Ультрамикроскопическая жизнь генома

Наука и жизньНаука

Пространственный контакт и порядок в ядре глазами «биолога-ядерщика»

В рамках информационного партнёрства с научно-популярным сайтом biomolecula.ru публикуем журнальный вариант статьи, которая была представлена на конкурс «био/мол/текст-2018».

Павел Сальников, Новосибирский государственный университет.

М — пятая хромосома человека в конденсированном (плотноупакованном) виде во время метафазы — одной из стадий клеточного деления. G1, S и G2 — хромосома после деления деконденсируется (G1) и остаётся в развёрнутом виде (S), пока клетка снова не начнёт готовиться к делению (G2). Фото из статьи Johannes Lemke, Jan Claussen, Susanne Michel et al. (2002). «The American Journal of Human Genetics» — V. 71, 1051—1059. Рисунок Елены Беловой/biomolecula.ru

До недавнего времени мы ничего не знали об ультрамикроскопической жизни генома, но с развитием науки приходим к пониманию, что эта жизнь — важный фактор управления генетическим аппаратом клетки. Теперь весь геном можно рассматривать как сеть пространственных взаимодействий генетических элементов, что принципиально изменяет наше понимание событий внутри ядра. В этой статье мы разберёмся, почему трёхмерность генома исключительно важна с точки зрения эволюции.

Обычно мы представляем себе хромосомы в виде микроскопических Х-образных структур, плавающих в клеточном ядре. Но в таком виде хромосомы проводят лишь крошечную часть своей жизни — во время метафазы деления, и в это время никакого ядра, конечно, нет. Метафазные хромосомы содержат очень плотно упакованную ДНК, так что никакая работа с генетическим материалом невозможна, и единственная цель таких хромосом — безопасно разделить генетический материал материнской клетки пополам между двумя дочерними.

Каждая метафазная хромосома содержит в себе две одинаковые молекулы ДНК, которые расходятся к полюсам клетки; вокруг них образуется ядерная мембрана. Внутри неё они проведут всё ближайшее время до следующего деления, и здесь они меняют конформацию — хромосомы теряют очертания, расплываются, увеличиваются в размере. Однако они не «деспирализуются» (выпрямляются), а переходят из состояния очень плотного и компактного клубка в другое, которое можно описать как всё ещё клубок, но уже неплотный, как у наушников в кармане. Только в таком виде клетка сможет работать с той генетической информацией, которая заключена в ней. Объём этой информации чрезвычайно велик: в геноме человека около 20 тысяч генов, кодирующих белки, а вдобавок ещё и гены, кодирующие разные виды служебных РНК, и, кроме того, много всякого генетического мусора, от которого по тем или иным причинам эволюция не смогла избавиться.

В каждый момент жизни клетка использует очень небольшую долю ДНК. Возникает вопрос, как клетка не теряется в массе ненужной информации и как ухитряется держать «под рукой» нужные участки генома. Заглянем в трёхмерную структуру хромосомных клубков и расшифруем пространственные контакты между разными участками ДНК. Точнее, не ДНК, а хроматина — вещества хромосом. ДНК в клетке сама по себе не живёт, с ней всегда связаны разные белки и РНК, и вместе они образуют то, что мы называем хроматином.

Метафорическая иллюстрация организации ядра в целом. Хромосомные территории разделены интерхроматиновым компартментом; его можно представить себе как сеть автомагистралей, по которым перемещаются функциональные макромолекулярные комплексы и транспортируются мРНК к ядерным порам. Внутри хромосомных территорий располагаются глыбки закрытого хроматина, а на периферии — петли открытого. Рисунок Павла Сальникова.

