Нуклеосома — структурная часть хроматина, образованная участком нити ДНК намотанной на сердцевину из основных белков-гистонов, имеет диаметр ~ 11 нм. Нуклеосомы является первым уровнем упаковки ДНК эукариот (требуется для помещения ДНК общей длиной около метра в ядро ​​диаметром 5-10 мкм), а также архей, и обеспечивает ее компактизации примерно в семь раз и защищает ее от повреждений. Сердцевина нуклеосомы состоит из восьми белков: по две копии гистонов H2A, H2B, H3 и H4, N-конец (хвост гистона) каждой белковой молекулы выступает наружу нуклеосомы и может быть местом различных ковалентных модификаций. Длина участка ДНК, входит в состав нуклеосом, составляет 146 п.н., она намотана на белковую сердцевину в виде ливозакрученои суперспирали 1,7 раза. Нуклеосомы размещаются вдоль ДНК достаточно регулярно, на наиболее часто расстоянии от 8 до 80 (длина линкерных ДНК, связанной с гистонов H1). Таким образом нуклеосомы повторяются примерно каждые 200 п.н., одна диплоидная клетка человека содержит примерно 30 млн нуклеосом. Последовательность нуклеосом и линкерных участков формирует 10 нм филамент, имеющий вид «бусин на нитке» и преимущественно подлежит дальнейшей компактизации.

Технически, термин «нуклеосома» обозначает ќорову частичку (146 п.н. ДНК и белковую сердцевину) и одну ближайшую линкерных последовательность, но в основном используется как синоним коревой частицы.

В течение клеточного цикла нуклеосомы временно отсоединяются от ДНК только при репликации, также они могут быть устранены на участках, транскрибируются в определенный момент.

История исследования

Первые данные об особенностях компактизации ДНК в ядре эукариот были получены Морисом Уилкинсом в 1960-х годах. Он проводил рентгеноструктурный анализ хроматина и выяснил, что в нем имеются определенные повторяющиеся элементы, которые не наблюдаются ни в чистых препаратах ДНК, ни гистонов. С этого Уилкинс сделал вывод, что гистоны обеспечивают упорядоченную структурную организацию ДНК.

Первые данные электронной микроскопии

1974 Ада и Дональд Олинсы опубликовали электронные микрография волокон хроматина, которые были выделены и подготовлены к микроскопирования мягкими методами чем, те что использовались ранее. Избежав применения жестких растворителей, они смогли увидеть структуру, напоминающую «бусинки на нитке» — маленькие плотные тельца соединены тонкими филаментами. Предполагалось, что тельца, образованные белками, вероятно гистонами, а филаменты — нитью ДНК. Олинсы называли видркити ними «бусины» «ν (ню) частицами», поскольку они были новыми и частью нуклеогистну (комплекса ДНК и гистонами). Сам термин нуклеосома появился в в 1975 году (P. Oudet, M. Gross-Bellard, P. Chambon).

Независимо от Олинсив тому же, в 1974 году, структуру «бусины на нитке» удалось визуализировать с помощью электронного микроскопа также и Вудкок, однако его статья не была опубликована в Nature, рецензент отозвался о ней так:

Эукарио хромосома, состоящая из самосборных 70 Å единиц, которые, видимо, возможно кристаллизовать, требовала бы переписывание наших учебников по цитологии и генетики! Я никогда не видел такой наивной статьи, который бы претендовала на такую ​​фундаментальную значимость. Однозначно, это не следует нигде публиковать! Оригинальный текст (англ.)

A eukaryotic chromosome made out of self-assembling 70 Å units, which could perhaps be made to crystallize, would necessitate rewriting our textbooks on cytology and genetics! I have never read such a naive paper purporting to be of such fundamental significance. Definitely it should not be published anywhere!

Микрография Вудкока были опубликованы только в 1976 году.

