Хроматин и его специфическая регуляция экспрессии генов

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ

РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

 

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ

ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО

ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

«ВЯТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

 

Биологический факультет

Кафедра биотехнологии

 

Реферат по дисциплине

«Основы генетической инженерии»

 

Тема реферата: «Хроматин и его специфическая регуляция экспрессии генов»

   

 

 

 

Разработал студент гр. БП-31                __________ Горев А.Н.

 

Руководитель:      __________ Герасимов А.С.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Киров - 2014

 

 

 

 

Аннотация

 

 

 

 

    Реферат на тему «Хроматин и его специфическая регуляция экспрессии генов» посвящен молекулярной биологии. Основным источником данного реферата послужила книга Разина Сергея Владимировича и Быстрицкого Андрея Александровича «Хроматин: упакованный геном».

            

    Основные термины и понятия: хроматин, гистон, нуклеосомы, АТФ-зависимое ремоделирование хроматина, регуляция экспрессии,  активный и неактивный хроматин, ацетилирование гистонов, характер метилирования ДНК, энхансеры.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Содержание

 

 

Введение____________________________________________________ 4

1. Структура хроматина_______________________________________ 5

1.1Гистоны и другие белки ____________________________________  5

2. Уровни упаковки ДНК___________________________________  6

          1.3Комплексы ремоделирования хроматина____________________ 10

2. Хроматин и регуляция транскрипции__________________________ 12

      2.1Активный и неактивный  хроматин_________________________12

      2.2Транскрипция ДНК, организованной в нуклеосомы__________  14

      2.3Доменная организация___________________________________ 17

      2.4 Регуляция транскрипции_________________________________ 23

Заключение__________________________________________________ 34

Список литературы________________________________________________  35

Приложение_________________________________________________ 36

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

    В отличие от прокариот основная часть генома эукариот находится в специальном клеточном компартменте (органелле), получившем название ядра, а значительно меньшая часть – в митохондриях, хлоропластах и других пластидах. Так же, как и у прокариот, информационной макромолекулой генома эукариот является ДНК, которая неравномерно распределена по нескольким хромосомам в виде комплексов с многочисленными белками. Эти ДНК-белковые комплексы эукариот получили название хроматина.

    Упаковка в хроматин обеспечивает многократное сокращение линейных размеров ДНК, необходимое для размещения ее в ядре. Упаковка происходит в несколько этапов; наиболее изученными являются накручивание ДНК на нуклеосомы, компактизация нуклеосомной нити с образованием так называемой 30-нм фибриллы и сворачивание последней в гигантские (50-200 т. п. н.) петли, закрепленные на белковой скелетной структуре ядра — ядерном матриксе (рис. 1).

    Рис.1Уровни компактизации генома   

 

 

 

 

     Становится очевидным, что хроматин выполняет множество  различных функций, в том числе  и регуляцию экспрессии генов.

    Существуют различные механизмы регуляции экспессии генов, на различных уровнях. Один из них – транскрипционный. В данной работе будет рассмотрена структура хроматина как специфического регулятора экспрессии генов на уровне транскрипции.

 

 

 

1.Организация хроматина.

      Основными компонентами хроматина являются ДНК, гистоны и негистоновые белки, образующие высокоупорядоченные в пространстве структуры. Соотношение ДНК и белка в хроматине составляет ~1:1. Рзличают три уровня структурной организации хроматина у эукариот: 1) нуклеосомная фибрилла; 2) соленоид, или нуклеомер; 3) петельно-доменная структура, включающая хромомеры.

 

 

1.1Гистоны и другие белки.

 

  Наибольшую часть ядерных  белков составляют гистоны. Выделяют пять основных типов гистонов: HI, Н2А, Н2В, НЗ и H4. Гистоны Н2А, Н2В, НЗ и Н4 входят в состав белковой глобулы минимальной нуклеосомы. Это небольшие белки с молекулярными массами 10-15 кДа.  Они чрезвычайно богаты положительно заряженными аминокислотами (лизином и аргинином). Положительно заряженные аминокислоты сосредоточены преимущественно в С-концевых и N-концевых частях молекул нуклеосомных гистонов, тогда как центральный домен относительно богат гидрофобными остатками. В денатурированном виде гистоны образуют самые различные агрегаты. Нативные молекулы нуклеосомных гистонов образуют в растворе два типа комплексов: тетрамер (Н3-Н4)2 и димер Н2А-Н2В.

