Биохимия старения

Канунго М. С.

В исследованиях на Drosophila показано, что гены гистонов расположены в хромосоме II. Пять структурных генов пяти гистонов богаты парами G-C и тандемно повторяются. Они разделены участками, богатыми парами А-Т, которые не транслируются. Вся область кодирования генов гистона содержит 6000–7000 пар оснований ДНК. Ниже показаны расположение и длина генов в яйце морского ежа вместе со спейсерными участками (S) [39].

Структурные гены гистонов не содержат интронов, или нетранслируемых областей, как гены глобина, яичного альбумина и иммуноглобулина, а также не транскрибируются как более длинные предшественники РНК [312]. Спейсерные области не имеют небольших повторяющихся последовательностей оснований, как это наблюдается у генов рРНК и 5S-PHK. У всех видов морских ежей порядок расположения и направления транскрипции гистоновых генов одинаковы, тогда как у разных видов Drosophila они различны [230]:

Синтез и обновление гистонов

Гены гистонов транскрибируются в направлении 5'->3' с помощью РНК-полимеразы II, так как процесс транскрипции чувствителен к -аманитину [225]. По-видимому, мРНК пяти гистонов транскрибируются отдельно, а не как единая полицистронная мРНК [205]. Они имеют коэффициент седиментации приблизительно 9S и могут быть разделены в полиакриламидном геле [187]. На 3'-конце мРНК гистонов нет полиадениловой кислоты [5], а на их 5'-конце присутствуют последовательности m⁷G(5')pppN^m или m⁷G(5')pppN^mpN [260].

Синтез гистонов тесно связан с синтезом ДНК. мРНК гистонов синтезируются в начале S-фазы, а затем переходят в цитоплазму, где они соединяются с рибосомами для синтеза гистонов [293, 303, 310, 331]. мРНК гистонов существуют приблизительно столько же времени, сколько длится S-период, т. е. 10–12 ч. Есть сообщение, что для транскрипции мРНК гистонов необходимы фосфорилированные НГБ [194], но оно требует подтверждения.

Если синтез ДНК затормозить с помощью цитозинарабинозида или оксимочевины, то синтез мРНК гистонов также прекращается, уже образовавшиеся мРНК разрушаются и синтез гистонов останавливается. Как только это происходит, прекращается также синтез ДНК [188, 366, 379]. Таким образом, клетка обладает механизмом, "включающим" и "выключающим" гены гистонов в соответствии с синтезом ДНК. Стехиометрическое соотношение синтезированных гистонов Н1:Н2А:Н2В:Н3:Н4 равно 0,5:1:1:1:1. Это свидетельствует о том, что четыре гена нуклеосомных гистонов транскрипционно связаны, и их трансскрипция, вероятно, скоординирована. По-видимому, матрица для гистона Н1 не связана с другими генами, поскольку количество синтезированного гистона Н1 составляет только половину количества других гистонов. У Drosophila, расположение гистоновых генов у которой отличается от расположения генов у морского ежа, ген гистона Н1 отделен от гена гистона Н3 1200 парами оснований ДНК. Следовательно, он может иметь самостоятельный промотор [230]. Более того, синтез гистона Н1 в фазе G₁ в три раза интенсивнее синтеза других гистонов [343].

Известно несколько исключений из общего правила сопряжения синтеза гистонов с синтезом ДНК. Например, у лягушки Xenopus laevis при эмбриогенезе не наблюдается упомянутой синхронности на ранних стадиях дробления [3]. В зародышах Vicia faba гистоны появляются в фазах G₁ и S [123]. На ранних стадиях эмбриогенеза морского ежа синтез гистонов начинается в фазе G₁ и продолжается до фазы G₂. Однако в начале дифференцировки их синтез становится синхронным с синтезом ДНК [17]. Обусловлена ли эта синхронизация каким-либо фактором, появляющимся на стадии дифференцировки, неизвестно. В клетках HeLa мРНК гистонов транскрибируется в течение всего клеточного цикла, но их трансляция происходит только в S-фазе [250]. Таким образом, в клетках HeLa с синтезом ДНК координирована трансляция, а не транскрипция. Очевидно, синтез гистонов регулируется на двух этапах — трансляции и транскрипции — с помощью двух разных сигналов. Поскольку молекулы мРНК гистонов малы, их трансляция происходит на дирибосомах. После синтеза гистоны переходят из цитоплазмы в ядро [366].

