Том 1 (1129743), страница 74
Текст из файла (страница 74)
4.46, б.)объединяется с двумя димерами H2A–H2B с образованием компактного октамерногостержня, на который при желании наматывается ДНК (рис. 4.26).ДНК и гистоны надежно соединены: в каждой нуклеосоме между ДНК игистоновым стержнем образуется 142 водородные связи. Почти половина этихсвязей возникает между основной цепью аминокислот гистонов и фосфодиэфирными группами сахарофосфатного остова ДНК. Многочисленные гидрофобныевзаимодействия и солевые мостики также скрепляют ДНК с белком в нуклеосоме.Например, более одной пятой от общего числа аминокислот в каждом из гистоновыхстержней представлено лизином или аргинином (обе аминокислоты с оснóвнымибоковыми цепями), и их положительные заряды могут эффективно нейтрализоватьотрицательно заряженный остов ДНК. Эти многочисленные взаимодействия отчастиобъясняют, почему ДНК практически любой последовательности может быть связанас октамерным гистоновым стержнем.
Путь ДНК вокруг гистонового стержня негладок, скорее наоборот: исходя из неровной поверхности стержня, можно былоожидать несколько изломов в молекуле ДНК. Подобного рода изгибы предполагаютсущественное сжатие малой бороздки спирали ДНК. Некоторые динуклеотиды вмалой бороздке особенно легко поддаются сжатию, поэтому некоторые последовательности нуклеотидов связываются с нуклеосомой более плотно, чем другие(рис. 4.27). Это, вероятно, объясняет некоторые поразительные и притом весьманеординарные примеры очень точного расположения нуклеосом на протяжениивсей цепи ДНК.
Однако для большинства последовательностей ДНК, имеющихся вхромосомах, предпочтение тех или иных последовательностей нуклеосомами должнобыть незначительным, чтобы обеспечить преимущество других факторов, которыепозволят нуклеосоме занять любую из множества позиций в последовательности364Часть 2. Основные генетические механизмыРис. 4.30. Удаление нуклеосомы и замена гистонов, катализируемые АТР-зависимыми комплексамиперестройки хроматина. За счет кооперативного взаимодействия с определенными гистоновыми шаперонами некоторые комплексы перестройки хроматина могут удалять димеры H2A–H2B из нуклеосомы(верхний ряд реакций) и заменять их димерами, которые содержат иной гистон, такими, например,как димер H2AZ–H2B (см.
рис. 4.41). Другие комплексы перестройки привлекаются к определеннымучасткам на хроматине, с тем чтобы полностью удалить гистоновый октамер и/или заменить его инымстержнем нуклеосомы (нижний ряд реакций).ДНК большинства хромосомных областей.Кроме гистоновой укладки, каждый из стержневых гистонов имеет аминокислотный N-концевой «хвост», который выступает из гистонового стержня (см.рис. 4.26).
Такие гистоновые хвосты подвергаются ковалентным модификациямнескольких различных типов, которые, в свою очередь, управляют ключевымиособенностями структуры и функции хроматина, что мы обсудим вкратце.Как отражение их фундаментальной роли в предопределении функции ДНКпосредством управления структурой хроматина гистоны входят в когорту наиболеевысококонсервативных белков эукариот. Например, последовательности аминокислот гистона H4 гороха и коровы отличаются только по 2 из 102 позиций. Такаявысокая консервативность в ходе эволюции навлекает на мысль о том, что функциигистонов определяются почти всеми их аминокислотами, так что изменение дажев какой-либо одной позиции было бы губительно для клетки.
Это предположениепроверили непосредственно на клетках дрожжей, у которых можно мутироватьданный ген гистона in vitro и ввести его обратно в геном дрожжей вместо нормального гена. Как и ожидали, в большинстве своем изменения в последовательностяхгистонов летальны для клетки; немногие, которые не приводят к летальному исходу, вызывают изменения в профиле нормальной экспрессии генов, а также другиеотклонения от нормы.Глава 4. ДНК, хромосомы и геномы 365Рис. 4.31.
Зигзагообразная модель 30-нм хроматиновой фибриллы. а) Конформация двух из четырехнуклеосом, входящих в тетрануклеосому, восстановленна по структуре, определенной рентгеноструктурным анализом. б) Схематическое изображение полной тетрануклеосомы; четвертая нуклеосома невидна, будучи совмещена с нижней нуклеосомой и расположена позади нее на этой схеме. в) Схематическое представление возможной зигзагообразной структуры, которая могла бы объяснить строение30-нм хроматиновой фибриллы.
(Переработано из C. L. Woodcock, Nut. Struct. Mol. Biol. 12: 639–640, 2005.С великодушного разрешения Macmillan Publishers Ltd.)Несмотря на высокую консервативность стержневых гистонов, эукариотическиеорганизмы содержат, хотя и в меньших количествах, также стержневые гистоныспециализированного варианта, которые отличаются по последовательности аминокислот от обычных.
Как мы увидим, эти варианты, вкупе с удивительно большим разнообразием ковалентных модификаций, которыми могут быть дополнены гистоныв нуклеосомах, делают возможным все множество различных структур хроматина,которое требуется для функционирования ДНК в клетках высших эукариот.4.2.10. Нуклеосомы обладают динамичной структурой и часто подвергаются изменениям, катализируемым АТР-зависимыми комплексами перестройки хроматинаМногие годы биологи полагали, что, однажды сформировавшись в определенной позиции на ДНК, нуклеосома остается закрепленной за этим местом из-заочень прочного соединения между ее стержневыми гистонами и ДНК.
