Хроматин и его специфическая регуляция экспрессии генов

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ

РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

 

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ

ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО

ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

«ВЯТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

 

Биологический факультет

Кафедра биотехнологии

 

Реферат по дисциплине

«Основы генетической инженерии»

 

Тема реферата: «Хроматин и его специфическая регуляция экспрессии генов»

   

 

 

 

Разработал студент гр. БП-31                __________ Горев А.Н.

 

Руководитель:      __________ Герасимов А.С.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Киров - 2014

 

 

 

 

Аннотация

 

 

 

 

    Реферат на тему «Хроматин и его специфическая регуляция экспрессии генов» посвящен молекулярной биологии. Основным источником данного реферата послужила книга Разина Сергея Владимировича и Быстрицкого Андрея Александровича «Хроматин: упакованный геном».

            

    Основные термины и понятия: хроматин, гистон, нуклеосомы, АТФ-зависимое ремоделирование хроматина, регуляция экспрессии,  активный и неактивный хроматин, ацетилирование гистонов, характер метилирования ДНК, энхансеры.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Содержание

 

 

Введение____________________________________________________ 4

1. Структура хроматина_______________________________________ 5

1.1Гистоны и другие белки ____________________________________  5

2. Уровни упаковки ДНК___________________________________  6

          1.3Комплексы ремоделирования хроматина____________________ 10

2. Хроматин и регуляция транскрипции__________________________ 12

      2.1Активный и неактивный  хроматин_________________________12

      2.2Транскрипция ДНК, организованной в нуклеосомы__________  14

      2.3Доменная организация___________________________________ 17

      2.4 Регуляция транскрипции_________________________________ 23

Заключение__________________________________________________ 34

Список литературы________________________________________________  35

Приложение_________________________________________________ 36

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

    В отличие от прокариот основная часть генома эукариот находится в специальном клеточном компартменте (органелле), получившем название ядра, а значительно меньшая часть – в митохондриях, хлоропластах и других пластидах. Так же, как и у прокариот, информационной макромолекулой генома эукариот является ДНК, которая неравномерно распределена по нескольким хромосомам в виде комплексов с многочисленными белками. Эти ДНК-белковые комплексы эукариот получили название хроматина.

    Упаковка в хроматин обеспечивает многократное сокращение линейных размеров ДНК, необходимое для размещения ее в ядре. Упаковка происходит в несколько этапов; наиболее изученными являются накручивание ДНК на нуклеосомы, компактизация нуклеосомной нити с образованием так называемой 30-нм фибриллы и сворачивание последней в гигантские (50-200 т. п. н.) петли, закрепленные на белковой скелетной структуре ядра — ядерном матриксе (рис. 1).

    Рис.1Уровни компактизации генома   

 

 

 

 

     Становится очевидным, что хроматин выполняет множество  различных функций, в том числе  и регуляцию экспрессии генов.

    Существуют различные механизмы регуляции экспессии генов, на различных уровнях. Один из них – транскрипционный. В данной работе будет рассмотрена структура хроматина как специфического регулятора экспрессии генов на уровне транскрипции.

 

 

 

1.Организация хроматина.

      Основными компонентами хроматина являются ДНК, гистоны и негистоновые белки, образующие высокоупорядоченные в пространстве структуры. Соотношение ДНК и белка в хроматине составляет ~1:1. Рзличают три уровня структурной организации хроматина у эукариот: 1) нуклеосомная фибрилла; 2) соленоид, или нуклеомер; 3) петельно-доменная структура, включающая хромомеры.

 

 

1.1Гистоны и другие белки.

 

  Наибольшую часть ядерных  белков составляют гистоны. Выделяют пять основных типов гистонов: HI, Н2А, Н2В, НЗ и H4. Гистоны Н2А, Н2В, НЗ и Н4 входят в состав белковой глобулы минимальной нуклеосомы. Это небольшие белки с молекулярными массами 10-15 кДа.  Они чрезвычайно богаты положительно заряженными аминокислотами (лизином и аргинином). Положительно заряженные аминокислоты сосредоточены преимущественно в С-концевых и N-концевых частях молекул нуклеосомных гистонов, тогда как центральный домен относительно богат гидрофобными остатками. В денатурированном виде гистоны образуют самые различные агрегаты. Нативные молекулы нуклеосомных гистонов образуют в растворе два типа комплексов: тетрамер (Н3-Н4)2 и димер Н2А-Н2В.

    Нуклеосомные гистоны  относятся к числу наиболее  консервативных белков. Их аминокислотные последовательности имеют почти 100%-ю гомологию у всех эукариот. В геноме позвоночных животных гены, кодирующие каждый из нуклеосомных гистонов, представлены несколькими копиями. Так, в геноме человека присутствует 15 генов, кодирующих Н2А, 17 генов, кодирующих Н2В.

