Нуклеосомы: структура

Нуклеосома (nucleosome) - субъединица хроматина, состоящая из ДНК и набора из четырех пар гистоновых белков Н2А , Н2В , Н3 и Н4 одной молекулы гистона H1. Гистон Н1 связывается с линкерной ДНК между двумя нуклеосомами.

Нуклеосома является элементарной единицей упаковки хроматина. Она состоит из двойной спирали ДНК, обмотанной вокруг специфического комплекса из восьми нуклеосомных гистонов ( гистонового октамера ). Нуклеосома представляет собой дисковидную частицу с диаметром около 11 нм, содержащую по две копии каждого из нуклеосомных гистонов (Н2A, Н2В, НЗ, Н4 ). Гистоновый октамер образует белковую сердцевину, вокруг которой дважды обмотана двуспиральная ДНК (146 нуклеотидных пар ДНК на гистоновый октамер).

Нуклеосомы, входящие в состав фибрилл, расположены более или менее равномерно вдоль молекулы ДНК на расстоянии 10-20 нм друг от друга. 

Данные по структуре нуклеосом получены с использованием рентгеноструктурного анализа низкого и высокого разрешения кристаллов нуклеосом, межмолекулярных сшивок белок-ДНК и расщепления ДНК в составе нуклеосом с помощью нуклеаз или радикалов гидроксила. А. Клугом была построена модель нуклеосомы , в соответствии с которой ДНК (146 п.о.) в B-форме (правозакрученная спираль с шагом 10 п.о.) намотана на гистоновый октамер, в центральной части которого расположены гистоны Н3 и Н4, а на периферии - Н2а и Н2b. Диаметр такого нуклеосомного диска составляет 11 нм, а его толщина - 5,5 нм. Структура, состоящая из гистонового октамера и намотанной на него ДНК, получила название нуклеосомной кoровой частицы .Кoровые частицы отделены друг от друга сегментами линкерной ДНК. Общая длина участка ДНК, включенного в нуклеосому животных, составляет 200 (+/-15) п.о.

Полипептидные цепи гистонов содержат структурные домены нескольких типов. Центральный глобулярный домен и гибкие выступающие N- и С-концевые участки, обогащенные основными аминокислотами, получили название плеч (arm). С-концевые домены полипептидных цепей, участвующие в гистон-гистоновых взаимодействиях внутри кoровой частицы, находятся преимущественно в виде альфа-спирали с протяженным центральным спиральным участком, вдоль которого с двух сторон уложено по одной более короткой спирали. Все известные места обратимых посттрансляционных модификаций гистонов, происходящих на протяжении клеточного цикла или во время дифференцировки клеток, локализованы в гибких основных доменах их полипептидных цепей ( табл. I.2 ). При этом N-концевые плечи гистонов H3 и H4 являются самыми консервативными участками молекул, а гистоны в целом - одними из наиболее эволюционно консервативных белков. С помощью генетических исследований дрожжей S. cerevisiae было установлено, что небольшие делеции и точковые мутации в N-концевых частях генов гистонов сопровождаются глубокими и разнообразными изменениями фенотипа дрожжевых клеток, что указывает на важность целостности молекул гистонов в обеспечении правильного функционирования эукариотических генов. В растворе гистоны Н3 и Н4 могут существовать в виде стабильных тетрамеров (Н3)2(Н4)2, а гистоны Н2А и Н2В - в виде стабильных димеров. Постепенное повышение ионной силы в растворах, содержащих нативный хроматин, приводит к освобождению сначала димеров Н2А/Н2В, а затем тетрамеров Н3/Н4.

Уточнение тонкой структуры нуклеосом в кристаллах было проведено в работе К. Люгера с соавт. (1997 г.) с помощью рентгеноструктурного анализа высокого разрешения. Установлено, что выпуклая поверхность каждого гистонового гетеродимера в составе октамера огибается сегментами ДНК длиной 27-28 п.о., расположенными по отношению друг к другу под углом 140 градусов, которые разделены линкерными участками длиной в 4 п.о.

Пространственная структура ДНК в составе кoровых частиц несколько отличается от B-формы: двойная спираль ДНК перекручена на 0,25-0,35 п.о./виток двойной спирали, что приводит к образованию шага спирали, равному 10,2 п.о./виток (у В-формы в растворе - 10,5 п.о./виток). Стабильность комплекса гистонов в составе кoровой частицы определяется взаимодействием их глобулярных частей, поэтому удаление гибких плеч в условиях мягкого протеолиза не сопровождается разрушением комплекса. N- концевые плечи гистонов, по-видимому, обеспечивают их взаимодействие со специфическими участками ДНК. Так, N-концевые домены гистона Н3 контактируют с участками ДНК на входе в кoровую частицу и выходе из нее, тогда как соответствующий домен гистона Н4 связывается с внутренней частью ДНК нуклеосомы. Центральная часть сегмента ДНК длиной в 121 п.о. в составе нуклеосомы образует дополнительные контакты с гистоном H3. При этом N- концевые части полипептидных цепей гистонов H3 и H2B проходят через каналы, образуемые малыми бороздками соседних супервитков ДНК нуклеосомы, а N-концевая часть гистона H2A контактирует с малой бороздкой внешней части супервитка ДНК. ДНК в составе коровых частиц нуклеосом огибает гистоновые октамеры неравномерно. Кривизна нарушается в местах взаимодействия ДНК с поверхностью гистонов, и такие изломы наиболее заметны на расстоянии 10-15 и 40 п.о. от центра супервитка ДНК.

Роль гистонов в свертывании ДНК важна по следующим причинам:

1) Если бы хромосомы состояли только из вытянутой ДНК, трудно вообразить, как они могли бы реплицироваться и разделяться по дочерним клеткам, не запутываясь или не ломаясь при этом.

2) В вытянутом состоянии двойная спираль ДНК каждой человеческой хромосомы пересекла бы клеточное ядро тысячи раз; таким образом, гистоны упорядоченным образом упаковывают очень длинную молекулу ДНК в ядро, имеющее несколько микрометров в диаметре;

3) Не вся ДНК свернута одинаковым образом, и характер упаковки района генома в хроматин , вероятно, влияет на активность генов , содержащихся в данном районе.

В хроматине ДНК простирается как непрерывная двуспиральная нить от одной нуклеосомы к другой. Каждая нуклеосома отделена от следующей участком линкерной ДНК, который варьирует в размерах от 0 до 80 нуклеотидных пар. В среднем повторяющиеся нуклеосомы имеют нуклеотидный интервал, составляющий около 200 нуклеотидных пар. На электронных микрофотографиях такое чередование гистонового октамера с намотанной ДНК и линкерной ДНК придает хроматину вид "бусин на нитке" (после обработок, развертывающих упаковку высшего порядка).

Ссылки: