Б. Альбертс, А. Джонсон, Д. Льюис и др. - Молекулярная биология клетки (djvu) (1129766), страница 71
Текст из файла (страница 71)
' 'пгстсйом'На ' Рис. 4.51. Модель прямого наследования центромерного гетерокроматина. а) Нормальная сборка хром агина на двух дочерних спиралях ДНК, осуществляемая в репли «ецио иной вилке, требует помещения димеров Н2А-Н2В в тетрамеры НЗ-Н4, наследуемые напрямую, а также сборки новых гисгоновых октамеров (см.
подробности на рис. 5.ЗВ). б) В центромере наследование тетрамеров «разновидность НЗ-Н4» служит затравкой для формирования новых гистоновых октамерав, которые, таким образом, содержат разновидносгь гистона НЗ. Подобный процесс затравки может привести к наследованию смежных блоков центромерного гетерохроматина (содержащих гистон НЗ, диметилированный по лизину 4; см. рис. 4.50).
Хотя подробности не известны, в процесс затравки„вероятно, вовлечены и другие центромерные белки, которые наследуются наряду с нуклеосомами (см. рис. 4.52). Есть некоторые поразительиые подобия между формированием и поддержа вием цеитромер и формированием и поддержанием других областей гетерохро матица. В частности, полноценная цеитромера 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, напрямую наследуется вместе с самой ДИК в каждом цикле репликации хромосомы. 4.3.1О. г тРУИтУРЕ4 ХРОМатр(НИ ОБУСПОВПВГВакгт УНИКВПЬНЬГЕ СИОЙСтва х)ЗОмосом вука(зиот Хотя многое еще остается неизученным в функциях различных структур хроматииа, упаковка ДИК в нуклеосомы была, вероятно, определяющим шагом в эволюции эукариот наподобие иас с вами. Появление сложных миогоклеточных организмов, казалось бы, возможно только в том случае, если клетки в различ.
иых последовательностях клеточных поколений будут специализироваться путем изменения доступности и быстроты реагирования многих сотен генов для нужд генетического считывания. Как будет описано в главе 22, каждая клетка сохранит память о своей прошлой истории развития в цепях регуляции, которые управляют многими ее генами. Хотя бактериям тоже нужны механизмы памяти клетки, сложнгтсть запо минающих цепей, необходимых высшим зукариотам, беспрецедентна.
Упаковка избранных областей геномов зукариот в различные формы хроматина делает возможным существование механизма памяти клетки такого типа, который не до ступен бактериям. Фундаментальная особенность атой уникальной для зукариот формы регулирования генов — хранение памяти о состоянии гена на основе «ген за геном», а именно в форме локальных структур хроматина, которые могут со храняться в течение различных отрезков времени.
На одном полюсе находятся структуры наподобие центромерного гетерохроматина, которые устойчиво на следуются от одного поколения клеток к следующему (см. рис. 4.51). Имеющие много общего с ними механизмы, которые по аналогии основаны на прямом на следовании родительских форм хроматина дочерними спиралями ДНК позади репликационной вилки, как думают, отвечают за другие типы конденсированного хроматина (рис. 4.52). Например, постоянно заглушенный, классический тип гетерохроматина содержит белок НР1, тогда как конденсированный хроматин, который охватывает важные регуляторные гены, связанные с развитием.
поддср гвтерохроматиновые белки нуклеосомы мадификаййя гистонов гвтерохроматин аухраматин ДУБЛИРОВАНИЕ ХРОМОСОМЫ гч г К СООТВЕТСТВЕННО МОДИФИЦИРОВАННЫМ ГИСТОНАМ ПРИСОЕДИНЯЮТСЯ НОВЫЕ ГЕТЕХРОМАТИНОВЫЕ БЕЛКИ гетерохроматин аухроматин гвтврохроматин вухроматин Рис. 4.$2. Как упаковка ДНК в хроматине может быть унаследована в ходе репликации кромосомы. В этой модели некоторые из специализированных компонентов хроматина распределяются по всем дочерним хромосомам после удвоения ДН К, наряду со специально помеченными нуклеосома ми, которые они связывают.
После репликации ДНК унаследованные нуклеосомы, которые модифицированы особым образом, действуя совместно с унаследованными компонентами хроматина, изменяют картину модификации гистонов в недавно сформированных дочерних нуклеосомах в близлежащей к ним области. Зто создает новые участки связывания для тех же компонентов хроматина, которые сюда собираются и завершают структуру. Последний процесс, вероятно, вовлекает комплексы «чтения-записи-перестройки», работающие по схеме, подобной представленной ранее на рис. 4.4б. Рис. 4.53.
Принципиальная схема памяти клетки, хранимой в виде основанной на хроматине эпигенетичесиой информации в генах эуяариот. Гены в клетках эухариот могут быть упакованы в большое разнообразие различных струнтур хроматина, обозначенных здесь разными цветами. По крайней мере некоторые из таких структур хроматина оказывают на экспрессию генов особое воздействие, которое может быть напрямую унаследовано в виде эпигенетичесхой информации при делении клетки. Зто позволяет части регулирующих гены белков, которые обусловливают различные состояния генов, действовать только единожды, поскольку состояние запоминается после того, хах регуляторный белок ушел.
Зпигенетичесхая информация может сохраняться тахже в сетях сигнальных молекул, которые управлвот экспрессией генов (см. Рис. 7.88) специфи хромат структур петли обратной связи, поддерживающие хроматиновые ч- —— живается группой белков ро!усогпЬ. Гетерохро матин последнего типа заглушает большое число генов, которые кодируют регуляторные белки генов на ранних этапах развития зародыша, охватывая в общем около 2 процентов генома человека, и удаляется, только когда каждый индивидуальный ген необходим развивающемуся организ му (обсудим в главе 22).
