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

Отметить новый год эффектно Отметить новый год эффектно

Как отметить новый год со спецэффектами

Maxim
«В разводе я обвиняю свекровь» «В разводе я обвиняю свекровь»

Часто мы повторяем сценарии и ролевые модели, заложенные еще в детстве

Psychologies
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
Эксклюзивная фотоохота: топ-7 лучших приключений в дикой природе Эксклюзивная фотоохота: топ-7 лучших приключений в дикой природе

Когда отпуск может быть интереснее, чем ты рассчитывал

Playboy
Ускоряем интернет: как установить Wi-Fi репитер Ускоряем интернет: как установить Wi-Fi репитер

Есть два пути установки WLAN-репитера: автоматически либо вручную

CHIP
Падение мифа о красоте Падение мифа о красоте

Как жить в эпоху бодипозитива и феминизма

Домашний Очаг
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
Как мужчине носить украшения? Как мужчине носить украшения?

Роберт Татеосян советует, как правильно носить украшения

GQ
Голова в облаках Голова в облаках

Лучше гор могут быть только… небоскребы

Вокруг света
«Мы поддерживаем Ивана»: кто продает на Avito газеты с передовицей «Я/Мы Иван Голунов» за 15 000 рублей «Мы поддерживаем Ивана»: кто продает на Avito газеты с передовицей «Я/Мы Иван Голунов» за 15 000 рублей

«Ведомости», «Коммерсантъ» и РБК впервые вышли с одинаковой первой полосой

Forbes
Сбербанк заподозрил основателя Антипинского НПЗ в двойной бухгалтерии Сбербанк заподозрил основателя Антипинского НПЗ в двойной бухгалтерии

Сбербанк обнаружил у Антипинского НПЗ забалансовые обязательства

Forbes
Минута славы Минута славы

Благодаря «рукам-базукам» у Кирилла Терешина появилась квартира в Москве

StarHit
Куда поехать учиться серфингу этим летом Куда поехать учиться серфингу этим летом

Неочевидные направления с мягкими волнами и самыми терпеливыми инструкторами

Vogue
Серьезная крыша Серьезная крыша

Игорь Рыбаков начинает инвестировать в организацию чемпионатов мира по шахматам

Tatler
Народные легенды Народные легенды

Мы проникли в святая святых — запасник музея Volkswagen в Вольфсбурге

АвтоМир
Любера: 30 лет спустя Любера: 30 лет спустя

Что стало с парнями в клетчатых штанах

Русский репортер
Контактный центр Контактный центр

Журналист Егор Лапшов провел несколько дней в обществе контактеров

Esquire
Байкал будет злиться Байкал будет злиться

Кто вредит главному пресному озеру планеты

Русский репортер
Как пластилиновые любовники Татьяны Бродач покорили мир Как пластилиновые любовники Татьяны Бродач покорили мир

Где купить пластилиновых любовников Татьяны Бродач

Vogue
Хирург без скальпеля Хирург без скальпеля

Встреча c одним из ведущих российских врачей, имя которого знают во всем мире

StarHit
Влади Влади

Лидер главной рэп-группы страны перешел с рифм на прозу

Maxim
Отпуск со скидкой Отпуск со скидкой

На чем можно и нужно экономить в поездке

Лиза
Искусство: Елена Кальницкая Искусство: Елена Кальницкая

Директор ГМЗ «Петергоф» руководит самым посещаемым музеем России

Собака.ru
Большие самолеты, большие данные Большие самолеты, большие данные

В этом году концерну Airbus исполнилось 50 лет

Популярная механика
В центре Москвы готовится к открытию первый в России Curio Collection by Hilton В центре Москвы готовится к открытию первый в России Curio Collection by Hilton

Новый пятизвездочный Chekhoff Hotel Moscow

Cosmopolitan
Юлия Пересильд: «Это были лучшие съемки в моей жизни» Юлия Пересильд: «Это были лучшие съемки в моей жизни»

Актриса Юлия Пересильд рассказала о драме Sheena667 и о самом важном в профессии

Grazia
Самые лучшие скейтеры современности — от Найджи Хьюстона до Криса Джослина Самые лучшие скейтеры современности — от Найджи Хьюстона до Криса Джослина

Пора уже, наконец, познакомить тебя с самыми выдающимися доскерами планеты

Playboy
«Куратор», «Бык» и «Сторож» Юрия Быкова: криминальная Россия на «Кинотавре» «Куратор», «Бык» и «Сторож» Юрия Быкова: криминальная Россия на «Кинотавре»

Три криминальных фильма на «Кинотавре»

Esquire
Оксана Лаврентьева и Александр Цыпкин: «Мы встретились и больше не расставались» Оксана Лаврентьева и Александр Цыпкин: «Мы встретились и больше не расставались»

Оксана Лаврентьева и Александр Цыпкин ответили на вопросы подписчиков блога

Grazia
Airbnb запустил сервис аренды вилл и островов миллиардеров Airbnb запустил сервис аренды вилл и островов миллиардеров

Airbnb запустил новый сервис Airbnb Luxe

Forbes
Открыть в приложении