|
 |
|
Язык биологов понять трудно. Слишком он специфичен. Но этот семинар был рассчитан на неподготовленного слушателя, адаптирован под него, и проводил его Владимир Геннадьевич Королев, руководитель Отделения молекулярной и радиационной биофизики и заведующий Лабораторией генетики эукариот. Надо отметить, что в зале были не только биологи, но и сотрудники других подразделений. Темой семинара было сравнительно новое направление, которое получило свое развитие в конце ХХ века – эпигенетика. Владимир Геннадьевич отметил, что существует много обзоров по данной теме, порой противоречащих друг другу. Вполне возможно, что данные, полученные на сегодняшний день, могут быть переосмыслены уже через пять лет и, возможно, будут интерпретироваться по-другому. Итак, понятие эпигенетики тесно связано с понятием хроматина, который в процессе жизнедеятельности клетки претерпевает структурные изменения. Как это происходит, с какой целью, как работает слаженный внутриклеточный механизм, попытался донести до слушателей Владимир Геннадьевич. В начале доклада была озвучена некоторая терминология, без понимания которой весьма сложно говорить об упаковке ДНК в клетках и ее влиянии на работу генома. - Эпигенетика – наука о наследовании признаков, не определяемых последовательностью нуклеотидов ДНК. Если заглянуть в историю несколько десятилетий назад, то обнаружится, что генетиками тогда были получены псевдомутации, которые имели свойства, аналогичные наблюдаемым при возникновении настоящих мутаций. Такие изменения наследовались, но через некоторое число поколений исчезали бесследно. Тогда было понятно, что эти изменения не были связаны с изменениями самой структуры ДНК. И только в последние годы прояснилась молекулярная природа этого явления, происходящего без изменения последовательности нуклеотидов ДНК, что и явилось фундаментом эпигенетики. Оказалось, что изменения эти происходят на уровне хроматина. - Хроматин – основной материал хромосом. Нить ДНК закручена на гистоновый октамер – как бусинки на нитке + негистоновые белки + РНК. - Гистоны – это ядерные белки (белковая составляющая
нуклеосом). - Нуклеосома – структура, состоящая из 4 пар гистоновых белков, на которых накручена нить ДНК. Касаясь темы эпигенетики, необходимо познакомиться с понятием уровней организации хроматина. Изучая эти структуры, наши биологи используют различные современные методы, как например, конфокальная микроскопия (последнее достижение), метод малоуглового рассеяния нейтронов. Здесь можно отметить, что изучением структурной организации хромосом ученые занимаются более 100 лет, но четкое представление получено только о первом уровне. Все остальные пока достоверно не определены. Итак, об упаковке ДНК в клетке, т.е. об уровнях организации хроматина. На первом уровне – это хроматиновая нить. Этот уровень образуется 4–мя видами нуклеосомных гистонов. Белковая составляющая (кор) нуклеосомы состоит из 8 молекул (по 2 молекулы каждого вида гистонов). Молекула ДНК спирально накручена на белковый кор. Вдоль нуклеосомной нити, которая напоминает цепочку из бус, имеются области ДНК, не связанные с белками (линкерная ДНК). Они играют важную роль в дальнейшей упаковке хроматина на других уровнях. На 2-ом уровне происходит компактизация (упаковка) нуклеосомной нити. Нить скручивается в спираль. Как она организуется и в каком виде существует – не очень ясно. В клетке имеются специальные белки, которые всегда работают с этими структурами. Топоизомераза – белок, который связывается с ДНК и обеспечивает скручивание или раскручивание биспирали ДНК. Топоизомераза в нити хроматина создает дополнительные витки в спирали ДНК, в результате возникает напряжение, которое автоматически заставит нуклеосомную нить сложиться в спиральную структуру. Для того, чтобы напряжение оставалось только на линкерной ДНК, которая не накручена на белковый кор, гистон Н1 скрепляет нить ДНК в местах, где она входит и выходит из нуклеосомы и, таким образом, не дает напряжению уходить на нуклеосомную ДНК. На следующем уровне(ях) происходит дальнейшая компактизация хроматина, принцип организации которой в настоящее время не ясен. Однако конечный результат компактизации хроматина в клетках человека легко наблюдать в виде ядерных телец – хромосом. Гены (кодирующие генетическую информацию последовательности ДНК) распределены по длине хроматиновой нити не