Компактизация генома эукариот

1
Компактизация генома эукариот
Компактность - принципиальное отличие генома эукариот от прокариотического
генома. При средней разнице размеров геномов на 3 порядка, линейные размеры
эукариотических хромосом соизмеримы с длиной ДНК прокариот.
Выделяют, по крайней мере, 4 уровня компактизации ДНК. При этом нить ДНК
"укорачивается" в 10 000 раз.
Это подобно тому, если нить, длиной с
Останкинскую башню (500 м), уложить в спичечный коробок (5см).
Два первых уровня компактизации эукариотического генома обеспечиваются
гистонами.
Общая характеристика гистонов
Гистоны - основные белки. Все они обогащены лизином и аргинином - положительно
заряженными аминокислотами. В зависимости от соотношения в структуре гистонов
аминокислот обычно выделяют 5 фракций гистонов. Нарабатывается их очень
много - 60 млн. молекул каждой фракции на клетку.
Модификации гистонов очень сильно влияют на компактизацию ДНК. Гистоны могут
метилироваться, фосфорилироваться (по серину, треонину, тирозину), т.е.
аминокислотные остатки легко модифицируются. Кроме того, возможно
алкилирование и ацетилирование гистонов.
Основные фракции гистонов:
Фракция
Н1 (очень богатая
лизином)
Н2В (умернно
богатая лизином)
Н2А (умеренно
богатая лизином и
аргинином)
Н4 (богатая
аргинином и
Лизин
Аргинин лиз./арг осн.АК/кис.АК
Мол. вес
(Да)
29%
1%
>20
5.4
23000
16%
6%
~2.5
1.7
13774
11%
9%
~1
1.4
13960
11%
14%
~0.8
2.5
11282
2
глицином)
Н3 (очень богатая
аргинином); в ней
есть цистеин, а в
других - нет
10%
13%
~0.7
1.8
15348
Все гистоны, кроме Н1, чрезвычайно консервативны в эволюционном отношении (у
коровы и клевера разница в Н2А всего в одну аминокислоту!). Следовательно, эти
белки выполняют принципиальную функцию, которая у всех эукариот
обеспечивается одинаково. Любая мутация в гистоновых генах летальна.
Н1 - очень вариабельная фракция. Этот гистон различен не только у видов, но даже
у одного организма, в зависимости от стадий онтогенеза.
В гистонах лизин и аргинин кластированы. Средняя часть гистона содержит
гидрофобные аминокислоты. Положительно заряженные аминокислоты гистонов
обеспечивают электростатические взаимодействия с ДНК. Центральная часть
необходима для взаимодействия гистонов между собой.
Четыре уровня компактизации ДНК
1. Нуклеосомный уровень
Нуклеосома - повторяющийся структурный элемент хроматина, содержащий
гистоновый октамер и ~180 п.н. ДНК. В основе нуклеосомы лежит гистоновый
октамер. Расположение гистонов не случайно. Каждая молекула представлена
дважды. Они образуют кор (серцевину) нуклеосомы. На кор наматывается ДНК 1.75 левых витка спирали.
Нуклеосома - октамер гистонов, где каждый гистон Н2а, Н2b, Н3, Н4 представлен
в двойном экземпляре. Гистон Н1 в построении нуклеосомы не участвует
Непосредственно с октамером контактирует 145 п.н. и 20-30-40 п.н. между
нуклеосомными корами.
Нуклеосомный уровень упаковки свойственен всей эукариотической ДНК, он дает
укорочение в 7 раз. Диаметр увеличивается с 20 A до 110 A.
3
Гистоновые октамеры "скользят" по ДНК.
При репликации этот уровень компактизации снимается. При транскрипции
нуклеосомы сохраняются.
2. Супербидный (суперспираль) или соленоидный уровень
Фактически обеспечивается Н1 гистоном. Н1 взаимодействует с октамерами,
сближает их, и на него тоже наматывается ДНК. Образуется супербид.
На этом уровне компактизации витки спирали ДНК, состоящие из накрученной на
нуклеосомы ДНК стянуты друг с другом с помощью гистона Н1.
Происходит сокращение линейного размера ДНК в 6-10 раз. Диаметр
увеличивается до 300A. Этот уровень компактизации, как и первый, не зависит от
первичной структуры ДНК.
4
3. Петлевой уровень
Обеспечивается негистоновыми кислыми белками.
Они узнают определенные последовательности ДНК и связываются с ними и друг
другом, стягивают их, образуя петли по 20-80 тыс. п.н.
Петля обеспечивает экспрессию гена, т.е петля является не только структурным, но
и функциональным образованием. Есть участки, в которых нет петель. Укорочение
за счет петель проходит в 20-30 раз. Образуются и петлевые домены. Диаметр
увеличивается до 700A.
4. Уровень метафазной хромосомы
Общее "укорочение" нити ДНК составляет 10 000 раз. Чем обеспечивается этот
уровень компаумзации пока не совсем понятно. Метафазная хромосома уже
удвоена. Она состоит из двух хроматид. Каждая из них содержит одну молекулу
ДНК. Сюда входят белки ядерной ламины, серия белковых нитей, сопряженных с
ядерной оболочкой и пронизывающих все ядро.
Важное дополнение: Геном высших эукариот принадлежит к А-Т типу (пары А-Т
преобладают), у низших эукариот – геном Г-Ц типа. У человека соотношение
(Г+Ц)/(А+Т) = 0.45. У разных типов бактерий диапазон соотношения А-Т пар и Г-Ц
пар велик. Чем больше в геноме А-Т пар, тем больше возможностей для изменения
5
вторичной структуры ДНК. При суперспирализации ДНК А-Т богатые участки
плавятся в первую очередь.