Фрагментация ДНК хроматина под действием нуклеаз

Примерно в то же время были получены другие результаты, указывающие на существование в хроматина повторяющейся структуры, и подтверждали, что данные Олинсив были не просто артефактами приготовления микроперпаратив. Дин Гьюиш (англ. Dean Hewish) и Ли Бергойна (англ. Leigh Burgoyne) открыли в ядре гепатоцитов крыс нуклеазу, способную расщеплять ДНК в нитях хроматина. В одном из экспериментов после обработки хроматина этим ферментом, они выделили частично деградированную ДНК и разделили ее методом гель-электрофореза. Выяснилось, что кратчайшие фрагменты ДНК имели длину 200, а более длинные были кратны 200 — 400, 600, 800 и так далее. Поскольку расщепление этой же нуклеазы ДНК чистой от белков не давало такой картины, Гьюиш и Бергойна сделали выводы, что белки хроматина образуют структуры вдоль ДНК, повторяющиеся каждые 200 п.н., и между этими структурами ДНК является чувствительной к действию нуклеаз.

Чтобы подтвердить взаимосвязь между продуктами частичной деградации ДНК длиной 200 п.н. и сферическими частицами, обнаруженными с помощью электронной микроскопии, использовалась комбинация обоих методов. Нити хроматина сначала обрабатывали нуклеазы микрококков, полученные фрагменты разделяли по массе путем дифференциального центрифугирования. Каждую фракцию микроскопувалы, а также выделяли из нее ДНК и определяли ее размер с помощью гель-электрофореза. Выяснилось, что самая легкая фракция содержала отдельные сферические частицы и фрагменты ДНК длиной ~ 200 п.н., следующая — по две соединенные частицы и ДНК длиной ~ 400 п.н. и так далее. Таким образом стало известно, что базовой структурной единицей хроматина является нить ДНК длиной 200 п.н. намотана на сердцевину с белков — нуклеосома.

Исследование молекулярной структуры нуклеосом

Дальнейшие детали молекулярной организации нуклеосом были выяснены благодаря трудам группы Роджера Корнберга. Он показал, что структуру «бусины на нитке» можно получить проинкубувавшы очищенную ДНК с димерами гистонов H2A-H2B и H3-H4. Чтобы определить сколько именно таких димеров входит в состав одной нуклеосомы, Корнебрг вместе с Джин Томас обрабатывали хроматин таким образом, что между всеми белковыми молекулами, расположенными рядом, образовывались поперечные сшивки. После этого комплексы со сшивками выделяли и определяли молекулярную массу с помощью гель-электрофореза. Оказалось, что размеры полученных комплексов отвечали восьми белкам-гистонов. Таким образом было установлено, что нуклеосома состоит из двух димеров H2A-H2B и двух димеров H3-H4, то есть октамер. Позже было показно, что гистона H1 асоцийнований с линкерных последовательностями и необходимый для высших уровней компактизации хроматина.

Открытие нуклеосомы существенно отразилось на представлении о функционировании всего аппарата реализации и передачи наследственной информации. ДНК уже не считалась покрытой белками-гистонами, а наоборот — намотанной снаружи на билокову сердцевину. Таким образом выяснилось, что структура хроматина более открытой к взаимодействию с различными факторами. Над кристаллической структурой нуклеосомы работали сразу две конкурирующие группы Т. Ричмонда и Г. Буника. В конце концов она была опубликована Ричмондом и коллегами в 1984 года из разрешением 7,0 Ǻ, подробную структуру (2,8 Ǻ) расшифровали Каролин Люгер et al 1997 года.

Следующей важной вехой в исследовании нуклеосм было открытие их роли в эпигенетической регуляции. Впервые гипотеза о том, что Эпигенетическая информация может быть записана в форме модификаций гистонов хвостов была предложена 1993 Тернером. Впоследствии появилась концепция «гистонов кода» (T. Jenuwein, C. Allis, 2001), которая дискутируется до сих пор.

