Уровни компактизации днк. Хромосома и хроматин

ДНК составляет лишь половину объёма хромосом. Всё остальное - оболочка неизвестной функциональности

• Научно-популярное ,
• Биотехнологии

В школе нас учили, что в ядре каждой клетки содержатся нитевидные структуры под названием хромосомы, в которых хранятся гены - единицы наследственности, расположенные в линейном порядке. Гены закодированы в составе макромолекулы ДНК. Но всё не так просто, как кажется.

С самого момента своего открытия в 1882 году хромосомы подверглись тщательному и пристальному изучению, в том числе с помощью оптических и электронных микроскопов. Удивительно, но учёным до сих пор не удаётся чётко понять, как организована их структура.

Десятилетиями учёные концентрировали свои усилия на исследовании, в основном, хроматина. Это основное функциональное вещество хромосом, представляющее собой комплекс ДНК, РНК и белков. Именно в составе хроматина происходит реализация генетической информации, а также репликация и репарация ДНК.

Одна из главных загадок - как происходит упаковка (фолдинг) хроматина. Долгое время предполагали, что упаковка происходит случайным образом, но в последнее время появились другие теории. Некоторые учёные предполагают, что упаковка происходит по образцу расплава полимера . Есть мнения, что хромосомы проходят через цепочку взаимосвязанных процессов упаковки, от винтовой навивки вокруг нуклеосомы , до соленоидального 30 нм волокна, а затем к спирали большего размера . В конце концов, есть третий класс теорий, которые предполагают, что хромосомы состоят из петель хроматина, сдерживаемых негистонными белками .

Последняя из перечисленных моделей структуры хромосомы в последнее время получила дополнительное подтверждение. В 2013 году продвинутые методы микроскопии наглядно показали, каким образом в ядре клетки образуется линейная матрица из хроматиновых петель (см. работу Натальи Наумовой из Университета Массачусетса с коллегами, опубликованную в журнале Science ). На видео более показано, как происходит самоорганизация хромосом.

Организация митотических хромосом (сопроводительный материал к статье Натальи Наумовой с коллегами 2013 года)

После открытия структуры ДНК долгое время полагали, что бактериальная хромосома представляет собой чистую ДНК в виде двойной спирали. Однако позднее выяснилось, что хромосома прокариот содержит в своей структуре примерно 20% белков. Их роль - обеспечить определенную компактизацию и прикрепление ДНК к оболочке бактерии. В настоящее время белки прокариотической хромосомы известны. Показано, что мутации в соответствующих генах не приводят к заметным фенотипическим проявлениям. По-видимому, роль этих белков вспомогательная, и они могут заменять друг друга в создании определенной структуры. Таким образом, прокариоты, в отличие от эукариот, не имеют высокоспециализированной системы организации хромосомы.

Хромосома эукариот состоит в основном из белков (50-60%) и ДНК, с незначительным количеством молекул РНК (до 10% от количества ДНК). Белки можно подразделить на гистоновые (половина или большая доля белков хромосомы) и негистоновые. В свою очередь гистоновые белки, доля которых в структуре хромосомы составляет до 80%, делятся на 5 основных классов: НЗ, Н4, Н2А и Н2В и Н1. Негистоновые белки (по большей части кислые, в отличие от гистонов) представлены большим количеством различных видов. Показано, что все они участвуют в образовании структур надмолекулярного уровня.

Хромосомная ДНК эукариотической клетки упакована исключительно компактно. Например, самая маленькая хромосома человека - 22, содержит примерно 4.6*107 п.н., что соответствует длине 1,4 см. Во время митоза эта хромосома укорачивается до 2 мкм, т.е. становится в 7000 раз компактнее. Очевидно, чтобы достичь такой плотности упаковки и сохранить эффективность основных генетических процессов (как правило, связанных с локальной распаковкой), структура хромосомы должна иметь несколько уровней организации. Вещество хромосомы - хроматин. В этом термине подчеркивается способность вещества хромосомы к окрашиванию, видимое уже на стадии интерфазы. Химическая структура хроматина различается подлине хромосомы, а сам хроматин претерпевает различные уровни своей упаковки от интерфазы до метафазы клеточных делений.

