Биохимия старения

Канунго М. С.

При изучении последовательности аминокислот подфракций гистона Н1 было показано, что в отличие от остальных четырех гистонов он имеет основной концевой COOH-участок. Концевая NH₂– область (1-40) также имеет основной характер (24–39). В концевой NH₂– области изогистонов Н1 найдено большое число аминокислотных замен. Эти замены, по-видимому, определяют функциональные различия изогистонов Н1 во взаимодействии с НГБ и эффекторами, а также в связывании с ДНК. Концевая NH₂– область представляет собой неупорядоченную спираль. Центральный участок [(39±4)-(116±4)] кроме большого числа аминокислот кислотного характера и двух ароматических аминокислот содержит неполярные аминокислоты. Этот участок способен к образованию вторичной глобулярной структуры. Он в основном инвариантен и весьма консервативен, т. е. все гистоны Н1 различных организмов имеют в этой области практически одну и ту же последовательность аминокислот. По-видимому, она играет существенную роль в структуре хроматина.

Концевая COOH-область является сильно основной из-за наличия большого числа лизиновых остатков и весьма консервативна внутри одного вида. Поэтому она может играть общую роль во всех гистонах Н1. Она также представляет собой неупорядоченную спираль. Эта область в основном ответственна за связывание с ДНК. Предполагают, что основные области гистона Н1 связываются с ДНК, а неполярная и глобулярная центральная область взаимодействует с другими молекулами [77, 89, 154]. Стафилококковая дезоксирибонуклеаза специфически расщепляет хроматин между нуклеосомами, в результате чего образуются фрагменты ДНК, связывающие две соседние нуклеосомы. Показано, что гистон Н1 соединяется приблизительно с 30–60 парами оснований этих фрагментов ДНК, т. е., по-видимому, гистон Н1 не участвует в образовании структуры нуклеосомы, а располагается в областях между нуклеосомами. Положительный заряд гистона Н1 выше, чем у других гистонов. Он первым вытесняется из хроматина кислотой или щелочью и в большей степени подвержен разрушению протеазами, когда еще находится в связанном состоянии в комплексе хроматина [26, 263]. Если гистон Н1 добавить к хроматину с недостаточным содержанием этого гистона, то хроматин сжимается [46, 47]. Если же гистон Н1 смешать с двухцепочечной ДНК, то образуются структуры, имеющие форму бублика (тора) [166]; другие гистоны в подобных условиях участвуют в образовании глобул, похожих на нуклеосомы. Таким образом, гистон Н1, вероятно, участвует в образовании структур хроматина высшего порядка, а именно способствует закручиванию нитей нуклеосом в сверхспиральный виток с диаметром ~20 нм [47]. Аналогичные структуры образует с ДНК гистон Н5. Вероятно, различные подфракции гистона Н1 могут быть связаны с различными межнуклеосомными (линкерными) областями хроматина и участвуют в образовании разных сверхспиралей. В интерфазном хроматине ДНК свернута в несколько тысяч раз, благодаря чему она умещается по длине метафазной хромосомы. Определенную роль в этой конденсации ДНК может играть гистон Н1.

Гистон Н1 отличается от остальных гистонов быстрым обменом в культуре клеток [16]. В то время как синтез остальных четырех гистонов связан с синтезом ДНК и происходит только в S-фазе, синтез Н1 в клетках штаммов Friend и HeLa может происходить и в отсутствие синтеза ДНК, т. е. в G₁– фазе [385]. В клетках ВНК синтез гистона Н1 также частично происходит в G₁– фазе,[343].

