Хроматин

Хроматин — это комплекс ДНК, РНК и белков, образующий вещество хромосом эукариотических клеток. Основная функция хроматина заключается в упаковке длинных молекул ДНК в компактные структуры, обеспечивающие их размещение в ядре клетки, а также в регуляции экспрессии генов, репликации и репарации ДНК. Термин введён немецким гистологом Вальтером Флеммингом в 1882 году для обозначения вещества, окрашивающегося основными красителями в ядрах клеток.

Структура и уровни организации

Хроматин представляет собой динамичную структуру, способную изменять свою плотность в зависимости от фазы клеточного цикла и функционального состояния генов. Его организация включает несколько иерархических уровней.

Нуклеосомы

Основной структурной единицей хроматина является нуклеосома. Она состоит из октамера гистоновых белков (по две молекулы гистонов H2A, H2B, H3 и H4), вокруг которого намотано около 146 пар оснований ДНК. Нуклеосомы соединены между собой короткими участками линкерной ДНК (от 10 до 80 пар оснований), с которой связан гистон H1. Эта структура напоминает «бусы на нитке» и представляет собой первый уровень упаковки — нуклеосомную нить диаметром около 10 нм.

Хроматиновая фибрилла

Под действием гистона H1 и при определённых ионных условиях нуклеосомная нить укладывается в более плотную спираль — хроматиновую фибриллу диаметром 30 нм. Эта структура стабилизируется взаимодействиями между гистонами соседних нуклеосом. Долгое время 30-нм фибрилла считалась стандартной формой интерфазного хроматина, однако современные исследования (в частности, метод Hi-C) показывают, что в живой клетке такая структура может быть менее распространена, чем предполагалось, и упаковка может быть более вариативной.

Петли и домены

На следующем уровне хроматин образует петлевые домены (Topologically Associating Domains, TADs) — участки длиной от нескольких сотен тысяч до миллионов пар оснований, внутри которых взаимодействия между последовательностями ДНК происходят чаще, чем между разными доменами. Формирование петель обеспечивается белками комплекса cohesin и белками-инсуляторами (например, CTCF). Петли играют ключевую роль в регуляции транскрипции, позволяя энхансерам взаимодействовать с промоторами генов, расположенными на значительном расстоянии.

Хромосомные территории

В интерфазном ядре каждая хромосома занимает обособленную область, называемую хромосомной территорией. Хроматин разных хромосом не перемешивается хаотично; он организован в пространстве ядра таким образом, что активные (транскрибируемые) участки чаще располагаются ближе к центру ядра, а неактивные — ближе к ядерной оболочке.

Типы хроматина

По степени конденсации и функциональной активности хроматин подразделяют на два основных типа.

Эухроматин

Эухроматин — это менее конденсированная, «открытая» форма хроматина. Он характерен для участков генома, активно транскрибируемых в данной клетке. Эухроматин обогащён генами, имеет высокую плотность транскрипции и, как правило, расположен в центральных зонах ядра. В электронном микроскопе он выглядит как светлые участки. Эухроматиновые районы реплицируются в ранней S-фазе клеточного цикла.

Гетерохроматин

Гетерохроматин — это более плотно упакованная, «закрытая» форма хроматина. Он подразделяется на два типа:

• Конститутивный гетерохроматин — постоянно конденсирован в большинстве клеток организма. Расположен в центромерных и теломерных участках хромосом, содержит мало генов и обогащён повторяющимися последовательностями ДНК. Выполняет структурные функции, обеспечивая стабильность хромосом.
• Факультативный гетерохроматин — может переходить в эухроматиновое состояние в зависимости от типа клетки, стадии развития или внешних условий. Примером служит инактивированная X-хромосома у самок млекопитающих (тельце Барра). В таком состоянии гены не транскрибируются, но могут быть активированы при необходимости.

Химический состав

В состав хроматина входят три основных компонента: ДНК, гистоновые белки и негистоновые белки. Соотношение их может варьировать, но в среднем на одну часть ДНК приходится примерно одна часть гистонов и 0,5–1 часть негистоновых белков.

ДНК

ДНК составляет около 30–40 % массы хроматина. В ядре эукариотической клетки содержится от нескольких миллионов до миллиардов пар оснований, упакованных в хроматин. Длина всей ДНК в одной человеческой клетке составляет около 2 метров, а диаметр ядра — около 10 микрометров.

Гистоны

Гистоны — это небольшие основные белки, богатые аминокислотами лизином и аргинином. Они делятся на пять основных классов: H1, H2A, H2B, H3 и H4. Гистоны H2A, H2B, H3 и H4 образуют нуклеосомный кор, а гистон H1 связывается с линкерной ДНК. Гистоны подвергаются разнообразным посттрансляционным модификациям (ацетилирование, метилирование, фосфорилирование, убиквитинирование), которые влияют на структуру хроматина и регуляцию генов.