   Наряду с каноническими  гистонами существует широкий  спектр вариантных форм гистонов, которые кодируются отдельными генами и выполняют специальные функции. Гистоны часто подвергаются различным посттрансляционным модификациям. Основные мишени для модификаций сосредоточены в N-концевых доменах гистонов. Модификации нуклеосомных гистонов играют важную роль в установлении и поддержании различных хроматиновых структур, в том числе активного и неактивного хроматина.

      Термин «негистоновые белки», вообще говоря, следует признать устаревшим. Если понимать его в широком смысле, то наряду с негистоновыми белками собственно хроматина в эту группу следует включить все белки ядра, кроме гистонов. В узком смысле можно говорить о негистоновых белках, непосредственно участвующих в формировании хроматиновых фибрилл. В этом случае в данную группу попадут HMG-белки и белки, участвующие в формировании компактных (неактивных) хроматиновых структур, которые в последнее время часто называют архитектурными белками хроматина. К числу архитектурных белков хроматина обычно относят НР1 (heterochromatin protein 1), белки группы Polycomb, белок MENT, присутствующий в терминально дифференцированных клетках (эритроциты птиц, лейкоциты млекопитающих), МеСР2  позвоночных животных и Sir-белки дрожжей.

 

1.2.Уровни упаковки ДНК

    Открытие  нуклеосом заложило основу современных представлений                                                            о хроматине. Хроматин перестал быть аморфной массой и предстал перед глазами исследователей в виде достаточно упорядоченной структуры, построенной по иерархическому принципу.

   Нуклеосома является базовой структурной единицей первого уровня упаковки ДНК в хроматине. Она представляет собой белковую глобулу или, точнее говоря, некое подобие диска, на который намотан фрагмент ДНК протяженностью 146 п. н. Намотанная на нуклеосомную глобулу ДНК образует 1,65 супервитка. Глобула состоит из восьми молекул гистонов: тетрамера (Н3-Н4)2и двух димеров Н2А-Н2В.

       Нуклеосомы были обнаружены при электронной микроскопии развернутых хроматиновых фибрилл (хроматина, полученного после мягкой обработки ядер стафилококковой нуклеазой и экстракции 0,2 мМ ЭДТА). На электронно-микроскопических снимках были выявлены единообразные глобулы, регулярно расположенные на молекуле ДНК. Эти структуры (рис. 2) получили называние «бусины на нити».

Рис.2 Устройство 10-нм фибриллы («бусины на нити»).А – электронная  микрофотография нескольких нуклеосом,

Б – схема пространственной организации хромотосомы-коровой нуклеосомы с молекулой гистона Н1.

 

 

   Упорядоченная организация нуклеосомных частиц дала возможность их кристаллизации и последующего рентгеноструктурного анализа. В настоящее время структура нуклео- сомной частицы разрешена с точностью до 1,9 А. Примерно с такой же точностью разрешена структура октамера гистонов без ДНК (рис.3;приложение 1).Гистоны октамера уложены  в  левозакрученную суперспираль, стерически соответствующую суперспирали фрагмента ДНК в составе минимальной нуклеосомы.

   При участии гистона Н1 организованная в нуклеосомы ДНК образует фибриллу диаметром 30-нм. Такие фибриллы образуются спонтанно из структур типа «бусинок на нити» при повышении ионной силы (до 60 мМ) либо при добавлении ионов Mg2+ до 0,3 мМ. Существуют две принципиально различающиеся модели 30-нм фибриллы (рис. 4).

Рис.4.Схемы моделей 30-нм фибриллы. Показаны наиболее распространенные модели — соленоида (А) и «зиг-зага» (Б и В). Видно, что в модели зиг-зага линкерная ДНК пересекает центральную часть фибриллы, тогда как в соленоиде и нуклеосомы, и линкерная ДНК продолжают спираль соленоида. Модель «зиг-заг» допускает локальные изменения уровня компактизации при сохранении толщины фибриллы.

