НУКЛЕОПРОТЕИДЫ

Нуклеопротеиды — комплексы нуклеиновых кислот с белками. Н. являются основным компонентом Многих биоструктур — вирусов (см.), информосом и др.

Образование нуклеопротеидов обеспечивает осуществление важнейших функций нуклеиновых кислот (см.) — воспроизведение, передачу и реализацию генетической информации. В зависимости от типа нуклеиновой к-ты, входящей в состав комплекса, различают дезоксирибонуклеопротеиды (ДНП) и рибонуклеопротеиды (РНП). Белки, образующие Комплексы с нуклеиновыми к-тами, могут быть разделены на две группы.

Одни связываются электростатическими связями преимущественно с двухспиральными полинуклеотидами и тем самым стабилизируют их вторичную структуру, другие, сродство к-рых к односпиральным полинуклеотидам выше, чем к двухспиральным, при связывании с двухспиральными полинуклеотидными цепями дестабилизируют их вторичную структуру. К последним относятся белки гена 5 фага fd, гена 32 фага Т4, фермент рибонуклеаза, белок SI, выделенный из рибосом и дестабилизирующий вторичную структуру РНК, и др. Нек-рые из белков, дестабилизирующих двухнитевые нуклеиновые к-ты, имеют полидоменную структуру. Каждый домен отвечает за взаимодействие с определенным лигандом. На процесс комплексиро-вания полинуклеотидной цепи с белками значительное влияние оказывает также топологическая организация молекул нуклеиновых к-т (напр., линейная, кольцевая или сверхспиральная форма ДНК). Ряд структурных, регуляторных белков, в т. ч. и ферментов, имеют разное сродство к специфическим последовательностям в молекулах ДНК, находящихся в сверхспиральной или релаксированной формах.

В ряде случаев определяющим моментом при взаимодействии нуклеиновых к-т с белками является наличие специфичных нуклеотидных последовательностей в полинуклеотидной цепи. При этом величины констант ассоциации белка со специфичными последовательностями нуклеотидов в молекуле нуклеиновой к-ты во много раз выше, чем величины констант ассоциации этого же белка с любыми другими нуклеотидными последовательностями. Это относится, напр., к нуклеопротеиду, представляющему собой участок молекулы ДНК, характеризующийся специфическими нуклеотидными последовательностями (оператор), с бел-ком-репрессором, блокирующим инициацию транскрипции соответствующих матричных РНК. Предполагают, что специфичность процесса образования этого комплекса обусловлена возникновением водородных связей между остатками определенных аминокислот в молекуле белка-репрессора и функциональными группами азотистых оснований оператора. Кроме того, комплекс стабилизируется электростатическими взаимодействиями между фосфатными группами ДНК и основными группами белка-репрессора, а в пределах последнего и белок-белковыми контактами. Взаимодействие белка-репрессора с денатурированной ДНК, а также измененным в результате мутаций оператором менее эффективно. Принципиальное значение имеет то, что в первичной структуре многих операторов обнаружены симметричные последовательности нуклеотидов. Это теоретически разрешает перестройку оператора из двойной спирали в структуру типа «шпильки», к-рая, вероятно, и узнается белком. Это предположение в некоторой степени подтверждается большими величинами констант ассоциации белка-репрессора с кольцевой ДНК, находящейся в сверхспиральной форме.

Взаимодействие между компонентами Нуклеопротеидов имеет также характерные особенности в зависимости от структурно-функционального назначения нуклеопротеидного комплекса в естественных биоструктурах. Напр., в вирусах сила и природа связи взаимодействующих групп Н. существенно зависят от размеров, хим. состава, типа симметрии белковой капсиды, структуры белковых субъединиц и вида нуклеиновой к-ты (ДНК или РНК) вируса. Так, у сферических вирусов в непосредственном контакте с молекулами белка находятся только периферические участки нуклеиновой к-ты, следствием чего является минимальный контакт между этими соединениями. В палочкообразных или нитевидных вирусах нуклеиновая к-та на всем своем протяжении погружена в белок, что приводит к более выраженному взаимодействию между ними. Взаимодействие между компонентами Н. является важным фактором, определяющим биол, свойства вирионов, их инактивацию, чувствительность к мутагенам и т. д.

