ДНК-гистоны взаимодействия и пространственная организация нуклеосомы. Каждый гистоновых гетеродимер (рис. 4, цвет. Вст.) Имеет своей глобулярных поверхности три зоны скопления положительно заряженных
аминокислотных остатков, которые способны взаимодействовать с ДНК за электростатическим механизмом: в местах взаимодействия между петлями L1 и L2 различных субъединиц (которые являются конформационные жесткими за счет элементов межмолекулярного ß-структуры, пидпидрозд. 2.1.2) и в зоне контакта между N-концами спиралей а1. Вместе эти три сайта создают платформу для связывания участки ДНК длиной 27-28 пар оснований (~ 2,5 витка двойной спирали, рис. 11, цвет. Вст., См. также рис. 4, цвет. В ст.).
Тетрамер (Н3-Н4) 2 (рис. 5, цвет. Вст.) Занимает центральную позицию в структуре нуклеосомы и связывает ~ 55 пар оснований (рис. 12, цвет. В ст.). Комплекс тетрамера с ДНК называют тетрасомою. Структура тетрасомы по тетрамера, напоминающую подкову, которая образует элемент левой суперспираль. Ось симметрии второго порядка тетрасомы (которая одновременно является и осью симметрии второго порядка всей нуклеосомы) проходит через интерфейс между двумя молекулами Н3 и центральную пару оснований.
Два димеры Н2А-Н2В (взаимодействуя при этом с ДНК, нейтрализует положительные заряды гистонов, см.. Пидпидрозд. 2.1.2) продолжают тетрасомну суперспираль в обе стороны, образуя нуклеосомну частицу. Результатом реализации ДНК-гистоновых и гистона-гистоновых взаимодействий является формирование на поверхности октамер ~ 1,7 витка левой суперспираль ДНК. Структуру нуклеосомы, содержащий ДНК длиной 147 пар оснований, установленную методом рентгеноструктурного анализа кристаллов нуклеосом в лаборатории Ричмонда (Timothy Richmond). Как указано выше, ось симметрии нуклеосомы проходит точно через центральную пару оснований (не через промежуток между двумя парами) нуклеосомнои ДНК - в этой точке большой желобок двойной спирали является обращенным к поверхности октамер гистонов (рис. 12, 13, цвет. В ст.). ДНК-гистоны взаимодействия осуществляются в позициях, где маленький желобок контактирует с октамер - с положительно заряженными сайтами на поверхности гистоновых димеров (рис. 3.1, 11-13, цвет. В ст.). Один из примеров таких контактов показано на рис. 14, цвет. в ст. -Погружение остатка аргинина (см. также рис. 3, цвет. В ст.) В маленький желобок происходит в каждом сайте взаимодействия. В каждом сайте два фосфатные остатки различных цепей ДНК (по обе стороны от маленького желобка) жестко фиксируются на поверхности октамер, которая, таким образом, задает определенную конформацию нуклеосомнои ДНК, рассматриваться в следующем пидпидроздили.
С указанными выше сайтами на поверхности четырех гистоновых димеров взаимодействует центральная часть - 121 пара оснований (-12 витков двойной спирали) - нуклеосомнои ДНК (12 контактов с маленьким желобком). Два последних контакты (перед выходом ДНК с нуклеосомы) с маленькими желобками реализуются с помощью aN-спиралей гистонов Н3 (рис. 3.1, 13, цвет. В ст.). Всего нуклеосомна ДНК содержит не более 14 витков двойной спирали, небольшие дополнительные фрагменты на концах стабилизируются частями N-концевых хвостов Н3, которые фланкирующих aN-спирали. Центральную точку нуклеосомнои ДНК, через которую проходит ось симметрии и где большой желобок двойной спирали является обращенным к поверхности октамер гистонов, принято обозначать как SHL 0 (SuperHelical Location - суперспиральна позиция). Позиции, где большой желобок снова оказывается обращенным к поверхности октамер (через каждый виток двойной спирали), обозначают целыми числами от 1 до 6 (при движении от центра к периферии по часовой стрелке, рис. 3.5) и от -1 до -6 (в противоположном направлении). Соответственно, SHL ± 0,5; ± 1,5 и т.д. являются позициями, где маленький желобок контактирует с поверхностью октамер (рис. 3.1): нуклеосомна ДНК на участке от SHL -2,5 до +2,5 связана с тетрамер (Н3-Н4) 2, от SHL ± 3,5 до ± 5,5 - с Дымер Н2А-Н2В, в SHL ± 6,5 - с aN-спиралями гистонов Н3.
