Biokhimia_cheloveka_Marri_tom_2 (1123307), страница 19
Текст из файла (страница 19)
У эукариотических организмов значительная часть ДНК окружена множеством различных белков. Эти белки вместе с ДНК образуют комплексную структуру — хроматин, которая обеспечивает специфический для эукариот тип регуляции экспрессии. Генетическая информация, заключенная в ДНК хромосомы, может быть передана либо путем точной репликации, либо с помощью рекомбинации, транспозиции и конверсии. Эти процессы лежат в основе изменчивости организмов, обусловливают их способность к адаптации, однако они могут стать и причиной заболеваний. Репликация ДНК---зто сложный и упорядоченный процесс, идущий. как и синтез РНК, по матрице ДНК в направлении 5' — 3'. Репликация ДНК в хромосоме начинается на многих участках и идет одновременно по обеим цепям.
Синтез и репарация ДНК подчиняются правилам образования комплементарных пар нуклеотидов, установленных Уотсоном и Криком. Эти процессы катализируются целым рядом ферментов. БИОМЕДИЦИНСКОЕ ЗНАЧЕНИЕ Мутации, появляющиеся вследствие ошибок в процессах репликации и репарации ДНК, возникают с частотой одна на 10в клеточных делений. Образование аномального продукта гена может быть результатом мутаций в его кодируюшей или регуляторной области. Мутации в половых клетках передаются потомству (так называемый вертикальный перенос наследственных заболеваний). Ряд факторов, в число которых входят вирусы, химические реагенты, ультрафиолетовое излучение и ионизируюшая радиация, увеличивают частоту образования мутаций.
Изменения в ДНК, возникшие под влиянием этих факторов или спонтанно в соматических клетках, передаются в ряду клеточных поколений. Становится все более очевидным, что многие заболевания (и, вероятно, большинство опухолей) обусловлены именно таким горизонтальным переносом индуцированных мутаций. ХРОМАТИН Хроматин — это хромосомный материал, экстрагируемый из ядер эукариотических клеток". В его состав входят очень длинные двухцепочечные молекулы ДНК, небольшие основные белки — гистоны, общая масса которых примерно равна массе ДНК, кислые белки с молекулярной массой, большей чем у гистонов, а также небольшое количество РНК. Электронная микроскопия хроматина выявила наличие в нем сферических частиц (нуклеосом) размером около 1О нм, соединенных друг с другом нитями ДНК (рис. 38.1). ГИСТОНЫ И НУКЛЕОСОМЫ Термином «гнстоны» обозначают несколько групп близкородственных основных белков.
Н1- гистоны наиболее слабо связаны с хроматином и легко отмываются в солевом растворе. После такой обработки хроматин становится растворимым. Изолированные ядра нуклеосом состоят из гистонов четырех классов: Н2А, Н2В, НЗ и Н4. Структура умеренно богатых лизином гистонов Н2А и Н2В характеризуется значительной консервативностью, еще более консервативна структура гистонов НЗ и Н4 (богатых аргинином). Высокая консервативность структуры гистонов свидетельствует об идентичности функций этих белков у всех эукариот. С-концевая часть их молекулы имеет обычный аминокнслотный ' Хотя в гл. 38 — 41 речь идет о клетках млекопитающих (относящихся к высшим эукариотам), в ряде случаев оказалось необходимым обратиться к данным, полученным при анализе прокариот.
Организация и релликация ДНК а мнк ото а ия нуклеосом, соединенных ДНК-цепью; белая полоса соответствует 2„5 мкм. (йеп1 Р. СЛапзЬоп: Бес!гоп и!!сгоасор!с апг) Ь!осЛеп!!са1 ечг)енсе гЛа! од сед 59!гЛ рспп!551оп Ггопз Р. Оцдец М. Сзгозз-Ве!1ап1, Р. апз оп: ес го сЛгопза!!и яггпсгпге 15 а гереаг!пя нпй Сей 1 5,: .) 3 !594 состав, тогда как Х-концевая треть молекулы состоит преимущественно из основных аминокислот. Перечисленные выше четыре группы гистонов подвергаются ковалентной модификации пяти типов: ацетилированию, метилированию, фосфорилированию, АОР-рибозилированию и ковалентному связыванию (только Н2А) с убиквитином (ядерным белком). Эти модификации, вероятно, влияют на структуру и функции хроматина (пока данный вопрос изучен недостаточно).
