Нуклеосома

1974 року Ада і Дональд Олінси опублікували електронні мікрографії волокон хроматину, що були виділені і підготовлені до мікроскопування м'якшими методами ніж, ті що використовувались раніше. Уникнувши застосування жорстких розчинників, вони змогли побачити структуру, що нагадувала «намистинки на нитці» — маленькі щільні тільця сполучені тонкими філаментами. Припускалось, що тільця, утворені білками, ймовірно гістонами, а філаменти — ниткою ДНК[2]. Олінси називали відркиті ними «намистини» «ν (ню) частинками», оскільки вони були новими і частиною нуклеогістну (комплексу ДНК і гістонами). Сам термін нуклеосома з'явився у 1975 року (P. Oudet, M. Gross-Bellard, P. Chambon)[5].

Незалежно від Олінсів того ж, 1974 року, структуру «намистини на нитці» вдалось візуалізувати за допомогою електронного мікроскопа також і Вудкоку, проте його стаття не була опублікована у Nature, рецензент відгукнувся про неї таким чином:

Еукаріотична хромосома, що складається із самозбірних 70 Å одиниць, які, мабуть, можливо кристалізувати, вимагала б переписування наших підручників із цитології і генетики! Я ніколи не бачив такої наївної статті, яка би претендувала на таку фундаментальну значимість. Однозначно, це не слід ніде публікувати! Оригінальний текст (англ.) A eukaryotic chromosome made out of self-assembling 70 Å units, which could perhaps be made to crystallize, would necessitate rewriting our textbooks on cytology and genetics! I have never read such a naive paper purporting to be of such fundamental significance. Definitely it should not be published anywhere!

Мікрографії Вудкока були опубліковані тільки 1976 року[5].

ДНК драбинка — картина, що виникає при електрофоретичному розділенні ДНК апоптичних клітин внаслідок фрагментації хроматину між нуклеосомами (у ділянках лінкерної ДНК)

Приблизно в той же час були отримані інші результати, що вказували на існування у хроматині повторюваної структури, і підтверджували, що дані Олінсів були не просто артефактами приготування мікроперпаратів. Дін Г'юїш (англ. Dean Hewish) і Лі Бергойн (англ. Leigh Burgoyne) відкрили у ядрі гепатоцитів пацюків нуклеазу, здатну розщеплювати ДНК у нитках хроматину. В одному із експериментів після обробки хроматину цим ферментом, вони виділили частково деградовану ДНК і розділили її методом гель-електрофорезу. З'ясувалось, що найкоротші фрагменти ДНК мали довжину 200 , а довші були кратні 200 — 400, 600, 800 і так далі. Оскільки розщеплення цією ж нуклеазою ДНК чистої від білків не давало такої картини, Г'юїш і Бергойн зробили висновки, що білки хроматину утворюють структури вздовж ДНК, які повторюються кожні 200 п.н., і між цими структурами ДНК є чутливою до дії нуклеаз[2].

Щоб підтвердити взаємозв'язок між продуктами часткової деградації ДНК довжиною 200 п.н. і сферичними частинками, виявленими за допомогою електронної мікроскопії, використовувалась комбінація обидвох методів. Нитки хроматину спочатку обробляли нуклеазою мікрококів, отримані фрагменти розділяли за масою шляхом диференційного центрифугування. Кожну фракцію мікроскопували, а також виділяли із неї ДНК і визначали її розмір за допомогою гель-електрофорезу. З'ясувалось, що найлегша фракція містила поодинокі сферичні частинки і фрагменти ДНК довжиною ~200 п.н., наступна — по дві з'єднані частинки і ДНК довжиною ~400 п.н. і так далі. Таким чином стало відомо, що базовою структурною одиницею хроматину є нитка ДНК довжиною 200 п.н. намотана на серцевину із білків — нуклеосома[2].

