Головна
Реферати » Реферати по біології » Від чого залежить доля гена

Від чого залежить доля гена

і чотирма молекулами гістонів (Н2А, Н2В, Н3, Н4). Їх спіральні сегменти зображені у вигляді циліндрів, неструктуровані ділянки між ними - у вигляді петель, буквами N і С позначені "хвости", тобто амінниє і карбоксильні кінці молекул. Місця, в яких ДНК контактує з гистонами, вказані білими гаками.

Рентгеноструктурний аналіз, що дозволяє отримувати 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

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

Цікаво, що мотив гістонові укладки 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 гістонові 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 ?-мостами - спареними петлями гістонових димерів. Мотиви другого типу - це спарені N-кінцеві сегменти довгих спіральних доменів кожного гистона, утворить гетеродимер. Нарешті, третій тип становлять два мотиву з двох додаткових a-спіральних ділянок гистона-3, розташованих уздовж суперспирали ДНК в місці її входу в нуклеосому і виходу з неї. Оскільки перелічені структурні елементи містять позитивно заряджені амінокислоти (в основному аргінін), октамер електростатично взаємодіє з негативно зарядженими фосфатними групами сахарофосфатнимі остова ДНК. Таким чином, 14 малих борозенок ДНК втягують в себе 14 містять аргінін мотивів гістонові октамера, розташованих на його поверхні. В результаті ДНК жорстко закріплюється майже незалежно від нуклеотидноїпослідовності. Завдяки цьому забезпечується універсальність ущільнення ДНК на октамер.

Отже, за рахунок консервативної центральній частині гістонів формується сам октамер і закріплюється ДНК, чим забезпечується перший рівень її ущільнення. ДНК виявляється на поверхні октамера і залишається доступною для взаємодії з іншими білками.

Навіщо ж потрібні гістонові "хвости"? Щоб зрозуміти це, звернемося знову до нуклеосоме. Судячи з рентгеноструктурному аналізу, всі вони виходять на її поверхню, причому "хвіст" гистона-3 особливо далеко простирається за межі нуклеосоми.

"Хвости" гістонів дуже рухливі. Виступаючи поверх не тільки нуклеосоми, але навіть хроматиновой фібрили, вони беруть участь в межнуклеосомном взаємодії і піддаються численним модифікаціям. Серед них можна відзначити ацетилирование, фосфорилирование, метилирование, AДФ-рібозілірованіе і приєднання білка убіквітину [5]. Ці модифікації змінюють заряд, гідрофобність та інші властивості поверхні білкових глобул. Гістонові "хвости", розташовані зовні хроматиновой фібрили, складають до 25-30% від маси індивідуальних гістонів і різними зарядженими групами мозаїчно "розфарбовують" поверхню монотонного хроматину. Крім того, спеціалізовані модифікують ферменти можуть змінювати цю мозаїку, поєднуючи різні модифікуючі групи. Так формується складна матриця, яку впізнають інші регуляторні білки, зовнішні сигнали. Більш того, оскільки кінцеві домени гістонів беруть участь і в межнуклеосомном взаємодії, за рахунок модифікацій хроматинова фібрила розпушується або, навпаки, ущільнюється. Це, в свою чергу, полегшує або ускладнює доступ численних регуляторів до ДНК.

З результатів досліджень, проведених в останні роки, стало ясно, що всі ці властивості гістонових "хвостів" надзвичайно важливі для розшифровки механізмів функціонування хроматину - його поведінки при активації генів, їх репресії і регуляції багатьох інших процесів , пов'язаних з доступом до ДНК. До теперішнього часу створена не одна модель, яка пояснює роль хроматину, сама розроблена і інтригуюча з них - модель "гістонові коду".

От чего зависит судьба гена

Схематичне зображення фрагмента нуклеосоми.

На схемі видно: мотив гістонові укладки у вигляді циліндрів, з'єднаних петлями і взаємодіючих між собою, і шість регулярно розташованих ?-мостів, що пов'язують спіраль ДНК. Приблизне положення гнучких гістонових "хвостів" зображено пунктирними лініями.

Під цим мається на увазі різноманітний набір модифікацій гістонових "хвостів", що визначає функціональний стан гена. Спектр модифікацій можна цілеспрямовано змінювати, передавати у спадок, іншими словами, керувати зчитуванням генетичної інформації. Саме "гістонові код" являє собою той другий і, мабуть, основний епігенетичний механізм, який управляє включенням-виключенням генів і передачею контролюючої програми у спадок від клітини до клітини.

