Sivolob_A_V__Afanasyeva_K_S_Molekulyarna_organ

321

стабільними модифікаціями хроматину в цих ділянках, зокрема, метилуванням гістону Н3 по лізинах 9 та 27. Якщо димінуції підлягають некодуючі послідовності генів, то після своєрідного "сплайсингу" кодуючи послідовності можуть мати трохи інший порядок, ніж у ядрі-попереднику і, відповідно, у мікронуклеусі.

Ампліфікація міні-хромосом макронуклеуса, яка є завершальним етапом реорганізації його хромосомного апарату, приводить до накопичення величезної кількості (іноді до 106) ідентичних молекул ДНК. Таким чином, кількість ДНК в макронуклеусі може перевищувати таку в мікронуклеусі більш ніж у 50 разів. Крім того, під час дозрівання, у деяких видів інфузорій спостерігається поява політенії з характерною дискміждисковою посмугованістю хромосом.

Отже, сформований макронуклеус інфузорій має велику кількість міні-хромосом, які майже позбавлені некодуючих послідовностей ДНК і часто мають лише один ген. Після димінуції повторювальних послідовностей та фрагментації більшість новоутворених хромосом не мають центромери. Зрозуміло, що рівноцінний розподіл генетичного матеріалу між двома дочірніми клітинами при поділі є неможливим. Саме тому макронуклеус ділиться шляхом амітозу, а його мініхромосоми не підлягають типовій для інших еукаіріотичних ядер компактизації.

8.3. Хромосоми прокаріотів

Геноми бактерій представлені однією чи, рідше, двома молекулами ДНК, які формуючи комплекси з білками, утворюють бактеріальну хромосому. Бактеріальні хромосоми не відокремлені від цитоплазми мембранами і створюють у клітині компартмент неправильної форми, який називається нуклеоїдом. Крім хромосом, бактеріальні геноми містять також невеликі автономні кільцеві молекули ДНК – плазміди, які реплікуються незалежно від бактеріальної хромосоми. У більшості видів бактерій нуклеоїд сформований однією циркулярною молекулою ДНК. Проте, представники родів

322

Streptomyces та Borrelia містять одну лінійну молекулу ДНК,

а роду Agrobacterium – одну лінійну та одну кільцеву молекули. Розмір бактеріальної хромосоми зазвичай коливається від 500 тис до 10 млн пар нуклеотидів. Приблизно 90 % її ДНК представлено кодуючими послідовностями, але також бактеріальний геном може містити псевдогени (у Mycobacterium leprae вони складають 27 % генома), профаги (у деяких штамів E. coli їх кількість може сягати 16 % від розміру генома) та повторювальні послідовності. Серед останніх найбільшу кількість становлять короткі олігонуклеотидні повтори, що не мають кодуючих функцій. Інша частина припадає на "кодуючі повтори", до яких відносяться оперони генів рРНК та ISелементи (від insertion), що кодують білок транспозазу, який забезпечує переміщення IS-елементів по геному. Послідовності ДНК, які складають бактеріальну хромосому, дуже мінливі навіть в межах декількох клітинних поколінь: втрата частини генів або набуття нових послідовностей відбувається за рахунок горизонтального перенесення генів, базисом якого є процеси

трансдукції, кон’югації та трансформації.

Незважаючи на невеликий (у порівнянні з еукаріотами) розмір генома, контурна довжина ДНК бактерій перевищує розмір самої клітини приблизно у 1000 разів, тому, так само як і в еукаріотів, бактеріальна хромосома зазнає значної компактизації в нуклеоїді. В першу чергу така компактизація забезпечується наявністю в циркулярній молекулі ДНК бактеріальної хромосоми надспіралізації негативного знаку, за рахунок якої утворюються надспіральні плектонемічні витки. У результаті простір, який займає циркулярна молекула ДНК в нуклеоїді, стає меншим (рис. 8.12). Надспіралізації піддаються окремі петельні домени ДНК, (в середньому розміром 10 тис. пар основ), які розгалужуються і випетлюються із центральної частини нуклеоїда в цитоплазму. Найчастіше вони розміщені у вигляді стопки один над одним в орієнтації, перпендикулярній до довгої осі клітини. Місце розташування доменів вздовж ДНК не залежить від послідовності і суттєво відрізняється між різними бактеріальними клітинами.

