Введение

Комплекс ДНК и белка в эукариотических клетках

Хроматин – это комплекс ДНК и белка, обнаруженный в эукариотических клетках. Его основная функция заключается в упаковке длинных молекул ДНК в более компактные и плотные структуры. Это предотвращает спутывание цепей, а также играет важную роль в укреплении ДНК во время деления клеток, предотвращении повреждений ДНК и регуляции экспрессии генов и репликации ДНК. Во время митоза и мейоза хроматин обеспечивает правильное разделение хромосом в анафазе; характерные формы хромосом, видимые на этой стадии, являются результатом скручивания ДНК в высококонденсированный хроматин. Основными белковыми компонентами хроматина являются гистоны. Октамер, состоящий из двух наборов по четырем гистонным ядрам (гистон H2A, гистон H2B, гистон H3 и гистон H4), связывается с ДНК и функционирует как "якорь", вокруг которого закручиваются цепи. В целом, выделяют три уровня организации хроматина:

ДНК оборачивается вокруг гистонных белков, формируя нуклеосомы и так называемую структуру "бусы на нити" (еухроматин). Множество нуклеосом объединяются в 30-нанометровое волокно, представляющее собой массивы нуклеосом в их наиболее компактной форме (гетерохроматин). Дальнейшая суперспирализация 30-нм волокна приводит к образованию метафазовой хромосомы (во время митоза и мейоза). Однако многие организмы не следуют этой схеме организации. Например, сперматозоиды и эритроциты птиц имеют более плотно упакованный хроматин, чем большинство эукариотических клеток, а трипаносоматидные простейшие вообще не конденсируют свой хроматин в видимые хромосомы. Прокариотические клетки имеют совершенно иные структуры для организации своей ДНК (эквивалент прокариотической хромосомы называется генофором и локализуется в нуклеоидной области). Общая структура хроматиновой сети зависит от стадии клеточного цикла. Во время интерфазы хроматин структурно рыхл, что обеспечивает доступ к РНК- и ДНК-полимеразe, осуществляющим транскрипцию и репликацию ДНК. Локальная структура хроматина во время интерфазы зависит от конкретных генов, присутствующих в ДНК. Участки ДНК, содержащие активно транскрибируемые гены ("включенные"), менее плотно скомпактованы и тесно связаны с РНК-полимеразами, образуя структуру, известную как эухроматин, в то время как участки, содержащие неактивные гены ("выключенные"), как правило, более конденсированы и связаны со структурными белками в гетерохроматине. Эпигенетическая модификация структурных белков хроматина посредством метилирования и ацетилирования также изменяет локальную структуру хроматина и, следовательно, экспрессию генов. Понимание структуры хроматина ограничено, и это является активной областью исследований в молекулярной биологии.

Динамическая структура и иерархия хроматина

Хроматин претерпевает различные структурные изменения в течение клеточного цикла. Гистонные белки являются основными упаковщиками и организаторами хроматина и могут быть модифицированы различными посттрансляционными модификациями для изменения упаковки хроматина (модификации гистонов). Большинство модификаций происходит на гистонных хвостах. Положительно заряженные гистонные ядра лишь частично компенсируют отрицательный заряд фосфатного остова ДНК, что приводит к отрицательному суммарному заряду всей структуры. Дисбаланс заряда внутри полимера вызывает электростатическое отталкивание между соседними участками хроматина, способствуя взаимодействию с положительно заряженными белками, молекулами и катионами. По мере того как происходят эти модификации, электростатическая среда вокруг хроматина изменяется, и степень компактизации хроматина меняется. Белки группы Polycomb играют роль в регуляции генов посредством модуляции структуры хроматина. Дополнительную информацию можно найти в статьях "Варианты хроматина", "Модификации гистонов в регуляции хроматина" и "Контроль РНК-полимеразы структурой хроматина".

