацияЦелый ряд экспериментальных данныхсвидетельствует в пользу этой моделиструктуры хроматина.1.
Электронная микроскопия. На электронных микрофотографиях хроматинавидны группы расположенных друг за другом бусин диаметром 100 А, соединенныхтонкой нитью (рис. 29.4). Степень растяжения хроматиновой нити зависит от способаподготовки образцов для микроскопии.Некоторые методы дают электронные микрофотографии с более компактным расположением 100-ангстремных бусин. Следовательно, электронная микроскопия прямо подтверждает, что хроматин - цепочкапочти сферических частиц, между которыми расположены гибкие участки.2. Дифракциярентгеновскихлучейи нейтронов.
При рентгеновской дифракциина нитях хроматина также виден повтордлиной 100 А. Нейтронная дифракция показывает, что ДНК расположена снаружинуклеосомы.3. Нуклеазныйгидролиз.СвободнуюДНК в растворе можно расщепить по любой из ее фосфодиэфирных связей с помощью панкреатической дезоксирибонуклеазы I (ДНКазы I) или микрококковойнуклеазы. ДНК в хроматине, за исключением нескольких участков, наоборот, защищена от гидролитического действия нуклеазы. Характер расщепления хроматинапоражает своей простотой: на электрофореграмме видна лесенка четко выраженныхполос (рис.
29.5). В этих фрагментах содержатся фрагменты ДНК, кратные основному повтору длиной примерно 200 пар оснований. Электронные микрофотографиипоказывают, что число сферических частицво фрагменте хроматина равно числу200-парных повторов (рис. 29.6). Например,фрагмент, содержащий ДНК длиной 600пар оснований, состоит из трех 100-ангстремных частиц. Следовательно, бусина,видимая на электронной микрофотографии, соответствует нуклеосоме, получаемой при нуклеазном гидролизе.4.
Реконструкция. Если добавить гистоны к ДНК аденовируса или обезьяньеговируса SV-40, можно получить in vitro xpoматиноподобную нить. Количество ДНК,связанной с нуклеосомой в таких системахреконструкции, составляет около 200 пар оснований. Кроме того, для образования нуклеосомы необходимо эквимолярное количество гистонов Н2А, Н2В, Н3 и Н4. Есликакого-либо гистона в смеси для реконструкции оказывается недостаточно, образования характерных бусин не происходит. Однако гистон H1 для реконструкциине нужен; этот факт перекликается с тем, чтогистон H1 присутствует не во всех нуклеосомах эукариотических клеток. Исследованиядифракции рентгеновских лучей также показывают, что для получения картины, характерной для хроматина, необходимо добавить гистоны Н2А, Н2В, Н3 и Н4.29.5. Минимальная нуклеосома(«ядро» нуклеосомы) состоит из ДНКдлиной 140 пар оснований, намотаннойна октамер гистоновСодержание ДНК в нуклеосомах различныхорганизмов и типов клеток колеблется от160 до 240 пар оснований (табл.
29.2). Чтолежит в основе этих различий? И в этом случае использование нуклеаз оказалось весьмаРис. 29.5.Гель-электрофорез фрагментов ДНК хроматина, полученных с помощью ограниченного гидролиза микрококковой нуклеазой. На дорожкуА была нанесена нефракционированная смесь. При центрифугировании в градиенте концентрации сахарозы были получены фракции мономеров (Б),димеров (В), тримеров (Г) и тетрамеров(Д).[Finch J. Т.,Noll M., Kornberg R. D., Ргос.Nat. Acad. Sci., 72, 3321 (1975).]Рис.
29.6.Электронные микрофотографии мономеров (А), димеров(Б), тримеров (В) и тетрамеров(Г) нуклеосом, полученных, какописано в подписи к рис. 29.5.[Finch J. Т., Noll M, KornbergR.D., Ргос. Nat. Acad. Sci., 72,3321 (1975).]29. Хромосомы и выражениегенов у эукариот131информативным.Нуклеосомыможнов свою очередь гидролизовать микрококковой нуклеазой; при этом получаются частицы минимальной нуклеосомы (нуклеосомного «ядра»), содержащие 140 пароснований, независимо от исходного содержания ДНК в расчете на одну нуклеосому.Эта минимальная нуклеосома, по всей вероятности, практически одинакова у всех эукариот. Она состоит из фрагмента ДНКдлиной 140 пар оснований, связанного с октамером гистонов (по два гистона Н2А, Н2В,Н3 и Н4).Минимальные нуклеосомы были получены в кристаллическом виде и в настоящеевремя исследуются с помощью электронноймикроскопии (рис.
