Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Размещено на http://www.allbest.ru/
Доклад
Структура и химия хроматина
Хроматин - это сложная смесь веществ, из которых построены хромосомы эукариот. Основными компонентами хроматина являются ДНК и хромосомных белков, в состав которых входят гистоны и негистоновые белки, образующие высокоупорядоченные в пространстве структуры. Соотношение ДНК и белка в хроматине составляет ~1:1, а основная масса белка хроматина представлена гистонами. Термин «Х» введен У. Флеммингом в 1880 г. для описания окрашиваемых специальными красителями внутриядерных структур.
Хроматин - основной компонент клеточного ядра; его достаточно легко получить из выделенных интерфазных ядер и из выделенных митотических хромосом. Для этого используют его свойство переходить в растворенное состояние при экстракции водными растворами с низкой ионной силой или просто деионизованной водой.
Фракции хроматина, полученные из разных объектов, обладают довольно однообразным набором компонентов. Было найдено, что по суммарному химическому составу хроматин из интерфазных ядер мало отличается от хроматина из митотических хромосом. Главными компонентами хроматина являются ДНК и белки, среди которых основную массу составляют гистоны и негистоновые белки.
Слайд 3 . Различают две разновидности хроматина: гетерохроматин и эухроматин. Первый отвечает конденсированным во время интерфазы участкам хромосом, он является функционально неактивным. Этот хроматин хорошо окрашивается, именно его можно видеть на гистологическом препарате. Гетерохроматин делится на структурный (это участки хромосом, которые постоянно конденсированные) и факультативный (может деконденсуватись и переходить в эухроматин). Эухроматин соответствует деконденсованим в интерфазе участкам хромосом. Это рабочий, функционально активный хроматин. Он не окрашивается, его не видно на гистологическом препарате. Во время митоза весь эухроматин конденсируется и включается в состав хромосом.
В среднем в хроматине около 40% приходится на ДНК и около 60% - на белки, среди которых специфические ядерные белки-гистоны составляют от 40 до 80% от всех белков, входящих в состав выделенного хроматина. Кроме того, в состав хроматиновой фракциям входят мембранные компоненты, РНК, углеводы, липиды, гликопротеиды. Вопрос о том, насколько эти минорные компоненты входят в структуру хроматина, еще не решен. Так, РНК может представлять собой транскрибируемую РНК, которая еще не потеряла связь с матрицей ДНК. Другие же минорные компоненты могут относиться к веществам соосажденных фрагментов ядерной оболочки.
БЕЛКИ - класс биологических полимеров, присутствующих в каждом живом организме. С участием белков проходят основные процессы, обеспечивающие жизнедеятельность организма: дыхание, пищеварение, мышечное сокращение, передача нервных импульсов.
Белки являются полимерами, а аминокислоты - их мономерные звенья.
Аминокислоты - это органические соединения, содержащие в своем составе (в соответствии с названием) аминогруппу NH2 и органическую кислотную, т.е. карбоксильную, группу СООН.
Белковая молекула образуется в результате последовательного соединения аминокислот, при этом карбоксильная группа одной кислоты взаимодействует с аминогруппой соседней молекулы, в результате образуется пептидная связь - CO-NH- и выделяется молекула воды. Слайд 9
Белковые молекулы содержат от 50 до 1500 аминокислотных остатков. Индивидуальность белка определяется набором аминокислот, из которых составлена полимерная цепь и, что не менее важно, порядком их чередования вдоль цепи. Например, молекула инсулина состоит из 51 аминокислотного остатка.
Химический состав гистонов. Особенности физических свойств и взаимодействие с ДНК
Гистоны - относительно небольшие белки с очень большой долей положительно заряженных аминокислот (лизина и аргинина); положительный заряд помогает гистонам крепко связываться с ДНК (которая заряжена сильно отрицательно) независимо от ее нуклеотидной последовательности. Комплекс обоих классов белков с ядерной ДНК эукариотических клеток называется хроматином. Гистоны являются уникальной характеристикой эукариот и присутствуют в огромных количествах на клетку (около 60 миллионов молекул каждого типа на клетку). Типы гистонов распадаются на две главных группы - нуклеосомные гистоны и Н1 гистоны, образуя семейство высококонсервативных основных белков, состоящее из пяти больших классов - H1 и H2A, H2B, H3 и H4. Гистоны H1 более крупные (около 220 аминокислот) и оказались менее консервативными в ходе эволюции. Размер полипептидных цепей гистонов лежит в пределах от 220 (H1) до 102 (H4) аминокислотных остатков. Гистон H1 сильно обогащен остатками Lys, для гистонов H2A и H2B характерно умеренное содержание Lys, полипептидные цепи гистонов H3 и H4 богаты Arg. Внутри каждого класса гистонов (за исключением H4) на основании аминокислотных последовательностей различают несколько субтипов этих белков. Такая множественность особенно характерна для гистонов класса H1 млекопитающих. В этом случае различают семь субтипов, названных H1.1-H1.5, H1o и H1t. Гистоны H3 и Н4 принадлежат к наиболее консервативным белкам. Такая эволюционная консервативность предполагает, что для функции данных гистонов важны почти что все их аминокислоты. N - концевая часть данных гистонов может быть обратимо одифицирована в клетке за счет ацетилирования отдельных остатков лизина, что убирает положительный заряд лизинов.
Ядро область хвоста гистона.
Бусинки на струне Ля
Малая дальность взаимодействия
Гистоны компоновщика
Волокно на 30 нм
Волокно хромонемы
Взаимодействия волокна волокна дальнего действия
нуклеосома хроматин гистон
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).
Метилирование как ковалентная модификация гистонов является более сложной, чем любая другая, поскольку оно может происходить как по лизинам, так и по аргининам. Кроме того, в отличие от любой другой модификации в группе 1, последствия метилирования могут быть как позитивными, так и негативными по отношению к транскрипционной экспрессии в зависимости от положения остатка в гистоне (табл. 10.1). Еще один уровень сложности связан с тем фактом, что по каждому остатку могут быть множественные метилированные состояния. Лизины могут быть моно - (me1), ди - (me2) или три - (meЗ) метилированными, тогда как аргинины могут быть моно - (me1) или ди - (me2) метилированными.
Фосфорилирование - лучше всего известная РТМ, поскольку уже давно поняли, что киназы регулируют проведение сигнала с клеточной поверхности через цитоплазму и в ядро, приводя к изменениям в экспрессии генов. Гистоны были одними из первых белков, фосфорилирование которых было обнаружено. К 1991 году открыли, что когда клетки стимулировали к пролиферации, происходила индукция так называемых «немедленных-ранних» («immediate-early») генов, и они становились транскрипционно активными и функционировали, стимулируя клеточный цикл. Эта повышенная экспрессия генов коррелирует с фосфорилированием гистона НЗ (Mahadevan et al., 1991). Остаток серина 10 гистона НЗ (Н3S10) оказался важным сайтом фосфорилирования для транскрипции от дрожжей до человека и, по-видимому, особенно важен у Drosophila (Nowak and Corces, 2004)
Убиквитинирование процесс присоединения к белку «цепочки» молекул убиквитина (см. Убиквитин). При У. происходит соединение С-конца убиквитина с боковыми остатками лизина в субстрате. Полиубиквитиновая цепочка навешивается в строго определенный момент и является сигналом, свидетельствующим о том, что данный белок подлежит деградации.