323

Рівень надспіралізації доменів залежить від фази, на якій перебуває клітина: під час експоненційного росту ступінь надспіралізації є набагато більшим, ніж під час стаціонарної фази. Топологічний стан доменів бактеріальної хромосоми підтримується роботою трьох основних ферментів – топоізомерази І, гірази та топоізомерази IV. Їх робота забезпечує баланс рівня торсійної напруги у петлях: у той час як гіраза вносить негативні надспіральні витки, топоізомераза І їх релаксує. Активність топоізомерази IV є необхідною під час реплікації бактеріальної хромосоми – вона забезпечує декатенацію (розділення двох топологічно зачеплених одна з одною циркулярних молекул ДНК, що утворилися).

а

б

Рис. 8.12. Релаксована циркулярна ДНК (а) та циркулярна ДНК із надспіралізованими доменами (б).

Окрім надспіралізації, суттєвий внесок у компактизацію бактеріальної хромосоми і підтримання структури нуклеоїда вносять білки. Їх якісний та кількісний склад у нуклеоїді дуже сильно залежить від стадії, на якій перебуває бактерія (експоненційний ріст чи стаціонарна фаза). Це, в свою чергу, дещо змінює локальну структуру самого нуклеоїда впродовж клітинного циклу бактерій.

Найбільш детально білковий склад бактеріальної хромосоми досліджений у E. coli. Серед білків, які присутні в нуклеоїді, найбільшу кількість становлять ті, що відносяться до групи гістон-подібних білків. Таку назву вони отримали через свою

324

функціональну (але не структурну) схожість із еукаріотичними гістонами: це невеликі за молекулярною вагою лужні білки, які взаємодіють з ДНК за електростатичним механізмом. Основними гістон-подібними білками, які приймають участь у компактизації ДНК, є HU (heat-unstable

nucleoid protein), IHF (integration host factor), H-NS (histone-like

nucleoid structuring protein) та Fis (factor for inversion stimulation).

Їх функція не обмежується лише підтриманням компактної структури бактеріальної хромосоми, вони також відіграють важливу роль в регуляції експресії генів, рекомбінації та репарації ДНК.

Білок HU є основним компонентом бактеріального нуклеоїда. У більшості бактерій він є гомодимером, але у E. coli та інших ентеробактерій під час пізньої фази експоненційного росту дві гомологічні субодиниці утворюють гетеродимер HUα/β. HU взаємодіє з ДНК незалежно від послідовності в маленькому жолобку подвійної спіралі, індукуючи при цьому вигин подвійної спіралі (рис. 8.13), − це робить його функціональним аналогом еукаріотичних білків HMGB (підпідрозд. 2.4.2). Роль білка HU в компактизації бактеріальної хромосоми залежить від його концентрації: при низьких концентраціях він забезпечує конденсацію ДНК, а при високих – навпаки, робить її більш витягнутою. Такий вплив на структуру хромосоми пояснюється тим, що при зв’язуванні з ДНК невеликої кількості молекул HU, вони індукують вигини цієї молекули під різними кутами (від 60° до 140°) ( рис. 8.14, а). При цьому, крім конденсації, спостерігається також і загальне підвищення конформаційної рухливості ДНК за рахунок тимчасових вигинів. Зростання концентрації білка приводить до його полімеризації у довгі жорсткі спіральні філаменти, які закручуються навколо ДНК, знімаючи при цьому негативну надспіралізацію і тим самим збільшуючи її довжину (рис. 8.14, а). Так само, як і у випадку білків HMGB, деформації ДНК, викликані HU, забезпечують ефективну взаємодію різноманітних регуляторних білків з промоторами генів та з іншими компонентами бактеріальної хромосоми.

325

Рис. 8.13. Комплекси з ДНК димерних білків HU (ліворуч, код

PDB 1P78) та IHF (праворуч, код PDB 1IHF).

