Sivolob_A_V__Afanasyeva_K_S_Molekulyarna_organ

11

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 званий 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 функціональне значення: зрозуміло, що лінкерна ДНК є більш доступною для зовнішніх регуляторних впливів.

Як показано на рис. 1.1, 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.

Рис. 1.1. Загальний вигляд поверхні (код PDB 1KX5) та схема структури нуклеосоми.

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

12

"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. 1.2) 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

13

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 білковонуклеїновий комплекс, що утворюється на центромерній ділянці, – центромерою.

Ядерна оболонка

Хроматинова Ламіна і фібрила (30 нм) ядерний матрикс

ДНК

Нуклеосома Лінкер

Ядерна пора

Хромосомна

територія

Рис. 1.2. Рівні структурної організації хроматину в інтерфазному ядрі.

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. 1.2). 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.

14

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 еута гетерохроматинові ділянки, займає певну більш-менш чітко визначену зону в об'ємі ядра – хромосомну

територію.

Удеяких клітинах (різноманітні тканини личинок комах, клітини трофобласту у ссавців, клітини зародкового міхура у рослин тощо) присутні хромосоми особливого типу, які є виключенням зі сформульованого вище визначення хромосоми

–вони містять не одну, а кілька сотень або навіть тисяч ідентичних молекул ДНК (і, відповідно, хроматинових фібрил 30 нм, зв'язаних між собою по всій довжині). Ці молекули ДНК накопичуються в результаті багаторазової реплікації без наступних клітинних поділів. Такі хромосоми, що їх називають політенними, мають гігантські розміри і є видимими в оптичний мікроскоп постійно. Біологічна роль політенії ймовірно пов’язана з високою метаболічною активністю певних клітин.

Упереважній більшості еукаріотичних клітин в процесі підготовки до клітинного поділу відбувається однократна реплікація ДНК і, відповідно, подвоєння диплоїдного набору хромосом. Взагалі всі клітини багатоклітинного організму в процесі свого розвитку проходять ряд послідовних стадій – клітинних циклів – від одного поділу до іншого. Клітинний цикл складається з двох великих періодів – інтерфази (періоду між двома поділами) та власне поділу (мітозу). Інтерфаза, в свою

15

чергу, поділяється на 3 фази – пресинтетичну (G1, від англ. gap – проміжок), синтетичну (S) та постсинтетичну (G2) (рис. 1.3).

Рис. 1.3. Схема клітинного циклу.

Кожна стадія інтерфази характеризується певним набором подій, які необхідні для того, щоб клітина вступила до поділу: фактично, для клітин, які активно діляться, інтерфаза – період постійної підготовки до поділу. Ключовим моментом при цьому є подвоєння молекул ДНК для того, щоб при поділі кожна дочірня клітина отримала по одному диплоїдному набору хромосом. Власне процес реплікації ДНК відбувається під час S- фази і триває в середньому 10–12 годин. Синтез усіх білків, необхідних для цього процесу, відбувається в G1-фазі (синтез гістонів – одночасно з реплікацією в S-фазі). Під час G2-фази синтезуються і накопичуються усі елементи, необхідні для клітинного поділу. Мітоз розділяють на чотири етапи (профаза, метафаза, анафаза, телофаза), у процесі яких відбувається каріокінез (поділ ядра) та цитокінез (наприкінці телофази – поділ цитоплазми з утворенням двох дочірніх клітин). Клітини, які остаточно диференційовані і більше не вступають до поділу, виходять із циклічного процесу і знаходяться на стадії G0 (саме

16

на цій стадії усі клітини багатоклітинного організму виконують притаманні їм функції). Стадія G0 закінчується, як правило, програмованою загибеллю клітини. У процесі розвитку статевих клітин останній клітинний цикл закінчується не мітозом, а мейозом – клітинним поділом, в результаті якого утворюються чотири клітини з гаплоїдними наборами хромосом.

Отже, в процесі реплікації ДНК під час S-фази кожна хромосома (у стані хроматинової фібрили) перетворюється на дві ідентичні дочірні хромосоми, які залишаються зв'язаними між собою за рахунок білок-білкових взаємодій. Після цього у профазі мітозу за участі особливих білків починається надкомпактизація хромосом: компактні мітотичні хромосоми мають зазвичай витягнуту форму в середньому довжиною порядку кількох мікронів (іноді до 50 мкм) та діаметром близько 1 мкм, і стають видимими в оптичний мікроскоп (ядерце при цьому, навпаки, зникає). Єдине значення процесу надкомпактизації хромосом полягає в тому, щоб забезпечити швидке переміщення хромосом у процесі клітинного поділу – надкомпактна мітотична хромосома, ДНК у складі якої є функціонально неактивною, являє собою щільно упаковану “ порцію“ спадкової інформації. Одночасно з компактизацією хроматинової фібрили “ розчиняється“ ядерний конверт.

