МОЛЕКУЛЯРНАЯ БИОЛОГИЯ, 2007, том 41, № 3, с. 387-394
К 40-ЛЕТИЮ ЖУРНАЛА "МОЛЕКУЛЯРНАЯ БИОЛОГИЯ
ХРОМАТИН. ХРОМОСОМЫ. ТРАНСКРИПЦИЯ
УДК 576.315.42
Москва, 119992 Поступила в редакцию 27.07.2006 г. Принята к печати 11.09.2006 г.
В последние годы значительно возрос интерес к роли хроматина в регуляции активности генов. В 70-е годы прошлого века многие ученые пытались доказать, что существует много разных форм ги-стонов, которые участвуют в избирательной активации генов. Работы этих лет не привели к получению результатов, подтверждающих упомянутую гипотезу. С определением первичной структуры основных форм гистонов и открытием нуклеосом укоренилось представление о крайней консервативности гистонов. Столь же консервативными считались и построенные из них нуклеосомные частицы. В последующие годы это представление постепенно изменилось. Прежде всего, было открыто множество так называемых неканонических, или вариантных форм гистонов. Кроме того, оказалось, что как вариантные, так и канонические формы гистонов могут подвергаться различным посттрансляционным модификациям. В результате этого появляется возможность построить практически неограниченное количество различающихся нуклеосомных частиц. В последние годы обнаружили четкую связь между определенным типом модификаций гистонов и переходом хроматина в активную либо, наоборот, неактивную конфигурацию. К таким же последствиям может приводить и включение в нуклеосомы тех или иных неканонических форм гистонов. Была предложена гипотеза "гистонового кода", постулирующая, что сигналы, экспонированные на поверхности нуклеосом, играют важную роль в регуляции активности хроматиновых доменов. В данном обзоре суммированы представления о роли хроматина в регуляции транскрипции у высших эукариот.
Ключевые слова: активный хроматин, варианты гистонов, модификации гистонов, нуклеосомы, хроматиновые домены.
CHROMATIN AND REGULATION OF TRANSCRIPTION, by S. V. Razin12* (institute of Gene Biology, Russian Academy of Sciences, Moscow, 119334 Russia; 2Department of Molecular Biology, Moscow State University, Moscow, 119992 Russia; *e-mail: sergey.v.razin@usa.net). Recent years are marked by drastic increase of interest in the role of chromatin in regulation of gene activity. In the seventies of the last century many studies were undertaken in order to identify different forms of histones involved in regulation on transcription. The results of these studies were conflicting. Determination of primary structures of the main forms of histones demonstrated the extreme conservativity of these proteins. Once the nucleosomes were discovered and their organization was studied, it became clear that nucleosome as a basic unit of chromatin is also highly conservative. This conception gradually changed in recent years. Many variant forms of nucleosomal core histones encoded by separate genes were discovered. In addition it was demonstrated that both canonical and variant forms of histones may by modified post-translationally in different ways. As a result, a possibility to assemble a number of different nucleosomal particles became evident. Furthermore, a clear correlation between certain modification of histones and DNA packaging in either active or inactive chromatin was established. Similarly, a correlation between formation of active (inactive) chromatin and incorporation of particular histone variants into nucleo-somes was observed. To integrate all the above findings into the existing model of chromatin organization and functioning, the hypothesis of "histone code" was proposed. In this review the present state of our knowledge about chromatin organization and the role of this organization in transcription regulation will be discussed.
Key words: active chromatin, histone variants, histone modifications, nucleosomes, chromatin domains.
ВВЕДЕНИЕ
Отличительной особенностью организации генома эукариот является упаковка ДНК в хроматин
*Эл. почта: sergey.v.razin@usa.net
и размещение его в особом компартменте - клеточном ядре. Упаковка в хроматин обеспечивает многократное сокращение линейных размеров ДНК, необходимое для ее размещения в ядре. Чтобы оценить масштабность проблемы, укажем на то, что
геном человека имеет размер около 3 х 109 п.н. Если бы весь геном состоял из одной молекулы ДНК (т.е. не был разделен на ряд хромосом), то длина такой молекулы была бы равна примерно 1 м. Диаметр же клеточного ядра всего около 10 мкм. Очевидно, что для размещения геномной ДНК в ядре ее линейные размеры должны быть сокращены в 105 раз. При этом необходимо обеспечить доступность определенных участков ДНК для регуляторных факторов и ферментов транскрипции. Все эти непростые задачи решаются на уровне упаковки ДНК в хроматин, которая происходит в несколько этапов: накручивание ДНК на нуклеосомы, компактизация нуклеосомной нити с образованием так называемой 30 нм фибриллы, и сворачивание последней в гигантские (50200 т.п.н.) петли, закрепленные на белковой скелетной структуре ядра - ядерном матриксе. Из общих соображений понятно, что упаковка ДНК в клеточном ядре не может быть единообразной. Действительно, уже давно показали, что тран-скрипционно-активная фракция хроматина обладает повышенной чувствительностью к нукле-азам, что расценили как свидетельство ее менее компактной упаковки [1]. Результаты работ последующих лет позволили понять, чем именно отличается транскрипционно-активная фракция хроматина, и как транскрипция может регулироваться на уровне динамики хроматиновой фибриллы. В настоящем обзоре мы постараемся суммировать современные представления о хроматине и механизмах, регулирующих транскрипцию на уровне упаковки ДНК в хроматин.