Гомолог HU, гетеродимерний білок IHF, також є одним із мажорних компонентів бактеріальної хромосоми. На відміну від свого гомолога, він взаємодіє з ДНК у чітко визначених сайтах, розміром приблизно 30 пар основ із консенсусною послідовністю в 13 пар основ. В геномі E. coli нараховується приблизно 1000 таких сайтів, розміщених в основному поблизу промоторів генів, що забезпечує ефективне функціонування білка IHF також і як транскрипційного регулятора. В місцях взаємодії IHF з ДНК індукуються значні вигини молекули під кутом більш ніж 160° ( рис. 8.13), що зумовлює компактизацію бактеріальної хромосоми на 30 %.

Ще одним фактором компактизації бактеріальної хромосоми є білок H-NS. В його структурі виділяють два домени (N- та C- кінцеві), які з’єднані між собою гнучким лінкером. N-кінцеві домени забезпечують димеризацію двох молекул H-NS, а С- кінцеві взаємодіють з ДНК. Ця взаємодія відбувається незалежно від послідовності, але переважно в АТ-збагачених ділянках. За рахунок наявності у димері двох ДНКзв’язувальних доменів, H-NS з’єднує між собою дві віддалені по ланцюгу ділянки ДНК, у тому числі й ті, що відносяться до різних суперспіральних доменів. Взаємодія цього білка з ДНК має кооперативний характер: з’єднувальні містки, сформовані декількома димерами H-NS, при підвищенні його концентрації перетворюються у паличкоподібні жорсткі структури (рис. 8.14, б). Мутантні штами бактерій, в яких спостерігається

326

гіперекспресія гена H-NS, мають аномально сконденсований нуклеоїд. Так само, як і білок HU, H-NS має підвищену спорідненість до негативно надспіралізованої ДНК (як і нуклеосома в еукаріотів, фіксує на собі негативні надспіралізовані витки). Крім підтримання компактного стану бактеріальної хромосоми, білок H-NS є важливим регулятором транскрипції бактеріальних генів (у E. coli він впливає на експресію 5 % генів).

а	в

б

Рис. 8.14. Вплив гістон-подібних білків HU (а), H-NS (б) та Fis (в) на структуру надспіралізованого домена ДНК бактеріальної хромосоми. Для білка HU вказано ефект двох концентрацій – низької (верхня панель) та високої (нижня панель).

Під час логарифмічної стадії росту, нуклеоїд бактерій містить велику кількість білка Fis, концентрація якого суттєво знижується при виході клітини в стаціонарну фазу. Його взаємодія з ДНК здійснюється як в межах слабо консервативного сайту, так і неспецифічно. В першому випадку Fis індукує вигини під кутом 900, забезпечуючи суттєву компактизацію хромосоми, у другому – зумовлює розгалуження

327

надспіралізованих доменів (рис. 8.14, в). Виступаючи негативним регулятором транскрипції генів, що кодують субодиниці гірази, Fis опосередковано впливає на рівень надспіралізації доменів бактеріальної хромосоми, і тим самим регулює експресію інших генів. Крім гістон-подібних, бактеріальна хромосома містить ряд інших білків, зокрема гомодимерні комплекси білків SMC, які додатково підтримують компактизований стан нуклеоїда та полегшують реплікацію бактеріальної хромосоми.

Таким чином, компактизація ДНК в нуклеоїді бактеріальних клітин забезпечується та підтримується за рахунок надспіралізації та білків, що стабілізують надспіральні домени, регулюють рівень надспіралізації і зумовлюють вигини в молекулі ДНК.

Розмір та загальна організація геномів представників надцарства Археї подібна до бактерій (всі досліджені види мають одну циркулярну молекулу ДНК). Проте, механізми компактизації ДНК, які розрізняються для різних таксономічних груп, що входять до складу Археїв, можуть відрізнятись від бактеріальних. Ключовим моментом є наявність чи відсутність у нуклеоїді білків, структурно подібних до еукаріотичних гістонів, – гістонів археїв (див. також підрозділ 2.1).

Представники систематичної групи Crenarchaeota у більшості випадків не містять гістонів. Компактизацію та підтримання структури нуклеоїда забезпечують різноманітні білки, які взаємодіють з ДНК неспецифічно, фіксуючи на собі негативно надспіралізовані домени.