Структура нуклеосомы

Гистонов сердцевина нуклеосомы имеет форму диска, на который намотана ДНК длиной 146 н.м. в форме ливозакрученои спирали. ДНК и белками в ее составе содержатся большим количеством нековалентных связей, в частности между фосфатными (отрицательно заряженными) группами ДНК и положительно заряженными остатками аминокислот аргинина и лизина белков-гистонов, а также 142 водородными связями и гидрофобными взаимодействиями. N-конец, или «хвост» каждого из белков-гистонов выступает наружу коревой частицы и может быть местом ковалентной модификации и / и взаимодействия с другими ядерными факторами.

Свойства ДНК в составе нуклеосомы

В составе нуклеосом ДНК характеризуетьсня отрицательной суперскрученистю, потому что, плотное вращения этой молекулы вокруг белковой сердцевины нуждается в уборке примерно одного витка внутри самой спирали ДНК. Наличие негативных суперспирали в составе нуклеосом приводит к возникновению положительных суперспирали в линкерных участках, последние могут быть расслаблены эукариотическими топоизомеразами.

Несмотря на то, что большинство ионных и водородных связей с белками образует сахарно-фосфатный остов ДНК, в результате чего нуклеосома может формироваться на ДНК с любой последовательностью нуклеотидов, последняя все же влияет на силу взаимодействия. Избирательность связывания гистонов с определенными участками не до конца понятна, однако установлено, что в местах плотного контакта между ДНК и белками преимущественно расположены А = Т пары, из-за чего становится возможным сжатия малого желоба ДНК, необходимое для этого взаимодействия. Две или три пары А = Т подряд делают связывания еще легче. Поэтому in vivo около половины нуклеосом размещены в участках, где динуклеотид АА, АО или ТТ разбросаны на расстоянии ~ 10 П.Н .. Однако селективность нуклеосом по последовательности нуклеотидов в ДНК достаточно слабой для того, чтобы другие факторы доминировали в выборе места их локализации.

Формирование нуклеосом

Нуклеосомы формируются сразу после репликации ДНК, или других процессов, требующих их временного отстранения. Белковая сердцевина нуклеосомы собирается в несколько этапов: сначала формируются диммеры H2A-H2B и H3-H4, после этого два диммеры H3-H4 объединяются в тетрамер, к которому впоследствии присоединяются два диммеры H2A-H2B. Образованные белковые сердцевины после репликации включаются в хроматина с участием белкового комплекса RCAF (англ. Replication-coupling assembly factor), содержащий ацетилированные гистоны H3 и H4, триммера белок CAF1 (англ. Chromatin assembly factor 1) и белок ASF1 (англ. Anti- silencing factor 1). Хотя механизм действия RCAF полностью не выяснен, считается, что он непосредственно взаимодействует с аппаратом репликации. Если нуклеосомы должны быть образованы после репарации или других процессов, это обеспечивается другими белковыми комплексами. Существуют также факторы обмена гистонов, которые могут замещать гистоны в нуклеосомами на вариантные формы.

Динамика нуклеосом

Несмотря на то, что ДНК и корове гистоны образуют прочно связанные нековалентными взаимодействиями, нуклеосомы достаточно динамичными структурами. Так кинетические эксперименты показали, что в изолированной нуклеосомами ДНК разворачивается с каждого конца примерно 4 раза в минуту и ​​остается открытой на 10-50 мс. В это время она может взаимодействовать с негистоновых белками, необходимо в частности для транскрипции.

