Функция гистонов, как регуляторов транскрипции и укладки молекул ДНК. Структурная организация хроматина

Основные белки хроматина – гистоны.

На долю гистонов приходит 5 типов белков. Гистоны связаны с ДНК в виде субъединиц нуклеосомы. Гистоны характерны только для хроматина. Они обладают щелочными свойствами, которые определяются высоким содержанием аминокислот лизина и аргенина. Положительные заряды на аминогруппах этих кислот обуславливают солевую или электростатическую связь этих белков с отрицательными зарядами на фосфатных группах молекулы ДНК.

Гистоны имеют сродство к молекуле ДНК. Но эта связь нестабильная, легко разрушается. В этом случае может происходить диссоциация на свои составляющие структуры.

Гистоны имеют относительно небольшую молекулярную массу. Они подразделяются на 5 групп: H₁, H_2a, H_2b, H₃, H₄. Гистоны всех классов кроме H₁ в равных количествах. У 3 и 4 большое количество аргенина и они наиболее консерватины по отношению к другим. H_2a и H_2b – умеренно обогащенные лизином белки. У разных объектов внутри группы образуются межвидовые вариации. Гистон H₁ – уникальная молекула. Класс белков, который состоит из нескольких достаточно близкородственных белков. У этого гистона обнаружены очень большие межвидовые и межтканевые вариации. Наиболее вариабельным участком имеется N-конец, который осуществляет связь с другими гистонами. И С-конец, богатый лизином, который взаимодействует с ДНК. По количеству всех гистонов примерно одинаковое количество, кроме Н₁, его примерно в 2 раза больше.

В процессе жизнедеятельности клеток с гистонами происходят модификации. Главными из которых является ацетилирование и метилирование остатков лизина, что приводит к потере положительного заряда.

Фосфолирирование сириновых остатков, которое приводит к появлению отрицательного заряда.

Эти модификации гистонов существенно сказываются на фукциях белков и их способностью взаимодействовать с молекулой ДНК. Так, например, повышенное ацетилирование гистонов предшествует активации генов, а фосфолирирование или наоборот дефосфолирирование связано с конденсацией или деконденсацией хроматина.

Все типы гистонов синтезируются в цитоплазме на рибосомах, транспортируются в ядро через поровые комплексы и связываются с ДНК во время ее репликации в S-периоде клеточного цикла. Т.е синтез гистонов и синтез ДНК синхронизированы.

Включившись в состав хроматина, гистоны становятся очень стабильными, имеют низкую скорость замены и примерно в течение 4 – 5 циклов клетки не выходят из состава.

Функции:

1) Упаковка ДНК;

2) Структурная роль в организации хроматина;

3) Регуляция уровня транскрипции;

4) Регуляторная функция. Определяет степень компактности и активности хроматина.

Хроматин. Термин предложен Флемингом в 1880 году. По биохимическим характеристикам хроматин имеет кислые свойства, которые связаны с тем, что в состав хроматина входит ДНК в комплексе с белками. Белки подразделяются на два типа: гистоны (60%) и негистоновые белки.

Кроме того, в состав хроматиновой фракции входят мембранные компоненты – углеводы, липиды, гликопротеины, РНК. Нитчатые комплексные молекулы дезоксирибонуклеопротеинов. За счет ассоциации гистонов с ДНК образуются лабильные нуклеогистоновые нити, толщиной 10-30нм.

Хроматин может находиться в двух альтернативных состояниях: в деконденсированном, соответствующим интерфазе, и конденсированным, т.е. максимально уплотненным во время митоза. Хроматин интерфазных ядер представляет собой рыхлую деконденсированную структуру, которая имеет разную степень этой разрыхленности. Когда хромосома или ее участок полностью деконденсирован, такие зоны называют диффунзным хроматином. Он характерен для интенсивно делящихся и мало специализированных клеток.

При неполном разрыхлении хромосом в составе интерфазного ядра видны участки конденсированного хроматина. Это высоко специализированные клетки или клетки, заканчивающие свой жизненный цикл, где хроматин выглядит массивным темным периферическим слоем, имеет крупные белки хромоцентры. Чем более диффузен хроматин, тем выше в нем идут синтетические процессы и наоборот.

Максимально конденсированный хроматин наблюдается во время митотического деления клетки, когда он обнаруживается в виде хромосом. В это время хромосомы не несут никаких синтетических нагрузок, и такой конденсированный хроматин выполняет функцию перераспределения генетического материала.

Исходя из этих наблюдений, принято считать, что хроматин ядра находится в двух структурно-функциональных состояниях: в рабочем, под которым понимают полную или частичную деконденсацию хроматина, когда происходят процесы транскрипции и редупликации. Или в нерабочем – в состоянии метаболического покоя при максимальной конденсации, когда хроматин перераспределяется между клетками.