Том 1 (1129743), страница 80
Текст из файла (страница 80)
Каждый блок состоит изболее тысячи нуклеосом. б) Модель организации двух типов центромерногогетерохроматина. Как и у дрожжей,нуклеосомы, которые содержат разновидность гистона H3, формируют кинетохор. в) Расположение центромерногои прицентромерного гетерохроматинана метафазной хромосоме человека;изображение получено с помощью флуоресцентной микроскопии с использованием тех же антител, что и на изображении а. (Переработано из B. A. Sullivanand G.H. Karpen, Nut. Struct. Mol.
Biol. 11:1076–1083, 2004. С любезного разрешения Macmillan Publishers Ltd.)388Часть 2. Основные генетические механизмыРис. 4.51. Модель прямого наследования центромерного гетерохроматина. а) Нормальная сборкахроматина на двух дочерних спиралях ДНК, осуществляемая в репликационной вилке, требует помещения димеров H2A–H2B в тетрамеры H3–H4, наследуемые напрямую, а также сборки новых гистоновыхоктамеров (см. подробности на рис.
5.38). б) В центромере наследование тетрамеров разновидностиH3–H4 служат затравкой для формирования новых гистоновых октамеров, которые, таким образом,содержат разновидность гистона H3. Подобный процесс затравки может привести к наследованиюсмежных блоков центромерного гетерохроматина (содержащих гистон H3, диметилированный по лизину 4; см.
рис. 4.50). Хотя подробности не известны, в процесс затравки, вероятно, вовлечены и другиецентромерные белки, которые наследуются наряду с нуклеосомами (см. рис. 4.52).4.3.9. Структуры хроматина наследуются напрямуюЧтобы объяснить вышеупомянутые наблюдения, было высказано предположение о том, что для формирования центромеры de novo требуется первоначальноесобытие – затравка, – суть которого заключается в формировании специализированной ДНК-белковой структуры, содержащей нуклеосомы, образованные приучастии разновидности CENP-A гистона H3.
У человека такое событие затравкипроисходит легче в массивах α-сателлитной ДНК, чем в других последовательностяхДНК. Тетрамеры H3–H4 от каждой нуклеосомы на родительской спирали ДНКнапрямую наследуются дочерними спиралями ДНК в репликационной вилке (см.рис. 5.38). Поэтому, как только набор содержащих CENP-А нуклеосом собран наотрезке ДНК, легко понять, как новая центромера может далее формироваться — втом же самом месте на обеих дочерних хромосомах после каждого цикла деленияклетки (рис.
4.51).Пластичность центромер может давать им важное эволюционное преимущество.Мы увидели, что хромосомы эволюционируют частично за счет событий разрыва ивоссоединения (см. рис. 4.18). Многие из таких событий дают хромосомы с двумяГлава 4. ДНК, хромосомы и геномы 389Рис. 4.52. Как упаковка ДНК в хроматине может быть унаследована в ходе репликации хромосомы.В этой модели некоторые из специализированных компонентов хроматина распределяются по всемдочерним хромосомам после дублирования ДНК, наряду со специально помеченными нуклеосомами,которые они связывают.
После репликации ДНК унаследованные нуклеосомы, которые модифицированы особым образом, действуя совместно с унаследованными компонентами хроматина, изменяюткартину модификации гистонов в недавно сформированных дочерних нуклеосомах в близлежащей кним области. Это создает новые участки связывания для тех же компонентов хроматина, которые сюдасобираются и завершают структуру. Последний процесс, вероятно, вовлекает комплексы «чтения-записиперестройки», работающие по схеме, подобной представленной ранее на рис. 4.46.Рис.
4.53. Принципиальная схема памяти клетки, хранимойв виде основанной на хроматине эпигенетической информации в генах эукариот. Гены в клетках эукариот могут бытьупакованы в большое разнообразие различных структур хроматина, обозначенных здесь разными цветами. По крайнеймере некоторые из таких структур хроматина оказывают наэкспрессию генов особое воздействие, которое может бытьнапрямую унаследовано в виде эпигенетической информациипри делении клетки. Это позволяет части регулирующих геныбелков, которые обусловливают различные состояния генов,действовать только единожды, поскольку состояние можетбыть запомнено после того, как регуляторный белок ушел.Эпигенетическая информация может сохраняться также всетях сигнальных молекул, которые управляют экспрессиейгенов (см. рис.
7.86).390Часть 2. Основные генетические механизмыцентромерами или же фрагменты хромосом вообще без центромер. Хотя редко, ноинактивация центромер и их способность активироваться de novo может позволитьнедавно сформированным хромосомам поддерживать центромеры в устойчивомсостоянии и таким образом облегчать процесс эволюции хромосомы.Есть некоторые поразительные подобия между формированием и поддержаниемцентромер и формированием и поддержанием других областей гетерохроматина. Вчастности, полноценная центромера образуется, в сущности, как «все или ничего»,что предполагает в высшей степени кооперативное присоединение белков после события затравки.
