БИОХИМИЯ, 2006, том 71, вып. 1, с. 6 - 16
УДК 576.353
СТРУКТУРНО-ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ МОДЕЛЬ МИТОТИЧЕСКОЙ ХРОМОСОМЫ
Обзор
© 2006 г. В.Ю. Поляков1*, О.В. Зацепина1, И.И. Киреев1, А.Н. Прусов1, Д. Фаис12, Е.В. Шеваль1, Ю.В. Коблякова1, С.А. Голышев1, Ю.С. Ченцов3
1 НИИ физико-химической биологии им. А.Н. Белозерского МГУ им. М.В. Ломоносова, 119992 Москва; факс: (495)939-3181, электронная почта: sheval_e@genebee.msu.su 2 Итало-Российский институт экологических исследований и образования, Университет Палермо, Палермо 90128, Италия
3 Кафедра клеточной биологии и гистологии биологического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова, 119992 Москва
Поступила в редакцию 27.01.05 После доработки 17.02.05
В настоящем обзоре дискутируются вопросы о структурной роли некодирующей ДНК, механизмах дифференциального окрашивания митотических хромосом и о структурной организации различных уровней ком-пактизации ДНК. Предлагается структурно-функциональная модель митотической хромосомы, в основу которой положен принцип дискретности структурных уровней компактизации ДНК.
КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: хроматин, хромосома, митоз, бэндинг, хромомер, хромонема.
В последние годы отмечается впечатляющий прогресс в изучении молекулярной организации митотических хромосом. Обнаружены и детально охарактеризованы различные белки, контролирующие прогрессию митоза, в том числе белки, участвующие в сегрегации и компактизации митотических хромосом. Большинство полученных данных трактуется в рамках популярной «радиально-петлевой» модели, предполагающей наличие в митотической хромосоме специальной структуры — хромосомного скэффолда. В то же время проблема макромолекулярной организации различных структурных субдоменов хромосом остается нерешенной.
Как известно, геномы эукариот помимо «структурных» генов, кодирующих белки, содержат большое количество ДНК (~90%), которая не кодирует никаких белков и не играет заметной роли в контроле экспрессии генов [1, 2]. Эта фракция генома представлена уникальными последовательностями, фланкирующими структурные гены, интронами, а также расположен-
Принятые сокращения: ДНП — дезоксирибонуклео-протеин, п.н. — пар нуклеотидов, БпШ-5-бромо-2-дезок-сиуридин, РС — репликационные сайты.
* Адресат для корреспонденции и запросов оттисков.
ными тандемно или рассеянными по геному повторяющимися последовательностями. Показано, что различные типы нуклеотидных последовательностей в составе хроматина интерфазных ядер и митотических хромосом формируют дискретные кластеры, иногда называемые изохорами [3]. В цитологической литературе ло-кусы хромосом, не содержащие транскрибирующихся генов, принято называть конститутивным гетерохроматином, локусы, в которых наряду с нетранскрибирующимися последовательностями содержатся инактивированные структурные гены, — факультативным гетерохромати-ном, а локусы, обогащенные экспрессирующи-мися генами, — эухроматином [4]. На митоти-ческих хромосомах эти районы выявляются с помощью простого метода, получившего название «дифференциальное окрашивание» [5—7]. Хотя молекулярные механизмы дифференциального окрашивания митотических хромосом остаются неизвестными, метод отражает характер распределения генов по длине хромосом, кластеризацию определенных последовательностей ДНК и хронологию их репликации [5] (рис. 1).
Функции некодирующей ДНК, составляющей основную массу генома, до настоящего вре-
а
б
С п ш
■
Рис. 1. Продольная гетерогенность митотических хромосом, выявляемая методом дифференциального окрашивания. а — Доля кодирующих последовательностей в эукари-отическом геноме, б — молекулярная организация различных типов сегментов. Я — 82% генов, высокое содержание GC-богатых последовательностей, ранняя репликация, низкий уровень метилирования ДНК; G — 18% генов, высокое содержание АТ-богатых последовательностей, поздняя репликация, высокий уровень метилирования ДНК; С — отсутствие генов, высокоповторяющиеся последовательности, самая поздняя репликация, высокий уровень метилирования ДНК
мени остаются предметом дискуссий. Возможно, какие-то элементы этой фракции играют роль своеобразных «модуляторов», изменяющих локальную конформацию экспрессирующегося хроматина. Данную гипотезу подтверждают эксперименты, в которых показана частичная или полная инактивация генов, транслоцированных в область гетерохроматина. Соответствующий феномен, впервые открытый в генетических экспериментах на БгозоркИа melanogaster, называют «эффектом положения» [8]. Эффект положения — типичный пример так называемой эпигенетической регуляции генома, которая не связана с мутациями, а основана только на изменениях в структурном состоянии определенного локуса хромосомы и статуса метилирования ДНК. Такой тип регуляции играет существенную роль не только в экспрессии генов, но и в генетической рекомбинации [9].
