В транскрипционно активных участках хроматин может быть бедным на гистона Н1 и находиться в деконденсованому состоянии полинуклеосомного цепи. Однако, большая часть хроматина представляет собой компактную фибрилл толщиной 30 нм, к стабилизации которой задействован гистона Н1.
Прежде чем перейти к роли гистона Н1, следует рассмотреть, что собственно представляет собой полинуклеосомний цепь по своей пространственной структурой. В хроматине нуклеосомы соединены линкерами длиной ~ 20-50 пар оснований. Если линкер, на который не наложено никаких структурных ограничений, просто продолжает ход нуклеосомнои ДНК по прямой, нуклеосомы в составе полинуклеосомного цепи должны быть расположены примерно так, как показано на рис. 4.4 - конкретная геометрия будет варьировать в зависимости от длины и Твиста линкера. Проекция такой конфигурации на плоскость дает зигзаг - именно так выглядит декомпактизована (в отсутствии Н1 и низкой ионной силы) полинуклеосомна фибриллами под микроскопом (электронным или атомно-силовым). Толщина такого трехмерного зигзага как раз и составляет около 30 нм.
Аксиальная конденсация полинуклеосомного зигзага происходит физиологических значений ионной силы (100-150 мМ NaCl, присутствие двухвалентных катионов усиливает способность к компактизации). Неорганические катионы (необходимое, но не достаточное условие конденсации) обеспечивают определенный уровень нейтрализации фосфатов и, соответственно, снижение электростатического расталкивания между приближенными друг к другу линкернимы участками и нуклеосомы в составе конденсированной фибриллы. Главной движущей силой конденсации являются неупорядоченные хвосты коревых гистонов: лабильные положительно заряженные хвосты эффективно "сшивают" фибриллы, взаимодействуя с линкерами и ДНК соседних нуклеосом. При энзиматических удалении хвостов компактизации фибриллы невозможна даже в присутствии Н1, и наоборот - без Н1 компактизации происходит только за счет хвостов коревых гистонов. Соответственно, ацетилирования хвостов способствует деконденсация хроматина в активных и потенциально активных участках. Наиболее важную роль в содействии конденсации играют N-концевые хвосты гистонов Н3 и Н4. Гистонов хвосты могут взаимодействовать не только с ДНК. В частности, N-концевой хвост Н4 осуществляет контакты с отрицательно заряженным сайтом на поверхности димера Н2А-Н2В другой нуклеосомы. Кроме того, в кристаллической структуре тетрануклеосом (фрагмента полинуклеосомнои фибриллы, "замороженного" в компактном состоянии, рис. 18, цвет. Вст.),-Наблюдается "стекинг" нуклеосомних дисков - взаимодействия между глобулярной частями димеров Н2А-Н2В различных нуклеосом.
Таким образом, наличие лабильных положительно заряженных хвостов коревых гистонов приводит к появлению своеобразных сил притяжения между нуклеосомы. Однако эти силы довольно слабы: хвосты быстро осциллируют, связываясь с участками ДНК на короткое время. При низкой ионной силы электростатическое расталкивания приводит к декомпактизации фибриллы, а при физиологических условиях силы расталкивания примерно компенсируются силами притяжения - суммарная свободная энергия взаимодействия между нуклеосомы в компактном состоянии фибриллы относительно деконденсованого приблизительно равна нулю. То есть, и это подтверждается многими экспериментами, полинуклеосомна фибриллами является динамичным образованием - участки фибриллы осциллируют между примерно равновероятны компактизованим и декондесованим состояниями.
Зато, в присутствии линкерного гистона Н1 по физиологической ионной силы компактная фибриллами становится значительно более стабильной: по результатам растяжения такой фибриллы оптическим пинцетом (Cui, Bustamante, 2000), суммарная свободная энергия стабилизации компактного состояния равен -3,4 kT на одну нуклеосому. Такое значение указывает, что компактная фибриллами, сформирована при участии Н1, все равно остается довольно динамичной - ~ 4% времени любые две соседние нуклеосомы теряют контакт и переходят в деконденсований состояние. Молекулярное моделирование с использованием данных по растяжению свидетельствует об организации фибриллы, сложившейся при участии Н1, как автомобильные флуктуюючого зигзага. То есть, гистона Н1 не создает новой структуры, а просто использует внутренние свойства фибриллы для дополнительной стабилизации ее компактного состояния.