    Нуклеосомные гистоны  относятся к числу наиболее  консервативных белков. Их аминокислотные последовательности имеют почти 100%-ю гомологию у всех эукариот. В геноме позвоночных животных гены, кодирующие каждый из нуклеосомных гистонов, представлены несколькими копиями. Так, в геноме человека присутствует 15 генов, кодирующих Н2А, 17 генов, кодирующих Н2В.

   Наряду с каноническими  гистонами существует широкий  спектр вариантных форм гистонов, которые кодируются отдельными генами и выполняют специальные функции. Гистоны часто подвергаются различным посттрансляционным модификациям. Основные мишени для модификаций сосредоточены в N-концевых доменах гистонов. Модификации нуклеосомных гистонов играют важную роль в установлении и поддержании различных хроматиновых структур, в том числе активного и неактивного хроматина.

      Термин «негистоновые белки», вообще говоря, следует признать устаревшим. Если понимать его в широком смысле, то наряду с негистоновыми белками собственно хроматина в эту группу следует включить все белки ядра, кроме гистонов. В узком смысле можно говорить о негистоновых белках, непосредственно участвующих в формировании хроматиновых фибрилл. В этом случае в данную группу попадут HMG-белки и белки, участвующие в формировании компактных (неактивных) хроматиновых структур, которые в последнее время часто называют архитектурными белками хроматина. К числу архитектурных белков хроматина обычно относят НР1 (heterochromatin protein 1), белки группы Polycomb, белок MENT, присутствующий в терминально дифференцированных клетках (эритроциты птиц, лейкоциты млекопитающих), МеСР2  позвоночных животных и Sir-белки дрожжей.

 

1.2.Уровни упаковки ДНК

    Открытие  нуклеосом заложило основу современных представлений                                                            о хроматине. Хроматин перестал быть аморфной массой и предстал перед глазами исследователей в виде достаточно упорядоченной структуры, построенной по иерархическому принципу.

   Нуклеосома является базовой структурной единицей первого уровня упаковки ДНК в хроматине. Она представляет собой белковую глобулу или, точнее говоря, некое подобие диска, на который намотан фрагмент ДНК протяженностью 146 п. н. Намотанная на нуклеосомную глобулу ДНК образует 1,65 супервитка. Глобула состоит из восьми молекул гистонов: тетрамера (Н3-Н4)2и двух димеров Н2А-Н2В.

       Нуклеосомы были обнаружены при электронной микроскопии развернутых хроматиновых фибрилл (хроматина, полученного после мягкой обработки ядер стафилококковой нуклеазой и экстракции 0,2 мМ ЭДТА). На электронно-микроскопических снимках были выявлены единообразные глобулы, регулярно расположенные на молекуле ДНК. Эти структуры (рис. 2) получили называние «бусины на нити».

Рис.2 Устройство 10-нм фибриллы («бусины на нити»).А – электронная  микрофотография нескольких нуклеосом,

Б – схема пространственной организации хромотосомы-коровой нуклеосомы с молекулой гистона Н1.

 

 

   Упорядоченная организация нуклеосомных частиц дала возможность их кристаллизации и последующего рентгеноструктурного анализа. В настоящее время структура нуклео- сомной частицы разрешена с точностью до 1,9 А. Примерно с такой же точностью разрешена структура октамера гистонов без ДНК (рис.3;приложение 1).Гистоны октамера уложены  в  левозакрученную суперспираль, стерически соответствующую суперспирали фрагмента ДНК в составе минимальной нуклеосомы.

   При участии гистона Н1 организованная в нуклеосомы ДНК образует фибриллу диаметром 30-нм. Такие фибриллы образуются спонтанно из структур типа «бусинок на нити» при повышении ионной силы (до 60 мМ) либо при добавлении ионов Mg2+ до 0,3 мМ. Существуют две принципиально различающиеся модели 30-нм фибриллы (рис. 4).