Другая гипотетическая функция некодирую-щей ДНК (возможно, также прямо или косвенно связанная с регуляцией экспрессии) — участие в формировании макромолекулярной организации хромосом [6, 10]. В этом случае ее отдельные элементы могут служить «посадочными площадками» для гипотетических «белков-скрепок», обеспечивая формирование различных уровней упаковки хроматина. Особенности распределения таких последовательностей могут определять неоднородность в структурной организации по длине хромосом, выявляемую различными методами молекулярного и морфологического анализа.
В обзоре обсуждаются экспериментальные данные о топологии ДНК в митотических хромосомах, о механизмах индукции продольной и поперечной дифференцированности хромосом и о возможной роли некодирующих последовательностей ДНК в структурно-функциональной организации хромосом.
СТРУКТУРНЫЕ УРОВНИ КОМПАКТИЗАЦИИ ДНК В ИНТЕРФАЗНЫХ И МИТОТИЧЕСКИХ ХРОМОСОМАХ
Молекулярная композиция хромосом изучена достаточно детально. Формально их можно описать как высокоупорядоченные гигантские нуклеопротеидные комплексы, в состав которых входят ДНК, гистоны, некоторые специализированные негистоновые белки и небольшое количество РНК. В структурном отношении наиболее важную роль играют белки с основными свойствами — гистоны, обеспечивающие «первичную» компактизацию генетического материала. Гистоны, взаимодействуя с ДНК, формируют дискретные, одинаковые по размерам и структуре частицы — нуклеосомы, которые представляют собой универсальные субъединицы хроматина у всех эукариотических организмов. Каждая нуклеосома содержит ~200 пар нуклеотидов (п.н.) ДНК, спирализованной на поверхности октамера гистонов (Н2А, Н2В, Н3 и Н4). Нуклеосомные фибриллы выделяются из ядер только в условиях низкой ионной силы или после экстракции гистона Н1. Их молекулярная организация достаточно подробно охарактеризована в многочисленных работах [11].
Следующий уровень компактизации — де-зоксирибонуклеопротеин(ДНП)-фибриллы, толщиной ~30 нм [12—15]. Согласно наиболее распространенной гипотезе 30-нм фибрилла представляет собой соленоид, сформированный из суперспирализованных нуклеосомных частиц за счет ассоциации октамеров нуклеосом с гистоном Н1 [16]. По другим данным 30-нм фибрилла состоит из нуклеомеров или «супербусин» — дискретных субструктур, объединяющих от 6 до 10 нуклеосом [7—20]. Некоторые авторы считают, что 30-нм ДНП-фибрилла не имеет строго упорядоченной организации [21]. Простые расчеты, основанные на предположении, что один виток спирали соленоида (или один нуклеомер) содержит шесть нуклеосом, показывают, что степень компактизации ДНК в 30-нм фибрилле составляет ~40. В то же время известно, что в митотических хромосомах степень компактизации гораздо выше и достигает ~10 000 [22]. Выяснение, каким образом 30-нм
ДНП-фибриллы организованы в структуры более высокого порядка, до сих пор остается одной из фундаментальных проблем в изучении митотических хромосом.
Во многих ранних работах было показано, что структурную основу митотических хромосом большинства растительных и животных объектов составляют фибриллярные элементы, названные по формальному признаку — способности адсорбировать некоторые «основные» красители — хромонемами. Многочисленные детальные описания динамики клеточного деления позволили сделать вывод о стабильности хромонем как «элементарных» структурных комплексов хромосом в клеточном цикле [23]. Принципиально важно, что хромонемные элементы удалось визуализовать прижизненно в крупных хромосомах лилии Haemanthus kathari-nae [24]. На ультраструктурном уровне хромоне-мы в составе декомпактизующихся телофазных хромосом были описаны у некоторых высших растений [25—29] и животных [15].
Позднее макромолекулярные комплексы хроматина в виде фибриллярных хромонем были описаны в интерфазных ядрах и митотичес-ких хромосомах клеток человека, D. melanogaster [30, 31], китайского хомячка [32] и лука Allium cepa [33]. Следует отметить, что обобщающий термин «хромонема» применяется для обозначения различных типов фибриллярных хрома-тиновых структур, возможно имеющих разную структурную организацию [31].
Характер компактизации ДНК в составе хромонем остается неизвестным. По одной из гипотез хромонемы состоят из дискретных глобулярных комплексов — элементарных хромоме-ров [34]. Особенно четко хромомеры в виде глобулярных структур диаметром ~100 нм выявляются в ядрах, изолированных при высоких концентрациях двухвалентных катионов. Частичная депротеинизация хроматина таких ядер полианионами (смесью гепарина и декстрансуль-фата) приводит к высвобождению так называемых розеточных комплексов, состоящих из многочисленных (15—20) петлевых структур, основания которых фиксированы в плотной центральной зоне розетки [35, 36]. Длина одной петли варьирует от 0,3 до 1 мкм, суммарная длина петель одного комплекса составляет 15—20 мкм (10—60 тыс. п.н.). Обработка фракции протеазой приводит к полному разрушению розеточных комплексов.
Аналогичные структуры обнаружены в хроматине, депротеинизованном 2 М NaCl [37], и в митотических хромосомах, обработанных ацетатом аммония [38]. Многочисленные аргументы в пользу того, что розеточные комплексы
«предсуществуют» в интактном хроматине, а не образуются за счет несп
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.