Существуют две наиболее известные модели, объясняющие механизм упаковки хроматина. Согласно одной из них, наиболее известной в зарубежной литературе, нить ДНК претерпевает пять уровней компактизацни от 2 нм (ее собственный диаметр) до 1400 нм (высококонденсированная метафазная хромосома). Низшим уровнем иерархической организации хромосом считается нуклеосомный. Нуклеосома состоит из кора (сердцевины, стержня) и намотанной на негоДНК(146 п.н„ 1,8 витка). Кор представляет собой гистоновый октамер Н2А, Н2В, НЗ, Н4 (по две молекулы каждого). Хроматин на этой стадии имеет вид «бусин» (глобул диаметром 11 нм), нанизанных на «нить» (молекулярную ДНК). Такая структура обеспечивает компактизацию примерно в 6--7 раз. Вторая ступень компактизации - формирование хроматиновой фибриллы диаметром 30 нм. В этом процессе участвует гистон HI, который связывается с ДНК между нуклеосомными корами и сворачивает нуклеосомную фибриллу в спираль, наполобие соленоида, с шагом в 6-8 нуклеосом. Уровень компактизации на этом этапе достигает примерно 40.

Третий этап -- петельно-доменный -- наиболее сложный. Соленоидная фибрилла складывается, образуя петли различной длины. Общий уровень компак-тизации возрастает до 1000, но, очевидно, может различаться в различных районах хромосомы. Диаметр такой структуры в среднем составляет 300 нм., по-видимому, она наиболее типична для интерфазной хромосомы.

На четвертом этапе компактизации 300 нм-фибриллы дополнительно сворачиваются, образуя хроматиды диаметром примерно 600-700 нм.

Последняя, пятая, ступень компактизации (в 7000 раз) характерна для метафазной хромосомы; ее диаметр равен 1400 нм. Известна и другая схема компактизации хроматина, предложенная Ю.С. Ченцовым. Она основана на данных световой и электронной микроскопии. Согласно этой модели первым уровнем также является нуклеосомный. На втором этапе 8-Ю нуклеосом образуют глобулу, называемую нуклеомером. Ряд сближенных нуклсомеров формируют 20-30-нанометровую фибриллу. Третий уровень - хромомерный. Петли фибрилл ДНП, скрепленные негистоновыми белками, образуют розетковидные структуры. На четвертом - хромонемном уровне происходит их сближение с образованием структур, состоящих из петлевых доменов. Предполагается, что на следующем, пятом, уровне компактизации, характерном для хроматид, происходит спиральная укладка хромонемных нитей.

1) Нуклеосомный – на этом уровне двойная спираль ДНК наматывается на белковый комплекс, содержащий 8 молекул гистонов – белков с повышенным содержанием положительно заряженных аминокислотных остатков лизина и аргинина. Это гистоны Н2В, Н2А, Н4 и Н3. Образуется структура диаметром 11 нм, напоминающая бусы на нитке. Каждая «бусина» – нуклеосома содержит около 150 пар нуклеотидов. Нуклеосомный уровень даёт укорочение молекулы ДНК в 7 раз. При репликации этот уровень упаковки снимается, а при транскрипции нуклеосомы сохраняются.

2) На втором уровне нуклеосомы сближаются с помощью гистона Н1, в результате чего образуется фибрилла диаметром 30 нм. Сокращение линейного размера ДНК происходит в 6-10 раз. Этот уровень упаковки, как и первый, не зависит от первичной структуры ДНК.

3) Петлевой уровень. Обеспечивается негистоновыми белками. Они узнают определённые последовательности ДНК и связываются с ними и друг с другом, образуя петли по 20-80 тыс. п.н. Укорочение за счет петель проходит в 20-30 раз. Типичная хромосома млекопитающих может содержать до 250 петель.

4) Метафазная хромосома. Перед делением клетки молекулы ДНК удваиваются, петли укладываются в стопки, хромосома утолщается и видна в световой микроскоп. На этом уровне упаковки каждая хромосома состоит из двух хроматид. Каждая из хроматид содержит по одной молекуле ДНК.

Функции ДНК.

1. ДНК является носителем генетической информации . Функция обеспечивается фактом существования генетического кода.

