Основные белки хроматина – гистоны

 

На долю гистонов приходит 5 типов белков. Гистоны связаны с ДНК в виде субъединиц нуклеосомы. Гистоны характерны только для хроматина. Они обладают щелочными свойствами, которые определяются высоким содержанием аминокислот лизина и аргенина. Положительные заряды на аминогруппах этих кислот обуславливают солевую или электростатическую связь этих белков с отрицательными зарядами на фосфатных группах молекулы ДНК.

Гистоны имеют сродство к молекуле ДНК. Но эта связь нестабильная, легко разрушается. В этом случае может происходить диссоциация на свои составляющие структуры.

Гистоны имеют относительно небольшую молекулярную массу. Они подразделяются на 5 групп: H₁, H_2a, H_2b, H₃, H₄. Гистоны всех классов кроме H₁ в равных количествах. У 3 и 4 большое количество аргенина и они наиболее консерватины по отношению к другим. H_2a и H_2b – умеренно обогащенные лизином белки. У разных объектов внутри группы образуются межвидовые вариации. Гистон H₁ – уникальная молекула. Класс белков, который состоит из нескольких достаточно близкородственных белков. У этого гистона обнаружены очень большие межвидовые и межтканевые вариации. Наиболее вариабельным участком имеется N-конец, который осуществляет связь с другими гистонами. И С-конец, богатый лизином, который взаимодействует с ДНК. По количеству всех гистонов примерно одинаковое количество, кроме Н₁, его примерно в 2 раза больше.

В процессе жизнедеятельности клеток с гистонами происходят модификации. Главными из которых является ацетилирование и метилирование остатков лизина, что приводит к потере положительного заряда.

Фосфорилирование сириновых остатков, которое приводит к появлению отрицательного заряда.

Эти модификации гистонов существенно сказываются на функциях белков и их способностью взаимодействовать с молекулой ДНК. Так, например, повышенное ацетилирование гистонов предшествует активации генов, а фосфорилирование или наоборот дефосфорилирование связано с конденсацией или деконденсацией хроматина.

Все типы гистонов синтезируются в цитоплазме на рибосомах, транспортируются в ядро через поровые комплексы и связываются с ДНК во время ее репликации в S-периоде клеточного цикла. Т.е синтез гистонов и синтез ДНК синхронизированы.

Включившись в состав хроматина, гистоны становятся очень стабильными, имеют низкую скорость замены и примерно в течение 4 – 5 циклов клетки не выходят из состава.

 

Функции:

1) Упаковка ДНК;

2) Структурная роль в организации хроматина;

3) Регуляция уровня транскрипции;

4) Регуляторная функция. Определяет степень компактности и активности хроматина.

 

В процессе упаковки ДНК проходит несколько уровней.

Спирализация молекулы ДНК.

 

1) Первый уровень упаковки носит название нуклеосомный. Структурные единицы этого уровня – нуклеосомы. Они представляют из себя октамер гистонов, которые представлены двумя копиями гистонов Н_2а, Н_2b, Н₃ и Н₄. Гистоны образуют белковую основу нуклеосомы, сердцевину, на поверхности которой располагается молекула ДНК. Нуклеосома – участок ДНК в комплексе с гистоном, а свободный – линкерный участок.

Тот линейный участок молекулы ДНК, который располагается на гистонах, имеет как правило величину, равную 146 последовательностей нуклеотидов. Количество оборотов составляет 1,75 оборота, а в линкерный участок входит 54 пары нуклеотидов. Линкерный участок более вариабелен. Гистоны формируют между собой электростатические взаимодействия и с помощью электростатических взаимодействий осуществляется связь молекулы ДНК с гистоном. В фибриллах хроматина линкерный участок не является линейным. Продолжается спирализованная структура, которая как бы связывает рядом расположенные нуклеосомы, формируя нить толщиной примерно 30 нм. Укладка этих спиралей происходит за счет положительно заряженных аминокислотных остатков на поверхности гистона с отрицательно заряженными фосфатными группами молекулы ДНК. Новые нуклеосомы возникают со скоростью примерно 3-4 в секунду и такая высокая скорость образования нуклеосом связана с тем, что в момент синтеза ДНК уже имеется готовый пункт гистонов всех классов.