Будь этотак, это создало бы проблемы генетическим механизмам считывания, которые, впринципе, требуют быстрого доступа ко многим специфическим последовательностям ДНК, а также машинам транскрипции и репликации ДНК, которым нужнобыстро продвигаться по хроматину. Но кинетические исследования показывают, чтоДНК в отдельно взятой нуклеосоме разматывается с каждого конца со скоростьюприблизительно 4 раза в секунду и остается голой на 10–50 миллисекунд, после366Часть 2.
Основные генетические механизмыРис. 4.32. Модель 30-нм хроматиновой фибриллы типа гребенчатого соленоида. а) Изображения, накоторых использовано схематическое изображение нити с закодированными цветом нуклеосомами,чтобы показать, как образуется такой соленоид.
б) Схематическое изображение конечной структурына виде а. в) Структурная модель. Эта модель построена на основе полученной с помощью высокоразрешающей криоэлектронной микроскопии структуры нуклеосом, реконструированных из очищенныхгистонов и молекул ДНК определенной длины и последовательности. Как нуклеосомные октамеры,так и линкерный гистон (обсудим ниже) были использованы для получения регулярно повторяющихсяструктур, содержащих до 72 нуклеосом. (Переработано из P. Robinson, L. Fairall, V. Huynh and D. Rhodes,Proc. Natl Acad. Sci. USA. 103: 6506–6511, 2006. С любезного разрешения National Academy of Sciences.)чего частично развернутая структура вновь «закрывается» в нуклеосому. Такимобразом, бóльшая часть ДНК в выделенной нуклеосоме, в принципе, доступна длясвязывания с другими белками (рис.
4.28).Для находящегося в клетке хроматина явно необходимо дальнейшее ослаблениеДНК-гистоновых контактов, потому что клетки эукариот содержат большое разнообразие АТР-зависимых комплексов перестройки хроматина. В этих комплексахсубъединица, которая гидролизует ATP, эволюционно родственна ДНК-хеликазам(обсуждаемым в главе 5) и связывается как с белковым стержнем нуклеосомы, таки с двунитевой ДНК, намотанной на него. Используя энергию гидролиза ATP дляперемещения ДНК по стержню, эта субъединица временно изменяет структурунуклеосомы, ослабляя прикрепление ДНК к гистоновому стержню.
Посредствомповторяющихся циклов гидролиза ATP такие комплексы перестройки могут катализировать скольжение в нуклеосоме и, продвигая таким способом стержень нуклеосомы по двойной спирали ДНК, делают нуклеосомную ДНК доступной для другихбелков клетки (рис. 4.29). Кроме того, за счет кооперативного взаимодействия сотрицательно заряженными белками, которые выступают в роли гистоновых шаперонов, некоторые комплексы перестройки способны удалять из нуклеосомы либовесь стержень, либо часть его — катализируя либо замену гистонов H2A–H2B,либо полное удаление октамерного стержня из катушки ДНК (рис.
4.30).Клетки содержат десятки различных АТР-зависимых комплексов перестройки хроматина, которые специализируются на выполнении различных задач. Побольшей части это крупные белковые комплексы, которые могут содержать 10 иГлава 4. ДНК, хромосомы и геномы 367Рис. 4.33. Гипотетическая модель роли гистонных хвостов в образовании 30-нм фибрилл. а) На этойиллюстрации схематически показаны приблизительные точки выхода восьми гистонных хвостов (поодному от каждого гистонового белка), которые отходят от каждой нуклеосомы. Фактическая структурапредставлена в правой части рисунка. В полученной с высоким разрешением структуре нуклеосомыхвосты в значительной мере бесструктурны, что предполагает их чрезвычайную гибкость.
б) Гипотетическая модель, показывающая, как гистонные хвосты могут помогать упаковывать нуклеосомы в 30-нмфибриллы. Эта модель опирается 1) на экспериментальные данные, что гистонные хвосты способствуютформированию 30-нм фибрилл, и 2) на определенную с помощью рентгеновской кристаллографииструктуру нуклеосомы, в которой хвосты одной нуклеосомы находятся в контакте с гистоновым стержнемсоседней нуклеосомы в образованной ими кристаллической решетке.более субъединиц.
Деятельность таких комплексов подлежит тщательному управлению со стороны клетки. Когда гены включаются и выключаются, комплексыперестройки хроматина доставляются к определенным областям ДНК, в которыхони оказывают локальное действие на структуру хроматина (обсуждаем в главе 7;см. также рис. 4.46 далее).Как упоминалось ранее, для большинства последовательностей ДНК, находящихся в хромосомах, экспериментально показано, что нуклеосома может занять любую из множества позиций относительно последовательности ДНК.
Самоеважное влияние на расположение нуклеосомы, кажется, оказывает присутствие намолекуле ДНК других сильно связанных с ней белков. Некоторые связанные белки предпочитают формирование нуклеосомы «бок о бок» с ними. Другие создаютпрепятствия, которые вынуждают нуклеосому передвигаться в позицию «между368Часть 2. Основные генетические механизмыРис. 4.34. Как связующий гистон связывается с нуклеосомой. Показаны положение и структура глобулярной области гистона Н1. Как видно, эта область удерживает дополнительные 20 пар нуклеотидовДНК, где последняя отходит от стержня нуклеосомы. Связывание такого типа гистоном Н1, как думают,является важным для формирования 30-нм хроматинового волокна.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
