Гетерохроматин

Ядро фибробласта женщины с гетерохроматином, помеченным флуоресцентным красителем. Стрелкой указано положение тельца Барра

Гетерохроматин — участки хроматина, находящиеся в течение клеточного цикла в конденсированном (компактном) состоянии. Особенностью гетерохроматиновой ДНК является крайне низкая транскрибируемость.

История открытия

В 1907 году немецкий цитолог С.Гутхерц (S.Gutherz) обнаружил, что некоторые фрагменты хромосом или хромосомы целиком во время клеточного деления интенсивно окрашиваются и выглядят более конденсированными по сравнению со слабоокрашенными участками. Это явление было названо гетеропикнозом, однако термин в дальнейшем не прижился^[1]. В ядрах клеток, находящихся в интерфазе, были обнаружены участки, интенсивно окрашиваемые красителями, связывающимися с хроматином, такие участки были названы хромоцентрами. С.Гутхерц показал, что гетеропикнотические сегменты хромосом становятся заметными в начале профазы, то есть в начале конденсации хромосом, отличаясь от «нормальных» участков более интенсивной окраской; различия в интенсивности окраски по мере конденсации снижаются и становятся практически неразличимыми в конце метафазы.

Другой немецкий цитолог Эмиль Хайц, проанализировав соотношение числа хромоцентров и гетеропикнотических участков хромосом, наблюдаемых при митозе в клетках мха, пришёл к выводу, что хромоцентры, обнаруживаемые в интерфазе, ассоциируются с сильно конденсированными и интенсивно окрашиваемыми гетеропикнотическими участками хромосом, наблюдаемыми в течение митотического цикла, то есть хромоцентры и гетеропикнотические участки являются одними и теми же участками хромосом, которые не подвергаются деконденсации в телофазе.

В 1928 году Хайц предложил термины «эухроматин» для участков хромосом, претерпевающих процесс компактизации-декомпактизации в процессе митоза и «гетерохроматин» для участков, постоянно остающихся в конденсированном состоянии. Хайц считал, что гетерохроматиновые участки хромосом являются генетически инертными^[1].

Факультативный и конститутивный (структурный) гетерохроматин

Основное функциональное отличие факультативного гетерохроматина от конститутивного — возможность перехода в эухроматиновое состояние, при котором ДНК становится транскрипционно активной и, соответственно, происходит экспрессия генов, локализованных на данном участке хромосомы.

Факультативный гетерохроматин содержит кодирующую и, в силу этого, относительно консервативную ДНК; ДНК конститутивного гететерохроматина является преимущественно некодирующей и в силу этого высокополиморфна и вариабельна.

На ранних стадиях онтогенеза во многих случаях содержание гетерохроматина в метафазных хромосомах значительно ниже, чем на более поздних стадиях и в клетках взрослого организма — метафазные хромосомы бластомеров многих позвоночных сильно декомпактизированы, в интерфазных ядрах гетерохроматиновые образования не обнаруживаются.

Факультативный и конститутивный гетерохроматины также выявляются по различию в окрашивании: если факультативный гетерохроматин подвергается G-окрашиванию по Романовскому — Гимзе в стандартных условиях, то окраска этим же красителем после денатурации-ренатурации ДНК избирательно окрашивает конститутивный гетерохроматин. Такой селективный метод получил название окраски на конститутивный (C) гетерохроматин, или C-окрашивание.

Факультативный гетерохроматин

Обычно факультативные гетерохроматиновые участки присутствуют в только одной из гомологичных хромосом. Типичным примером факультативного гетерохроматина является неактивная половая хромосома при гомогаметном кариотипе, например, неактивная X-хромосома у женских особей млекопитающих, деактивирующаяся в конденсированное гетерохроматиновое состояние; такая гетерохроматиновая X-хромосома наблюдается в интерфазе как тельце Барра. Вместе с тем, при гаметогенезе и на ранних стадиях эмбриогенеза обе X-хромосомы являются эухроматиновыми и транскрипционно активными.

