Роль хроматина в регуляции работы генов

В интерфазном ядре с помощью специальных красителей можно различить два основных типа хроматина. Гетерохроматин выглядит как тёмноокрашенные конденсированные блоки. Эухроматин — это деконденсированный, диффузно распределённый, слабо окрашиваемый хроматин^[1][3].

Считается, что в эухроматиновых участках хромосом находится подавляющее большинство генов, которые активно транскрибируются. Однако из-за своей малой толщины эухроматин не виден в световой микроскоп^[1][2].

В то же время гетерохроматин представляет собой спирализованные (уплотнённые) участки хромосом и содержит гены, которые обычно в этой клетке не активны^[1][2].

Учёные различают два основных типа гетерохроматина. Постоянный (конститутивный) гетерохроматин конденсирован практически на протяжении всего клеточного цикла и генетически не активен. Последовательности ДНК, из которых состоит конститутивный гетерохроматин, вероятно, не содержат генов. Этот тип гетерохроматина расположен в основном в участках центромер всех хромосом и характеризуется многочисленными повторами неинформативных последовательностей нуклеотидов^[1][2].

Факультативный гетерохроматин непостоянен и представляет собой инактивированные и конденсированные участки хромосом. Он может обратимо переходить из гетерохроматина в эухроматин в зависимости от типа клетки, стадии клеточного цикла или особенностей одной из гомологичных хромосом^[1].

Ключевую роль в структурной организации хроматина играют специфические белки — гистоны. Это относительно небольшие по молекулярной массе белки, которые присутствуют в ядрах клеток эукариот. Гистоновые белки богаты остатками аминокислот аргинина и лизина, что определяет их щелочные свойства^[3][4].

Гистоны выполняют важнейшую функцию — упаковку ДНК. В растянутом состоянии двойная спираль ДНК, содержащаяся в одной хромосоме человека, имеет длину в среднем 4—5 см. Однако, будучи спирализованной в хромосоме при участии гистонов, она измеряется долями микрометра. Масса гистонов в клетке почти равна массе ДНК, что свидетельствует об их активном участии в структурировании хроматина^[4].

Основной структурной единицей хроматина является нуклеосома. Нуклеосома представляет собой участок нити ДНК длиной около 200 пар оснований, уложенный на дисковидную гистоновую частицу (октамер) диаметром около 10—11 нм. Октамер состоит из восьми молекул гистонов четырёх типов (Н2А, Н2В, Н3 и Н4, по две молекулы каждого типа)^[4].

Вокруг гистонового октамера участок молекулы ДНК длиной в 140 пар нуклеотидов делает 1,75 витка. Молекулы гистона Н1 не входят в структуру нуклеосомы, но обеспечивают образование более высоких уровней компактизации ядерной ДНК^[4].

Степень спирализации хроматина напрямую влияет на доступность генов для ферментов транскрипции. В эухроматиновых (деконденсированных) участках гены активны и могут транскрибироваться. В гетерохроматиновых (конденсированных) участках гены, как правило, неактивны^[1][2].

Избирательная активность генов в разных типах клеток зависит от того, какие участки хромосом находятся в состоянии эухроматина. Например, в клетках печени активированы одни гены, а в нервных клетках — совершенно другие. В каждом типе клеток в данный момент времени задействовано не более 1—3 % общего числа генов генома^[1].

Кроме того, гистоны являются мишенью для различных посттрансляционных модификаций — ацетилирования, метилирования, фосфорилирования. Эти модификации определяют характер взаимодействия ДНК с регуляторными белками и ферментами, то есть активность тех или иных генов^[2][4].

Таким образом, хроматин не просто выполняет функцию упаковки ДНК, но и играет активную роль в регуляции экспрессии генов, определяя, какие участки генома будут доступны для транскрипции в данный момент времени и в данном типе клеток^[1][2][3][4].