1.2.3 Структура хроматина

Универсальные компоненты хроматина - белки гистоны.

Гистоны - это небольшие по молекулярной массе белки с высоким содержанием положительно заряженных аминокислотных остатков - лизинов и аргининов, локализованных преимущественно в N- и С-концевых неструктурированных областях белка, так называемых «хвостах», которые играют главную роль в эпигенетических механизмах. В центральных, наиболее консервативных участках гистонов преобладают гидрофобные аминокислотные остатки, необходимые для белок-белкового узнавания. Существуют пять типов гистонов: HI, Н2А, Н2В, НЗ, Н4. Последовательность расположения гистонов в нуклеосоме одинакова для организмов-эукариотов всех царств живой природы: грибов, растений, животных.

Рассмотрим строение нуклеосомы. Нуклеосома состоит из восьми молекул комплекса гистонов: по два гистона Н2А и Н2В с высоким содержанием лизина, по два богатых аргинином гистона НЗ и Н4. Этот гистоновый октамер называется «кор» (от лат. cor - сердцевина) На кор навивается ДНК в виде левозакрученной суперспирали с шагом 28 А, содержащей 80 пар нуклеотидов на виток. Всего на кор в нуклеосоме навивается 1,75 витка или 146 пар нуклеотидов. Описанная нуклеосома носит название «минимальной» или «кор-нуклеосомы». Если в состав нуклеосомы входит гистон HI, который связывается с межнуклеосомной ДНК, или линкером, то такую нуклеосому называют полной; на неё навивается 2-2,5 витка ДНК (160-200 пар нуклеотидов).

В основе организации нуклеосомы лежит уровень многоуровневого узнавания. На первом уровне гистоны попарно узнают друг друга. Молекула каждого гистона состоит из центрального структурированного трёхспирального домена (одного длинного и двух коротких альфа-спиральных участков, соединённых петельным сегментом, так называемая гистонная укладка) и двух неструктурированных N и С-«хвостов». Спиральные домены гистонов взаимодействуют друг с другом («рукопожатие»), в результате чего образуются гетеродимеры НЗ - Н4 и Н2А - Н2В. Эти димеры образуют тетрамер НЗ - Н4 и два димера Н2А - Н2В, формирующие гистоновый октамер, который имеет клинообразную форму, обеспечивающую левое закручивание спирали ДНК вокруг себя. На его поверхности, обращённой к ДНК, формируются белковые структуры {мотивы), которые можно разделить на три основных типа.

Мотивы первого типа образованы спаренными петельными сегментами гистоновых димеров (бета-мосты).

Мотивы второго представляют собой спаренные N-концевые сегменты первых спиральных доменов каждого гистона в гетеродимерах. К третьему типу относят два мотива, которые формируются двумя дополнительными альфа спиральными участками гистона НЗ, расположенными по концам суперспирали

ДНК, где ДНК входит и покидает иуклеосому. Суммарное число всех мотивов равно 14, что соответствует числу витков двойной спирали ДНК, накрученной вокруг октамера.

Все эти мотивы содержат положительно заряженные аминокислоты (в основном аргинины), что обеспечивает электростатический контакт октамера с отрицательно заряженными фосфатами сахарного остова ДНК. При этом 14 малых бороздок ДНК втягивают в себя 14 аргинин содержащих мотивов гистонового октамера, расположенных на поверхности гистонового кора и обращенных к ДНК. Это приводит к жёсткому фиксированию ДНК, которое в малой степени зависит от её нуклеотидной последовательности, что и обеспечивает универсальность компактизации ДНК на нуклеосомах. Консервативная глобулярная часть гистонов участвует в формировании гистонового октамера и фиксировании на нём молекулы ДНК. Так обеспечивается первый уровень компактизации. При этом ДНК оказывается на поверхности кора и остаётся доступной для взаимодействия с другими белками. В последние годы изучалась роль гистоновых хвостов.

Согласно рентгеноструктурному анализу нуклеосом, суперспираль ДНК в нуклеосоме закручена так, что обеспечивается выход «хвостов» гистонов на поверхность нуклеосомы. «Хвост» гистона НЗ простирается далеко от места выхода на

поверхность нуклеосомы и фиксируется межнуклеосомными контактами. «Хвост» гистона Н4 имеет много контактов с поверхностью димера Н2А - Н2В соседней нуклеосомы. «Хвосты» гистонов выходят на поверхность хроматиновой фибриллы, участвуют в межнуклеосомном взаимодействии, очень подвижны и подвергаются многочисленным модификациям: ацетилированию, фосфорилированию, метилированию, убиквитинилированию и АДФ-рибозилированию. Эти модификации приводят к изменению заряда, гидрофобности и других свойств поверхности белковых глобул. В результате формируется сложная матрица для узнавания её другими регуляторными белками и внешними сигналами. Поскольку концевые домены гистонов участвуют и в межнуклеосомном взаимодействии, вышеперечисленные модификации влияют и на характер упаковки хроматиновой фибриллы, разрыхляя или, наоборот, уплотняя её, что, в свою очередь облегчает или затрудняет доступ к ДНК многочисленным регуляторным факторам.

Эти свойства «хвостов» гистонов в структуре нуклеосомы имеют большое значение для расшифровки и понимания механизмов функционирования хроматина, его поведения при активации генов, репрессии их и многих других процессов, связанных с доступом к ДНК /4/.

1.2.4 Характеристика «гистонового кода»

Наиболее разработанной в настоящее время моделью функционирования хроматина считается «гистоновый код». Это - разнообразный набор модификаций гистоиовых «хвостов» на поверхности нуклеосом, который можно целенаправленно менять и передавать по наследству. Он и определяет функциональное состояние гена.

«Гистоновый код», по-видимому, является основным эпигенетическим механизмом, контролирующим включение или выключение генов и передачу программы этого контроля по наследству от клетки к клетке.

«Гистоновый код» оказался идеальным эпигенетическим механизмом, с помощью которого можно писать программу каскадного включения - выключения генов при развитии, не затрагивая информацию о белках, записанную на самой ДНК.

Гипотеза «гистонового кода» предполагает, что маркировки на модифицированных концевых заменах гистонов должны узнаваться регуляторными белками. Первым был обнаружен так называемый бромодомен, который специфически узнает ацетилированные лизины на гистоновых «хвостах». Бромодомен присутствует во многих регуляторах транскрипции генов (например, белок TAFn250). (Субъединица базального транскипционного фактора TFIID) узнаёт, например, комбинацию нескольких ацетильных групп и имеет две последовательно расположенные копии бромодомена, каждая их которых узнаёт свою ацетильную группу.

Другой белковый домен, узнающий маркировки на гистоновых «хвостах», называется хромодоменом. Из несущих хромодомен белков лучше всего изучен НР1 (от англ. Heterochromatin protein). Этот белок принимает участие в структурной организации гетерохроматина - области хроматина, находящейся в высококонденсированном состоянии, где все гены репрессированы. Таким образом, белок НР1 - это маркёр неактивного состояния хроматина. Он имеет высокое сродство к метилированному 9-му лизину (Tys-9) гистона НЗ. Связываясь с метилированным Tys-9 НЗ в одной нуклеосоме, белок HP 1 в свою очередь, метилирует соседние нуклеосомы, что вызывает распознание области метилирования хроматина. Этим достигается эффект высококонденсированного состояния на протяжённых участках хроматина. В настоящее время ведётся поиск доменов, узнающих другие модификации «хвостов» гистонов (фосфорилирование, убиквитинилирование и АДФ-рибозилирование).