Судьба четырех нуклеосомных гистонов в процессе деления клетки изучалась с помощью ³Н-лизина и других меченых аминокислот [220]. На примере культуры in vitro миобластов цыпленка показано, что, когда клетка делится, уже существовавшие нуклеосомные гистоны остаются в одной из дочерних клеток, а вновь синтезированные гистоны переходят в другую клетку. Таким образом, новые гистоны, по-видимому, не смешиваются со старыми, и какое-то время их состав сохраняется неизменным. Последовательно синтезирующиеся нуклеосомы располагаются в основном рядом друг с другом. Более того, гистоны в них существуют в неизменном виде в течение трех-четырех поколений. Каким образом это достигается, неизвестно. По-видимому, существует механизм, с помощью которого дифференцированное состояние материнской клетки может передаваться дочерним. В работе с использованием ³Н-аргинина и ¹²⁵I-иоддезоксиуридина в культуральной среде, содержащей клетки мыши [153], было показано, что нуклеосомные гистоны сохраняются в течение многих поколений. Этот факт очень важен, так как ново-синтезированные гистоны связаны с новообразованной ДНК [353]. Высказано предположение, что некоторые НГБ также сохраняются в процессе деления клетки [122]. Такая консервация нуклеосом и НГБ вместе с последующей транскрипционной специфичностью может служить тем механизмом, с помощью которого достигается и сохраняется дифференцировка клетки. Гистон Н1, однако, в течение одного клеточного поколения обновляется на 15 % [141]. Кроме того, он интенсивно фосфорилируется в конце фазы G₂ клеточного цикла, что совпадает по времени с конденсацией хромосомы [48]. Быть может, фосфорилирование является пусковым механизмом митоза.

Структура хроматина

Химический состав хроматина был установлен несколько лет назад. Однако функции его составных частей, способ их организации, механизм конденсации хроматина во время митоза и последующего разрыхления, способ, с помощью которого происходит экспрессия определенных генов в клетках какого-либо типа и репрессия в других, механизм экспрессии генов в определенные периоды жизни и их репрессии в другое время стали проясняться лишь недавно. Для того чтобы понять механизм экспрессии генов и способы его регулирования, необходимо знать структуру и организацию хроматина.

Тщательные биохимические и биофизические исследования с использованием электронной микроскопии, начатые в 1973 г., позволили установить структуру и функции хроматина. Когда хроматин тимуса теленка гидролизовали ДНКазой, появлялись частицы размером 200 пар оснований или кратным ему [157]. Это свидетельствует о том, что хроматин имеет повторяющиеся участки. Олинс и Олинс [272] выдерживали интерфазные ядра тимуса и печени крысы и эритроциты цыпленка в гипотонической среде и изучали их под электронным микроскопом после соответствующего окрашивания. Хроматин выглядел как цепочка бусинок диаметром 7 нм, связанных друг с другом тяжами ДНК диаметром 1,5 нм (рис. 2.2). Одновременно было показано [163], что при расщеплении хроматина микрококковой или стафилококковой нуклеазами, которые разрывают обе цепи ДНК, образуются частицы диаметром 7 нм, содержащие 200 пар оснований. В работе с использованием биохимических методов и дифракции рентгеновских лучей [200] также установлено, что частицы, получаемые в процессе расщепления нуклеазой, содержат 200 пар оснований ДНК; это составляет почти 85 % общего содержания ДНК в хроматине. Каждая из этих частиц содержит по две молекулы гистонов Н2А, Н2В, Н3 и Н4, образующих октамер. Таким образом, эти частицы, позднее названные нуклеосомами [139], содержат восемь молекул гистонов и 200 пар оснований ДНК. Показано также [139], что при соединении гистонов четырех типов и ДНК появляются частицы, похожие на те, которые образуются из хроматина после расщепления нуклеазой. Гросс-Беллард и Шамбон ([139] высказали предположение, что центральную роль в формировании нуклеосомы играют богатые аргинином гистоны Н3 и Н4. Гистон Н1 отсутствует в этих частицах, он расположен между нуклеосомами.

