Хроматин — структура ДНК в ядре клетки¶
Хроматин — это комплекс дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК) с белками (в основном с гистонами), из которого состоит генетический материал эукариотических клеток в интерфяделении. Именно хроматин, а не «голая» ДНК, является физической формой хранения генома в ядре. Общая длина ДНК одной клетки человека достигает около 2 метров, и её компактное упаковывание в ядре диаметром 5–10 мкм обеспечивается именно хроматиновой структурой.
¶Состав
Хроматин состоит из двух основных компонентов:
- ДНК — несущая генетическую информацию молекула;
- Гистоны — небольшие щелочные белки, вокруг которых намотана ДНК. В хроматине присутствуют пять классов гистонов: H1, H2A, H2B, H3 и H4.
Помимо гистонов, в состав хроматина входят негистоновые белки (ДНК-полимеразы, топоизомеразы, факторы транскрипции и др.), а также РНК, преимущественно мРНК и тРНК в процессе синтеза.
¶Уровни упаковки ДНК
Укладка ДНК в хроматин осуществляется иерархически, в несколько уровней:
- Нуклеосома — базовая структурная единица. ДНК длиной около 147 пар оснований витками намотана на белковый «катушку» — октамер из восьми гистонов (по две копии H2A, H2B, H3 и H4). Между нуклеосомами располагается участок ДНК длиной 20–80 пар оснований — так называемая связывающая ДНК. Белок H1 участвует в уплотнении нуклеосом в более высокие уровни упаковки.
- 30-нанометровая нить — нуклеосомы сворачиваются в спиральную структуру, что уменьшает длину ДНК примерно в шесть раз.
- Петлевые домены — 30-нанометровая нить формирует петли, прикреплённые к белковому «скелету» ядра (матриксу ядра).
- Метафазная хромосома — максимальная степень уплотнения, достигаемая перед делением клетки.
¶Две формы хроматина
В клетке различают две основные формы хроматина, различающиеся степенью уплотнения и активностью:
| Форма | Степень уплотнения | Генная активность |
|---|---|---|
| Эухроматин | Рыхлая | Активно транскрибируется |
| Гетерохроматин | Плотная | Транскрипционно неактивен |
Эухроматин занимает большую часть ядра и содержит активные гены. Он окрашивается слабее, чем гетерохроматин.
Гетерохроматин подразделяется на два вида:
- Факультативный — уплотняется в определённых клеточных типах или на определённых этапах развития (например, гены, не нуждающиеся в данной клетке, «выключаются»);
- Конститутивный — постоянно уплотнён, содержит, как правило, повторяющиеся последовательности ДНК (например, центромерные и теломерные области).
¶Роль гистонов и эпигенетика
Гистоны подвергаются посттрансляционным модификациям — ацетилированию, метилированию, фосфорилированию, убиквитинированию. Эти модификации меняют степень компактности хроматина и регулируют доступность генов для транскрипции. Так возникают эпигенетические маркеры, которые могут передаваться по наследству без изменения последовательности самой ДНК. Метилирование гистонов H3 и H4, а также метилирование ДНК в области промоторов генов — одни из ключевых механизмов эпигенетической регуляции.
¶Хроматин при делении клетки
В интерфяделении хроматин находится в деспирализованном состоянии. При подготовке к митозу он сворачивается вплоть до образования видимых под микроскопом хромосом. После деления хромосомы вновь деспирализуются в хроматин. Процесс конденсации катализируется белком конденсином, а деконденсации — деконденсином.
¶История открытия
Термин «хроматин» ввёл немецкий анатом Вальтер Флемминг в 1882 году, наблюдая окрашенные структуры ядра клеток в процессе деления. Флемминг описал движение хромосом при митозе и ввёл сам термин «митоз». Позднее, в 1928 году, генетик Герман Мюллер предположил, что вещество хроматина несёт наследственную информацию. Структура нуклеосомы была раскрыта в 1974 году в работах Роджера Корнберга и Джона Т. Кьюдже.
¶Значение
Хроматин играет ключевую роль в:
- хранении генетической информации;
- регуляции экспрессии генов;
- точном распределении ДНК при делении клетки;
- репарации повреждений ДНК.
Нарушения организации хроматина связаны с рядом заболеваний, включая некоторые виды рака, синдром Рубинштейна — Тейби и синдром Клайнфельтера (когда одна из Х-хромосом превращается в плотное тельце Барра — конденсированный гетерохроматин).
¶Источники
- Альбертс Б. и др. «Молекулярная биология клетки».
- Воронин А. С., Дубовиков О. В. «Молекулярная биология».
- Льюин Б. «Гены».
- Каменский А. А. «Биология: учебник для вузов».