Хотя существуют и другие типы наследуемых структур хроматина, еще не совсем ясно, сколько вообще имеется их различных типов: это число определенно может превышать 10 (см. разд. 4А.З). Фундаментальное значение этого механизма для различения разных генов схематично представлено на рпс. 4.6>3. Другие формы хроматина могут иметь более короткий жизненный цикл, намного меньп>ий, чем время деления клетки; однако для многих характерно удивительное постоянство, которое помогает опосредствовать биологическую функцию.
Заиии>чемми Несмотря на однородность сборки хромосомной ДИК в нуклеосомах, в организмах эукариот возможно большое разнообразие различных структур хролатина. В основе этого разнообразия лежит большой набор обратимых ковалентных модификаций всех четырех гистонов, составляющих стержень нуклеосомы. Эти модификации включают лоно, ди и триметилирование многих различных боковых цепей лизина — очень важная реакция, которая не совлесп>има с ацетилированием тех же лизинов.
Определенные комбинации лодифг»кацис)' «помечают» каждую нуклеосому «гисто>говым кодом». Гисто новый код считывается, когда белковые модули, которые являются шгстью более крупного белкового комплекса, связываются с лодгсфицированными ну клеосомали в области хромаптна. После этого такие код считываюгцие белки привлекая>т дополнительные белки, которые катсглизируют биолог>»чески значичые функции. Некоторые комплексьс код считывающих белков содержат лодифицирующигс гистоны фермент, такой как гистонметилаза, который «записывает» ту же метку, что опознал «чгппатель» кода. Комплекс «чтенгся записи перестройки». 4.4.
Глобальная структура хромосом 357 такого тгта 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, но может 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 дочерними спиралями ДНК, образованными в репликационной вилке; и подобный этому механизм„кажется, отвечает за поддержание специализированного хроматина в центромерах. Если смотреть шире, способность передавать определенные структуры хроматина от одного поколения клеток следующему обеспечивает основу эпигенетического процесса памяти клетки, который, по всей вероятности, является определяюще важным для поддержания сложного набора различных состояний клетки, необходимых сложным многоклеточным организмам.
4.4. Глобальная структура хромосом Рассмотрев молекулы ДН К и белка, из которых образуется 30-нм хроматиновое волокно, мы обратимся к организации хромосомы в более глобальном масштабе. В виде 30-нм волокна типичная хромосома человека все еще была бы О,1 см в длину, то есть более чем в 100 раз длиннее ядра клетки. Ясно, что должен существовать еще более высокий уровень укладки, даже в интерфазных хромосомах. Хотя моле кулярная основа такой упаковки более высокого порядка все еще в значительной мере остается тайной, она почти наверняка заключается в свертывании 30-нм волокна в ряд петель и катушек.
Такая упаковка хроматина неустойчивая и часто изменяется в ответ на потребности клетки. Мы начнем с описания некоторых необычных шггерфазных хромосом, которые могут быть легко изображены, поскольку некоторые особенности этих исключительных случаев, как думают, являются характерными для всех интерфазных хромосом. Более того, они представляют уникальное средство исследования некоторых фундаментальных вопросов о структуре хроматина, поставленных в предыдущем параграфе. Затем мы опишем, как типичная интерфазная хромосома устроена в ядре клетки, сосредоточив внимание на клетках человека. Наконец, мы завершим наш обзор обсуждением дополнительного десятикратного уплотнен~и, которому интерфазные хромосомы подвергаются во время процесса митоза.
4.4Л. Хромосомы свернуты в крупные петли хроматина Представление о структуре хромосом в интерфазных клетках было получе но в ходе исследований плотных и распростертых спаренных в мейозе хромосом в растущих сюцитах (незрелых яйцеклетках) земноводных. Эти очень необычные хромосомы типа ламповой щетки (наибольшие из известных хромосом) ясно видны даже в световой микроскоп, где они имеют вид организованного ряда больших петель хроматина, отходящих от линейной оси хромосомы (рис.
4.54). Организация хромосомы типа ламповой щетки показана на рис. 4.55. Всякая отдельно взятая петля всегда содержит одну и ту же последовательность ДНК и на всем протяжении роста ооцита остается развернутой в одной и той же степени. в) )оо мкм 20 мкм Рис. 4.54. Хромосомы типа ламповой щетки. а) Полученный на световом микроскопе микрофотоснимок хромосом типа ламповой щетки в ооците земноводного На ранних стадиях дифференцировки ооцита каждая хромосома реплицируется, чтобы начать мейоз, и гомологичные реплицированные хромосомы спариваются и образуют эту протяженную структуру, содержащую в целом четыре молекулы' реплицированной ДНК, или хроматиды. Стадия ламповой щетки сохраняется в хромосоме в течение многих месяцев или лет, пока ооцит создает запас материалов, требующихся для его окончательного развития в новую особь. б) Увеличенная область подобной хромосомы, окрашенной флуоресцентным реактивом, который позволяет ясно различить петли, на которых происходит синтез РНК (Снимки любезно предоставлены Ь 6, ба! Ц Такие хромосомы производят больнгие количества РНК для ооцита, и большинство генов, расположенных в петлях ДНК, активно экснрессируются.
Однако болыпая часть ДНК находится не в петлях, а остается в высококонденсированной форме в хролгомерах на оси, где гены, как правило, не экснрессируются. Думают, что ингерфазные хромосомы всех эукариот подобным образом орса низованы в виде петель.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
