Кіріспе

Эукариоттық жасушалардағы ДНК мен белок кешені

Хроматин – эукариоттық жасушаларда табылған ДНК мен белок кешені. Оның басты қызметі – ұзын ДНК молекулаларын ықшамданып, тығыз құрылымдарға жинақтау. Бұл жіптердің араласып түйіліп қалуына кедерес жасайды, сондай-ақ жасуша бөліну кезінде ДНК-ны нығайтуға, ДНК зақымдануын алдын алуға және ген экспрессиясы мен ДНК репликациясын реттеуде маңызды рөл атқарады. Митоз бен мейоз кезінде хроматин анафазада хромосомалардың дұрыс бөлінуін қамтамасыз етеді; осы кезеңде көрінетін хромосомалардың ерекше пішіні – ДНК-ның жоғары конденсацияланған хроматинге оралуының нәтижесі. Хроматиннің негізгі белок құрауы – гистондар. Төрт гистон ядросынан (гистон H2A, гистон H2B, гистон H3 және гистон H4) тұратын екі жиынтықтың октамері ДНК-ға байланысып, жіптерді орап тұру үшін «тіреу» қызметін атқарады. Жалпы алғанда, хроматин ұйымдастыруының үш деңгейі бар:

ДНК гистон белоктарының айналасын оралып, нуклеосомаларды және «тізбектей моншақтар» құрылымын (эухроматин) құрайды. Көптеген гистондар өздерінің ең ықшам түріндегі (гетерохроматин) нуклеосома тізбектерінен тұратын 30 нанометрлік талшыққа оралады. 30 нм талшықтың жоғары деңгейдегі ДНК суперспиралы метафазалық хромосоманы (митоз бен мейоз кезінде) құрайды. Дегенмен, көптеген организмдер бұл ұйымдастыру схемасына сәйкес келмейді. Мысалы, сперматозоидтар мен құстардың қызыл қан жасушалары эукариоттық жасушаларға қарағанда хроматинді тығыз жинақтайды, ал трипаносоматидтар өз хроматиндерін ешқандай хромосомаларға конденсацияламайды. Прокариоттық жасушаларда ДНК-ны ұйымдастыру үшін мүлдем басқа құрылымдар бар (прокариоттық хромосома эквиваленті генофор деп аталады және нуклеоид аймағында орналасқан). Хроматин желісінің жалпы құрылымы жасуша циклының сатысына байланысты өзгереді. Интерфаза кезінде хроматин РНК мен ДНК полимеразаларының ДНК-ны транскрипциялауы мен көшіруіне қол жеткізу үшін құрылымдық жағынан бос болады. Интерфаза кезінде хроматиннің жергілікті құрылымы ДНК-дағы нақты гендерге байланысты. Белсенді транскрипцияланатын («қосылған») гендері бар ДНК аймақтары РНК полимеразалармен тығыз байланысты болып, эухроматин деп аталатын құрылымды құрайды, ал белсенді емес гендері бар («өшірілген») аймақтар көбінесе конденсацияланып, гетерохроматиндегі құрылымдық белоктармен байланысады. Хроматиндегі метилирлеу және ацетилирлеу арқылы құрылымдық белоктардың эпигенетикалық модификациясы жергілікті хроматин құрылымын және, демек, ген экспрессиясын өзгертеді. Хроматин құрылымы туралы білімдеріміз шектеулі және бұл молекулалық биологиядағы белсенді зерттеу саласы болып табылады.

