В какой клетке содержится хроматин

ХРОМАТИН — материальный субстрат хромосом, представляющий собой многокомпонентную систему молекул, находящихся в определенных пространственных, химических и физических взаимоотношениях.

Основным структурным и химическим компонентом хроматина служит комплекс дезоксирибонуклеиновой кислоты (см.) с гистонами (см.) и негистоновыми белками (см. Нуклеопротеиды), иногда — с протаминами (см.). Другие компоненты хроматина — РНК (см. Рибонуклеиновые кислоты), липиды (см.), углеводы (см.), неорганические вещества прямо или косвенно связаны с белками (см.). Количественные соотношения компонентов хроматина существенно зависят от типа клеток; их относительное содержание чаще всего соответствует следующим величинам: ДНК 30—45%, гистоны 30—50%, негистоновые белки 2—35%, РНК и другие компоненты 1 —10%.

Термин «хроматин» был введен в 1880 году немецким ученым В. Флеммингом для обозначения окрашивающихся структур фиксированных ядер клеток (за исключением ядрышек). Преобладающая часть таких структур окрашивается основными красителями (базохроматин), а некоторые — кислотными (оксихроматин). Выделяемые в ядре хроматиновые структуры имеют вид глыбок или сети фибрилл, различающихся в одной клетке и в клетках разных объектов по степени дисперсности. Наиболее интенсивно окрашивающиеся глыбки — хромоцентры (кариосомы) иногда называли ложными ядрышками. Хромо центры имеют, по-видимому, повышенную адгезивную способность, поскольку они легко входят в контакт с ядерной оболочкой, а также агрегируют друг с другом.

Структура хроматина в ядрах интерфазных клеток, то есть клеток, находящихся в периоде между следующими друг за другом митозами (см.), зависит от стадии развития организма (см. Онтогенез, Эмбриональное развитие). У ряда исследованных объектов в первых 2—4-х бластомерах хроматиновые структуры не выявляются, на стадии 8—10 бластомеров в ядре выявляются мелкие хроматиновые глыбки, приобретающие в неделящихся дифференцированных клетках высокоспецифичный характер для каждого типа клеток (см. Деление клетки). В процессе старения этих клеток наблюдают усиление конденсации хроматина.

Изоэлектрическая точка (см.) хроматина зависит от количества белков, входящих в комплекс с ДНК, и находится в интервале значений pH 3,0—5,0. Патологические изменения хроматина как морфологические структуры сопровождаются изменениями pH, при которых находится изоэлектрическая точка. Это отмечают, например, при воздействиях ионизирующего излучения, старении и др. При различных патологических состояниях может меняться и степень дисперсности хроматина. Так, опухолевые клетки характеризуются наличием большого числа хромоцентров, имеющих иногда достаточно крупные размеры; при болезни Дауна (см. Дауна болезнь) хроматин по сравнению с нормой более конденсирован, изменены константы его связывания с красителями; при синдроме Блума (см. Пойкилодермия) хроматин имеет пылевидную или сегментированную структуру. При некоторых видах патологии отмечено усиление конденсации хроматина и концентрация его крупных глыбок на внутренней поверхности ядерной оболочки (гиперхроматоз).

Структуры хроматина и половой хроматин (см.) наблюдают с помощью световой микроскопии. Форма и размер этих структур зависят от способа фиксации клеток. Это свидетельствует о том, что выявляемая после фиксации морфология хроматина отражает не его истинную структуру в живой клетке, а лишь возможность разных способов его организации. В ядрах живых клеток, как правило, компоненты, соответствующие хроматиновым структурам, не выявляются. Однако незначительные повреждения (раздражения) в ряде случаев приводят к обратимому появлению таких структур в прежде гомогенном ядре (напр., при воздействии наркотических анальгетиков и др.). Известен и противоположный эффект — обратимая «гомогенизация» структур, выявляемая в норме в ядрах живых клеток. Естественно, что оптическая гомогенность ядра не тождественна структурной гомогенности хроматина на уровнях более низких, чем позволяет видеть разрешающая способность световой микроскопии. Поэтому сейчас термин «хроматин» утрачивает свое морфологическое содержание, его чаще относят к химическому субстрату хромосом (см.) — сложному комплексу биополимеров. Организующие этот комплекс в единую систему в основном слабые (нековалентные) взаимодействия, равно как и конформация (см.) образующих его молекул, существенным образом зависят от хим. состава, количественного соотношения взаимодействующих компонентов и внешних факторов. Это определяет возможность различных способов организации комплекса в целом и (или) благодаря структурной динамике организации его отдельных структурных компонентов. Полагают, что набор таких способов организации (состояний) ограничен, а переходы между ними имеют характер фазовых переходов. Реализация состояния хроматина, по тем или иным причинам не соответствующего состоянию данной клетки в норме, является признаком патологии.