Структура ДНК

В природе ДНК может образовывать три структуры: А, В и Z-ДНК. ДНК А и В очень похожи, формируя правозакрученные спирали, в то время как Z-ДНК представляет собой левозакрученную спираль с зигзагообразным фосфатным остовом. Считается, что Z-ДНК играет специфическую роль в структуре хроматина и транскрипции благодаря свойствам участка перехода между B-ДНК и Z-ДНК. В месте соединения B-ДНК и Z-ДНК одна пара оснований выводится из нормального спаривания. Эти основания выполняют двойную функцию: служат местом распознавания для многих белков и поглотителем торсионного напряжения, возникающего при связывании РНК-полимеразы или нуклеосом. Основания ДНК хранятся в виде кодовой структуры, состоящей из четырех химических оснований, таких как аденин (А), гуанин (G), цитозин (С) и тимин (Т). Порядок и последовательность этих химических структур ДНК отражают информацию, доступную для создания и контроля человеческих организмов. Аденин (А) соединяется с тимином (Т), а цитозин (С) с гуанином (G), образуя пары оснований ДНК. Молекулы сахара и фосфата также соединяются с этими основаниями, формируя нуклеотиды ДНК, которые выстраиваются в две длинные спиральные цепи, объединенные в структуру, называемую «двойной спиралью». У эукариот ДНК находится в ядре клетки и обеспечивает прочность и направленность механизма наследственности. Кроме того, между азотистыми основаниями двух цепей ДНК формируются водородные связи.

Нуклеосомы и бусы на струне

Основным повторяющимся элементом хроматина является нуклеосома, соединенная участками ДНК-связника, что представляет собой организацию, значительно более компактную, чем чистая ДНК в растворе. Помимо основных гистонов, существует гистон H1, который взаимодействует с точками входа и выхода цепи ДНК на нуклеосоме. Нуклеосомная сердцевина вместе с гистоном H1 известна как хроматосома. Нуклеосомы, содержащие от 20 до 60 пар оснований ДНК-связника, при нефизиологических условиях могут формировать структуру типа "бусы на нити" диаметром около 10 нм. Нуклеосомы связывают ДНК неспецифически, что необходимо для их функции в общей упаковке ДНК. Однако существуют выраженные предпочтения к последовательностям ДНК, определяющие позиционирование нуклеосом. Это обусловлено, главным образом, различными физическими свойствами различных последовательностей ДНК: например, аденин (А) и тимин (Т) более эффективно сжимаются во внутренние малые бороздки. Это означает, что нуклеосомы могут предпочтительно связываться примерно каждые 10 пар оснований (геликоидальное повторение ДНК), где ДНК поворачивается таким образом, чтобы максимизировать количество оснований А и Т, расположенных во внутренней малой бороздке. (См. структуру нуклеиновых кислот.)

30-нм хроматиновые волокна в митозе

При добавлении H1 во время митоза структура "бусы на нити" может скручиваться в спиральную структуру диаметром 30 нм, известную как 30-нм волокно или филамент. Точная структура хроматинового волокна в клетке детально не известна. Считается, что этот уровень организации хроматина соответствует форме гетерохроматина, содержащего преимущественно транскрипционно неактивные гены. Исследования электронной микроскопии показали, что 30-нм волокно обладает высокой динамичностью и разворачивается в структуру "бусы на нити" при прохождении через него РНК-полимеразы, осуществляющей транскрипцию. Общепринятые модели предполагают, что нуклеосомы расположены перпендикулярно оси волокна, а линкерные гистоны – внутри волокна. Стабильность 30-нм волокна зависит от регулярного позиционирования нуклеосом вдоль ДНК. Линкерная ДНК относительно устойчива к изгибу и вращению. Это делает длину линкерной ДНК критически важной для стабильности волокна, требуя разделения нуклеосом на расстояния, позволяющие вращение и сворачивание в необходимую ориентацию без создания чрезмерного напряжения в ДНК. Исходя из этого, различные длины линкерной ДНК должны приводить к различным топологиям сворачивания хроматинового волокна. Недавние теоретические работы, основанные на изображениях реконструированных волокон, полученных с помощью электронной микроскопии, подтверждают эту точку зрения.