Таблица 2.2. Сравнение свойств гистона Н1 и нуклеосомных гистонов

Гистоны Н2А, Н2В, Н3 и Н4

В процессе расщепления хроматина стафилококковой дезоксирибонуклеазой образуются глобулярные структуры, называемые нуклеосомами. Анализ нуклеосом показывает, что четыре гистона — Н2А, Н2В, Н3 и Н4 — присутствуют только в них. В ходе эволюции их структуры оказались гораздо более консервативными, чем структура гистона Н1, причем структуры гистонов Н3 и Н4 более консервативны, чем структуры гистонов Н2А и Н2В. Гистон Н3 содержит цистеин в положении 110, который сохранялся в течение всей эволюции. Показано, что гистон Н3 димеризуется путем образования дисульфидного мостика [280]. Он фосфорилируется при переходе из G₂– фазы в М-фазу и быстро дефосфорилируется в течение фазы G₁. Таким образом, фосфорилирование предшествует образованию дисульфидного мостика.

Очищенные гистоны Н3 и Н4 образуют в растворе тетрамеры, в формировании которых принимают участие концевые COOH-участки цепи. В опытах по реконструкции с использованием частично расщепленных гистонов Н3 и Н4 показано, что первые от NH₂– конца 41 и 37 остатков гистона Н3 и гистона Н4 соответственно несущественны для образования тетрамеров. Удаление 45 и 18 остатков с COOH-конца этих гистонов препятствует образованию тетрамеров. Областями, ответственными за образование тетрамеров, являются остатки 42-120 гистона Н3 и 38-102 гистона Н4 [43, 371]. Что касается гистона Н2В, то его центральная область, по-видимому, необходима для взаимодействия гистон — гистон [197].

Гистон Н5

Кроме гистонов пяти типов, которые присутствуют во всех клетках и тканях, имеющие ядро эритроциты низших позвоночных, рыб, амфибий, рептилий и птиц содержат другой гистон, Н5, который во многом похож на гистон Н1. Он был впервые обнаружен в эритроцитах цыпленка в 1961 г. [266], и позднее его существование было подтверждено [159]. Гистон Н5 содержит приблизительно 197 аминокислотных остатков, дает полосу рядом с гистоном Н1 при электрофорезе в полиакриламидном геле и имеет молекулярную массу ~23000. Ему свойствен молекулярный полиморфизм, а расположен он между нуклеосомами. Гистон Н5 связан с А-Т-областью ДНК и, так же как гистон Н1, оказывает стабилизирующее влияние на хроматин. Он тоже богат лизином, который составляет 23 % его аминокислотных остатков. С помощью метода ЯМР установлено, однако, что он отличается от гистона Н1, и, возможно, его эволюция происходила самостоятельно [78]. Лизиновые остатки гистона Н5 ацетилированы в большей степени, чем у гистона Н1, но не так сильно фосфорилированы. Он содержит большое число сериновых остатков (21), и у него, в отличие от гистона Н1, не наблюдается специфического образования кластеров из основных аминокислот на NH₂– конце. В противоположность гистону Н1 его NH₂– конец имеет структуру глобулы.

Информационная РНК (мРНК) гистона Н5 не содержит полиадениловой кислоты на 3'-конце, как это имеет место в случае других гистонов. У птиц на ранних стадиях развития клеток эритроидного ряда содержится мало гистона Н5. По мере развития этих клеток его количество увеличивается и, как следствие, уменьшается транскрипционная активность хроматина, хотя содержание РНК — нуклеотидилтрансферазы не меняется. В неделящихся зрелых эритроцитах синтез гистона Н5 продолжается даже тогда, когда другие пять гистонов уже не синтезируются [336]. Если гистон Н5 удалить из хроматина, то подавление транскрипционной активности ослабляется. Его синтез не координирован с синтезом других гистонов и не синхронизирован с синтезом ДНК: он синтезируется после других гистонов. Поскольку на ранних стадиях развития эритроцитов гистон Н5 отсутствует и появляется только на стадии эритробласта, когда он постепенно накапливается и подавляет при этом транскрипционную активность, было высказано предположение, что подавление происходит в результате конденсации хроматина, ведущей к его инактивации. Если ввести гистон Н5 не в эритроциты, а в другие клетки, то транскрипция также подавляется. Другое важное обстоятельство заключается в том, что вновь синтезированный гистон Н5 в развивающихся клетках эритроидного ряда фосфорилирован, а впоследствии, в ходе созревания клеток и ослабления транскрипции, дефосфорилируется. Таким образом, гистон Н5 играет, по-видимому, важную роль в поддержании сильно репрессированного состояния хроматина в имеющих ядра эритроцитах [35, 49, 168, 336]. Интересно отметить, что экспрессия гена гистона Н5 происходит только в клетках эритроидного ряда на специфической стадии, но как начинается его экспрессия и как она запрограммирована — неизвестно.

