Химический состав хроматина (хромосом) эукариотической клетки

Большая часть объема хромосом представлена ДНК и белками. Заметные химические компоненты хромосом – РНК и липиды. Среди белков (65\% массы хромосом) выделяют гистоновые (60-80\% всех белков) и не-гистоновые. Массовые соотношения ДНК : гистоны : негистоновые белки :

РНК : липиды составляют – 1:1:(0,2-0,5):(0,1-0,15):(0,01-0,03). Также

в малых количествах присутствуют полисахариды, ионы металлов (Ca, Mg) и некоторые другие компоненты. Обеспечение биоинформационно-генетических процессов в клетках связано, в основном, с ядерной ДНК. На долю ДНК митохондрий приходится порядка 10\%. Как правило, эу-кариотическая хромосома содержит одну двойную спираль ДНК, образованную двумя линейными комплементарными друг другу молекулами.

Вместе с тем известны примеры закономерно увеличенного количества ДНК на клетку. К ним относятся гигантские политенные хромосомы в клетках слюнных желез насекомых, которые образуются в результате многократной репликации ДНК без расхождения биспира-лей (эндоредупликация). У плодовой мухи количество таких копий 512-1024. В диплотене профазы первого мейотического деления в ооци-тах рыб, земноводных, рептилий и птиц образуются хромосомы типа «ламповых щеток» (рис. 2.12), для них характерно образование петель. Петля содержит фрагмент ДНК длиной 5-100 тыс. п.н. Хромосомы типа «ламповых щеток» отличаются высоким уровнем транскрипции. Кратное гаплоидному увеличение количества ДНК в клетках печени закономерно происходит в постнатальном онтогенезе крыс и ряда других

Рис. 2.12. Хромосомы типа «ламповых щеток»

животных – феномен соматической полиплоидии. Полиплоидные (тетраплоидные – 4с, октаплоидные – 8с, 16с и далее, где с – количество ДНК гаплоидного набора хромосом) клетки имеют большие в сравнении с диплоидными (2с) клетками размеры и, следовательно, более высокий функциональный потенциал. Если полиплоидное ядро делится и деление не сопровождается цитотомией, то образуется двуядерная полиплоидная клетка с оптимизированным в сравнении с одноядерной полиплоидной клеткой соотношением объема и площади поверхности ядер. Полиплоидные клетки – печеночные, нервные, кардиомио-циты – обнаружены и у человека. В овогенезе амфибий наблюдается амплификация или временное увеличение количества генов рРНК. В диплоидных клетках африканской шпорцевой лягушки число копий этих генов 900, тогда как в диплотене профазы первого мейотическо-го деления в образовании рибосомных РНК принимает участие более миллиона копий генов рРНК. Подсчитано, что без амплификации образование необходимого количества рибосомных РНК и, следовательно, числа рибосом заняло бы порядка 500 лет в сравнении с отпущенным природой периодом в 3-6 мес.

В дополнение к названным выше способам, увеличение количества ДНК может также происходить путем дупликации определенного фрагмента нуклеиновой кислоты. Последовательная неоднократная дупликация с дивергентным развитием копий ведет к образованию генных кластеров или мультигенных семейств, связанных с генетическим контролем в принципе одной функции, но в разных условиях. В качестве примера назовем кластер β-глобиновых генов гемоглобина человека (см. п. 2.4.3.4-д). В некоторых случаях механизм дупликации использовался в эволюции для увеличения в геноме количества практически идентичных копий нуклеотидной последовательности, кодирующей макромолекулы, необходимые для выполнения жизненно важных общеклеточных функций: рРНК (см. п. 2.4.3.3), тРНК, гистонов. Дополнительная новая ДНК приобретается также вследствие включения в геномы генов от других организмов путем горизонтального (латерального) их переноса, а также мобильных генетических элементов (МГЭ).

Белки хромосом выполняют функции: защитную, структурную, ре-гуляторную1, каталитическую, сервисную, опознавательно-сигнальную и ряд других.