 

     Согласно одной из этих моделей, нуклеосомная нить, содержащая гистон Н1, сворачивается в соленоид диаметром 30-нм, в одном витке которого (с шагом в 11 нм) содержится 6 нуклеосом. Данная модель, предложенная Финчем и Клюгом, базируется на результатах электронной микроскопии и анализа дифракции рентгеновских лучей при изучении частично ориентированных хроматиновых фибрилл. Согласно данной модели, спейсерная ДНК продолжает суперспираль, возникающую при закручивании ДНК на нуклеосомной глобуле. Другая модель предполагает, что в составе 30-нм фибриллы нуклеосомы организованы в зигзагообразную структуру, параметры которой могут варьировать в известных пределах. Зигзагообразная модель предполагает, что спейсерная ДНК пересекает ось фибриллы. Результаты последних исследований, в том числе электронная микроскопия быстро замороженных образцов хроматина и анализ продуктов расщепления ядерной ДНК в живых клетках, подвергнутых мягкой обработке ионизирующим излучением, подтверждают зигзагообразную модель организации 30-нм фибриллы. Зигзагообразная фибрилла является существенно более динамичной, чем соленоид. Толщина этой фибриллы, отражающая плотность упаковки нуклеосом, может варьировать при сохранении основного принципа зигзагообразной организации.

     Динамичность 30-нм фибриллы хорошо укладывается в современные представления об активной роли хроматина в регуляции работы генома.

      Расположение нуклеосом на молекуле ДНК. Регулярное расположение нуклеосом, как правило, возникает в результате наличия в определенном районе генома того или иного барьера для распространения нуклеосом либо последовательности ДНК, на которой нуклеосома располагается с гораздо большим предпочтением, чем на окружающих последовательностях. Предпочтительными для расположения нуклеосом являются перманентно изогнутые последовательности ДНК, накручивание которых на нуклеосомы является более выгодным с энергетической точки зрения.  С использованием метода селекции in vitro было подобрано несколько последовательностей ДНК, которые являются существенно более предпочтительными местами посадки нуклеосом, чем любая из последовательностей ДНК, присутствующих в геноме мыши. Это означает, что наиболее сильные сайты посадки нуклеосом препятствуют нормальному фукционированию генома и удаляются в процессе эволюции.

   В геномной ДНК существуют участки, свободные от нуклеосом. В подавляющем большинстве случаев это участки связывания одного или нескольких регуляторных белков, узнающих определенные последовательности ДНК. Свободные от нуклеосом участки предпочтительно атакуются ДНКазой I и некоторыми другими нуклеазами при обработке ими пермеабилизированных клеток или изолированных ядер. В связи с этим они получили название участков гиперчувствительности к ДНКазе I или гиперчувствительных сайтов . Вероятность расщепления в этих сайтах организованной в хроматин ДНК может превосходить среднестатистическую в сотни и даже тысячи раз.

     Вопрос о высших уровнях упаковки ДНК в ядре остается дискуссионным. Некоторые авторы считают, что 30-нм фибрилла образует малоупорядоченные конгломераты в результате латерального взаимодействия отдельных фибрилл. При этом могут формироватся структуры типа жгута из многих нитей. Другой точкой зрения является представление об иерархической спирали, согласно которому 30-нм фибрилла — соленоид, и каждый последующий уровень представлен соленоидной укладкой фибриллы предыдущего уровня. Наиболее обоснованной является, однако, радиально-петлевая модель организации хромосомы в интерфазе и метафазе. Согласно этой модели, 30-нм фибрилла образует гигантские петли, закрепленные на белковом каркасе хромосомы. Последний называют хромосомным остовом. В интерфазном ядре хромосомный остов составляет часть ядерного матрикса. Ядерным матриксом называют скелетную структуру клеточного ядра, которая сохраняет форму и некоторые особенности морфологии ядра после удаления из него хроматина.

 

1.3Комплексы ремоделирования хроматина.

 

   Статичная организация геномной ДНК в нуклеосомы и далее в 30-нм фибриллу накладывает существенные ограничения на доступность участков узнавания различных регуляторных белков. Кроме того, в результате наматывания ДНК на нуклеосому сайты связывания ряда белков могут оказаться ориентированными таким образом, что узнающие их белки не смогут взаимодействовать друг с другом. Наконец, достаточно стабильные нуклеосомные частицы должны a priori существенно затруднять осуществление репликации и транскрипции ДНК.

     Проблемы, которые нуклеосомная организация создает для осуществления различных функциональных процессов, преодолеваются с привлечением ферментов (ферментных комплексов) ремоделирования хроматина. Комплексы ремоделирования хроматина используют для своей работы энергию АТФ. Различные комплексы ремоделирования хроматина могут выполнять следующие задачи: (1) перемещение нуклеосом вдоль молекулы ДНК и размещение нуклеосомных глобул на равных расстояниях друг от друга; (2) частичная декомпактизация нуклеосом, сопряженная с изменением спектра контактов ДНК и гистонов; (3) перемещение нуклеосомных глобул с одной молекулы ДНК на другую; (4) замена канонических гистонов на вариантные формы.