ჰისტონები და ქრომატინის სტრუქტურა
ეუკარიოტული უჯრედის ბირთვში დნმ არ არსებობს თავისუფალი „ძაფის“ სახით. თუ ადამიანის დნმ-ის მთელი მასა გაიხსნება, ის დაახლოებით ორი მეტრის სიგრძის იქნება, მიუხედავად იმისა, რომ ბირთვის დიამეტრი მხოლოდ რამდენიმე მიკრომეტრია. იმისათვის, რომ მასში გენეტიკური მასალის ეს უზარმაზარი რაოდენობა მოთავსდეს და ამავდროულად ხელმისაწვდომი დარჩეს აუცილებელი ბიოლოგიური პროცესებისთვის, უჯრედებს აქვთ მოწესრიგებული და დინამიური შეფუთვის სისტემა. ეს სისტემა ქრომატინია ცნობილი და მისი ძირითადი კომპონენტებია ჰისტონები - პატარა, დადებითად დამუხტული ცილები, რომლებიც დნმ-ის გარშემო კოჭების მსგავსად მოქმედებენ. ჰისტონებისა და ქრომატინის სტრუქტურის გაგება გვეხმარება ავხსნათ, თუ როგორ ირთვება ან ითიშება გენები, როგორ იყოფა უჯრედები და რატომ შეიძლება დნმ-ის შეფუთვაში მცირე ცვლილებები დაკავშირებული იყოს დაავადებებთან.
რა არის ქრომატინი?
ქრომატინი არის კომპლექსი, რომელიც შედგება დნმ-ის, ცილებისგან (ძირითადად ჰისტონებისგან) და არაჰისტონური ცილების და მათთან დაკავშირებული რნმ-ისგან. ქრომატინის ძირითადი ფუნქცია არა მხოლოდ დნმ-ის შეფუთვაა, არამედ გენეტიკურ ინფორმაციაზე წვდომის რეგულირებაც. ქრომატინი შეიძლება იყოს უფრო მჭიდროდ ან თავისუფლად შეფუთული და ეს მდგომარეობა გავლენას ახდენს იმაზე, ადვილად იკითხება (ტრანსკრიფცირდება) გარკვეული გენები თუ ჩუმად რჩება.
ზოგადად, ქრომატინის ორი ფორმა არსებობს, რომლებიც ხშირად განიხილება:
1. ევქრომატინი: შედარებით ფხვიერი სტრუქტურა, გენებით მდიდარი და ტრანსკრიფციულად უფრო აქტიური.
2. ჰეტეროქრომატინი: უფრო მკვრივი სტრუქტურა, ხშირად შეიცავს განმეორებად თანმიმდევრობებს და ზოგადად ნაკლებად ტრანსკრიფციულად აქტიურია. ჰეტეროქრომატინი ასევე მნიშვნელოვან როლს ასრულებს შენარჩუნებაში გენომის სტაბილურობა, მაგალითად, ცენტრომერებისა და ტელომერების რეგიონებში.
მნიშვნელოვანია ხაზგასმით აღინიშნოს, რომ ევქრომატინი და ჰეტეროქრომატინი ხისტი კატეგორიები არ არის; ქრომატინი შეიძლება შეიცვალოს უჯრედის საჭიროებების, უჯრედული ციკლის ეტაპისა და გარემო სიგნალების მიხედვით.
ჰისტონები: ძირითადი ცილები, რომლებიც აფუებენ დნმ-ს
ჰისტონები არის ცილები, რომლებიც მდიდარია დადებითად დამუხტული ამინომჟავებით, როგორიცაა ლიზინი და არგინინი. ეს დადებითი მუხტი მნიშვნელოვანია, რადგან დნმ უარყოფითად არის დამუხტული მის ჩონჩხში არსებული ფოსფატური ჯგუფების გამო. ჰისტონებსა და დნმ-ს შორის ელექტროსტატიკური ურთიერთქმედება ხელს უწყობს სტაბილური შეფუთვის სტრუქტურის ფორმირებას.