Существенное значение для образования про-матричной РНК (про-мРНК) и ее транспорта от места синтеза к ядерной мембране имеют сложные полисомоподобные РНП-комплексы, образующиеся из молекулы про-мРНК и последовательно расположенных на ней белковых структур — информофер. В образовании этих комплексов заметную роль играют электростатические силы. Подобный тип взаимодействий имеет место и в информосомах — структурах, локализованных в цитозоле и представляющих собой сложные комплексы между матричной РНК и несколькими полипептидами.

Еще одним представителем Н. являются рибосомы — внутриклеточные структуры, в к-рых осуществляется синтез белков. Разные по первичной структуре и организации участки рибосомной РНК определяют расположение белковых субъединиц в субчастицах рибосом. При этом сам акт комплексирования приводит к структурной реорганизации определенных нуклеотидных последовательностей РНК. Большинство рибосомных белков имеет основный характер, что обусловлено высоким содержанием в них аргинина и лизина, что подчеркивает значительный вклад электростатических взаимодействий в образование комплекса РНК-белок. Это подтверждается диссоциацией относительно дискретных групп белков под действием высоких концентраций солей одновалентных металлов до почти полной депротеинизации рибосомных РНК. Однако этот тип взаимодействий не исчерпывает всех связей между РНК и белками в рибосомах. Так, напр., нитрирование остатков тирозина, а также модификация остатков лизина или метионина в соответствующих белках рибосом практически полностью нарушает РНК-белковые взаимодействия. Основные принципы нуклеиново-белкового «узнавания» в рибосомах, да и в других РНП-комплексах пока недостаточно выяснены.

В передаче и реализации генетической информации в клетках эукариотов основную роль играют нуклеиновые к-ты. Наиболее полно изучены комплексы ДНК с протаминами (см.). Молекулы протаминов состоят приблизительно из 45 аминокислотных остатков, почти 3/4 из них являются остатками аргинина. Однако в подавляющем большинстве клеток эукариотов главным белковым компонентом Н. являются гистоны. Их молекулы содержат ок. 25% основных аминокислот (преимущественно аргинина и лизина). По электрофоретической подвижности гистоны делят на 5 основных фракций — Н1, Н2а, Н2в, НЗ, Н4, причем белки этих фракций отличаются друг от друга и по соотношению остатков лизина и аргинина в молекулах. В пределах одной фракции молекулы гистонов могут различаться по количеству и месту раположения модифицированных аминокислот (ацетилированных, метилированных, фосфо-рилированных, рибозилированных). Нек-рые фракции гистонов имеют подфракции. В клетках с репрессированным геномом фракция Н1 иногда замещается на гистон Н5, в состав нуклеогистона входит белок А24, представляющий собой гистон Н2а, ковалентно связанный с полипептидом убихитином. Поскольку в митозе белок А24 отсутствует, выдвигается предположение, что белок А24 является одним из факторов, препятствующих митотической конденсации ДНП в интерфазе. Молекулы гистонов и (или) их комплексы друг с другом соединяются с ДНК преимущественно за счет электростатических связей между отрицательно заряженными фосфатами ДИК и положительно заряженными группами остатков основных аминокислот гистонов. Возникающая при этом структура комплекса периодична, повторяющийся элемент — нуклеосома содержит в зависимости от источника выделения Н. ДНК длиной от 160 до 240 нуклеотидных пар и по две молекулы каждого из гистонов Н2а, Н2в, НЗ, Н4. В нуклеосоме выделяют основную часть («сердцевину»), содержащую вне зависимости от источника выделения Н. постоянное количество ДНК (140—145 пар нуклеотидов) и 8 молекул гистонов (так наз. октамер — по две молекулы каждого гистона: Н2а, Н2в, НЗ, Н4), ассоциированных друг с другом при помощи гидрофобных взаимодействий своих неполярных блоков. Моделью сердцевины нуклеосомы может служить диск диаметром 11 нм и толщиной 5,7 нм, причем ДНК в B-форме в виде спирали диаметром 9 нм и шагом 2,8 нм навивается на белковое ядро. Основные части нук-леосом соединены между собой сегментами ДНК, не входящими в основные частицы. Длина этого соединительного участка ДНК — «линкера» равна разности между длинами ДНК всей нуклеосомы и ее основной части. Т. о. вариация длин линкеров обусловливает гетерогенность нуклеосом по количеству содержащейся в них ДНК. Возможно, длина линкера определяется природой связанных с ним гистона Н1 (одна молекула на одну нуклеосому) и негистоновых белков.