Выделенные из хроматина гистоны взаимодействуют между собой. Гистоны НЗ и Н4 агрегируют с образованием тетрамеров, состоящих из двух молекул каждого типа (НЗ,-Н4,), Гистоны Н2А и Н2В образуют либо двмеры (Н2А-Н2В), либо олигомерные комплексы 1Н2А-Н2В1„. Тетрамер НЗ,-Н4, не взаимодействует с Н2А-Н2В-димером или олигомером.
Гистоны Н1 не связываются в растворе с другими гистонами. Интересно, что смесь НЗ,-Н4, и Н2А-Н2В с очищенной двухцепочечной ДНК дает картину рентгеновской дифракцни, характерную для свежевыделенного хроматина. На электронно-микроскопических фотографиях такого препарата видны вновь образованные нуклеосомы. Более того, оказалось, что образование нуклеосом ш ватто из ДНК и гисгонов Н2А, Н2В, НЗ и Н4 не зависит от того, из каких организмов или клеток были выделены компоненты смеси. Гистоны Н1 и негнстоновые белки для формирования нуклеосомного кора не требуются.
В нуклеосомах ДНК суперскручена на поверхности дисковидного гистонового октамера в левостороннюю спираль. Октамер состоит из центрального ЙЗ,-Н4,-тетрамера и двух Н2А-Н2В-димеров (рис. 38.2). Гисгоновая сердцевина нуклеосомы взаимодействует с внутренней поверхностью суперспирали и не выступает за ее пределы. Тетрамер НЗ,-Н4, способен придавать ДНК ну- Глава 38 стонов ь октамер +Н1 2 супервитка, маскирующие 166 нуклеиновых оснований, и акспонированный (не маскированный) пинкерный участок ДНК -Н1 Маскированы 146 пар оснований 11,76 супервитке) Рис. 38.2. Модель структуры нуклеосомы (слева) н нухлеосомного кора (справа), в которой ДНК закручен» вокруг белкового цилиндра, содержащего по две молекулы каждого нз гистонов Н2А, Н2В, НЗ н Н4.
Гнстон Н1 (заштрихованная область) расширяет область маскированных участков последовательности ДНК. (Кергодиссд, ту)й рспп)зяоп, (тот (.аз1сеу )т. А. апд ЕагпзЬату %.С.: )Чис1еозотс вззсшЫу. Магоге 1980, 286: 763.) Н2А-Н2В-Н4-НЗ-НЗ-Н4-Н2В-Н2А Гнстон Н1 связывается с нуклеосомным кором на участке входа н выхода ДНК, «склеивая» 2 оборота, т.е. 1бб пар оснований суперспнралн ДНК. Так формируется зрелая нуклеосома.
В сборке нуклеосомы, вероятно, участвует ядерный белок анионного характера — яуклеоплазмнн. Заметим, что гастоны, являясь сильными катионитами, могут неспецифччески связаться с отрицательно заряженной ДНК с образованием соленых мостиков. Ясно, что такое неспецнфическое взаимодействие может мешать образованию нуклеосом и проявлению функций хроматина.
Нуклеоплазмин — это анионный пентамерный белок, не связывающийся ни с ДНК, ни с хроматином, но способный обратимо соединяться с гистоновым октамером, блокируя способность гистонов к неспецифическому «прнлипанию» к отрицательно заряженным структурам, таким, как ДНК. По-видимому, нуклеоплазмин создает в ядре специфическое ионное окружение, способствующее взаимодействию гистонов с ДНК и сборке нуклеосом. После завершения сборки нуклеоплазмин высвобождается из гистонового ком- клеосомоподобную структуру и, следовательно, играет центральную роль в ее формировании.