Мова ДНК розмовляє з кліткою

Досить довго існувала думка, що структура хроматину статична, що він аж ніяк не головний гравець на полі генної регуляції. Гістонів ж відводилася лише пасивна роль в згортанні надмірно довгою для ядра молекули ДНК. Вважали (так було простіше думати), що контроль транскрипції в клітинах еукаріот незалежний від хроматину. Однак після того як була розшифрована структура нуклеосоми, докорінно змінилися уявлення про хроматині і про значимість гістонів, зокрема. Вони виявилися безпосередньо залученими в процеси, що відбуваються на ДНК-матриці, такі як реплікація (подвоєння ДНК), транскрипція, репарація (виправлення ушкоджень ДНК) і розбіжність хромосом [6]. Стало ясно, що існує ретельна інструкція для факторів транскрипції, що використовують різні ферменти, які безпосередньо чи опосередковано сприяють перебудові хроматину.

Участь хроматину у долі генів стало ще очевидніше, коли в складі активуючих і репрессорних білкових комплексів, керуючих роботою гена, були виявлені ферменти, що вносять або знімають деякі модифікації в гістонових "хвостах". Від кількості модифікацій, їх якісного складу і специфічного набору залежало, бути гену активним або мовчати. З'ясувалося також, що мутації генів, що кодують ферменти-модифікатори, призводять до повної втрати клітиною здатності розвиватися і в кінцевому рахунку до загибелі. "Гістонові код" виявився ідеальним епігенетичним механізмом, за допомогою якого пишеться програма каскадного включення-виключення генів, а інформація про білки, записана в самій ДНК, залишається в цілості.

От чего зависит судьба гена

Схема розташування модифицирующих груп в N-кінцевій частині гистона-3.

Цей консервативний домен виходить на поверхню фібрили і піддається, як і "хвости" інших гістонів, різним модифікаціям: ацетилювання (Ас), фосфорилированию (Р) і метилированию (Ме). Цілком можливі й деякі модифікації в Глобулярні домені. Внизу показані точні місця модифікацій N-кінцевого фрагмента Н3 людини

(тут наведені однобуквені позначення амінокислот). Залишок лізину (К-9) може бути як ацетильований, так і метилірованої.

Місця модифікації гістонів дуже консервативні, специфічні і спеціалізовані так, щоб в клітці протікали необхідні для її життя процеси. В Н3 і Н4 модифікаціям піддаються в основному амінокислоти з реакційноздатними бічними групами, як правило, позитивно зарядженими. Найчастіше це лізини. Якщо в дослідах все лізінові залишки, що знаходяться в "хвості" Н4, заміняли на інші амінокислоти, губилася можливість модифікації, і клітина гинула. Коли в цьому гістонів місце лизинов в "хвостовому" домені займали глутамініл (амінокислоти з іншим сумарним зарядом), порушувалося розподіл зарядів на поверхні нуклеосоми, необхідне для нормального ділення клітини, і воно зупинялося. Однак якщо повертали всього один залишок лізину на N-кінець гистона, клітина продовжувала ділитися.

Підтримання генів в активному або неактивному стані забезпечується комбінаціями різних модифікацій, причому за певними амінокислотам і в певному положенні. Будь модифікований залишок може сприяти або перешкоджати "пришивання" наступної хімічної мітки.

Модифікацією гістонових "хвостів", природно, займаються ферменти. Кожен з них приєднує тільки певну модифікує групу. Наприклад, гістонові ацетилтрансфераза переносить ацетильную групу на конкретні лізини в Амін кінці, метилтрансфераза - метильную групу (на лізінові і / або аргініновая залишки), а гістонові кінази - фосфатні радикали на Серін і гістидину. Існують також і численні ферменти, які знімають модифікують групи з гістонових "хвостів". Такі ферменти входять до складу складних білкових комплексів, що беруть участь в регуляції генної активності. Зі сказаного випливає, що в клітці досягається певний баланс між різними ферментами, які зчитують "гістонові код" і переключають її, змінюючи ступінь конденсированности хроматину і, відповідно, активності гена.

За гіпотезою "гістонові коду", маркування на модифікованих кінцевих доменах гістонів повинні дізнаватися регуляторними білками. І це вже підтверджено в експериментах. З'ясувалося, що білкові регулятори містять так званий бромодомен (виявлений, до речі, першим), що розпізнає ацетильовані лізини. Присутній він у багатьох регуляторах транскрипції генів. В одному з них - білці TAFII250 (субодиниці базального транскрипційного фактора TFIID) - є дві послідовно розташовані копії бромодомена, і кожна дізнається свою ацетильную групу. У цьому теж проявляється комбінаторний характер "гістонові коду". Бромодомен виявлений більш ніж в 75 білках людини. В деяких з них буває по кілька - до шести - копій, і тоді вони здатні впізнавати унікальну комбінацію ацетильних груп, що сформувалася на "хвостах" різних гістонів.

Наступним був виявлений хромодомен; він реагує на метильние мітки в гістонових "хвостах". Серед білків з хромодоменом найкраще вивчено

Сторінки: 1 2 3 4