Том 1 (1129743), страница 73
Текст из файла (страница 73)
Мы узнали, что все хромосомы уплотняются до необычайнойстепени в М-фазе клеточного цикла. Намного менее наглядным явлением, но представляющим огромный интерес и значение, является то, как определенные областиинтерфазных хромосом разуплотняются,когда клетка получает доступ к определенным последовательностям ДНК дляэкспрессии генов, репарации и репликации ДНК, — и затем вновь уплотняются по завершении этих процессов.Поэтому упаковка хромосом осуществляется таким способом, который допускаетвозможность быстрого локального доступа к ДНК по требованию клетки. Вследующих пунктах мы рассматриваемспециализированные белки, благодарякоторым и осуществляется упаковка такого типа.Рис.
4.23. Структурная организация нуклеосомы.Нуклеосома содержит белковый стержень, илиядро (core), состоящий из восьми молекул гистонов.В ходе биохимических экспериментов стержневуюкор-частицу нуклеосомы можно высвободить извыделенного хроматина, обработав его нуклеазой — ферментом, расщепляющим ДНК, которыйудалит всю линкерную ДНК. (Нуклеаза способнадеградировать экспонированную линкерную ДНК,но не может воздействовать на ДНК, плотно намотанную на стержень нуклеосомы.) После диссоциации выделенной нуклеосомы на гистоновыйстержень и ДНК последовательность этого сегментаДНК, который был обвит вокруг стержня, можноопределить секвенированием. Такого отрезка длиной 147 пар нуклеотидов достаточно, чтобы 1,7 разаобернуться вокруг гистонового стержня.Глава 4.
ДНК, хромосомы и геномы 3594.2.8. Основная структурная единица хромосомы эукариот — нуклеосомаБелки, которые связываются с ДНК и образуют хромосомы эукариот, традиционно подразделяют на два общих класса: гистоны и негистоновые хромосомныебелки. Комплекс белков обоих классов с ядерной ДНК клеток эукариот известенкак хроматин. Гистоны присутствуют в клетке в столь огромных количествах (приблизительно 60 миллионов молекул каждого типа в одной клетке человека), что ихполная масса в хроматине практически равна массе ДНК.Гистоны отвечают за первый и стоящий в самом основании уровень упаковкихромосомы — нуклеосому, представляющую собой комплекс белок–ДНК, который был открыт в 1974 г. Когда интерфазные ядра вскрывают очень бережно и ихсодержимое исследуют под электронным микроскопом, бóльшая часть хроматинанаходится в форме волокна с диаметром приблизительно 30 нм (рис.
4.22, а). Еслитакой хроматин подвергнуть обработке различными методами, в результате которыхон частично разворачивается, то его можно наблюдать под электронным микроскопом в виде ряда «бусин на нити» (рис. 4.22, б). Нить представлена ДНК, а каждаябусина, называемая сердцевиной, или кор-частицей, нуклеосомы (nucleosome coreparticle), состоит из ДНК, намотанной, как на катушку, на белковый стержень,образованный гистонами.Структурная организация нуклеосом впервые была определена в гидролизате,полученном после обработки развернутого хроматина специфическими ферментамиРис.
4.24. Структура стержневой кор-частицы нуклеосомы, определенная рентгеноструктурныманализом кристаллов. Все гистоны окрашены в соответствии со схемой, представленной на рис. 4.23,а двойная спираль ДНК — в светло-серый цвет. (Заимствовано из K. Luger et al., Nature 389: 251–260,1997. С любезного позволения Macmillan Publishers Ltd.)360Часть 2. Основные генетические механизмыРис. 4.25. Общая структурная организация гистонового стержня. а) Как показано на рисунке, каждыйиз основных гистонов содержит N-концевой хвост, который претерпевает ковалентную модификациюнескольких видов, и область гистоновой укладки.
б) Структура гистоновой укладки, которую образуютвсе четыре стержневых гистона. в) Гистоны 2A и 2B образуют димер за счет взаимодействия, известногокак «рукопожатие». Гистоны H3 и H4 образуют димер за счет взаимодействия того же типа.(так называемыми нуклеазами), которые разрезают ДНК между нуклеосомами. Входе обработки такими ферментами в течение короткого периода ничем не защищенная ДНК из промежутков между нуклеосомными стержневыми кор-частицами —линкерная ДНК — подвергается деградации. Каждая отдельно взятая нуклеосомнаястержневая кор-частица (которую называют также «минимальной нуклеосомой» –Прим. ред.) состоит из комплекса восьми гистоновых белков: по две молекулыгистонов H2A, H2B, H3 и H4 и двухцепочечной ДНК длиной 147 пар нуклеотидов.Гистоновый октамер образует белковый стержень (или ядро, сердцевину; от англ.protein core), вокруг которого намотана двунитевая ДНК (рис.