Протамины

Протамины представляют собой основные белки с малой молекулярной массой; они присутствуют в хроматине спермы вместо гистонов. Протамины появляются на стадии сперматиды и заменяют гистоны хроматина. Для них характерен полиморфизм. В сперме форели содержатся протамины трех типов, состоящие из 31–33 аминокислот. Протамины спермы млекопитающих длиннее — в их цепях ~45 аминокислот. Они богаты аргинином и не содержат лизина и триптофана; аргинин составляет две трети всех аминокислот. Собирающиеся в кластеры аргининовые остатки образуют длинные участки, с помощью которых протамины связываются с ДНК сперматид. После образования этой связи транскрипционная активность хроматина полностью подавляется. Если удалить протамины, то хроматин принимает вид бусинок и становится чувствительным к микрококковой нуклеазе. При добавлении протаминов эта структура исчезает и хроматин становится невосприимчивым к нуклеазе. Сериновые остатки протаминов могут быть фосфорилированы и дефосфорилированы. Полагают, что эта ковалентная модификация необходима для правильного связывания протаминов с ДНК [105], Ниже показана структура типичного протамина рыб:

Протамины, как и гистоны, синтезируются в цитоплазме. Их короткие мРНК транслируются на дирибосомах. Эти РНК в отличие от мРНК гистонов содержат на 3'-конце полиадениловую кислоту [169]. На 5'-конце они имеют 7-метилгуанин. Хотя в семенниках форели протамины синтезируются на стадии сперматиды, транскрипция их мРНК происходит значительно раньше, а именно на стадии первичного сперматоцита [170]. мРНК так же, как и рибонуклеопротеидные частицы, до наступления стадии сперматиды остается неактивной. Аналогичная ситуация наблюдается и в случае гистонов. Ооциты Xenopus содержат мРНК материнских гистонов в неактивной форме, которые активируются и транслируются во время деления яйца. Протамины содержатся только в сперматоцитах, однако неизвестно, почему экспрессия их генов происходит только в этих клетках и как она начинается на соответствующей стадии развития этих клеток.

Гены гистонов

Гистоны синтезируются в S-фазе клеточного цикла. Это обстоятельство помогло выделить мРНК гистонов из быстро делящихся эмбрионов для идентификации и локализации генов гистонов путем молекулярной гибридизации и клонирования [39, 51, 187, 373]. На ранней стадии дробления эмбриона морского ежа гистоны составляют 25–30 % вновь синтезируемых белков, а мРНК гистонов — почти 70 % всех мРНК. Кроме того, мРНК гистонов гибридизуются с ДНК в несколько сотен раз быстрее, чем многие другие мРНК. Это указывает на наличие большого числа копий генов гистонов. При исследовании шести видов морских ежей было показано, что гены гистонов повторяются в гаплоидном геноме 300-1000 раз. У Drosophila, Xenopus, человека и цыплят повторяемость составляет 100, 10–20, 10–20 и 10 раз соответственно. Такие большие различия в количестве этих генов могут быть связаны с тем, что гистоны необходимы на ранней стадии дробления. Яйца Xenopus содержат большое количество материнских гистонов, тогда как в яйцах морского ежа их очень мало. По-видимому, в первом случае у клеток нет необходимости синтезировать на ранней стадии быстрого деления большое число гистонов. Во втором случае нужно быстро синтезировать гистоны, чтобы не отставать от темпа быстрого деления клеток, и большое количество генов способствует этому.