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

Операция «Антимозг» Операция «Антимозг»

О вреде умственного напряжения и творческой пользе бездумного существования

Maxim
Самые крутые овощные коктейли с алкоголем (их все можно приготовить дома) Самые крутые овощные коктейли с алкоголем (их все можно приготовить дома)

Кто сказал, что овощи и алкоголь не сочетаются

Playboy
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
Как отцы переживают потерю ребенка: 4 стереотипа Как отцы переживают потерю ребенка: 4 стереотипа

Действительно ли мужчина легче переносит перинатальные потери в семье

Psychologies
Вас повысили в должности: как не поссориться с коллегами? Вас повысили в должности: как не поссориться с коллегами?

Отношения между коллегами всегда чреваты обидами и неловкими ситуациями

Psychologies
6 актеров, которые могли бы сыграть Росомаху в будущих фильмах Marvel 6 актеров, которые могли бы сыграть Росомаху в будущих фильмах Marvel

Росомаха обязательно появится на экранах, это вопрос времени

Playboy
Объявлена дата боя Нурмагомедова. И вот что известно о его сопернике Объявлена дата боя Нурмагомедова. И вот что известно о его сопернике

Пляши! Хабиб Нурмагомедов подписал новый контракт с UFC на несколько боев

Maxim
«Я родила от насильника»: история от первого лица «Я родила от насильника»: история от первого лица

Лие было семнадцать, когда ее изнасиловали

Cosmopolitan
Из экологов — в варяги Из экологов — в варяги

Почему главой Ингушетии стал Махмуд-Али Калиматов

РБК
8 самых роскошных люксов в мире (ночь в них стоит как квартира) 8 самых роскошных люксов в мире (ночь в них стоит как квартира)

Из этих номеров не захочется выселяться

Playboy
«Опережение и есть монополия» «Опережение и есть монополия»

Есть ли у России шанс стать лидером в сфере искусственного интеллекта

Огонёк
История №1 на НТВ и ложная информация у «России 24». Как ТВ осветило дело Ивана Голунова История №1 на НТВ и ложная информация у «России 24». Как ТВ осветило дело Ивана Голунова

История с задержанием журналиста издания «Медуза» Иваном Голуновым

Forbes
Время страстей человеческих Время страстей человеческих

Обнаженные пластилиновые человечки Татьяны Бродач покорили Милан и Париж

Vogue
Сколько стоит Gram: «Атон» назвал цену криптовалюты от Дурова Сколько стоит Gram: «Атон» назвал цену криптовалюты от Дурова

Детали предложения компании «Атон» для инвесторов в криптовалюту Gram

Forbes
Нужен результат? Подружитесь с головой Нужен результат? Подружитесь с головой

Почему нам не всегда удается достичь поставленной цели?

Psychologies
Можно ли добиться успеха в жизни, если вас не любили в детстве Можно ли добиться успеха в жизни, если вас не любили в детстве

В силах каждого «недолюбленного» взрослого изменить свое отношение к себе

Forbes
Как программист с Урала зарабатывает сотни тысяч долларов в год на продаже советского БАДа в Калифорнии Как программист с Урала зарабатывает сотни тысяч долларов в год на продаже советского БАДа в Калифорнии

Как предприниматель подсадил американцев на алтайское мумие?

Forbes
Инвестор из НБА: баскетболист, который собрал недвижимости на $125 млн Инвестор из НБА: баскетболист, который собрал недвижимости на $125 млн

Баскетболист Луол Денг — звезда нового поколения

Forbes
Эдвард Мунк: Как украсть миллион Эдвард Мунк: Как украсть миллион

Кража картин Эдварда Мунка становится норвежской национальной традицией

Караван историй
А девушка запела А девушка запела

Эль Фэннинг — девушка, у которой фильмов больше, чем прожитых лет

Glamour
Паразиты, львы и мир без женщин: 10 лучших фильмов этого лета Паразиты, львы и мир без женщин: 10 лучших фильмов этого лета

В этом году большие режиссеры не сговариваясь выпустили по новому фильму:

Forbes
Модные планы на выходные. 29–30 июня Модные планы на выходные. 29–30 июня

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

Vogue
Ключ к здоровью Ключ к здоровью

Какие суперфуды обязательно должны быть в рационе

StarHit
«Я год пытался ЦБ объяснить, что надувается пузырь» «Я год пытался ЦБ объяснить, что надувается пузырь»

Максим Орешкин поспорил с ЦБ по поводу рисков необеспеченного кредитования

РБК
Царь в ударе Царь в ударе

Кит Харингтон отправился в реабилитационный центр

StarHit
На зеленый свет На зеленый свет

Выставка нового сезона в музее «Гараж» учит внимательному отношению к планете

Elle
«Пока только ультиматумы» «Пока только ультиматумы»

Что ожидать от приближающегося саммита G20

Огонёк
Илья Найшуллер — о музыке, кино, экологии и о том, почему он — супер Илья Найшуллер — о музыке, кино, экологии и о том, почему он — супер

Режиссер «Хардкора» о своих амбициях, кино и жизни

РБК
Состоялась презентация коллекции модного Дома FABIANA FILIPPI Состоялась презентация коллекции модного Дома FABIANA FILIPPI

4 июня прошла презентация коллекции итальянского модного Дома Fabiana Filippi

Cosmopolitan
60 спутников Илона Маска: что такое глобальный интернет и зачем он нужен? 60 спутников Илона Маска: что такое глобальный интернет и зачем он нужен?

Частная компания SpaceX начала развертывание сети из дюжины тысяч спутников

Популярная механика
Открыть в приложении