Эпигенетика - [28]
4. Хроматиновая матрица
Нуклеосома является фундаментальной повторяющейся единицей хроматина (Komberg, 1974). С одной стороны, эта базовая единица хроматина состоит из белкового октамера, содержащего по две молекулы каждого канонического (или корового) гистона (Н2А, Н2В, H3 и Н4), вокруг которого накручены 147 п.н. ДНК. Детальные межмолекулярные взаимодействия между коровыми гистонами и ДНК были определены в выдающихся исследованиях, приведших к получению рентгеновской картины (с атомным, 2.8 Е, разрешением) нуклеосомы, собранной из рекомбинантных частей (рис. 3.5) (Lugeret al., 1997). Картины мононуклеосом, а также возникающих структур более высокого порядка (тетрануклеосом), имеющие более высокое разрешение (Schalch et al., 2005), продолжают привлекать наше внимание, обещая помочь в объяснении физиологически важного субстрата, на котором развертывается действие если не всего, то большей части ремоделинга хроматина и механизма транскрипции
Коровые гистоновые белки, составляющие нуклеосому, являются очень небольшими и сильно основными. Они состоят из глобулярного домена и гибких (относительно неструктурированных) «гистоновых хвостов», торчащих с поверхности нуклеосомы (рис. 3.5). Судя по аминокислотной последовательности, гистоновые белки крайне консервативны в диапазоне от дрожжей до человека. Такая высокая степень консервативности подкрепляет общий взгляд, согласно которому эти белки, даже неструктурированные хвостовые домены, вероятно выполняют критичные функции. Хвосты, особенно хвосты гистонов H3 и Н4, в действительности содержат важный ключ к изменчивости нуклеосом (и, отсюда, хроматина), поскольку многие из остатков являются объектами экстенсивных посттрансляционных модификаций (см. стандартную номенклатуру, используемую в этом руководстве, на обратной стороне задней части переплета и список известных модификаций гистонов в Приложении 2).
Ацетилирование и метилирование коровых гистонов, особенно H3 и Н4, были одними из первых описанных ковалентных модификаций, и долгое время предполагалось, что они коррелируют с положительными и отрицательными изменениями в транскрипционной активности. Со времени пионерских работ Олфри и сотрудников (Allfrey et al., 1964) были идентифицированы и охарактеризованы многие типы ковалентных модификаций гистонов; в их числе — фосфорилирование, убиквитинирование, сумоилирование, АДФ-рибозилирование, биотинилирование гистонов, изомеризация пролина и другие вероятные типы, ожидающие своего описания (Vaquero et al., 2003). Эти модификации происходят в специфических сайтах и остатках, некоторые из них изображены на рис. 3.6 и перечислены в Приложении 2. Эту ковалентную маркировку катализируют специфические ферменты и ферментные комплексы, часть которых описывается далее в этом обзоре и в отдельных главах. Поскольку в ближайшие годы эти перечни будут продолжать расти, нашим намерением было упомянуть лишь отдельные метки и энзимы, которые могли бы проиллюстрировать то, что, как нам кажется, является общими понятиями и принципами.
>Рис. 3.5. Структура нуклеосомы
>(Слева) Модель нуклеосомы с разрешением 2.8 Е. (Справа) Схематическое представление организации гистонов внутри октамерного кора, вокруг которого обернута ДНК (черная линия). Образование нуклеосомы происходит сперва через откладку на ДНК тетрамера H3/Н4. а затем двух наборов димеров Н2А/Н2В. Неструктурированные аминотерминальные гистоновые хвосты выпячиваются из нуклеосомного кора, состоящего из структурированных глобулярных доменов восьми гистоновых белков
В определенных районах хроматина нуклеосомы могут содержать вариантные гистоновые белки вместо какого-нибудь корового (канонического) гистона. Текущие исследования показывают, что это различие в составе способствует выполнению специализированных функций этими маркированными районами хромосом. В настоящее время известны вариантные белки для коровых гистонов Н2А и H3, но не известно ни одного для гистонов Н2В и Н4. Мы подозреваем, что варианты гистонов, хотя они нередко являются минорными в смысле их количества и потому более трудными для исследования, весьма богаты в отношении содержащейся в них информации и играют весьма существенную роль в отношении их вклада в эпигенетическое регулирование (детали см в разделе 8 и главе 13).
5. Более высокие уровни организации хроматина
Хроматин, этот состоящий из ДНК и нуклеосом полимер, является динамической молекулой, существующей во многих различных конфигурациях. Ранее в течение длительного времени хроматин разделяли на эухроматин и гетерохроматин, исходя из картины окрашивания ядра красителями, которые цитологи использовали для визуализации ДНК. Эухроматин представляет собой деконденсированный хроматин, хотя он может быть активным или неактивным в отношении транскрипции. Гетерохроматин можно определить в широком смысле как высококомпактизированный и «молчащий» хроматин. Он может существовать как постоянно «молчащий» хроматин (конститутивный гетерохроматин), где гены организма лишь изредка экспрессируются в клетках любого типа, или как хроматин, репрессированный в некоторых клетках в ходе специфического клеточного цикла или на специфической стадии развития (факультативный гетерохроматин) Таким образом, имеется спектр состояний хроматина, и накопленная за многие годы литература позволяет предполагать, что хроматин является высоко динамичной структурой, склонной к ремоделингу и реструктурированию по мере получения физиологически релевантных сигналов, поступающих по «идущим вверх» (upstream) сигнальным путям. Однако лишь недавно достигнут значительный прогресс в раскрытии молекулярных механизмов, управляющих этими процессами ремоделинга.