Гистоновые гены, относящиеся к фракции умеренно повторяющихся последовательностей ДНК, представлены в виде множественных копий для каждого гистона. Во время транскрипции часть нуклеосомных белков остается связанной с ДНК и при прохождении фермента РНК-полимеразы связь с молекулой ДНК не теряется. Такой способ упаковки позволяет сократить общую длину молекулы приблизительно в 6-7 раз.

2) Второй уровень упаковки – 30нм хроматиновое волокно. Способ формирования этого волокна разнообразный. Выделяют несколько типов, например соленоидный тип. Плотно упакованные нуклеосомы первого уровня образуют равномерную спираль с шагом около 10 нм. На один виток такой спирали приходится примерно шесть нуклеосом и возникает фибрилла, которая имеет центральную полость. Считается, что ведущим фактором во втором способе укладки является тот гистон, который отсутствовал в первом уровне. Это гистон Н₁ обеспечивает взаимодействие с соседними нуклеосомами, как бы сближая и притягивая рядом расположенные нуклеосомы. Причем, своей глобулярной центральной частью гистон Н1 присоединяется к нуклеосоме. Одним концом взаимодействует с линкерным участком, а другим – с белками следующей нуклеосомы.

Это сокращает первоначальную длину молекулы почти в 40 раз.

Другим примером формирования волокна является нуклеомерный тип укладки. Здесь тоже ведущий гистон Н₁, причем компактность нуклеомеров зависит от концентрации ионов магния и группируются нуклеомеры как бы блочно по 6-8 штук, а затем существует более длинный линкерный участок. Эта упаковка тоже сокращает молекулу в 40 раз. Компактизация молекулы связана с ограничением функций генетического материала.

В составе 30нм фибриллы хроматин практически недоступен. Резко падает способность хроматина связаться с полимеразой, регуляторными белками, поэтому мы говорим, что при втором уровне упаковки наблюдается инактивация генной активности.

 

3) Петельная укладка (петлевые домены). Ведущую роль выполняют негистоновые белки. Они составляют 20% от всех белков хроматина. Это сборная группа белков, которая отличается друг от друга по общим свойствам и функциям. 80% этих белков относятся к белкам ядреного матрикса. Они имеют различную молекулярную массу от 5 до 200 кДа. Некоторые белки водорастворимы, часть растворяется в кислотах. Выполняют они функцию регуляторных белков, т.к. стимулируют инициацию транскрипции или ингибируют ее. Ряд белков специфически взаимодействует с определенными последовательностями. Некоторые белки изучены подробно. Их выделяют в группу белков с высокой подвижностью или белков Джонса. Около 5% от всех негистонных белков приходятся на эту фракцию. Они обеспечивают изменения уровня компактизации фибрилл ДНП (дезоксинуклеопротеины). Эти белки делают молекулы более доступными для взаимодействия с ДНК-полимеразой. Изначальная длина молекулы сокращается в 600 раз.

Очень важно, что размеры отдельных петлевых доменов совпадают с размером средних репликонтов и соответствуют таким образом одному или нескольким генам. В своих основаниях петли ДНК связаны негистоновыми белками ядерного матрикса, в состав которых могут входить как ферменты репликации ДНК, так и транскрипции. Такая петельно-доменная структура хроматина обеспечивает не только структурную его компактизацию, но и организует функциональные единицы хромосом, а именно репликоны и транскрибируемые гены.

 

4) Четвертый уровень – хромонемный. Собранные в петли молекулы ДНК свертываются в еще более плотную структуру за счет суперспирализации с образованием нитчатой структуры, которая называется Хромонема, которая имеет фиксированную толщину 0,1 – 0,2 мкм. Ведущим фактором суперспирализации или конденсации хромосом является фосфорилирование гистона Н₁, того гистона, который связан между собой нуклеосомой при втором уровне упаковки. В результате последнего четвертого уровня упаковки формируется типичная метафазная хромосома.

Фосфорилирование гистона Н1 происходит постепенно. Во время еще интерфазы первый раз фосфорилируется гистон Н1 в конце S-периода, второй – в конце G2 периода, а третий раз – в самом начале митоза. Присоединяются 3 остатка фосфорной кислоты.