Эксперименты, в которых измерялась диффузия инертного красителя в пространстве ядра (Bancaud et al., 2009), приводят к выводу, что хроматин в клеточном ядре можно описать в терминах фрактальной геометрии (фрактал - сложная геометрическая фигура, состоящая из многих частей, где каждая часть подобна всей фигуре в целом). Пространство ядра можно разделить на "компартменты" двух типов - более и менее плотные, то есть, соответственно, гетеро-и эухроматин. Диффузия флуоресцентного зонда является заторможенным (в большей степени - в гетерохроматинових компартментах), но при этом параметры диффузии не зависят от размера зонда, и все участки хроматина (даже в гетерохроматинових компартментах) сохраняют доступность для него (рис. 21, цвет. В ст.).

 

К аналогичным выводам приводят результаты изучения контактов между удаленными по цепи участками хроматина в клеточном ядре (Lieberman-Aiden et al., 2009). Применяемая для этого техника (так называемая Hi-C) базируется на массированному секвенирования большого количества пар коротких фрагментов ДНК, которые изымаются из участков хроматина, сшитых формальдегидом (вариация методики "фиксации конформации хромосом"-chromosome conformation capture (3C)). Результаты такого картирования контактов вновь указывают на существование компартментив двух типов. В рамках компартмента одного типа взаимодействия между удаленными по цепи участками одной хромосомы, а также между участками разных хромосом, более вероятными, чем взаимодействия между участками, принадлежащими различным компартментам. Компартменты двух типов различаются своей плотностью и занимают различные пространственные зоны ядра.

 

Итак, хроматиновая фибрилла образует своеобразную глобулу большого размера особого типа - так называемую фрактальную глобулу: полимер "мнется" в субглобулы, которые, в свою очередь, образуют глобулы более высокого уровня. В результате полимер заполняет определенную область пространства, не образуя узлов, а отдельные участки цепи сохраняют возможность обратной где / ре-компактизации. Разделены по цепи гетерохроматина участка, взаимодействуя между собой, оказываются в более компактных зонах фрактальной глобулы, а менее компактные эухроматин - "випетлюються" из нее.

 

Такое випетлювання является только одним из проявлений общего феномена образования петель или петлевых доменов хроматина, которые имеют разнообразное происхождение: любая ситуация, когда разделены по цепи участки хроматиновыми фибриллы взаимодействуют между собой, приводит к образованию петли. Петли, которые можно назвать динамическими, возникающие на сравнительно небольшой промежуток времени вследствие белок-белковых взаимодействий между удаленными участками хроматина. Такие петли формируются, например, в ответ на регуляторные сигналы между энхансеры и промоторами или при привлечении различных промоторов к так называемым транскрипционных фабрик - мест иммобилизации нескольких РНК-полимеразой комплексов (раздел 5). Аналогично, отдаленные участки фибриллы могут объединяться между собой в репресорни комплексы, специфические для клеток данного типа, - при этом осуществляется инактивация генов, которые попадают в присоединены к такого комплекса петлевые домены. Известным примером таких репресорних комплексов являются так называемые поликомб-тельца (polycomb bodies) - дискретные образования, сформированы специальными белками поликомбу (PcG, Poycomb Group proteins).

 

Кроме того, существуют также "конститутивные" петли хроматина, закрепленные на скелетных структурах ядра. Главным результатом в пользу существования таких петель является образование так называемых нуклеоидом после удаления мембран и большинства белков клеточного ядра детергентами и высокими концентрациями соли. Нуклеоид выглядит как зона с высокой концентрацией ДНК и окончательным белковым компонентом, остающейся после процедуры лизиса, вокруг которой формируется гало, состоящего из надспирализованих петель ДНК размером от 2 до 200 тыс. пар оснований. Понятно, что временные или специфические только для данного типа клеток петли также могут закрепляться на скелетных структурах ядра.

 

Можно выделить по крайней мере три аспекта существования петельных доменов хроматина:

 

• объединение удаленных участков хроматина в основе петли является важным элементом регуляции генной активности, поскольку такое объединение может приводить к взаимному усилению активации или репрессии транскрипции на разных участках;

 

• зафиксирована на белках типа основа петли может служить своеобразным барьером, пространственно разграничивает разные в функциональном отношении участки хроматина;

 

• поскольку основы петли фиксируются, ДНК в составе петли должно топологические ограничения, то есть эквивалентна циркулярной.

 

Роль скелетной структуры ядра, на которой закрепляются петли хроматина, обычно отводится ядерному матрикса - системе белковых филаментов в пространстве ядра. Участки ДНК длиной от 300 до 1 тыс. пар оснований, взаимодействующих с матриксом (основы петлевых доменов), обозначают как MAR (Matrix Associated Regions).

 

Филаменты ядерного матрикса удается визуализировать под электронным микроскопом только после специальной обработки и удаления из ядра ДНК и большинства белков - не исключено, что разветвленная сеть филаментов образуется именно в результате такой обработки, то есть артефактом. Кроме того, на сегодня белки ядерного матрикса (почти единственным исключением является белок SATB1, который имеет повышенное сродство к АТ-обогащенных участков ДНК и экспрессируется только в тимоцитах млекопитающих) и характер их взаимодействия с ДНК настолько плохо охарактеризованы, что это дает основания для сомнений в существовании разветвленного внутриядерных матрикса. Другим аргументом против наличия разветвленной сети белковых филаментов внутри ядра достаточно высокая скорость диффузии белков и мРНК в внутриядерных пространстве. Следует подчеркнуть, что дискуссионным остается вопрос о существовании матрикса как сети филаментов, пронизывающей весь объем ядра: элементы матрикса-сравнительно короткие филаменты (состоящие, в частности с актина, а также некоторых других белков), с которыми может взаимодействовать хроматиновая фибриллами, несомненно существуют внутри ядра.