Другим примером образования факультативного гетерохроматина является пахитенная стадия мейотического деления гетерогаметного гаметоцита, сопровождающаяся у млекопитающих при сперматогенезе образованием гетерохроматинового комплекса XY-хромосом — полового пузырька. Образование такого гетерохроматинового комплекса является временным и обратимым, необходимым для деактивации половых хромосом на этой стадии мейоза: в случае, когда Х и Y хромосомы остаются активными на этой стадии, происходит нарушение баланса между продуктами экспрессии аутосом и половых хромосом, что приводит к гибели клеток.

Факультативный гетерохроматин обуславливает также «молчание» тканеспецифичных генов, переходящих в эухроматиновое состояние и экспрессирующихся только в дифференцированных клетках определённых тканей: в таких клетках активны ~10 % генов — остальные гены являются инактивированными и находятся в составе факультативного гетерохроматина.

Конститутивный гетерохроматин

Конститутивный (структурный) гетерохроматин содержится в обеих гомологичных хромосомах и локализован преимущественно в экспонированных участках — центромере, теломерах, ядрышковом организаторе. ДНК конституивного гетерохроматина является преимущественно сателлитной ДНК, состоящей из тандемных повторов (например, HS1 (Human Satellite 1), HS2, HS3, альфа-сателлит и другие сателлиты человека). В интерфазном ядре конститутивный гетерохроматин образует хромоцентры с внутренней стороны ядерной мембраны, а также в районах ядрышковых организаторов. Вопрос о функциональной роли структурного гетерохроматина в эукариотической клетке остается открытым.

Особенности структуры и состава гетерохроматина

Хроматин является нуклеопротеидом — комплексом ДНК с гистонами. Конденсация хроматина в гетерохроматин сопровождается как модификацией гистонов, так и усложнением состава нуклеопротеидного комплекса за счёт участия в нём белков гетерохроматина HP1 (Heterochromatin Protein 1).

Гистоны гетерохроматинового комплекса характеризуются низкой степенью ацетилированности по лизиновым остаткам, что увеличивает их основные свойства и, соответственно, связывание с кислыми фосфатными группами ДНК, что способствует компактификации комплекса. Другой особенностью, ведущей к образованию гетерохроматина, является метилирование 27-го лизинового остатка гистона H3 белками Polycomb-комплекса 2 (PRC2) и 9-го лизинового остатка гистона H3 гистоновой метилтрансферазой Suv39h. Метилирование 9-го лизинового остатка гистона H3 ведёт к образованию высокоаффинного сайта связывания гистона H3 и белка гетерохроматина HP1. У дрозофил метилтрансфераза Suv39h функционально ассоциирована с гистондеацетилазой таким образом, что ацетилированное и метилированное состояние 9-го лизинового остатка гистона H3 являются взаимоисключающими, то есть обеспечивается единый механизм деацетилирования и метилирования гистона H3, ведущий к усилению связывания с гистоном как ДНК, так и белка гетерохроматина HP1.

См. также

• Белки группы polycomb

Примечания

1. ↑ ^{1 2} Коряков Д.Е., Жимулев И.Ф. Хромосомы. Структура и функции / д.б.н. Л.В.Высоцкая. — Из-во СО РАН, 2009. — С. 51-60. — 258 с. — ISBN 978-8-7692-1045-7

Литература

• Жимулёв И. Ф. Гетерохроматин и эффект положения гена. — Новосибирск: Наука, 1993.
• Прокофьева-Бельговская А. А. Гетерохроматические районы хромосом. — М.: Наука, 1986. — 430 с.
• Marie-Geneviève Mattei, Judith Luciani. Heterochromatin, from Chromosome to Protein // Atlas of Genetics and Cytogenetics in Oncology and Haematology

Ссылки

• Елена Наймарк Доказано участие гетерохроматина в видообразовании. "Элементы: популярный сайт о фундаментальной науке" (03.11.2009). Архивировано из первоисточника 7 августа 2012. Проверено 13 июня 2012.