Негистоновые белки хроматина (см.) весьма гетерогенны по своему составу; с помощью электрофореза в зависимости от типа клеток идентифицируется от нескольких десятков до сотен отдельных фракций таких белков. Их мол. веса (массы) составляют от 5000 до 200 000. Изоэлект-рические точки находятся в диапазоне от 3 до 10. Негистоновые белки Н. содержат большое количество аспарагиновой и глутаминовой к-т. Они обмениваются значительно быстрее, чем гистоны, и в отличие от них синтезируются в течение всего митотического цикла. Связанные с нуклеосомами негистоновые бел ки представляют собой относительно низкомолекулярные белки, содержащие большое количество диамино-и дикарбоновых аминокислот, отличающиеся высокой электрофоретической подвижностью, поэтому в литературе они обозначаются как НМ G-белки (англ. high mobility group). У нек-рых белков этой группы (НМ G 1 и НМ G 2) отмечено различие в сродстве к сверхсииральной и релаксированной формам ДНК. При обработке ДНП непосредственно в ядрах клеток ферментами, гидролизующими преимущественно те участки ДНК, к-рые представляют собой активные в данной клетке гены, из ДНП освобождаются нек-рые негистоновые белки. Это позволяет считать, что негистоновые белки (преимущественно НМ G 14 и НМ G 17) связаны с нуклеосомами функционально активного хроматина.

Нуклеосомы представляют собой динамические образования: при соответствующих параметрах среды, когда электростатическое отталкивание превышает силы гидрофобного взаимодействия, нуклеосомы разворачиваются. При механическом растяжении длина фибриллы ДНП увеличивается, и характерная для нуклеосом картина при рентгеноструктурном анализе исчезает. Введение в среду агентов, являющихся донорами межмолекулярных связей (напр., поликатионов), приводит к фиксации структуры открытых нуклеосом. Появление в среде соединений, конкурирующих за межмолекулярную связь (преимущественно, полианионов), вновь вызывает конденсацию ДНП. Изменения структуры нуклеосом указывают на существование полиморфизма (топомор-физма) ДНП уже на уровне упаковки этих образований. Возможность выбора из ряда альтернативных структур ДНП является, по-видимому, одной из основ эпигенеза, ибо фенотип можно рассматривать как возможность выбора из нескольких путей реализации информации, передаваемой через ДНК хромосом. Принципиальным является то, что образование нуклеосом сопровождается сверхспирализацией замкнутой ДНК. Следует учесть, что сверхспираль всегда отрицательна, т. е. противоположна знаку двойной спирали. С увеличением плотности витков сверхспирали начинают раскрываться достаточно протяженные области ДНК, имеющие, по-видимому, функциональное значение, о чем свидетельствует тот факт, что частота инициации транскрипции с увеличением плотности сверхспирали возрастает. Существенно, что сверхспи-рализация стимулирует и рекомбинацию. Предполагают, что в самом механизме генетических рекомбинаций заложена возможность их регуляции через изменение структурной организации ДНП. Перевод ДНК из сверхспиральной формы, индуцированной образованием нуклеосом, в релаксированную может осуществляться одним из ферментов группы топоизомераз, активность к-рого регулируется путем его взаимодействия с гистоном Н1.

