Елонгація рнк-полімерази через хроматин

Рис. 6.22. Проходження мономерної РНК-полімерази бактеріофага SP6 через нуклеосому.

Описані вище зміни у структурі хроматину стосуються ініціації транскрипції. На стадії елонгації нуклеосома також має створювати суттєві перешкоди для проходження РНК-полімерази. При цьому хроматин, навіть у межах активних генів, в цілому зберігає нуклеосомну структуру, хоча й спостерігається збіднення на гістон Н1. В експериментах in vitro наявність нуклеосом у складі матриці значно гальмує транскрипцію. У той же час, швидкість транскрипції in vivo практично така сама, як in vitro на вільній ДНК. Отже, мають існувати особливі механізми, що забезпечують “прозорість” нуклеосом для РНК-полімерази у клітинному ядрі.

На модельній системі in vitro, що містила мономерну РНК-полімеразу бактеріофага SP6 та коротку (227 пар основ) ДНК-матрицю з однією позиційованою нуклеосомою, було показано, що гістоновий октамер переноситься як ціле на ділянку позаду полімерази (рис. 6.22). При цьому октамер ніколи не втрачає повністю свого контакту з ДНК: у процесі переносу спостерігаються інтермедіати, які нагадують проміжні структури з петлею ДНК на поверхні октамера при ремоделюванні нуклеосом (порівн. рис. 6.17 та 6.22).

За аналогічним механізмом із переносом октамера здійснюється проходження через нуклеосому еукаріотичної РНК-полімерази ІІІ.

Що стосується РНК-полімерази ІІ, її проходження через хроматин супроводжується частковим руйнуванням нуклеосом попереду полімерази та їх відновленням позаду:

• В ядрах клітин спостерігається досить швидкий, транскрипційно-залежний обмін гістонів Н2А та Н2В між хроматином та ядерним пулом гістонів.

• Нуклеосоми, які транскрибуються РНК-полімеразою ІІ, тимчасово збіднені на гістони Н2А та Н2В.

• Видалення димера гістонів Н2А-Н2В РНК-полімеразою ІІ було продемонстровано на модельній системі in vitro.

Взагалі, у порівнянні з РНК-полімеразами ІІІ та бактеріофага SP6, для РНК-полімерази ІІ нуклеосома є значно більш вагомою перешкодою. З цього випливають два наслідки. По-перше, нуклеосомний бар’єр може використовуватися для регуляції експресії генів шляхом зниження швидкості елонгації за рахунок пауз у роботі полімерази на нуклеосомах. По-друге, наявність нуклеосомного бар’єру зумовлює необхідність спеціальних механізмів полегшення елонгації транскрипції.

Швидкість транскрипції усіх РНК-полімераз залежить від іонної сили: в умовах низької іонної сили нуклеосома гальмує проходження полімерази (SP6) або повністю зупиняє її (РНК-полімераза ІІ); підвищення іонної сили до рівня, трохи вищого за фізіологічний (наприклад, 300 мМ), призводить до зростання швидкості транскрипції. Зрозуміло, що підвищення іонної сили знижує спорідненість гістонів до ДНК і, тим самим, певною мірою дестабілізує нуклеосому. Роль трошки підвищеної, у порівнянні з фізіологічною, іонної сили можуть відігравати in vivo фактори елонгації транскрипції, які працюють як проміжні переносники гістонів (див. рис. 4.11).

Описано кілька факторів елонгації, що прискорюють роботу РНК-полімерази ІІ:

• Elongator – мультибілковий комплекс, одна з субодиниць якого є гістон-ацетилтрансферазою. Комплекс взаємодіє з РНК-полімеразою ІІ і здійснює ацетилювання гістонів під час елонгації транскрипції.

• FACT (FAcilitates Chromatin Transcription) – складається з двох субодиниць, одна з яких є HMGB-подібним білком. FACT має підвищену спорідненість до димерів гістонів Н2А-Н2В – виконує роль проміжного переносника димерів, забезпечуючи їх видалення з нуклеосом попереду полімерази та повернення до хроматину позаду.

• Spt6 – проміжний акцептор зі споріденістю до гістонів Н3-Н4.

У хроматині є також інші переносники гістонів. Крім того, АТР-залежні комплекси ремоделювання хроматину також виконують роль факторів, що сприяють елонгації транскрипції.

Проходження РНК-полімерази (як і будь-якого іншого ферменту, що здійснює транслокацію вздовж ДНК) за умов жорсткого закріплення кінців матриці (основ хроматинової петлі) має створювати позитивну надспіралізацію попереду та негативну – позаду полімеразного комплексу (див. рис. 3.24). Надспіралізація в процесі транскрипції виникає в зв’язку з тим, що обертальний рух РНК-полімеразного комплексу навкруг подвійної спіралі значно загальмований внаслідок масивності комплексу, в тому числі – присутності у його складі довгого ланцюга РНК, що синтезується. У результаті при трансляційному русі полімерази ДНК змушена обертатися навкруг своєї осі, що призводить до торсійного перекручування дуплекса попереду полімерази і, відповідно, еквівалентного розкручування – позаду.

Рис. 6.23. Залежна від рівня активності транскрипції структура хроматину в транскрипційно-активних ділянках.

Позитивна надспіралізація дестабілізує ліву суперспіраль нуклеосомної ДНК попереду полімерази, що сприяє дії проміжних переносників гістонів. І навпаки – негативна надспіралізація позаду полімерази сприяє ефективному відновленню нуклеосом.

Завдяки описаних механізмів (які ще далеко не з'ясовані остаточно) в еукаріотичних клітинах здійснюється ефективна елонгація транскрипції при збереженні нуклеосомної структури навіть у транскрипційно-активних ділянках. Проте, присутність нуклеосом залежить від рівня транскрипційної активності – числа РНК-полімераз, що одночасно працюють на певному гені. Якщо ген є гіперактивним, ДНК може бути недоступною для гістонових комплексів, які залишаються на проміжних акцепторах (рис. 6.23).