29.7) и дифракции рентгеновских лучей. Кристаллизация этих частиц показывает, что нуклеосомы хроматина весьма гомогенны. Арон Клуг и ДжонФинч (Aaron Klug, John Finch) установили,что минимальная нуклеосома (нуклеосомное «ядро») представляет собой уплощенную частицу размером 110 х 100 x 55 Аи состоит из двух слоев. Фрагмент ДНКРис.13229.8.Схематическоеизображениенуклеосомы.
Двойная спиральДНК (красная полоса) намотана на октамер гистонов (по двемолекулы Н2А, Н2В, Н3 и Н4;изображены голубым). ГистонH1 (желтый цвет) связываетсяс наружной стороной этой минимальнойнуклеосомыис линкерной ДНК. (KornbergA., DNA Replication. Freemanand. Co., 1980.)Часть IV.ИнформацияРис. 29.7.Электронная микрофотография кристалла минимальныхнуклеосом. Центры соседнихнуклеосом в этом гексагональном слое находятся на расстоянии 100 А друг от друга.[Finch J.
Т. et al, Nature, 269, 31(1977).]Таблица 29.2. Содержание ДНК в нуклеосомахТип клетокЧисло пар основанийДрожжиКлетки HeLaКостный мозг крысыПечень крысыПочки крысыЯйцевод курицыЭритроциты курицыГаструла морского ежаСперма морского ежа165183196192196207218241длиной 140 пар оснований намотан снаружина сердцевину и образует 1 3 / 4 оборота левозакрученной суперспирали с шагом примерно 28 А (рис.
29.8).Как уже упоминалось, гистон H1 не всегда присутствует в нуклеосоме. Последовательность аминокислот в гистоне H1 наиболее вариабельна из всех пяти гистонов.К тому же гистон H1 отличается от другихгистонов пo стехиометрии: на нуклеосомуприходится одна молекула гистона H1.
Кроме того, гистон H1 легко отделяется от нуклеосом, что указывает на его периферическую локализацию, т.е. он не являетсячастью гистоновой сердцевины. Нуклеосомы теряют гистон H1, когда ДНК в их составе укорачивается со 160 до 140 пар оснований. Таким образом, гистон H1 почтинаверняка расположен вне нуклеосомы, ближе к линкерной ДНК. Гистон H1 может служить мостиком между различными нуклеосомами и способствовать таким образомповышению компактности хроматина.29.6. Нуклеосома - первый уровеньконденсации ДНКНакручивание ДНК на нуклеосомную сердцевину обеспечивает конденсацию ДНК, таккак уменьшает ее линейные размеры.
Участок ДНК длиной 200 пар оснований имеетв растворе длину 680 А. В нуклеосоме этоколичество ДНК укладывается в частицудиаметром 100 А. Таким образом, плотность упаковки (степень конденсации) нуклеосомы составляет примерно 7. Сравнимали эта величина со степенью конденсацииДНК в хромосоме? Метафазные хромосомы человека, которые находятся в сильноконденсированном состоянии, содержат5,3•109 пар оснований, что соответствуетконтурной длине ДНК 180 см. Эта ДНКупакована в 46 цилиндрических структур,общая длина которых составляет 200 мкм.Таким образом, плотность упаковки ДНКв метафазных хромосомах равна приблизи4тельно 10 . В интерфазных ядрах, где хроматин находится в более дисперсном состоянии, плотность упаковки для ДНК составляет примерно 102-103.
Очевидно, нуклеосома представляет собой лишь первыйуровень конденсации ДНК.Каков следующий уровень организацииДНК? Одна из возможностей состоитв том, что сами нуклеосомы укладываютсяв спираль. Например, предложена соленоидная модель хроматина диаметром 360 АРис. 29.9.Предполагаемая соленоиднаямодель хроматина. На одиноборот спирали приходитсяшесть нуклеосом (показаны синим цветом).
Двойная спиральДНК (красная) намотана на каждую нуклеосому. [Finch J.T.,Klug A., Proc. Nat. Acad. Sci., 73,1900 (1976).]с плотностью упаковки около 40 (рис. 29.9).Складывание таких соленоидов в петли может дать дополнительную конденсацию.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