Плече хромосоми

Центромера

Хроматиди

Рис. 1.4. Схема морфології мітотичних хромосом до (ліворуч) та після (праворуч) розходження хроматид (дочірніх хромосом).

18

На перших стадіях мітозу зберігається зв'язок між дочірніми хромосомами в зоні центромер за допомогою спеціальних білків. Саме у такому надкомпактному стані хромосоми були відкриті та вперше описані, при цьому вважалося, що хромосома складається з двох половин – хроматид. Цей термін широко використовується і досі, але слід розуміти, що хроматиди – це просто дві копії материнської хромосоми, що утворились унаслідок реплікації ДНК. У процесі мітозу (під час анафази) зв'язок між центромерами руйнується, і веретено поділу забезпечує розходження дочірніх хромосом до полюсів клітини. У дочірніх клітинах знову формуються ядерні оболонки навкруг хромосом, а хромосоми декомпактизуються – переходять у стан хроматинової фібрили.

Рекомендована література

Сиволоб, А.В. Молекулярна біологія. – К.: Видавничополіграфічний центр "Київський університет", 2008.

Alberts, B., Johnson, A., Lewis, J. et al. Molecular biology of the cell. – N.Y. : Garland Science, 2007.

Brown T.A. Genomes. – N.Y. : Garland Science, 2002.

Chromatin structure and gene expression: frontiers in molecular biology / eds. S. Elgin, J.L. Workman. – Oxford : O xford University Press, 2002.

Chromatin structure and dynamics: state-of-the-art. New Comprehensive Biochemistry / eds. J. Zlatanova, S.H. Leuba. Amsterdam : Elsevier, 2004. – Vol. 39.

Cook, P.R. Principles of nuclear structure and function. – N. Y. : Wiley-Liss, 2001.

Kornberg, R. Chromatin structure: a repeating unit of histones and DNA // Science. – 1974. –Vol. 184. – P. 868-871 .

Lodish, H., Berk, A., Zipursky, L.S. et al. Molecular cell biology.

– New York : W.H. Freeman and Company, 2007.

Samner, A.T. Chromosomes: organization and function. – Oxford : Blackwell Science, 2003.

19

van Holde, K.E. Chromatin. – N.Y. : Springer-Verlag, 1988. Wolffe, A.P. Chromatin structure and function. – San Diego :

Acadamic Press, 1999.

20

Розділ 2. Структурні білки хроматину

Структурна організація хроматину залежить від взаємодії з ДНК білків, що входять до його складу. У цьому розділі розглянуто структуру та властивості загальних неспецифічних білків, які відіграють основну роль в організації нуклеосом та хроматинової фібрили.

2.1. Корові гістони

До категорії корових – таких, які визначають структуру нуклеосоми – відносяться чотири гістони: Н2А, Н2В, Н3 та Н4. Ці білки є одними з найбільш еволюційно консервативних за амінокислотною послідовністю. В той самий час, гістони є мішенями численних посттрансляційних модифікацій, що створює значну гетерогенність у хроматині за різними формами гістонів щодо модифікацій. Крім того, поряд із "канонічними" гістонами (що розглядаються у підпідрозд. 2.1.1), в хроматині всіх еукаріотів існує кілька більш спеціалізованих гістонових варіантів (підпідрозд. 2.1.3)

2.1.1. Структура корових гістонів. Амінокислотні послідовності "канонічних" корових гістонів представлено на рис. 2.1. Слід відмітити дві загальні характеристики цих послідовностей:

∙Гістони відрізняються підвищеним вмістом позитивно заряджених амінокислотних залишків Lys та Arg. У складі гістонів Н3 та Н4 (так звана аргінін-збагачена група) вміст Arg становить 13,3 та 13,7 % відповідно, Lys – 9,6 та 10,8 %. У складі гістонів Н2А та Н2В (помірно лізин-збагачені гістони) відповідні відсотки Arg дорівнюють 9,3 та 6,4, Lys – 10,9 та 16. Відношення кількості позитивних залишків до кількості негативних дорівнює для гістонів Н2А, Н2В, Н3 та Н4 1,4; 1,7; 1,8 та 2,5 відповідно.

∙Амінокислотні залишки різних типів розподілені вздовж ланцюгів нерівномірно – гідрофобні залишки зосереджені в С- кінцевих та центральних частинах молекул, на N-кінцях їх