2. Воспроизведение и передача генетической информации в поколениях клеток и организмов . Функция обеспечивается процессом репликации .

3. Реализация генетической информации в виде белков, а также любых других соединений, образующихся с помощью белков-ферментов. Функция обеспечивается процессами транскрипции и трансляции .

Непосредственно из структуры ДНК вытекает механизм её точного воспроизведения (репликации). В основе репликации структуры ДНК лежит принцип комплементарности : в двойной спирали две полимерные цепи ДНК связаны друг с другом за счёт образования пар Г – Ц, Ц – Г, А – Т, Т – А. Если две цепи двойной спирали расходятся, то на каждой из них может строиться новая комплементарная цепь – напротив Г исходной цепи установится Ц новой цепи, напротив Ц старой цепи – Г новой цепи, напротив А – Т, а напротив Т – А. В результате получатся две дочерние двойные спирали, полностью идентичные исходной – материнской.

Рибонуклеиновые кислоты повсеместно распространены в живой природе. Биологическая функция РНК обусловлена тем, что они обеспечивают реализацию в клетке наследственной информации, которая передаётся с помощью ДНК.

В клетке существует три главных типа РНК: информационная РНК (иРНК), рибосомная РНК (рРНК) и транспортная РНК (тРНК).

РНК – полинуклеотид, похожий на ДНК, но имеющий свои особенности.

1) Углевод в РНК представлен рибозой, имеющей во втором положении углеродного атома гидроксильную группу.

2) В отличие от ДНК молекулы всех трех типов РНК одноцепочечные, что является одной из важных особенностей РНК. Кроме того, отличительной особенностью РНК является то, что для неё не характерно устойчивое спиральное строение.

3) В РНК содержатся 4 азотистых основания – аденин, цитозин, гуанин и урацил.

Выделяют следующие общие принципы строения всех видов РНК:

1) РНК – одноцепочечный полинуклеотид.

2) РНК формирует вторичную структуру – набор коротких спиральных участков, которые образуются за счёт антипараллельного комплементарного спаривания смежных отрезков цепи.

3) РНК способна образовывать третичную структуру за счёт дальних комплементарных взаимодействий внутри цепи и межспиральных взаимодействий.

4) Высокополимерная РНК способна сворачиваться в компактные частицы.

5) РНК обладает значительной конформационной подвижностью.

Молекулы ДНК в эукариотических клетках очень велики. Так, длина молекул ДНК, выделенных из клеток человека, достигает нескольких сантиметров. Принято считать, что каждая эукариотическая хромосома содержит одну - единственную непрерывную молекулу ДНК. Учитывая видовое количество хромосом у млекопитающих, можно сказать, что в среднем у них на интерфазное ядро приходится около 2 м ДНК, находящейся в сферическом ядре диаметром менее 10 мкм. При этом в ядре должен сохраняться определенный порядок расположения молекул ДНК, чтобы обеспечить ее упорядоченное функционирование.

Молекулы ДНК в ядрах эукариотических клеток всегда находятся в комплексе с белками в составе хроматина, который образуется из хромосом после окончания деления ядер в результате сложного процесса раскручивания (деспирализации) хромосом.

На долю белков приходится около 60% сухого веса хроматина. Белки в его составе очень разнообразны. Обычно их разделяют на две группы: гистоны и негистоновые белки. Именно гистоны, характерные только для эукариотических клеток, осуществляют первые этапы упаковки ДНК, очень схожие у большинства изученных объектов. На долю гистонов приходится до 80% всех белков хроматина. Их взаимодействие с ДНК происходит за счет ионных связей и не зависит от последовательности нуклеотидов в составе молекулы ДНК. Гистоны не отличаются большим разнообразием. Это глобулярные белки, представленные 5-7 типами молекул. Наиболее известны следующие классы гистонов: HI, Н2А, Н2В, НЗ и Н4. Их основные свойства определяются относительно высоким содержанием основных аминокислот: лизина и аргинина (рис. 3.7). Положительные заряды на аминогруппах указанных аминокислот обеспечивают электростатическую связь гистонов с отрицательными зарядами на фосфатных группах ДНК. Из всех ядерных белков гистоны изучены наиболее хорошо. Их молекулярная масса относительно невелика (максимальная - у гистона НЗ - 153 тыс. даль-тон). Практически у всех эукариот они обладают сходными свойствами и подразделяются на одни и те же классы. Из исследованных эти белки наиболее консервативны: их аминокислотные последовательности близки даже у отдаленных видов. Исключение составляют гистоны HI, для которых характерны значительные межвидовые и межтканевые вариации. В процессе жизнедеятельности клеток гистоны могут подвергаться посттрансляционным модификациям, что изменяет их свойства и способность связываться с ДНК. Гистоны синтезируются в