Рис.4.Схемы моделей 30-нм фибриллы. Показаны наиболее распространенные модели — соленоида (А) и «зиг-зага» (Б и В). Видно, что в модели зиг-зага линкерная ДНК пересекает центральную часть фибриллы, тогда как в соленоиде и нуклеосомы, и линкерная ДНК продолжают спираль соленоида. Модель «зиг-заг» допускает локальные изменения уровня компактизации при сохранении толщины фибриллы.

 

     Согласно одной из этих моделей, нуклеосомная нить, содержащая гистон Н1, сворачивается в соленоид диаметром 30-нм, в одном витке которого (с шагом в 11 нм) содержится 6 нуклеосом. Данная модель, предложенная Финчем и Клюгом, базируется на результатах электронной микроскопии и анализа дифракции рентгеновских лучей при изучении частично ориентированных хроматиновых фибрилл. Согласно данной модели, спейсерная ДНК продолжает суперспираль, возникающую при закручивании ДНК на нуклеосомной глобуле. Другая модель предполагает, что в составе 30-нм фибриллы нуклеосомы организованы в зигзагообразную структуру, параметры которой могут варьировать в известных пределах. Зигзагообразная модель предполагает, что спейсерная ДНК пересекает ось фибриллы. Результаты последних исследований, в том числе электронная микроскопия быстро замороженных образцов хроматина и анализ продуктов расщепления ядерной ДНК в живых клетках, подвергнутых мягкой обработке ионизирующим излучением, подтверждают зигзагообразную модель организации 30-нм фибриллы. Зигзагообразная фибрилла является существенно более динамичной, чем соленоид. Толщина этой фибриллы, отражающая плотность упаковки нуклеосом, может варьировать при сохранении основного принципа зигзагообразной организации.

     Динамичность 30-нм фибриллы хорошо укладывается в современные представления об активной роли хроматина в регуляции работы генома.

      Расположение нуклеосом на молекуле ДНК. Регулярное расположение нуклеосом, как правило, возникает в результате наличия в определенном районе генома того или иного барьера для распространения нуклеосом либо последовательности ДНК, на которой нуклеосома располагается с гораздо большим предпочтением, чем на окружающих последовательностях. Предпочтительными для расположения нуклеосом являются перманентно изогнутые последовательности ДНК, накручивание которых на нуклеосомы является более выгодным с энергетической точки зрения.  С использованием метода селекции in vitro было подобрано несколько последовательностей ДНК, которые являются существенно более предпочтительными местами посадки нуклеосом, чем любая из последовательностей ДНК, присутствующих в геноме мыши. Это означает, что наиболее сильные сайты посадки нуклеосом препятствуют нормальному фукционированию генома и удаляются в процессе эволюции.

   В геномной ДНК существуют участки, свободные от нуклеосом. В подавляющем большинстве случаев это участки связывания одного или нескольких регуляторных белков, узнающих определенные последовательности ДНК. Свободные от нуклеосом участки предпочтительно атакуются ДНКазой I и некоторыми другими нуклеазами при обработке ими пермеабилизированных клеток или изолированных ядер. В связи с этим они получили название участков гиперчувствительности к ДНКазе I или гиперчувствительных сайтов . Вероятность расщепления в этих сайтах организованной в хроматин ДНК может превосходить среднестатистическую в сотни и даже тысячи раз.

     Вопрос о высших уровнях упаковки ДНК в ядре остается дискуссионным. Некоторые авторы считают, что 30-нм фибрилла образует малоупорядоченные конгломераты в результате латерального взаимодействия отдельных фибрилл. При этом могут формироватся структуры типа жгута из многих нитей. Другой точкой зрения является представление об иерархической спирали, согласно которому 30-нм фибрилла — соленоид, и каждый последующий уровень представлен соленоидной укладкой фибриллы предыдущего уровня. Наиболее обоснованной является, однако, радиально-петлевая модель организации хромосомы в интерфазе и метафазе. Согласно этой модели, 30-нм фибрилла образует гигантские петли, закрепленные на белковом каркасе хромосомы. Последний называют хромосомным остовом. В интерфазном ядре хромосомный остов составляет часть ядерного матрикса. Ядерным матриксом называют скелетную структуру клеточного ядра, которая сохраняет форму и некоторые особенности морфологии ядра после удаления из него хроматина.

 

1.3Комплексы ремоделирования хроматина.

