Ченцов Ю.С. Введение в клеточную биологию. Общая цитология

Подождите немного. Документ загружается.

Таким образом основная 30 нм фибрилла хроматина представляет собой

линейное чередование нуклеомеров вдоль компактизованной молекулы ДНК

(рис. 62). Вероятно, что гистоны H1, находясь в центральной зоне этой крупной

частицы, взаимодействуя друг с другом, поддерживают ее целостность. В пользу

этого говорят данные о кооперативном связывании гистонов H1 в группе по 6-8

молекул.

Противоречие между соленоидной и нуклеомерной моделью упаковки

нуклеосом в составе фибрилл хроматина может быть снято, если принять

модель нерегулярного соленоида: число нуклеосом на виток спирали не

является строго постоянной величиной, что может привести к чередованию

участков с большим или меньшим числом нуклеосом на виток.

Нуклеомерный уровень укладки хроматина обеспечивает 40 кратное

уплотнение ДНК, что важно не только для достижения целей компактизации

гигантских молекул ДНК. Компактизация ДНК в составе 30 нм фибрилл

хроматина может налагать дополнительные функциональные ограничения. Так

было обнаружено, что в составе 30 нм фибриллы хроматина ДНК становится

практически недоступной для взаимодействия с таким ферментом как метилаза

ДНК. Кроме того резко падает способность хроматина связываться с РНК-

полимеразой и рядом регуляторных белков. Таким образом второй уровень

компактизации ДНК может играть роль фактора, инактивирующего гены.

В заключении необходимо еще раз напомнить, что как нуклеосомный, так и

нуклеомерный (супербидный) уровни компактизации ДНК хроматина

осуществляются за счет гистоновых белков, которые участвуют не только в

образовании нуклеосом, но и в их кооперативном объединении в виде фибрилл

ДНП, где ДНК претерпевает дополнительную сверхспирализацию. Все

остальные уровни компактизации связаны с дальнейшим характером укладки 30

нм фибрилл в новые компактизационные уровни, где ведущую роль играют

негистоновые белки.

131

Негистоновые белки

Негистоновые белки составляют около 20% от всех белков хроматина. По

определению, негистоновые белки – это все белки хроматина, кроме гистонов,

выделяющиеся с хроматином или хромосомами. Это сборная группа белков,

отличающихся друг от друга как по общим свойствам, так и по

функциональной значимости. Около 80% из негистоновых белков относится к

белкам ядерного матрикса, обнаруживаемых как в составе интерфазных ядер,

так и митотических хромосом. Эта группа белков будет отдельно рассмотрена в

разделе, посвященном комплексу структур, входящих в состав ядерного

матрикса: фиброзный слой или ламина ядерной оболочки и внутренний ядерный

матрикс, интерхроматиновая сеть, матрикс ядрышка.

Во фракцию негистоновых белков может входить около 450 индивидуальных

белков с различной молекулярной массой (5-200 кД). Часть этих белков

водорастворима, часть растворима в кислых растворах, часть непрочно связана с

хроматином и диссоциирует при 0,35 М концентрации солей (3 М NaCI) в

присутствии денатурирующих агентов ( 5 М мочевина). Поэтому

характеристика и классификация этих белков затруднена, а сами белки еще

недостаточно изучены.

Среди негистоновых белков обнаруживается целый ряд регуляторных белков

как стимулирующих инициацию транскрипции, так и ингибирующих ее,

обнаружены белки специфически связывающиеся с определенными

последовательностями на ДНК. К негистоновым белкам относят также

ферменты, участвующие в метаболизме нуклеиновых кислот (ДНК-полимеразы,

ДНК-топоизомеразы, метилазы ДНК и РНК, РНК-полимеразы, РНКазы и

ДНКазы и т.д.), белков хроматина (протеинкиназы, метилазы, ацетилазы,

протеазы и др.) и многие другие.

Наиболее подробно изучены неистоновые белки т.н. группы с высокой

подвижностью (HMG – high mobility group, или «белки Джонса»). Они хорошо

экстрагируются в 0,35 М NaCI и 5% HCIO

и обладают высокой

132

электрофоретической подвижностью (отсюда их название). Основных HMG-

белков четыре: HMG-1 (м.в. = 25500), HMG-2 (м.в. = 26000), HMG-14 (м.в. =

100000. HMG-17 (м.в. = 9247). Эта группа наиболее богата представлена среди

негистоновых белков: в клетке их около 5% от всего числа гистонов. Особенно

часто эти белки встречаются в активном хроматине (примерно 1 молекула HMG-

белка на 10 нуклеосом). Белки HMG-1 и HMG-2 не входят в состав нуклеосом, а

связываются, видимо с линкерными участками ДНК. Белки HMG-14 и HMG-17

связываются с сердцевинными белками нуклеосом, что обеспечивает, вероятно,

изменение уровня компактизации фибрилл ДНП, которые становятся более

доступными для взаимодействия с РНК-полимеразой. В этом случае HMG-

белки выступают в качестве регуляторов транскрипционной активности. Было

обнаружено, что фракция хроматина, обладающая повышенной

чувствительностью к ДНКазе I, обогащена HMG-белками.