ძირითადი ჰისტონები იყოფა ორ ჯგუფად:
– ბირთვის ჰისტონები: H2A, H2B, H3 და H4. ეს ოთხი ქმნის „ბირთვს“, რომლის გარშემოც დნმ-ია შემოხვეული.
– ლინკერული ჰისტონები: ძირითადად H1 (და მისი ვარიანტები). ეს ჰისტონები ხელს უწყობენ ნუკლეოსომებს შორის დნმ-ის კავშირების სტაბილიზაციას და ხელს უწყობენ შეფუთვის უფრო მაღალ დონეს.
„კანონიკური“ ჰისტონების გარდა, არსებობს ჰისტონის ვარიანტებიც (მაგ., H2A.Z, H3.3, CENP-A), რომლებსაც შეუძლიათ რეგულარული ჰისტონების ჩანაცვლება კონკრეტულ ადგილებში. ეს ვარიანტები ქრომატინს ანიჭებენ სპეციფიკურ თვისებებს, როგორიცაა გენის აქტივაციის, დნმ-ის დაზიანებაზე რეაქციის ან ცენტრომერის იდენტურობის მხარდაჭერა.
ნუკლეოსომა: ქრომატინის სტრუქტურის ძირითადი ერთეული
ქრომატინის ყველაზე ძირითადი სტრუქტურული ერთეული ნუკლეოსომაა. ნუკლეოსომა შედგება:
- ჰისტონური ოქტამერი: 2 × (H2A, H2B, H3, H4)
– დნმ შემოხვეულია დაახლოებით 147 წყვილი ფუძისგან შემდგარ ოქტამერზე (bp).
– სხვადასხვა სიგრძის (ხშირად დაახლოებით 20–80 bp) „შემაკავშირებელი“ დნმ, რომელიც ერთ ნუკლეოსომას მეორესთან აკავშირებს
ანალოგიის გამოსაყენებლად, დნმ ძაფს ჰგავს, ნუკლეოსომები კი - მძივებს. ამ სტრუქტურას ხშირად „ძაფზე მძივებს“ უწოდებენ და შეფუთვის საწყის დონეს წარმოადგენს.
ნუკლეოსომების როლი მხოლოდ მექანიკური არ არის. რადგან ჰისტონებში შემოხვეული დნმ ნაკლებად ხელმისაწვდომია, ნუკლეოსომების არსებობასა და მდებარეობას შეუძლია განსაზღვროს, შეუძლიათ თუ არა ტრანსკრიფციის ფაქტორებსა და სხვა ფერმენტებს დნმ-თან დაკავშირება. სხვა სიტყვებით რომ ვთქვათ, ნუკლეოსომები „კარიბჭეებია“, რომლებსაც შეუძლიათ გენებზე წვდომის გახსნა ან დახურვა.
ქრომატინის შეფუთვის დონეები
ნუკლეოსომის დონის შემდეგ, ქრომატინის შემდგომი კომპაქტურობა შესაძლებელია. კლასიკურად, სახელმძღვანელოები აღწერენ მრავალდონიან შეფუთვას:
1. დნმ-ის ორმაგი სპირალი (2 ნმ)
2. ნუკლეოსომური ბოჭკოები (დაახლოებით 10–11 ნმ)
3. 30 ნმ ბოჭკოვანი (სოლენოიდის ან ზიგზაგის მოდელი; მისი არსებობა ცოცხალი უჯრედის პირობებში ჯერ კიდევ განხილვის საგანია, მაგრამ მოწინავე დენსიფიკაციის კონცეფცია აქტუალური რჩება)
4. მარყუჟის დომენი: ქრომატინის ბოჭკოები ქმნიან მარყუჟებს, რომლებიც მიმაგრებულია ბირთვში არსებულ ცილოვან ჩარჩოზე.
5. მეტაფაზური ქრომოსომები: ყველაზე მკვრივი ფორმა უჯრედის გაყოფის დროს.
ბირთვში ქრომატინის სამგანზომილებიანი განლაგება მაღალორგანიზებულია. აქტიური გენები, როგორც წესი, ტრანსკრიფციისთვის ხელსაყრელ გარემოში არიან განლაგებული, ხოლო გაჩუმებული რეგიონები შეიძლება „დაჯგუფდეს“ კონკრეტულ უბნებში. ეს ორგანიზაცია გენების ექსპრესიის ეფექტურ კოორდინაციას უწყობს ხელს.