 

   Статичная организация геномной ДНК в нуклеосомы и далее в 30-нм фибриллу накладывает существенные ограничения на доступность участков узнавания различных регуляторных белков. Кроме того, в результате наматывания ДНК на нуклеосому сайты связывания ряда белков могут оказаться ориентированными таким образом, что узнающие их белки не смогут взаимодействовать друг с другом. Наконец, достаточно стабильные нуклеосомные частицы должны a priori существенно затруднять осуществление репликации и транскрипции ДНК.

     Проблемы, которые нуклеосомная организация создает для осуществления различных функциональных процессов, преодолеваются с привлечением ферментов (ферментных комплексов) ремоделирования хроматина. Комплексы ремоделирования хроматина используют для своей работы энергию АТФ. Различные комплексы ремоделирования хроматина могут выполнять следующие задачи: (1) перемещение нуклеосом вдоль молекулы ДНК и размещение нуклеосомных глобул на равных расстояниях друг от друга; (2) частичная декомпактизация нуклеосом, сопряженная с изменением спектра контактов ДНК и гистонов; (3) перемещение нуклеосомных глобул с одной молекулы ДНК на другую; (4) замена канонических гистонов на вариантные формы.

     Перемещение нуклеосом факторами ремоделирования хроматина имеет ступенчатый характер. Большинство известных комплексов ремоделирования хроматина затрачивает одну молекулу АТФ для перемещения нуклеосомной глобулы на 10 п. н.(Рис.5)

 

Рис.5.Ремоделирование хроматина.На рисунке схематически изображен процесс ремоделирования. Сначала комплекс ремоделирования связывается с участками ДНК а и в (А); изменение конформации комплекса приводит к изгибанию ДНК, отрыву участка б и связыванию участка а (Б), после чего комплекс ремоделирования отсоединяется от участка в и возвращается в исходную конформацию, а волна деформации ДНК продвигается по октамеру гистонов (В). В итоге нуклеосома оказывается смещена на ДНК на расстояние а-б, при этом участок г переместился из нуклеосомной ДНК в линкерную, а участок а, напротив, связался октамером (Г).

 

 

 

 

 

 

 

 

2. Хроматин и регуляция транскрипции.

 

   В эукариотических клетках матрицей для РНК-полимераз служит ДНК, находящаяся в составе хроматина. Из общих соображений белки нуклеосом и более высокоорганизованного хроматина должны быть препятствием для образования инициационного комплекса и перемещения транскрипционного комплекса вдоль такой матрицы. Однако in vivo эти препятствия в соответствующих условиях легко преодолеваются. В последнее время, благодаря взаимно дополняющим друг друга биохимическим и генетическим данным, становятся более ясными основные механизмы, обеспечивающие этот повсеместно распространенный процесс.

 

 

2.1Активный и неактивный хроматин.

  

    Ученые давно обратили внимание на то, что ДНК в ядре упакована неоднородно. При окраске ядер красителями, специфически связывающимися с ДНК, можно видеть области, где ДНК упакована более компактно (иногда их еще называют хроматиновыми глыбками), и области, где локальная концентрация ДНК существенно ниже. Эти области получили названия гетерохроматина и эухроматина соответственно. Было весьма заманчивым связать различия в степени компактизации ДНК с ее транскрипционным статусом. Из общих соображений представлялось очевидным, что транскрипционно-активная ДНК должна быть упакована менее компактно. Первые экспериментальные подтверждения этой точки зрения были получены в опытах по обработке ядерной ДНК ДНКазой I. Оказалось, что активные гены расщепляются ДНКазой быстрее, чем неактивные. В дифференцированных клетках значительная часть генов не работает. Эти гены оказались относительно устойчивыми к ДНКазе I. При сравнении клеток, дифференцированных по разным путям, можно было видеть, что один и тот же ген предпочтительно расщепляется ДНКазой I в тех клетках, где он активен, и относительно устойчив к этому ферменту в клетках, где этот ген не транскрибируется. Феномен предпочтительной чувствительности к ДНКазе I активных генов принято называть общей ДНКазной чувствительностью. Его следует отличать от гиперчувствительности к ДНКазе I, о которой говорилось выше.

