От чего зависит судьба гена (стр. 2 из 4)

Структура минимальной нуклеосомы (вид вдоль оси суперспирали ДНК). Разрешение 2.8 A

Показана половина нуклеосомы с одним витком суперспирали (73 пары оснований) и четырьмя молекулами гистонов (Н2А, Н2В, Н3, Н4). Их спиральные сегменты изображены в виде цилиндров, неструктурированные участки между ними - в виде петель, буквами N и С обозначены “хвосты”, т.е. аминные и карбоксильные концы молекул. Места, в которых ДНК контактирует с гистонами, указаны белыми крюками.

Рентгеноструктурный анализ, позволяющий получать данные о пространственном расположении атомов в кристалле, для нуклеосомы особенно сложен в силу того, что этот комплекс состоит из многих компонентов. Но в конце 90-х годов в лаборатории Т.Ричмонда такой анализ был успешно осуществлен и получено “изображение” структуры нуклеосомы с высоким разрешением - около 2.8 A [4]. Таким образом, появилась основа для более глубокого понимания тех механизмов, которые обеспечивают участие нуклеосомы в уплотнении ДНК и процессах регуляции генной активности на уровне хроматина.

Хвосты, хвосты, хвосты

Нуклеосома формируется по принципу многоуровневого узнавания, обусловленного строением гистонов. Молекула любого из них содержит центральный структурированный трехспиральный домен и неструктурированные N- и C-“хвосты”. Гистоны попарно узнают друг друга, и в этом важна роль особой гистоновой укладки. Спиральные домены взаимодействуют между собой, образуя структуры, названные рукопожатием, в результате чего возникают гетеродимеры - один Н3-Н4 и два Н2А-Н2В. Из первого димера в свою очередь образуется тетрамер (Н3)2-(Н4)2. Таким образом, этот тетрамер и два димера Н2А-Н2В составляют гистоновый октамер, сердцевину нуклеосомы.

Интересно, что мотив гистоновой укладки обнаружен во многих белках, которые активируют или подавляют считывание информации с ДНК. Из этого следует, что между структурой хроматина и механизмом транскрипции существует эволюционная связь.

Формой гистоновый октамер напоминает клин, благодаря чему обеспечивается левое закручивание спирали ДНК. На поверхности октамера, обращенной к ДНК, из центральных доменов формируются особые структурные элементы, или мотивы, которые можно разделить на три основных типа. Мотивы первого типа образованы -мостами - спаренными петлями гистоновых димеров. Мотивы второго типа - это спаренные N-концевые сегменты длинных спиральных доменов каждого гистона, образующего гетеродимер. Наконец, третий тип составляют два мотива из двух дополнительных a-спиральных участков гистона-3, расположенных вдоль суперспирали ДНК в месте ее входа в нуклеосому и выхода из нее. Поскольку перечисленные структурные элементы содержат положительно заряженные аминокислоты (в основном аргинины), октамер электростатически взаимодействует с отрицательно заряженными фосфатными группами сахарофосфатного остова ДНК. Таким образом, 14 малых бороздок ДНК втягивают в себя 14 содержащих аргинин мотивов гистонового октамера, расположенных на его поверхности. В результате ДНК жестко закрепляется почти независимо от нуклеотидной последовательности. Благодаря этому обеспечивается универсальность уплотнения ДНК на октамерах.

Итак, за счет консервативной центральной части гистонов формируется сам октамер и закрепляется ДНК, чем обеспечивается первый уровень ее уплотнения. ДНК оказывается на поверхности октамера и остается доступной для взаимодействия с другими белками.

Зачем же нужны гистоновые “хвосты”? Чтобы понять это, обратимся снова к нуклеосоме. Судя по рентгеноструктурному анализу, все они выходят на ее поверхность, причем “хвост” гистона-3 особенно далеко простирается за пределы нуклеосомы.

“Хвосты” гистонов очень подвижны. Выступая поверх не только нуклеосомы, но даже хроматиновой фибриллы, они участвуют в межнуклеосомном взаимодействии и подвергаются многочисленным модификациям. Среди них можно отметить ацетилирование, фосфорилирование, метилирование, AДФ-рибозилирование и присоединение белка убиквитина [5]. Эти модификации изменяют заряд, гидрофобность и другие свойства поверхности белковых глобул. Гистоновые “хвосты”, расположенные снаружи хроматиновой фибриллы, составляют до 25-30% от массы индивидуальных гистонов и различными заряженными группами мозаично “раскрашивают” поверхность монотонного хроматина. Кроме того, специализированные модифицирующие ферменты могут изменять эту мозаику, сочетая разные модифицирующие группы. Так формируется сложная матрица, которую узнают другие регуляторные белки, внешние сигналы. Более того, поскольку концевые домены гистонов участвуют и в межнуклеосомном взаимодействии, за счет модификаций хроматиновая фибрилла разрыхляется или, наоборот, уплотняется. Это, в свою очередь, облегчает или затрудняет доступ многочисленных регуляторов к ДНК.