Ацетилирование гистонов играет важную роль в модуляции структуры хроматина при активации транскрипции , увеличивая доступность хроматина для транскрипционного аппарата. Полагают, что ацетилированные гистоны менее прочно связаны с ДНК и поэтому транскрипционной машине легче преодолевать сопротивление упаковки хроматина. В частности ацетилирование может облегчать доступ и связывание факторов транскрипции к их элементам узнавания на ДНК. Сейчас идентифицированы ферменты, которые осуществляют процесс ацетилирования и деацетилирования гистонов, и, наверное, скоро мы узнаем больше о том, как это увязывается с активацией транскрипции.
Известно что ацетилированные гистоны признак транскрипционно активного хроматина.
Гистоны - наиболее хорошо биохимически изученные белки.
Организация нуклеосом
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.
Уровни компактизации Днк: нуклеосомы, фибриллы, петли, митотическая хромосома
Первый уровень компактизации ДНК - нуклеосомный. Если подвергнуть действию нуклеазы хроматин, то он и ДНК, подвергаются распаду на регулярно повторяющиеся структуры. После нуклеазной обработки из хроматина путем центрифугирования выделяют фракцию частиц со скоростью седиментации 11S. Частицы 11S содержат ДНК около 200 нуклеотидных пар и восемь гистонов. Такая сложная нуклеопротеидная частица получила название Нуклеосомы. В ней гистоны образуют белковую основу-сердцевину, по поверхности которой располагается ДНК. ДНК образуют участок, с белками сердцевины не связанный, - Линкер, Который, соединяя две соседние нуклеосомы, переходит в ДНК следующей нуклеосомы. Они образуют «бусины», глобулярные образования около 10 нм, сидящие друг за другом на вытянутых молекулах ДНК. Второй уровень компактизации-30 нм фибрилла. ПЕрвый, нуклеосомный, уровень компактизации хроматина играет регуляторную и структурную роль, обеспечивая плотность упаковки ДНК в 6-7 раз. В митотических хромосомах и в интерфазных ядрах выявляются фибриллы хроматина с диаметром 25-30 нм. Выделяют соленоидный тип укладки нуклеосом: нить плотно упакованных нуклеосом диаметром 10 нм образует витки с шагом спирали около 10 нм. На один виток такой суперспирали приходится 6-7 нуклеосом. В результате такой упаковки возникает фибрилла спирального типа с центральной полостью. Хроматин в составе ядер имеет 25-нм фибриллы, которая состоит из сближенных глобул того же размера - Нуклеомеров. Эти нуклеомеры называют сверхбусинами («супербиды»). Основная фибрилла хроматина диаметром 25 нм представляет собой линейное чередование нуклеомеров вдоль компактизованной молекулы ДНК. В составе нуклеомера образуются два витка нуклеосомной фибриллы, по 4 нуклеосомы в каждом. Нуклеомерный уровень укладки хроматина обеспечивает 40-кратное уплотнение ДНК. Нуклесомный и нуклеомерный (супербидный) уровни компактизации ДНК хроматина осуществляются за счет гистоновых белков. Петлевые домены ДНК -т ретий уровень структурной организации хроматина. В высших уровнях организации хроматина специфические белки связываются с особыми участками ДНК, которая в местах связывания образует большие петли, или домены. В некоторых местах есть сгустки конденсированного хроматина, розетковидные образования, состоящие из многих петель 30 нм-фибрилл, соединяющихся в плотном центре. Средний размер розеток достигает 100-150 нм. Розетки фибрилл хроматина-Хромомеры. Каждый хромомер состоит из нескольких содержащих нуклеосомы петель, которые связаны в одном центре. Хромомеры связаны друг с другом участками нуклеосомного хроматина. Такая петельнодоменная структура хроматина обеспечивает структурную компактизацию хроматина и организует функциональные единицы хромосом - репликоны и транскрибируемые гены.
Используя метод рассеяния нейтронов, удалось установить форму и точные размеры нуклеосом; при грубом приближении - это плоский цилиндр или шайба диаметром 11 нм и высотой 6 нм. Располагаясь на подложке для электронного микроскопирования, они образуют «бусины» - глобулярные образования около 10 нм, гуськом, тандемно сидящие на вытянутых молекулах ДНК. На самом же деле вытянутыми являются только линкерные участки, остальные три четверти длины ДНК спирально уложены по периферии гистонового октамера. Сам гистоновый октамер, как считают, имеет форму, напоминающую мяч для игры в регби, в состав которого входят тетрамер (НЗ·Н4) 2 и два независимых димера Н2А·Н2В. На рис. 60 представлена схема расположения гистонов в сердцевинной части нуклеосомы.
Состав центромер и теломер
Что такое хромосомы, сегодня известно почти каждому. Эти ядерные органеллы, в которых локализуются все гены, и составляют кариотип данного вида. Под микроскопом хромосомы выглядят как однородные, вытянутые темные палочкообразные структуры, и вряд ли увиденная картина покажется интригующим зрелищем. Тем более, что препараты хромосом великого множества живых существ, обитающих на Земле, отличаются разве что числом этих палочек да модификациями их формы. Однако есть два свойства, характерные для хромосом всех видов.
Обычно описывают пять стадий клеточного деления (митоза). Для простоты мы остановимся на трех основных этапах в поведении хромосом делящейся клетки. На первом этапе происходит постепенное линейное сжатие и утолщение хромосом, затем образуется веретено деления клетки, состоящее из микротрубочек. На втором хромосомы постепенно продвигаются к центру ядра и выстраиваются вдоль экватора, вероятно, чтобы облегчить присоединение микротрубочек к центромерам. При этом ядерная оболочка исчезает. На последнем этапе половинки хромосом - хроматиды - расходятся. Создается впечатление, что микротрубочки, прикрепленные к центромерам, как буксир, тянут хроматиды к полюсам клетки. С момента расхождения бывшие сестринские хроматиды называются дочерними хромосомами. Они достигают полюсов веретена и собираются вместе в параллельном порядке. Образуется ядерная оболочка.
Модель, объясняющая эволюцию центромер.
Вверху - центромеры (серые овалы) содержат специализированный набор белков (кинетохор), включающий гистоны CENH3 (H) и CENP-C (C), которые в свою очередь взаимодействуют с микротрубочками веретена деления (красные линии). В различных таксонах один из этих белков эволюционирует адаптивно и согласованно с дивергенцией первичной структуры ДНК центромер.
Внизу - изменения в первичной структуре или организации центромерной ДНК (темно-серый овал) может создавать более сильные центромеры, что выражается в большем количестве присоединяемых микротрубочек.
Теломеры
Термин «теломера» предложил Г. Мёллер еще в 1932 г. . В его представлении она означала не только физический конец хромосомы, но и присутствие «терминального гена со специальной функцией запечатывания (пломбирования) хромосомы», которое делало ее недоступной для вредных воздействий (хромосомных перестроек, делеций, действия нуклеаз и т.д.). Наличие терминального гена не подтвердилось в последующих исследованиях, однако функция теломеры была определена точно.