С одной нуклеосомы в хроматине взаимодействует (если взаимодействует, см.. Ниже) одна молекула Н1. Глобулярный домен Н1 (примерно 80 аминокислот) принадлежит к семейству "спиральных с крылышком" ДНК-связывающих белков (рис. 7, цвет. В ст.). По поверхности домена распределены позитивно-заряженные остатки, что обусловливает возможность его взаимодействия с приближенными в пространстве участками ДНК. Соответственно, глобулярный домен, скорее всего, связывается с двумя участками ДНК в начале линкеров (длиной по ~ 10 пар оснований), выходящих из нуклеосомы, а также взаимодействует с центральным участком нуклеосомнои ДНК длиной 10 пар оснований, симметрично расположенной относительно центральной пары оснований (рис. 4.5). Наверное, "первичным" сайтом связывания есть маленький желобок двойной спирали, экспонированные наружу в позиции SHL0. Следствием взаимодействия GH1 с указанными участками являются дополнительная стабилизация нуклеосомнои суперспираль в составе хроматосомы. С-концевой хвост Н1 взаимодействует с обеими линкерами (длиной по 10-30 пар оснований), выходящих из нуклеосомы. Важным результатом этого взаимодействия является объединение двух линкеров на выходе из нуклеосомы в стеблоподибну структуру (рис. 4.5). Этому стеблю, а также дополнительной существенной нейтрализации отрицательно заряженных линкеров С-концевым хвостом Н1, принадлежит ключевая роль в стабилизации компактной хроматиновыми фибриллы: за счет стебли соседние нуклеосомы значительно сближаются, что способствует конденсации (рис. 4.6). То есть, присутствие Н1 приближает нуклеосомы друг к другу в составе фибриллы, способствует "сшивке" этих нуклеосом хвостами коревых гистонов. И наоборот, компактизации фибриллы с участием хвостов коревых гистонов способствует связыванию Н1 с приближенными в пространстве участками линкеров.
Стебель, сформированное на выходе из нуклеосомы за счет взаимодействия с гистона Н1, характеризуется важными свойствами, которые проявляются в экспериментах с хроматосомамы, реконструированными на минициклах. Анализ результатов релаксации таких минициклив топоизомеразой И указывает на то, что Н1-зависимое стебель представляет собой двойную суперспираль с очень большим шагом, состоящая из двух линкеров: линкера немного закручиваются один вокруг друга в ту или иную сторону (рис. 4.7). Наиболее характерным признаком стебли при этом является его высокая торсионная эластичность: степень взаимного закручивания линкеров в том или ином направлении меняется очень легко, с маленькими энергетическими затратами. Таким образом, гистона Н1 вносит еще большую пластичность в хроматиновая фибрилла (подраздел 3.3). Возможность легкого вращения вокруг стебля имеет значение для адаптации нуклеосом к своему окружению в составе компактной фибриллы - реализации компактного состояния независимо от длины линкеров, которая может варьировать вдоль полинуклеосомного цепи. Одна молекула гистона Н1 не обязательно взаимодействует с каждой нуклеосомы - общее содержание гистона Н1 в хроматине зависит от типа клеток. Количество молекул Н1 на одну нуклеосому и средняя величина нуклеосомного повтора в некоторых из них приведены в табл. 4.2. Из представленных в таблице данных очевидны два вывода. Во-первых, количество Н1 является обратно пропорциональной величины нуклеосомного повтора. Вероятно, снижение количества Н1 включает определенные компенсаторные механизмы, направленные на повышение содержания коревых гистонов (и общего количества нуклеосом) с целью поддержать общий баланс негативных и положительных зарядов в хроматине. Во-вторых, количество Н1 в хроматине является обратно пропорциональной общего уровня транскрипционной активности: репрессирован хроматин (эритроциты) характеризуется повышенным содержанием линкерних гистонов, активный (стволовые клетки, нейроны, клетки дрожжей) - существенно сниженным.
Следует при этом иметь в виду, что, в отличие от коревых гистонов, взаимодействие Н1 с нуклеосомы значительно слабее (полная диссоциация Н1 происходит в 0,6 М NaCl) и чрезвычайно динамичной: наблюдается быстрый обмен линкерних гистонов между хроматином и их пулом в ядре , средний время присутствия молекулы Н1 в связанном состоянии оценивается в живых клетках в 1-2 мин. Можно сказать, что молекулы гистона Н1 являются обобщенными всеми нуклеосомы, и повышение уровня их присутствия в хроматине приводит к снижении уровня транскрипционной активности путем стабилизации компактного состояния хроматиновыми фибриллы.
Тонкие особенности внутренней структурной организации хроматиновыми фибриллы остаются недостаточно выясненными. Существующие модели можно разделить на два основных типа (рис. 19, цвет. В ст.). Модель соленоида (историческая первая предложенная модель) предполагает, что полинуклеосомна фибриллами образует спираль, в составе которой нуклеосомы взаимодействуют между собой плоскостями своих дисков. При этом стекинг осуществляется между соседними по цепи нуклеосомы, которые соединены изогнутыми линкерами. Модели второго типа предполагают, что фибриллами сформирована зигзагом нуклеосом: или закрученным в спиральную ленту так, что линкер ориентированы под углом от 0 до 50 ° к оси фибриллы или (модель скрещенных линкеров) компактизованим так, что линкер примерно перпендикулярны оси. В моделях этого второго типа стекинг осуществляется между нуклеосомы, разделенных по цепи - между /-той и (/ +2)-й, (/ 3)-й или (/ +5)-ю (рис. 19, цвет. в ст., ср. рис. 4.4, 18, цвет. в ст.). Современные экспериментальные данные (в том числе, представлена на рис. 18, цвет. Вст. Структура кристаллов тетрануклеосом) лучше согласуются с моделями второго типа.