Гетерохроматин и эухроматин - определение, особенности и функции

Гетерохроматин и эухроматин представляют собой два типа хроматина, различающиеся по структурной организации и функциональной активности. Данная статья посвящена детальному рассмотрению их определений, свойств и биологических функций.

Понятие хроматина и его компоненты

Хроматин - это субстрат, с которым связана наследственная информация эукариотической клетки. По сути, это комплекс ДНК с белками, который называется нуклеопротеидом. Основу хроматина составляет ДНК, однако в его состав также входят:

• гистоны - белки, вокруг которых наматывается ДНК;
• негистоновые белки - выполняют структурные и регуляторные функции.

Структурной единицей хроматина является нуклеосома, представляющая собой комплекс ДНК, намотанный на 8 молекул гистонов. Нуклеосомы формируют более крупные структуры - фибриллы и петли. В ядре хроматин локализуется неравномерно, образуя эухроматин и гетерохроматин.

Классификация хроматина

Эухроматин - менее плотный участок хроматина, находящийся в деконденсированном состоянии. Располагается диффузно в центральной части ядра. На долю эухроматина приходится около 90% всего хроматина ядра.

Основные свойства эухроматина:

• Активно участвует в процессах транскрипции и трансляции
• Слабо окрашивается при гистологическом окрашивании
• Способен к конденсации и деконденсации в течение клеточного цикла

Гетерохроматин представляет собой плотно упакованный и конденсированный участок хроматина. Локализуется преимущественно по периферии ядра. Выделяют два типа:

1. Конститутивный гетерохроматин - постоянно конденсирован, малоактивен в функциональном плане. Локализуется в центромерных районах хромосом.
2. Факультативный гетерохроматин - может конденсироваться и деконденсироваться в зависимости от функционального состояния клетки. Например, инактивированная Х-хромосома у женщин.

Таким образом, компоненты интерфазного ядра гетерохроматин и эухроматин различаются как по структурным, так и по функциональным свойствам.

Ультраструктура эухроматина и гетерохроматина

На уровне ультраструктуры эухроматин и гетерохроматин также имеют существенные различия.

Эухроматин характеризуется наличием рибонуклеопротеидных частиц диаметром 200-500 нм, которые участвуют в созревании и транспорте РНК. ДНП-фибриллы находятся в деспирализованном активном состоянии.

В составе гетерохроматина присутствуют особые белки - HP1, метилирующие и деацетилирующие ферменты, обеспечивающие его компактное состояние. Молекулы гистонов высоко модифицированы. Гетерохроматин визуализируют с помощью селективных красителей и иммунофлуоресцентных методов.

Таким образом, различие эухроматина и гетерохроматина заключается в разной степени компактности, наличии специфических белков и уровне доступности генетического материала для реализации наследственной информации.

Локализация в хромосоме

Гетерохроматин и эухроматин имеют четкую локализацию в составе хромосом.

Конститутивный гетерохроматин располагается в центромерных районах, теломерах, а также вблизи ядрышковых организаторов. Факультативный гетерохроматин образуется на одной из гомологичных хромосом - например, инактивированная Х-хромосома у самок млекопитающих формирует так называемое тельце Барра.

Эухроматин локализуется по всей длине хромосомы, за исключением перечисленных выше гетерохроматиновых районов. Он занимает основную часть хромосомных плеч, разделенных первичной перетяжкой. Также в эухроматиновых областях могут располагаться вторичные перетяжки с ядрышковыми организаторами.

Молекулярные механизмы

Структурные различия эухроматина и гетерохроматина обуславливают особенности протекания в них молекулярных процессов.

В эухроматине активно происходит транскрипция и трансляция генетического материала, репликация и репарация ДНК. Гетерохроматин фактически исключен из этих процессов, что обусловлено его компактной упаковкой.

Образование гетерохроматина регулируется через метилирование гистонов и связывание с белками типа HP1. Это приводит к компактизации нуклеосом и блокированию транскрипционной активности данных участков хроматина.