Хроматиннің динамикалық құрылымы мен иерархиясы

Хроматин жасуша циклы барысында әртүрлі құрылымдық өзгерістерге ұшырайды. Гистон ақуыздары хроматиннің негізгі жинақтаушы және реттеушілері болып табылады және хроматин жинақталуын өзгерту үшін әртүрлі посттрансляциялық модификацияларға түсуі мүмкін (гистон модификациясы). Көбінесе өзгерістер гистон құйрықтарында жүзеге асады. Оң зарядталған гистон ядролары ДНК фосфат тізбегінің теріс зарядын толыққанды тепе-теңдемейді, нәтижесінде жалпы құрылымның теріс таза заряды қалыптасады. Полимердегі зарядтың тепе-теңдігі бұзылуы көршілес хроматин аймақтары арасында электростатикалық итергішке (реплюссияға) алып келеді, бұл оң зарядталған ақуыздармен, молекулалармен және катиондармен өзара әрекеттесуді күшейтеді. Осы модификациялар орын алғанда, хроматиннің айналасындағы электростатикалық орта өзгереді және хроматиннің тығыздығы өзгеріп отырады. Поликомб тобының ақуыздары хроматин құрылымын модуляциялау арқылы гендерді реттеуде маңызды рөл атқарады. Толық ақпарат алу үшін Хроматин варианттары, Хроматинмен реттелудегі гистон модификациялары және Хроматин құрылымы арқылы РНК полимеразаның бақылауы туралы қараңыз.

ДНҚ құрылымы

Табиғатта ДНК үш құрылымда болуы мүмкін: А, В және Z ДНК. А және В ДНК өте ұқсас, оң жақ спиральдар құрайды, ал Z ДНК – зигзаг тәрізді фосфат тірекшесі бар сол жақ спираль. Z ДНК хроматин құрылымы мен транскрипцияда ерекше рөл атқарады деп саналады, себебі В және Z ДНК арасындағы қосылыстың қасиеттеріне байланысты. В және Z ДНК қосылысында бір жұп негіз қалыпты байланыстан шығып тұрады. Бұл көптеген ақуыздармен танылатын орын және РНК полимераза немесе нуклеосома байланысынан туындайтын бұрылу стресін сіңіретін орын болып қызмет етеді. ДНК негіздері аденин (А), гуанин (G), цитозин (С) және тимин (Т) сияқты төрт химиялық негізден тұратын кодтық құрылым ретінде сақталады. ДНК-ның химиялық құрылымының реті мен тізбегі адам ағзаларын құру және басқару үшін қолжетімді ақпарат ретінде көрінеді. А мен Т және С мен G жұптасып, ДНК негіз жұбын құрайды. Қант және фосфат молекулалары да осы негіздермен жұптасып, ДНК нуклеотидтерін екі ұзын спиральды жіпке біріктіреді, олар "қос спираль" деп аталады. Эукариоттарда ДНК жасуша ядросынан тұрады және ДНК мұрагерлік механизміне күш пен бағыт береді. Сонымен қатар, екі ДНК-ның азотты байланыстары арасында гомогенді байланыстар қалыптасады.

Нуклеосомалар және баудағы бұрандалар

Хроматиннің негізгі қайталану элементі – нуклеосома, ол ДНК-ның байланыстыратын бөліктері арқылы байланысқан, ерітіндідегі таза ДНК-ға қарағанда әлдеқайда қысқа орналасқан. Негізгі гистондардан басқа, нуклеосомадағы ДНК-ның шығу/кіру нүктесімен байланысатын H1 байланыстыратын гистоны бар. Нуклеосоманың негізгі бөлшегі, H1 гистонымен бірге хроматосома деп аталады. Нуклеосомалар, шамамен 20-дан 60-қа дейінгі базалық жұптар байланыстыратын ДНК-мен, физиологиялық емес жағдайларда, шамамен 10 нм-лік моншақтар тізбегін құрай алады. Нуклеосомалар ДНК-ны ерекшеленбей байлайды, бұл олардың ДНК-ны жалпы жинақтаудағы функциясы үшін қажет. Алайда, нуклеосомалардың орналасуын анықтайтын ДНК тізбектерінің айқын қалаулары бар. Бұл, ең алдымен, әртүрлі ДНК тізбектерінің физикалық қасиеттерінің өзгешелігіне байланысты: мысалы, аденин (А) және тимин (Т) ішкі тар ойықтарға жақсырақ жиналады. Бұл нуклеосомалардың ДНК-ның спиральді қайталануында (шамамен 10 базалық жұп) А және Т базаларының ішкі тар ойықтағы саны максималды болу үшін ДНК бұрылып, әр 10 базалық жұптан кейін бір орынға артықшылықпен байланыса алатынын білдіреді. (Нуклеин қышқылының құрылымын қараңыз.)