   Обнаружение предпочтительной  чувствительности транскрибирующейся фракции генома к ДНКазе I открыло принципиальную возможность выделения и характеристики коротких фрагментов транскрипционно-активного хроматина. Было продемонстрировано, что транскрипционно-активный хроматин характеризуется повышенным уровнем ацетилирования гистонов нуклеосомной частицы. Примерно в это же время в лаборатории Олфри был разработан метод выделения фрагментов транскрипционно-активного хроматина посредством афинной хроматографии на колонках с иммобилизованной ртутью. И в этом случае было показано, что транскрипционно-активный хроматин характеризуется повышенным уровнем ацетилирования гистонов. Другими отличительными признаками активного хроматина явились обедненность гистоном Н1 и некоторое обогащение различными типами HMG-белков. Еще одной характерной чертой нуклеосом активного хроматина является частое отсутствие одного из димеров Н2А-Н2В.  Характерной особенностью транскрипционно-активной фракции хроматина, является высокий уровень ацетилирования гистонов. В экспериментах по сборке хроматина in vitro продемонстрировано, что хроматин, собранный с использованием гиперацетилированных гистонов, обладает основными свойствами активного хроматина, в частности повышенной чувствительностью к нуклеазам.

 

 

2.2Транскрипция ДНК, организованной в нуклеосомы.

 

   Нуклеосомные частицы должны являться серьезным препятствием на пути транскрипции. Тем не менее четко продемонстрировано, что все РНК-полимеразы, в том числе и прокариотические, способны транскрибировать ДНК, организованную в нуклеосомы. Механизм транскрипции ДНК, организованной в нуклеосомы, остается предметом научных дискуссий. Существует две основные модели, объясняющие возможность транскрипции нуклеосомной нити. Одна из них предполагает, что нуклеосомная глобула, находящаяся на пути транскрипционного комплекса, временно удаляется, оставаясь при этом связанной с самим транскрипционным комплексом, и далее вновь связывается с ДНК за транскрипционным комплексом. Эта модель получила прямые подтверждения в модельных экспериментах по транскрипции бактериальными РНК-полимеразами организованного в нуклеосому фрагмента ДНК. Результаты этих экспериментов не удалось, однако, воспроизвести при использовании эукариотической РНК-полимеразы II. Другая модель транскрипции нуклеосомной нити предполагает, что дестабилизированные нуклеосомы активной фракции хроматина частично разворачиваются непосредственно в момент прохождения транскрипционного комплекса, в результате чего РНК-полимера за может считывать ДНК, не удаляя гистонов. Надо сказать, что в местах входа и выхода ДНК из нуклеосомы ДНК-белковые контакты относительно малочисленны, что допускает возможность постепенного разворачивания накрученной на нуклеосому петли ДНК. Работающий транскрипционный комплекс разворачивает двойную спираль ДНК, что компенсируется возникновением домена положительной суперспирализации перед транскрипционным комплексом. Витки ДНК на нуклеосоме представляют собой негативную суперспираль, стабилизированную взаимодействием с нуклеосомными гистонами. Понятно, что позитивная суперспирализация будет способствовать разворачиванию накрученных на нуклеосому петель ДНК.

В обеспечении возможности транскрипции организованной в нуклеосомы ДНК важную роль играют факторы ремоделирования хроматина.

    Сравнительно недавно  продемонстрировано, что важную  роль в транскрипции организованной  в нуклеосомы ДНК играет белковый  комплекс, получивший название FACT (facilitator of chromatin transcription). Этот белковый комплекс способствует временному удалению из нуклеосомы одного или обоих димеров Н2А-Н2В, облегчая разворачивание петель нуклеосомной ДНК в местах входа и выхода ДНК из нуклеосомной частицы. Для осуществления своей функции FACT должен быть посажен на активные промоторы. Это достигается при участии вспомогательного комплекса ремоделирования хроматина CHD1, который обладает сродством к FACT и к нуклеосомам, содержащим гистон НЗ, триметилированный по позиции К4.Эта модификация гистона НЗ характерна для активного хроматина. Нуклеосомы, содержащие НЗ, триметилированный по позиции К4, локализуются преимущественно в промоторных областях и в начале активных транскрипционных единиц. Для оптимальной работы FACT существенно еще и моноубиквитинилирование гистона Н2В по К120. Считается, что эта модификация способствует ди- и три- метилированию НЗ по позиции К4.

