Глава четвертая. Регуляция активности генов на хромосомном уровне

4.1. Активация гена идет через деконденсацию хроматина

Уже давно стало ясно, что при транскрипции гена его организация в хроматине существенным образом меняется, и эти изменения прежде всего выражаются в деконденсации, декомпактизации генетического материала. Ярким примером являются политенные хромосомы дрозофилы. В некоторых органах личинок дрозофилы, например слюнных железах, репликация ДНК не сопровождается митозом и расхождением хромосом. Содержание ДНК в ядре увеличивается в тысячи раз, а число хромосом остается прежним. В этих многонитчатых, или политенных, хромосомах цепи ДНК лежат параллельно друг другу, находясь строго в одном регистре. В каждой цепи ДНК чередуются участки, где хроматиновая фибрилла вытянута, и участки, где она сложена в более компактные структуры. Поскольку все фибриллы находятся в одном регистре, то на хромосоме даже в световой микроскоп видно чередование более плотных участков, дисков, и менее плотных междисковых участков. На диски приходится существенно больше ДНК. Размеры дисков сильно варьируют, но в среднем каждая молекула ДНК, входящая в состав диска, имеет размер ~ 35 т. п. н. Эта величина близка к размерам петли у D. melanogaster, но соответствуют ли диски петлям хромосом, неизвестно. В диске может располагаться один или несколько генов.

В политенных хромосомах идет довольно активно транскрипция ряда генов. За ней легко следить, исследуя с помощью авторадиографии включение меченного [³Н] - уридина в хромосомы. Некоторые гены бывают неактивны на одних стадиях и активны на других. При изучении морфологии хромосомы было обнаружено, что активация гена сопровождается резкими изменениями в диске, где этот ген расположен. Диск увеличивается в размерах, разбухает, и ДНК распределяется в большем объеме (рис. 25). Хроматиновые фибриллы распрямляются и растягиваются вдоль оси хромосомы. Образуется так называемый пуфф. В пуффах происходит активное включение [³Н] - уридина, т. е. там происходит активная транскрипция. Когда транскрипция прекращается, хроматин вновь конденсируется и восстанавливается исходная структура дисков. Таким образом, между транскрипцией и деконденсацией хроматина прослеживается четкая корреляция.

Рис. 25. Серия фотографий участка полигонной хромосомы личинок Drosophila melanogaster на разных стадиях развития, иллюстрирующая появление и исчезновение пуффов в нескольких областях хромосомы (по результатам, полученным М. Ашбернером)

Априорно это выглядит очевидным. Действительно, практически невозможно представить, как РНК-полимераза будет прочитывать ДНК, упакованную вначале в нуклеосомную фибриллу, а затем в соленоид. По крайней мере соленоид (или нуклеомер) должен быть разрушен. Поскольку в образовании соленоида важная роль принадлежит гистону H1, мы рассмотрим прежде всего именно его судьбу при активации гена.