4.3.2* Характерные свойства транскрипционно активного хроматина - чувствительность и гиперчувствительность к ДНКазе I и свободная от нуклеосом зона

Х. Вайнтрауб обнаружил, что материал активных генов более быстро переваривается ДНКазой I, чем хроматин, содержащий неактивные гены. Разница - чисто количественная, но хорошо воспроизводимая. Феномен был подтвержден многими авторами. Оказалось также, что и другие нуклеазы быстрее атакуют активный хроматин. Это его свойство было названо "повышенной чувствительностью к ДНКазе I". Возможным и наиболее тривиальным ее объяснением является более открытая конформация активного хроматина. Естественно, 100 Å-фибрилла должна атаковываться нуклеазами легче, чем 300 Å-соленоид.

Интересно, что повышенная чувствительность к ДНКазе I появляется до того, как происходит активация транскрипции, т. е. связанная с нею "активная конформация хроматина" не является следствием уже идущей транскрипции, но предшествует таковой. Другой интересной особенностью является то, что область повышенной чувствительности к ДНКазе I распространяется далеко за пределы гена, иногда на десятки тысяч пар нуклеотидов. Таким образом, изменение конформации хроматина (деконденсация?) захватывает не только сам активный ген, но значительно больший домен, в состав которого он входит (возможно, петлю, прикрепленную к ядерному скелету, см. разд. 3.4).

Другое важное свойство активного хроматина - это существование областей, свободных от нуклеосом и гистонов. Некоторыми авторами было показано, что обычно перед генами, более или менее совпадая с энхансерами и другими регуляторными последовательностями, располагаются области ДНК, не организованные в нуклеосомы. При электронной микроскопии в этих участках не видно бусин на нитях. Те же самые области ДНК, но в клетках, где соответствующие гены зарепрессированы, имеют типичную нуклеосомную организацию.

В лаборатории А. Д. Мирзабекова с помощью описанного выше метода гибридизации с тенями гистонов (см. разд. 4.2) показано, что регуляторная область гена теплового шока дрозофилы не содержит ни гистона H1, ни гистонов сердцевины: диагонали, соответствовавшие комплексам ДНК с гистонами, совсем не гибридизовались с пробой, содержавшей регуляторную область. Интересно, что даже в клетках, где транскрипция генов теплового шока не идет и где все три диагонали (ДНК, ДНК+гистоны сердцевины и ДНК+гистон H1) нормально связываются с ДНК самого гена, гибридизация с пробой из регуляторной области выявляет только диагональ свободной ДНК. Постоянное существование свободной от гистонов регуляторной области у генов теплового шока связано с тем, что эти гены потенциально активны,- они немедленно включаются под воздействием теплового шока или другого стресса.

В случае генома вируса SV40, хотя транскрибируется лишь 2-5 % всех молекул, около 20 % мини-хромосом имеют свободную от нуклеосом область - это, очевидно, потенциально активные мини-хромосомы. У остальных 80 % мини-хромосом регуляторная область, как и другие участки генома, организована в нуклеосомы (рис. 30).

Рис. 30. Выявление свободной от нуклеосом зоны в мини-хромосомах вируса SV40. а-б - электронная микроскопия мини-хромосом вируса SV40, выделенных в 0,1 М NaCl после напыления. Приведены фотографии мини-хромосом, лишенной (а) и содержащей (б) безнуклеосомную зону, в - выявление участков гиперчувствительности к ДНКазе I. Ядра инфицированных вирусом SV40 клеток обрабатывали ДНКазой I в мягких условиях, выделяли ДНК, обрабатывали эндонуклеазой EcoRI и после электрофореза гибридизовали с меченой ДНК SV40. Видно появление дискретных фрагментов с длиной ~67 % и 33-26 % от всего генома, что соответствует положению области, свободной от нуклеосом (по результатам, полученным М. Янивом и др.)

Третьей характерной особенностью активного хроматина является гиперчувствительность к ДНКазе I. Это явление заключается в раннем появлении под воздействием ДНКазы I двухцепочечных разрывов в строго определенных участках гена. ДНКаза I обычно вносит в ДНК одно-цепочечные разрывы и поэтому появление двухцепочечных разрывов при переваривании свободной ДНК происходит лишь на поздних стадиях гидролиза. Здесь же такие разрывы появляются на ранних этапах переваривания хроматина.

Впервые феномен был описан на генах теплового шока дрозофилы К. Ву (США), который применил метод картирования с помощью гибридизационной метки.

Сейчас сайты гиперчувствительности к ДНКазе I обнаружены для множества разных генов. Обычно таких мест бывает несколько. Очень часто они локализуются в области энхансеров, а также и рядом с другими регуляторными элементами. Иногда часть сайтов сохраняется и в неактивном хроматине, однако многие из них можно выявить только в том случае, если данный ген транскрибируется или по крайней мере находится в потенциально активном состоянии. В мини-хромосоме вируса SV40 несколько сайтов гиперчувствительности к ДНКазе I располагаются в регуляторной области, свободной от нуклеосом (см. рис. 30)

Интересно, что, как показал Х. Вайнтрауб, в областях энхансеров ДНК в составе активного хроматина подвергается также атаке нуклеазой S1, которая обычно гидролизует только одноцепочечную ДНК. Это указывает на наличие определенных нарушений в монотонной структуре ДНК в области энхансеров. Причины гиперчувствительности к ДНКазе I и чувствительности к ней и нуклеазе S1 обсуждаются в следующих разделах (см. разд. 4.4 и 4.5).