Эукариотические коровые гистоны развились из гистонов архей
Эукариотическая нуклеосома представляет собой сложную структуру, состоящую из октамера четырех коровых гистонов , обернутого почти два раза ДНК; "хвосты" гистонов и линкерные гистоны опосредуют разнообразные упаковочные взаимодействия вне коровой частицы ( Arents et al., 1991 ; Wolffe, 1992 ; Luger et al., 1997 ). Нуклеосомы архей гораздо проще, и очевидно, что они похожи на анцестральную частицу, из которой развились эукариотические нуклеосомы ( Malik and Henikoff, 2003 ). Нуклеосома архей состоит из белков с доменом "гистонового сворачивания" (histone fold domain proteins), которые не имеют "хвостов" и образуют тетрамерную частицу, обернутую лишь одним витком ДНК. Родство между нуклеосомами архей и эукариот можно видеть, сравнивая их структуры: остов [backbone] тетрамера архей почти накладывается на остов тетрамера (НЗ*Н4)2 ( рис. 13.1 ). Когда нуклеосомы архей реконструируются и формируют хроматин, получающаяся фибрилла ведет себя подобно "тетрасомам" (НЗ*Н4). Поэтому полагают, что эукариотические нуклеосомы развились из нуклеосом архей путем добавления димеров Н2A*Н2В с каждой стороны тетрасомы, чтобы сделать возможным второй виток ДНК, и путем приобретения гистоновых "хвостов". Кроме того, ДНК сворачивается в правую суперспираль вокруг коров архей, но в левую суперспираль вокруг эукариотических коров.
Дальнейшее проникновение в происхождение эукариотических нуклеосом становится возможным благодаря изучению субъединичных структур нуклеосом архей. В то время как большинство гистонов архей являются недиффернцированными мономерами или дифференцированы в структурно взаимозаменяемые варианты, которые сходятся вместе и формируют тетрамер, некоторые из них представляют собой димерные слияния типа "голова к хвосту", которые сходятся вместе и образуют димер из слившихся димеров ( рис. 13.1 ). Когда два из этих слившихся димеров собираются в нуклеосомную частицу, каждый член слившейся пары находится в структурно различимой позиции. Занимая различные позиции в частице, каждый член слившегося димера архей развивается независимо, давая ему возможность адаптироваться к одной позиции в нуклеосомной частице. Напротив, мономеры, занимающие взаимозаменяемые позиции, не обладают свободой для адаптации к определенным позициям. Действительно, два члена димеров архей дивергировали друт от друга в обеих независимых линиях, в которых они обнаруживаются. Этот процесс представляет возможный сценарий дифференцировки анцестрального белка с доменом "гистонового сворачивания" (histone fold domain protein) в четыре различные субъединицы, занимающие различные положения в эукариотической нуклеосоме. Подобно их предполагаемым предкам у архей эукариотические гистоны образуют димеры, где Н2A димеризуется с Н2В, а НЗ - с Н4 (который также стабильно тетрамеризуется в растворе). При разрешении 2Е структурный остов (backbone) гистонового димера у архей накладывается на остовы Н2A*Н2В и НЗ*Н4, причем первый член этого димерного повтора накладывается на Н2A или НЗ, а второй член - на Н2В или Н4. Поэтому, хотя у всех четырех эукариотических гистонов отсутствует сколько-нибудь существенное сходство по нуклеотидной последовательности друг с другом и с гистонами архей, это поразительное структурное наложение димерных единиц заставляет предполагать, что эукариотические гистоны развились и дифференцировались из более простых предков, бывших у архей.
Асимметрия димеров Н2A*Н2В и НЗ*Н4, происходящая, по-видимому, от тандемных димеров архей, могла проложить путь для последующей диверсификации вариантов эукариотических гистонов. И Н2A и НЗ соответствуют первому члену тандемных гистоновых димеров у архей, и оба впоследствии многократно диверсифицировались в эволюции эукариот. Напротив, Н2В и Н4 соответствуют второму члену и продемонстрировали очень незначительную функциональную диверсификацию (Н2В) или вовсе никакой (Н4). И НЗ, и Н2A образуют гомодимерные контакты в октамере ( рис. 13.2 ), тогда как Н4 и Н2В контактируют лишь с другими гистонами. В результате изменения в остатках, вовлеченных в гомодимеризацию либо Н2A, либо НЗ, могут потенциально сопротивляться образованию смешанных октамеров, позволяя нуклеосомам, содержащим вариант Н2A или НЗ, развиваться независимо от родительских нуклеосом. Например, четырехспиральный пучок (four-helix bundle), охватывающий интерфейс между молекулами НЗ, определяет левостороннее суперскручивание ДНК вокруг нуклеосомы ( Arents et al., 1991 ; Luger et al., 1997 ), тогда как в нуклеосомах архей супервитки ДНК являются правосторонними ( Marc et al., 2002 ). Очевидно, мутация этого четырехспирального пучка у предка НЗ была ответственна за эту реверсию. В целом структурные особенности, облегчавшие независимую эволюцию субъединиц, могли быть предпосылками для диверсификации нуклеосомных частиц.
Хотя мы можем дать рациональное объяснение происхождению эукариотических коровых гистонов от тандемных димеров архей, остаются другие основные вопросы. Откуда появились "хвосты" гистонов ? Когда вышли на сцену Н2A*Н2В? Произошли ли эти события до, во время или после возникновения эукариотического ядра? Почему все известные нуклеосомы архей состоят из тетрамеров с одним витком, тогда как эукариотические нуклеосомы состоят из октамеров с двумя витками? Почему поменялось направление суперспирали? Возможно, изучение большего числа архей или примитивных эукариот позволит обнаружить промежуточные формы, которые смогут дать ответ на эти вопросы.