Негистоновые белки

Негистоновые белки включают тысячи различных белков, выполняющих структурные, регуляторные и ферментативные функции. К ним относятся белки ремоделирования хроматина (например, SWI/SNF), белки-инсуляторы (CTCF), компоненты комплексов когезина и конденсина, ферменты репликации, транскрипции и репарации ДНК, а также различные факторы транскрипции.

Функции хроматина

Хроматин выполняет несколько ключевых функций в клетке.

Упаковка ДНК

Первичная функция — компактизация генетического материала. Без упаковки ДНК не поместилась бы в ядре. Упаковка также защищает ДНК от механических повреждений.

Регуляция экспрессии генов

Структура хроматина напрямую влияет на доступность генов для транскрипционного аппарата. Открытый эухроматин обычно транскрипционно активен, закрытый гетерохроматин — неактивен. Изменения в структуре хроматина (эпигенетические модификации) позволяют клетке включать и выключать гены в ответ на сигналы, не меняя последовательность ДНК.

Репликация ДНК

Хроматин должен быть временно распакован перед репликацией, чтобы ДНК-полимераза могла скопировать геном. После репликации хроматин восстанавливается на дочерних молекулах ДНК.

Репарация ДНК

Повреждения ДНК распознаются в контексте хроматина. Для доступа репарационных ферментов хроматин в месте повреждения локально деконденсируется. После репарации структура восстанавливается.

Поддержание целостности хромосом

Гетерохроматин в центромерных и теломерных районах обеспечивает правильное расхождение хромосом при делении клетки и защищает концы хромосом от деградации и слияния.

Регуляция структуры хроматина

Структура хроматина динамична и регулируется несколькими механизмами.

Ковалентные модификации гистонов

Гистоны могут быть модифицированы по множеству сайтов. Ацетилирование лизинов обычно ассоциировано с активацией транскрипции, так как нейтрализует положительный заряд гистонов, ослабляя их связь с ДНК. Метилирование может как активировать, так и подавлять транскрипцию в зависимости от конкретного остатка и степени метилирования. Например, триметилирование H3K4 характерно для активных промоторов, а триметилирование H3K9 — для гетерохроматина.

Ремоделирование хроматина

Специализированные белковые комплексы (например, SWI/SNF, ISWI, CHD) используют энергию АТФ для перемещения, удаления или замены нуклеосом, изменяя доступность ДНК.

Метилирование ДНК

В геномах позвоночных метилирование цитозина в CpG-динуклеотидах часто связано с формированием гетерохроматина и подавлением транскрипции. Белки, связывающие метилированную ДНК, привлекают гистондеацетилазы и другие репрессивные факторы.

Некодирующие РНК

Длинные некодирующие РНК (lncRNA) и малые интерферирующие РНК (siRNA) могут направлять белки ремоделирования хроматина и модификации гистонов на определённые участки генома. Например, lncRNA Xist участвует в инактивации X-хромосомы.

Хроматин и заболевания

Нарушения структуры и регуляции хроматина связаны с рядом заболеваний. Мутации в генах, кодирующих компоненты хроматина, или сбои в эпигенетических механизмах могут приводить к онкологическим заболеваниям, наследственным синдромам и нарушениям развития.

При раке часто наблюдаются аномальные паттерны метилирования ДНК (гиперметилирование промоторов генов-супрессоров опухолей и гипометилирование геномных повторов). Мутации в генах, кодирующих белки ремоделирования хроматина (например, ARID1A, SMARCA4), обнаруживаются в различных типах опухолей. Синдромы, такие как синдром Ретта (мутация MECP2), синдром Рубинштейна — Тейби (мутация CREBBP) и синдром Кабуки (мутации KMT2D), также связаны с нарушениями хроматиновой регуляции.

Методы исследования

Для изучения хроматина применяется широкий спектр методов:

• Микроскопия (световая, флуоресцентная, электронная) позволяет визуализировать распределение хроматина в ядре.
• Ферментативное расщепление (микрококковая нуклеаза) используется для анализа нуклеосомной организации.
• Хроматин-иммунопреципитация (ChIP) с последующим секвенированием (ChIP-seq) выявляет участки связывания гистоновых модификаций и белков.
• Методы 3C-семейства (Hi-C, 4C, 5C) изучают пространственную организацию хроматина.
• ATAC-seq определяет доступность хроматина для транскрипции.
• Секвенирование бисульфитом анализирует паттерны метилирования ДНК.