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

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 и читайте статьи из популярных журналов

Регистрируясь, я принимаю условия использования

Рекомендуемые статьи

Гусиная столица Гусиная столица

Звания «гусиной столицы» удостоился город Арзамас в Нижегородской области

Наука и жизнь, июль'19
Пора меняться! Пора меняться!

Какие тренды в макияже стоит забыть, а какие – срочно взять на вооружение?

Cosmopolitan, август'19
«Доверие — фундамент хороших отношений» «Доверие — фундамент хороших отношений»

Чрезвычайный и полномочный посол Японии в России ответил на вопросы «Огонька»

Огонёк, июнь'19
«Семейный брак»: а поговорить? «Семейный брак»: а поговорить?

Каждой «по-своему несчастной» семье не помешал бы психотерапевт

Psychologies, июнь'19
Аттилио Марро, Bvlgari — о московской резиденции и люксе Аттилио Марро, Bvlgari — о московской резиденции и люксе

О новом пространстве на Большой Никитской, а также о роскоши и игре на гитаре

РБК, июнь'19
Опасные связи Опасные связи

Развитие компьютерных технологий — результат соперничества сверхдержав

Вокруг света, июль'19
Модные планы на выходные. 29–30 июня Модные планы на выходные. 29–30 июня

«Экология как новая политика», летняя еда и каннское кино

Vogue, июнь'19
Привет, Андрей! Привет, Андрей!

Андрей Артемов дебютировал с осенней коллекцией Walk of Shame в Париже

Vogue, июль'19
Адвокаты Марии Бутиной рискуют остаться с санкциями Адвокаты Марии Бутиной рискуют остаться с санкциями

Эксперты предвидят проблемы с переводом средств в поддержку осужденной россиянки

РБК, июнь'19
Внутренний мир Внутренний мир

Португалию начинают пробовать с краю, первым делом изучая побережье

National Geographic Traveler, июнь'19
Сын за отца Сын за отца

Что происходит с активами Владимира Когана после его болезни

Forbes, июль'19
Театр: Елизавета Боярская Театр: Елизавета Боярская

Звезда МДТ показала в Малом зале Филармонии мультимедийный спектакль «1926»

Собака.ru, июнь'19
Мерил Стрип: Лекарство от старости Мерил Стрип: Лекарство от старости

Любящая жена, мать четырех детей, трижды «оскароносица», актриса

Лиза, июнь'19
Заключенные в селфи-камере Заключенные в селфи-камере

К 2019 году интернет окончательно стал антиутопией

Esquire, июнь'19
Проект поиска инопланетян Breakthrough Listen выложил в открытый доступ результаты наблюдений Проект поиска инопланетян Breakthrough Listen выложил в открытый доступ результаты наблюдений

После изучения тысяч звёзд, признаков разумной жизни найти не удалось

Maxim, июнь'19
Секс на природе и в публичных местах: как это бывает и что за это будет Секс на природе и в публичных местах: как это бывает и что за это будет

Секс, случающийся за пределами частных пространств, и его юридические аспекты

Men’s Health, июнь'19
Из экологов — в варяги Из экологов — в варяги

Почему главой Ингушетии стал Махмуд-Али Калиматов

РБК, июнь'19
Из какого класса? Из какого класса?

Большой седан Kia K900 очень хочет попасть в высшее общество

АвтоМир, июнь'19
Кредитные надои Кредитные надои

За что арестован владелец «Русского молока» Василий Бойко-Великий

РБК, июнь'19
Рожденные морем Рожденные морем

К культуре брутальных викингов приобщают на фьордах Норвегии

Playboy, июнь'19
Ах, оставьте Ах, оставьте

Что важно учесть, оставляя ребенка одного дома на несколько дней

Добрые советы, июль'19
Деревенский капитан Деревенский капитан

Бывший моряк и автослесарь открыл музей лодки в глухой Вологодской деревне

Огонёк, июнь'19
Вездесущий натрий Вездесущий натрий

Натрий окружает нас повсюду

Наука и жизнь, апрель'19
«Мы умеем лечить около 300 заболеваний» «Мы умеем лечить около 300 заболеваний»

Каково состояние нашей медицинской генетики и будут ли «редактировать» младенцев

Огонёк, июль'19
У самого синего моря У самого синего моря

В Греции есть всё — и тысячи островов в придачу

National Geographic Traveler, июнь'19
Джоан Осборн, Дайдо и еще 6 музыкантов, которых прославила одна песня Джоан Осборн, Дайдо и еще 6 музыкантов, которых прославила одна песня

Есть музыканты, главный хит которых мы узнаем с первых нот

РБК, июнь'19
Эдвард Мунк: Как украсть миллион Эдвард Мунк: Как украсть миллион

Кража картин Эдварда Мунка становится норвежской национальной традицией

Караван историй, июль'19
Бонни и Клайд Бонни и Клайд

Самая известная пара гангстеров в истории

Story, июль'19
Зои Кравиц Зои Кравиц

Дочь Ленни Кравица очаровывает своей волшебной красотой в фантастическом эпосе

Playboy, июнь'19
Чтобы мужики не жаловались Чтобы мужики не жаловались

КамАЗ совместно с немецкой компанией Daimler запустил новый завод кабин

Эксперт, июнь'19