Рис. 13.1. Модель эволюции эукариотической нуклеосомы из предкового дублетного гистона (doublet histone ancestor) архей
Тетрамер архей с взаимозаменяемыми субъединицами А и В (А/В) мог развиться в димер слившихся димеров («дублет»). За этим могло бы следовать расшепление [split] гена, чтобы дать начало эукариотическому тетрамеру H3 и Н4, формирующему «тетрасому» (H3•Н4), которая занимает один виток ДНК. Н2А и Н2В могли возникнуть в результате аналогичного события, собираясь над тетрамером и под ним, как предполагается на рисунке, в результате чего становятся возможными два витка ДНК (не изображено). Одиночные точки в верхней части диаграммы изображают контакты димеров, а двойные точки — четырехспиральные пучки между соседними димерами (Перепечатано из: Malik and Henikoff 2003)
Асимметрия димеров Н2А•Н2В и H3•Н4, происходящая. по-видимому, от тандемных димеров архей. могла проложить путь для последующей диверсификации вариантов эукариотических гистонов. И Н2А. и H3 соответствуют первому члену тандемных гистоновых димеров у архей, и оба впоследствии многократно диверсифицировались в эволюции эукариот. Напротив, Н2В и Н4 соответствуют второму члену и продемонстрировали очень незначительную функциональную диверсификацию (Н2В) или вовсе никакой (Н4). И H3, и Н2А образуют гомодимерные контакты в октамере (рис. 13.2), тогда как Н4 и Н2В контактируют лишь с другими гистонами. В результате изменения в остатках, вовлеченных в гомодимеризацию либо Н2А, либо H3, могут потенциально сопротивляться образованию смешанных октамеров, позволяя нуклеосомам, содержащим вариант Н2А или H3, развиваться независимо от родительских нуклеосом. Например, четырехспиральный пучок (four-helix bundle), охватывающий интерфейс между молекулами H3, определяет левостороннее суперскручивание ДНК вокруг нуклеосомы (Arents et al., 1991; Luger et al., 1997), тогда как в нуклеосомах архей супервитки ДНК являются правосторонними (Marc et al., 2002). Очевидно, мутация этого четырехспирального пучка у предка H3 была ответственна за эту реверсию. В целом структурные особенности, облегчавшие независимую эволюцию субъединиц, могли быть предпосылками для диверсификации нуклеосомных частиц.
Рис. 13.2. Локализация гистона Н3 (синий цвет) и Н2А (корич невый цвет) в коровой частице нуклеосомы
Четыре остатка, различающиеся у вариантов НЗ, показаны желтым цветом (перепечатано, с любезного разрешения, из: Henikoff and Ahmad 2005)
Хотя мы можем дать рациональное объяснение происхождению эукариотических коровых гистонов от тандемных димеров архей, остаются другие основные вопросы. Откуда появились «хвосты» гистонов? Когда вышли на сцену Н2А•Н2В? Произошли ли эти события до, во время или после возникновения эукариотического ядра? Почему все известные нуклеосомы архей состоят из тетрамеров с одним витком, тогда как эукариотические нуклеосомы состоят из октамеров с двумя витками? Почему поменялось направление суперспирали? Возможно, изучение большего числа архей и м примитивных эукариот позволит обнаружить промежуточные формы, которые смогут дать ответ на эти вопросы.
3. Основная масса гистонов откладывается после репликации ДНК
Для упаковки по существу всей ДНК эукариотической клетки в нуклеосомы необходимо, чтобы хроматин дуплицировался, когда реплицируется ДНК (рис. 13.3). Таким образом, канонические гистоны продуцируются в фазе синтеза ДНК клеточного цикла (фазе S). Сопряжение синтеза гистонов с синтезом ДНК в фазе S находится под строгим контролем клеточного цикла (Marzluff and Duronio, 2002). Это особенно очевидно у животных, где специальный процессинг гистоновых транскриптов малым ядерным рибонуклеопротеидным комплексом U7 и стабилизация иРНК белком SLBP (stem-loop-binding protein) вносят вклад в тесную координацию синтеза гистонов с репликацией ДНК. Весьма вероятно, что необходимость в быстром и массивном производстве гистонов в фазе S ответственна за тот факт, что сопряженные с репликацией (RC, replication-coupled) гистоны у животных закодированы в кластерах, содержащих много гистоновых генов.Например, в геноме человека имеется 14 генов Н4, большинство из которых находятся в двух главных кластерах, где эти гены Н4 чередуются с генами других гистонов RC (Marzluff et al., 2002). У животных гистоны RC узнаются по наличию 3’-последовательности длиной 26 п.о., которая образует структуру «стебель-петля (stem-loop)» для распознавания комплексом SLBP при транскрипции в гистоновую иРНК. Канонические гистоны растений тоже кодируются множественными генами и откладываются в фазе S, хотя транскрипты растительных гистонов полиаденилированы, а аналог SLBP, по-видимому, отсутствует.