Хроматин и гистоны

Белковый состав хроматина

Все белки, связанные с ядерной ДНК, разделяют на две большие категории: гистоновые и негистоновые.

Гистоны представляют собой белки небольшой молекулярной массы (от 11 до 22 кДа). В их аминокислотном составе преобладают основные аминокислоты — лизин и аргинин. Именно эти радикалы придают молекулам выраженный положительный заряд, что критически важно для их функции.

Негистоновые белки — это крайне разнородная фракция. В ее состав входят:

• Ферменты, обеспечивающие процессы синтеза нуклеиновых кислот (ДНК- и РНК-полимеразы, хеликазы).
• Специфические белки-регуляторы транскрипции и репликации.
• Дополнительные белки, отвечающие за высшие уровни компактизации ДНК.

Нуклеосомная организация

Основная структурная единица хроматина — нуклеосома. Она образуется за счет электростатического взаимодействия: положительно заряженные аминокислотные остатки гистонов притягиваются к отрицательно заряженным фосфатным группам сахарофосфатного остова ДНК.

Структура нуклеосомы включает следующие элементы:

1. Нуклеосомный кор (сердцевина): белковый октамер. Он состоит из восьми молекул гистонов (по две молекулы четырех разных типов).
2. ДНК кора: участок двойной спирали длиной около 146 нуклеотидных пар, который плотно наматывается на белковую сердцевину, образуя приблизительно 1,75 витка.
3. Линкерный участок: свободный отрезок ДНК длиной около 30 пар нуклеотидов, соединяющий соседние нуклеосомы. С этим связующим звеном ассоциирован особый гистон — H1.

Гетерохроматин и механизмы репрессии

Гетерохроматин представляет собой плотно упакованные участки генетического материала. В этой форме гены транскрипционно неактивны (стабильно репрессированы).

Стойкая неактивность генов в гетерохроматине обеспечивается тремя ключевыми факторами:

• Изначально высоким уровнем конденсации (компактизации) цепи ДНК.
• Образованием нуклеосом (прочным связыванием нити с гистонами, что физически закрывает доступ к генам).
• Метилированием дезоксицитидина в так называемых CpG-последовательностях. Добавление метильных групп меняет локальную конформацию хроматина, создавая непреодолимое препятствие для ферментов транскрипции.

Эухроматин и дифференциальная активность генов

Эухроматин — это деспирализованные, активные (или потенциально готовые к активации) участки хроматина, где расположены рабочие гены клетки. Такие области отличаются повышенной чувствительностью к ферментам ДНКазам.

Переход в активное состояние требует ослабления ионных связей в нуклеосоме. Это достигается за счет химических модификаций гистонов:

• Ацетилирование или метилирование аминогрупп в радикалах лизина и аргинина.
• Фосфорилирование остатков серина.

Эти реакции уменьшают суммарный положительный заряд гистонового октамера, в результате чего он хуже удерживает отрицательно заряженную ДНК.

> Клинический пример: Набор генов одинаков во всех клетках организма (исключение составляют лишь лимфоциты с их перестройками). Однако их активность строго тканеспецифична. Например, ген $\beta$-глобина в клетках-предшественниках эритроцитов (ретикулоцитах) находится в зоне эухроматина и активно транскрибируется, тогда как в мышечной ткани этот же ген спрятан в гетерохроматине и полностью отключен.

Что ещё разобрать по теме

• Механизм работы ДНК- и РНК-полимераз, а также хеликаз в хроматине
• Процесс метилирования CpG-островков и эпигенетическая регуляция
• Виды и функции специфических белков-регуляторов транскрипции
• Механизмы генетических перестроек в лимфоцитах (исключение из правила идентичности генома)

Другие темы раздела «Матричные биосинтезы»

Материал подготовлен преподавателями Школы Сеченова по учебной программе медицинских вузов. Носит образовательный характер.