Исследования, проведенные с использованием метода иммунопреципитации хроматина, выявили неравномерное распределение модифицированных и вариантных форм гистонов в границах транскрипционных единиц . Это объясняется тем, что внесение некоторых модификаций прямо сопряжено с осуществлением транскрипции. В дрожжевых клетках этот процесс происходит следующим образом. Сразу после инициации транскрипции происходит фосфорилирование серинового остатка 5 (Ser5) в составе С-концевого домена (C-terminal domain, CTD) РНК-полимеразы II. Эта модификация способствует привлечению мультибелкового комплекса, известного как фактор элонгации PAF. Этот фактор способствует удержанию

в составе элонгирующего транскрипционного комплекса гис-тонубиквитинлигазы, которая убиквитинилирует гистон Н2В. Одновременно PAF привлекает в состав элонгирующего транскрипционного комплекса НЗК4 гистонметилазу (Set 1 комплекс COMPASS). Этот комплекс осуществляет ди- и триметилиро- вание НЗК4. Монометилирование осуществляется обычной гистонметилазой Set 1 и не зависит от убиквитинилирования гистона Н2В. По мере продвижения элонгирующего РНК-по- лимеразного комплекса вдоль транскрипционной единицы происходит дефосфорилирование Ser5 и фосфорилирование Ser2 в составе CTD. Следствием этого изменения в характере модификации CTD является освобождение гистонметилазы COMPASS и привлечение гистонметилазы Set2, которая осуществляет триметилироване лизинового остатка 36 гистона НЗ. Следствием этой сложной цепи процессов является накопление ди- и триметилированного по К4 гистона НЗ в начале транскрипционной единицы и триметилированного по К36 гистона НЗ в конце транскрипционной единицы. На основании всего вышесказанного можно сделать один вывод, имеющий более общее значение. Определенная группа модификаций гистонов необходима для привлечения РНК-полимеразы II к промоторным областям. Распределение таких модифицированных (и выполняющих ту же функцию вариантных) форм гистонов в границах транскрипционных единиц и в целом в геноме не зависит от уровня транскрипции. Другие модификации осуществляются в прямой связи с процессом транскрипции. Распределение таких модифицированных гистонов прямо коррелирует с уровнем транскрипции соответствующих областей генома.Сопряженная с транскрипцией смена характера метилирования гистона НЗ имеет большое биологическое значение. Триметилирование H3K36 в дрожжевых клетках способствует привлечению гистондезацетилазы Rpd3S, которая снижает общий уровень ацетилирования гистонов на большей части транскриционной единицы после каждого раунда транскрипции. Вероятно, это необходимо для предотвращения возможности инициации транскрипции внутри гена. Так называемые криптические промоторы, т. е. последовательности ДНК, которые в принципе могли бы служить местами посадки РНК-полимеразы II, встречаются в геноме эукариот достаточно часто. Организация ДНК в стабильную нуклеосомную структуру препятствует активации этих промоторов.

      В заключение данного раздела следует подчеркнуть, что связанные с осуществлением транскрипции модификации гистонов носят динамический характер. С помощью специальных экспериментальных подходов можно наблюдать последовательное ацетилирование-дезацентилирование гистонов, сопряженное с прохождением соответствующих раундов транскрипции.

 

2.3Доменная организация.

 

     Эксперименты по изучению  предпочтительной чувствительности  к нуклеазам активных генов  продемонстрировали, что область  предпочтительной чувствительности  к нуклеазам, как правило, оказывается существенно более протяженной, чем транскрибирующийся ген. В ряде случаев предпочтительно чувствительными к нуклеазам оказывались достаточно протяженные (100 т. п. н. и более) геномные домены, включающие как транскрибирующиеся, так и молчащие гены, а также межгенные области. В качестве примеров можно указать домены Р-глобиновых генов позвоночных и домен генов овальбумина кур (рис. 6). Границы ДНКазо-чув- ствительных доменов являются достаточно четкими. Переход от ДНКазо-чувствительной области к области, характеризующейся относительной устойчивостью к ДНКазам, происходит в пределах фрагмента ДНК протяженностью в несколько т. п. н. (рис. 6). Это позволяет предположить, что существуют специальные элементы генома и соответствующие им структуры хроматина, которые являются границами ДНКазо-чувствительных доменов. ДНКазо- чувствительные домены генома привлекли особое внимание исследователей прежде всего потому, что очевидна была определенная зависимость между статусом этих доменов и транскрипционной активностью соответствующих генов.

