Белки хроматина

Белки хроматина подразделяются на две группы: основные белки – гистоны и кислые,или негистоновые белки. Содержание гистонов в хроматине достигает 50 %, тогда как кислых белков обычно намного меньше – до 20 %. Однако в отличие от ДНК и гистонов, содержание которых в хроматине неделящихся клеток стабильно, количество кислых белков может меняться в зависимости от функционального состояния клетки.

Гистоныпредставляют собой небольшие белки (молекулярная масса 11-22 кД) с повышенным содержанием основных аминокислот – аргинина, лизина и гистидина. За счет этого их молекулы заряжены положительно и легко вступают в ионные связи с отрицательно заряженными молекулами ДНК.

Различают пять главных молекулярных форм гистонов - H1, H2A, H2B, H3 и H4. Все гистоны, кроме H1, имеют глобулярную форму и отличаются высокой эволюционной консервативностью. Наиболее богатый лизином гистон H1 отличается от других гистонов тканевой и видовой специфичностью. Молекула его содержит 223 аминокислотных остатка и формирует в физиологических условиях три домена. Первый домен образован 35 остатками на N-конце и заряжен положительно. Второй домен (с 36 по 121 остаток) формирует глобулярную структуру, а остальные остатки до C-конца принадлежат третьему домену, который отличается фибриллярной формой и высокой плотностью положительного заряда.

Гистоны взаимодействуют в хроматине с ДНК, обеспечивая пространственную укладку ее молекулы в ограниченном объеме ядра эукариотической клетки. Одновременно гистоны, в особенности гистон H1, участвуют в регуляции активности генов. В ядрах эритроцитов птиц гистон H1 замещен похожим на него гистоном H5, который вызывает тотальную конденсацию ДНК и полное подавление активности генов. Полная репрессия генетической активности наблюдается также в сперматозоидах, причем у некоторых насекомых, рыб, птиц и пресмыкающихся гистоны в ядрах этих клеток замещаются на протамины – короткие фибриллярные полипептиды с молекулярной массой около 5 кД, которые почти целиком состоят из основных аминокислот.

Кислые, или негистоновые, белки хроматина образуют значительно более разнообразную и многочисленную группу, чем гистоны. Общее количество различных молекулярных форм негистоновых белков в клетках составляет не менее 500. Многие из них, вероятно, обладают как видовой, так и тканевой специфичностью. Негистоновые белки отличаются высокой метаболической активностью и способностью к посттрансляционным модификациям. Среди них имеются различные ферменты, участвующие в метаболизме нуклеиновых кислот (полимеразы, топоизомеразы, метилазы, эндонуклеазы) и белков (протеинкиназы, фосфатазы, метилазы, ацетилазы, протеазы), транспортные и регуляторные белки, внутриядерные рецепторы гормонов и др.

Наиболее изученными негистоновыми белками хроматина является группа белков высокой подвижности – HMG (high mobility group). Первоначально они были обнаружены как примесь к гистону H1, отличаясь более высокой электрофоретической подвижностью. В настоящее время хорошо изучены 5 белков этой группы – HMG-1, -2, -14, -17, -20. Белки HMG-1 и HMG-2 (молекулярная масса 26 кД) имеют близкие последовательности, они способны приобретать глобулярную форму и связываться с ДНК. Белки HMG-14 и HMG-17 (молекулярная масса около 10 кД) также гомологичны между собой, но отличаются от предыдущих белков, обладая способностью связываться с гистонами. Белок HMG-20, или убиквитин (молекулярная масса 8,5 кД), содержится не только в ядре, но и в цитоплазме. Он способен ковалентно присоединяться к C- концу других белков, ускоряя их протеолиз. Так, например, при созревании эритроцитов удаление белков, уже выполнивших свою функцию, осуществляется путем АТФ-зависимого протеолиза с участием убиквитина. В ядре убиквитин присоединяется к гистону H2A, формируя белок A24, который локализован в местах активной транскрипции ДНК. Все HMG-белки содержат ДНК-связывающий домен (HMG-домен), состоящий из 80 аминокислотных остатков. В последнее время этот домен обнаружен и в других белках хроматина, например, в некоторых регуляторах транскрипции.

Все HMG-доменные белки подразделяются на два типа. К первому типу относятся HMG-1, HMG-2 и белок UBF, который регулирует РНК-полимеразу I, синтезирующую рРНК. Эти белки имеются у всех клеток, могут содержать несколько HMG-доменов, но не обладают селективностью к нуклеотидным последовательностям ДНК. Второй тип HMG-белков содержит только один домен, который узнает участки ДНК с высокой специфичностью. Эти белки встречаются у ограниченного числа клеточных типов. Примером может служить транскрипционный фактор LEF-1, который характерен для лимфоцитов. Белки, имеющие один HMG-домен, распознают и с высокой эффективностью связываются с нерегулярными структурами ДНК. К ним относятся одноцепочечные участки, крестообразные хиазмы, химически модифицированные участки и другие структуры в молекуле ДНК.