Деспирализованная ДНК, или хроматин – это генетический материал клетки в нитевидной форме, состоящий из ДНК и белков. Давайте разберемся, как устроена эта молекула и что она может рассказать о нас.
Строение деспирализованной ДНК
Деспирализованная ДНК называется хроматином. По сути, это та же ДНК, но в расплетенном, неспирализованном виде.
Основу хроматина составляет нитевидная молекула ДНК длиной около 2 метров, которая уложена внутри ядра диаметром всего 6 микрометров. Чтобы вместить такую огромную молекулу, ДНК связывается с белками – гистонами, которые позволяют ей компактно складываться.
Хроматин состоит из ДНК (25-40% по массе) и белков – в основном гистонов (60-80%).
Гистоны образуют нуклеосомы – элементарные блоки для упаковки ДНК. Нуклеосома представляет собой 8 молекул разных гистонов, на которые намотан участок ДНК длиной 146 пар оснований. Нуклеосомы чередуются с несвязанными участками ДНК, образуя структуру, напоминающую нитку бус.
Дальнейшая упаковка хроматина может быть разной степени плотности в зависимости от модификаций гистонов – химических изменений их молекул. От этого зависит активность соответствующих генов.
Роль деспирализованной ДНК в клетке
Основная роль хроматина – хранение генетической информации в виде последовательности нуклеотидов ДНК и обеспечение ее реализации в процессах:
- Транскрипции – синтезе РНК
- Репликации – удвоении ДНК перед делением клетки
- Репарации – восстановлении повреждений ДНК
Кроме того, изменения структуры хроматина регулируют активность генов, то есть включают или выключают синтез определенных белков.
Таким образом, деспирализованная ДНК выполняет целый ряд важнейших функций, необходимых для нормальной жизнедеятельности и деления клетки.
Существует два основных типа хроматина:
-
Эухроматин – рыхло упакованный, транскрипционно активный. Здесь расположены гены, активно экспрессирующиеся в данный момент.
-
Гетерохроматин – плотно упакованный, транскрипционно неактивный. Содержит «молчащие» гены, которые временно не используются.
Переход хроматина из одного состояния в другое регулирует активность соответствующих генов, что критически важно для клетки.
Нарушения в структуре и функциях хроматина могут приводить к серьезным заболеваниям, включая онкологические и нейродегенеративные.
Модификации гистонов
Как уже говорилось, степень упаковки хроматина определяется модификациями гистонов – химическими изменениями их молекул, такими как:
- Ацетилирование
- Метилирование
- Фосфорилирование
- Убиквитинирование
Эти модификации влияют на заряд и пространственную конформацию гистонов, изменяя их сродство к ДНК. Ацетилирование, например, нейтрализует положительный заряд гистонов, ослабляя их связь с отрицательно заряженной ДНК. В результате хроматин разрыхляется, становясь более доступным для транскрипционных факторов.
Регуляция активности генов
Изменение упаковки хроматина является одним из основных механизмов регуляции активности генов в клетках эукариот. Разрыхление хроматина облегчает доступ ферментов транскрипции к промоторам генов, запуская синтез мРНК. Свертывание хроматина, напротив, блокирует транскрипцию.
Так клетка оперативно включает или выключает нужные гены в ответ на внутренние и внешние стимулы. Например, при стрессе активируются гены шокового ответа, а гены деления клетки, наоборот, репрессируются.
Нарушение функций хроматина
Нарушения в структуре и функциях хроматина могут иметь самые разные последствия для клетки и организма. К таким нарушениям относятся:
- Мутации генов гистонов
- Нарушения модификаций гистонов
- Повреждения ДНК
Все это приводит к неправильной упаковке хроматина, изменению экспрессии генов и развитию патологий.
Прикладное значение
Исследование структуры и функций деспирализованной ДНК в последние годы стало важным направлением молекулярной биологии и медицины. Эти знания открывают новые возможности диагностики и терапии многих заболеваний, включая онкологические и нейродегенеративные.
Кроме того, понимание механизмов регуляции генов через модификацию хроматина позволит в будущем осуществлять целенаправленное воздействие на экспрессию нужных генов.
Методы изучения хроматина
Для исследования структуры и функций деспирализованной ДНК используется целый ряд современных методов:
- Электронная микроскопия
- Рентгеноструктурный анализ
- Иммунноферментный анализ гистоновых модификаций
- Метод ДНКазы I для выявления участков открытого хроматина
- Секвенирование ДНК участков, связанных с гистонами
- И другие
Эти методы позволяют определить особенности пространственной организации хроматина, степень его конденсации, локализацию активных и неактивных участков генома.
Роль хроматина в эволюции
Считается, что структура хроматина играет важную роль в эволюционном развитии эукариот. Модификации гистонов могут влиять на скорость мутирования отдельных участков генома, изменяя их доступность для факторов, вызывающих мутации.
Кроме того, перестройки хроматина приводят к изменению уровня экспрессии генов, что также является мощным эволюционным механизмом. Таким образом, деспирализованная ДНК играет ключевую роль в процессах видообразования.
Хроматин у разных организмов
Структура и организация хроматина существенно различается у разных групп эукариот.
У млекопитающих в состав хроматина наряду с каноническими гистонами H2A, H2B, H3 и H4 входят дополнительные вариантные гистоны, расширяющие возможности его регуляции.
У птиц обнаружены особые макрохромосомы, целиком состоящие из гетерохроматина. Возможно, они играют регуляторную роль в оогенезе.
Таким образом, несмотря на общий план строения, в деталях организации хроматина существуют значительные межвидовые и даже межпопуляционные различия. Их дальнейшее изучение представляет большой интерес.
Хроматин и клеточная память
Стало известно, что структура хроматина несет информацию об активности генов в предыдущих поколениях клеток. Химический профиль гистоновых модификаций передается дочерним клеткам в процессе дифференцировки. То есть хроматин обеспечивает эпигенетическую клеточную память.
Это свойство хроматина объясняет феномен «геномного импринтинга» - преимущественной экспрессии генов одного из родителей.
Полагают, что такой механизм клеточной памяти на основе деспирализованной ДНК называется играет важную роль в раннем развитии организма.
Хроматин как мишень для лекарств
Модификации гистонов, определяющие состояние хроматина, могут рассматриваться в качестве мишеней для терапевтического воздействия при ряде заболеваний, таких как онкологические, неврологические, сердечно-сосудистые и другие.
Уже созданы и проходят клинические испытания лекарства, которые ингибируют ферменты модификации гистонов, тем самым изменяя транскрипцию ключевых генов, ответственных за патологический процесс.
Перспективы изучения хроматина
Хроматин - одна из самых быстроразвивающихся областей современной молекулярной биологии и генетики. Ожидается, что в ближайшие годы будут получены принципиально новые данные о тонких механизмах регуляции генов через динамические изменения структуры деспирализованной ДНК.
Это позволит перейти к подлинно персонализированной медицине и генетическим методам лечения многих тяжелых недугов человека.