Рис. 3.8. Схема расположения ДМК и гистонов в нуклеосоме

цитоплазме, переносятся в ядро и связываются с ДНК во время ее репликации в S-периоде клеточного цикла. Включившиеся в хроматин гистоны очень стабильны и имеют низкую скорость обмена.

Присутствие гистонов во всех эукариотических клетках, их сходство даже у очень отдаленных видов, обязательность в составе хромосом и хроматина - все это говорит о чрезвычайно важной роли этих белков в жизнедеятельности клеток. Этапным событием в изучении упаковки ДНК в составе хроматина стало открытие нуклеосом - частиц, в которых происходит первый этап упаковки ДНК в хроматине. Сердцевина нуклеосомы всегда консервативна, содержит восемь молекул: по две молекулы гистонов Н4, НЗ, Н2А, Н2В. По поверхности сердцевины располагается участок ДНК из 146 нуклеотидных пар, образующий 1,75 оборота вокруг сердцевины. Небольшой участок ДНК остается несвязанным с сердцевиной, он называется линкером (рис. 3.8). В разных объектах линкерный участок может варьировать от 8 до 114 нуклеотидных пар на нуклеосому. Рассчитано, что на весь гаплоидный геном человека (3 × 10 9 пар оснований) приходится 1,5 × 10 7 нуклеосом. Общий вид хроматина, представленного молекулой ДНК, упакованной с помощью нуклеосомных структур, можно сравнить с бусами на нитке (рис. 3.9). Нуклеосомы способны к самосборке при наличии в пробирке ДНК и гистонов в определенном соотношении. Первый нуклео-сомный уровень компактизации ДНК увеличивает плотность упаковки ДНК в 6-7раз.

В следующий этап упаковки нуклеосомная структура хроматина вовлекается с помощью гистона HI,

Рис. 3.9. Электронная микрофотография эукариотического хроматина,
на которой видны нуклеосомы, соединенные тяжами свободной ДНК

который связывается с линкерной частью ДНК и поверхностью нуклеосомы. Благодаря сложному взаимодействию всех компонентов возникает упорядоченная структура спирального типа, которую часто называют соленоидом (рис. 3.10). Она повышает компактность ДНК еще в 40 раз. Поскольку соленоидная структура имеет сниженную способность связываться с белками, обеспечивающими транскрипцию, то считается, что этот уровень компактизации ДНК может играть роль фактора, инактивирующего гены. Некоторые авторы рассматривают соленоидную структуру как один из возможных вариантов упаковки хроматина с помощью гистона HI и полагают

вероятным существование и других морфологических вариантов, например, нуклеомер, или сверхбусин (рис. 3.11).

Более высокие уровни компактизации ДНК в хроматине связаны с негистоновыми белками. На их долю приходится около 20% всех белков хроматина. Эту сборную группу белков отличает широкий спектр свойств и функций. Всего фракция негистоновых белков объединяет около 450 индивидуальных белков, свойства и конкретные функции которых еще не достаточно изучены. Выяснено, что некоторые из них специфично связываются с определенными участками ДНК, в результате чего фибриллы хроматина в местах связывания ДНК с негистоновыми белками образуют петли. Таким образом, более высокие уровни упаковки ДНК в составе хроматина обеспечиваются не спирализацией нитей хроматина, а образованием поперечной петлистой структуры вдоль хромосомы (рис. 3.12). На всех указанных этапах компактизации ДНК хроматин представлен в активной форме, в нем происходит транскрипция, синтез всех типов молекул РНК. Такой хроматин называют эухроматином. Дальнейшая упаковка хроматина ведет к переходу его в неактивное состояние с образованием гетерохроматина. Этот процесс связан со спирализацией групп петель и образованием из фибрилл хроматина розеткоподобных

Рис. 3.12. Петлеобразная и хромомерная компактизация хроматина

структур, которые обладают оптической и электронной плотностью и называются хромомерами (рис. 3.12). Предполагается, что вдоль хромосомы расположено большое количество хромомер, соединенных между собой в единую структуру участками хроматина с нуклеосомной или соленоидной упаковкой ДНК. Каждая пара гомологичных хромосом имеет свой хромомерный рисунок, который можно выявить с помощью специальных методов окрашивания при условии спирализации хроматина и перехода его в состояние хромосом.