Установлено существование, по крайней мере, двух классов хроматина: 1) эухроматина, который деконденсируется во время интерфазы и конденсируется в митозе; 2) гетерохроматина, который остается компактным не только в митозе, но и в интерфазе, где его микроскопически идентифицируют в виде хромоцентров. Эухроматин является основной информационной частью генома, в которой преимущественно локализованы структурные гены с соответствующими регуляторными областями. Для гетерохроматина характерна поздняя репликация (см.) ДНК, входящей в его состав. В отличие от эухроматина гетерохроматин в структурном отношении более лабилен: иногда наблюдают его деконденсацию при голодании, действии низких температур и др. Установлено, что при воздействии ряда мутагенных факторов (см. Мутагены) химической и физической природы структурные повреждения чаще локализуются в гетерохроматиновых областях хромосом. Различают два типа гетерохроматина. Первым из них является структурный, постоянно конденсированный хроматин. Как правило, в нем не содержится генов (см. Ген), его ДНК представлена в основном короткими повторяющимися нуклеотидными последовательностями (у некоторых организмов — сателлитной ДНК). При пространственном сближении в результате хромосомных перестроек участков структурного гетерохроматина и эухроматина в ряде случаев ингибируется фенотипическое проявление генов (так называемый эффект положения гена). Активация генов, локализованных в эухроматине, при пространственном разобщении последнего с гетерохроматином может быть, согласно некоторым представлениям, одной из причин активации онкогенов, локализованных в ДНК хромосомы. В целом роль структурного гетерохроматина недостаточно ясна. Полагают, что он существен для процессов конъюгации хромосом (см.), взаимного расположения хромосом в ядре, прикрепления участков хромосом к ядерной оболочке, укладки хроматиновых фибрилл, защиты жизненно важных элементов хромосом, сближения ядрышкообразующих хромосом, эволюции кариотипа и др. Таким образом, предполагаемая роль структурного гетерохроматина заключается в регуляции пространственной организации и соответственно — функциональной активности хромосом.

У человека структурный гетеро-хроматин локализован в центромерных участках всех хромосом, в районах вторичных перетяжек хромосом 1, 9, 16-й пар, коротких плечах акроцентрических хромосом, в дистальной части длинного плеча Y -хромосомы и обрамляет блоки генов рибосомной РНК (ядрышкообразующие районы). На долю структурного гетерохроматина у человека приходится 10—15% всего хроматина. У разных лиц количество структурного гетерохроматина варьирует даже в пределах гомологичных хромосом. Обнаружено, что полиморфные варианты структурного гетерохроматина (см. Полиморфизм в генетике) у людей могут коррелировать с некоторыми наследственными заболеваниями, а возможно определять их или указывать на предрасположенность к ним.

Вторым типом гетерохроматина принято считать факультативный гетерохроматин, или инактивированный эухроматин. Этот тип хроматина сходен с гетерохроматином только в морфол. отношении: микроскопически он выявляется в интерфазном ядре в виде интенсивно красящихся глыбок разного размера. Основываясь на молекулярной организации и функциях, его правильнее считать одним из типов эухроматина. Он содержит структурные гены, фенотипически инактивированные путем конденсации (гетерохроматини-зации) эухроматина. Одним из типичных примеров факультативного гетерохроматина являются тельца Барра (X-хроматин).