 

В отличие от внутриядерной матрикса, периферийная сеть белковых филаментов - ядерная Ламина, которая тесно связана с внутренней ядерной мембраной и, таким образом, является составной ядерного конверта (см. рис. 1.1), изучена гораздо лучше. Главными структурными компонентами ламины являются белки двух типов, называются Ламин. Ламины типа А (присутствуют также и внутри ядра, где могут образовывать белковые филаменты) являются водорастворимыми и свободно диффундируют в пространстве клетки после разрушения ядерного конверта при клеточном делении. Ламины типа В - мембранные белки, тесно связаны с внутренней мембраной, которые остаются на фрагментах мембраны при ее разрушении в ходе митоза. Ламины имеют три структурные домены: глобулярные N-и С-концевой, соединенные длинной а-спиралью. Две а-спирали обеспечивают димеризации субъединиц (образуется двуспиральная структура - coiled coil), а глобулярные домены димеров взаимодействуют между собой по принципу "голова к хвосту" с образованием филаменты толщиной ~ 10 нм (относится к категории промежуточных филаментов (intermediate filaments) цитоскелета, которые более тонкими по сравнению с микротрубочками, но более толстыми по сравнению с актиновых фибрилл). Кроме того, ламиновимы филаментов тесно ассоциированы еще несколько белков. В частности: LBR - рецептор Ламин В

 

- Мембранный белок, который взаимодействует с Ламин В, а также с ДНК, гистонами и гетерохроматиновимы белками; Lap2? - взаимодействует с ядерной мембраной и Ламин В, а также с некоторыми репрессор транскрипции; Emerin - мембранный белок, который взаимодействует с Ламин А, а также с актином и репрессор транскрипции.

 

Филаменты ламины образуют своеобразную "геодезическую" сетку, в узлах которой находятся ядерные поры - филаменты протянуты от одной ядерной поры до другой и позиционируют поровых комплексы в плоскости ядерной оболочки. На Ламин и поровых комплексах начинаются также белковые филаменты (актиновые, складывающиеся из ламин А или других белков), протянуты внутрь ядра на длину в ~ 100-300 нм. За счет родства белков ламины к гетерохроматинових белков (в частности, НР1, который будет рассматриваться в главе 5), а также к гетерохроматинових химических маркеров гистонов, Ламина связывает гетерохроматина зоны

 

- В первую очередь, это касается центромерных и теломерной зон хромосом. Однако, на участках фибриллы, связанных с Ламин, возможна также и транскрипция - в первую очередь это касается участков хроматина, ассоциированных с порол комплексами. Вполне вероятно, что "конститутивные петли", которые образуют гало нуклеоидом, представляют собой петли ДНК, связаны именно с Ламин.

 

Таким образом, интерфазных хромосома фиксируется на Ламина своими центромеры и теломерами, а еухроматинова часть хромосомы оказывается глубже внутри ядра - частично закрепляясь там (или нет) на внутренних элементах ядерного матрикса. В рамках хромосомной территории - области пространства, которую занимает хромосома, - наблюдается "градиент транскрипционной активности" - активность возрастает от периферии ядра к его центру. В том же направлении возрастает общая плотность генов, и, соответственно, снижается плотность некодирующих участков ДНК и относительное содержание АТ-пар в ее составе. Во-первых, отдельные хромосомные локусы осуществляют беспорядочный броуновское движение в секундном временном интервале в неопределенном направлении (рис. 4.8, а). Такое движение является ограниченным небольшой зоной пространства (не более ~ 0,5 мкм), при этом более заторможенными являются движения хроматиновыми участков, расположенных ближе к периферии ядра. Во-вторых, в ядре зафиксированы более значительные и направленные движения отдельных локусов, которые зависят от присутствия АТР, актина и миозина И, - то есть, такие движения, наверное, обеспечиваются актомиозиновимы молекулярными моторами (рис. 4.8, б). Наконец, в процессе индивидуального развития и дифференцировки клеток для отдельных локусов наблюдаются передислокации в другую область ядра (с изменением хромосомной территории), при этом активные локусы обычно перемещаются ближе к центру, репрессированные - к периферии ядра (рис. 4.8, в). Наверное, такие движения находятся под контролем общей программы созревания клеток данного типа и осуществляются после очередного клеточного деления.

 

Подвижность хроматиновыми фибриллы в пределах хромосомной территории, а также частичное перекрытие соседних хромосомных территорий, создают условия для межхромосомные взаимодействий. Следовательно, взаимное усиление активации или репрессии транскрипции на отдаленных участках хроматина происходит не только вследствие образования петлевых доменов в пределах одной хромосомы, а также в тех случаях, когда такие участки относятся к различным хромосом.


Загрузка...
Яндекс.Метрика Google+