i et al., 1999; Мао et al., 2000).

В хроматине функционирует также механизм «рецептор-ного» включения транскрипции. Собственная система рецепторов хроматина представляет собой прочно связанные с ДНК ядерные белки, конформация которых зависит от присутствия специфического лиганда. Их называют лиганд-зависимыми факторами транскрипции. При отсутствии лиганда ядерный рецептор является репрессором. При связывании специфического лиганда этот рецептор меняет свою конформацию и активирует транскрипцию (если нет другого репрессора). Такие ядерные рецепторы обнаружены и исследованы для витамина А, тироксина и стероидных гормонов (Horlein et al., 1995).

Гистоны и негистоновые белки хроматина регулируют клеточный цикл на всех этапах — от деления до завершения существования дифференцированной клетки. Нормальное

144

соотношение между делящимися и покоящимися клетками — митотическое равновесие в постоянно функционирующих органах и тканях поддерживается тканеспецифи-ческими факторами транскрипции. В рамках рассматриваемой проблемы саморегуляции мы остановимся только на механизмах пептидной регуляции транскрипции.

Транскрипция каждого гена контролируется его регуля-торной областью, расположенной вблизи сайта, с которого начинается транскрипция в направлении от 5'- к З'-концу. Эта область представляет собой участок двойной спирали ДНК и комплементарно связанные с ним регуляторные пептиды. Иными словами, регуляторные области генов представляют собой нуклеопротеиновые комплексы (НПК). В состав НПК входят белки двух типов: репрессоры (они предотвращают транскрипцию гена) и факторы транскрипции, которые включают транскрипцию (Jacob, Monod, 1961). Эти белки осуществляют контроль за экспрессией генов и синтезом белков, необходимых клетке на данном этапе существования, не расплетая двойной спирали ДНК. Как оказалось, для пептидных факторов транскрипции (ФТ) нет необходимости внедряться во внутренние области двойной спирали, так как на ее внешнюю поверхность экспонированы протон-донорные, протон-акцепторные и гидрофобные группы каждой пары оснований.

При формировании двойной спирали пары оснований G—С и С—G устанавливают три водородные связи внутри двойной спирали, а пары А—Т и Т—А — только две. В то же время пары G—С и С—G экспонируют на поверхность большой канавки две протон-донорные группы, а пары А—Т и Т—А — дополнительно гидрофобную СН3-группу тимина. Особое значение имеют группы метилированного цитозина (рис. 11). Они присутствуют в повышенной концентрации на участках ДНК, обозначаемых обычно как CpG-островки (CpG-islands) (Antequera, Bird, 1993). Длина этих участков достигает 1000 пар оснований (т. е. длиннее экзонов и короче интронов). Они расположены в регуляторных областях вблизи 5'-конца генов. Эксперименты показали, что метилированная ДНК значительно сильнее связывает пептиды (Bird, 1992). По-видимому, метальная группа 5-метил цитозина (тС) вносит свой вклад в конфигурацию характерного сайта узнавания и в энергию связывания пептидного фактора транскрипции с ДНК.

Как мы увидим дальше, именно метрика расположения водородных связей и гидрофобных групп на поверхности

145

Б

гидрофобные группы

(2) группы ароматического кольца,

способные участвовать в смещении электронов

Рис. 12. Взаимное расположение функциональных групп комплементарных нуклеотидов в сечении двойной спирали ДНК (А) и комбинация функциональных групп, экспонированных на поверхность вдоль большой канавки двойной спирали последовательности CGGmCAT (Б).

большой канавки двойной спирали определяет селективное связывание регуляторных пептидов и ДНК (Alberts et al., 1994).

На рис. 12 представлены схемы объединения А—Т, G—С и G—mC нуклеотидных пар и характерное расположение функциональных групп по поверхности большой канавки двойной спирали для последовательности кодирующей цепи CGGmCAT. Рис. 12, Б иллюстрирует тот факт, что каждая последовательность нуклеотидов образует уникальный орнамент (характерное расположение) функциональных групп на поверхности большой канавки двойной спирали. Замечательно то, что на поверхность экспонированы функциональные группы нуклеотидов, принадлежащих как кодирующей, так и некодирующе'й цепям ДНК. Расположение этих групп составляет основу для специфического межмолекулярного «узнавания» участка ДНК пептидными ФТ, т. е. ре-гуляторными пептидами хроматина.

147

В первую очередь регуляторные функции выполняют полипептиды, которые отвечают за локальные изгибы и скручивание цепей ДНК. Они узнают специфические сайты по характерному расположению водородных связей и гидрофобных групп в большой канавке двойной спирали и устанавливают сильные ион-ионные взаимодействия с фосфатными группами ДНК. Все это приводит к большим торсионным напряжениям макромолекулы, в результате чего жесткие участки цепи ДНК могут изгибаться. Именно эти изменения локальной структуры переводят ДНК из состояния репрессии в состояние активации, т. е. готовности к транскрипции (Tang et al., 2000). Последующий этап раскручивания двойной спирали для транскрипции возникает только при взаимодействии ДНК с пептидами, принадлежащими высокоподвижной группе (HMG). Эти полипептиды имеют неоднородную структуру, состоящую из глобулярных доменов и развернутых участков полиглутаминовой и полиаспарагиновой кислот (до 22 аминокислотных остатков). В отличие от более щелочных пептидов они способствуют раскручиванию спирали и расплетанию двухцепочечной ДНК (Van Holde, 1988). По-видимому, в этой системе межмолекулярного взаимодействия решающую роль играет не столько взаимное отталкивание отрицательно заряженных фосфатных групп ДНК и карбоксильных групп полипептидов, сколько установление сильных водородных связей карбоксильных групп пептида с атомами азота нуклеиновых оснований (Luisi et al., 1998).

Исследования структур многочисленных ФТ, функционирующих в хроматине, еще далеки от завершения. Ранее было показано, что специфические сайты связывания пептидных ФТ представляют собой короткие последовательности на спирали ДНК продолжительностью до 20 пар оснований. Это основная деталь генетического «выключателя». Сотни таких последовательностей известны для различных регуляторных белков (Mitchell, Tjian, 1989). Например, участок ДНК, определяющий транскрипцию гена секреторного протеина Sp-1, содержит последовательность GGGCGG. Схема, представленная на рис. 12, Б, позволяет построить для этой последовательности макет расположения функциональных групп на поверхности двойной спирали, а также представить вероятную аминокислотную последовательность пептидного фактора транскрипции, комплементарного такому расположению.

Для существующей в природе высокой специфичности взаимодействия транскрипционных факторов с двойной

148

спиралью ДНК недостаточно простого комплементарного связывания пептида в большой канавке ДНК. Большое значение имеют конформация и пространственная ориентация сайта связывания, а также соответствие расположения гидрофильных, гидрофобных и донорно-акцепторных областей обеих макромолекул. В экспериментальных иссле