Хромосомы хранят множество загадок. Одна из них - различия между двумя основными типами хроматина: гетерохроматином и эухроматином. Давайте разберемся в их строении, функциях и регуляции, чтобы приоткрыть скрытые тайны наследственного материала.
Общие сведения о хроматине
Хроматин - это комплекс ДНК с белками, который составляет хромосомы эукариот. Основу хроматина составляют нуклеосомы - чередующиеся участки ДНК и гистоновых белков. Нуклеосома состоит из восьми гистоновых молекул - двух копий каждого из четырех типов: H2A, H2B, H3 и H4. Вокруг них наматывается ДНК.
Функции хроматина:
- упаковка генетического материала в ядре;
- участие в регуляции транскрипции и репликации ДНК;
- защита ДНК от повреждений.
Эухроматин и гетерохроматин: сходства и различия
Существует два основных типа хроматина: эухроматин и гетерохроматин. Эухроматин - менее плотный, деконденсированный хроматин. В нем локализовано большинство активно экспрессирующихся генов. Гетерохроматин более компактный, конденсированный. Он содержит мало генов или не содержит совсем.
Компоненты интерфазного ядра гетерохроматин и эухроматин отличаются составом и локализацией в ядре. Гетерохроматин находится у внутренней мембраны ядра, часто около ядрышка. Эухроматин занимает центральную область ядра.
В эухроматиновых участках хромосом локализовано подавляющее большинство генов, в то время как гетерохроматин, по-видимому, содержит мало генов, которые обычно не активны.
Конститутивный гетерохроматин
Выделяют два типа гетерохроматина: конститутивный и факультативный. Функции гетерохроматина различаются.
Конститутивный гетерохроматин постоянно находится в конденсированном состоянии. Он локализуется в центромере, теломерах и часто вблизи ядрышковых организаторов. Составляющие его участки ДНК богаты тандемными повторами и сателлитной ДНК. Конститутивный гетерохроматин практически лишен генов и транскрипционно неактивен.
Несмотря на это, он выполняет важные функции:
- поддержание структурной целостности хромосом;
- участие в клеточном делении.
Факультативный гетерохроматин
В отличие от конститутивного, факультативный гетерохроматин может переходить из конденсированного состояния в деконденсированное. Такие участки содержат гены, которые могут как активно экспрессироваться, так и молчать.
Примером факультативного гетерохроматина может служить неактивная Х-хромосома у самок млекопитающих. Она компактно упакована и образует так называемое тельце Барра.
Механизмы образования гетерохроматина
В формировании гетерохроматина участвуют:
- модификации гистонов (деацетилирование, метилирование);
- белки гетерохроматина (HP1);
- метилирование ДНК;
- белковый комплекс Polycomb.
Эти процессы запускают компактизацию хроматина и подавляют транскрипцию генов в данной области.
Методы изучения хромосом и хроматина
Для изучения строения и функций хромосом используется целый ряд методов:
- цитологические методы (окраска, микроскопия);
- молекулярно-генетические (ПЦР, секвенирование);
- биохимические;
- компьютерное моделирование.
Разные виды хроматина выявляют, используя специальные красители и их комбинации при различных условиях.
Ремоделирование хроматина
Отличие эухроматина от гетерохроматина не статично, а динамично. В процессе дифференцировки и специализации клеток одни участки хромосом могут переходить из эухроматинового состояния в гетерохроматиновое и наоборот. Это называется ремоделированием хроматина.
Оно играет важную роль в регуляции активности генов в онтогенезе и при адаптации к условиям среды.
Роль хроматина в регуляции активности генов
Структура хроматина играет важную роль в регуляции экспрессии генов. В зависимости от типа хроматина и его состояния те или иные гены могут быть более или менее доступны для транскрипционных факторов и РНК-полимераз.
К примеру, гены в составе эухроматина, как правило, активно экспрессируются. А гены в гетерохроматине чаще неактивны из-за плотной упаковки нуклеосом.
Эпигенетические механизмы регуляции транскрипции
Помимо прямого влияния на доступность ДНК, существуют и эпигенетические механизмы регуляции. Например, различные модификации гистонов могут запускать или подавлять транскрипцию генов в данном хроматиновом домене.
Перспективы практического использования знаний о хроматине
Исследования структуры и функций разных видов хроматина перспективны для персонализированной медицины, создания новых лекарств и терапии генетических заболеваний.
Понимание принципов ремоделирования хроматина позволит в будущем направленно включать и выключать нужные гены.
Нерешенные вопросы
Остается еще много загадок о трехмерной структуре хроматина в ядре и влиянии этого на регуляцию активности генов в разных условиях и тканях.
Предстоит выяснить детали взаимодействия между различными эпигенетическими механизмами и их роль на разных стадиях развития организма.
Различия между гетерохроматином и эухроматином в онтогенезе
В процессе эмбрионального развития и дифференцировки клеток соотношение разных типов хроматина может меняться. На ранних стадиях развития преобладает эухроматин и повышенная транскрипционная активность.
По мере созревания клеток и тканей увеличивается доля гетерохроматина, что приводит к подавлению экспрессии многих генов, не нужных данному типу дифференцированных клеток.
Влияние внешних факторов на структуру хроматина
Помимо внутренних механизмов регуляции в клетке, на статус хроматина могут влиять и внешние физические, химические и биологические факторы.
Например, радиация, высокие или низкие температуры, воздействие мутагенов - все это запускает процессы конденсации хроматина, в том числе для защиты генетического материала клетки.
Роль малых некодирующих РНК в регуляции хроматина
Открытие малых некодирующих РНК открыло новые механизмы регуляции хроматина на уровне блокирования экспрессии генов.
Связываясь с комплементарными участками мРНК, микроРНК вызывают их деградацию или подавляют трансляцию. Таким образом осуществляется эпигенетическая регуляция нужных генов.
Мультифакторность регуляции структуры и активности хроматина
Как видно, существует множество механизмов, влияющих на состояние хроматина и активность генов в клетке. Это комплексный и многоуровневый процесс, контролируемый различными системами.
Взаимодействие всех этих регуляторных путей в конечном итоге определяет экспрессию генома в каждой отдельной клетке, ее специализацию и функционирование всего организма.
