Уровни организации ДНК в хроматине

Одной из неожиданностей молекулярной биологии было открытие сплайсинга, то есть «разорванной» структуры эукариотических генов. Это открытие не вытекало из каких-либо априорных соображений, а просто явилось неумолимым выводом из результатов экспериментов. Играя роль перекомбинатора генов, сплайсинг способствует формированию новых, комплексных, составных генов и соответственно белков.

Исследования сплайсинга про-рРНК показали, что важное значение здесь имеет присутствие ионов магния в определенной концентрации, ряда низкомолекулярных органических веществ (гуанозинмонофосфата или просто гуанозина и др.). Необходима также строго определенная конфор-мация (конфигурация) самой РНК.

В то же время вопреки очевидности того факта, что именно условия окружения определяют возможность сплайсинга, утверждают, что созревание РНК «осуществляется макромолекулярным комплексом, носящим название сплайсосомы». В его состав включают только сами нуклеиновые кислоты и белки.

Важное значение для понимания механизмов функционирования ДНК имеет вопрос об организации пространственных структур ДНК, составляющих основу хромосом (базовых ДНК). У ядерных организмов ДНК, находящаяся в ядре, входит в состав нуклеопротеидных комплексов с основными белками - гистонами, а также с белками других типов, образуя хроматин. Характернейшая особенность базовых ДНК - многократная снирализация их молекул (скручивание, складывание в жгутовидные структуры). Можно считать доказанным, что степень и форма спирализации (компактизации) ДНК предопределяются биохимическими и физическими параметрами клеточной среды, хотя определенное значение имеют первичная структура и нуклеотидный состав молекулы нуклеиновой кислоты.

Различают четыре уровня организации ядерного хроматина. Первый - уровень нуклеосомной фибриллы. Существование в хроматине дискретных повторяющихся единиц открыли в 1973 году Д. Хьюиш и Л. Буржойн (Австралия). А. Олинс и Д. Олинс (США) с помощью электронного микроскопа воочию убедились, что хроматиновые нити несут на себе образования типа бусин диаметром около 10-9 м. Р. Корнберг (Великобритания) установил, что каждая такая «бусина» содержит отрезок ДНК длиной 150-200 пар нуклеотидов и 8 молекул гистонов разных типов. Эта частица позже была названа «нуклеосомой».

В нуклеосоме различают сердцевинную часть и линкерную область. Сердцевинная часть соответствует «бусинам», обнаруживаемым при электронном микроскопировании, а линкерная - связывающему «бусины» участку базовой ДНК. Сердцевинная и линкерная области образуют полную нуклеосому. Размеры полной нуклеосомы могут варьироваться у разных видов и в хроматине разных тканей, что, видимо, связано с различиями в экспрессии генов.

Второй уровень пространственной структуры хроматина - соленоид позволяет «сложить» ДНК с ее спутниками - белками еще более компактно: линейные размеры хромосомной фибриллы (нити), соответствующей соленоиду, в 40 раз меньше размеров свободной ДНК. Соленоидная структура образуется в результате свертывания (на манер спирали) нуклеосомной нити и в одних местах носит более-менее регулярный характер, в других - неравномерный - здесь наблюдается как бы «сгущение» витков. Вопрос о деталях строения и механизмах формирования соленоида остается пока открытым (Г. П. Георгиев, Б. Льюин). Несомненна связь этой структуры с функциональным состоянием генов. Установлена также теснейшая зависимость формирования соленоидных структур от физико-химических свойств клеточной среды.

Третий уровень организации (компактизации) ДНК в хроматине определяется укладкой соленоидной структуры в петли, опирающиеся, как полагают, на скелетные осевые образования хромосом. Длина петли - до 90 тысяч пар нуклеотидов. Материалом для скелетных нитей (для ядерного скелета) служат белки. Эти нити получили название «нуклеонемы». Совокупность всех нуклеонем ядра составляет часть ядерного матрикса. В этот матрикс, помимо нуклеонем, входит еще ламина - белковый слой, располагающийся непосредственно под двойной мембраной, окутывающей ядро. Основу ламины составляют три белка. Видимо, именно белки ламины осуществляют «таможенный досмотр» в зоне ядерных пор. Можно предположить, что важное значение здесь имеет свойство белков (как, впрочем, и других биополимеров) изменять свою пространственную структуру в ответ на изменения физико-химических свойств «среды обитания».

Четвертый уровень организации хроматина представлен хромосомами. Механизм формирования этих органелл еще не ясен. Но несомненно, что активация генов подразумевает глубокие изменения пространственных структур хромосом: налицо связь организации хроматина и регуляции работы генов.

Кольцевые ДНК могут образовывать особую пространственную структуру - суперспираль. Суперспирализация опять же зависит от биохимии плазмы клетки.

Правильная организация пространственной структуры молекул ДНК и РНК, их комплексов с белками - не единственное условие нормального функционирования генов. Полагают, что важнейшими элементами типичного гена являются также особые регуляторные последователи - энхансеры, сайленсеры и пр. Располагаясь на различном расстоянии от участков транскрипции, подчас весьма далеко, они тем не менее каким-то образом «командуют» процессами экспрессии генов.