ДНК-топоизомеразы I и II, участвующие в различных матричных процессах регуляции топологической структуры ДНК, обнаружены в ядрах нейронов и глиальных клеток.
В заключение остановимся на гипотезе о так называемой метаболической ДНК.
Предполагается, что, помимо стабильной геномной ДНК, в дифференцированных клетках существует специфическая фракция относительно быстро обменивающейся ДНК, которая, по-видимому, представлена экстракопиями наиболее активных генов. В целом эта концепция до сих пор не получила достаточного обоснования, хотя сообщения о существовании быстро обменивающихся фракций ДНК в тех или иных клетках время от времени появляются в научной литературе. Наиболее убедительны данные о существовании таких ДНК в эмбриональных фибробластах цыпленка, где ей приписывается роль межклеточного переносчика информации.
Вопрос о существовании метаболически лабильной ДНК в клетках мозга животных и ее природе остается спорным. Быстрое включение радиоактивных предшественников в ДНК мозга и последующее быстрое исчезновение их из этой ДНК наблюдали многие исследователи.
Однако имеются и сообщения о высокой стабильности радиоактивной метки, включившейся в ДНК мозга.
В литературе приводятся убедительные аргументы в пользу того, что быстрый обмен вновь синтезированной ДНК является артефактом, связанным с ее радиоактивной деградацией вследствие включения меченых предшественников.
Полагают также, что метаболическая нестабильность этой ДНК обусловлена быстрой гибелью значительной части активно делящихся клеток. Тем не менее некоторые исследователи считают, что метаболически лабильная ДНК в клетках мозга действительно существует и может выполнять какие-то особые, хотя пока и не выясненные функции.
Недавно стабильность ДНК в клетках коры мозжечка человека исследовали по соотношению в ней природных изотопов углерода. Оказалось, что основная масса ДНК в этих клетках чрезвычайно стабильна.
Ясно, что если метаболическая ДНК в мозге человека и существует, она составляет ничтожно малую от суммарной ДНК долю.
Хроматин всех эукариот организован в виде серии повторяющихся нуклеопротеидных частиц - нуклеосом. Каждая нуклеосома состоит из так называемого кора, содержащего октамер гистонов Н2А, Н2В, НЗ, Н4 и обернутый вокруг него участок ДНК - 146 н. п., а также линкерной области, ассоциированной с гистоном HI, играющим особую роль в соединении нуклеосом друг с другом и в образовании наднуклеосомньгх уровней организации хроматина.
Нуклеосомная и наднуклеосомная организации, несомненно, играют важную, хотя и во многом еще не выясненную роль в функциональной активности хроматина. Укладка двуспиральной ДНК в нуклеосоме сопровождается сильными искажениями ее вторичной структуры и кардинально изменяет условия ее взаимодействия с различными регуляторными белками. Показано, что наличие нуклеосом в промоторной области генов препятствует инициации транскрипции РНК-голимеразой II. В то же время наличие нуклеосом в кодирующей области не препятствует элонгации уже инициированных цепей мРНК. Поэтому начальные реакции транскрипции генов invivo обеспечиваются специальными механизмами, исключающими образование нуклеосом в критических участках промоторной области. В кодирующей же области активно транскрибируемых генов отмечается лишь частичное нарушение нуклеосомной структуры, объясняемое временным вытеснением гистонов движущейся РНК-полимеразой.
Образование локальных наднуклеосомных структур с участием гистона HI, по-видимому, является универсальным самоподдерживающимся механизмом выключения генов. Исследования последних лет показали также, что тканеспецифическая транскрипция генов обеспечивается сложными взаимодействиями различных негативных и позитивных регуляторов, узнающих специфические последовательности в промоторах индивидуальных генов. Характерными особенностями структуры активных участков хроматина являются: частичное или полное нарушение нуклеосомной и наднуклеосомной организации, присутствие особых вариантов гистонов или их постсинтетическая модификация, существование локальных торзионных напряжений в доменах хроматина и избирательная ассоциация с ядерным матриксом.