Петлевые домены ДНК – третий уровень структурной организации

хроматина

Расшифровка принципа строения элементарных хромосомных компонентов –

нуклеосом и 30 нм фибрилл – еще мало что дает для понимания основ

трехмерной организации хромосом, как в интерфазе, так и в митозе.

Сорокакратное уплотнение ДНК, которое достигается при сверхспиральном

характере ее компактизации, совершенно еще недостаточно для получения

реального (1 х 10

) уровня уплотнения ДНК. Следовательно должны

существовать более высокие уровни компактизации ДНК, которые в конечном

счете должны определять размеры и общие характеристики хромосом. Такие

высшие уровни организации хроматина были обнаружены при искусственной

его деконденсации, когда было найдено, что поддержание их связано с

негистоновыми белками. В этом случае специфические белки связываются с

особыми участками ДНК, которые в местах связывания образуют большие

петли или домены. Таким образом следующие более высокие уровни

компактизации ДНК связаны не с ее дополнительной спирализацией, а с

133

образованием поперечной петлистой структуры, идущей вдоль интерфазной или

митотической хромосомы.

Как уже указывалось, сложная структура ядра или нуклеоида прокариот

организована в виде иерархии петлевых доменов ДНК, связанных с небольшим

количеством специальных белков.

Петлевой принцип упаковки ДНК обнаруживается также и у эукариотических

клеток. Так если выделенные ядра обработать 2 М NaCI, т.е. удалить все

гистоны, то целостность ядра сохраняется, за исключением того, что вокруг

ядра возникнет т.н. «гало», состоящее из огромного числа петель ДНК. Такая

структура ядер получила название «нуклеоида» (это только терминологическое

сходство с ядерным аппаратом прокариот). Гало (или периферия такого

нуклеоида) состоит из огромного (до 50000) количества замкнутых на

периферии петель ДНК, со средним размером петель около 60 т.п.н., основание

которых закреплено где-то внутри ядра, на участках негистоновых белков. Тем

самым считается, что после удаления гистонов основания петлевых доменов

ДНК, связаны с т.н. «матриксом» или «скэффолдом» - негистоновым белковым

остовом интерфазного ядра. Оказалось, что участки ДНК, связанные с этим

остовом, имеют особое сродство к негистоновым белкам, их состав изучен, они

получили название MAR (matrix attachment region) или SAR (scaffold attachment

region) участков.

Оказалось, что петлевые домены ДНК интерфазных ядер можно выделить. В

выделенных ядрах в присутствии двухвалентных катионов (2 мМ Ca

) в

хроматине ядра выявляются небольшие сгустки величиной около 100 нм, т.н.

хромомеры. Если такие хромомеры препаративно выделить, а затем

экстрагировать из них гистоны, то под электронным микроскопом можно видеть

розетковидные петлистые структуры, где отдельные петли отходят от

центрального плотного участка. Количество петель в такой розетке может

составлять 15-80, а общая величина ДНК может достигать 200 т.п.н., с

суммарной длиной ДНК до 50 мкм. Обработка таких розеток протеиназами

134

приводит к исчезновению плотной центральной области розетки и к

разворачиванию петель ДНК.

Признаки петлевой доменной организации хроматина можно наблюдать с

помощью электронного микроскопа после помещения ядер или хромосом в

солевые растворы низкой ионной силы (0,01 М NaCI) в присутствии низких

концентраций двухвалентных катионов ( 1 мМ). В этих условиях не происходит

депротеинизации хроматина, он сохраняет свою нормальную химическую

композицию, но значительно разрыхляется и представлен стандартными

фибриллами толщиной 30 нм. При этом в некоторых местах можно видеть, что

отдельные сгустки конденсированного хроматина выявляют особую структуру.

Это – розетковидные образования, состоящие из многих петель30 нм фибрилл,

соединяющихся в общем плотном центре. Средний размер таких петлистых

розеток достигает 100-150 нм. Подобные розетки фибрилл хроматина –

хромомеры – можно видеть в ядрах самых разнообразных объектов, животных,

растений, простейших (рис. 63).

Особенно демонстративно такие хромомеры выявляются на тотальных

препаратах хроматина из макронуклеусов инфузории Bursaria. В этом случае

можно видеть, что каждый хромомер состоит из нескольких содержащих

нуклеосомы петель, которые связаны в одном центре. Хромомеры связаны друг

с другом участками нуклеосомного хроматина, так что в целом видна цепочка

розетковилных структур (рис. 64).