1 Регуляторная роль компонентов хромосом заключается в «запрещении» или «разрешении» считывания информации (транскрипция) с ДНК, в изменении скорости транскрипции и репликации ДНК.

Особое место среди хромосомных белков принадлежит гистонам. Проявляя в химическом отношении основные свойства и характеризуясь в целом положительным зарядом (благодаря высокому содержанию аминокислот аргинина и лизина), они образуют ионные связи с отрицательно заряженными фосфатными группами внешней стороны двойной спирали ДНК. В составе нуклеогистонового комплекса ДНК менее доступна ферментам нуклеазам, вызывающим ее гидролиз (функция защиты). Гистоны выполняют структурную функцию, участвуя в процессе компактизации хроматина (см. п. 2.4.3.4-б, нуклеосомный уровень ком-пактизации). Нуклеогистоновый комплекс ограничивает доступ к ДНК с целью использовать заключенную в ней генетическую информацию. Формирование инициаторного (стартового) комплекса перед началом транскрипции включает ацетилирование гистонов в промоторной области транскриптона, что, предположительно, облегчает доступ соответствующих ферментов к ДНК (регуляторная функция). Гистоновые белки представлены пятью видами (фракциями): Н1, Н2А, Н2В, Н3 и Н4.

Число ядерных негистоновых белков превышает несколько сотен. Среди них ферменты транскрипции РНК, репликации, репарации и химической модификации ДНК (каталитическая функция). Структурно-регуляторную функцию приписывают негистоновым белкам хромосомного матрикса (скэффолд – см. п. 2.4.3.2). Фиксируя участки двойной спирали (англ. SAR Scaffold Attachment Regions), такие белки удерживают «открытую» конфигурацию хроматина, «разрешающую» доступ к биоинформации ДНК, то есть ее транскрипцию.

Многие негистоновые белки обнаруживаются в составе хромосом лишь некоторое время в связи с той или иной функциональной задачей. Так, начало процесса репликации ДНК состоит в присоединении к хромосоме инициирующих или «узнающих» белков (см. п. 2.4.5.3), помечающих стартовую точку репликонов (опознавательно-сигнальная функция). Затем появляются расплетающие биспираль ферменты – х(г)еликаза и топоизомеразы, далее белки SSB (англ. Single Strand Binding Proteins), стабилизирующие одноцепочечные участки ДНК, белок-активатор праймазы – фермента, катализирующего образование РНК-затравки (РНК-праймера), – и, наконец, ДНК-полимераза. Сборка белковых комплексов – необходимое условие многих процессов с участием ДНК хромосом, включая репликацию и транскрипцию. Так, транскрипция фрагмента ДНК (структурный ген) у эукариот начинается с образования в области промотора гетеробелкового инициаторно-го комплекса, участниками которого являются так называемые общие

транскрипционные факторы. Без этого невозможны ни «посадка» РНК-полимеразы на ДНК в требуемом месте, ни определение стартовой точки транскрипции (см. п. 2.4.5.5) – сервисная функция.

К категории «временных» относятся цитозольные белки-рецепторы (функционально-транскрипционные факторы), захватывающие сигнальные молекулы, например, стероидные гормоны, в комплексе с которыми они проникают в ядро и которые их активируют (см. п. 2.4.3.1).

РНК хромосом представлена продуктами транскрипции, еще не покинувшими место синтеза, – непосредственный продукт транскрипции генов или пре-и(м)РНК, пре-рРНК, пре-тРНК транскрипты. 5S РНК, которые «метят» начало и конец фрагментов пре-и(м)РНК транскрипта, соответствующие интронам, чем обеспечивают точность их удаления (сервисная или «конценсусная» функция на уровне пре-и(м)РНК транскрипта). Некоторые виды РНК «временного внутриядерного пребывания» создают условия для основного процесса, выполняя сигнальную функцию. Так, репликация ДНК требует для своего начала образуемой «на месте» РНК-затравки (РНК-праймер), которая по завершении процесса разрушается здесь же в ядре.

Рейтинг
( Пока оценок нет )
Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
yamedik
Добавить комментарий
Adblock
detector