4.23).Каждая нуклеосомная стержневая кор-частица отделена от следующей областью линкерной ДНК, которая может быть различной длины: от нескольких парнуклеотидов до примерно 80. (Термин нуклеосома в техническом плане обозначаетнуклеосомную стержневую кор-частицу вместе с одной из примыкающих к нейДНКовых связок, но часто его употребляют как синоним нуклеосомной стержневойкор-частицы.) Поэтому в среднем нуклеосомы повторяются с промежутками в 200пар нуклеотидов или около того. Например, диплоидная клетка человека с 6,4·109пар нуклеотидов содержит приблизительно 30 миллионов нуклеосом. Формирование нуклеосом преобразует молекулу ДНК в хроматиновую нить, протяженностькоторой составляет приблизительно одну треть от ее первоначальной длины.4.2.9. Структура нуклеосомной стержневой кор-частицы показывает характер упаковки ДНКСтруктура нуклеосомной стержневой частицы получена с высоким разрешением в 1997 г.: это имеющий форму диска гистоновый стержень, вокруг которогоГлава 4.
ДНК, хромосомы и геномы 361Рис. 4.26. Сборка гистонового октамера на ДНК. Гистоновый димер H3–H4 и димер H2A–H2B образуютсяза счет взаимодействия типа «рукопожатия». Тетрамер H3–H4 образуется и связывается с ДНК. Послеэтого два димера H2A–H2B присоединяются и завершают построение нуклеосомы. Гистоны окрашены,как и на рис. 4.24 и 4.25. Обратите внимание, что все восемь N-концевых хвостов гистонов как бы висятна имеющей форму диска стержневой структуре.
Их конформации очень гибкие. Внутри клетки реакциисборки нуклеосомы, показанные здесь, опосредствуются белками, называемыми гистоновыми шаперонами (histone shaperon proteins), или наставниками гистонов, одни из которых специфичны к гистонамH3–H4, а другие — к гистонам H2A–H2B. (Переработано на основе иллюстраций J. Waterborg.)362Часть 2. Основные генетические механизмыРис. 4.27. Изгиб ДНК в нуклеосоме.
Спираль ДНКделает 1,7 тугих оборота вокруг гистонового октамера. На этой схеме показано, как малая бороздкасжимается на внутренней части витка. Благодарянекоторым структурным особенностям молекулыДНК, обозначенные динуклеотиды предпочтительно располагаются в таких суженных местах малойбороздки, что позволяет объяснить, почему определенные последовательности ДНК прочнее другихприкрепляются к стержню нуклеосомы.плотно намотаны 1,7 оборота ДНК (рис.4.24).
Гистоны всех четырех типов, изкоторых образована сердцевина нуклеосомы, – относительно небольшие белки(102–135 аминокислот), которые имеютобщий структурный мотив, известныйкак гистоновая укладка (histone fold): образована тремя α-спиралями, соединенными двумя петлями (рис. 4.25). При сборке нуклеосомы «гистоновые укладки»сначала связываются друг с другом с образованием димеров H3–H4 и H2A–H2B,а димеры H3–H4 объединяются в тетрамеры. После этого тетрамер H3–H4 далееРис.
4.28. Динамичные нуклеосомы. Измерения кинетики показывают, что ДНК в отдельно взятойнуклеосоме удивительно динамична: она быстро разматывается и затем вновь оборачивается вокругнуклеосомного стержня. Как видно, благодаря этому большая часть связанной с ней последовательностиДНК доступна для других связывающихся с ДНК белков. (Данные взяты из G. Li and J. Widom, Nat. Struct.Mol.
Biol. 11: 763–769, 2004. С благосклонного дозволения Macmillan Publishers Ltd.)Глава 4. ДНК, хромосомы и геномы 363Рис. 4.29. Скольжение в нуклеосоме, катализируемое ATP-зависимыми комплексами перестройкихроматина. Используя энергию гидролиза ATP, комплекс перестройки, как думают, продвигает ДНКсвязанной им нуклеосомы и ослабляет ее прикрепление к стержню нуклеосомы. Таким образом,каждый цикл, состоящий из связывания ATP, гидролиза ATP и высвобождения продуктов — ADP и Pi, —перемещает ДНК по гистоновому октамеру в направлении стрелки, показанной на этом рисунке. Дляосуществления представленного на рисунке скольжения в нуклеосоме требуется много таких циклов.(См. также рис.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
