Проблема белка. Том 2: Пространственное строения белка - Попов Е.М.
ISBN 5-02-001697-7
Скачать (прямая ссылка):
За укладку нуклеосомной нити в составе хроматиновой фибриллы отвечает гистон Н1. Центральная часть его молекулы представляет собой глобулу, которая взаимодействует со специфическим участком нуклеосомы. N- и С-концевые фрагменты белка имеют вытянутые формы. Один из них (N-) ассоциирован с предшествующей линкерной ДНК в области ее контакта с нуклеосомной частицей, а другой - с гистоновым кором последующей нуклеосомы. Кроме того, замечено, что свободная молекула Н1 легче взаимодействует с ДНК в непосредственной близости от другой, уже присоединившейся молекулы гистона, чем отдельно от нее [407]. Этим обусловлена склонность белков Н1 связываться с ДНК группами по восемь и более молекул. Предполагается, что взаимодействие такого типа, названное кооперативным связыванием, лежит в основе активации генов. Вызванная им конденсация молекул гистона Н1 превращает некоторые хроматиновые участки в своеобразные микрокристаллы, "плавление" которых под действием внешнего регуляторного сигнала ведет к разрушению гистонового кластера и локальной перестройке хроматина [401, 408].
Вернемся, однако, к гистоновому кору нуклеосомы, главному
110
объекту нашего рассмотрения. Выяснение его внутренней структурной организации и взаимодействий с двойной спиралью ДНК началось, как уже отмечалось, в 1974 г. [402]. Вскоре структура октамера была изучена в растворе методами малоуглового рассеяния нейтронов и рентгеновских лучей с разрешением ~ 20 А [409—411] и в кристаллическом состоянии - с помощью рентгеноструктурного анализа в работах [405 , 412, 413] (разрешение ~ 22А), [414] (7,0 А) и [415, 416] (3,5 А). Согласно кристаллографическим данным Р. Берлингейма и соавт., исследовавших чистый гистоновый кор эритроцита цыпленка, октамер имеет форму эллипсоида 110 А в длину и 65-70 А в диаметре [416]. Предложенная авторами этой работы модель состояла из трех частей: центрального тетрамера (Н3-Н4)2 и расположенных на его противоположных сторонах двух димеров (Н2А-Н2В). Однако как форма, так и размеры октамера существенно отличались от параметров, полученных в ряде других исследований [405 , 412-414]. Повторный рентгеноструктурный анализ, проведенный Берлингеймом и соавт. [415, 416], привел к внешним размерам гистонового кора, которые совпали с данными других работ (высота ~ 55 А, диаметр -70 А) [417, 418].
Некоторым авторам трехмерная структура гистонового кора напоминает плоский диск, другим шпильку или катушку, третьим клин. При таком разновидении ясно лишь одно - структура октамера достаточно сложна и не имеет прямых аналогий. Более детальное обсуждение геометрии комплекса (Н2А-Н2В-НЗ-Н4)2 может опираться только на результаты последующих исследований, так как они получены с разрешением 3,1 А, уже позволяющим идентифицировать конформационные состояния аминокислотных остатков и даже отдельных боковых цепей [417, 418].
Ранее, при рентгеноструктурном анализе целой нуклеосомы было показано, что правая двойная спираль ДНК закручена, вокруг гистонового кора в виде левой суперспирали с внутренним диаметром ~ 70 А и длиной ~ 55 А [404, 409, 412]. Это нашло подтверждение в исследовании структуры изолированного октамера, на поверхности которого была обнаружена бороздка белковой суперспирали [417, 418]. Она имеет внешний диаметр ~ 65 А, шаг ~ 28 А и левую закрутку, что полностью отвечает параметрам суперспирали ДНК в нуклеосоме. Таким образом, поверхности гистонового кора и закручиваемой вокруг него двойной спирали ДНК соотносятся между собой так же, как поверхности винта и гайки. Между тем, образование нуклеосомы вряд ли представляет собой ввинчивание белкового октамера в строго детерминированную нуклеотидную структуру. Этому препятствуют, во-первых, наличие на спиральной бороздке нуклеосомного сердечника чередующихся возвышений и впадин и, во-вторых, то обстоятельство, что суперспираль молекулы ДНК в свободном состоянии не является стабильной формой, хотя, по-видимому, и относится к низкоэнергетическим конформациям. Более вероятно, что образование нуклеосомы происходит путем накручивания лабильной двойной спирали ДНК на
111
гистоновый кор, подобно наматыванию нитки на катушку. Таков же механизм и противоположного процесса освобождения двухцепочечной ДНК от белкового комплекса. В пользу этой модели свидетельствует комплементарность возвышений и впадин внутренней центральной части нуклеосомы профилю контактной поверхности суперспирали ДНК, образованной В-формой ее двойной спирали.
В связи с установлением трехмерной структуры гистонового октамера (Н2А-Н2В-НЗ-Н4)2 и его сгерических взаимоотношений с ДНК встает ряд вопросов принципиального порядка. Например, каковы механизмы и причины спонтанного возникновения белкового комплекса и самосборки нуклеосомы в целом? Не менее интересен и вопрос о том, каким образом происходит освобождение нуклеотидной цепи от гистонового кора? Дело в том, что доступность ДНК, входящей в состав нуклеосом, существенно ограничена на тех участках, где двойная спираль соприкасается с поверхностью октамера. Присоединение специфических регуляторных белков к функционально активным нуклеотидным последовательностям становится возможным только при освобождении соответствующих участков связывания ДНК от нуклеосом. Поэтому выяснение причины распада нуклеопротеиновых комплексов столь же важно, как и исследование причины их возникновения. Можно полагать, что после того, как механизм создания и разрушения нуклеосом получит свою количественную трактовку, будет решен и один из наиболее интригующих вопросов, касающихся гистоновых белков, а именно, почему гистоны Н2А, Н2В, НЗ и Н4 в отношении своих аминокислотных последовательностей являются самыми консервативными в природе белками (табл. 1.7)? Не исключено, что нуклео-сома представляет собой уникальную по своей структурной организации клеточную субъединицу. Из общих соображений очевидно, что в ней должны сочетаться идеальная согласованность внутри- и межмоле-кулярных взаимодействий белков, образующих гистоновый октамер, комплементарность поверхности нуклеосомного кора контактной поверхности суперспирали ДНК и в то же время наличие тонкого баланса сил противоположной направленности, нарушение которого при соответствующих изменениях внешних условий ведет к быстрому смещению равновесия в сторону возникновения или распада нуклеопро-теинового комплекса. Консервативность гистонов Н2А, Н2В, НЗ и Н4 указывает на то, что нормальное функционирование такой системы практически исключает аминокислотные замены.
