Структура хроматина

УРОВНИ ТОНКОЙ СТРУКТУРНОЙ ОРГАНИЗАЦИИ ХРОМАТИНА
Презентация посвящена структуре хроматина. В презентации представлены
уровни структурной организации хроматина, показана роль гистонов и
негистоновых белков семейства HMG (High Mobility Group) в построении
высших уровней структурной организации хроматина.
Презентация подготовлена в рамках Федеральной целевой программы
"Научные и научно-педагогические кадры инновационной России" на 2009-2013
годы:
Соглашение № 8306 от 10 августа 2012 г. Руководитель доктор биологических наук
Александр Евгеньевич Виноградов
«Исследование роли геномных дупликаций и ремоделирования хроматина в
возникновении и предотвращении онкологических и сердечно-сосудистых
заболеваний»
В подготовке презентации принимали участие:
Старший научный сотрудник Института цитологии Российской академии наук
доцент, кандидат биологических наук
Елена Всеволодовна Чихиржина
Доцент кафедры Молекулярной биофизики и научный сотрудник Института
цитологии Российской академии наук, кандидат физико-математических наук
Александр Михайлович Поляничко
Научный сотрудник Института цитологии Российской академии наук
Елена Ивановна Костылева
Аспирант Института цитологии Российской академии наук
Татьяна Юрьевна Старкова
Институт цитологии Российской академии наук
Санкт-Петербург, Российская Федерация
Уровни тонкой организации
структуры хроматина
Соглашение № 8306 от 10 августа 2012 г.
Санкт-Петербург
2013
Структура хроматина
Хроматин
В ядре эукариотической клетки
ДНК упакована в хроматин. Это
характерная особенность
организации генома эукариот.
Хроматин эукариотической клетки
состоит из ДНК, связанной с
различными ядерными белками.
Гистоны
H1 или H5
(в хроматине птиц)
H2A, H2B, H3, H4
Линейные размеры ДНК
значительно превышают
диаметр клетки. При
упаковке ДНК в клеточном
Нуклеопротеидный комплекс ядре происходит
многократное сокращение
(ДНК и белки)
линейных размеров ДНК.
Негистоновые белки
High Mobility Group
HMGB (HMG 1/2)
HMGN (HMG 14/17)
HMGA (HMG I(Y))
и др.
2
Нуклеосома – первый уровень
компактизации ДНК
Нуклеосома представляет собой белковую сердцевину
(коровая частица), вокруг которой накручена ДНК.
Гистоновый октамер
Рисунок 1. Схематическое изображение нуклеосомы. В
виде шариков показаны гистоны Н2А, Н2В, Н3 и Н4;
голубая палочка – гистон Н1; оранжевая спираль – ДНК.
ДНК
Четыре гистоны Н2А, Н2В, Н3 и Н4 составляют
белковую сердцевину нуклеосомы. Их
глобулярные участки ассоциируют друг с
другом с образованием двух гетеродимеров
(H2A-H2B) и тетрамера (H3/H4)2. Гетеродимеры
взаимодействуют с тетрамером и образуют
коровую частицу (гистоновый октамер).
Линкерный гистон
Рисунок 2. Схематическое изображение нуклеосомы
с линкерной ДНК. Сиреневый цвет – белковая
сердцевина; серый – ДНК, желтый – гистон Н1..
3
Взаимодействие ДНК с коровой частицей
146 пар оснований ДНК
закручены вокруг
гистонового октамера.
Рисунок 3. Взаимодействие ДНК с коровой частицей.
4
Нуклеосома
ДНК образует 1,65 витка
левой суперспирали вокруг
октамера гистонов.
Рисунок 4. Кристаллографическое
изображение нуклеосомы с разрешением 2.5 Å
(Harp, Hanson,Timm, Bunick, Acta Crystallogr.
2000, Sect.D 56: 1513-1534)
5
Структура гистона Н1
Пятый гистон Н1 взаимодействует с
линкерным участком ДНК в межнуклеосомной
области. Этот гистон играет важную роль при
образовании постнуклеосомного уровня
структурной организации хроматина.
Гистон Н1 состоит из глобулярного
фрагмента и неупорядоченных N- и Cконцевых доменов (рис. 5).
Рисунок 5. Пространственная
структура глобулярного домена
гистона Н1. I – III – -спирали; S1S3 – -складчатые листы; W – шпилька. (Arents, Moudrianakis,
1995, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 92,
11170–11174 )
6
Взаимодействие гистона Н1 с нуклеосомой
Атомная модель
Схематическое изображение
Рисунок 6. Локализация глобулярного домена гистона Н1
и нуклеосмы. Красный – белковый кор; цветная спираль –
ДНК; серый – гистон Н1. (S. Meyer, N.B. Becker, S.H. Syed, D.