Позднее выявили еще одну функцию. Так как на концах хромосом обычный механизм репликации не работает, в клетке есть другой путь, поддерживающий стабильные размеры хромосом при клеточном делении. Эту роль выполняет специальный фермент, теломераза, которая действует подобно другому ферменту, обратной транскриптазе: использует одноцепочечную РНК-матрицу для синтеза второй цепи и восстановления концов хромосом. Таким образом, теломеры во всех организмах выполняют две важные задачи: защищают концы хромосом и поддерживают их длину и целостность.
Предложена модель белкового комплекса из шести теломер-специфических белков, формирующегося на теломерах хромосом человека . ДНК образует t-петлю, а одноцепочечный выступ внедряется в двухцепочечный участок ДНК, расположенный дистально (рис. 6). Белковый комплекс позволяет клеткам отличать теломеры от мест разрыва хромосом (ДНК). Не все белки теломер входят в состав комплекса, который избыточен на теломерах, но отсутствует в других районах хромосом. Защитные свойства комплекса вытекают из его способности воздействовать на структуру теломерной ДНК по крайней мере тремя способами: определять структуру самого кончика теломеры; участвовать в образовании t-петли; контролировать синтез теломерной ДНК теломеразой. Родственные комплексы найдены и на теломерах некоторых других видов эукариот.
Вверху -теломера в момент репликации хромосомы, когда ее конец доступен для комплекса теломеразы, который осуществляет репликацию (удвоение цепи ДНК на самом кончике хромосомы). После репликации теломерная ДНК (черные линии) вместе с находящимися на ней белками (показаны разноцветными овалами) образует t - п етлю (нижняя часть рисунка ).
Время компактизации ДНК в клеточном цикле и основные факторы, стимулирующие процессы
Вспомним строение хромосом (из курса биологии) - их обычно отображают в виде пары букв X, где каждая хромосома является парной, а также каждая имеет две одинаковые части - левую и правую хроматиды. Такой набор хромосом характерен для клетки, уже начавшей свое деление, т.е. клетки, в которой прошел процесс удвоения ДНК. Удвоение количества ДНК называют синтетическим периодом, или S-периодом, клеточного цикла. Говорят, что количество хромосом в клетке остается прежним (2n), а число хроматид в каждой хромосоме - удвоенным (4c - 4 хроматиды на одну пару хромосом) - 2n4c. При делении в дочерние клетки от каждой хромосомы попадет одна хроматида и клетки получат полный диплоидный набор 2n2c.
Состояние клетки (точнее ее ядра) между двумя делениями называют интерфазным. В интерфазе различают три части - пресинтетический, синтетический и постсинтетический периоды.
Таким образом, весь клеточный цикл состоит из 4 отрезков времени: собственно митоза (M), пресинтетического (G1), синтетического (S) и постсинтетического (G2) периодов интерфазы (рис. 19). Буква G - от английского Gap - интервал, промежуток. В G1-периоде, наступающем сразу после деления, клетки имеют диплоидное содержание ДНК на одно ядро (2c). В период G1 начинается рост клеток главным образом за счет накопления клеточных белков, что определяется увеличением количества РНК на клетку. В этот период начинается подготовка клетки к синтезу ДНК (S-периоду).
Обнаружено, что подавление синтеза белка или иРНК в G1-периоде предотвращает наступление S-периода, так как в течение G1-периода происходят синтезы ферментов, необходимых для образования предшественников ДНК (например, нуклеотид-фосфокиназ), ферментов метаболизма РНК и белка. Это совпадает с увеличением синтеза РНК и белка. При этом резко повышается активность ферментов, участвующих в энергетическом обмене.
В следующем, S-периоде происходит удвоение количества ДНК на ядро и соответственно удваивается число хромосом. В разных клетках, находящихся в S-периоде, можно обнаружить разные количества ДНК - от 2c до 4c. Это связано с тем, что исследованию подвергаются клетки на разных этапах синтеза ДНК (только приступившие к синтезу и уже завершившие его). S-период является узловым в клеточном цикле. Без прохождения синтеза ДНК неизвестно ни одного случая вступления клеток в митотическое деление.
Постсинтетическая (G2) фаза еще называется премитотической. Последним термином подчеркивается ее большое значение для прохождения следующей стадии - стадии митотического деления. В данной фазе происходит синтез иРНК, необходимый для прохождения митоза. Несколько ранее этого синтезируется рРНК рибосом, определяющих деление клетки. Среди синтезирующихся в это время белков особое место занимают тубулины - белки микротрубочек митотического веретена.
В конце G2-периода или в митозе по мере конденсации митотических хромосом синтез РНК резко падает и полностью прекращается во время митоза. Синтез белка во время митоза понижается до 25% от исходного уровня и затем в последующих периодах достигает своего максимума в G2-периоде, в общем повторяя характер синтеза РНК.
В растущих тканях растений и животных всегда есть клетки, которые находятся как бы вне цикла. Такие клетки принято называть клетками G0-периода. Именно эти клетки представляют собой так называемые покоящиеся, временно или окончательно переставшие размножаться клетки. В некоторых тканях такие клетки могут находиться длительное время, не изменяя особенно своих морфологических свойств: они сохраняют в принципе способность к делению, превращаясь в камбиальные, стволовые клетки (например, в кроветворной ткани). Чаще потеря (хотя бы и временная) способности делиться сопровождается появлением способности к специализации, к дифференцировке. Такие дифференцирующиеся клетки выходят из цикла, но в особых условиях могут снова входить цикл. Например, большинство клеток печени находится в G0-периоде; они не участвуют в синтезе ДНК и не делятся. Однако при удалении части печени у экспериментальных животных, многие клетки начинают подготовку к митозу (G1-период), переходят к синтезу ДНК и могут делиться митотически. В других случаях, например в эпидермисе кожи, после выхода из цикла размножения и дифференцировки клетки некоторое время функционируют, а затем погибают (ороговевшие клетки покровного эпителия).
Размещено на Allbest.ru
Упаковка ДНК в хромосомах, их строение, пространственная организация и функциональное значение для живых организмов. Общая характеристика гистонов. Нуклеосомный уровень компактизации ДНК. Нуклеомерный уровень компактизации ДНК. Уровень гигантских петель.
реферат , добавлен 10.07.2015
Общая характеристика меди. История открытия малахита. Форма нахождения в природе, искусственные аналоги, кристаллическая структура малахита. Физические и химические свойства меди и её соединений. Основной карбонат меди и его химические свойства.
курсовая работа , добавлен 24.05.2010
Структура углеродных наноструктур. История открытия, геометрическое строение и способы получения фуллеренов. Их физические, химические, сорбционные, оптические, механические и трибологические свойства. Перспективы практического использования фуллеренов.
курсовая работа , добавлен 13.11.2011
Общая характеристика, классификация и номенклатура моносахаридов, строение их молекул, стереоизомерия и конформации. Физические и химические свойства, окисление и восстановление глюкозы и фруктозы. Образование оксимов, гликозидов и хелатных комплексов.