В очень маленьком объёме ядра собрано огромное количество молекул. Формируются макромолекулярные скопления, когда крупные молекулы собираются в агрегаты под действием энтропийных сил, то есть без затрат энергии. На пальцах это можно объяснить так: в жидкости маленькие молекулы двигаются по-броуновски хаотично и при соударении с крупными молекулами передают им импульс. Если рядом с макромолекулой нет других макромолекул, то она испытывает давление со всех сторон и остаётся в покое. Если же к ней случайно приблизится другая макромолекула, то со стороны, где они сближаются, небольшие молекулы будут реже их толкать; следовательно, уменьшится давление на макромолекулы — и они сблизятся ещё сильнее. Так получаются макромолекулярные скопления в условиях «перенаселённого» клеточного ядра.

В таких скоплениях разные участки хроматина могут оказываться далеко друг от друга, а могут — и рядом друг с другом. Случайным ли будет такое соседство? Совсем нет. Дело не только в густоте молекулярного «супа» и энтропийных силах. Белки хроматина, которые играют в его жизни главную роль, ведут себя очень активно: они садятся на ДНК, ползают по ней, таскают её в разных направлениях, склеиваются друг с другом и отклеиваются. В их поведении нет даже намёка на случайность — они точно контролируют положение ДНК в ядре, и от них зависит вероятность пространственного контакта между любыми двумя хроматиновыми зонами. Чтобы оценить эту вероятность, есть специальные методы — методы захвата конформации хромосом, например метод Hi-C. С помощью таких технологий можно увидеть, что пространственная структура хроматина в ядре повторяется у разных клеток. Значит, у пространственных контактов между разными участками хроматина есть функциональный смысл.

Какие тут закономерности? Во-первых, когда хромосомы после деления из конденсированной, плотно упакованной палочки превращаются в расплывчатый клубок (деконденсируются), они не перемешиваются друг с другом и не распределяются равномерно по всему ядру. Методами микроскопии и методом Hi-C удалось показать, что хромосомы занимают ограниченные и к тому же неперекрывающиеся области, получившие название «хромосомные территории». То есть хромосомы не перемешиваются друг с другом и внутрихромосомные контакты намного более вероятны, чем межхромосомные. Даже гомологичные хромосомы — то есть те, которые несут одинаковые гены, но достались от разных родителей, — в человеческих клетках занимают разные участки, которые могут и не соседствовать. И если внутрихромосомные контакты обычно воспроизводятся после деления, то межхромосомные — как правило, нет, так как хромосомные территории распределяются в каждом клеточном цикле случайным образом.

Во-вторых, если мы рассмотрим уже внутрихромосомные контакты, то обнаружим, что активные участки ДНК контактируют с такими же активными участками и избегают контактов с неактивными и наоборот. Что значит «активные участки»? Это те, которые доступны для транскрипции, то есть для считывания генетической информации, для копирования её в молекулы РНК. Следовательно, клетка пространственно отделяет используемые и неиспользуемые участки генома. Ключевую роль здесь играют белки-гистоны, которые служат упаковщиками ДНК. Гистоны слипаются друг с другом, но, как именно они будут слипаться, зависит от их химических модификаций. Модификации могут быть разные; одни из самых распространённых — это метильные или ацетильные группы, прикреплённые к определённым аминокислотам в гистоновой молекуле. Нужная генетическая информация отделяется от ненужной с помощью метилирования или ацетилирования гистонов. В общем случае вместе слипаются белковые молекулы, помеченные метильными группами и не помеченные ничем, а вот ацетилированные гистоны, наоборот, пытаются отделиться от метилированных. Гистоны с метильными группами сидят на тех участках ДНК, где хранится ненужная информация, и этот хроматин, грубо говоря, «выпадает в осадок» — получаются так называемые хроматиновые глыбки. ДНК, содержащая активные гены и регуляторные элементы для них, «всплывает» над неактивным хроматиновым «осадком».

