Від чого залежить доля гена

В.Л. Карпов, доктор біологічних наук, заступник директора Інституту молекулярної біології ім.В.А.Енгельгардта РАН.

Всі клітини будь-якого багатоклітинного організму містять однакову генетичну інформацію, але під час його розвитку вона зчитується вибірково, одночасно всі гени ніколи не працюють. Наприклад, у клітинах печінки активні тільки ті гени і синтезуються тільки ті білки, які потрібні для її функціонування, в клітинах нирок працюють лише гени, необхідні для виконання функцій цього органу, і т.д.

За рахунок чого ж стабільно включаються і вимикаються певні гени і не втрачається при цьому інша генетична інформація?

Виявилося, що вибірковість зчитування контролюють особливі - епігенетичні -- механізми (грец. epi означає над, понад). Спадкування цього контролю називають епігенетичними. Воно не зачіпає інформацію, записану в ДНК, тут діють інші, "надгенетіческіе", механізми. Саме вони визначають майбутнє клітини -- якою їй бути, які гени включати для синтезу білків, а які - вимикати.

Перший ступінь контролю

Існує кілька рівнів контролю активації генів. Один з них - модифікація ДНК. Подібному зміни піддаються гени, які необхідно виключити в конкретному типі клітин, і воно має бути таким, щоб ДНК не втрачала здатності копіюватися при діленні клітини. Тоді ця модифікація збережеться і в дочірній клітині, і в ній ген теж буде вимкнено. В даний час відома тільки одна модифікація ДНК, не порушує кодування і копіювання. Це -- Метилювання, приєднання до одного з чотирьох азотистих основ, цитозин, метильної групи (-СH3). Метіліруется при цьому не будь-який цитозин, а лише той, що знаходиться у складі динуклеотид CG. У ДНК хребетних тварин такі динуклеотид зустрічаються нечасто, і більше половини їх бувають метильованих спеціально призначеним для цього ферментом - метілазой. Важливо, що СH3-модифікація копіюється при подвоєння ДНК. Якщо на старій ланцюга ДНК є метиловані цитозин, фермент приєднує метильної групи до таких же підставах та на знову синтезується ланцюга. Завдяки цьому модифікація передається в клітинних поколіннях, тобто зберігається інформація про те, що даний ген повинен бути виключений.

Яким же чином діє модифікація на ген? Очевидно, існує два основних механізму з протилежною дією: відштовхування білків, що активують ген, і навпаки, залучення до метилованими фрагментом білків, що беруть участь у дуже щільній упаковці модифікованого гену за рахунок зміни структури хроматину. Хроматин являє собою надзвичайно складний і динамічний комплекс, що складається головним чином з ДНК і білків. На рівні хроматину і здійснюється другий епігенетичні механізм контролю активності генів.

Не тільки для упаковки ДНК

Молекула ядерної ДНК, як відомо, зовсім не мала, її лінійний розмір, наприклад в клітині людини, досягає майже двометрової довжини, тоді як діаметр ядра не перевищує 0.01 мм. Настільки довга ДНК упакована в ньому таким чином, що з неї в потрібний момент і в потрібній комбінації витягується необхідна інформація. Поєднання щільної упаковки ДНК і виборчого витяги з неї генетичної інформації забезпечено хроматином. Можна сказати, що саме він є носієм генетичної інформації в клітинах вищих організмів, так як від нього залежить вибірковість роботи генів. Величезна різноманітність фенотипова прояви спадкового матеріалу - результат подібної вибірковості та комбінаторики. Не дивно тому, що майже за 80-відсоткової схожості геномів людини і миші самі організми сильно відрізняються один від одного. В даний час вже встановлено, що на рівні хроматину, а не ДНК, найбільш ефективно працюють багато ферментів, що беруть участь у виборчому зчитуванні генетичної інформації, її подвоєння при діленні клітини, що виникають виправлення помилок і т.д.

