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

Криптовалюты. Поколение второе Криптовалюты. Поколение второе

От «цифрового золота» к полноценным деньгам

Популярная механика
Кошмар для Кремля. Чего ждут в Вашингтоне от встречи Зеленского и Трампа Кошмар для Кремля. Чего ждут в Вашингтоне от встречи Зеленского и Трампа

Владимир Зеленский получил приглашение президента США посетить Вашингтон

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
В унисон с «Артеком» В унисон с «Артеком»

30 и 31 мая в «Артеке» прошел 12-й Международный конкурс «Детская новая волна»

OK!
Хочешь жить — умей лениться: колумнист Esquire Дуайт Гарнер рассуждает о вреде амбиций и пользе лени Хочешь жить — умей лениться: колумнист Esquire Дуайт Гарнер рассуждает о вреде амбиций и пользе лени

Дуайт Гарнер призывает отказаться от чрезмерных амбиций и отдаться лени

Esquire
50 оправданий людей, которые не хотят меняться 50 оправданий людей, которые не хотят меняться

Что мешает нам стать другими, даже если мы знаем, что перемены необходимы

Psychologies
«Это важнейшая институция страны». В чем ценность арестованной коллекции Алексея Ананьева «Это важнейшая институция страны». В чем ценность арестованной коллекции Алексея Ананьева

Что мы теряем вместе с закрытием Института русского реалистического искусства

Forbes
Хозяева земли русской: 20 самых дорогих землевладений России. Рейтинг Forbes Хозяева земли русской: 20 самых дорогих землевладений России. Рейтинг Forbes

Двадцать землевладельцев контролируют 7,9 млн га стоимостью 471,6 млрд рублей

Forbes
Скандальный штраф с камер: власти объяснили, почему они правы Скандальный штраф с камер: власти объяснили, почему они правы

Почему остановившийся пропустить пешехода водитель получил штраф?

РБК
Аналоговый: тест Porsche Macan S Аналоговый: тест Porsche Macan S

Что чувствует покупатель Porsche Macan S, когда впервые садится за руль

Популярная механика
Само несовершенство. Почему женщины не любят себя Само несовершенство. Почему женщины не любят себя

Как полюбить себя, если с самого детства от вас требовали быть идеалом

Forbes
Егор Коваленко: Как повысить уровень правовой культуры в России Егор Коваленко: Как повысить уровень правовой культуры в России

Как можно изменить правовую культуру в России, если подойти к этому основательно

СНОБ
Афиша на выходные 21-23 июня Афиша на выходные 21-23 июня

Эти выходные будут о любви и страсти

Forbes
Штраф за пробку: какие ловушки ждут автомобилистов Штраф за пробку: какие ловушки ждут автомобилистов

Автомобилисты стали чаще жаловаться на ошибочные, по их мнению, штрафы с камер

РБК
Тетрису 35 лет: темная история советской игры, ставшей самой популярной в мире Тетрису 35 лет: темная история советской игры, ставшей самой популярной в мире

Советский Тетрис завоевал популярность практически во всех странах

Playboy
Росстат зафиксировал рост цен на бензин в мае на 17,5% Росстат зафиксировал рост цен на бензин в мае на 17,5%

Независимые АЗС предупреждали правительство о возможном росте цен на топливо

Forbes
Ле Бурже — 2019: авиапром в условиях новой публичности Ле Бурже — 2019: авиапром в условиях новой публичности

В самолетостроении на наших глазах происходит тихая революция

Forbes
Как удержать свое Как удержать свое

Есть ошибки, которые должны были случиться

Robb Report
Алкогений: Фрэнк Синатра Алкогений: Фрэнк Синатра

Фрэнк Синатра — классический счастливчик

Maxim
Солнечная крапивница Солнечная крапивница

Кому грозит солнечная аллергия и можно ли с ней справиться

Лиза
Отказ от безналичного доллара. Что советует Путину экономист Сергей Глазьев Отказ от безналичного доллара. Что советует Путину экономист Сергей Глазьев

Forbes узнал у экономиста Сергея Глазьева, что он сейчас советует президенту

Forbes
ZenBook S13: позитивные вибрации ZenBook S13: позитивные вибрации

Насколько важно сохранить первозданный вид рабочего инструмента — ноутбука

Популярная механика
Порфайл: танцовщик и хореограф Владимир Варнава Порфайл: танцовщик и хореограф Владимир Варнава

Хореограф Владимир Варнава рассказал о танце в своей жизни и своей жизни в танце

Esquire
Жертвы торговых войн: почему американские акции могут упасть Жертвы торговых войн: почему американские акции могут упасть

Протекционизм и торговые войны могут обрушить котировки глобальных лидеров

Forbes
Милли Бобби Браун: Инопланетянка Милли Бобби Браун: Инопланетянка

Милли Бобби Браун буквально бомбардируют предложениями

Караван историй
Вечно молодой. Почему наши дети не смогут выбрать одну профессию на всю жизнь Вечно молодой. Почему наши дети не смогут выбрать одну профессию на всю жизнь

Взрослые все чаще шутят, что они сами не знают, кем будут, когда вырастут

Forbes
Хирург без скальпеля Хирург без скальпеля

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

StarHit
Можно ли верить отзывам о гаджетах в Сети? Можно ли верить отзывам о гаджетах в Сети?

Как отличить достоверный отзыв о гаджете от заказной "воды"

CHIP
Навстречу теплым берегам Навстречу теплым берегам

Даже на обычной даче можно создать атмосферу средиземноморья

Лиза
Кризис среднего возраста у вас в генах Кризис среднего возраста у вас в генах

Ученые пытаются противостоять возрастным изменениям в организме человека

СНОБ
Открыть в приложении