ДНК-циклы

ChIP seq (последовательность иммунопреципитации хроматина) признана широко используемым методом идентификации хроматина, использующим антитела, которые селективно связываются с белками, включая "гистоны, модификации гистонов, транскрипционные факторы и кофакторы". Это позволяет получать данные о состоянии хроматина и активности генов путем удаления "олигонуклеотидов", не связанных с белками. Секвенирование иммунопреципитации хроматина, направленное на различные модификации гистонов, может быть использовано для определения состояний хроматина во всем геноме. Различные модификации связаны с различными состояниями хроматина. DNase seq (секвенирование DNase I гиперчувствительных участков) использует чувствительность доступных участков генома к ферменту DNase I для картирования открытых или доступных областей генома. FAIRE seq (секвенирование с использованием формальдегид-ассистированной изоляции регуляторных элементов) использует химические свойства ДНК, связанной с белком, в двухфазном методе разделения для выделения из генома областей, обедненных нуклеосомами. ATAC seq (анализ транспозируемого доступного хроматина) использует транспозазу Tn5 для интеграции (синтетических) транспозонов в доступные области генома, что позволяет определить локализацию нуклеосом и транскрипционных факторов по всему геному. Анализ отпечатков ДНК – это метод, направленный на идентификацию ДНК, связанной с белком. Он использует мечение и фрагментацию в сочетании с гель-электрофорезом для выявления областей генома, с которыми связаны белки. MNase seq (секвенирование с использованием микрококкового нуклеаза) использует фермент микрококковый нуклеаз для определения позиционирования нуклеосом во всем геноме. Анализ конформации хромосом определяет пространственную организацию хроматина в ядре, путем определения геномных участков, которые физически взаимодействуют. MACC-профилирование (профилирование доступности микрококкового нуклеаза) использует серию титрований хроматиновых гидролизатов с микрококковым нуклеазой для определения доступности хроматина, а также для картирования нуклеосом и белков, связывающих ДНК, не являющихся гистонами, как в открытых, так и в закрытых областях генома.

Хроматин и узлы

Это оставалось загадкой, как деконденсированные межфазные хромосомы остаются практически не завязанными в узлы. Естественным было предположить, что в присутствии топоизомераз ДНК II типа, позволяющих участкам двухцепочечной ДНК проходить друг сквозь друга, все хромосомы должны достигать состояния топологического равновесия. Топологическое равновесие в плотно упакованных межфазных хромосомах, формирующих хромосомные территории, должно было бы приводить к образованию сильно закрученных волокон хроматина. Однако методы захвата конформации хромосом (3C) показали, что затухание контактов с увеличением геномного расстояния в межфазных хромосомах практически такое же, как в состоянии скомканной глобулы, которое формируется при конденсации длинных полимеров без образования узлов. Для удаления узлов из плотно упакованного хроматина необходим активный процесс, который должен не только обеспечивать энергию для перехода системы из состояния топологического равновесия, но и направлять проходы, опосредованные топоизомеразой, таким образом, чтобы узлы эффективно распутывались, а не становились еще сложнее. Показано, что процесс экструзии хроматиновых петель идеально подходит для активного распутывания хроматиновых волокон в межфазных хромосомах.

Дополнительные источники

Купер, Джеффри М. 2000. "Клетка", 2-е издание, "Молекулярный подход". Глава 4.2 Хромосомы и хроматин. Кремер, Т. 1985. Von der Zellenlehre zur Chromosomentheorie: Naturwissenschaftliche Erkenntnis und Theorienwechsel in der frühen Zell- und Vererbungsforschung, Издания из исследовательской группы теоретической патологии Гейдельбергской академии наук. Springer Vlg., Берлин, Гейдельберг. Эльгин, С. К. Р. (ред.). 1995. Структура хроматина и экспрессия генов, том 9. IRL Press, Оксфорд, Нью-Йорк, Токио. Pollard, T., и W. Earnshaw. 2002. Биология клетки. Saunders. Saumweber, H. 1987. Расположение хромосом в межфазных клеточных ядрах, с. 223–234. В W. Hennig (ред.), Структура и функция эукариотических хромосом, т. 14. Springer Verlag, Берлин, Гейдельберг. Van Holde K. 1989. Хроматин. Нью-Йорк: Springer Verlag. Van Holde, K., J. Zlatanova, G. Arents, и E. Moudrianakis. 1995. Элементы структуры хроматина: гистоны, нуклеосомы и волокна, с. 1–26. В S. C. R. Elgin (ред.), Структура хроматина и экспрессия генов. IRL Press при Оксфордском университете, Оксфорд.