ჰისტონის მოდიფიკაციები და „ჰისტონური კოდი“
ჰისტონის ყველაზე ხშირად მოდიფიცირებული ნაწილია ჰისტონის კუდი, რომელიც წარმოადგენს N-ტერმინალურ სეგმენტს, რომელიც ნუკლეოსომიდან გამოდის. ამ კუდს შეუძლია განიცადოს სხვადასხვა პოსტტრანსლაციური მოდიფიკაცია, მაგალითად:
– აცეტილაცია: ჩვეულებრივ, ლიზინზე; ამცირებს ჰისტონების დადებით მუხტს, რის შედეგადაც დნმ-თან კავშირი სუსტდება და ქრომატინი უფრო ღია ხდება, რაც ხშირად გენის აქტივაციასთან ასოცირდება.
– მეთილირება: ლიზინზე ან არგინინზე; ეფექტი დამოკიდებულია ადგილმდებარეობაზე. მაგალითად, H3K4-ზე მეთილირება ხშირად ასოცირდება აქტიურ გენებთან, ხოლო H3K9 ან H3K27 - გაჩუმებასთან.
– ფოსფორილირება: ხშირად ასოცირდება დნმ-ის დაზიანების საპასუხო რეაქციასთან და მიტოზის რეგულირებასთან.
– უბიკვიტინაცია და სხვა მოდიფიკაციები, რომლებიც გავლენას ახდენენ ქრომატინის სტაბილურობასა და ურთიერთქმედებებზე.
მოდიფიკაციის ნიმუშების ამ ერთობლიობას ხშირად „ჰისტონურ კოდს“ უწოდებენ, იდეა იმაში მდგომარეობს, რომ მოდიფიკაციების გარკვეული კომბინაციების „წაკითხვა“ სხვა ცილებს შეუძლიათ სპეციფიკური ბიოლოგიური ეფექტების გამოსაწვევად — მაგალითად, ტრანსკრიფციული აქტივატორის კომპლექსების, რეპრესორული კომპლექსების ან დნმ-ის აღმდგენი ცილების რეკრუტირებით.
ჰისტონის მოდიფიკაციები რეგულირდება ცილების სამი ჯგუფით:
– მწერლები: ფერმენტები, რომლებიც ამატებენ მოდიფიკაციებს (მაგ. HAT აცეტილირებისთვის, HMT მეთილირებისთვის)
– საშლელები: ფერმენტები, რომლებიც აშორებენ მოდიფიკაციებს (მაგ. HDAC დეაცეტილირებისთვის, დემეთილაზა)
– მკითხველები: ცილები, რომლებიც ამოიცნობენ მოდიფიკაციებს (მაგ., ბრომოდომენები ამოიცნობენ აცეტილირებას)
ქრომატინის რემოდელირება: ნუკლეოსომების გადაადგილება გენების რეგულირებისთვის
ქიმიური მოდიფიკაციების გარდა, უჯრედებს ასევე აქვთ ქრომატინის რემოდელირების კომპლექსები, რომლებიც იყენებენ ატფ-ის ენერგიას ნუკლეოსომების პოზიციის ან შემადგენლობის შესაცვლელად. ამ კომპლექსებს შეუძლიათ:
– ნუკლეოსომების გადაადგილება (სრიალა) ისე, რომ დნმ-ის გარკვეული უბნები ღია/დახურულია
– ჰისტონების მოცილება ან ვარიანტებით ჩანაცვლება
– არეგულირებს ნუკლეოსომებს შორის მანძილს
რემოდელირება აუცილებელია, როდესაც გენები სწრაფად უნდა გააქტიურდეს, როდესაც დნმ-ის რეპლიკაციაა საჭირო, ან როდესაც ხდება დნმ-ის დაზიანება, რომელიც აღმდგენი ფერმენტების გამოყენებას მოითხოვს.