В клетках также имеющиеся десятки различных компелксив ремоделирования хроматина, которые могут обеспечивать скольжение нуклеосом вдоль ДНК, «разбирать» их или заменять отдельные белки-гистоны. Такие комплексы состоят из 10 и более субъединиц, является эволюционно родственными с ДНК-геликазы и работают в АТФ-зависимом режиме, то есть используют для работы энергию гидролиза этого соединения. Они взаимодействуют одновременно с коровой белками и ДНК, намотанной на них, и ослабляют связи между этими компонентами нуклеосомы. Таким образом компелексы ремоделирования хроматина могут «двигать» нуклеосомы, в результате переводя хроматин в более открытый, или наоборот — плотнее упакован состояние. Кроме того, благодаря взаимодействию с отрицательно заряженными белками гистонов шаперонами, комплексы ремоделирования хроматина могут осуществлять обмен гистонов, например, димеров H2A-H2B или полностью устранять белковую сердцевину. Деятельность каждого из этих белковых комплексов, имеющих различное назначение, тщательно регулируется клеткой.

На расположение нуклеосом на нити ДНК влияет большое количество факторов, важнейшим среди которых является наличие других белков присоединенных к молекуле нуклеиновой кислоты. Некоторые из них способствуют формированию нуклеосом вблизи, другие наоборот — создают для этого препятствия.

Роль нуклеосом в эпигенетической регуляции

Гистоны в составе нуклеосом могут подлежать различным ковалентной модификациям (в частности таким как метилирования, ацетилирования, фосфорилирования, АДФ-рибозилирования т.п.) и / и замещаться на вариантные формы. Все эти изменения влияют на свойства хроматина и могут быть использованы для регуляции экспрессии генов, обозначения определенных участков хромосом со специфическими функциями (например центромер), необходимые для таких процессов как заглаживание и генетическая рекомбинация. Модификации гистонов могут передаваться следующим поколениям клеток во время митоза.

Вариантные гистоны кодируются другими генами, чем основные типы, и в отличие от последних, экспрессируются в течение всего клеточного цикла и включаются в состав хроматина независимо от процесса репликации с участием гистонов шаперонов и компелксив ремоделирования хроматина. Большинство вариантов были обнаружены для гистонов H2A и H3. Например, на участках эухроматина, которые менее плотно упакованы и транскрипционно активны, в нуклеосомами используются варианты H3.3 и H2AZ. Последний стабилизирует октамер гистонов в белковой сердцевине нуклеосомы, однако одновременно подавляет взаимодействие между нуклеосомами, что является необходимым условием для обеспечения высоких уровней компактизации хроматина. Это приводит к более открытого состояния хроматина.

Другой вариант гистона H2A — H2AX связан с репапрациею и рекомбинацией ДНК. Недостаток этого белка у мышей влечет генетическую нестабильность и мужском бесплодии. Небольшие количества нуклеосом, содержащих H2AX разбросаны по всему геному, если поблизости такой нуклеосомы происходит двухниточный разрыв ДНК, H2AX фосфорилируется по остатку Ser 139. Последнее событие необходима для сбора аппарата репарации в этом месте.

CENPA — еще один вариант гистона H3 связан с повторами ДНК в участках центромер. Мыши без гена этого гистона нежизнеспособны.

Эволюция нуклеосом

В 1990-х годах было установлено, что нуклеосомы реализованы не только у эукариот, но и в архей, однако в последних они содержат не восемь, а четыре белки гистоны (гомологи гистонов H3 и H4) и защищают около 60 п.н. ДНК. Цилогеномний анализ галофильные архебактрии Haloferax volcanii показал, что хроматин у этого организма организован чрезвычайно подобно эукариотического. В частности, было показано, что регуляторные последовательности в начале и конце генов значительно реже заняты нуклеосомами, чем другие участки. Также выяснилось, что количество нуклеосом, приходящейся на одну и ту же длину ДНК, вдвое больше в архей, чем у эукариот, что можно объяснить их примерно вдвое меньшими размерами. Очевидно, что нуклеосомы возникли в процессе эволюции к разделению доменов архей и эукариот. Однако, несмотря на небольшие на то, что геном архебактрий представлен относительно небольшими кольцевыми ДНК, которые к тому же не ограничены ядерной мембраной, предполагается, что первичной функцией нуклеосом было не компактизация, а участие в регуляции экспрессии генов.

Изображения по теме

  • Нуклеосома