Хромосомные территории и интерхроматиновое пространство*. Отдельные хромосомные территории (показаны разными цветами) прикрепляются к ядрышку (внутриядерной фабрике по сборке белоксинтезирующих машин — рибосом) и ядерной ламине — белковой сетке, подстилающей ядерную мембрану. В ряде мест хромосомные территории контактируют друг с другом. Рисунок Елены Беловой/biomolecula.ru

Хроматиновые глыбки окружены интерхроматиновым компартментом — ядерным матриксом с функциональными агрегатами, большими молекулярными структурами, которые заняты синтезом РНК и её последующей обработкой — редактированием. Интерхроматиновое пространство можно рассматривать как сеть тоннелей, начинающихся от открывающихся в цитоплазму ядерных пор и пронизывающих всё ядро. Крупные белковые комплексы не могут проникнуть внутрь хроматиновых глыбок, так что вся ядерная молекулярная работа происходит именно в этих интерхроматиновых тоннелях. В тоннели же обращены ацетилированные (то есть активные) участки хроматина — они покрывают глыбки «ворсом» из петель ДНК. Ненужная информация контактирует сама с собой внутри плотно упакованных глыбок, а нужные фрагменты генома выведены из глыбок наружу, в интерхроматин, где они могут контактировать друг с другом и с белками, обслуживающими нужную генетическую информацию. Таким образом клетке удаётся без особых затрат времени и сил поддерживать свой геном в порядке даже после деления.

Авторизуйтесь, чтобы продолжить чтение. Это быстро и бесплатно.

Регистрируясь, я принимаю условия использования

Рекомендуемые статьи

Миру вирус! Миру вирус!

Статья, после которой начнешь уважать вирусы: ты состоишь из них наполовину

Maxim
Новый оброк для бизнеса: чем угрожает экономике углеродный налог Новый оброк для бизнеса: чем угрожает экономике углеродный налог

Углеродный налог может оказаться нагрузкой, которую экономика не выдержит

Forbes
Изображение чёрной дыры: что на самом деле получили астрономы Изображение чёрной дыры: что на самом деле получили астрономы

Но что мы видим на полученном изображении чёрной дыры

Наука и жизнь
«Меня долго считали пустозвоном»: стиль Юргена Клоппа, который привел «Ливерпуль» к финалу Лиги чемпионов «Меня долго считали пустозвоном»: стиль Юргена Клоппа, который привел «Ливерпуль» к финалу Лиги чемпионов

Как Юрген Клопп стал одним из лучших футбольных тренеров мира

Forbes
Правда о Синдбаде-мореходе Правда о Синдбаде-мореходе

Как арабы стали мореплавателями, в точности неизвестно

Наука и жизнь
Можно ли мужчинам носить шорты в офис? Отвечают эксперты и известные женщины Можно ли мужчинам носить шорты в офис? Отвечают эксперты и известные женщины

Затрагиваем жаркую (во всех смыслах) тему и разбиваем стереотипы

Playboy
«Такие миллиарды и такие идиоты». Белоусов узнал, кто раскрыл СМИ его план изъять у бизнеса 500 млрд рублей «Такие миллиарды и такие идиоты». Белоусов узнал, кто раскрыл СМИ его план изъять у бизнеса 500 млрд рублей

Кто из бизнесменов ответственен за передачу письма Белоусова журналистам

Forbes
«Одесса» Валерия Тодоровского — история о детских воспоминаниях и любви «Одесса» Валерия Тодоровского — история о детских воспоминаниях и любви

«Кинотавр» открылся самым подходящим для этого фильмом

Esquire
«Грыбной ералаш» «Грыбной ералаш»

Грибная пора в России

Наука и жизнь
Как победить аллергию с помощью гаджета: проверяем на себе Как победить аллергию с помощью гаджета: проверяем на себе

Тест очистителя воздуха Dyson Pure Hot+Cool на настоящих аллергиках

Популярная механика
Как устроена программа «Учитель для России» и зачем она нужна Как устроена программа «Учитель для России» и зачем она нужна

Как попасть в проект «Учитель для России»