Основним фактором, що забезпечує конденсацію ДНК у представників типу Euryarchaeota, є гістони археїв. В геномах майже всіх видів цього типу знайдені один або декілька гістонових генів, причому їх кількість не залежить від розміру ДНК: часто організми з великими геномами мають всього один гістоновий ген (і, відповідно, один варіант гістонів).

На відміну від еукаріотів, більшість типів гістонів архей не мають N- та C-кінцевих невпорядкованих хвостів та складаються лише із глобулярної частини (65-69 амінокислот), яка організована як стандартний гістоновий мотив. Так само, як

328

і для еукаріотичних гістонів, мінімальними стабільними комплексами в клітині є гомоабо гетеродимери. Серед усіх гістонових варіантів (їх нараховується більше 20) найбільш дослідженими є два – HMfB та HMfА. При взаємодії з ДНК їх гомоабо гетеродимери утворюють тетраметр, з яким взаємодіє приблизно 90 пар нуклеотидів, формуючи приблизно один суперспіральний виток: утворюється структура, аналогічна тетрасомі еукаріотів. Дослідження з використанням методу хроматинової імунопреципітації свідчать, що майже вся геномна ДНК в нуклеоїді асоційована з гістонами. Аналогічно до еукаріотів, крім компактизації ДНК, нуклеосомо-подібні частинки археїв відіграють важливу роль в регуляції експресії генів. Крім гістонів до складу нуклеоїда представників Euryarchaeota входить група низькомолекулярних білків, які, подібно бактеріальним білкам, вносять та підтримують негативну надспіралізацію циркулярної ДНК, а також індукують вигини та розгалуження молекули.

Рекомендована література

Загальна

Samner, A.T. Chromosomes: organization and function. – Oxford : Blackwell Science, 2003.

Еволюція каріотипів

Ferguson-Smith, M.A., Trifonov, V. Mammalian karyotype evolution // Nat. Rev. Genet. – 2007. – Vol. 8. – P . 950-962.

Speicher, M.R., Carter, N.P. The new cytogenetics: blurring the boundaries with molecular biology // Nat. Rev. Genet. – 2005. – Vol. 6. – P. 782-792.

Ventura, M., Archidiacono, N., Rocchi, M. Centromere emergence in evolution // Genome Res. – 2001. – Vol .11. – P.595599.

Wong, L.H., Choo, K.H.A. Centromere on the move // Genome Res. – 2001. – Vol.11. – P.513-516.

329

Статеві хромосоми

Bachtrog, D., Charlesworth, B. Towards a complete sequence of the human Y chromosome // Genome Biol. – 2001. – Vol. 2. – P. 1- 5.

Charlesworth, D., Charlesworth, B., Marais,, G. Steps in the evolution of heteromorphic sex chromosomes // Heredity. – 2005. – Vol.95. – P.118-128.

Ellegren, H. Sex-chromosome evolution: recent progress and the influence of male and female heterogamety // Nat. Rev. Genet. – 2011. – Vol. 12. – P. 157-166.

Особливі типи хромосом

Camacho, J.P.M., Sharbel, T.F., Beukeboom, L.W. B- chromosome evolution // Phil.Trans. R. Soc. Lond. – 2000. – Vol. 355. – P. 163-178.

Jones, N., Houben, A. B chromosomes in plants: escapees from the A chromosome genome? // Trends in Plant Science. – 2003. – Vol.8. – No.9. – P.417-423.

Loidl, J. Chromosomes of the budding yeast Saccharomyces cerevisiae // International Review of Cytology. – 2003. – Vol .222. – P.141-196.

Suja, J.A., Barbero, J.L. Cohesin complexes and sister chromatid cohesion in mammalian meiosis // Meiosis, Vol.5 (Eds. R.Benavente, J.-N.Volff). – Bazel: Karger, 2009. – P. 94-117.

Хромосоми прокаріотів

Samson, R., Reeve, J.N. DNA-binding proteins and chromatin // In: Archaea: molecular and cellular biology, Chapter 4 (Eds. Rachel Samson and John N. Reeve). – Washington: ASM Aess, 2007. – P. 110-117.

Schumann, W. Dynamics of the bacterial chromosome. Structure and function. – Weinhein : Wiley-VCH, 2006.