Таким образом, функционирование хроматина как системы, в которой происходит начальный этап реализации наследственной информации, в значительной степени определяется пространственным распределением ее взаимозависимых конденсированных и де-конденсированных зон (согласно представлениям о физических процессах, лежащих в основе самоорганизации пространственной структуры хроматина,— микрофазовое расслоение системы). Распределение конденсированных и деконденсированных зон является отражением состояния системы в целом, что не исключает, однако, относительной автономности этих участков в ряде процессов. Известны случаи, когда путем конденсации хроматина осуществляется инактивация целых хромосом (например, одной из X-хромосом у женщин) или почти всего генома (напр., в эритроцитах птиц). В большинстве типов клеток доля активного хроматина составляет 2— 15%. По данным молекулярно-биол. анализа, в ряде случаев инактивация связана с появлением определенных подфракций гистона Н1 или замещением последнего другими гистонами, в частности гистоном Н5 (см. Нуклеопротеиды). В сперматозоидах некоторых животных репрессия генома реализуется на фоне замещения гистонов протаминами или подобными им белками.

Существенную роль в организации транскрипции (см.), в том числе через дифференциальную деконденсацию хроматина, отводят негистоновым белкам хроматина (НГБ). В их число входят также ферментные комплексы, ответственные за репарацию (см. Репарация генетических повреждений), репликацию, транскрипцию и модификацию нуклеиновых кислот (см.) и за некоторые ферментативные превращения ряда хромосомных белков. В ядрах клеток, в которых не происходит активной транскрипции, количество негистоновых белков хроматина существенно уменьшено. Например, зрелые гаметы в значительной степени освобождены от таких белков. Полагают, что в организации или поддержании транскрипции принимают участие негистоновые белки хроматина, прочно связанные с ДНК, среди которых, по-видимому, находится компонент, специфически связывающий комплекс гормон — рецептор, а также тесно связанные с нуклеосомами белки HMG14 и HMG17. Последние способны ингибировать деацетилирование гистонов, а этот процесс наряду с недометилированием ДНК представляет собой модификации, характерные для компонентов активных участков хроматина.

Важным для структурных переходов хроматина является способность белка хроматина А24 к расщеплению на гистон Н2а и полипептид убиквитин. Общей характеристикой участков транскрипционно активного хроматина из разных источников является повышенная чувствительность их ДНК к воздействию ряда нуклеаз (см.). При активации транскрипции такая чувствительность распространяется на участок молекулы ДНК в составе хроматина по протяженности примерно на два порядка больше, чем занимает ген. Все изложенное выше свидетельствует о значении в организации транскрипции более высоких уровней упаковки хроматина, чем его элементарная фибрилла, видимая в электронный микроскоп. Последняя при участии гистона Н1, расположенного наряду с негистоновыми белками хроматина HMG1 и HMG2 в основном на межнуклеосомной ДНК, представляет волокно диаметром около 10 нм. При этом монотонность нуклеосомной организации дезоксирибонуклеопротеидного (ДНП) волокна может нарушаться благодаря структурной динамике нуклеосом (см. Клетка), модификации гистонов при их фосфорилировании, ацетилировании, метилировании и рибозилировании.