курсовая работа , добавлен 24.08.2014
Общая характеристика плутония, анализ физических и химических свойств данного элемента. Ядерные свойства и получение, особенности функционирования в растворах. Аналитическая химия: методы очистки, выделения и идентификации исследуемого элемента.
презентация , добавлен 17.09.2015
Кислотно-основные свойства оксидов и гидроксидов и их изменение. Восстановительные и окислительные свойства d-элементов. Ряд напряжения металлов. Химические свойства металлов. Общая характеристика d-элементов. Образование комплексных соединений.
презентация , добавлен 11.08.2013
Общая характеристика марганца, его основные физические и химические свойства, история открытия и современные достижения в исследовании. Распространенность в природе данного химического элемента, направления его применения в промышленности, получение.
контрольная работа , добавлен 26.06.2013
Классификация сапонинов, их физические, химические и биологические свойства, растворимость, присутствие в растениях. Характеристика растительного сырья, его химический состав, заготовка, первичная обработка, сушка, хранение и использование в медицине.
учебное пособие , добавлен 23.08.2013
Общие сведения о нефти: физические свойства, элементный и химический состав, добыча и транспортировка. Применение и экономическое значение нефти. Происхождение углеводородов нефти. Биогенное и абиогенное происхождение. Основные процессы нефтеобразования.
реферат , добавлен 25.02.2016
Понятие и общая характеристика кислорода как элемента периодической системы элементов, его основные физические и химические свойства, особенности применения в различных сферах хозяйства на современном этапе. Понятие и возможные последствия гипоксии.
Хроматин представляет собой массу генетического вещества, состоящего из ДНК и белков, которые конденсируются с образованием хромосом во время деления эукариотических . Хроматин содержится в наших клеток.
Основная функция хроматина состоит в том, чтобы сжать ДНК в компактную единицу, которая будет менее объемной и сможет войти в ядро. Хроматин состоит из комплексов небольших белков, известных как гистоны и ДНК.
Гистоны помогают организовать ДНК в структуры, называемые нуклеосомами, обеспечивая фундамент для обертывания ДНК. Нуклеосома состоит из последовательности нитей ДНК, которые обертываются вокруг набора из восьми гистонов, называемых октомерами. Нуклеосома дополнительно складывается с получением хроматинового волокна. Хроматиновые волокна свертываются и конденсируются с образованием хромосом. Хроматин позволяет осуществить ряд клеточных процессов, включая репликацию ДНК, транскрипцию, восстановление ДНК, генетическую рекомбинацию и деление клеток.
Хроматин внутри клетки может быть уплотнен в различной степени в зависимости от стадии клетки в . Хроматин в ядре содержится в виде эухроматина или гетерохроматина. Во время интерфазы, клетка не делится, а подвергается периоду роста. Большая часть хроматина находится в менее компактной форме, известной как эухроматин.
ДНК подвергается воздействию эухроматина, что позволяет проводить репликацию и транскрипцию ДНК. Во время транскрипции двойная спираль ДНК разматывается и открывается, чтобы можно было скопировать , кодирующие белки. Репликация и транскрипция ДНК необходимы для того, чтобы клетка синтезировала ДНК, белки и при подготовке к делению клеток ( или ).
Небольшой процент хроматина существует как гетерохроматин во время интерфазы. Этот хроматин плотно упакован, что не позволяет проводить транскрипцию гена. Гетерохроматин окрашивается красителями в более темный цвет, чем эухроматин.
Во время профазы митоза волокна хроматина превращаются в хромосомы. Каждая реплицированная хромосома состоит из двух хроматид, соединенных в .
Во время метафазы хроматин становится чрезвычайно сжатым. Хромосомы выровнены на метафазной пластинке.
Во время анафазы парные хромосомы () отделяются и вытягиваются микротрубочками веретена деления на противоположные полюса клетки.
В телофазе каждая новая перемещается в свое собственное ядро. Хроматиновые волокна разматываются и становятся менее уплотненными. После цитокинеза образуются две генетически идентичные . Каждая клетка имеет одинаковое количество хромосом. Хромосомы продолжают разматывать и удлинять образующий хроматин.
У людей часто возникают проблемы с различием терминов: хроматин, хромосома и хроматида. Хотя все три структуры состоят из ДНК и находятся внутри ядра, каждый из них определяется отдельно.
Хроматин состоит из ДНК и гистонов, которые упакованы в тонкие волокна. Эти волокна хроматина не конденсируются, но могут существовать либо в компактной форме (гетерохроматин), либо менее компактной форме (эухроматин). Процессы, включая репликацию ДНК, транскрипцию и рекомбинацию, встречаются в эухроматине. При делении клеток хроматин конденсируется с образованием хромосом.
Представляют собой одноцепочечные структуры конденсированного хроматина. Во время процессов деления клеток через митоз и мейоз, хромосомы реплицируются, чтобы гарантировать, что каждая новая дочерняя клетка получает правильное количество хромосом. Дублицированная хромосома является двухцепочечной и имеет привычную форму X. Две нити идентичны и связаны в центральной области, называемой центромером.
Является одна из двух нитей реплицированных хромосом. Хроматиды, соединенные центромером, называются сестринскими хроматидами. В конце клеточного деления сестринские хроматиды отделяются от дочерних хромосом в новообразованных дочерних клетках.
Ядро -органоид, в котором сосредоточена почти вся наследственная информация клетки.лишенные ядра прокариоты и имеющие ядро эукариоты. имеет диаметр 48 мкм, округлую форму и находится в центральной части цитоплазмы, занимая от 10 до 40 % ее объема.
состоит из:ядерной оболочки, или нуклеолеммы;хроматина, представляющего собой комплекс ДНК с белками;белкового матрикса;одного или нескольких ядрышек; ядерного сока (кариолимфы, нуклеоплазмы). нуклеолемма изолирует его содержимое от цитоплазмы.
состоит из наружной и внутренней мембран толщиной по 710 нм, между которыми имеется перинуклеарное пространство шириной 1530 нм.Наружная и внутренняя мембраны нуклеолеммы соединены между собой в ядерных порах.ядерные поры вместе с окружающими ее структурами формируют поровые комплексы.Ядерный матрикс состоит из ламины, белкового скелета ядрышек и фибриллярно-гранулярной сети. Основной компонент ядерного матрикса-гранулы диаметром 2530 нм, которые соединяются между собой в фибриллярные структуры. практически полностью построен из белков.это ламины A, B и C.Функции ламинов поддержание размеров и формы ядра.
Хроматин распределен неравномерно: более конденсированные участки гетерохроматина
чередуются с менее конденсированными эухроматина.различают конститутивный гетерохроматин, который всегда остается в конденсированном состоянии, и факультативный гетерохроматин, представляющий собой временно конденсированный эухроматин.гетерохроматиновые участки клеточного ядра формируют скопления – хромоцентры. Белки хроматина: основные белки – гистоны и кислые, или негистоновые белки.Гистоны-небольшие белки с повышенным содержанием основных аминокислот – аргинина, лизина и гистидина.Кислые, или негистоновые, белки хроматина образуют значительно более разнообразную и многочисленную группу, чем гистоны. Наиболее изученными негистоновыми белками является группа белков HMG.