ჰისტონები, დნმ-ის რეპლიკაცია და დაზიანების აღდგენა
როდესაც უჯრედები ახდენენ დნმ-ის რეპლიკაციას, ქრომატინი დროებით უნდა დაიშალოს რეპლიკაციის ჩანგლის წინ და ხელახლა აწყობილი იქნას მის უკან. ძველი და ახალი ჰისტონები ნაწილდება შვილეულ დნმ-ზე, რასაც ხელს უწყობენ ჰისტონის „შაპერონული“ ცილები. ეს პროცესი მოიცავს არა მხოლოდ ხელახლა შეფუთვას, არამედ გენის რეგულაციის „მეხსიერების“ შენარჩუნებასაც (მაგ., ჰისტონის მოდიფიკაციის ნიმუშები) უჯრედის სტაბილური იდენტობის შესანარჩუნებლად.
დნმ-ის დაზიანების აღდგენისას ქრომატინიც დინამიურია. ისეთი დაზიანება, როგორიცაა ორმაგი ჯაჭვის გაწყვეტა, იწვევს სიგნალებს, რომლებიც ცვლიან სპეციფიკურ ჰისტონებს (მაგ., H2A.X-ის ფოსფორილირება ბევრ ეუკარიოტში) აღდგენის მექანიზმის მოსაზიდად. ქრომატინის ცვლილებების გარეშე, დნმ-ის ბევრ უბანზე წვდომა აღმდგენი ფერმენტებისთვის რთულია.
ქრომატინი და ეპიგენეტიკა
ჰისტონების განხილვა ხშირად ემთხვევა ეპიგენეტიკას, რაც გენის ექსპრესიის ნიმუშების მემკვიდრეობით ცვლილებას წარმოადგენს დნმ-ის თანმიმდევრობის შეცვლის გარეშე. ჰისტონის მოდიფიკაციებს, ჰისტონის ვარიანტებს და ნუკლეოსომების პოზიციებს შეუძლიათ ეპიგენეტიკური მარკერების როლის შესრულება. დნმ-ის მეთილირებასთან და არაკოდირებად რნმ- თან ერთად , ეს სისტემა საშუალებას აძლევს ერთი და იგივე დნმ-ის მქონე უჯრედებს (მაგალითად, კუნთოვან და ნერვულ უჯრედებს) ჰქონდეთ განსხვავებული გენური პროგრამები.
ეპიგენეტიკური დისრეგულაცია შეიძლება ხელს უწყობდეს სხვადასხვა მდგომარეობის განვითარებას, მათ შორის კიბოს, განვითარების დარღვევებს და ნეიროდეგენერაციულ დაავადებებს. მათი შექცევადობის გამო, ეპიგენეტიკური კომპონენტები გარკვეულ კლინიკურ კონტექსტში ასევე თერაპიული სამიზნეებია, როგორიცაა HDAC ინჰიბიტორები ან სპეციფიკური მეთილირების ფერმენტები.
დახურვა
ჰისტონები და ქრომატინის სტრუქტურა თანამედროვე მოლეკულური ბიოლოგიის აუცილებელი საფუძვლებია. ჰისტონები არ არიან უბრალოდ დნმ-ის „შემხვევები“, არამედ მარეგულირებელი კომპონენტები, რომლებიც საშუალებას იძლევიან დნმ-ს შეკუმშული იყოს ფუნქციონირების შენარჩუნების პარალელურად. ნუკლეოსომების ფორმირების, გაძლიერებული შეკუმშვის, ჰისტონის კუდის მოდიფიკაციების, ჰისტონის ვარიანტების და ატფ-ით გამოწვეული რემოდელირების გზით, უჯრედებს შეუძლიათ დაარეგულირონ, როდის და სად ჩაირთვება გენები, როგორ ხდება დნმ-ის რეპლიკაცია და როგორ აღდგება დაზიანება. ქრომატინის დინამიკის გაგებით, ჩვენ შეგვიძლია განვიხილოთ გენომი არა როგორც სტატიკური ტექსტი, არამედ როგორც ხელნაწერი, რომელიც მუდმივად რეორგანიზდება - იხსნება, იხურება და რედაქტირებულია - უჯრედის სიცოცხლის კოორდინაციის შესანარჩუნებლად.
