236-237
Молекулярная генетика
Геном
А. Хроматин
В ядре эукариот (схема на с. 98) ДНК
(DNA) связана с белками и РНК. Треть нуклеопротеидного комплекса, называемого
хроматином, составляет ДНК.
Хроматин можно видеть в оптический
микроскоп только во время деления клеток (см. с. 380), когда он находится в
конденсированном виде в составе хромосом. Во время интерфазы большая
часть хроматина неконденсирована. Морфологически различают эухроматин и
гетерохроматин, который более конденсирован, чем эухроматин. Эухроматин
соответствует участкам хромосом с активной транскрипцией.
Белки хроматина подразделяются на
гистоновые и негистоновые. Гистоны (Б) - небольшие, сильно
основные белки, ассоциированные непосредственно с ДНК. Они принимают участие в
структурной организации хроматина, нейтрализуя за счет положительных зарядов
аминокислотных остатков отрицательно заряженные фосфатные группы ДНК, что делает
возможной плотную упаковку ДНК в ядре. Благодаря этому 46 молекул ДНК
диплоидного генома человека общей длиной около 2 м, содержащих в сумме
6-109 пар оснований [п.о. (bp)], могут поместиться в клеточном ядре
диаметром всего 10 мкм.
По две молекулы каждого из гистонов
Н2А, Н2В, Н3 и Н4 составляют октамер, обвитый сегментом ДНК длиной
146 п.о., образующим 1,8 витка спирали поверх белковой структуры. Эта частица
диаметром 7 нм называется нуклеосомой. Участок ДНК (линкерная ДНК),
непосредственно не контактирующий с гистоновым октамером, взаимодействует
с гистоном Н1. Этот белок закрывает примерно 20 п.о. и обеспечивает
формирование суперспиральной структуры (соленоида) диаметром 30 нм. Когда
хроматин конденсируется с образованием метафазной хромосомы, соленоидные
структуры образуют петли диаметром 200 нм, содержащие ДНК длиной 80000
п.о. Петли связаны с остовом из белков (ядерный остов), причем примерно
20 петель образуют минидиски. Большое число минидисков укладывается в
стопку, составляя хромосому. Вследствие этого ДНК оказывается свернута настолько
плотно, что даже самая маленькая хромосома человека содержит около 50 млн
п.о.
Группа негистоновых белков высоко
гетерогенна и включает структурные ядерные белки, множество ферментов
и факторов транскрипции (см. с. 242), связанных с определенными
участками ДНК и осуществляющих регуляцию генной экспрессии и других
процессов.
Б. Гистоны
Гистоновые белки интересны со многих
точек зрения. Благодаря высокому содержанию лизина и аргинина (на схеме синего
цвета) они, как уже упоминалось, проявляют сильно основные свойства. Кроме того,
последовательность аминокислот гистонов, т. е. их первичная структура, мало
изменилась в процессе эволюции. Это хорошо видно при сравнении аминокислотной
последовательности гистонов млекопитающих, растений и дрожжей (см. с. 150). Так,
Н4 человека и пшеницы отличаются лишь несколькими аминокислотами. К тому же
размер молекулы белка и ее полярность довольно постоянны. Из этого можно
заключить, что гистоны были оптимизированы еще в эпоху общего предшественника
животных, растений и грибов (более 700 млн лет назад). Хотя с тех пор в
гистоновых генах происходили бесчисленные точковые мутации, все они, очевидно,
приводили к вымиранию мутантных организмов
Гистоны в октамере имеют подвижный N-концевой фрагмент ('хвост')
из 20 аминокислот, который выступает из нуклеосомы (А)
и важен для поддержания структуры хроматина и контроля за генной экспрессией.
Так, например, формирование (конденсация) хромосом связано в фосфорилированием
(Р) гистонов, а усиление транскрипции - с ацилированием
(А) в них остатков лизина. Детали механизма
регуляции до конца не выяснены.