Митоздағы 30 нм хроматин талшығы

H1 қосылғанда, митоз кезінде «жұмыс бау» құрылымындағы бөлшектер 30 нм диаметрлі спиральді құрылымға жиырылуы мүмкін, бұл 30 нм талшық немесе жіпше деп аталады. Клетка ішіндегі хроматин талшығының нақты құрылымы толыққанды белгісіз. Хроматин құрылымының бұл деңгейі гетерохроматин түрі деп саналады, онда көбінесе транскрипциялық белсенділігі жоқ гендер орналасқан. Электрондық микроскопия зерттеулері 30 нм талшықтың жоғары динамикалық екенін көрсетті, ол транскрипциямен айналысатын РНК полимеразасымен кесіп өткенде, «жұмыс бау» құрылымындағы 10 нм талшыққа айналады. Қазіргі модельдерде нуклеосомалар талшықтың осіне перпендикуляр орналасқан, ал байланыстырушы гистондар ішкі жағынан орналасады. 30 нм талшықтың тұрақтылығы ДНҚ бойымен нуклеосомалардың реттелген орналасуына байланысты. Линкерлік ДНҚ иілуге және бұрылуға салыстырмалы түрде төзімді. Бұл ДНҚ-ның ұзындығын талшықтың тұрақтылығы үшін маңызды етеді, яғни нуклеосомалар ДНҚ-ға артық стресс тудырмай, айналуға және қажетті бағытта бүгілуге мүмкіндік беретін ұзындықтармен бөлінуі керек. Осы тұрғыдан алғанда, линкерлік ДНҚ-ның әртүрлі ұзындығы хроматин талшығының әртүрлі бүгілу топологиясын құруы керек. Жақында жүргізілген теориялық зерттеулер, қайта құрылған талшықтардың электрондық микроскопиялық суреттеріне негізделген, осы көзқарасты қолдайды.

ДНҚ циклдері

ChIP seq (Хроматин иммунопреципитациясы) хроматинді анықтаудың кеңінен қолданылатын әдісі ретінде танылған. Ол "гистондар, гистондардың қайта құрылуы, транскрипциялық факторлар және кофакторлар" сияқты ақуыздармен белсенді түрде таңдап алатын, анықтайтын және біріктіретін антиденелерді қолданады. Бұл хроматиннің жағдайы мен геннің транскрипциясы туралы мәліметтерді "олигонуклеотидтерді" кесу арқылы қамтамасыз етеді. Хроматин иммунопреципитациясының әр түрлі гистондық модификацияларға қарсы секвенирлеуі геномдағы хроматиннің күйін анықтау үшін пайдаланылуы мүмкін. Хроматиннің әртүрлі күйіне әртүрлі модификациялар байланысты. DNase seq (DNase I гиперсенсивті сайттарды секвенирлеу) геномдағы ашық немесе қол жетімді аймақтарды картаға түсіру үшін геномдағы қол жетімді аймақтардың DNase I ферментіне сезімталдығын пайдаланады. FAIRE seq (Formaldehyde Assisted Isolation of Regulatory Elements sequencing) екі фазалы бөліну әдісімен геномнан нуклеосомалық жетіспейтін аймақтарды алу үшін ақуызға байланған ДНК-ның химиялық қасиеттерін қолданады. ATAC seq (Транспозабельді қолжетімді хроматинді секвенирлеуге арналған әдіс) Tn5 транспозазасын (синтетикалық) транспозондарды геномның қолжетімді аймақтарына енгізу үшін пайдаланады, нәтижесінде геном бойынша нуклеосомалар мен транскрипция факторларының орналасуын көрсетеді. ДНК ізін анықтау – ақуызға байланған ДНК-ны анықтауға бағытталған әдіс. Ол белокпен байланған геномның аймақтарын анықтау үшін гельдік электрофорезбен біріктірілген таңбалау мен фрагментацияны қолданады. MNase seq (Микрококк нуклеазасының тізбектеуі) микрококк нуклеаза ферментін геном бойынша нуклеосомалардың орналасуын анықтау үшін пайдаланады. Хромосомалық конформацияны түсіру физикалық тұрғыдан өзара әрекеттесетін геномдық орындарды анықтау арқылы ядродағы хроматиннің кеңістіктік ұйымдастырылуын анықтайды. MACC профилі (Микрококк нуклеазасының қолжетімділік профилі) хроматиннің қолжетімділігін анықтау үшін микрококк нуклеазасымен хроматиннің титрленген қоспаларын пайдаланады, сондай-ақ нуклеосомалар мен геномның ашық және жабық аймақтарындағы гистон емес ДНК-мен байланысатын белоктарды картаға түсіреді.

Хроматин және түйіндер

Қалай интерфазалық хромосомалар деконденсацияланған күйде түйінсіз қалатыны – жұмбақ болып келді. Табиғи күтілім – екі тізбекті ДНК аймақтарының бір-бірінен өтуіне мүмкіндік беретін II типті ДНК топоизомеразаларының қатысуында барлық хромосомалар топологиялық тепе-теңдікке жетуі керек. Хромосомалық аумақтар құрайтын тығыз интерфазалық хромосомалардағы топологиялық тепе-теңдік жоғары түйінді хроматин талшықтарының пайда болуына алып келер еді. Алайда, Хромосома конформациясын ұстау (3C) әдістері интерфазалық хромосомаларда геномдық қашықтықпен байланыстардың әлсіреуі ұзақ полимерлер түйінделмей жиырылғанда қалыптасатын бүгілген шар тәрізді күймен дерлік бірдей екенін көрсетті. Тығыз хроматиннен түйіндерді жою үшін жүйеге топологиялық тепе-теңдік күйінен шығуға жеткілікті энергия беру қажет, сондай-ақ топоизомеразаның араласуын түйіндерді одан әрі күрделендірмей, тиімді түрде ажыратуға бағыттайтын белсенді процесс қажет. Хроматин циклдерін сығып шығару процесі интерфазалық хромосомалардағы хроматин талшықтарын белсенді түрде түйіндемеуге өте қолайлы екені дәлелденді.

Қосымша көздер

Купер, Джеффри М. 2000. Жасуша, 2-ші басылым, Молекулалық тәсіл. 4.2-тарау Хромосомалар және хроматин. Кремер, Т. 1985. Жасуша теориясынан хромосома теориясына: Ертедегі жасушалық және мұрагерлік зерттеулеріндегі табиғи ғылыми білімдер мен теориялық өзгерістер, Гейдельберг академиясының теориялық патология зерттеу орталығынан шыққан жарияланымдар. Спрингер, Берлин, Гейдельберг. Эльгин, С. К. Р. (ред.). 1995. Хроматиннің құрылымы және гендік экспрессиясы, 9-том. IRL Press, Оксфорд, Нью-Йорк, Токио. Полард, Т. және У. Эрншоу. 2002. Жасуша биологиясы. Saunders. Саумвебер, Х. 1987. Интерфазалық жасуша ядроларындағы хромосомалардың орналасуы, 223–234 бб. В. Хенниг (ред.) бойынша, Эукариоттық хромосомалардың құрылымы мен функциясы, 14-том. Springer Verlag, Берлин, Гейдельберг. Ван Холд К.Е. 1989. Хроматин. Нью-Йорк: Springer Verlag. Ван Холде, К., Ж. Златанова, Г. Аренц және Э. Мудрианакис. 1995. Хроматин құрылымының элементтері: гистондар, нуклеосомалар және талшықтар, 1–26 бб. С. К. Р. Эльгин (ред.) бойынша, Хроматиннің құрылымы және гендік экспрессиясы. IRL Press, Oxford University Press, Оксфорд.