Из результатов исследований, проведенных в последние годы, стало ясно, что все эти свойства гистоновых “хвостов” чрезвычайно важны для расшифровки механизмов функционирования хроматина - его поведения при активации генов, их репрессии и регуляции многих других процессов, связанных с доступом к ДНК. К настоящему времени создана не одна модель, объясняющая роль хроматина, самая разработанная и интригующая из них - модель “гистонового кода”.

Схематическое изображение фрагмента нуклеосомы.

На схеме видны: мотив гистоновой укладки в виде цилиндров, соединенных петлями и взаимодействующих между собой, и шесть регулярно расположенных -мостов, связывающих спираль ДНК. Приблизительное положение гибких гистоновых “хвостов” изображено пунктирными линиями.

Под этим подразумевается разнообразный набор модификаций гистоновых “хвостов”, определяющий функциональное состояние гена. Спектр модификаций можно целенаправленно менять, передавать по наследству, иными словами, управлять считыванием генетической информации. Именно “гистоновый код” являет собой тот второй и, видимо, основной эпигенетический механизм, который управляет включением-выключением генов и передачей контролирующей программы по наследству от клетки к клетке.

Язык, на котором ДНК разговаривает с клеткой

Довольно долго существовало мнение, что структура хроматина статична, что он отнюдь не главный игрок на поле генной регуляции. Гистонам же отводилась лишь пассивная роль в сворачивании чрезмерно длинной для ядра молекулы ДНК. Считали (так было проще думать), что контроль транскрипции в клетках эукариот независим от хроматина. Однако после того как была расшифрована структура нуклеосомы, в корне изменились представления о хроматине и о значимости гистонов, в частности. Они оказались непосредственно вовлеченными в процессы, происходящие на ДНК-матрице, такие как репликация (удвоение ДНК), транскрипция, репарация (исправление повреждений ДНК) и расхождение хромосом [6]. Стало ясно, что существует тщательная инструкция для факторов транскрипции, использующих различные ферменты, которые напрямую или опосредованно способствуют перестройке хроматина.

Участие хроматина в судьбе генов стало еще очевиднее, когда в составе активирующих и репрессорных белковых комплексов, управляющих работой гена, были обнаружены ферменты, вносящие или снимающие некоторые модификации в гистоновых “хвостах”. От количества модификаций, их качественного состава и специфического набора зависело, быть гену активным или молчать. Выяснилось также, что мутации генов, кодирующих ферменты-модификаторы, приводят к полной потере клеткой способности развиваться и в конечном счете к гибели. “Гистоновый код” оказался идеальным эпигенетическим механизмом, с помощью которого пишется программа каскадного включения-выключения генов, а информация о белках, записанная в самой ДНК, остается в сохранности.

Схема расположения модифицирующих групп в N-концевой части гистона-3.

Этот консервативный домен выходит на поверхность фибриллы и подвергается, как и “хвосты” других гистонов, разным модификациям: ацетилированию (Ас), фосфорилированию (Р) и метилированию (Ме). Вполне возможны и некоторые модификации в глобулярном домене. Внизу показаны точные места модификаций N-концевого фрагмента Н3 человека

(здесь приведены однобуквенные обозначения аминокислот). Остаток лизина (К-9) может быть как ацетилирован, так и метилирован.

Места модификации гистонов весьма консервативны, специфичны и специализированы так, чтобы в клетке протекали необходимые для ее жизни процессы. В Н3 и Н4 модификациям подвергаются в основном аминокислоты с реакционноспособными боковыми группами, как правило, положительно заряженными. Чаще всего это лизины. Если в опытах все лизиновые остатки, находящиеся в “хвосте” Н4, заменяли на другие аминокислоты, терялась возможность модификации, и клетка погибала. Когда в этом гистоне место лизинов в “хвостовом” домене занимали глутамины (аминокислоты с другим суммарным зарядом), нарушалось распределение зарядов на поверхности нуклеосомы, необходимое для нормального деления клетки, и оно останавливалось. Однако если возвращали всего один остаток лизина на N-конец гистона, клетка продолжала делиться.

Поддержание генов в активном или неактивном состоянии обеспечивается комбинациями разных модификаций, причем по определенным аминокислотам и в определенном положении. Любой модифицированный остаток может способствовать или препятствовать “пришиванию” следующей химической метки.

Модификацией гистоновых “хвостов”, естественно, занимаются ферменты. Каждый из них присоединяет только определенную модифицирующую группу. Например, гистоновая ацетилтрансфераза переносит ацетильную группу на конкретные лизины в аминном конце, метилтрансфераза - метильную группу (на лизиновые и/или аргининовые остатки), а гистоновые киназы - фосфатные радикалы на серины и гистидины. Существуют также и многочисленные ферменты, которые снимают модифицирующие группы с гистоновых “хвостов”. Такие ферменты входят в состав сложных белковых комплексов, участвующих в регуляции генной активности. Из сказанного следует, что в клетке достигается определенный баланс между различными ферментами, которые считывают “гистоновый код” и переключают его, меняя степень конденсированности хроматина и, соответственно, активности гена.