10. Молекулярна організація Хромосом

Типова довжина однієї молекули ДНК у клітинному ядрі – кілька сантиметрів (наприклад, у людини, середня довжина дорівнює ~5 см, найдовша молекула – майже 10 см). Зрозуміло, що полимери такої довжини мають бути компактизовані всередині ядра, яке має мікронні розміри, – молекули ДНК існують у ядрі не самі по собі, а у вигляді комплексів з білками. Розміщений в клітинному ядрі нуклеопротеїновий комплекс, до складу якого входить одна молекула ДНК та білки певних типів, називають хромосомою. Нуклеопротеїновий матеріал, з якого побудовані хромосоми, називають хроматином. Організація хроматину відрізняється наявністю ієрархії кількох структурних рівнів.

Головними структурними білками хроматину є гістони – білки двох класів, збагачені на позитивно заряджені амінокислотні залишки (загальна маса гістонів приблизно дорівнює масі ДНК). Крім гістонів до складу хроматину входять також численні негістонові білки (загальна маса яких приблизно дорівнює масі гістонів) – транскрипційні фактори, різноманітні ферменти, білки, що виконують специфічну структурну роль, тощо. На першому рівні структурної організації хроматину ДНК

формує за рахунок взаємодії з коровими гістонами (перший клас гістонів) елементарні утворення – нуклеосоми. Білковий компонент нуклеосоми (кор) складається з 8 молекул корових гістонів Н2А, Н2В, Н3 та Н4 – по дві молекули кожного типу. Октамерний комплекс гістонів має на своїй поверхні своєрідний трек позитивно заряджених амінокислотних залишків, який використовується для взаємодії з нуклеосомною ДНК довжиною145–147 пар основ: ДНК формує на поверхні октамера ~1,7 витка лівої суперспіралі (рис. 1, кольор. вст.). Нуклеосоми утворюються вздовж усієї ДНК хроматину із середньою щільністю 1 нуклеосома на ~200 пар основ, сусідні

нуклеосоми з'єднані міжнуклеосомними лінкерними ділянками. Нуклеосомна ДНК + лінкерна ділянка складають так звани нуклеосомний повтор, довжина якого варіює як уздовж полінуклеосомного ланцюга, так і в залежності від функціонального стану, типу клітин тощо. Характер розподілу нуклеосом уздовж геномної ДНК має важливе функціональнезначення: зрозуміло, що лінкерна ДНК є більш доступною для

зовнішніх регуляторних впливів.

Як показано на рис. 1, кольор. вст., кінцеві невпорядковані ділянки корових 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 негістонових білків. Така взаємодія гістонових хвостів з білками має важливі функціональні наслідки для

регуляції генної активності і залежить від численних посттрансляційних модифікацій хвостів.

З нуклеосомами в хроматині взаємодіють (не більше однієї

молекули на нуклеосому) лінкерні гістони (другий клас гістонів, представлений гістоном Н1 та його варіантами). Ця взаємодія додатково стабілізує нуклеосому та забезпечує "докручування" нуклеосомної ДНК приблизно до двох повних витків. Частинку, що складається з октамеру корових гістонів, однієї молекули гістона Н1 та ДНК довжиною 160–180 пар основ, називають хроматосомою. За рахунок взаємодії з ДНК невпорядкованих хвостів корових гістонів та лінкерних гістонів полінуклеосомна нитка конденсується із утворенням на другому рівні компактизації хроматину (рис. 1.1) так званої фібрили 30 нм (мається на увазі приблизний діаметр). На кожні 11 нм уздовж такої фібрили припадає зазвичай 11 нуклеосом. Таким чином, загальна довжина фібрили суттєво скорочується у порівнянні з контурною довжиною ДНК в її складі – до кількох

сотень мікронів

Фібрила 30 нм є основною формою існування хроматину та хромосом під час інтерфази – між клітинними поділами (див. нижче), тобто тоді, коли на ДНК відбуваються всі функціональні процеси. Але у хроматині існує значна гетерогенність за ступенем конденсації. З одного боку, передумовою активації окремих ділянок хроматину є часткова тимчасова деконденсація фібрили. Така структурна динаміка на рівні стабільності хроматинової фібрили, а також окремих нуклеосом, є найважливішим шляхом регуляції транскрипційної активності. З іншого боку, у репресованих ділянках

хроматинова фібрила може бути як додатково стабілізованою у 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). Гетерохроматинові зони було описано у цитологічних дослідженнях ще в 1928 році як зони клітинного ядра, що інтенсивно забарвлюються основними барвниками, і, відповідно, характеризуються підвищеною компактністю. Сьогодні під гетерохроматином частіше розуміють репресовані ділянки ДНК, де значно пригнічена транскрипція. Утворення гетерохроматину відбувається, в першу чергу, у ділянках, що

містять повтори – у центромерних, теломерних та суміжних прицентромерних і субтеломерних ділянках, зонах концентрації мобільних елементів (конститутивний гетерохроматин), а також у специфічних для даного типу клітин геномних зонах, де

забезпечується гарантована репресія генної активності (факультативний гетерохроматин). Додаткова компактизація гетерохроматину забезпечується особливими білками.

Специфічні білки рекрутуються і до зазначених вище особливих зон хромосомної ДНК: комплекс таких білків та теломерної ДНК на кінцях хромосоми називають теломерою, а білково- нуклеїновий комплекс, що утворюється на центромерній

ділянці, – центромерою. На наступному рівні структурної організації хроматинова

фібрила (принаймні її частина) формує петлі, кінці яких є жорстко закріпленими на ядерному матриксі – білкових скелетних філаментах ядра (рис. 1.1). Деякі петельні домени не є чітко детермінованими – петля в певній ділянці хроматину може утворюватись тільки в клітинах певного типу і бути постійною або виникати тимчасово у відповідь на регуляторні сигнали. Питання про те, наскільки розвинутою є мережа філаментів внутрішнього матриксу залишається недостатньо з'ясованим – можливо, ця мережа пронизує увесь простір ядра, можливо – являє собою лише окремі порівняно короткі білкові філаменти. Частина таких філаментів протягується всередину ядра від

периферійної частини матриксу – ламіни, існування якої та її роль у підтриманні цілісності ядра, а також взаємодія з нею петельних доменів хроматину, не викликають сумніву. На ламіні фіксується значна частина гетерохроматину, зокрема центромери та теломери хромосом. Еухроматинова частина хромосоми “звішується“ всередину ядра, де, можливо, взаємодіє з елементами внутрішнього матриксу. В результаті хромосома у вигляді хроматинової фібрили, вздовж якої чергуються еу- та гетерохроматинові ділянки, займає певну більш-менш чітко визначену зону в об'ємі ядра – хромосомну територію