Goutte-Gattat, M.S. Shukla, J.J. Hayes, D. Angelov, J. Bednar, S.
Dimitrov, R. Everaers 2011. Nucl. Acids Res. 1-16)
7
Взаимодействие гистона Н1 с нуклеосомой
В литературе рассматриваются различные модели взаиморасположения гистона и нуклеосомы.
Согласно модели Аллана (а) глобула гистона Н1 находится на внешней стороне
суперскрученного витка ДНК в центре нуклеосомы и симметрично взаимодействует с ней.
Участки ДНК по 10 п.н. с каждой стороны защищены от микрококковой нуклеазы. По
ассиметричной модели Pruss (с) глобулярный домен лежит с внутренней стороны между ДНК и
коровой частицей и Н1 защищает 20 п.н. только с одной стороны. Новые исследования
предполагают, что более реальной является ассиметричная модель Zhou (b), согласно которой
глобулярный домен не может контактировать с диадой, так как он ассиметрично расположен с
внутренней стороны спирали ДНК.
Рисунок 7. Модели расположения глобулярного домена гистона Н1 на ДНК. а)
симметричная модель Аллана; b) ассиметричная модель Zhou; c) модель Pruss.
(Jerzmanowski. The linker histones. Chapter 4. Zlatanova, Leuba (Eds.) Chromatin
Structure and Dynamics: State-of-the-Art, 2004 Elsevier B.V., 75-102)
8
30-нм хроматиновая фибрилла
30
нм
Гистоновый октамер
10 нм
ДНК
30-нм фибрилла – следующий
уровень компактизации
хроматина.
Н1 гистон
Нуклеосома
Рисунок 8. 30-нм хроматиновая
фибрилла (barleyworld.org)
9
Стереоизображение хроматиновой фибриллы
эритроцитов цыпленка при низкой ионной силе
(по данным крио-электроннной микроскопии)
(a) 9-нуклеосомный сегмент хроматина из
эритроцитов цыплят
(b) Реконструкция олигонуклеосомного
фрагмента из хроматина эритроцитов
цыплят по данным наблюдений в 80
мМ NaCl
d
(c) Модели организации фибрилл,
построенные по методу средних углов
на входе/выходе нуклеосомы на
основе прямых наблюдений. Углы
составляют 85° (I), 45° (II) и 34° (III)
(d) Пространственные модели
нуклеосомы с учетом различных
топологических параметров
Рисунок 9. Schiessel, Widom, Bruinsma, Gelbart. Phys. Rev. Lett. 2001. 86: 4414-4417.
10
Вид хроматиновой фибриллы
эритроцитов цыпленка в присутствии
и при удалении линкерных гистонов
(по данным SFM-микроскопии)
A. в присутствиеH1/H5,
контроль
B. обработка трипсином, C. обработка трипсином,
16 мин.
32 мин.
На рис.10 представлена
хроматиновая фибрилла
после удаления гистона
Н1/Н5 методом
трипсинизации (обработка
трипсином).
1 ч трипсинизации
8 ч трипсинизации
Н1/Р5 - обедненный контроль
Видно как постепенное
удаление гистона
приводит к появлению
отдельных нуклеосом.
11
Высшие уровни структурной организации
хроматина
Хромосома
30-нм фибрилла организована в петельные домены,
фиксированные ядерным остовом белковой природы.
Петли ДНК (рис. 12) – структурно-функциональная единица
хроматина и состоит из 10 000 – 200 000 п.н.
Рисунок 11.
Петельные
домены ДНК.
После специальной обработки, а также в клетках некоторых
насекомых, можно увидеть, что хромосомы состоят из довольно
больших петель хроматина. Такие петли могут образовываться
благодаря специфическому взаимодействию негистоновых
белков, удерживающих вместе удаленные участки фибриллы. В
дальнейшем петли, содержащие от 20 000 до 100 000 п.н.,
образуют бóльшие структурные домены.
Детали организации высших уровней структурной организации хроматина до сих пор
невыяснены. Достоверно известно, что роль 30-нм хроматиновой фибриллы не
ограничиваются компактизацией ДНК. Она также модулирует доступность специфических
последовательностей ДНК для регуляторных факторов.
12
Характеристика гистона Н1
Гистон Н1 отличается от других гистонов большей длиной, видо- и ткане-специфичностью.
В процессе сперматогенеза типичные соматические клетки претерпевают биохимические и
морфологические изменения: элиминируется цитоплазма и образуются жгутики,
прекращается репликация ДНК, осуществляется высокая степень компактизации ДНК,
достигается полная репрессия активности генов. В упаковке ДНК спермиев принимают
участие различные типы белков. Все разнообразие смены белкового состава в процессе
сперматогенеза можно свести к основным вариантам:
1. В ряде случаев (хроматин морских беспозвоночных) гистон Н1 замещается на спермий-специфические
варианты. Только в этом случае замены сохраняется нуклеосомная структура хроматина.
