Лекция 17. Структура генома

Компактность генома эукариот

Компактность - другое принципиальное отличие генома эукариот от прокариотического генома.

При средней разнице размеров геномов на 3 порядка, линейные размеры эукариотических хромосом соизмеримы с длиной ДНК прокариот.

Выделяют, по крайней мере, 4 уровня компактизации ДНК. При этом нить ДНК "укорачивается" в 10000 раз.

Это все равно, что нить, длиной с Останкинскую башню (500 м), уложить в спичечный коробок (5см).

Два первых уровня компактизации эукариотического генома обеспечиваются гистонами.

Общая характеристика гистонов

Гистоны - основные белки.
Все они обогащены лизином и аргинином - положительно заряженными аминокислотами.
Выделяют 5 фракций гистонов.
Нарабатывается их очень много - 60 млн. молекул каждой фракции на клетку.

Все гистоны, кроме Н1, черезвычайно консервативны в эволюционном отношении (у коровы и клевера разница в Н2А всего в одну аминокислоту!).

Следовательно, эти белки выполняют принципиальную функцию, которая у всех эукариот обеспечивается одинаково.

Любая мутация в гистоновых генах летальна.

Н1 - очень вариабельная фракция. Этот гистон различен не только у видов, но даже у одного организма, в зависимости от стадий онтогенеза.

В гистонах лизин и аргинин кластированы. Средняя часть гистона содержит гидрофобные аминокислоты.

Положительно заряженные аминокислоты гистонов обеспечивают электростатические взаимодействия с ДНК.
Центральная часть необходима для взаимодействия гистонов между собой.

Четыре уровня компактизации ДНК

1. Нуклеосомный.

В основе нуклеосомы лежит гистоновый октамер. Расположение гистонов не случайно. Каждая молекула представлена дважды. Они образуют кор (серцевину) нуклеосомы. На кор наматывается ДНК - 1.75 левых витка спирали.

Определение: нуклеосомой называется повторяющийся структурный элемент хроматина, содержащий гистоновый октамер и ~180 п.н. ДНК.

Непосредственно с октамером контактирует 145 п.н. и 20-30-40 п.н. между нуклеосомными корами. Нуклеосомный уровень упаковки свойственен всей эукариотической ДНК, он дает укорочение в 7 раз. Диаметр увеличивается с 20 Å до 110 Å.

Гистоновые октамеры "скользят" по ДНК.

При репликации снимается и этот уровень компактизации. При транскрипции нуклеосомы сохраняются.

2. Супербидный, или соленоидный.

Фактически обеспечивается Н1 гистоном.

Н1 взаимодействует с октамерами, сближает их, и еще на него наматывется ДНК. Образуется супербид.

Происходит сокращение линейного размера ДНК в 6-10 раз. Диаметр увеличивается до 300Å.

Этот уровень компактизации, как и первый, не зависит от первичной структуры ДНК.

3. Петлевой уровень.

Обеспечивается негистоновыми белками. Они узнают определенные последовательности ДНК и связываются с ними и друг другом, образуя петли по 20-80 тыс. п.н.

Петля обеспечивает экспрессию гена, т.е петля является не только структурным, но и функциональным образованием.

Есть участки, в которых нет петель.Укорочение за счет петель проходит в 20-30 раз. Образуются и петлевые домены. Диаметр увеличивается до 700Å.

4. Метафазная хромосома.

Метафазная хромосома уже удвоена. Она состоит из двух хроматид. Каждая из них содержит одну молекулу ДНК.

Сюда входят белки ядерной ламины, серия белковых нитей, сопряженных с ядерной оболочкой и пронизывающих все ядро.

Модификации гистонов очень сильно влияют на компактизацию ДНК.

Гистоны могут метилироваться, фосфорилироваться (по серину, треонину, тирозину), т.е. аминокислотные остатки легко модифицируются. Кроме того, возможно алкилирование и ацетилирование гистонов.

Геном высших эукариот А-Т типа (пары А-Т преобладают), низших эукариот - Г-Ц типа. У человека соотношение (Г+Ц)/(А+Т) = 0.45. У разных типов бактерий диапазон соотношения А-Т пар и Г-Ц пар велик.

Чем больше в геноме А-Т пар, тем больше возможностей для изменения вторичной структуры ДНК. При суперспирализации ДНК А-Т богатые участки плавятся в первую очередь.