Функциональное значение

Таким образом, эухроматин и гетерохроматин значение гетерохроматизации заключается в дифференциальном включении отдельных участков хромосом в активные процессы, что позволяет регулировать работу генома.

Эухроматин несет основную генетическую информацию клетки, тогда как гетерохроматин выполняет структурную роль. Переход между этими состояниями используется для включения нужных генов в нужном месте и в нужное время.

Роль в клеточной дифференцировке

Процессы гетерохроматинизации активно задействованы при дифференцировке клеток и тканей организма. У более специализированных клеток доля гетерохроматина выше.

В ходе развития из эухроматинового состояния в гетерохроматин переводятся гены, которые более не нужны дифференцированной клетке. Это позволяет запустить нужные программы экспрессии генов.

Гетерохроматин в патологических состояниях

Нарушения нормального соотношения и структуры эухроматина и гетерохроматина могут иметь патологические последствия. Например, дефекты белков гетерохроматина приводят к множественным аномалиям в клетке.

Опухолевым клеткам свойственна глобальная перестройка хроматина с нарушением нормальных паттернов экспрессии генов. Причем для разных типов рака характерны свои специфические изменения в структуре хроматина.

Методы исследования хроматина

Для изучения особенностей организации и функционирования эухроматина и гетерохроматина используется целый арсенал методов.

Наиболее традиционный подход - окрашивание препаратов клеток и хромосом специфическими красителями и анализ под микроскопом. Разработаны протоколы селективного выявления конститутивного и факультативного гетерохроматина.

Мощным инструментом являются также иммуноцитохимические методы с антителами к модифицированным гистонам и другим хроматиновым белкам. Это позволяет локализовать определенные типы хроматина в клетке.

Модели для изучения хроматина

Хорошо изученная генетика и простота геномной модификации делают плодовую мушку дрозофилу одним из наиболее удобных модельных объектов для исследования хроматина.

Активно используются культуры клеток млекопитающих и человека, позволяющие проводить генетические и биохимические эксперименты в контролируемых лабораторных условиях.

Перспективы практического применения знаний о хроматине

Понимание молекулярных механизмов, лежащих в основе организации хроматина, может иметь важное прикладное значение.

Так, исследования в этой области открывают возможности для разработки новых подходов к эпигенетической терапии онкологических и других тяжелых заболеваний, связанных с нарушениями структуры хроматина.

Регуляция активности генов

Важнейшей функцией хроматина является регуляция активности генов. Эухроматин обеспечивает доступность генетического материала для транскрипции. Гетерохроматин, напротив, блокирует экспрессию генов в результате компактной упаковки.

Переход между эухроматиновым и гетерохроматиновым состоянием позволяет клетке гибко регулировать свою транскрипционную активность в ответ на внутренние и внешние сигналы.

Роль гистоновых модификаций

Важную роль в формировании хроматина играют модификации гистонов - специфические химические метки, которые регулируют степень компактности хроматина и доступность генов.

Ацетилирование гистонов, как правило, приводит к деконденсации хроматина и активации транскрипции. Метилирование же связано с образованием гетерохроматина и подавлением экспрессии генов.

Взаимодействие с транскрипционными факторами

С гетеро- и эухроматином связаны определенные транскрипционные факторы и белки-модификаторы хроматина, которые направленно изменяют его структуру.

Например, белки Polycomb и Trithorax регулируют состояние генов в ходе развития и дифференцировки клеток путем переключения между эу- и гетерохроматином.

Хроматин в программах развития и дифференцировки

Динамические изменения в структуре и активности хроматина лежат в основе регуляции каскадов генов, которые запускают программы клеточной дифференцировки и эмбрионального развития.

Перепрограммирование хроматина является одним из ключевых механизмов, посредством которых клетка меняет свой транскрипционный профиль в ходе специализации.

Выводы

Эухроматин и гетерохроматин играют важную роль в функционировании клетки и организма. Их изучение проливает свет на фундаментальные молекулярно-генетические процессы и открывает новые перспективы практического применения полученных знаний.