2. В хроматине спермиев голотурий и моллюсков появляются дополнительные основные S-белки,
характеризующиеся повышенным содержанием аргинина, лизина, серина и аланина.
3. В клетках амфибий и насекомых обнаружены тиопротамины с высоким содержанием аргинина.
4. У млекопитающих гистон Н1 полностью замещается на протамины.
13
Структура хроматина
Хроматин
Большинство ДНКзависимых клеточных
процессов должны
рассматриваться в
контексте со структурой
хроматина.
Гистоны
H1 или H5
(в хроматине птиц)
H2A, H2B, H3, H4
Негистоновые белки –
структурные элементы
хроматиновой фибриллы и
предсталяют
дополнительный уровень
Нуклеопротеидный комплекс структурного и
функционального
(ДНК и белки)
единства.
Негистоновые белки
High Mobility Group
HMGB (HMG 1/2)
HMGN (HMG 14/17)
HMGA (HMG I(Y))
и др.
14
HMGB белки
Большинство негистоновых белков принадлежит суперсемейству белков с высокой
электрофоретической подвижностью – HMG (High Mobility Group) белки. Эти белки по своей
структуре и функциям могут быть разделены на три семейства:
HMGN белки непосредственно связываются с нуклеосомами и облегчают транскрипцию.
Белки группы HMGA изменяют структуру ДНК, облегчая белок-белковые взаимодействия в
пре-инициативном транскрипционном комплексе на АТ-богатых последовательностях
индивидуальных генов.
Самыми распространенными и наиболее изученными являются белки группы HMGB. Эти
белки имеют ДНК-связывающие домены, которые часто называют HMG-Box или HMGBдомены.
15
Структура белков HMGB1 и HMGB2
Box A
C-концевой домен
Box B
Рисунок 12. Схематичное изображение структуры HMGB белка.
Эти белки состоят из двух ДНК-связывающих доменов А (красный) и В (зеленый) и
длинного неструктурированного С-концевого фрагмента из 30 аминокислотных
остатков глютаминовой и аспарагиновой кислоты.
16
Структура ДНК-связывающего домена
белка HMGB1
3
2
ДНК-связывающий домен
очень консервативен по
структуре и состоит из трех
-спиралей.
1
Рисунок 13. Третичная структура В-домена белка HMGB1, полученная с методом
ядерного магнитного резонанса (Read, Cary, Crane-Robinson, Driscale, Norman, 1993. NAR.
21: 3427-3436)
17
HMG- доменные белки
Многие транскрипционные факторы содержат HMGB-домены.
С ДНК эти белки связываются посредством только этих доменов.
Например:





HMGB1
LEF1 (Lymphoid Enhancer-binding Factor 1)
SRY (mammalian Sex Reversal Y chromosome-encoded factor)
UBF (Upstream Binding Factor, TR of RNA-polymerase I)
TCF-1 (T lymphocyte-specific Transcription Factor)
18
Нарушения в структуре ДНК – мишень для HMGB1
Рисунок 14. Структура ДНК типа 4Н (Saito, Kikuchi,
Shirakawa, Yoshida. 1999. J. Biochem. 125: 399-405)
HMGB1 изгибает ДНК. Кроме того этот
белок узнает и предпочитает связываться
с ДНК в месте различных нарушений в ее
структуре, такими необычными
структурами как 4Н ДНК (рис. 14).
Ярким примером структурных
повреждений ДНК являются платиновые
аддукты, формирующиеся под
действием противоопухолевого
препарата цисплатина (рис. 15).
Рисунок 15. Взаимодействие HMGB-домена с платинированной
ДНК (Ohndort, Rould, He Qing, Pabo, Lippard, Nature. 1999. 399:
708-712 )
атом
платины
19
Заключение

Линкерный гистон Н1 и негистоновый белок HMGB1 взаимодействуют с линкерным
участком ДНК. Эти белки являются ключевыми в функционировании хроматина.
Взаимоотношения между этими белками до сих пор не выяснены. Некоторые авторы
предполагают, что Н1 и HMGB1 конкурируют за связывание с отдельными участками ДНК,
другие – придерживаются противоположной точки зрения. Исследование взаимодействия
гистона Н1 и белка HMGB1 с ДНК различными физико-химическими методами (круговой
дихроизм в УФ и ИК диапазоне, абсорбционная спектроскопия, спектрофотометрическое
плавление, гель-ретардация) показывает, что связывание этих белков с ДНК не носит
конкурентного характера, а обладает признаками кооперативного взаимодействия.

Несмотря на большое количество публикаций, посвященных структуре хроматина,
множество вопросов остаются до сих пор невыясненными и требуют дальнейших
исследований.
20
21