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

Нервные клетки не восстанавливаются? Нервные клетки не восстанавливаются?

Может ли мозг взрослого человека образовывать новые нейроны взамен утраченных

Популярная механика
Миллиардер Владимир Потанин пожертвовал 100 млн рублей Третьяковской галерее Миллиардер Владимир Потанин пожертвовал 100 млн рублей Третьяковской галерее

На доходы от эндаумента Третьяковка будет пополнять свою коллекцию

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
GPS и A-GPS: в чем разница и что лучше? GPS и A-GPS: в чем разница и что лучше?

В чем разница между GPS и A-GPS, и какие преимущества дает буква A

CHIP
Фаньцзиншань, Китай Фаньцзиншань, Китай

Фаньцзиншань – священная гора для китайских буддистов

Maxim
Тракторное безумие: «Бизон-Трек-Шоу-2019» Тракторное безумие: «Бизон-Трек-Шоу-2019»

Под Ростовом-на-Дону прошли одни из самых зрелищных автосоревнований России

Популярная механика
Блогеры и бренды. Как люксовые марки пытаются идти в ногу со временем Блогеры и бренды. Как люксовые марки пытаются идти в ногу со временем

Что получают бренды, не побоявшиеся ассоциировать себя с новыми героями

Forbes
Сколько стоит освобождение от рабства, или неожиданная связь между детьми и шоколадом Сколько стоит освобождение от рабства, или неожиданная связь между детьми и шоколадом

Повышение цен на какао-бобы позволит избавиться от детского труда на плантациях

Forbes
Первое, второе и компорта Первое, второе и компорта

Модное, но все еще тайное поселение джет-сеттеров в Португалии

Tatler
Умные вещи века Умные вещи века

10 переизобретений, без которых ты раньше отлично жил, но теперь – не сможешь

Maxim
Софта много, железа мало: тест бюджетника Samsung Galaxy M20 Софта много, железа мало: тест бюджетника Samsung Galaxy M20

Galaxy M20 очень притягательный вариант недорогого телефона

Популярная механика
Ведущие «Первого канала»: 8 женщин на страже главной кнопки русского телека Ведущие «Первого канала»: 8 женщин на страже главной кнопки русского телека

Своих телеведущих надо знать в лицо

Playboy
Всем шампанского Всем шампанского

Флора Фишбах выросла в Шампани, чтобы нравиться всему миру

Vogue
6 признаков того, что ты нашел девушку, которая по-настоящему тебе подходит 6 признаков того, что ты нашел девушку, которая по-настоящему тебе подходит

Если все пункты сошлись, значит она та самая

Playboy
Биткоин губит планету: «углеродный след» мирового майнинга равен выбросам крупного города Биткоин губит планету: «углеродный след» мирового майнинга равен выбросам крупного города

Криптовалютная индустрия способствует выбросам в атмосферу углекислого газа

Forbes
Семья Александра Ткачева собрала земли на  $1 млрд Семья Александра Ткачева собрала земли на  $1 млрд

Земельная экспансия агрохолдинга, принадлежащего семье Александра Ткачева

Forbes
«Налоговые органы в курсе моих доходов». Наиля Аскер-заде дала первое интервью «Налоговые органы в курсе моих доходов». Наиля Аскер-заде дала первое интервью

Телеведущая Наиля Аскер-заде о своей квартире, доходах и инвестициях

Forbes
Кроссовки дня: посвященные ядовитым змеям «асиксы» от команды журнала Sneaker Freaker Кроссовки дня: посвященные ядовитым змеям «асиксы» от команды журнала Sneaker Freaker

Кроссовки в честь австралийской тигровой змеи

Esquire
Сэмюэл Росс и Вирджил Абло: «Мы не просто модой занимаемся, а искусством» Сэмюэл Росс и Вирджил Абло: «Мы не просто модой занимаемся, а искусством»

Каково быть дизайнером в 2019-м и зачем нужны учителя

GQ
Самые популярные смотровые площадки мира: 9 мест, где лучше всего любоваться видом Самые популярные смотровые площадки мира: 9 мест, где лучше всего любоваться видом

Лучше места для обзора с высоты выше птичьего полета

Playboy
Faces&Laces 2019: 10 причин посетить выставку в этом году Faces&Laces 2019: 10 причин посетить выставку в этом году

8 и 9 июня пройдет тринадцатая выставка Faces&Laces

Cosmopolitan
Кто здесь власть. Почему дела Калви и Голунова оказались важнее речи Путина Кто здесь власть. Почему дела Калви и Голунова оказались важнее речи Путина

На ПМЭФ стало ясно, что реальные новости создают совсем другие люди

Forbes
Ящики с водкой, биороботы и голые шахтеры: 11 нестыковок в сериале «Чернобыль» Ящики с водкой, биороботы и голые шахтеры: 11 нестыковок в сериале «Чернобыль»

О вопиющих исторических и технических неточностей в сериале «Чернобыль»

Forbes
Новые надежды Новые надежды

Чем ETF интересны инвесторам

Robb Report
Новый взгляд на Куликовскую битву и другие находки на торгах аукциона «Литфонд» Новый взгляд на Куликовскую битву и другие находки на торгах аукциона «Литфонд»

На Винзаводе пройдет предаукционный показ лотов аукционного дома Литфонд

Forbes
Что такое иммерсивные туры и почему это не туризм Что такое иммерсивные туры и почему это не туризм

Тревел-журналист Тимур Юсупов отправился на три дня в Армению

РБК
Главное с презентации Apple: «смерть» iTunes, темный режим в iOS 13, новый Mac Pro и многое другое Главное с презентации Apple: «смерть» iTunes, темный режим в iOS 13, новый Mac Pro и многое другое

Вместо iTunes теперь будет три отдельных приложения

Esquire
«Мы про Фому, а они – про Ерему!»: «Роснефть» публично поспорила с «Транснефтью» из-за трубы «Дружба» «Мы про Фому, а они – про Ерему!»: «Роснефть» публично поспорила с «Транснефтью» из-за трубы «Дружба»

Госкомпании «Роснефть» и «Транснефть» обменялись взаимными упреками

Forbes
Нандо Де Коло: «ЦСКА – это настоящая семья» Нандо Де Коло: «ЦСКА – это настоящая семья»

Французский баскетболист о любви ко всем видам спорта и костюмам

GQ
Новый штраф с камер: как выглядит «письмо счастья» Новый штраф с камер: как выглядит «письмо счастья»

Больше 100 фиксирующих непропуск пешеходов камер появятся в Москве к концу года

РБК
Открыть в приложении