Нива на организация на ДНК в хроматина, Святгенетика
Нива на организация на ДНК в хроматина
Една от изненадите на молекулярната биология беше откриването на сплайсинга, тоест „нарушената“ структура на еукариотните гени. Това откритие не произтича от някакви априорни съображения, а просто е неумолимо заключение от резултатите от експериментите. Играейки ролята на генен рекомбинатор, сплайсингът насърчава образуването на нови, сложни, съставни гени и съответно протеини.
Изследванията на про-рРНК сплайсинга показват, че тук е важно наличието на магнезиеви йони в определена концентрация, редица органични вещества с ниско молекулно тегло (гуанозин монофосфат или просто гуанозин и др.). Необходима е и строго определена конформация (конфигурация) на самата РНК.
В същото време, въпреки очевидността на факта, че условията на околната среда определят възможността за сплайсинг, се твърди, че узряването на РНК "се извършва от макромолекулен комплекс, наречен сплайсосома". Съставът му включва само самите нуклеинови киселини и протеини.
От голямо значение за разбирането на механизмите на функциониране на ДНК е въпросът за организацията на пространствените структури на ДНК, които формират основата на хромозомите (основна ДНК). В ядрените организми ДНК, разположена в ядрото, е част от нуклеопротеидни комплекси с основните протеини - хистони, както и с други видове протеини, образуващи хроматин. Най-характерната особеност на основната ДНК е многократната сирализация на техните молекули (усукване, нагъване в сноповедни структури). Може да се счита за доказано, че степента и формата на ДНК спирализация (компактизация) са предопределени от биохимичните и физичните параметри на клетъчната среда, въпреки че първичната структура и нуклеотидният състав на молекулата на нуклеиновата киселина са от известно значение.
Има четири нива на организация на ядрения хроматин. Първият е нивото на нуклеозомния фибрил. Съществуването на дискретни повтарящи се единици в хроматина е открито през 1973 г. от D. Hewish и L. Burjoyn (Австралия). А. Олинс и Д. Олинс (САЩ) с помощта на електронен микроскоп се увериха със собствените си очи, че хроматиновите нишки носят образувания като мъниста с диаметър около 10 -9 м. Р. Корнберг (Великобритания) установи, че всяко такова "мънисто" съдържа сегмент от ДНК с дължина 150-200 базови двойки и 8 хистонови молекули от различен тип. По-късно тази частица е наречена "нуклеозома".
Нуклеозомата е разделена на ядрена област и линкерна област. Сърцевинната част съответства на "мънистата", открити чрез електронна микроскопия, а линкерната част съответства на свързващия участък "мъниста" на основната ДНК. Ядрото и линкерните региони образуват пълна нуклеозома. Размерът на пълната нуклеозома може да варира при различните видове и в хроматина на различни тъкани, което очевидно е свързано с разликите в генната експресия.
Второто ниво на пространствената структура на хроматина - соленоидът - позволява още по-компактно "сгъване" на ДНК със своите сателити - протеини: линейните размери на хромозомната фибрила (нишка), съответстваща на соленоида, са 40 пъти по-малки от размерите на свободната ДНК. Соленоидната структура се формира в резултат на сгъване (по начин на спирала) на нуклеозомната нишка и на някои места е повече или по-малко правилна, на други е неравномерна - тук се наблюдава "удебеляване" на завоите. Въпросът за детайлите на структурата и механизмите на образуване на соленоида засега остава открит (G. P. Georgiev, B. Lewin). Няма съмнение, че тази структура е свързана с функционалното състояние на гените. Установена е и най-тясна зависимост на образуването на соленоидни структури от физикохимичните свойства на клетъчната среда.
Трето нивоорганизацията (уплътняването) на ДНК в хроматина се определя от полагането на соленоидната структура в бримки, за които се смята, че се основават на скелетните аксиални образувания на хромозомите. Дължината на цикъла е до 90 хиляди базови двойки. Материалът за скелетните нишки (за ядрения скелет) са протеини. Тези нишки се наричат "нуклеонеми". Съвкупността от всички ядрени нуклеонеми е част от ядрената матрица. Тази матрица, освен нуклеонемите, включва и ламина - протеинов слой, разположен непосредствено под двойната мембрана, която обвива ядрото. Ламината се състои от три протеина. Очевидно протеините на ламината извършват „митническата проверка“ в зоната на ядрените пори. Може да се предположи, че тук е от голямо значение свойството на протеините (както и на други биополимери) да променят своята пространствена структура в отговор на промените във физикохимичните свойства на „местото на живот“.
Четвъртото ниво на организация на хроматина е представено от хромозоми. Механизмът на образуване на тези органели все още не е ясен. Но няма съмнение, че активирането на гените предполага дълбоки промени в пространствените структури на хромозомите: има връзка между организацията на хроматина и регулирането на работата на гените.
Кръговата ДНК може да образува специална пространствена структура - суперспирала. Супернавиването отново зависи от биохимията на клетъчната плазма.
Правилната организация на пространствената структура на ДНК и РНК молекулите, техните комплекси с протеини не е единственото условие за нормалното функциониране на гените. Смята се, че най-важните елементи на типичния ген са и специални регулаторни приемници - усилватели, заглушители и др. Разположени на различни разстояния от местата на транскрипция, понякога много далеч, те все пак по някакъв начин "командват" процесите на генна експресия.