РБК
Музыкальные фестивали лета, ради которых стоит выехать за границу Музыкальные фестивали лета, ради которых стоит выехать за границу

Летние месяцы созданы для того, чтобы наслаждаться музыкой под открытым небом

РБК
Рассекая волны: «Курск» – клюквенный, но трогательный фильм про катастрофу Рассекая волны: «Курск» – клюквенный, но трогательный фильм про катастрофу

Фильм показали прошлой осенью на фестивале в Торонто

GQ
Пересменка поколений: какими были первые 30 лет «Кинотавра» Пересменка поколений: какими были первые 30 лет «Кинотавра»

9–16 июня в Сочи проходит 30-й Открытый российский кинофестиваль «Кинотавр»

РБК
Золотая долина Золотая долина

Наш маршрут начинался от железнодорожной станции Лужба

Наука и жизнь
Как создавалась мрачная коллаборация Valentino и Undercover Как создавалась мрачная коллаборация Valentino и Undercover

Креативные директора Valentino и Undercover рассказали о восприятии красоты

GQ
Шведская семья: второе поколение кроссовера Volvo XC60. Шведская семья: второе поколение кроссовера Volvo XC60.

Второе поколение кроссовера Volvo XC60 оказалось достойно похвалы

Forbes
Алла Михеева: «Хочу двоих детей!» Алла Михеева: «Хочу двоих детей!»

Ведущая Алла Михеева поделилась, кто из мужчин довел ее до слез

StarHit
Медленнее, ниже, слабее: почему «Люди Икс: Темный Феникс» провалились в прокате Медленнее, ниже, слабее: почему «Люди Икс: Темный Феникс» провалились в прокате

После долгих мучений вышел финал франшизы «Люди Икс»

Forbes
Свобода дороже: не хочу жить с мужчиной, но хочу любви Свобода дороже: не хочу жить с мужчиной, но хочу любви

Многие находят плюсы в независимости и жизни в одиночестве

Psychologies
Как правильно принимать витамины и зачем это нужно Как правильно принимать витамины и зачем это нужно

Какую роль витамины играют в обменных процессах и как не навредить организму

РБК
Суд признал полковника Захарченко виновным в получении взятки в $800 тысяч Суд признал полковника Захарченко виновным в получении взятки в $800 тысяч

Захарченко, по версии следствия, получил взятку и скидки в ресторане La Maree

Forbes
Конгресс США обнародовал проект санкций против «Северного потока— 2» Конгресс США обнародовал проект санкций против «Северного потока— 2»

Новый проект санкций США

Forbes
Народные примочки Народные примочки

Что думают врачи о популярных в народе методах лечения

Лиза
Мяу по-русски Мяу по-русски

Налаживая связь с человеком, кошки изменили тональность мяуканья

Популярная механика
Как будет работать новая криптовалюта от Facebook. Разбор технологии Libra Как будет работать новая криптовалюта от Facebook. Разбор технологии Libra

Кому, когда и как можно будет покупать, хранить и тратить Libra

Forbes
Как Рианна заработала $600 млн и стала богатейшей женщиной-музыкантом Как Рианна заработала $600 млн и стала богатейшей женщиной-музыкантом

Основой состояния певицы Рианны стало ее партнерство с корпорацией LVMH

Forbes
10 советских фильмов с забавными деталями, о которых вы не знали 10 советских фильмов с забавными деталями, о которых вы не знали

Рассказываем, на какие детали стоит обратить внимание в советских фильмах

РБК
Мастера конспирации: звезды, которые до последнего скрывали беременность Мастера конспирации: звезды, которые до последнего скрывали беременность

Звезды, которые успешно скрывали беременность почти до самых родов

Cosmopolitan
10 женщин в краудфандинге. Рейтинг ForbesWoman 10 женщин в краудфандинге. Рейтинг ForbesWoman

Самые успешные краудфандинговые кампании, запущенные женщинами

Forbes
Открыть в приложении