Характеристика гістонових та негістонових білків. Ковалентні модифікації. Біохімічні механізми конденсації та деконденсації хроматину.

Білки хроматину, що залишаються після видалення пістонів, наз. Негістоновими. До них відносять більшість ДНК-зв’язувальних білків. Н-д, білки ядерного скелету, ДНК-пол, білки High Mobility Group (HMG).

Гістони. На першому рівні організації хроматину ДНК формує за рахунок взаємодії з білками елементарні утворення – нуклеосоми – із середньою щільністю одна нуклеосома на 200 пар основ. Білковий компонент нуклеосоми (кор) складається з 8 молекул корових гістонів Н2А, Н2В, Н3 та Н4 – по дві молекули кожного типу. На другому рівні компактизації за участю лінкерних гістонів Н1 утворюється так звана фібрила діаметром 30 нм. Хроматинова фібрила формує петлі розміром 20-200 тисяч п.о., кінці яких є жорстко закріпленими на ядерному скелеті.

Білковий компонент нуклеосоми – гістони (histones), є одним з найбільш еволюційно консервативних класів білків. Усі корові гістони (містять від 102 до 135 амінокислотних залишків) мають спільну схему будови. В первинній структурі виділяють дві частини: глобулярну та N-кінцеву невпорядковану (хвіст). Гістон Н2А має також помітний С-кінцевий хвіст довжиною близько 15 залишків. Невпорядковані хвости збагачені позитивно зарядженими амінокислотами і є субстратами для численних посттрансляційних модифікацій.

Глобулярна частина всіх корових гістонів виглядає як триспіральний гістоновий мотив (histone fold), у якому одна довга α -спіраль фланкована двома короткими. Гістоновий мотив не формує гідрофобного ядра, внаслідок цього одна молекула корового гістона не може існувати як окремий глобулярний білок у водному середовищі. Мінімальними стабільними структурними одиницями є гетеродимери Н2А-Н2В та Н3-Н4. Два гістонових мотиви формують у складі димерів щільне гідрофобне ядро, а специфічність формування димерів залежить від наявності додаткових α N- та α С-спіралей у гістонах Н3 та Н2В відповідно.

За своєю структурою гістон Н1 (мономерний білок) суттєво відрізняється від корових гістонів. Молекула Н1 містить N-кінцевий невпорядкований хвіст, глобулярний домен GH1 та довгий, збагачений позитивно зарядженими залишкам

Частинка, яка містить гістоновий октамер, близько 166 пар основ ДНК та гістон Н1, називається хроматосомою.

Посттрансляційні модифікації гістонових хвостів. Невпорядковані хвости корових гістонів є субстратом для ковалентних посттрансляційних модифікацій.

Типи модифікацій: Ацетилювання залишків Lys – перенос залишку ацетату на аміногрупу Lys. Реакція каталізується гістон-ацетилтрансферазами (HAT). Ацетилювання є динамічною модифікацією: гістон-деацетилази (HDAC) здійснюють відщеплення ацетатних залишків.

Метилювання залишків Lys та Arg – перенесення метильної групи на Lys або на гуанідинову групу Arg, позитивний заряд при цьому залишається. Реакція каталізується гістон-метилтрансферазами. На відміну від ацетилювання, метилювання є дуже стабільною у часі модифікацією. Метильовані гістони замінюються на неметильовані дуже повільно.

Фосфорилювання залишків Ser – перенос фосф. залишку на ОН-групу Ser. Реакція каталізується гістон-кіназою (HK), відщеплення фосфату – фосфатазою.

Серед усіх модифікацій, лише про ацетилювання можна сказати, що воно чітко корелює з транскрипційною активністю: гіперацетильовані гістони присутні у активних ділянках хроматину, у репресованих підтримується деацетильований статус. Інші модифікації впливають на функціональний стан складніше.

Проте, головним механізмом впливу модифікованих гістонових хвостів на функціональний стан хроматину є специфічне впізнання модифікованих хвостів іншими білками: регуляторами, факторами транскрипції, ферментами тощо. Так, ацетильовані залишки Lys впізнаються особливим структурним блоком таких білків – бромодоменом. Інший блок – хромодомен – впізнає метильовані Lys. Гістонові хвости використовуються як своєрідні платформи для збірки різноманітних білкових комплексів, і характер цієї збірки залежить від патерну модифікацій – розподілу певних модифікованих груп по хвостах. Співвідношення між патерном модифікацій та набором білків, який впізнає такий патерн, що, у свою чергу, має певні функціональні наслідки, називають гістоновим кодом.

Наднуклеосомна упаковка хроматинової фібрили. У хроматині нуклеосоми з’єднані лінкерами довжиною ~50 пар основ. Якщо лінкер (у полінуклеосомному ланцюгу без гістона Н1) просто продовжує хід нуклеосомної ДНК по прямій, нуклеосоми у складі полінуклеосомної нитки мають бути розташовані зиґзаґом. Саме такий вигляд має декомпактизована (у відсутності Н1 та при низькій іонній силі) полінуклеосомна фібрила під мікроскопом (електронним чи атомно-силовим). Товщина такого зиґзаґу дорівнює приблизно 30 нм. Полінуклеосомний зиґзаґ може конденсуватися. Умова конденсації (необхідна, але недостатня) – фізіологічна іонна сила (крім одновалентних мають бути присутніми двовалентні катіони) для зниження електростатичного розштовхування між нуклеосомами. Фактор конденсації (її рушійна сила) – невпорядковані хвости корових гістонів: лабільні позитивно заряджені хвости ефективно “зшивають“ фібрилу, взаємодіючи з ДНК сусідніх нуклеосом.

У присутності гістона Н1 компактна хроматинова фібрила товщиною 30 нм стає більш стабільною. Отже, суперструктура конденсованої фібрили товщиною 30 нм являє собою тривимірний зиґзаґ нуклеосом, з’єднаних практично прямими без вигинів лінкерами, які спрямовані всередину фібрили. Всередині знаходяться також і гістони Н1; сумісна дія Н1 та хвостів корових гістонів підтримує компактний стан фібрили.

Фібрила товщиною 30 нм – основна форма існування інтерфазного хроматину. Але у хроматині існує значна гетерогенність за ступенем конденсації. З іншого боку, у репресованих ділянках хроматинова фібрила може бути як додатково стабілізованою у компактному стані, так і піддаватися компактизації більш високого порядку. Частина хроматину, що зберігає стан підвищеної компактизації протягом інтерфази називається гетерохроматином.