В неделящихся эукариотических клетках ДНК входит в состав хроматина, который выглядит как аморфный беспорядочно распределенный по клеточному ядру материал. Он состоит из очень тонких волокон, которые содержат ~60% белка, ~35% ДНК и ~5% РНК.
В структуре хроматиновых волокон выделяют 4 уровня структурной организации. Первый НУКЛЕОСОМНЫЙ уровень образуется за счет специфического взаимодействия двойной спирали ДНК с белками, называемыми гистонами.
Гистоны - это небольшие белки с очень высоким содержанием (20 - 35%) положительно заряженных аминокислот (лизина и аргинина). Суммарный положительный заряд позволяет гистонам прочно связываться с ДНК независимо от ее нуклеотидного состава. В ядре любой эукариотической клетки всегда присутствуют 5 разных гистонов. Гистоны Н2А (14 кДа), Н2В (13.7 кДа), Н3 (15.3 кДа) и Н4 (11.3 кДа), объединяясь по 2 молекулы каждого вида, формируют плотную белковую 8-ми субъединичную структуру, на которую, как на катушку, накручивается молекула двухцепочечной ДНК (рис. 116). Такая структура из белковой сердцевины ("кора") с намотанной на него ДНК называется НУКЛЕОСОМОЙ. Нуклеосомы регулярно повторяются вдоль молекулы ДНК, разделенные лишь короткими линкерными участками (в среднем 54 п.н.), и является основной структурной единицей хроматина. Пятый вид гистонов - гистон Н1 (23 кДа) - соединяет соседние нуклеосомы. Его молекула имеет центральную глобулярную часть и вытянутые N- и С-концевые участки (рис116). Центральная глобула Н1 присоединяется к специфическому участку на поверхности нуклеосомы, а вытянутые "плечи" примыкают, с одной стороны, к линкерной ДНК в области ее контакта с нуклеосомной частицей, а с другой стороны, к белковой сердцевине соседней нуклеосомы. Таким образом, гистон Н1 как бы стягивает соседние нуклеосомы друг с другом. Так же, как и расплетание-"плавления" двухцепочечной ДНК, присоединение гистона Н1 к нуклеосомной нити является кооперативным процессом, т.е. каждая индивидуальная молекула Н1 более охотно связывается с ДНК в непосредственной близости от другой, уже присоединившейся молекулы Н1, и, следовательно, соединение и разъединение нуклеосом происходит кластерами.
Белковая сердцевина каждой нуклеосомы представляет собой уплощенную частицу размером 11&10&5.5 нм. ДНК, намотанная на сердцевину, имеет длину в 146 п.н. и образует 1.75 оборота левозакрученной суперспирали с шагом примерно 2.8 нм. Гистоны способны самопроизвольно формировать белковый кор и связывать ДНК in vitro, однако сборка нуклеосом значительно ускоряется в ядре под действием дополнительных белков негистоновой природы и контролируется белком нуклеоплазмином. Четыре гистона, формирующие нуклеосому, являются самыми эволюционно консервативными из известных белков (например, первичные структуры гистонов Н4 у столь эволюционно далеких организмов как горох и корова различаются всего лишь двумя заменами аминокислотных остатков). Такая эволюционная стабильность предполагает, что эти гистоны играют очень ответственную роль, и что они наилучшим образом приспособлены к выполнению своїх функций. Гистон Н1 в каждой клетке представлен несколькими очень похожими разновидностями. За исключением центрального участка молекулы, аминокислотная последовательность Н1 в значительно большей степени подверглась изменениям в процес се эволюции, чем первичная структура нуклеосомных гистонов.
С нуклеосомной организацией хроматина связано несколько не решенных пока вопросов. Например, не ясно, как расположены нуклеосомы в одном и том же гене в клетках разных тканей одного организма – в одних и тех же местах гена или нет? Эта проблема называется проблемой фазирования нуклеосом. Другой вопрос связан с биологическим значением ковалентных модификаций гистонов. Например, ацетилирование некоторых остатков лизина и фосфорилирование определенных остатков серина уменьшает суммарный положительный заряд гистонов.
Такие ковалентные модификации гистонов легко обратимы: ацетильные группы постоянко присоединяются к остаткам лизина ферментом гистонацетилазой, а затем отепляються другим ферментом - гистондеацетилазой, так что средняя продолжительность пребывания в молекуле гистона каждой ацильной группы составляет около 10 мин, и картина аце- тилирования нуклеосом в ядре постоянно меняется. Другим примером обратимой модификации гистонов в ядре служит ковалентное связывание примерно 10% всех молекул гистона Н2А с маленьким (74 а.о.) белком убикитином. Кроме того, с нуклеосомами когут нековалентно связываться и другие белки, например, так называемые HMG-белки, всегда присутствующие в большом количестве в ядрах. Предполагают, что все эти обратимые ковалентные и ковалентные модификации каким-то образом участвуют в регуляции активности генов. Между тем известны и необратимые модификации нуклеосомных гистонов: многие клетки в небольшом количестве синтезируют одну или несколько вариаций гистонов, которые слегка отличаются по аминокислотной последовательности от своих основных аналогов, и биологическое значение которых пока неизвестно.
Первый структурный уровень хроматина - нуклеосомная нить - имеет диаметр 11 нм и наблюдается в условиях низкой ионной силы при отсутствии гистона Н1. Рассеяние нейтронов и электрический дихроизм показали, что нуклеосомы в таких нитях ориентированы бок о бок друг к другу, а их торцы не сильно отклоняются от оси нити. При этом линейная молекула ДНК, упакованная таким образом, становится короче всего лишь в (200 п.н.&0.34 нм)/(10 нм + 54 п.н.&0.34) ~ 2.4 раза. В условиях высокой ионной силы и в присутствии гистона Н1 формируются нити с диаметром 30 нм. Это следующий структурный уровень хроматина, называемый ХРОМАТИНОВЫЕ ФИБРИЛЛЫ. Как уложены нуклеосомы в составе такой фибриллы, неизвестно. На рис. 117 показаны два варианта такой укладки, спиральный вариант считается более вероятным. В обоих случаях молекула ДНК становится еще в 16.7 раза короче.