Упаковка эукариотической ДНК

Стоит признать, что степень компактизации прокариотической хромосомной ДНК с учетом поддержания необходимого активного состояния генома производит впечатление. Однако задача упаковки эукариотических хромосом, типичная суммарная длина которых составляет несколько метров, в ядро с радиусом около нескольких десятков микрон, представляется еще более интересной, особенно если учесть отказ от оперонной организации эукариотического генома, т. е. отказ от упрощающей регуляцию, но ограничивающей ее возможности смысловой агрегации информации.

Базовый уровень упаковки эукариотического генома хорошо известен и представлен весьма консервативными нуклеосомными комплексами. Нуклеосомы являются глобулярными образованиями, состоящими из октамера специальных белков — гистонов, на которые «намотана» спираль ДНК. На каждом октамере гистонов помещается 1,65 супервитка ДНК, что составляет 146 пар нуклеотидов (рис. 1.39). Сам октамер составлен из четырех типов белков (Н2А, Н2 В, НЗ и Н4), каждый из которых представлен в октамере дважды. Данный уровень упаковки ДНК часто называют «бусы на нити», а фрагменты, связывающие нуклеосомы, линкерной ДНК. Еще один тип гистонов — Н1, связываясь с линкерной ДНК, формирует ее изгиб, что позволяет еще немного повысить плотность нуклеосомного уровня упаковки.

Рис. 1.39. Упаковка эукариотической ДНК в нуклеосомы

Ранее на примере прокариот была продемонстрирована связь упаковки ДНК с процессами переноса информации (транскрипция, репликация). Поскольку для эукариотических генов требуется более «тонкая» регуляция экспрессии, кажущаяся простота и унифицированность нуклеосомного уровня упаковки ДНК сопровождается огромным числом деталей.

Перечислим основные факторы, вносящие разнообразие и одновременно делающие построение точной модели организации эукариотической ДНК на данный момент невозможной:

• • существует некоторое количество подвариантов каждого из типов гистонов, сохраняющих базовые структурные характеристики нуклеосомного комплекса, но при этом существенно влияющих на его функциональность;
• • постоянно растущее число известных возможных посттрансляционных модификаций аминокислот гистонов (счет идет на сотни), часто носящих обратимый характер, причем многие модификации могут существенно менять свойства аминокислотных остатков и, следовательно, свойства нуклеосомного комплекса;
• • существуют целые семейства вспомогательных белков:
• — обслуживающих нуклеосомные комплексы (сборка, деградация, модификация, вставка/выемка октамеров целиком или замена отдельных субъединиц),
• — обеспечивающих более высокие уровни упаковки хроматина, взаимодействующих с ними транскрипционных и ренликационных факторов. Изучение большинства из перечисленных групп вспомогательных белков еще предстоит осуществить.

Обозначенные выше вопросы мешают построить стройную картину способов регуляции активности эукариотического генома. Сходство структурной организации нуклеосомного уровня упаковки ДНК для всех эукариотических организмов, развитие методов современной биологии для получения новых данных, а также интенсивное применение математических подходов к анализу уже имеющихся данных позволило лишь сформулировать ряд общих моделей.

Рассмотрим известные способы ремоделирования нуклеосомной организации генома, используемые для обеспечения доступа транскрипционных факторов к регуляторным последовательностям ДНК (рис. 1.40). Кратковременное открытие доступа может поддерживаться:

• • временной диссоциацией (с последующим повторным связыванием) участков ДНК, фланкирующих нуклеосомный виток. Этого может быть достаточно для обеспечения доступности ввиду большей аффинности (сродства) специфичного связывания транскрипционных факторов с регуляторными последовательностями относительно менее специфичного взаимодействия ДНК с гистонами;
• • изменением доступности сайтов связывания, расположенных в «средней» части нуклеосомного витка. Механизм изменения сродства ДНК и гистонов в данном случае поддерживается обратимыми посттрансляционными модификациями аминокислотных остатков последних или заменой мономеров нуклеосомного комплекса на «специализированные» иодварианты;

• • извлечением нескольких мономеров нуклеосомного комплекса специализированными белками, относящимися к классу гистоновых шаперонов. Подобная возможность продемонстрирована для гистонов 112А и Н2 В. Отметим, что при этом нуклеосома не меняет своего положения, поскольку каждый из оставшихся мономеров гистонного комплекса обладает собственными сайтами связывания ДНК;
• • феноменом «сдвига» нуклеосом, когда ДНК «проскальзывает» по гистоновому октамеру, что приводит к смещению сайта связывания в область линкерной ДНК. Есть данные, что подобный процесс может происходить как спонтанно, так и вызываться АТФ-зависимыми белками ремоделирования хроматина или гистоновыми шаперонами;
• • изменением высокоуровневой организации хроматина.

Рис. 1.40. Механизмы обеспечения доступа к регуляторным последовательностям эукариотической ДНК на уровне отдельных нуклеосом:

а — обнажение регуляторной последовательности;

6 — «скольжение» нуклеосомы

Перечисленные выше механизмы описывают моделирование структуры хроматина на самом низком — нуклеосомном — уровне организации. ДНК в эукариотических клетках имеет множество более высоких порядков организации, которые, безусловно, оказывают существенное влияние на доступность регуляторных последовательностей (рис. 1.41).

Рис. 1.41. Ремоделирование хроматина наднуклеосомного уровня

К сожалению, на текущий момент нет компьютерных моделей, способных адекватно описать взаимодействие хроматина с транскрипционными и репликационными аппаратами, и их создание остается задачей для будущих исследований.