НУКЛЕОСОМЫ НЕ ЯВЛЯЮТСЯ ИДЕНТИЧНЫМИ
Открытие нуклеосом [2, 3] заложило основу всех современных представлений о структуре и динамике хроматина. Нуклеосома представляет собой белковую глобулу или, точнее говоря, некое подобие диска, на который намотан фрагмент ДНК протяженностью 146 п.н. Глобула состоит из восьми молекул гистонов: тетрамера (Н3-Н4)2 и двух димеров Н2А-Н2В. Диаметр глобулы-диска равен ~11 нм, а высота —5.7 нм. Упорядоченная организация нуклеосомных частиц обеспечила возможность их кристаллизации и последующего рентгеноструктурного анализа. В настоящее время структура нуклеосомной частицы разрешена с точностью до 1.9 А [4]. С еще большей точностью разрешена структура окта-мера гистонов без ДНК. Гистоны октамера уложены в левозакрученную суперспираль,стериче-ски соответствующую суперспирали фрагмента ДНК в составе минимальной нуклеосомы. Гистоны расположены по ходу молекулы ДНК следующим образом: димеры Н2А-Н2В контактируют с ДНК на входе и на выходе из нуклеосомной ча-
стицы, а тетрамер (H3-H4)2 - с центральной частью накрученного на нуклеосомную глобулу фрагмента ДНК. Гистоны контактируют с фос-фодиэфирным остовом молекулы ДНК. Контакты реализуются через каждые 10 п.н., когда малая бороздка ДНК оказывается развернутой внутрь. Помимо электростатических контактов с отрицательно заряженными фосфатными группами, существуют и гидрофобные взаимодействия с остатками рибозы. Важно, что азотистые основания во взаимодействиях с гистонами не участвуют. Поэтому связывание ДНК с нуклеосомной глобулой не является специфичным в отношении нуклеотидной последовательности. Два витка ДНК расположены параллельно, так что бороздки ориентированы одинаково и между витками ДНК остается достаточно места для выхода за пределы нуклеосомной глобулы N-концевых доменов гистонов H2B и H3. N-концевые домены гистонов H2A и H4 выходят за пределы глобулы со стороны ее плоских поверхностей.
В течение многих лет всячески подчеркивалась консервативность организации нуклеосом, равно как и консервативность гистонов, составляющих нуклеосомную глобулу. В настоящее время представляется очевидным, что это упрощенная точка зрения. Действительно, универсальными являются общие принципы организации нуклеосомной частицы, а аминокислотные последовательности основных форм гистонов обладают чрезвычайной консервативностью. Однако описано значительное число вариантных форм гистонов, которые кодируются отдельными генами [5, 6]. Некоторые из этих форм (Н3.3, Н2А.Х, n2A.Z) [7, 8] сравнительно мало отличаются от основных форм, тогда как уровень гомологии между другими вариантными формами гистонов и основными формами весьма низкий (macro H2A -64% гомологии с H2A, H2A-Bbd - 42% гомологии с H2A, Cid - менее 40% гомологии с H3). Включение в нуклеосомную частицу вариантных форм гистонов в ряде случаев существенно изменяет архитектуру гистонового октамера. Еще более важным представляется то, что в большинстве случаев прослеживается четкая корреляция между присутствием в нуклеосомах вариантных форм гистонов и осуществлением тех или иных функциональных процессов. О транскрипционно-ак-тивном хроматине мы будем говорить особо в следующем разделе. Здесь же упомянем о том, что фосфорилированная форма гистона H2A.X (YH2A.X) служит маркером двухцепочечных разрывов в ДНК [9]. Ряд вариантных форм гистона H3 участвует в формировании центромер. Показано, что особые свойства центромерного участка хромосом определяются именно присутствием вариантных форм гистонов, в частности, CENP-A и Cid, а не сателлитными последовательностями, как это считалось ранее [10, 11].
Ковалентные модификации гистонов существенно увеличивают потенциальное разнообразие нуклеосомных частиц. Основные мишени для модификаций находятся в N-концевых участках гистонов. Эти участки не входят в состав нукле-осомной глобулы и остаются экспонированными на поверхности нуклеосомы. Наиболее хорошо изучено ацетилирование лизиновых остатков. Составляющие нуклеосомную глобулу молекулы гистонов H2B, H3 и Н4 содержат по четыре экспонированных лизиновых остатка. Еще две таких мишени для ацетилирования имеются в молекуле гистона H2A. Если учесть, что в нуклеосомной частице каждый из перечисленных гистонов представлен двумя копиями, и каждая молекула гистона может ацетилироваться по одной или нескольким позициям, то легко подсчитать, что в принципе можно создать 6.7 х 107 н
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.