Сходные картины можно наблюдать при разрыхлении политенных хромосом.

Здесь хромомеры в виде розеток хроматина выявляются в зонах хроматиновых

дисков, в то время как междисковые участки их не содержат (рис. 65). При

деконденсации хроматина ядер некоторых растений (Allium, Haemantnus, Vicia),

для которых характерна особая структура интерфазных ядер, хромомеры видны

в составе хромонемных нитей.

Подобные розетковидные петлистые структуры, хромомеры, можно видеть

также при разрыхлении и митотических хромосом как животных, так и

135

растений. Следовательно, хромосомные 30 нм фибриллы, состоящие из ДНК и

гистонов, упаковываются в виде петлистых розетковидных структур,

претерпевая еще дополнительную компактизацию. Это третий уровень

структурной организации хроматина, как считается, может приводить уже к 600-

кратной компактизации ДНК (рис. 66).

Важно отметить, что размер отдельных петлевых доменов совпадает с

размером средних репликонов и может соответствовать одному или нескольким

генам. В своих основаниях петли ДНК связаны негистоновыми белками

ядерного матрикса, в состав которых могут входить как ферменты репликации

ДНК, так и транскрипции. Такая петельно-доменная структура хроматина

обеспечивает не только структурную компактизацию хроматина, но и

организует функциональные единицы хромосом – репликоны и

транскрибируемые гены. Комплекс белков, участвующих в такой структурно-

функциональной организации хроматина, относится к белкам ядерного

матрикса.

Глава 6. Ядерный белковый матрикс

Общий состав ядерного матрикса

Мы уже познакомились с тем, что в интерфазном ядре развернутые

хромосомы располагаются не хаотично, а строго упорядоченно. Такая

организация хромосомы в трехмерном пространстве ядра необходима не только

для того, чтобы при митозе происходила сегрегация хромосом, их обособление

от соседей, но и кроме того необходима для упорядочения процессов

репликации и транскрипции хроматина. Можно предполагать, что для

осуществления этих задач должна существовать какая-то каркасная

внутриядерная система, которая может служить объединяющей основой для

всех ядерных компонентов – хроматина, ядрышка, ядерной оболочки. Такой

структурой является белковый ядерный остов или матрикс. Необходимо сразу

же оговориться, что ядерный матрикс не представляет собой четкой

морфологической структуры: он выявляется как отдельный морфологический

136

гетерогенный компонент при экстракции из ядер практически всех участков

хроматина, основной массы РНК и липопротеидов ядерной оболочки. От ядра,

которое не теряет при этом своей общей морфологии, оставаясь сферической

структурой, остается как бы каркас, остов, который иногда называют еще

«ядерным скелетом».

Впервые компоненты ядерного матрикса (остаточные ядерные белки) были

выделены и охарактеризованы в начале 60-х годов. Было обнаружено, что при

последовательной обработке изолированных ядер печени крыс 2 М раствором

NaCI, а затем ДНКазой, происходит полное растворение хроматина, а

основными структурными элементами ядра остаются: ядерная оболочка,

связанные с ней компоненты – нуклеонемы (ядерные нити), содержащие белок и

РНК, и ядрышки. Была высказана гипотеза, что фибриллы хроматина в

нативных ядрах прикреплены к этим осевым белковым нитям наподобие

«ершика для чистки бутылок» (см. рис. 67).

Значительно позднее (середина 70-х годов) эти работы получили развитие и

привели к появлению массы новых сведений о нехроматиновых белках ядерного

остова и о его роли в физиологии клеточного ядра. В это же время был

предложен термин «ядерный матрикс» для обозначения остаточных структур

ядра, которые могут быть получены в результате последовательных экстракций

ядер различными растворами. Новым в этих приемах было использование

неионных детергентов, таких как Тритон Х-100, растворяющих ядерные

липопротеидные мембраны.

Последовательность обработки выделенных ядер, приводящая к получению

препаратов ядерного матрикса, обогащенного белком, следующая (см. табл. 6).

Таблица 6. Экстракция (в %) ядерных компонентов в процессе получения

ядерного белкового матрикса

Обработка Фракц

ия

Бело

ДНК РН

Фосфолипи

ды

137

1.Изолированны

ядра

2. 0,2 мМ MgCl

3. 2 M NaCl

4. 1% Тритон Х-

100

5.ДНКаза+РНКа

за

NPM

2,5

6,4

97,8

Изолированные ядра, полученные в растворах 0,25 М сахарозы, 0,05 М Трис-

HCI буфера и 5 мМ MgCI

помещались в раствор низкой ионной силы (LS), где

деградировала основная масса ДНК за счет эндонуклеазного расщепления. В 2

М NaCI (HS) в дальнейшем происходила диссоциация хроматина на гистоны и

ДНК, шла дальнейшая экстракция фрагментов ДНК и различных белков.