Уровни структурной организации хроматина.
1)Первый уровень укладки обеспечивается нуклеосомами. округлые частицы диаметром 15 нм, которые связаны между собой участками ДНК длиной около 20 нм. Отдельная нуклеосома состоит их белковой сердцевины, на которую накручена молекула ДНК.Нуклеосомы укорачивают молекулу ДНК примерно в 7 раз.
2)Второй уровень обеспечивается взаимодействием линкерной ДНК с гистоном H1.В результате соседние нуклеосомы приближаются друг к другу, формируя группы из 68 частиц – нуклеомеры (супербусины).
3)Третий уровень представлен хроматиновыми фибриллами. Они имеют суперспиральную структуру и содержат максимально сближенные между собой нуклеомеры.
4)Четвертый уровень обеспечивается взаимодействием фибрилл диаметром 30 нм с ядерным матриксом. При этом формируются петлевые домены.Петлевые домены обеспечивают компактизацию молекулы ДНК в 700 раз.
5)Пятый уровень укладки ДНК связан с формированием групп из 1820 петлевых доменов, прикрепленных в виде розетки к общему центру из белков ядерного матрикса.
6)Шестой уровень укладки ДНК определяется формированием хромонемы – фибриллярной структуры диаметром 200300 нм, состоящей из плотно упакованных хромомеров. позволяют укоротить длину молекулы ДНК в 10 000 раз.
7)состоит в образовании хроматидиз хромонем. Хромосомный уровень укладки ДНК в большей степени, чем другие уровни, отражает видовые особенности организации генома эукариот.
Ядрышко округлое тельце диаметром 1-5 мкм. Основным химическим компонентом ядрышка являются белки, которые составляют до 90 % его массы.Кроме белков содержат также РНК и ДНК.
Ядрышко является местом синтеза рРНК и образования предшественников рибосом. В нем выделяют: ядрышковый организатор (фибриллярный центр);плотный фибриллярный компонент; гранулярный компонент;околоядрышковый гетерохроматин;белковый сетчатый матрикс.
Ядрышковый организатор-хроматин, в котором локализованы гены рРНК.Плотный фибриллярный компонент -окружает фибриллярные центры.Гранулярный компонент состоит из гранул размером 1520 нм, которые заполняют пространство вокруг фибрилл, занимая до 80 % объема ядрышка.
Околоядрышковый гетерохроматин окружает ядрышко по периферии.
Белковый сетчатый матрикс представлен рыхлой фибриллярной сетью, которая заполняет весь объем ядрышка.
Гетерохроматин – участки хромосом, которые постоянно находятся в компактном состоянии.
Эухроматин – слабоупакованы (деконденсированные) участки хромосом.
В околоценромерных участках хромосом и коротких плечах акроцентрических хромосом прокрашивается гетерохроматин, обозначаемый как структурный, который постоянно выявляется и во время митотического деления клетки и в интерфазном ядре. Другой тип гетерохроматина – факультативный, возникает путем компактизации эухроматиновых районов и содержит гены, участвующие в метаболизме белка. Конденсация факультативного района носит обратимый характер, выражающийся в деконденсации.
Хромосомы состоят из ДНК (ок. 40%) и белков (ок. 60%), образуя нуклеопротеиновый комплекс. Белки подразделяются на две группы: гистоновые и негистоновые. Гистоновые представлены пятью молекулами: Н1, Н2А, Н2В, Н3 и Н4. Белки-гистоны составляют от 40 до 80% всех белков хромосомы. Они состоят из небольших (+) заряженных молекул. В них преобладают основные аминокислоты аргинин и лизин. Благодаря строению гистоновые белки соединяются с (–) заряженной ДНК, образуя ДНК-гистоновый комплекс. Этот комплекс называют хроматином. Гис. белки выполняют функцию специфической упаковки огромной по размеру молекулы ДНК в компактную структуру хромосомы. Гистоны препятствуют считыванию заключенной в ДНК биологической информации. В этом состоит их регуляторная роль. Кроме того, эти белки выполняют структурную функцию, обеспечивая пространственную организацию ДНК в хромосомах
Число фракций негистоновых белков превышает 100. Среди них ферменты синтеза и процессинга РНК, редупликации и репарации ДНК. Кислые белки хромосом выполняют также структурную и регуляторную роль. Помимо ДНК и белков в составе хромосом обнаруживаются также РНК, липиды, полисахариды, ионы металлов. РНК хромосом представлена отчасти продуктами транскрипции, еще не покинувшими место синтеза. Некоторым фракциям свойственна регуляторная функция. Регуляторная роль компонентов хромосом заключается в «запрещении» или «разрешении» списывания информации с молекулы ДНК.
В различных участках хромосом ДНК различаются по составу и свойствам.
В области первичных перетяжек расположена центромерная ДНК. В теломерах располагаются особые ДНК, препятствующие укорочению хромосом в процессе репликации. В зонах вторичных перетяжек располагаются участки ДНК, ответственные за синтез р-РНК. В плечах хромосом располагается основная часть ДНК, ответственная за синтез многочисленных информационных и-РНК.
Сохраняя преемственность в ряду клеточных поколений, хроматин в зависимости от периода и фазы клеточного цикла меняет свою организацию. В интерфазе при световой микроскопии он выявляется в виде глыбок, рассеянных в нуклеоплазме ядра. При переходе клетки к митозу, особенно в метафазе, хроматин приобретает вид хорошо различимых отдельных интенсивно окрашенных телец - хромосом.
Интерфазную и метафазную формы существования хроматина расценивают как два полярных варианта его структурной организации, связанных в митотическом цикле взаимопереходами. Наиболее распространенной является точка зрения, согласно которой хроматин (хромосома) представляет собой спирализованную нить. При этом выделяется несколько уровней спирализации (компак-тизации) хроматина
Нуклеосомиая нить . Этот уровень организации хроматина обеспечивается четырьмя видами нуклеосомных гистонов: Н2А, Н2В, НЗ, Н4. Они образуют напоминающие по форме шайбу белковые тела - коры, состоящие из восьми молекул (по две молекулы каждого вида гистонов)
Хроматиновая фибрилла. Дальнейшая компактизация нуклеосомной нити обеспечивается пистоном HI, который, соединяясь с линкерной ДНК и двумя соседними белковыми телами, сближает их друг с другом. В результате образуется более компактная структура, построенная, возможно, по типу соленоида. Такая Хроматиновая фибрилла, называемая также элементарной, имеет диаметр 20-30 нм
Интерфазная хромонема . Следующий уровень структурной организации генетического материала обусловлен укладкой хроматиновой фибриллы в петли. В их образовании, по-видимому, принимают участие негистоновые белки, которые способны узнавать специфические нуклеотидные последовательности вненуклеосомной ДНК, отдаленные друг от друга на расстояние в несколько тысяч пар нуклеотидов. Эти белки сближают указанные участки с образованием петель из расположенных между ними фрагментов хроматиновой фибриллы. В результате такой упаковки Хроматиновая фибрилла диаметром 20-30 нм преобразуется в структуру диаметром 100-200 нм, называемую интерфазной хромонемой.