 

 

Рис.6.Профиль чувствительности к ДНКазе I домена гена овальбумина кур.В состав домена входит ген овальбумина (Oval) и два псевдогена (\\fX и у Y). Над схемой домена приведен профиль относительной чувствительности домена и его окрестностей к ДНКазе I в клетках яйцевода, где овальбуминовые гены экспрессируются.

 

    Можно говорить о том, что ДНКазо-чувствительные домены хроматина являются структурно-функциональными блоками генома, которые могут находиться в активном либо неактивном состоянии в зависимости от типа клеток, или, иными словами, в зависимости от неких дополнительных сигналов. Это положение можно считать основой так называемой доменной гипотезы структурнофункциональной организации эукариотического генома. Данная гипотеза приобрела особую привлекательность после того, как были обнаружены области контроля локуса (locus control regions, LCRs), которые, как следовало из результатов первоначальных экспериментов, осуществляли контроль над всеми параметрами (чувствительность к ДНКазам, транскрипционный статус и время репликации) протяженных доменов генома. Однако все гены, расположенные в активном хроматиновом домене, являются потенциально активными и могут быть быстро вовлечены в транскрипцию. Вопрос о том, как возникает активный хроматиновый домен, до конца не изучен. Понятно, что появление такого домена является результатом сложной цепи событий, превращающей неактивный хроматин в активный. Наиболее важным процессом, приводящим к активации хроматинового домена, является осуществление комплекса сайт-специфических модификаций гистонов. Хотя о доменной организации генома написаны сотни статей, количество изученных модельных систем является весьма скромным.

         В настоящее  время процесс создания активных геномных доменов прямо связывают с процессивным (т. е. распространяющимся) ацетилированием гистонов в рамках всего домена. Прежде всего, этот процесс должен инициироваться в каком-то определенном месте. Согласно современным представлениям, таким местом может быть область контроля локуса, энхансер или промотор. Связанные с этими регуляторными элементами транскрипционные факторы способны привлекать гистонацетилазы. Эукариотические гистонацетилазы входят в состав больших мультисубъ- единичных комплексов. Наряду с собственно гистонацетилазой (например, GCN5 в клетках дрожжей) в состав этих комплексов входят субъединицы, способные взаимодействовать с различными транскрипционными факторами и общими факторами инициации транскрипции. Это способствует привлечению гистонацетилаз к промоторам и энхансерам, где они осуществляют локальное аце- тилирование гистонов. В состав гистонацетилазных комплексов входят и субъединицы, содержащие так называемый бромодомен, который узнает ацетилированные остатки лизина в молекулах гистонов. В связи с этим возникновение области локального ацетилирования гистонов будет способствовать привлечению дополнительных гистонацетилаз, которые будут ацетилировать гистоны в составе соседних нуклеосом, перемещаться на эти нуклеосомы и продолжать процесс распространяющегося ацетилирования (рис. 7). Этот механизм распространяющегося ацетилирования не является единственным. Согласно гипотезе Траверса, элонгирующий комплекс РНК-полимеразы II может сам являться тем транспортным средством, которое используется для перемещения вдоль хроматинового домена факторов ремоделирования хроматина, гистонацетилаз и других белков, необходимых для активации хроматиновых доменов. Соответственно, низкоуровневая транскрипция протяженных геномных доменов может быть необходима для их активации. Основное положение гипотезы Траверса, а именно то, что распространяющийся процесс модификации гистонов осуществляется в непосредственной связи с процессом транскрипции, подтверждено в настоящее время экспериментально

Рис. 7. Механизмы распространения ацетилирования гистонов по хроматиновому домену

Схематически изображены две общепринятые модели. Согласно модели расширяющегося домена (А), локальное ацетилирование привлекает гистонацетилазные комплексы за счет белков с бромодоменами, которые связываются с ацетилированными гистонами. Таким образом, действует положительная обратная связь и происходит распространение ацетилирования. Модель Траверса (Б) предполагает, что гистонацетилазные комплексы взаимодействуют с РНК-по- лимеразой и ацетилируют гистоны по мере элонгации транскрипции.