Петельно-розеточная структура хроматина обеспечивает не только упаковку ДНК, но и организует функциональные хромосом, поскольку в своих основаниях петли ДНК связаны с негистоновыми белками, в состав которых могут входить ферменты репликации, обеспечивающие удвоение ДНК, и ферменты транскрипции, благодаря которым происходит синтез всех типов РНК.

Участки ДНК, упакованные в виде гетерохроматина, могут иметь двоякую природу. Различают два типа гетерохроматина: факультативный и конститутивный (структурный). Факультативный гетерохроматин представляет собой участки генома, временно инактивированные в тех или иных клетках. Примером такого хроматина служит половой гетерохроматин инактивированной Х-хромосомы в соматических клетках женщин. Структурный гетерохроматин во всех клетках постоянно находится в неактивном состоянии и, вероятно, выполняет структурные или регуляторные функции.

Молекулы ДНК в эукариотических хромосомах очень велики. Длина молекул ДНК, выделенных из клеток дрозофилы, достигает 1,2 см, и принято считать, что каждая эукариотическая хромосома содержит одну-единственную непрерывную молекулу ДНК. Упаковка таких огромных молекул в ядрах клеток является основной функцией гистонов, белков, характерных именно для эукариотических клеток.

Основная структурная единица эукариотической клетки - это нуклеосома (рис. 4.18). Нуклеосома содержит по две молекулы каждого из четырех гистонов, Н2А, Н2В, НЗ и Н4, соединенных в форме октамера. Каждый октамер связан с последовательностью из примерно 200 нуклеотидных пар длиной около 700 А. Точное взаимное расположение

4. Природа генетического материала 117

гистона и ДНК в нуклеосоме неизвестно, но считается, что ДНК каким-то образом наматывается на октамеры гистона. Нуклеосома имеет диаметр около 100 Å, и таким образом ДНК в нуклеосоме должна быть сложена примерно всемеро. Другой гистон, HI, обеспечивает связь между нуклеосомами, последовательность которых образует подобие винта (рис. 4.19). Диаметр этого винта (называемого соленоидом) составляет по одним оценкам около 300 Å, по другим -около 500 Å. Это различие, вероятно, обусловлено тем, что для приготовления электронно-микроскопических препаратов использовали разные методы. Если принять диаметр соленоида равным 300 Å, то упаковка последовательности нуклеосом в форме соленоида дает дополнительное уменьшение линейных размеров структуры в целом еще в 6 раз. В интерфазных хромосомах сам соленоид закручен винтом, образуя при этом полую трубку диаметром около 2000 Å, что дает очередное сокращение линейных размеров содержащей ДНК структуры еще примерно в 18 раз (рис. 4.20).

Переход от интерфазной хромосомы к метафазной хроматиде, вероятно, связан с еще одним аналогичным закручиванием теперь уже трубки диаметром в 2000 Å в винтовую структуру диаметром около 6000 Å (рис. 4.20). Эта общая схема организации ДНК в ядрах клеток игнорирует различия в степени спирализации, которые почти наверняка существуют между теми участками хромосом, которые участвуют в синтезе РНК и репликации ДНК, и теми, которые в этих процессах не участвуют. Кроме того, гетерохроматиновые участки хромосом более компактны, чем эухроматиновые. В любом случае ДНК в ядрах эукариотических клеток образует иерархическую систему спиралей, основной единицей которой является нуклеосома.

Хромосомы прокариотических клеток представляют собой кольцевые молекулы ДНК; у Е. coli длина кольца составляет 10 7 Å, т.е. около 1 мм. Эта огромной длины кольцевая нить помещается в клетке