Отдельные участки интерфазной хромонемы подвергаются дальнейшей компактизации, образуя структурные блоки, объединяющие соседние петли с одинаковой организацией
Хромосомы типа «ламповых щеток» обнаружены в ооцитах рыб, земноводных, рептилий и птиц в стадии диплотены. Каждая из двух хромосом бивалентна состоит из двух хроматид, поэтому при их конъюгации образуются протяженные четыреххроматидные структуры. Каждая хроматида состоит из плотно скрученной осевой нити с отходящими от нее боковыми петлями, образованными одной двойной спиралью ДНК. Эти петли, возможно, представляют ДНК, освобожденную от белков для осуществления транскрипции. Хромосомы типа «л. щ.» транскрибируются более активно, чем обычные хр-мы. Это связано с необходимостью накопления значительных количеств генных продуктов в ооцитах.
Хроматин - это сложная смесь веществ, из которых построены хромосомы эукариот. Основными компонентами хроматина являются ДНК и хромосомных белков, в состав которых входят гистоны и негистоновые белки, образующие высокоупорядоченные в пространстве структуры. Соотношение ДНК и белка в хроматине составляет ~1:1, а основная масса белка хроматина представлена гистонами. Термин «Х» введен У. Флеммингом в 1880 г. для описания окрашиваемых специальными красителями внутриядерных структур.
Хроматин - основной компонент клеточного ядра; его достаточно легко получить из выделенных интерфазных ядер и из выделенных митотических хромосом. Для этого используют его свойство переходить в растворенное состояние при экстракции водными растворами с низкой ионной силой или просто деионизованной водой.
Фракции хроматина, полученные из разных объектов, обладают довольно однообразным набором компонентов. Было найдено, что по суммарному химическому составу хроматин из интерфазных ядер мало отличается от хроматина из митотических хромосом. Главными компонентами хроматина являются ДНК и белки, среди которых основную массу составляют гистоны и негистоновые белки.
Слайд 3. Различают две разновидности хроматина: гетерохроматин и эухроматин. Первый отвечает конденсированным во время интерфазы участкам хромосом, он является функционально неактивным. Этот хроматин хорошо окрашивается, именно его можно видеть на гистологическом препарате. Гетерохроматин делится на структурный (это участки хромосом, которые постоянно конденсированные) и факультативный (может деконденсуватись и переходить в эухроматин). Эухроматин соответствует деконденсованим в интерфазе участкам хромосом. Это рабочий, функционально активный хроматин. Он не окрашивается, его не видно на гистологическом препарате. Во время митоза весь эухроматин конденсируется и включается в состав хромосом.
В среднем в хроматине около 40% приходится на ДНК и около 60% - на белки, среди которых специфические ядерные белки-гистоны составляют от 40 до 80% от всех белков, входящих в состав выделенного хроматина. Кроме того, в состав хроматиновой фракциям входят мембранные компоненты, РНК, углеводы, липиды, гликопротеиды. Вопрос о том, насколько эти минорные компоненты входят в структуру хроматина, еще не решен. Так, РНК может представлять собой транскрибируемую РНК, которая еще не потеряла связь с матрицей ДНК. Другие же минорные компоненты могут относиться к веществам соосажденных фрагментов ядерной оболочки.
БЕЛКИ - класс биологических полимеров, присутствующих в каждом живом организме. С участием белков проходят основные процессы, обеспечивающие жизнедеятельность организма: дыхание, пищеварение, мышечное сокращение, передача нервных импульсов.
Белки являются полимерами, а аминокислоты - их мономерные звенья.
Аминокислоты - это органические соединения, содержащие в своем составе (в соответствии с названием) аминогруппу NH2 и органическую кислотную, т.е. карбоксильную, группу СООН.
Белковая молекула образуется в результате последовательного соединения аминокислот, при этом карбоксильная группа одной кислоты взаимодействует с аминогруппой соседней молекулы, в результате образуется пептидная связь - CO-NH- и выделяется молекула воды. Слайд 9
Белковые молекулы содержат от 50 до 1500 аминокислотных остатков. Индивидуальность белка определяется набором аминокислот, из которых составлена полимерная цепь и, что не менее важно, порядком их чередования вдоль цепи. Например, молекула инсулина состоит из 51 аминокислотного остатка.
Химический состав гистонов. Особенности физических свойств и взаимодействие с ДНК
Гистоны - относительно небольшие белки с очень большой долей положительно заряженных аминокислот (лизина и аргинина); положительный заряд помогает гистонам крепко связываться с ДНК (которая заряжена сильно отрицательно) независимо от ее нуклеотидной последовательности. Комплекс обоих классов белков с ядерной ДНК эукариотических клеток называется хроматином. Гистоны являются уникальной характеристикой эукариот и присутствуют в огромных количествах на клетку (около 60 миллионов молекул каждого типа на клетку). Типы гистонов распадаются на две главных группы - нуклеосомные гистоны и Н1 гистоны, образуя семейство высококонсервативных основных белков, состоящее из пяти больших классов - H1 и H2A, H2B, H3 и H4. Гистоны H1 более крупные (около 220 аминокислот) и оказались менее консервативными в ходе эволюции. Размер полипептидных цепей гистонов лежит в пределах от 220 (H1) до 102 (H4) аминокислотных остатков. Гистон H1 сильно обогащен остатками Lys, для гистонов H2A и H2B характерно умеренное содержание Lys, полипептидные цепи гистонов H3 и H4 богаты Arg. Внутри каждого класса гистонов (за исключением H4) на основании аминокислотных последовательностей различают несколько субтипов этих белков. Такая множественность особенно характерна для гистонов класса H1 млекопитающих. В этом случае различают семь субтипов, названных H1.1-H1.5, H1o и H1t. Гистоны H3 и Н4 принадлежат к наиболее консервативным белкам. Такая эволюционная консервативность предполагает, что для функции данных гистонов важны почти что все их аминокислоты. N - концевая часть данных гистонов может быть обратимо одифицирована в клетке за счет ацетилирования отдельных остатков лизина, что убирает положительный заряд лизинов.
Ядро область хвоста гистона.
Бусинки на струне Ля
Малая дальность взаимодействия
Гистоны компоновщика
Волокно на 30 нм
Волокно хромонемы
Взаимодействия волокна волокна дальнего действия
нуклеосома хроматин гистон
Роль гистонов в свертывании ДНК важна по следующим причинам:
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).
Метилирование как ковалентная модификация гистонов является более сложной, чем любая другая, поскольку оно может происходить как по лизинам, так и по аргининам. Кроме того, в отличие от любой другой модификации в группе 1, последствия метилирования могут быть как позитивными, так и негативными по отношению к транскрипционной экспрессии в зависимости от положения остатка в гистоне (табл. 10.1). Еще один уровень сложности связан с тем фактом, что по каждому остатку могут быть множественные метилированные состояния. Лизины могут быть моно - (me1), ди - (me2) или три - (meЗ) метилированными, тогда как аргинины могут быть моно - (me1) или ди - (me2) метилированными.