Два добавочных димера Н2А-Н2В стабилизируют первичную частицу н прочно соединяют два полувитка ДНК, ранее слабо связанных с НЗ,-Н4,-тетрамером. Таким образом, 1,75 супервнтков ДНК закручиваются вокруг гнстонового октамера и образуют нуклеосомный кор (или минимальную нуклеосому), который «маскирует» 14б пар оснований ДНК (рис. 38.2). ДНК по ходу спирали вокруг октамера контактирует с гистонами в следующем порядке: плекса. Нуклеоплазмин проявляет избирательность к определенным областям ДНК. Молекулярная основа этого неслучайного распределения, названного фазированием, неизвестна.
Возможно, оно связано с относительной физической пластичностью определенных нуклеотидных последовательностей„способных к скручиванию в суперспираль. Упаковка нуклеосом в ядре, по-видимому, зависит от взаимодействия Н1 гистонов с участками двухцепочечной ДНК, соединяющими нуклеосомы. Топология этого взаимодействия, приводящего к образованию межнуклеосомных спейсерных участков, изучена недостаточно полно. Электронная микроскопия хроматина кроме нуклеосом выявила еще две структуры высшего порядка — фнбрнллы диаметром 10 нм и волокна диаметром 25 — 30 нм.
Дисковидные нуклеосомы (см. выше) имеют диаметр 10 нм и высоту 5 нм. Повидимому, фибриллы толщиной 10 нм состоят из ряда нуклеосом, касающихся друг друга своими краями и ориентированных плоскими поверхностями вдоль оси фибриллы (рис, 38.3). Вероятно, фибриллы тоже скручиваются в спираль, на виток которой приходится б — 7 нуклеосом. В результате образуется хроматиновое волокно диаметром 30 нм (рис. 38.4), Витки такой «суперспиралн» должны быть достаточно плоскими, а плоские поверхности нуклеосом последующих витков — параллельными друг другу.
Н1-гистоны, по всей вероятности, стабилизируют структуру волокна, но их расположение так же, как и длина спейсерных участков ДНК, точно не определены. Вероятно, нуклеосомы способны формировать еще ряд компактных суперструктур. Для того чтобы образовалась митотическая хромосома нормального размера, волокно диаметром 30 нм должно подвергнуться дополнительной компактнзации с уменьшением результирующей длины еще в 100 раз (см. ниже).
В ннтерфазиых хромосомах хроматиновые волокна организованы в домены или петли, состоящие из 30000 — 100000 пар оснований и «заякоренные» на внутриядерном поддерживающем матриксе, Распределение участков генома в рамках доменной структуры хроматина, вероятно, не является случайным. Можно предположить, что каждый иетлеобразующий домен хроматина содержит как кодирующие, так и некодирующие области генов, соответствующих определенной генетической функции.
Фнбрввге аиамивюм 1О мм Рве. 38З. Структура фибрнллы хроматннв диаметром в 10 нм, состоящей нз днскообразных нуклеосом. Поло- жение Н1-гастона не показано. Органиэация и репликация ДИК 67 ось волокна вопокио диаметром 30 нм Активный хромнтин Хромосомы э Рис. 38.4. Структура хроматинового волокна диаметром 30 нм, состояшего из суперскрученных фибрилл диаметром 10 нм. Ось волокна направлена перпендикулярно плоскости страницы. Как правило, каждая клетка многоклеточного организма содержит одну и ту же генетическую информацию в виде одной и той же последовательности ДНК.
Из этого следует, что различия между типами клеток данного организма должны объясняться дифференцированной экспрессией общей генетической информации. Хроматин, содержащий активные гены (транскрипционно-активный хроматин), отличается по некоторым признакам от неактивного. Нуклеосомная структура активного хрома- тина видоизменена или, в особо активных областях, вообще отсутствует. ДНК в активном хроматине содержит длинные участки (около 100000 пар оснований), чувствительные к действию нуклеаз (например, ДНКазы 1). Чувствительность к ДНКазе 1 указывает на возможность транскрипции и в некоторых случаях коррелирует с отсутствием 5-метилдезоксицитидина в соответствующей области ДНК. Внутри большой области активного хроматина обнаружены короткие участки (100 — 300 нуклеотидов) с еще более высокой (на порядок) чувствительностью к ДНКазе 1.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