Более того, будучи сформирована, эта структура, кажется, напрямуюнаследуется вместе с самой ДНК в каждом цикле репликации хромосомы.4.3.10. Структуры хроматина обусловливают уникальные свойствахромосом эукариотХотя многое еще остается неизученным в функциях различных структурхроматина, упаковка ДНК в нуклеосомы была, вероятно, определяющим шагомв эволюции эукариот наподобие нас с вами. Появление сложных многоклеточныхорганизмов, казалось бы, возможно только в том случае, если клетки в различных последовательностях клеточных поколений будут специализироваться путемизменения доступности и быстроты реагирования многих сотен генов для нуждгенетического считывания.
Как будет описано в главе 22, каждая клетка сохранитпамять о своей прошлой истории развития в цепях регуляции, которые управляютмногими ее генами.Хотя бактериям тоже нужны механизмы памяти клетки, сложность запоминающих цепей, необходимых высшим эукариотам, беспрецедентна. Упаковкаизбранных областей геномов эукариот в различные формы хроматина делает возможным существование механизма памяти клетки такого типа, который не доступенбактериям. Фундаментальная особенность этой уникальной для эукариот формырегулирования генов — хранение памяти о состоянии гена на основе «ген за геном»,а именно в форме локальных структур хроматина, которые могут сохраняться втечение различных отрезков времени.
На одном полюсе находятся структуры наподобие центромерного гетерохроматина, которые устойчиво наследуются от одногопоколения клеток к следующему (см. рис. 4.51). Имеющие много общего с нимимеханизмы, которые по аналогии основаны на прямом наследовании родительскихформ хроматина дочерними спиралями ДНК позади репликационной вилки, какдумают, отвечают за другие типы конденсированного хроматина (рис. 4.52). Например, постоянно заглушенный, классический тип гетерохроматина содержитбелок HP1, тогда как конденсированный хроматин, который охватывает важныерегуляторные гены, связанные с развитием, поддерживается группой белков polycomb.
Гетерохроматин последнего типа заглушает большое число генов, которыекодируют регуляторные белки генов на ранних этапах развития зародыша, охватывая в общем около 2 процентов генома человека, и удаляется, только когда каждыйиндивидуальный ген необходим развивающемуся организму (обсудим в главе 22).Хотя существуют и другие типы наследуемых структур хроматина, еще не совсемясно, сколько вообще имеется их различных типов: это число определенно можетпревышать 10 (см.
стр. 238). Фундаментальное значение этого механизма для различения разных генов схематично представлено на рис. 4.53.Другие формы хроматина могут иметь более короткий жизненный цикл, намно-Глава 4. ДНК, хромосомы и геномы 391го меньший, чем время деления клетки; однако для многих характерно удивительноепостоянство, которое помогает опосредствовать биологическую функцию.ЗаключениеНесмотря на однородность сборки хромосомной ДНК в нуклеосомах, ворганизмах эукариот возможно большое разнообразие различных структурхроматина. В основе этого разнообразия лежит большой набор обратимыхковалентных модификаций всех четырех гистонов, составляющих стерженьнуклеосомы.
Эти модификации включают моно-, ди- и триметилированиемногих различных боковых цепей лизина — очень важная реакция, котораяне совместима с ацетилированием тех же лизинов. Определенные комбинациимодификаций «помечают» каждую нуклеосому «гистоновым кодом». Гистоновый код считывается, когда белковые модули, которые являются частьюболее крупного белкового комплекса, связываются с модифицированными нуклеосомами в области хроматина. После этого такие код-считывающие белкипривлекают дополнительные белки, которые катализируют биологическизначимые функции.Некоторые комплексы код-считывающих белков содержат модифицирующийгистоны фермент, такой как гистонметилаза, который «записывает» ту жеметку, что опознал «читатель» кода.
Комплекс «чтения-записи-перестройки»такого типа может распространять определенную форму хроматина по хромосоме на большие расстояния. В частности, большие области конденсированного гетерохроматина, как думают, образуются именно таким образом.Гетерохроматин обычно встречается вокруг центромеры и около теломер, номожет присутствовать также и во многих других позициях хромосом.
Плотная упаковка ДНК в гетерохроматине обычно заглушает гены в его пределах.Явление мозаичного эффекта положения представляет хорошее доказательство прямого наследования конденсированных форм хроматина дочернимиспиралями ДНК, образованными в репликационной вилке; и подобный этомумеханизм, кажется, отвечает за поддержание специализированного хроматинав центромерах. Если смотреть шире, способность передавать определенныеструктуры хроматина от одного поколения клеток следующему обеспечиваетоснову эпигенетического процесса памяти клетки, который, по всей вероятности, является определяюще важным для поддержания сложного набора различныхсостояний клетки, необходимых сложным многоклеточным организмам.4.4. Глобальная структура хромосомРассмотрев молекулы ДНК и белка, из которых образуется 30-нм хроматиновоеволокно, мы обратимся к организации хромосомы в более глобальном масштабе.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
