Спирализация молекулы днк
Первый уровень упаковки носит название нуклеосомный. Структурные единицы этого уровня – нуклеосомы. Они представляют из себя октамер гистонов, которые представлены двумя копиями гистонов Н2а, Н2в, Н3 и Н4. Гистоны образуют белковую основу нуклеосомы, сердцевину, на поверхности которой располагается молекула ДНК. Нуклеосома – участок ДНК в комплексе с гистоном, а свободный – линтер.
Тот линейный участок молекулы ДНК, который располагается на гистонах, имеет как правило величину, равную 146 последовательностей нуклеотидов. Количество оборотов составляет 1,75 оборота, а в линкерный участок входит 54 пары нуклеотидов. Линкерный участок более вариабелен. Гистоны формируют между собой электростатические взаимодействия и, с помощью электростатических взаимодействий, осуществляется связь молекулы ДНК с гистоном. В фибриллах хроматина линкерный участок не является линейным. Продолжается спирализованная структура, которая как бы связывает рядом расположенные нуклеосомы, формируя нить толщиной примерно 30 нм. Укладка этих спиралей происходит за счет положительно заряженных аминокислотных остатков на поверхности гистона с отрицательно заряженными фосфатными группами молекулы ДНК. Новые нуклеосомы возникают со скоростью примерно 3-4 с. и такая высокая скорость образования нуклеосом связана с тем, что в момент синтеза ДНК уже имеется готовый пункт гистонов всех классов.
Гистоновые гены, относящиеся к фракции умеренно повторяющихся последовательностей ДНК, представлены в виде множественных копий для каждого гистона. Во время транскрипции часть нуклеосомных белков остается связанной с ДНК и, при прохождении фермента РНК-полимеразы, связь с молекулой ДНК не теряется.
Такой способ упаковки позволяет сократить общую длину молекулы приблизительно в 6-7 раз.
Второй уровень упаковки – тридцати нанометровое хроматиновое волокно. Способ формирования этого волокна разнообразный. Выделяют несколько типов, например соленоидный тип. Плотно упакованные нуклеосомы первого уровня образуют равномерную спираль с шагом около 10 нм. На один виток такой спирали приходится примерно шесть нуклеосом и возникает фибрилла, которая имеет центральную полость. Считается, что ведущим фактором во втором способе укладки является тот гистон, который отсутствовал в первом уровне. Это гистон Н1 обеспечивает взаимодействие с соседними нуклеосомами, как бы сближая и притягивая рядом расположенные нуклеосомы. Причем, своей глобулярной центральной частью гистон Н1 присоединяется к нуклеосоме. Одним концом взаимодействует с линкерным участком, а другим – с белками следующей нуклеосомы. Это сокращает первоначальную длину молекулы почти в 40 раз.
Другим примером формирования хв волокна является нуклеомерный тип укладки. Здесь тоже ведущий гистон Н1, причем компактность нуклеомеров зависит от концентрации ионов магния и группируются нуклеомеры как бы блочно по 6-8 штук, а затем существует более длинный линкерный участок. Эта упаковка тоже сокращает молекулу в 40 раз. Компактизация молекулы связана с ограничением функций генетического материала.
В составе 30нм фибриллы хроматин практически недоступен. Резко падает способность хроматина связаться с полимеразой, регуляторными белками, поэтому мы говорим, что при втором уровне упаковки наблюдается инактивация генной активности.
Петельная укладка (петлевые домены). Ведущую роль выполняют негистоновые белки. Они составляют 20% от всех белков хроматина. Это сборная группа белков, которая отличается друг от друга по общим свойствам, по функциям. 80% этих белков относятся к белкам ядреного матрикса. Они имеют различную молекулярную массу от 5 до 200 килодальтон. Некоторые белки водорастворимы, часть растворяется в кислотах. Выполняют они функцию регуляторных белков, т.к. стимулируют инициацию транскрипции или ингибируют ее. Ряд белков специфически взаимодействует с определенными последовательностями. Некоторые белки изучены подробно. Их выделяют в группу белков с высокой подвижностью или белка Джонса. Около 5% от всех негистонных белков приходятся на эту фракцию. Они обеспечивают изменения уровня компактизации фибрилл ДНП (дезоксинуклеопротеины). Эти белки делают молекулы более доступными для взаимодействия с ДНК-полимеразой. Изначальная длина молекулы сокращается в 600 раз.
Очень важно, что размеры отдельных петлевых доменов совпадают с размером средних репликонтов и соответствуют, таким образом, одному или нескольким генам. В своих основаниях петли ДНК связаны негистоновыми белками ядерного матрикса, в состав которых могут входить как ферменты репликации ДНК, так и транскрипции. Такая петельно-доменная структура хроматина обеспечивает не только структурную его компактизацию, но и организует функциональные единицы хромосом, а именно репликоны и транскрибируемые гены.
Четвертый уровень – хромонемный. Собранные в петли молекулы ДНК свертываются в еще более плотную структуру за счет суперспирализации с образованием нитчатой структуры, которая называется Хромонема, которая имеет фиксированную толщину 0,1 – 0,2 мкм. Ведущим фактором суперспирализации или конденсации хромосом является фосфолирирование гистона Н1, того гистона, который связан между собой нуклеосомой при втором уровне упаковки. В результате последнего четвертого уровня упаковки формируется типичная метафазная хромосома.
Фосфолирирование гистона Н1 происходит постепенно. Во время еще интерфазы первый раз фосфолирируется гистон Н1 в конце S-периода, второй – в конце G2 периода, а третий раз – в самом начале митоза. 3 остатка фосфорной кислоты.