Существенную роль отводят меж-молекулярным контактам, способным регулировать конденсацию ДНК на уровне нуклеосом. Нек-рые структурные переходы нуклеосом происходят при изменении ионной силы среды. В ядре клетки количество низкомолекулярных противоионов (ионов К+, Na+ и др.) по порядку величины равно числу фиксированных на макромолекулах (например, фосфатные группы ДНК) зарядов. Поэтому небольшие колебания в абсолютном количестве низкомолекулярных противоионов в ядре (например, при увеличении или уменьшении объема последнего) должны вызвать структурные переходы нуклеосом. Наконец, гистон Н1 может замещаться другими гистонами или их комплексами, имеющими большее сродство к ДНК, с соответствующей реорганизацией структуры фибриллы. Таким образом, возможность различных способов упаковки хроматина заложена уже на уровне различных полиморфных структурных вариантов элементарной фибриллы хроматина. Стабильность следующего уровня организации хроматина — неравномерных по диаметру (20—30 нм) фибрилл — обеспечивается, по-видимому, и гистоном Н1. Дальнейшая упаковка хроматиновых фибрилл реализуется, как полагают, путем самоорганизации системы с образованием конденсированных (глобулярных) зон и петель или независимых суперспирализованных областей (доменов). Домены характеризуются участком двойной спирали ДНК, специальным образом расположенным в пространстве, концы этой двойной спирали фиксированы, что ограничивает или исключает возможность ее вращения. Длина петли ДНК по контуру для разных объектов соответствует мол. весу (массе) ДНК порядка 10 000000— 100 000000. Изменение степени суперспирализации ДНК является еще одним важным фактором регуляции процессов экспрессии генов (см. Экспрессивность гена) через модификацию надмолекулярных систем хроматина. Суперспирализация ДНК изменяется также при действии ионизирующего излучения, некоторых химических соединений, активации нуклеаз и др. Указанные факторы вызывают однонитевые разрывы в молекулах ДНК, что приводит к релаксации в отдельных петлях ее исходной суперспиральной структуры. Этот процесс может вызывать перераспределение белков хроматина, поскольку ряд белков имеет различные константы связывания с линейной, кольцевой и суперспиральной ДНК.

Воздействие агентов, вызывающих диссоциацию белков, в частности гистонов хроматина (некоторые химимечсие мутагены, ионизирующие излучение, высокие концентрации солей, ионов водорода и др.), также приводит к изменению степени суперспиральности, поскольку сам процесс образования нуклеосом связан с реорганизацией суперспирали ДНК.

Полагают, что динамические возможности структуры хроматина нельзя рассматривать только как один из факторов, регулирующих транскрипцию. Действие всех остальных факторов регуляции, как внутри-, так и внеклеточных, реализуется через создание структуры хроматина, специфичной для каждого типа клеток, различающихся по характеру синтеза РНК. В этой связи все воздействия, изменяющие нормальные взаимоотношения между компонентами хроматина и тем самым — его структуру, должны приводить к патологическому функционированию этой системы. Существенное значение имеют изменения структуры хроматина, предрасполагающие к последующему генетическому неблагополучию. Так, полагают, что важное значение может иметь реализация состояний хроматина, при которых снижена вероятность узнавания ферментами репарации повреждений ДНК — явления, которое, по-видимому, служит одной из ведущих причин феномена нестабильности хромосом и характерной для них группы наследственных болезней (см. Хромосомные болезни). Отмечена связь некоторых изменений структуры хроматина с увеличением частоты конъюгации негомологичных хромосом — одной из возможных причин анеуплоидий (см. Мутация). При действии генетически опасных агентов на клетки и организмы кроме генетических повреждений самой ДНК (генные мутации) и указанных выше перестроек структуры хроматина как системы возникают многочисленные нарушения во взаимодействиях между компонентами хроматина: частичная диссоциация белков хроматина, образование межмолекулярных «сшивок» между ДНК и белками, распад фибриллы хроматина на нуклеосомы и др., что в свою очередь усиливает патологический эффект такого агента.

Библиогр.: Андрееве. Г. и Спитковский Д. М. Биофизические модели самоорганизации пространственной структуры хроматина, Докл. АН СССР, т. 269, № 6, с. 1500, 1983; Георгиев Г. П. и Бакаев В. В. Три уровня структурной организации хромосом эукариот, Молек. биол., т. 12, № 6, с. 1205, 1978, библиогр.; Нейфах А. А. и Тимофеева М. Я. Проблемы регуляции в молекулярной биологии развития, М., 1978; Прокофьева-Бельговская А. А. Значение негистоновых белков в преобразованиях и генетическом функционировании хромосом, Молек. биол., т. 16, Na 4, с. 771, 1982; Теоретические проблемы медицинской генетики, под ред. А. Ф. Захарова, с. 52, М., 1979; Chromatin structure and function, ed. by C. A. Nicolini, N. Y. —L., 1979.

Д. М. Спитковский, H. А. Ляпунова.