равномерно. Как правило, они собраны в группы, формирующие хромосомные домены. Доменов много. Они разделены барьерными последовательностями ДНК, которые не несут генетической информации и служат в качестве скрепок для присоединения к оболочке ядра. Домены интересны тем, что в них расположены гены, кодирующие различные белки. Захаров Илья Артемьевич (заведующий Лабораторией генетики эукариот до 1987 года) занимался составлением карт генов млекопитающих и увидел, что гены, кодирующие определенные белки, в хромосомах различных организмов формируют кластеры (группы сцепления). При этом эти кластеры в разных видах распределены по хромосомам случайно, но набор генов внутри кластера всегда одинаков. По-видимому, кластеры соответствуют доменам хроматина, о которых речь шла выше. В настоящее время накапливаются данные, свидетельствующие о том, что видообразование происходит в первую очередь в результате перетасовки доменов по разным хромосомам и лишь во вторую очередь за счет накопления новых мутаций. Показано, что порядок включения и выключения генов, входящих в определенный домен, зависит от степени модификации хроматина данного домена и соседа слева и справа. Не все гены в геноме функционируют. Теперь становится понятно, что функционирование гена во многом определяется плотностью упаковки участка ДНК, содержащего данный ген. Эта плотность в свою очередь определяется химической модификацией гистонов. О гистонах. Наиболее важными из аминокислот для модификации гистонов являются лизин и аргинин. Большую роль в работе гистонов играет электростатика. ДНК несет отрицательный заряд, а гистоны положительный. Гистоны могут быть химически модифицированы посредством присоединения к определенным аминокислотным остаткам различных химических групп (метильные, ацетильные, фосфатные). Эти модификации даже было предложено рассматривать как новый генетический язык, называемый «гистоновый код», который позволяет регулировать считывание генетической информации. Имеются различные химические модификации гистоновых белков. Их много в отличие от ДНК, где существует одна модификация – метилирование цитозина. Биологи ПИЯФ исследуют модификации гистонов и их влияние на работу генома. Метилирование – одна из важных модификаций и происходит, как правило, по лизиновым остаткам гистона Н3. К положительно заряженному лизину может быть присоединено от одного до трех метильных остатков – СН3, и при этом положительный заряд сохраняется. За присоединение метильных остатков отвечают особые ферменты – гистонметилтрансферазы (НМТ). Деметилазы выполняют обратную реакцию. Другая очень важная модификация – это ацетилирование, которое происходит по тем же остаткам лизина, но при этом положительный заряд исчезает. Происходит нейтрализация. Фосфорилирование – еще одна модификация. Оно идет по аминокислотным остаткам серина. В результате химических модификаций гистоновых белков изменяется их заряд, а, значит, и сила их электростатического взаимодействия с молекулой ДНК. На что же влияют все эти модификации? Вот несколько самых важных моментов. - Поддержание структуры хроматина – доступ к информации ДНК обеспечивается хроматином; - Канцерогенез. Уже давно известно: для того, чтобы произошел переход из нормальной клетки в раковую, необходимо «выключить» 20 генов. Однако получить мутирование такого количества генов одновременно в одной клетке нереально, учитывая мощные репарационные процессы, защищающие ДНК клетки от повреждения. Когда стало понятно, как действует генетическая регуляция работы генов, высказали предположение о том, что можно «выключить» какой-то ген или группу генов без внесения мутаций. Если имеется сбой в регуляции на уровне хроматина, будут «выключены» необходимые гены (группы генов), и произойдут раковые перерождения клетки без генерации новых мутаций. Похоже, работают обе схемы. Часть генов перестает работать за счет новой генетической мутации в последовательности ДНК, часть выключается за счет изменения «гистонового кода» и нарушения работы генов. - Также изменение «гистонового кода» участвует в таких клеточных процессах как транскрипция (считывание информации с ДНК) и репарация (восстановление поврежденной ДНК). Откуда берутся гистоны в ядре клетки? Все белки
синтезируются в цитоплазме. (Надо отметить, что в чистом виде все гистоны
токсичны). В качестве примера рассмотрим функцию гистона Н4.