Термін "Хроматин" введений в наукову лексику в 1888 р. Їм стали називати офарблює вміст ядра, виявлене за вісім років до цього. Справжня роль хроматину в життєдіяльності клітини початку прояснюватися майже 100 років по тому, після відкриття в 1973-1974 роках. нуклеосоми - головного структурного елемента хроматину. Вчені дійшли висновку, що вона являє собою ту одиницю, на основі якої будується складний механізм, призначений для диференціального включення генів в різних клітинах та на різних стадіях індивідуального розвитку організму. Щоб зрозуміти, чому одні гени працюють в якомусь типі клітин, а інші - ні, і як цілеспрямовано керувати цим процесом, потрібно звернутися до структурної організації хроматину.

Гістони і Нуклеосома

Тут вже згадувалося, що хроматин - це дуже складний комплекс ДНК та білків. Більшість їх складають гістони, виявлені в 1884 році німецьким біохіміком А. Коссель через 15 років після відкриття нуклеіна (ДНК) І. Ф. Мішер, швейцарським біохіміком і фізіологом. Гістони виявилися універсальними компонентами хроматину. За масі вони приблизно дорівнювали ДНК, і якийсь час їх вважали носіями генетичної інформації. Але потім відвели роль регуляторів генної активності, проте пізніше з'ясувалася необгрунтованість цієї точки зору: велике розмаїття гістонів, на який вона спиралася, було викликано методом їх виділення - ці білки інтенсивно руйнувалися. Зрештою метод екстракції вдалося удосконалити, і різноманітність гістонів звелося до п'яти основних типів: Н1, Н2А, Н2В, Н3 та Н4 (Н - від англ. Нistone).

Гістони - Білки невеликий молекулярної маси - належать до найбільш консервативним по первинної структури білків у ряді від найпростіших до вищих еукаріотів. Наприклад, амінокислотна послідовність Н4 з тимуса теляти і проростків гороху відрізняється тільки двома залишками з 102, що складають всю молекулу. Характерна властивість гістонів - високий вміст лізину і аргініну, позитивно заряджених амінокислотних залишків. Вони знаходяться переважно в аміни (N-) і карбоксильної (С-) кінцевих областях білка, званих "Хвостами". Їх функція довгий час залишалася незрозумілою, і існувало навіть думку, що вони не дуже важливі для нормального життя клітини. Однак, як з'ясувалося пізніше, саме гістонових "хвости" грають головну роль в епігенетичні механізмах. У центральних, найбільш консервативних, ділянках поліпептидного ланцюга гістонів переважають залишки гідрофобних амінокислот. Саме ці центральні області беруть участь в утворенні специфічних комплексів з молекул гістонів: тетрамера (Н3) 2 - (Н4) 2 і двох димерів Н2А-Н2В. З них формується нуклеосомная серцевина, ядро (англ. core), на яке і навивається ДНК.

В основі формування нуклеосоми лежать кілька принципів, сформульованих А. Корнбергом [1]. У число восьми гістонових молекул, що складають нуклеосомное ядро, входять по два Н2А і Н2В з високим вмістом лізину і по два Н3 та Н4, багатих аргініном. На цей октамер, як на котушку нитка, намотується ДНК, утворюючи левозакрученную суперспіраль з кроком 28 A. Навіться може 1.75 витка (по 80 пар нуклеотидів в одному) або 2-2.5 витка. Першу нуклеосому називають мінімальної, другий - повною. Вони відрізняються кількістю не тільки ДНК, а й гістонів: у мінімальній нуклеосоми, як вже сказано, міститься вісім молекул гістонів, а в повній до них додається ще одна - Н1, що зв'язується з межнуклеосомной ДНК.

Електронна мікрофотографія хроматину (вгорі) і моделі мінімальної (унизу ліворуч) та повної нуклеосоми.

На фотографії хроматин видно як нитка з нанизаними на неї намистинками. Ядро нуклеосоми, або мінімальна Нуклеосома, складається з восьми молекул гістонів - по дві молекули кожного виду: Н2А, Н2В, Н3 та Н4. Цей октамер обвитий сегментом ДНК, що робить навколо ядра 1.75 обороту (унизу ліворуч), а гістон-1 (Н1) у повній нуклеосоми "зшиває" ДНК на початку і в кінці обвитого сегмента (внизу праворуч).

