Свойства эукариотической ДНК
В химическом отношении ДНК хроматина представляет собой двуспиральный полимер из дезоксирибонуклеотидов, различающихся азотистыми основаниями – аденином, гуанином, цитозином и тимином. Основания каждой из цепей комплементарно связаны между собой попарно: аденин с тимином, а гуанин с цитозином. Одна из цепей ДНК используется для хранения наследственной информации, тогда как комплементарная ей цепь является матрицей для копирования первой.
Наследственная информация записана в смысловойцепиДНК в виде последовательности нуклеотидов в соответствии с генетическим кодом. В связи с тем, что последовательность нуклеотидов почти не отражается на свойствах молекулы ДНК, с химической точки зрения эту молекулу можно считать однородной на всем ее протяжении.
Общее количество ДНК в диплоидном ядре эукариот колеблется в пределах от 0,033 пг у дрожжей до 200 пг у амфибий (1 пикограмм = 10-12 грамма). У человека масса ДНК в диплоидном ядре составляет 7,3 пг.
В генетическом плане, однако, молекула ДНК эукариот весьма неоднородна. Она представленауникальными последовательностями, которые кодируют первичную структуру белков, и не кодирующими белки повторами. Уникальные последовательности принадлежат структурным генам. Общее количество структурных генов в геноме эукариот варьирует от 10 тысяч у беспозвоночных до 30 тысяч у млекопитающих. Однако структурные гены составляют не более трети всего генома. Остальную часть генома занимают некодирующие повторы – так называемая “балластная” ДНК.
Некодирующие последовательности ДНК представлены двумя группами повторов – рассеянными по всему геному относительно короткими диспергированными повторами и длинными (повторяющимися более 106 раз) сателлитными и теломерными ДНК. В группу диспергированных повторов входят, в частности, диспергированные элементы LINE-1, занимающие до 20 % генома у млекопитающих. В дифференцированных соматических клетках они не транскрибируются, активируясь только при созревании половых клеток и в опухолях. Повторяющиеся последовательности сателлитных ДНК локализованы в области первичных перетяжек хромосом – центромер. Показано, что они участвуют в конъюгации негомологичных хромосом в интерфазном ядре. Теломерные ДНК также выполняют важные функции, участвуя в прикреплении хромосом к внутренней поверхности нуклеолеммы и в контроле числа делений соматических клеток.
Многие структурные гены также могут иметь повторы. Например, гены рибосомальных РНК могут быть повторены от 100 до 1000 раз, а гены гистонов – до 400 раз. Однако уровень их повторяемости явно ниже, чем у некодирующей ДНК. Большая часть некодирующей ДНК связана с гетерохроматином, основная функция которого состоит, вероятно, в структурировании генома эукариот.
Белки хроматина
Белки хроматина подразделяются на две группы: основные белки – гистоны и кислые,или негистоновые белки. Содержание гистонов в хроматине достигает 50 %, тогда как кислых белков обычно намного меньше – до 20 %. Однако в отличие от ДНК и гистонов, содержание которых в хроматине неделящихся клеток стабильно, количество кислых белков может меняться в зависимости от функционального состояния клетки.
Гистоныпредставляют собой небольшие белки (молекулярная масса 11-22 кД) с повышенным содержанием основных аминокислот – аргинина, лизина и гистидина. За счет этого их молекулы заряжены положительно и легко вступают в ионные связи с отрицательно заряженными молекулами ДНК.
Различают пять главных молекулярных форм гистонов - H1, H2A, H2B, H3 и H4. Все гистоны, кроме H1, имеют глобулярную форму и отличаются высокой эволюционной консервативностью. Наиболее богатый лизином гистон H1 отличается от других гистонов тканевой и видовой специфичностью. Молекула его содержит 223 аминокислотных остатка и формирует в физиологических условиях три домена. Первый домен образован 35 остатками на N-конце и заряжен положительно. Второй домен (с 36 по 121 остаток) формирует глобулярную структуру, а остальные остатки до C-конца принадлежат третьему домену, который отличается фибриллярной формой и высокой плотностью положительного заряда.