Данные об организации нуклеосом получены на препаратах ДНП, выделенных из естественных биоструктур, однако полагают, что и в клетках ДНП организованы сходным образом. При наличии в составе ДНП гистона Н1 нуклеосомы плотно прилегают друг к другу, образуя фибриллу диаметром ок. 10 нм. Тот факт, что коэффициент линейной упаковки ДНК в нуклеосоме равен примерно 7, а коэффициент линейной упаковки ДНК метафазной хромосомы составляет величину порядка 104, указывает на наличие уровней организации ДНП более высоких, чем уровень организации нуклеосом. Встречающиеся в интерфазных ядрах клеток фибриллы ДНП диаметром 20—30 нм могут быть получены путем суперспиральной упаковки фибриллы диаметром 10 нм в структуру типа соленоида или упаковки нуклеосом в частицы, каждая из к-рых состоит из 6—10 нуклеосом, получившие название нуклеомеры, или супербиды. При этом коэффициент линейной упаковки ДНК равен примерно 40. Механизмы организации ДНП в структуры более высокого порядка недостаточно ясны. Эта организация специфична для каждого типа клеток, различающихся по характеру синтеза РНК. Происходящие на этом уровне процессы конденсации или деконденсации ДНП имеют существенное значение для функционирования генома, «включая» или «выключая» большие блоки генов, напр, при дифференцировке клеток, инактивации конденсированных участков хроматина в интерфазных ядрах, инактивации сегментов политенных хромосом и т. д.

Т. о., структурная динамика нуклеосом, определяющая возможность их полиморфизма, является, по-видимому, одним из механизмов регуляции функциональной активности генома и его изменений через рекомбинации. Изменения активности генома происходят также при нарушении в Н. соотношения гистон /ДНК. Напр., снижение количества или скорости синтеза гистонов, вызванное нехваткой генов, контролирующих синтез гистонов у дрозофилы, уменьшает величину соотношения гистон/ДНК в Н., повышает матричную активность Х-хромосомы и поддерживает активность гена, перенесенного в гетерохроматин. Возрастание величины отношения гистон/ДНК приводит к репрессии определенных генов. Изменения экспрессии (выражения) генов происходят и при модификации гистонов, осуществляющейся в процессе клеточного цикла. Так, ацетилирование гистонов коррелирует с активацией транскрипции генами, а их фосфорилирование — с репликацией и образованием митотических хромосом. В основном все типы модификации гистонов реализуются в ДНП через изменение их электростатических взаимодействий с ДНК.

Изменения взаимоотношения ДНК и белков в Н. имеют место при малигнизации, нек-рых хромосомных болезнях и др. Напр., при болезни Дауна в ряде участков ядер клеток ДНП более конденсированы, чем в норме. При этом локальные участки ДНК Н. попадают в иное микроокружение, что приводит к изменению констант их связывания с соответствующим субстратом, т. е. изменению экспрессии ряда генов, если последние вовлечены в эти участки.

В результате действия мутагенов физ. и хим. природы в ДНП возникают многочисленные повреждения: частичная диссоциация Н., образование «сшивок» между ДНК и нек-рыми белками Н., распад какого-то количества Н. на нуклеосомы, нарушение структурообразования нуклеопротеида. Вместе с тем белки, перехватывая свободные радикалы, частично защищают ДНК в Н., уменьшая деструкцию азотистых оснований и число одиночных и парных разрывов. Нек-рые из перечисленных повреждений имеют генетические, а часть — функциональные последствия.

См. также Рибонуклеиновые кислоты.

Библиография: Георгиев Г. П. и Бакаев В. В. Три уровня структурной организации хромосом эукариот, Молек. биол., т. 12, в. 6, с. 1205, 1978, библиогр.; Нейфах А. А. и Тимофеева М. Я. Проблемы регуляции в молекулярной биологии развития, М., 1978, библиогр.; Спитковский Д. М. Полиморфизм надмолекулярной организации хроматина в клетках человека и его роль в наследственной патологии, в кн.: Теорет. пробл. мед. генетики, под ред. А. Ф. Захарова, с. 52, М., 1979; Хесин Р. Б. Непостоянство генома, Молек. биол., т. 14, в. 6, с. 1205, 1980; Mс Ghee J. D. a. Felsenf eld G. Nucleosome structure, Ann. Rev. Biochem., v. 49, p. 1115, 1980; Tike honenkoT. I. Structure of viral acids in situ, в кн.: Comprehensive virology, ed. by H. Fraenkel-Conrat a. R. R. Wagner, v. 5, p. 2, N. Y.—L., 1975.

Д. М. Спитковский.