Нуклеиновая кислота ДНК, входящая в ядра эукариотических клеток, компактно упакована благодаря особым структурам. В цитологии они носят специальное название – гистоны. Это пептиды, проявляющие основные химические свойства. Их строение и функции, выполняемые в клетке, будут рассмотрены в данной статье.
Как ДНК организовано в ядре
Для того чтобы «втиснуть» длинную полинуклеотидную цепь ДНК в микропространство клеточного ядра, в нем находятся своеобразные «катушки» - белки-гистоны. На них накручивается двухцепочечная нить дезоксирибонуклеиновой кислоты. Такая структура, расположенная в кариоплазме, носит название нуклеосомы. Биохимическими исследованиями установлено, что гистоновый белок организован в виде нескольких модификаций: гистон H1/H5, H2A, H2B, H3, H4. Первый пептид из этого перечня принято называть линкерным, остальные коровыми. Именно эти белки-гистоны образуют нуклеосому.
Особенности строения нуклеосомных пептидов
Химический анализ установил факт избыточного содержания в коровых гистонах молекул таких аминокислот, как лизин и аргинин. Первая является незаменимой, а другая частично заменимой и присутствует практически во всех пептидах. Белки-гистоны накапливают избыточные положительные заряды на остатках аминокислот. Они нейтрализуют суммарные отрицательные заряды анионов PO43- , входящих в состав ДНК. Еще одна особенность строения этих белков заключается в том, что практически он идентичен у организмов, относящихся к царству Растения, Животные и Грибы.
Так как гистоны – это белки ядра, они вследствие своего строения, могут принимать участие в процессах, происходящих в кариоплазме. Например, наиболее важен для процесса транскрипции пептид Н1 – гистоновый белок, удерживающий нуклеосомы, входящие в состав хроматина в упорядоченно-компактном ядре. Также, в случае повреждения локусов ДНК, так называемые вариантные молекулы коровых пептидов участвуют в репарации этих участков.
Коровые пептиды
Они определяют строение нуклеосомы, которая состоит из четырех видов молекул, названных Н2А, Н2В и Н3 и Н4. В нуклеосомах находится по две молекулы каждого типа, такая структура называется октамером. Молекула дезоксирибонуклеиновой и коровые белки образуют между собой гидрофобные, водородные и ковалентные связи. Белки-гистоны являются сердцевиной нуклеосомы. Также они содержат неструктурированные N-C-хвосты. Эти части состоят из 15-30 остатков аминокислот и принимают участие в эпигенетических процессах, контролирующих экспрессию генов. Коровые гистоны центральной части нуклеосомы имеют малые молекулярные массы, в их участках, в отличие от хвостовых частей содержатся островки гидрофобных белковых мономеров: валина, пролина, лезина, метионина.
Последние научные исследования в области биохимии привели к появлению гипотезы гистонового кода. В отличие от генетического кода, являющегося универсальным для всех форм клеточной жизни на Земле, гистоновый код изменчив. Под этим термином понимают видоизменения хвостовых участков пептидов в результате реакций ацетилирования, метилирования, фосфорилирования. Все вышеперечисленные химические процессы происходят в присутствии мультиферментных комплексов. Благодаря таким биохимическим процессам, модифицирующим коровые гистоны, и происходит экспрессионная корректировка генов, которые контролируют внутриядерные реакции с участием ДНК: репарацию, транскрипцию, репликацию. Сам же хроматин под воздействием изменений гистонового кода подвергается ремоделингу, то есть изменяет свою упаковку в нуклеосоме (уплотняет её или, наоборот, разрыхляет).
Линкерный белок
Гистон Н1, находящийся в хроматине, соединяется с наружной частью нуклеосомы и удерживает на ней суперспираль дезоксирибонуклеиновой кислоты. Его фиксация происходит в месте расположения тетрамера, состоящего из двух молекул пептида Н3 и двух молекул Н4. У представителей класса птиц и класса рептилий в эритроцитах вместо гистона Н1 обнаружен другой линкерный белок Н5.
Пептид Н1 содержит HMJB-домен - структурный участок, насчитывающий около 80 аминокислотных остатков. Он практически одинаков у большинства организмов, включая растения, животных и человека. Этот домен не подвергается модификации и является консервативным. Пептид Н1 имеет две формы пространственной конфигурации: свернутой в виде глобулы и развернутый – в третичной форме. Последнее возникает при нарушении связи С-концевого участка гистона с ДНК-связывающими доменами. Линкерный пептид активно участвует в переписывании информации с гена на молекулу иРНК, в процессах самоудвоения ДНК, а также в репарации её поврежденных локусов. В этом и заключается биологическая роль гистонов в ДНК.
Как белки формируют октамер
В отличии от пептида Н1, другие виды гистонов, называемые коровыми, характеризуются достаточной пластичностью и образуют вариантные формы. Например, Н2А имеет самое большое количество модификаций: H2AZH2AX MACROH2A. Они различаются между собой:
- С-концевыми последовательностями аминокислотный остатков.
- Местом нахождения в геноме.
Например, вариантный гистон H2ABbd взаимосвязан с хроматином, в ДНК которого происходит транскрипция. Пептид MACROH2A находится в интерфазных хромосомах. Цитологическими исследованиями было установлено, что у гистона Н4 не выявлены вариантные формы, но он способен образовывать большое количество ковалентных связей с другими белками, входящими в октамер нуклеосомы. Таким образом, ученые считают, что гистоны – это группа специальных белков, которые практически входят в хроматин всех клеточных форм жизни.
Как хранится информация о гистонах в геноме
Можно утверждать, что коровые, линкерные и вариантные гистоны закодированы в кластерах генов, экспрессирующихся в синтетической фазе жизненного цикла клетки. Например, для человека группа наследственных задатков, называемая HIST1 состоит из 35 генов, локализованных в шестой соматической паре хромосом. Кластер HIST2 содержит шесть генов, кодирующих гистоны и располагается в первой хромосомной паре. В ней же содержится локус HIST3, включающий три гена. В двенадцатой паре находится один ген, кодирующий гистон Н4. Интересно, что гены коровых белков не имеют интронов, а гены вариантных гистонов, наоборот, содержат их и разбросаны по геному.
Подводя итог, мы убедились, что гистоны – это белки, участвующие в укладке спирали ДНК в ядре, а также в процессах регуляции, репарации и транскрипции, протекающих в нем.
