Упаковка днк в хромосомах. Хромосомы эукариот. Гистоны, нуклеосомы, негистоновые белки. Хромосомы прокариот.
Упаковка ДНК в хромосомы эукариот — это сложный процесс, который начинается с образования нуклеосом, в составе которых участвуют гистоны и негистоны. В клетках эукариот хромосомы представляют собой компактные структуры, в которых ДНК эффективно упакована для того, чтобы вписаться в ядро клетки, сохраняя при этом возможность для динамических процессов, таких как репликация и транскрипция.
Белки, которые связываются с ДНК и образуют хромосомы эукариот, подразделяют на два общих класса: гистоны и негистоновые хромосомные белки (одни из них помогают поддерживать структуру хромосом, а другие регулируют экспрессию специфических генов). Комплекс белков обоих классов с ядерной ДНК известен как хроматин. Гистоны отвечают за первый уровень упаковки хромосомы — нуклеосому. Гистоны обнаружены во всех клетках эукариот.
Гистоны: Это относительно маленькие белки (102-135 аминокислот) их структура, образованая тремя α-спиралями, соединенными двумя петлями, эти белки содержат большое количество основных аминокислот, таких как лизин и аргинин. Все клетки эукариот содержат пять типов гистонов, которые сильно консервативны. Эти белки подвергаются различным модификациям (метилирование, ацетилирование, фосфорилирование, гликозилированию ADP-рибозилированию и убиквитинованию), которые играют ключевую роль в регулировании экспрессии генов и структурной организации хроматина. Эти белки отличаются высоким содержанием основных ак аргинина и лизина (~ 1⁄4 всех ак остатков). Все эукариотические клетки содержат пять основных классов гистонов, различающихся молекулярной массой и ак составом. Белки гистонов очень консервативны.
Кроме того, гистоны эукариот, как правило, существуют в виде нескольких вариантов, особенно это касается гистонов H2A и H3. Эти вариантные формы гистонов и их модификации играют в метаболизме ДНК особую роль.
Нуклеосомы: Нуклеосома состоит из гистонов H2A, H2B, H3 и H4, которые образуют октамер, вокруг которого наматывается ДНК длиной 147 пар нуклеотидов. При сборке нуклеосомы «гистоновые укладки» сначала связываются друг с другом с образованием димеров H3–H4 и H2A–H2B, а димеры H3–H4 объединяются в тетрамеры, после чего связываются с двумя димерами H2A–H2B с образованием компактного октамерного стержня. С каждой нуклеосомой также связывается гистоновый белок H1 (~200 ак), который связывает линкерную ДНК (линкерная как раз которая связывается с нуклеосомой), обеспечивая стабильность структуры. Это укладывание ДНК в виде нуклеосом происходит на первом уровне упаковки хромосомы.
Внутри клетки реакции сборки нуклеосомы опосредствуются белками, называемыми гистоновыми шаперонами (которые включают белки: CAF1 (фактор сборки хроматина-1), RTT106 (регуляция транспозиции Ty1) и ASF1 (anti-silencing factor 1)) или наставниками гистонов, одни из которых специфичны к гистонам H3–H4, а другие — к гистонам H2A–H2B.
Нуклеосомы разделены линкерной ДНК, которая может быть различной длины: от нескольких пар нуклеотидов до примерно 80. Поэтому в среднем нуклеосомы повторяются с промежутками в 200 пар нуклеотидов.
«Второй уровень организации»
Из ядра нуклеосомной частицы выступают N-концевые хвосты гистонов, не имеющие упорядоченной структуры. Именно в этих участках происходит большая часть модификаций гистонов. Хвосты играют ключевую роль в образовании контактов между нуклеосомными частицами в составе хроматина.
Структура нуклеосомной стержневой частицы представляет собой имеющий форму диска гистоновый стержень, вокруг которого плотно намотаны 1,7 оборота ДНК в виде левозакрученной соленоидной сверхспирали. ДНК и гистоны надежно соединены: в каждой нуклеосоме между ДНК и гистоновым стержнем образуется 142 водородные связи. Почти половина этих связей возникает между основной цепью ак гистонов и фосфодиэфирными группами сахарофосфатного остова ДНК. Сочетание двух или трех пар нуклеотидов А=Т увеличивает вероятность сужения спирали. Плотное обматывание ДНК вокруг гистонового ядра требует удаления из ДНК примерно одного витка. Когда кор-нуклеосома (уже намотанная) связывается in vitro с релаксированной замкнутой кольцевой ДНК, происходит отрицательная сверхспирализация, что компенсируется образованием положительной сверхспирали на участке несвязанной ДНК. Релаксация несвязанной положительно сверхспирализованной ДНК эукариотическими топоизомеразами (Топоизомеразы способны релаксировать сверхспирализованные молекулы ДНК путём внесения одно- или двуцепочечных разрывов с последующим восстановлением (лигированием)) приводит к фиксированию отрицательно сверхспирализованной ДНК и выражается в общем уменьшении порядка зацепления (положительная сверхспир-я испчезает).