Преобладающая часть ядерной ДНК мозга организована в типичную нуклеосомную структуру. Однако по сравнению с хроматином печени хроматин мозга более гетерогенен по длине линкерных участков и обладает более разнообразным набором негистоновых белков. Длина нуклеосомных единиц в большинстве эукариотических клеток близка к 200 н. п. Некоторые вариации этой величины связаны с изменчивостью в длине линкерных участков, тогда как с кором нуклеосом всегда ассоциирован фрагмент ДНК длиной 146 н. п. В дифференцированных нейронах неокортекса нуклеосомная ДНК необычно короткая и составляет - 160-162 н. п., а клетки неастропитарной глии неокортекса и нейроны мозжечка имеют обычные по длине нуклеосомы. Переход в нейронах неокортекса к атипично коротким нуклеосомам коррелирует с окончательной дифференцировкой этих нейронов: у кроликов, мышей и крыс он проходит в первую неделю постнатального онтогенеза, а у более зрелорождающихся морских свинок - между 32-м ч 44-м днями эмбриогенеза. Аналогично, в пренатально дифференцирующихся нейронах гипоталамуса крыс короткие нуклеосомы присутствуют уже за два дня до рождения.
Укорочение нуклеосом не всегда сопровождает процесс морфофункционального созревания нейронов. Например, укорочения не наблюдается при созревании постмитотических нейронов неокортекса, изолированных из мозга 16-дневных эмбрионов крыс и культивируемых на селективной среде до возраста, соответствующего второй неделе постнаталъного онтогенеза. В мозжечке созревание зернистых нейронов в первый месяц постнатального онтогенеза сопровождается не уменьшением, а даже увеличением длины нуклеосом. Вообще усредненные данные о длине нуклеосом не следует автоматически переносить на всю сложную популяцию нервных клеток. Так, в мозге крыс процесс укорочения нуклеосом характерен только для нейронов глубоких слоев неокортекса. Существенная разница в длине нуклеосом существует и у различных глиальных клеток.
Функциональное значение описанного перехода к коротким нуклеосомам при созревании нейронов неокортекса до настоящего времени остается невыясненным. Предположение о том, что укороченные нуклеосомы обеспечивают укладку полинуклеосомной цепи в более открытую, способствующую транскрипции наднуклеосомную структуру, является упрощенным.
Исследования этого вопроса на более широком круге объектов подтверждают, что однозначной связи между транскрипционной активностью генов и длиной нуклеосом не существует. Транскрипционная активность хроматина определяется, как уже отмечено выше, большим числом факторов. Возможно, существование коротких нуклеосом в хроматине нейронов лишь каким-то образом облегчает действие этих факторов. В частности, могут изменяться условия взаимодействия линкерных участков хроматина с гистоном HI и негистоновыми белками. В хроматине нейронов неокортекса содержание гистона HI составляет - 0,5 молекулы на 1 нуклеосому, что примерно в два раза ниже, чем его содержание в хроматине глиальных клеток и клеток соматических тканей. Это хорошо согласуется с данными о более высокой доле активного хроматина в мозге по сравнению с соматическими тканями и в нейронах по сравнению с глиальными клетками.
Фракция активного хроматина нейронов практически не содержит гистона HI, а аналогичная фракция хроматина из клеток неастроцитарной глии содержит его в очень малом количестве. Напротив, фракции неактивного хроматина нейронов и глии содержат сравнительно высокие количества HI. Снижение доли активного хроматина в нейронах и глиальных клетках мозга человека при болезни Альцгеймера также коррелирует с повышением содержания гистона HI.
Таким образом, роль гистона HI в образовании наднуклеосомных уровней организации хроматина, а также его избирательное вытеснение из активных участков хроматина в настоящее время уже не вызывают сомнений. Менее изучена роль различных вариантов гистона HI. Известно, что из шести обнаруженных в клетках млекопитающих вариантов гистона HI, HI а и Н1в в значительных количествах обнаруживаются лишь в активно делящихся клетках, Hlc, - d, - е - в делящихся и неделящихся, а гистон Н1° характерен для терминально дифференцированных неделящихся клеток. Прекращение пролиферативной активности нейронов коррелирует с накоплением гистона Hie, а терминальная дифференцировка нейронов - с накоплением HI°.
Коровые гистоны в хроматине нейронов неокортекса представлены большим числом вариантов, для многих из которых обнаружены формы, конъюгированные с убиквитином. Одна из форм гистона Н2В, по-видимому, является мозгоспецифической. Высокое содержание соединенных с убиквитином форм гистонов в хроматине обычно связывают с высокой матричной активностью.
Хроматин нервных клеток является динамичным, активным образованием, состояние которого изменяется в ходе нормального развития и при действии различных внешних и внутренних стимулов. В первые недели постнатального онтогенеза в хроматине нейронов неокортекса крыс происходит заметное уменьшение числа участков с повышенной чувствительностью к ДНКазе в мозге стареющих животных эти изменения еще более выражены, что свидетельствует об уменьшении матричной активности хроматина в ходе старения.