1 1.3.Третичная структура днк

Молекулы ДНК, размеры которых составляют несколько см, умещаются в ядре клетки, диаметр которого измеряется микрометрами. Очевидно, что спирализованная молекула ДНК должна быть упакована в пространстве таким образом, чтобы линейные размеры этой структуры были уменьшены примерно на 4 порядка. Вместе с тем известно, что молекула ДНК представляет собой весьма непрочную структуру и легко разламывается на части при ее перегибе. Отсюда со всей очевидностью следует, что укладка молекул ДНК в более компактные структуры возможна только в результате ее взаимодействия с другими компонентами ядра, в основном с ядерными белками, такими как гистоны, кислые негистоновые ядерные белки или белки, образующие внутриядерный поддерживающий матрикс.

Принято выделять три уровня компактизации молекул ДНК. В формировании первого нуклеосомного уровня компактизации важную роль играет взаимодействие ДНК с молекулами белков гистонов. Восемь молекул гистонов: 2 молекулы Н2А, 2 молекулы Н2В, 2 молекулы Н3 и 2 молекулы Н4 образуют гистоновый октамер, на который накручивается примерно на 1,75 оборота участок молекулы ДНК. Этот гистоновый кор с намотанной на него ДНК получил название минимальной нуклеосомы. В пределах молекулы ДНК образуется множество таких структурных единиц и молекула ДНК в электронном микроскопе напоминает нить с бусинами. Участки ДНК, соединяющие между собой минимальные нуклеосомы, получили название «линкеры».

В свою очередь минимальная нуклеосома вместе с линкером образует полную нуклеосому. Гистоновый кор вместе с намотанным на нем участком ДНК имеет диаметр около 10 нм. На одну полную нуклеосому приходится в среднем 200 пар нуклеотидов, из которых 146 пар нуклеотидов приходится на ДНК в составе минимальной нуклеосомы, а около 60 пар нуклеотидов приходится на линкер, хотя размеры линкера могут в принципе варьировать в достаточно широких пределах от нескольких пар нуклеотидов до 80 пар.

Схема образования нуклеосом

Если средний по размерам ген в клетках человека имеет около 10 000 пар нуклеотидов, то в его пределах образуется около 5О нуклеосом, а во всем геноме человека насчитывается до 3х107 нуклеосом. За счет нуклеосомного уровня компактизации линейные размеры молекул ДНК уменьшаются примерно в 67 раз.

В формировании второго уровня компактизации ДНК образовании фибрилл ДНК важная роль принадлежит белку гистону Н1. Молекула гистона Н1 имеет форму глобулы с выступающими из нее Nконцевой и Сконцевой последовательностями полипептидной цепи, причем в целом молекула Н1 напоминает чтото вроде эллипсоида с двумя противоположно ориентированными «ручками». Своей глобулярной частью молекула гистона Н1 связывается с средней частью одной нуклеосомы, а с помощью своих «ручек» она взаимодействует с двумя соседними нуклеосомами. При этом нуклеосомы стягиваются вместе, образуя регулярную повторяющуюся структуру, напоминающую спираль:

Поперечник такой структуры составляет около 30 нм. За счет формирования подобного рода фибриллярных структур длина молекул ДНК уменьшается еще в 6 7 раз. Если бы ДНК типичной хромосомы человека существовала в виде фибриллы диаметром 30 нм, то в растянутом состоянии она бы имела в длину около 0,1 см, что еще на 2 порядка превышало бы размеры ядра.

Дальнейшее уменьшение линейных размеров ДНК идет за счет третьего петельного уровня компактизации. Фибриллы ДНК образуют петлеобразные структуры, крепящиеся к элементам ядерного скелета в интерфазе клеточного цикла или к осевой нити хромосомы в делящейся клетке, образованной негистоновыми белками клеточного ядра. Эти петли или домены фибрилл ДНК включают в себя от 20 000 до 100 000 пар нуклеотидов. Если типичная хромосома человека состоит из таких петлеобразных структур, то в ее состав входит около 2000 таких доменов:

Повидимому, существуют и более высокие уровни компактизации молекул ДНК как в делящихся, так и в неделящихся клетках. Доказательством существования этих малоизученных, но реально существующих дополнительных механизмов компактизации ДНК является наличие в клетках в пределах одной и той же хромосомы с одной стороны

транскрипционно неактивного высококонденсированного гетерохроматина, с другой транскрипционно активного менее конденсированного эухроматина