ГЕНЕТИКА - Підручник - А.В. Сиволоб - 2008

РОЗДІЛ 1. Природа генетичного матеріалу

СТРУКТУРНА ОРГАНІЗАЦІЯ ДНК у КЛІТИНАХ

Структура хроматину

На першому рівні організації хроматину ДНК формує за рахунок взаємодії з білками елементарні утворення - нуклеосоми. Білковий компонент нуклеосоми (кор) складається з восьми молекул корових гістонів Н2А, Н2В, Н3 і Н4 - по дві молекули кожного типу (див. структуру димеру Н2А-Н2В, який є компонентом кора, на рис. 1.7, а). Октамерний комплекс гістонів має на своїй поверхні своєрідний трек позитивно заряджених амінокислотних залишків, який використовується для взаємодії з нуклеосомною ДНК довжиною 145 пар основ: ДНК утворює на поверхні октамера ~1,7 витка лівої суперспіралі (рис. 1.11).

Рис. 1.11. Структура нуклеосоми у двох проекціях.

Зображення створено за допомогою програми UCSF Chimera, код структури у Protein Data Bank 1KX5

У хроматині вся ДНК формує нуклеосоми із середньою щільністю одна нуклеосома на 200 пар основ, сусідні нуклеосоми з'єднані міжнуклеосомними лінкерними ділянками. Нуклеосомна ДНК разом із лінкерною ділянкою становлять так званий нуклеосомний повтор,

довжина якого варіює як уздовж полінуклеосомного ланцюга, так і залежно від функціонального стану, типу клітин тощо. Характер розподілу нуклеосом уздовж геномної ДНК має важливе функціональне значення: зрозуміло, що лінкерна ДНК є більш доступною для зовнішніх регуляторних впливів.

Як показано на рис. 1.11, кінцеві невпорядковані ділянки гістонів (хвости) виходять за межі нуклеосоми. Завдяки своїй структурній лабільності вони беруть участь в організації хроматину на наднуклеосомному рівні, а також відіграють важливу роль платформи для зв'язування різноманітних білків. Така взаємодія з білками має важливі функціональні наслідки для регуляції генної активності й залежить від посттрансляційних модифікацій хвостів - приєднання певних хімічних груп до певних амінокислотних залишків: ацетилювання, фосфорилювання, метилювання та деяких інших. Співвідношення між характером модифікацій і набором білків, які впізнають певний розподіл модифікованих груп по хвостах, називають гістоновим кодом.

Лінкерні ділянки, якими з'єднані сусідні нуклеосоми, продовжують хід нуклеосомної ДНК по прямій: у результаті нуклеосоми у складі полінуклеосомної нитки розташовані зиґзаґом (рис. 1.12). За рахунок взаємодії з ДНК невпорядкованих хвостів корових гістонів і молекул п'ятого гістона - гістона Н1 (одна молекула на нуклеосому) - полінуклеосомний зиґзаґ конденсується з утворенням так званої фібрили діаметром 30 нм - другого рівня компактизації хроматину.

Фібрила діаметром 30 нм є основною формою хроматину під час інтерфази - періоду між клітинними поділами. Однак у хроматині існує значна гетерогенність за ступенем конденсації. З одного боку, передумовою активації окремих ділянок хроматину є деконденсація фібрили. З іншого, - у репресованих ділянках хроматинова фібрила може бути як додатково стабілізованою в компактному стані, так і піддаватися компактизації більш високого порядку. Частина хроматину, що зберігає стан підвищеної компактизації протягом інтерфази, називається гетерохроматином (решта хроматину, де в принципі може відбуватися активація транскрипції, позначається як еухроматин). Утворення гетерохроматину здійснюється головним чином у ділянках, що містять повтори - у центромерах, теломерах та суміжних перицентромерних і субтеломерних ділянках, зонах концентрації мобільних елементів.

Рис. 1.12. Зиґзаґоподібна конфігурація полінуклеосомної нитки

На наступному рівні структурної організації у клітинному ядрі хроматинова фібрила формує петлі, кінці яких жорстко закріплені на скелетних білкових структурах клітинного ядра - ядерному матриксі (рис. 1.13). Одна петля, що містить від 20 до 200 тис. пар основ ДНК (один або кілька генів) часто розглядається як важливий елемент регуляції процесів транскрипції та реплікації. Із білками матриксу взаємодіють ділянки ДНК довжиною від 300 до 1 тис. пар основ - ділянки, асоційовані з матриксом (MAR, Matrix AssociatedRegions).

Ядерний матрикс - це система білкових філаментів, яка формує структурний каркас ядра. На периферії ядра розташована особлива частина матриксу, асоційована із внутрішньою ядерною мембраною - ядерна ламіна. Від ламіни всередину ядра протягнуті філаменти внутрішнього ядерного матриксу. З ламіною взаємодіє значна частина гетерохроматину, зокрема центромери й теломери хромосом. Еухроматинова частина хромосоми "звисає" всередину ядра, де хроматинові петлі закріплюються на внутрішній частині матриксу. У результаті хромосома займає певну зону в об'ємі ядра - хромосомну територію.

Рис. 1.13. Схема петельної організації хроматину