Рис. 2.2. А. Электронная микрофотография хроматина из Oncopeltus fasciatus. В областях, свободных от волокон рибонуклеопротеида, виден хроматин в виде бусин; x 67000 [120]. Б. Схематическое изображение структуры хроматина

На основе описанных выше исследований было высказано предположение [198], что основная структура хроматина состоит из повторяющихся частей, содержащих октамеры гистонов четырех типов и 200 пар оснований ДНК. Во всех изученных до сих пор организмах соотношение количества ДНК и гистонов равно приблизительно 1 и везде имеются повторяющиеся участки октамеров гистонов, связанных приблизительно с 200 парами оснований ДНК, которые образуют линейную цепь нуклеосом диаметром 10 нм. Количество ДНК в нуклеосомах различных органов и организмов варьирует от 140 до 240 пар оснований [116]. Межнуклеосомная, или линкерная, ДНК более чувствительна к микрококковой нуклеазе, а нуклеосомная ДНК — к панкреатической ДНКазе I. Микрококковая нуклеаза и ДНКаза I и II расщепляют находящуюся внутри нуклеосомы нуклеосомную ДНК (или ДНК сердцевины), образуя фрагменты ДНК длиной 10 пар оснований или кратные им, но разрывают ее в разных местах [329]. Когда нуклеосомы из разных тканей и организмов расщепляют микрококковой нуклеазой, чтобы удалить линкерную ДНК, получают стабильные нуклеосомы с мол. массой 200000 и коэффициентом седиментации 11S, содержащие октамер гистонов и ДНК длиной 140 пар оснований [328]. Таким образом, размер ДНК, входящей в состав нуклеосомы, у всех организмов одинаков. Длина межнуклеосомной, или спейсерной, области, которая разделяет соседние нуклеосомы, зависит от функционального состояния хроматина. Транскрипционно активный хроматин имеет укороченную спейсерную область [225, 262].

При определении местоположения гистонов и ДНК в нуклеосомных мономерах хроматина тимуса теленка с помощью метода ЯМР было показано, что радиусы вращения ДНК и белка составляют 5 и 3 нм соответственно. Это свидетельствует о том, что ДНК расположена вне гистоновой сердцевины [21]. Внутренняя белковая сердцевина нуклеосомы имеет диаметр 6,4 нм; она окружена оболочкой из ДНК толщиной 2 нм, так что общий диаметр нуклеосомы составляет 10,4 нм. Эти данные были подтверждены иммунологическими исследованиями. Ни одна из сывороток против четырех гистонов, кроме анти-Н2В, не реагирует с нуклеосомой [2]. Это доказывает, что только гистон Н2В взаимодействует со своим антителом.

В растворе гистоны разных типов связываются попарно [94], причем наиболее сильная связь наблюдается между гистонами Н3 и Н4. Нуклеосома имеет ось симметрии второго порядка. В детальных рентгеноструктурных и электронно-микроскопических исследованиях кристаллических препаратов нуклеосом [117] показано, что сердцевина нуклеосомы представляет собой плоский клинообразный диск размером 5,7x11x11 нм. Полагают [117], что 140 пар оснований ДНК составляют 1,75 витка спирали, диаметр витка равен 9 нм, а его шаг — 2,8 нм (рис. 2.3). Это соответствует приблизительно 80 парам оснований на сверхспиральный виток В-формы ДНК. Гистоны частично погружены в большую бороздку ДНК, а малая бороздка остается открытой. Брем [50] считает, что сердцевина нуклеосомы имеет клинообразную форму, ее размеры 5,5x10x12 нм, а 140 пар оснований ДНК расположены в виде витка. Длина 140 пар оснований ДНК в 6–7 раз превышает размеры нуклеосомной сердцевины. Таким образом, ДНК конденсирована в 6–7 раз, что обусловлено ее связыванием с основными участками цепей восьми молекул гистонов и закручиванием вокруг сердцевины сверхспирали [337]. Это обеспечивает защиту нуклеосомной ДНК от микрококковой и стафилококковой ДНКаз. Однако панкреатическая ДНКаза I расщепляет эту ДНК с образованием фрагментов, состоящих из десяти нуклеотидов. Из-за спиральной структуры ДНК разные участки ее цепи отличаются друг от друга по чувствительности к ДНКазе I [238]. По-видимому, внутри нуклеосомы имеются отдельные центры, по которым происходит расщепление под действием ДНКазы. ДНКаза II расщепляет нуклеосомную ДНК с образованием двух фрагментов по 100 пар оснований [15]. С помощью гидродинамических методов показано [135], что нуклеосома претерпевает два конформационных перехода, зависящих от концентрации соли. Это служит дополнительным доказательством того, что нуклеосома включает две субчастицы, или половины.