Фосфорилирование - лучше всего известная РТМ, поскольку уже давно поняли, что киназы регулируют проведение сигнала с клеточной поверхности через цитоплазму и в ядро, приводя к изменениям в экспрессии генов. Гистоны были одними из первых белков, фосфорилирование которых было обнаружено. К 1991 году открыли, что когда клетки стимулировали к пролиферации, происходила индукция так называемых «немедленных-ранних» («immediate-early») генов, и они становились транскрипционно активными и функционировали, стимулируя клеточный цикл. Эта повышенная экспрессия генов коррелирует с фосфорилированием гистона НЗ (Mahadevan et al., 1991). Остаток серина 10 гистона НЗ (Н3S10) оказался важным сайтом фосфорилирования для транскрипции от дрожжей до человека и, по-видимому, особенно важен у Drosophila (Nowak and Corces, 2004)
Убиквитинирование процесс присоединения к белку «цепочки» молекул убиквитина (см. Убиквитин). При У. происходит соединение С-конца убиквитина с боковыми остатками лизина в субстрате. Полиубиквитиновая цепочка навешивается в строго определенный момент и является сигналом, свидетельствующим о том, что данный белок подлежит деградации.
Ацетилирование гистонов играет важную роль в модуляции структуры хроматина при активации транскрипции , увеличивая доступность хроматина для транскрипционного аппарата. Полагают, что ацетилированные гистоны менее прочно связаны с ДНК и поэтому транскрипционной машине легче преодолевать сопротивление упаковки хроматина. В частности ацетилирование может облегчать доступ и связывание факторов транскрипции к их элементам узнавания на ДНК. Сейчас идентифицированы ферменты, которые осуществляют процесс ацетилирования и деацетилирования гистонов, и, наверное, скоро мы узнаем больше о том, как это увязывается с активацией транскрипции.
Известно что ацетилированные гистоны признак транскрипционно активного хроматина.
Гистоны - наиболее хорошо биохимически изученные белки.
Организация нуклеосом
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.
Уровни компактизации Днк: нуклеосомы, фибриллы, петли, митотическая хромосома
Первый уровень компактизации ДНК - нуклеосомный. Если подвергнуть действию нуклеазы хроматин, то он и ДНК, подвергаются распаду на регулярно повторяющиеся структуры. После нуклеазной обработки из хроматина путем центрифугирования выделяют фракцию частиц со скоростью седиментации 11S. Частицы 11S содержат ДНК около 200 нуклеотидных пар и восемь гистонов. Такая сложная нуклеопротеидная частица получила название Нуклеосомы. В ней гистоны образуют белковую основу-сердцевину, по поверхности которой располагается ДНК. ДНК образуют участок, с белками сердцевины не связанный, - Линкер, Который, соединяя две соседние нуклеосомы, переходит в ДНК следующей нуклеосомы. Они образуют «бусины», глобулярные образования около 10 нм, сидящие друг за другом на вытянутых молекулах ДНК. Второй уровень компактизации-30 нм фибрилла. ПЕрвый, нуклеосомный, уровень компактизации хроматина играет регуляторную и структурную роль, обеспечивая плотность упаковки ДНК в 6-7 раз. В митотических хромосомах и в интерфазных ядрах выявляются фибриллы хроматина с диаметром 25-30 нм. Выделяют соленоидный тип укладки нуклеосом: нить плотно упакованных нуклеосом диаметром 10 нм образует витки с шагом спирали около 10 нм. На один виток такой суперспирали приходится 6-7 нуклеосом. В результате такой упаковки возникает фибрилла спирального типа с центральной полостью. Хроматин в составе ядер имеет 25-нм фибриллы, которая состоит из сближенных глобул того же размера - Нуклеомеров. Эти нуклеомеры называют сверхбусинами («супербиды»). Основная фибрилла хроматина диаметром 25 нм представляет собой линейное чередование нуклеомеров вдоль компактизованной молекулы ДНК. В составе нуклеомера образуются два витка нуклеосомной фибриллы, по 4 нуклеосомы в каждом. Нуклеомерный уровень укладки хроматина обеспечивает 40-кратное уплотнение ДНК. Нуклесомный и нуклеомерный (супербидный) уровни компактизации ДНК хроматина осуществляются за счет гистоновых белков. Петлевые домены ДНК - третий уровень структурной организации хроматина. В высших уровнях организации хроматина специфические белки связываются с особыми участками ДНК, которая в местах связывания образует большие петли, или домены. В некоторых местах есть сгустки конденсированного хроматина, розетковидные образования, состоящие из многих петель 30 нм-фибрилл, соединяющихся в плотном центре. Средний размер розеток достигает 100-150 нм. Розетки фибрилл хроматина-Хромомеры. Каждый хромомер состоит из нескольких содержащих нуклеосомы петель, которые связаны в одном центре. Хромомеры связаны друг с другом участками нуклеосомного хроматина. Такая петельнодоменная структура хроматина обеспечивает структурную компактизацию хроматина и организует функциональные единицы хромосом - репликоны и транскрибируемые гены.
Используя метод рассеяния нейтронов, удалось установить форму и точные размеры нуклеосом; при грубом приближении - это плоский цилиндр или шайба диаметром 11 нм и высотой 6 нм. Располагаясь на подложке для электронного микроскопирования, они образуют «бусины» - глобулярные образования около 10 нм, гуськом, тандемно сидящие на вытянутых молекулах ДНК. На самом же деле вытянутыми являются только линкерные участки, остальные три четверти длины ДНК спирально уложены по периферии гистонового октамера. Сам гистоновый октамер, как считают, имеет форму, напоминающую мяч для игры в регби, в состав которого входят тетрамер (НЗ·Н4) 2 и два независимых димера Н2А·Н2В. На рис. 60 представлена схема расположения гистонов в сердцевинной части нуклеосомы.
Состав центромер и теломер
Что такое хромосомы, сегодня известно почти каждому. Эти ядерные органеллы, в которых локализуются все гены, и составляют кариотип данного вида. Под микроскопом хромосомы выглядят как однородные, вытянутые темные палочкообразные структуры, и вряд ли увиденная картина покажется интригующим зрелищем. Тем более, что препараты хромосом великого множества живых существ, обитающих на Земле, отличаются разве что числом этих палочек да модификациями их формы. Однако есть два свойства, характерные для хромосом всех видов.
Обычно описывают пять стадий клеточного деления (митоза). Для простоты мы остановимся на трех основных этапах в поведении хромосом делящейся клетки. На первом этапе происходит постепенное линейное сжатие и утолщение хромосом, затем образуется веретено деления клетки, состоящее из микротрубочек. На втором хромосомы постепенно продвигаются к центру ядра и выстраиваются вдоль экватора, вероятно, чтобы облегчить присоединение микротрубочек к центромерам. При этом ядерная оболочка исчезает. На последнем этапе половинки хромосом - хроматиды - расходятся. Создается впечатление, что микротрубочки, прикрепленные к центромерам, как буксир, тянут хроматиды к полюсам клетки. С момента расхождения бывшие сестринские хроматиды называются дочерними хромосомами. Они достигают полюсов веретена и собираются вместе в параллельном порядке. Образуется ядерная оболочка.