Гистоны взаимодействуют в хроматине с ДНК, обеспечивая пространственную укладку ее молекулы в ограниченном объеме ядра эукариотической клетки. Одновременно гистоны, в особенности гистон H1, участвуют в регуляции активности генов. В ядрах эритроцитов птиц гистон H1 замещен похожим на него гистоном H5, который вызывает тотальную конденсацию ДНК и полное подавление активности генов. Полная репрессия генетической активности наблюдается также в сперматозоидах, причем у некоторых насекомых, рыб, птиц и пресмыкающихся гистоны в ядрах этих клеток замещаются на протамины – короткие фибриллярные полипептиды с молекулярной массой около 5 кД, которые почти целиком состоят из основных аминокислот.
Кислые, или негистоновые, белки хроматина образуют значительно более разнообразную и многочисленную группу, чем гистоны. Общее количество различных молекулярных форм негистоновых белков в клетках составляет не менее 500. Многие из них, вероятно, обладают как видовой, так и тканевой специфичностью. Негистоновые белки отличаются высокой метаболической активностью и способностью к посттрансляционным модификациям. Среди них имеются различные ферменты, участвующие в метаболизме нуклеиновых кислот (полимеразы, топоизомеразы, метилазы, эндонуклеазы) и белков (протеинкиназы, фосфатазы, метилазы, ацетилазы, протеазы), транспортные и регуляторные белки, внутриядерные рецепторы гормонов и др.
Наиболее изученными негистоновыми белками хроматина является группа белков высокой подвижности – HMG (high mobility group). Первоначально они были обнаружены как примесь к гистону H1, отличаясь более высокой электрофоретической подвижностью. В настоящее время хорошо изучены 5 белков этой группы – HMG-1, -2, -14, -17, -20. Белки HMG-1 и HMG-2 (молекулярная масса 26 кД) имеют близкие последовательности, они способны приобретать глобулярную форму и связываться с ДНК. Белки HMG-14 и HMG-17 (молекулярная масса около 10 кД) также гомологичны между собой, но отличаются от предыдущих белков, обладая способностью связываться с гистонами. Белок HMG-20, или убиквитин (молекулярная масса 8,5 кД), содержится не только в ядре, но и в цитоплазме. Он способен ковалентно присоединяться к C- концу других белков, ускоряя их протеолиз. Так, например, при созревании эритроцитов удаление белков, уже выполнивших свою функцию, осуществляется путем АТФ-зависимого протеолиза с участием убиквитина. В ядре убиквитин присоединяется к гистону H2A, формируя белок A24, который локализован в местах активной транскрипции ДНК. Все HMG-белки содержат ДНК-связывающий домен (HMG-домен), состоящий из 80 аминокислотных остатков. В последнее время этот домен обнаружен и в других белках хроматина, например, в некоторых регуляторах транскрипции.
Все HMG-доменные белки подразделяются на два типа. К первому типу относятся HMG-1, HMG-2 и белок UBF, который регулирует РНК-полимеразу I, синтезирующую рРНК. Эти белки имеются у всех клеток, могут содержать несколько HMG-доменов, но не обладают селективностью к нуклеотидным последовательностям ДНК. Второй тип HMG-белков содержит только один домен, который узнает участки ДНК с высокой специфичностью. Эти белки встречаются у ограниченного числа клеточных типов. Примером может служить транскрипционный фактор LEF-1, который характерен для лимфоцитов. Белки, имеющие один HMG-домен, распознают и с высокой эффективностью связываются с нерегулярными структурами ДНК. К ним относятся одноцепочечные участки, крестообразные хиазмы, химически модифицированные участки и другие структуры в молекуле ДНК.