В нуклеосоми гістони взаємодіють з ДНК строго певним чином. На початку 80-х років в лабораторії А. Д. Мірзабекова був розроблений метод аналізу ДНК-білкових взаємодій, заснований на зшивання цих молекул, за допомогою якого вдалося розшифрувати порядок розташування гістонів в нуклеосоми [2]. Виявилося, що він однаковий в організмах, що належать не тільки до різних видів, родів та класів, але навіть царствам живої природи - грибів, рослинам і тваринам. Це відкриття пояснило високу консервативність гістонів, необхідну для формування настільки складного комплексу, який являє собою Нуклеосома.

Хроматин в різного ступеня конденсації - на мікрофотографії і на схемі.

В розтягнутій формі (нижня частина малюнку) хроматин має вигляд нитки з намистинками-Нуклеосома. За рахунок гістон-1 (Н1) він частково ущільнюється, конденсується (у середині), а потім конденсується повністю (механізм залишається невідомим), і гени в цій частині ДНК зовсім неактивні.

Великий внесок у формування ідей про декількох рівнях упаковки ДНК у складі хроматину внесли роботи Г. П. Георгієва і Ю. С. Ченцова [3]. Перший рівень - освіта фібрили діаметром 100 A; в ній ДНК стає компактніше в 6-7 разів. Далі за участю гістон-1 формується 30-нанометровій фібрила, в результаті ДНК ущільнюється ще в 20-50 разів. Існує величезна кількість версій, що пояснюють механізми цих процесів, але до цих пір немає єдиної думки з цього приводу. Ще менше відомо про упакування ДНК в петлі і домени. Проте ні в кого немає сумнівів в тому, що структура нуклеосоми грає головну роль в укладанні ДНК на всіх рівнях. Саме взаємодії між Нуклеосома визначають ступінь компактності ДНК.

Структура мінімальної нуклеосоми (вид уздовж осі суперспіралі ДНК). Дозвіл 2.8 A

Показана половина нуклеосоми з одним витком суперспіралі (73 пари основ) і чотирма молекулами гістонів (Н2А, Н2В, Н3, Н4). Їх спіральні сегменти зображені в вигляді циліндрів, неструктуровані ділянки між ними - у вигляді петель, буквами N і С позначені "хвости", тобто амінні і карбоксильні кінці молекул. Місця, в яких ДНК контактує з гістонами, вказані білими гаками.

Дифракція рентгенівських аналіз, що дозволяє одержувати дані про просторове розташування атомів в кристалі, для нуклеосоми особливо складний в силу того, що цей комплекс складається з багатьох компонентів. Але наприкінці 90-х років в лабораторії Т. Річмонда такий аналіз був успішно здійснений і отримано "зображення" структури нуклеосоми з високою роздільною здатністю - близько 2.8 A [4]. Таким чином, з'явилася основа для більш глибокого розуміння тих механізмів, які забезпечують участь нуклеосоми в ущільненні ДНК і процесах регуляції генної активності на рівні хроматину.

Хвости, хвости, хвости

Нуклеосома формується за принципом багаторівневого пізнавання, обумовленого будовою гістонів. Молекула будь-якого з них містить центральний структурований трехспіральний домен і неструктуровані N-і C-"хвости". Гістони попарно впізнають один одного, і в цьому важлива роль особливої гістонових укладання. Спіральні домени взаємодіють між собою, утворюючи структури, названі рукостисканням, в результаті чого виникають гетеродімери - один Н3-Н4 і два Н2А-Н2В. З перших димеру в свою чергу утворюється тетрамер (Н3) 2 - (Н4) 2. Таким чином, цей тетрамер і два димеру Н2А-Н2В складають гістонових октамер, серцевину нуклеосоми.

Цікаво, що мотив гістонових укладання виявлений у багатьох білках, які активують або пригнічують зчитування інформації з ДНК. З цього випливає, що між структурою хроматину і механізмом транскрипції існує еволюційна зв'язок.

Формою гістонових октамер нагадує клин, завдяки чому забезпечується ліве закручування спіралі ДНК. На поверхні октамера, зверненої до ДНК, з центральних доменів формуються особливі структурні елементи, або мотиви, які можна розділити на три основні типи. Мотиви першого типу утворені