Модель, объясняющая эволюцию центромер.
Вверху - центромеры (серые овалы) содержат специализированный набор белков (кинетохор), включающий гистоны CENH3 (H) и CENP-C (C), которые в свою очередь взаимодействуют с микротрубочками веретена деления (красные линии). В различных таксонах один из этих белков эволюционирует адаптивно и согласованно с дивергенцией первичной структуры ДНК центромер.
Внизу - изменения в первичной структуре или организации центромерной ДНК (темно-серый овал) может создавать более сильные центромеры, что выражается в большем количестве присоединяемых микротрубочек.
Теломеры
Термин «теломера» предложил Г. Мёллер еще в 1932 г. . В его представлении она означала не только физический конец хромосомы, но и присутствие «терминального гена со специальной функцией запечатывания (пломбирования) хромосомы», которое делало ее недоступной для вредных воздействий (хромосомных перестроек, делеций, действия нуклеаз и т.д.). Наличие терминального гена не подтвердилось в последующих исследованиях, однако функция теломеры была определена точно.
Позднее выявили еще одну функцию. Так как на концах хромосом обычный механизм репликации не работает, в клетке есть другой путь, поддерживающий стабильные размеры хромосом при клеточном делении. Эту роль выполняет специальный фермент, теломераза, которая действует подобно другому ферменту, обратной транскриптазе: использует одноцепочечную РНК-матрицу для синтеза второй цепи и восстановления концов хромосом. Таким образом, теломеры во всех организмах выполняют две важные задачи: защищают концы хромосом и поддерживают их длину и целостность.
Предложена модель белкового комплекса из шести теломер-специфических белков, формирующегося на теломерах хромосом человека . ДНК образует t-петлю, а одноцепочечный выступ внедряется в двухцепочечный участок ДНК, расположенный дистально (рис. 6). Белковый комплекс позволяет клеткам отличать теломеры от мест разрыва хромосом (ДНК). Не все белки теломер входят в состав комплекса, который избыточен на теломерах, но отсутствует в других районах хромосом. Защитные свойства комплекса вытекают из его способности воздействовать на структуру теломерной ДНК по крайней мере тремя способами: определять структуру самого кончика теломеры; участвовать в образовании t-петли; контролировать синтез теломерной ДНК теломеразой. Родственные комплексы найдены и на теломерах некоторых других видов эукариот.
Вверху - теломера в момент репликации хромосомы, когда ее конец доступен для комплекса теломеразы, который осуществляет репликацию (удвоение цепи ДНК на самом кончике хромосомы). После репликации теломерная ДНК (черные линии) вместе с находящимися на ней белками (показаны разноцветными овалами) образует t-петлю (нижняя часть рисунка ).
Время компактизации ДНК в клеточном цикле и основные факторы, стимулирующие процессы
Вспомним строение хромосом (из курса биологии) - их обычно отображают в виде пары букв X, где каждая хромосома является парной, а также каждая имеет две одинаковые части - левую и правую хроматиды. Такой набор хромосом характерен для клетки, уже начавшей свое деление, т.е. клетки, в которой прошел процесс удвоения ДНК. Удвоение количества ДНК называют синтетическим периодом, или S-периодом, клеточного цикла. Говорят, что количество хромосом в клетке остается прежним (2n), а число хроматид в каждой хромосоме - удвоенным (4c - 4 хроматиды на одну пару хромосом) - 2n4c. При делении в дочерние клетки от каждой хромосомы попадет одна хроматида и клетки получат полный диплоидный набор 2n2c.
Состояние клетки (точнее ее ядра) между двумя делениями называют интерфазным. В интерфазе различают три части - пресинтетический, синтетический и постсинтетический периоды.
Таким образом, весь клеточный цикл состоит из 4 отрезков времени: собственно митоза (M), пресинтетического (G1), синтетического (S) и постсинтетического (G2) периодов интерфазы (рис. 19). Буква G - от английского Gap - интервал, промежуток. В G1-периоде, наступающем сразу после деления, клетки имеют диплоидное содержание ДНК на одно ядро (2c). В период G1 начинается рост клеток главным образом за счет накопления клеточных белков, что определяется увеличением количества РНК на клетку. В этот период начинается подготовка клетки к синтезу ДНК (S-периоду).
Обнаружено, что подавление синтеза белка или иРНК в G1-периоде предотвращает наступление S-периода, так как в течение G1-периода происходят синтезы ферментов, необходимых для образования предшественников ДНК (например, нуклеотид-фосфокиназ), ферментов метаболизма РНК и белка. Это совпадает с увеличением синтеза РНК и белка. При этом резко повышается активность ферментов, участвующих в энергетическом обмене.
В следующем, S-периоде происходит удвоение количества ДНК на ядро и соответственно удваивается число хромосом. В разных клетках, находящихся в S-периоде, можно обнаружить разные количества ДНК - от 2c до 4c. Это связано с тем, что исследованию подвергаются клетки на разных этапах синтеза ДНК (только приступившие к синтезу и уже завершившие его). S-период является узловым в клеточном цикле. Без прохождения синтеза ДНК неизвестно ни одного случая вступления клеток в митотическое деление.
Постсинтетическая (G2) фаза еще называется премитотической. Последним термином подчеркивается ее большое значение для прохождения следующей стадии - стадии митотического деления. В данной фазе происходит синтез иРНК, необходимый для прохождения митоза. Несколько ранее этого синтезируется рРНК рибосом, определяющих деление клетки. Среди синтезирующихся в это время белков особое место занимают тубулины - белки микротрубочек митотического веретена.
В конце G2-периода или в митозе по мере конденсации митотических хромосом синтез РНК резко падает и полностью прекращается во время митоза. Синтез белка во время митоза понижается до 25% от исходного уровня и затем в последующих периодах достигает своего максимума в G2-периоде, в общем повторяя характер синтеза РНК.
В растущих тканях растений и животных всегда есть клетки, которые находятся как бы вне цикла. Такие клетки принято называть клетками G0-периода. Именно эти клетки представляют собой так называемые покоящиеся, временно или окончательно переставшие размножаться клетки. В некоторых тканях такие клетки могут находиться длительное время, не изменяя особенно своих морфологических свойств: они сохраняют в принципе способность к делению, превращаясь в камбиальные, стволовые клетки (например, в кроветворной ткани). Чаще потеря (хотя бы и временная) способности делиться сопровождается появлением способности к специализации, к дифференцировке. Такие дифференцирующиеся клетки выходят из цикла, но в особых условиях могут снова входить цикл. Например, большинство клеток печени находится в G0-периоде; они не участвуют в синтезе ДНК и не делятся. Однако при удалении части печени у экспериментальных животных, многие клетки начинают подготовку к митозу (G1-период), переходят к синтезу ДНК и могут делиться митотически. В других случаях, например в эпидермисе кожи, после выхода из цикла размножения и дифференцировки клетки некоторое время функционируют, а затем погибают (ороговевшие клетки покровного эпителия).