Последующая обработка ядер в 1% растворе Тритона Х-100 приводила почти к

полной потере фосфолипидов ядерной оболочки и получению ядерного

матрикса (NM), содержащего остатки ДНК и РНК, которые дополнительно

растворялись при обработке нуклеазами, в результате чего получали конечную

фракцию ядерного белкового матрикса (NPM). Он состоит на 98% из

негистоновых белков, в него, кроме того, входит 0,1% ДНК, 1,2% РНК, 1,1%

фосфолипидов.

Химический состав ядерного матрикса, полученный таким способом сходен у

различных объектов (см. табл. 7).

Таблица 7. Состав ядерного белкового матрикса

Объект Бело

ДНК РН

Фосфолипи

ды

138

Крыса, печень 97 0,1 1,2

1,1

Клетки HeLa 92,3 1,2 0,05

6,9

Тетрахимена 97 0,1 1,2

0,5

По своей морфологической композиции ядерный матрикс состоит,по крайней

мере, из трех компонентов: периферический белковый сетчатый (фиброзный)

слой – ламина (nuclear lamina, fibrous lamina), внутренняя или

интерхроматиновая сеть (остов) и «остаточное» ядрышко (рис. 68).

Ламина представляет собой тонкий фиброзный слой, подстилающий

внутреннюю мембрану ядерной оболочки. В ее состав входят так же комплексы

ядерных пор, которые как бы вмурованы в фиброзный слой. Часто эту часть

ядерного матрикса называют фракцией «поровый комплекс – ламина» (PCL –

“pore complex – lamina”). В интактных клетках и ядрах ламина большей частью

морфологически не выявляется, т.к. к ней тесно прилегает слой

периферического хроматина. Лишь иногда ее удается наблюдать в виде

относительного тонкого (10-20 нм) фиброзного слоя, располагающегося между

внутренней мембраной ядерной оболочки и периферическим слоем хроматина.

Структурная роль ламины очень велика: она образует сплошной фиброзный

белковый слой по периферии ядра, достаточный для того, чтобы поддерживать

морфологическую целостность ядра. Так удаление обеих мембран ядерной

оболочки с помощью Тритона Х-100 не вызывает распада, растворения ядер.

Они сохраняют свою округлую форму и не расплываются даже в случае

перевода их в низкую ионную силу, когда происходит набухание хроматина.

Внутриядерный остов или сеть морфологически выявляется только после

экстракции хроматина. Он представлен рыхлой фиброзной сетью,

располагающейся между участками хроматина, часто в состав этой губчатой

сети входят различные гранулы РНП-природы.

139

Наконец, третий компонент ядерного матрикса – остаточное ядрышко –

плотная структура, повторяющая по своей форме ядрышко, также состоит из

плотно уложенных фибрилл.

Морфологическая выраженность этих трех компонентов ядерного матрикса,

так же как и количество во фракциях, зависит от целого ряда условий обработки

ядер. Лучше всего элементы матрикса выявляются после выделения ядер в

относительно высоких (5 мМ) концентрациях двухвалентный катионов.

Обнаружено, что для выявления белкового компонента ядерного матрикса

большое значение имеет образование дисульфидных связей. Так если ядра

предварительно инкубировать с иодацетамидом, препятствующим образованию

S-S связей, а затем вести ступенчатую экстракцию, то ядерный матрикс

представлен только комплексом PCL. Если же использовать тетратионат натрия,

вызывающий замыкание S-S связей, то ядерный матрикс представлен всеми

тремя компонентами. В ядрах, предварительно обработанных гипотоническими

растворами, выявляются только ламина и остаточные ядрышки.

Все эти наблюдения привели к выводу, что компоненты ядерного матрикса

представляют собой не застывшие жесткие структуры, а компоненты,

обладающие динамической подвижностью, которые могут меняться не только в

зависимости от условий их выделения, но и от функциональных особенностей

нативных ядер. Так, например, в зрелых эритроцитах кур весь геном

репрессирован и хроматин локализован преимущественно на периферии ядра, в

этом случае внутренний матрикс не выявляется, а только ламина с порами. В

эритроцитах 5-дневных куриных эмбрионов, ядра которых сохраняют

транскрипционную активность, элементы внутреннего матрикса выражены

отчетливо.

Как было видно из табл. 7, основной компонент остаточных структур ядра –

белок, содержание которого может колебаться от 98 до 88%. Белковый состав

ядерного матрикса из разных клеток довольно близок. Характерными для него

являются три белка фиброзного слоя, и носящих название ламинов. Кроме этих

140