Перестройка хроматина АТФ зависимыми комплексами
Клетки эукариот содержат большое разнообразие АТФ-зависимых комплексов перестройки хроматина. В этих комплексах субъединица, которая гидролизует ATФ, эволюционно родственна ДНК-хеликазам и связывается как с белковым стержнем нуклеосомы, так и с двунитевой ДНК, намотанной на него. Используя энергию гидролиза ATФ для перемещения ДНК по стержню, эта субъединица временно изменяет структуру нуклеосомы, ослабляя прикрепление ДНК к гистоновому стержню. Посредством повторяющихся циклов гидролиза ATФ такие комплексы перестройки могут катализировать скольжение в нуклеосоме и, продвигая таким способом стержень нуклеосомы по двойной спирали ДНК, делают нуклеосомную ДНК доступной для других белков клетки.
Кроме того, за счет кооперативного взаимодействия с отрицательно заряженными белками, которые выступают в роли гистоновых шаперонов, некоторые комплексы перестройки (факторы обмена гистонов) способны удалять из нуклеосомы либо весь стержень, либо часть его — катализируя либо замену гистонов H2A–H2B, либо полное удаление октамерного стержня из катушки ДНК.
«Третий уровень организации»
В целом в хромосоме длина ДНК сокращается более чем в 10 000 раз. In vitro длинные молекулы ДНК, связанные нуклеосомами и гистоном H1, могут складываться в структуры, называемые 30-нм фибриллами. Однако детальное изучение хроматина in vivo не подтвердило их существования в клетках. Напротив, по-видимому, хромосомы переходят в конденсированную форму, которую можно назвать складчатой глобулой. Транскрипционная активность может понижать степень конденсации и приводить к образованию относительно открытых участков. Не участвующие в транскрипции участки и участки, в которых нет генов, находятся в сильно конденсированной форме, называемой гетерохроматином.
Уровни организации более высокого порядка включают прикрепление к хромосомному каркасу. Отдельные хромосомы ограничены ядерными субдоменами, называемыми хромосомными территориями. Гистон H1, топоизомераза II и белки SMC играют организационную роль в хромосомах. Белки SMC, главным образом когезины (играют существенную роль в связывании между собой сестринских хроматид сразу после репликации и удерживании их в таком состоянии) и конденсины (необходимы для конденсации хромосом при переходе клетки к митозу), играют важную роль в поддержании структуры хромосом на каждой стадии клеточного цикла.
Хромосомы прокариот
Хромосомная ДНК образует нуклеоид. Длина молекулы составляет 0,8 — 8*106 пар нуклеотидов. Структуру хромосомы можно подразделить на две части кодирующую и некодирующую.
В отличие от клеток эукариот, хромосомы прокариот, например, бактерий, имеют более простую и динамичную структуру. Похожую на ёршик. В большинстве прокариот одна основная кольцевая молекула ДНК (нуклеоид) является хромосомой. Все кодирующие фрагменты прокариот объединены в опероны. Оперон — это несколько кодирующих фрагментов разделенных спейсерами (некодирующими фрагментами), транскрибирующихся в единой молекулы РНК. Участок ДНК, от точки инициации транскрипции до точки ее терминации называют транскриптоном. То есть транскриптон — это единица транскрипции, если транскриптон содержит несколько кодирующих фрагментов, то его можно Рисунок 2: Генетическая карта E. coli назвать опероном.
Нуклеоид. В прокариотах ДНК находится в области клетки, называемой нуклеоидом. Это неограниченная структура, в которой ДНК сворачивается и упаковуется с помощью различных белков, таких как гистоно-подобные белки (HU, H-NS, FIS и IHF). Эти белки помогают поддерживать компактность хромосомы, а также регулируют процессы, такие как репликация и рекомбинация ДНК.
Гистоно-подобные белки. В отличие от эукариотических гистонов, эти белки не образуют стабильные и регулярные комплексы с ДНК, как нуклеосомы, а быстро связываются и диссоциируют в ответ на изменения в клетке. Это делает структуру бактериальной хромосомы более динамичной и гибкой.
Суперспирализация и белки SMC. ДНК в прокариотах подвергается суперспирализации, и для этого процесса также играют роль белки семейства SMC. Белки из семейства SMC (structural maintenance of chromosomes) играют роль «конденсинов» суперспирализуют бактериальную ДНК, а также участвуют в ее репарации, рекомбинации, сегрегации дочерниххромосом и других процессах.
Динамичность структуры. В отличие от эукариот, структура хромосомы прокариот постоянно изменяется в течение клеточного цикла. Эти изменения происходят гораздо быстрее, что связано с более коротким циклом деления клеток и высокой интенсивностью обмена веществ.
H-NS - гистоноподобный нуклеоидный структурирующий белок, SMC - поддерживает структуру хромосом, Lrp - лейцин чувствительный регуляторный белок, IHF - интеграция принимающий фактор, HU - гистоноподобный белок из штамма E. coli U93, Fis - фактор стимуляции инверсии