Когда заканчивается его синтез на рибосоме, он имеет большой положительный заряд. Этот заряд должен быть на гистонах компенсирован
до тех пор, пока они не связались с ДНК и не встроились в структуру
хроматина. Гистон взаимодействует с шапероном
– белком, снимающим лишний заряд, нейтрализуя его, и весь комплекс доставляется
в ядро, где он соединяется с другими гистонами. Так образуется более
сложная молекулярная структура – нуклеосома.
Как упоминалось выше, нить ДНК накручена на гистоновый
кор, однако сама биспираль
ДНК, достаточно жесткая структура, и для ее сгибания необходимо приложить
достаточно большое усилие. Для удержания ДНК на белковом
коре существует 12 точек, обеспечивающих электростатическое взаимодействие
с этим кором. Для стабилизации этой структуры
необходим дополнительный положительный заряд на «хвостах», которые не
входят в глобулярную часть гистонов. Стоит с лизинов, входящих в состав
«хвостов» гистонов, снять заряд, как вся система теряет стабильность.
Хвосты гистонов доступны для
ферментов. Как уже отмечалось выше, специальные ферменты могут производить
их химические модификации. Для чего они нужны? Во-первых, для стабилизации
и правильного функционирования данной структуры. Во-вторых, меняя заряды,
можно менять стабильность системы и облегчать доступность ДНК для белковых
комплексов, например, участвующих в процессах репликации, транскрипции,
репарации ДНК. Интересно отметить
еще нечто важное. Химические модификации по различным положениям аминокислот
в гистонах могут быть сигналом для
включения различных процессов в клетке. Так, метилирование
гистона H3
по К4 (по
4 лизину), является меткой для
взаимодействия с различными белками, дающими сигнал для проведения транскрипции
(считывания информации с ДНК), а в K9
положении – для выключения. Гетерохроматин – это хроматин, который выключен из активного
функционирования, т.е. молчащий, в котором не происходит считывания
информации с генов, а только осуществляется хранение информации. Так,
метилирование лизина в 27 положении гистона Н3 способствует
образованию гетерохроматина и выключению работы
генов. По химическим модификациям
гистонов клетка также может понять, что ДНК повреждена, и необходимо
привлечь соответствующие ферменты для ее репарации. Клетки гибнут, если
их ДНК не репарировать, поэтому клетки должны
чувствовать, что их ДНК повреждена. Как сообщить об этом? Для этой цели
необходимо ввести определенные модификации гистонов. Это будет сигналом
для сборки репарационного белкового комплекса.
Лаборатория эукариот ОМРБ ПИЯФ занимается изучением генов, контролирующих состояние хроматина и, как следствие, транскрипцию, репарацию, спонтанный и индуцированный мутагенез у дрожжей и дрозофилы. В лаборатории было показано, что ряд генов дрожжей Saccharomyces cerevisiae, контролирующих состояние хроматина, существенно влияют на ход мутационного процесса у этого организма. Получение данных по влиянию состояния хроматина на процессы репарации генетического материала клетки на модельных объектах позволит приблизить исследователей к пониманию контроля такого сложного процесса как жизнь и смерть клетки и даст шанс объяснить молекулярные основы распространенных заболеваний человека, включая онкопатологию. |
||