Подальші деталі молекулярної організації нуклеосом були з'ясовані завдяки працям групи Роджера Корнберга. Він показав, що структуру «намистини на нитці» можна отримати проінкубувавши очищену ДНК із димерами гістонів H2A-H2B і H3-H4. Щоб визначити скільки саме таких димерів входить до складу однієї нуклеосоми, Корнебрг разом із Джин Томас обробляли хроматин таким чином, що між усіма білковими молекулами, розташованими поруч, утворювались поперечні зшивки. Після цього комплекси зі зшивками виділяли і визначали молекулярну масу за допомогою гель-електрофорезу. Виявилось, що розміри отриманих комплексів відповідали восьми білкам-гістонам. Таким чином було встановлено, що нуклеосома складається зі двох димерів H2A-H2B і двох димерів H3-H4, тобто є октамером. Пізніше було показно, що гістон H1 асоційнований із лінкерними послідовностями і необхідний для вищих рівнів компактизації хроматину[2].

Відкриття нуклеосоми суттєво позначилось на уявленні про функціонування всього апарату реалізації і передачі спадкової інформації. ДНК вже не вважалась вкритою білками-гістонами, а навпаки — намотаною зовні на білокову серцевину. Таким чином з'ясувалось, що структура хроматину є більш відкритою до взаємодії із різноманітними факторами. Над кристалічною структурою нуклеосоми працювали відразу дві конкуруючі групи: Т. Річмонда і Г. Буніка. Зрештою вона була опублікована Річмондом і колегами у 1984 року із роздільністю 7,0 Ǻ, детальнішу структуру (2,8 Ǻ) розшифрували Каролін Люгер et al 1997 року[5].

Наступною важливою віхою у дослідженні нуклеосм було відкриття їхньої ролі в епігенетичній регуляції. Вперше гіпотеза про те, що епігенетична інформація може бути записана у формі модифікацій гістонових хвостів була запропонована 1993 року Тернером. Згодом з'явилась концепція «гістонового коду» (T. Jenuwein, C. Allis, 2001), яка дискутується і досі[5].

Структура нуклеосоми

У складі нуклеосом ДНК характеризуєтьсня негативною суперскрученістю, через те що, щільне обертання цієї молекули навколо білкової серцевини потребує прибирання приблизно одного витка всередині самої спіралі ДНК. Наявність негативних суперспіралей у складі нуклеосом призводить до виникнення позитивних суперспіралей у лінкерних ділянках, останні можуть бути розслаблені еукаріотичними топоізомеразами[3].

Попри те, що більшість іонних і водневих зв'язків із білками утворює цукрово-фосфатний остов ДНК, внаслідок чого нуклеосома може формуватись на ДНК із будь-якою послідовністю нуклеотидів, остання все ж впливає на силу взаємодії. Вибірковість зв'язування гістонів із певними ділянками не до кінця зрозуміла, проте з'ясовано, що у місцях найщільнішого контакту між ДНК і білками переважно розташовані А=Т пари, через що стає можливим стискання малого жолоба ДНК, необхідне для цієї взаємодії. Дві або три пари А=Т підряд роблять зв'язування ще легшим. Через це in vivo близько половини нуклеосом розміщені у ділянках, де динуклеотиди АА, АТ або ТТ розкидані на відстані ~10 п.н.[3]. Проте селективність нуклеосом щодо послідовності нуклеотидів у ДНК є достатньо слабкою для того, щоб інші фактори домінували у виборі місця їх локалізації[1].

В промоторній ділянці генів, також в активних енхансерах, існує ділянка ДНК, яка не зв'язана з нуклеосомами (англ. nucleosome-free region, NFR, чи англ. nucleosome-depleted region, NDR). Ця ділянка є важливою для зв'язування ДНК з транскрипційними факторами, приєднання факторів ініціації транскрипції та подальшої транскрипції гена. Вона обмежнована двома нуклеосомами: +1-нуклеосома, що знаходиться на досить сталій відстані від сайту старту транскрипції, та -1-нуклеосома, що розміщена в протилежному напрямку. Наступні декілька нуклеосом, як в плюс так і в мінус сторону, зазвичай також знаходяться на досить сталих позиціях, проте далі вони вже розмиваються і позиціювання нуклеосом всередині гену може бути різним.[7] Типова довжина вільної від нуклеосом ділянки — 140 нуклеотидів, 200 у дріжджів S. cerevisiae[8] Також фланкуючі цю ділянку нуклеосоми мають нетиповий склад гістонів, часто включають H2A.Z варіант гістону замість H2A, що трохи дестабілізує нуклеосому, полегшуючи її відділенню від ДНК.[7]