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

Кто спасет МКС Кто спасет МКС

МКС может завершить работу через шесть лет. Что будет дальше?

Популярная механика
5 причин, почему стоит посмотреть сериал «Семейный брак» 5 причин, почему стоит посмотреть сериал «Семейный брак»

Чем так хорош британский проект State of the Union

GQ
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
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
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
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
Макс Мингелла — о своем фильме Макс Мингелла — о своем фильме

В прокате «За мечтой» — музыкальная сказка о современной Золушке

Esquire
Леонардо Ди Каприо: не нужно себя жалеть Леонардо Ди Каприо: не нужно себя жалеть

Леонардо Ди Каприо о новом фильме Квентина Тарантино «Однажды... в Голливуде»

Cosmopolitan
Это прошлое или будущее? Что происходит в пятом сезоне «Черного зеркала» Это прошлое или будущее? Что происходит в пятом сезоне «Черного зеркала»

Зачем вообще нам «Черное зеркало» сегодня?

Esquire
Учёные, ставшие фантастами: Айзек Азимов и Нил Стивенсон Учёные, ставшие фантастами: Айзек Азимов и Нил Стивенсон

На плечах этих титанов покоится вся современная научная фантастика

Популярная механика
Как определить, ты действительно устал или тебе просто лень (и все вокруг правы)? Как определить, ты действительно устал или тебе просто лень (и все вокруг правы)?

Действительно ли вы измотаны или просто недостаточно мотивированы?

Playboy
Что Тиньков, Греф, Кудрин и другие говорили о деле Baring Vostok на Петербургском форуме Что Тиньков, Греф, Кудрин и другие говорили о деле Baring Vostok на Петербургском форуме

Самые интересные цитаты участников ПМЭФ о деле Майкла Калви и его коллег

Forbes
Разрешите представиться. 5 фактов о новом Bentley Flying Spur Разрешите представиться. 5 фактов о новом Bentley Flying Spur

Обновленный двигатель, полноуправляемое шасси и салон, как у роскошной яхты

РБК
Как создавалась мрачная коллаборация Valentino и Undercover Как создавалась мрачная коллаборация Valentino и Undercover

Креативные директора Valentino и Undercover рассказали о восприятии красоты

GQ
Татьяна Буланова: Придуманная быль Татьяна Буланова: Придуманная быль

Блондинка-тихоня из девяностых на экране

Караван историй
Твиты британки об отсутствии черных актеров в «Чернобыле» вызвали истерику в сети. Почему? Твиты британки об отсутствии черных актеров в «Чернобыле» вызвали истерику в сети. Почему?

Где граница допустимой нереалистичности в художественном кино?

Playboy
Не мешайте детям вам помогать Не мешайте детям вам помогать

Самые маленькие дети от природы хотят помогать своим родителям

Psychologies
Какой фотоаппарат выбрать начинающему фотографу в 2019 году? Какой фотоаппарат выбрать начинающему фотографу в 2019 году?

Теряетесь в параметрах, не знаете, что лучше: зеркалка или беззеркалка?

CHIP
Как правильно выбрать телескоп и смотреть звезды Как правильно выбрать телескоп и смотреть звезды

Основные этапы выбора и особенности разных типов телескопов

CHIP
Дотянуться до звезды Дотянуться до звезды

Странное поведение фанатов и пострадавшие от них звезды

StarHit
Ярмарка тщеславия: самые дорогие и странные опции для автомобилей Ярмарка тщеславия: самые дорогие и странные опции для автомобилей

Как потратить кучу денег на вещи, о которых большинство даже не слышало

Maxim
Зачем люди идут во власть? Зачем люди идут во власть?

Что движет теми, кто хочет быть большим начальником?

Psychologies
Bellingcat назвал людей, предположительно причастных к крушению «Боинга» в Донбассе Bellingcat назвал людей, предположительно причастных к крушению «Боинга» в Донбассе

Организация ссылается на информацию из открытых источников

Forbes
Ключ к здоровью Ключ к здоровью

Какие суперфуды обязательно должны быть в рационе

StarHit
Стимуляция бедности. Почему увеличение детского пособия никому не принесет пользы Стимуляция бедности. Почему увеличение детского пособия никому не принесет пользы

Увеличивая размер пособия, правительство оказывает медвежью услугу матерям

Forbes
Дело Ивана Голунова: хронология событий Дело Ивана Голунова: хронология событий

Дело Голунова стало важным примером журналистской и гражданской солидарности

Esquire
Как видят мир пилоты и что такое современный театр. Книжные новинки Как видят мир пилоты и что такое современный театр. Книжные новинки

Земля из кабины пилота, болиды «Формулы-1» и немного о театре

Forbes
«Непонятно, зачем это было вброшено»: Зубков прокомментировал слухи о возможном уходе Миллера из «Газпрома» «Непонятно, зачем это было вброшено»: Зубков прокомментировал слухи о возможном уходе Миллера из «Газпрома»

Виктор Зубков назвал вбросом слухи о возможной отставке Алексея Миллера

Forbes
«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
Плавали — знаем Плавали — знаем

Мы выяснили, кому поручить оформление лодки

AD
Открыть в приложении