В основном, гистоны взаимодействуют с цукрофосфатним остовом ДНК: главную роль играют электростатические контакты, к которым привлекаются остатки аргинина и лизина, а также N-концевые части диполей гистоновых спиралей a1 (каждая a-спираль в белках представляет собой диполь - на N-конце спирали образуется частичный положительный, на С-конце - отрицательный заряд). При этом реализуются многочисленные водородные связи с цукрофосфатним остовом (к большей их части привлечены остатки Arg и Lys), как непосредственные между ДНК и гистонами, так и косвенные молекулами воды (вода играет роль бифункциональных сшивки, образуя водородные связи с ДНК и белковой поверхностью). Наблюдаются также водородные связи с азотистыми основаниями, которые не могут играть важную роль в связывании, - 13% от общего количества непосредственных водородных связей. Вообще, водородные связи в данном случае следует рассматривать как примерно изоенергетичний следствие замены части водородных связей с водой на контакты между полярными поверхностями - главным фактором связывания являются неспецифические по нуклеотидной последовательности ДНК электростатические взаимодействия.
Нуклеосомна ДНК связана с глобулярной частью октамер гистонов, конечные неупорядоченные хвосты гистонов практически не принимают в этом участия. N-концевые хвосты гистонов Н3 и Н2В выходят за пределы нуклеосомы через каналы, сформированные маленькими желобками двух дуплексов соседних витков нуклеосомнои суперспираль (рис. 15, цвет. В ст.) - Один из четырех хвостов Н3 и Н2В проходит через такой канал через каждые -20 пар оснований вдоль нуклеосомнои ДНК: между SHL +6,5 и -0,5 и -6,5 и +0,5 (Н3), между SHL +4,5 и -2,5 и -4,5 и +2 , 5 (Н2В). Участки хвостов, которые непосредственно расположены в каналах, является положительно заряженными и, таким образом, дополнительно скрепляют соседние витки суперспираль. Другим следствием такого расположения четырех хвостов является сама необходимость создания каналов, т.е. точного расположения маленьких желобков соседних витков друг напротив друга, что накладывает определенные ограничения на спиральную периодичность нуклеосомнои ДНК. N-концевые хвосты гистонов Н4 и Н2А взаимодействуют с маленьким желобком внешне нуклеосомнои суперспираль. Особое место -входу/виходу нуклеосомнои ДНК - занимают наиболее длинные N-концевые хвосты гистонов Н3. Положительно заряженный хвост Н3 стабилизирует структуру нуклеосомы в этой зоне, где наблюдается самая высокая плотность отрицательных зарядов ДНК.
Указанным вкладом в стабилизацию нуклеосомы роль хвостов не ограничивается. Значительная часть гистоновых хвостов просто выходит за пределы нуклеосомы (рис. 15, цвет. В ст.). Благодаря своей структурной лабильности они принимают участие в организации хроматина на наднуклеосомному уровне (раздел 4), а также играют важную роль платформы для связывания различных белков, сродство к которым определяется посттрансляционной модификации хвостов (подраздел 2.3). Последняя роль хвостов является одним из ключевых элементов системы регуляции транскрипции (раздел 5).
Поскольку положительно заряженные хвосты дают вклад в дополнительную стабилизацию нуклеосомы, одна из модификаций, которая снижает положительный заряд хвостов, - ацетилирования (всего более 30 остатков может быть ацетилированный в составе нуклеосомы) - приводит к частичной дестабилизации структуры. Ацетилирования не влияет на структуру нуклеосомы (практически не зависит от хвостов), но меняет характер структурной динамики как нуклеосомы (подраздел 3.3), так и хроматиновыми фибриллы на наднуклеосомному уровне ее организации (раздел 4).