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

Полeтит ли «черное» крыло? Полeтит ли «черное» крыло?

Будет ли перенесена дата запуска серийного производства самолета МС-21?

Популярная механика
Ветхозаветные стартаперы: как Израиль превратился в страну для молодых Ветхозаветные стартаперы: как Израиль превратился в страну для молодых

Технологические стартапы притягивают современных специалистов

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
Истребитель экстрасенсов Истребитель экстрасенсов

Любопытно заглянуть за кулисы к самым знаменитым волшебникам планеты

Maxim
Взорвать мир Взорвать мир

Взрывным словом «тако» мексиканские шахтеры назвали любимое блюдо

Вокруг света
Лучшие летние веранды Петербурга. Гид «РБК Стиль» Лучшие летние веранды Петербурга. Гид «РБК Стиль»

По-настоящему классные веранды в городе — не слишком тиражируемый жанр

РБК
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
Не только о лошадях Не только о лошадях

Должен ли крупный и солидный седан обладать очень мощным мотором?

АвтоМир
Вопрос о 8,5 млрд рублей остался без ответа. Полковник Захарченко получил 13 лет за скидочную карту и Нота-Банк Вопрос о 8,5 млрд рублей остался без ответа. Полковник Захарченко получил 13 лет за скидочную карту и Нота-Банк

Полковнику Захарченко, задержанному почти три года назад, вынесен приговор

Forbes
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

Рано или поздно любой крутой рэпер решает выпустить наушники под своим брендом

Популярная механика
Левые взгляды Левые взгляды

Измена всегда серьезный риск для отношений

Добрые советы
Кроссовер за миллион. Тест-драйв Renault Arkana Кроссовер за миллион. Тест-драйв Renault Arkana

Arkana больше всего удивляет ценой

РБК
Представить себе свободу: почему мы фантазируем о разводе Представить себе свободу: почему мы фантазируем о разводе

Если отношения давно зашли в тупик, порой мы переносим свои желания в мир грез

Psychologies
Трудный ребенок: 5 приемов воспитания Трудный ребенок: 5 приемов воспитания

Понятные правила для воспитания детей, которые не просто применить в жизни

Psychologies

В издательстве «Эксмо» выходит «Убийство Командора»

Esquire
Автопортрет Автопортрет

i30 N разработан в Южной Корее, и буква N в названии авто символизирует шикану

Playboy
Суд признал полковника Захарченко виновным в получении взятки в $800 тысяч Суд признал полковника Захарченко виновным в получении взятки в $800 тысяч

Захарченко, по версии следствия, получил взятку и скидки в ресторане La Maree

Forbes
Тест ноутбука Dell Alienware m15: легкий и тонкий игровой монстр Тест ноутбука Dell Alienware m15: легкий и тонкий игровой монстр

Тест игрового ноутбука с графическим чипом GeForce RTX 2080 Max-Q

CHIP
«Академия Амбрелла» как гид по детским психотравмам «Академия Амбрелла» как гид по детским психотравмам

В этом году Netflix выпустил киноадаптацию одноименного комикса Джерарда Уэя

Psychologies
«Это интересная задача»: Александр Кудрин, ушедший из Сбербанка из-за отчета о Газпроме, о новой работе «Это интересная задача»: Александр Кудрин, ушедший из Сбербанка из-за отчета о Газпроме, о новой работе

Александр Кудрин о правилах игры для инвестиционных аналитиков и новой работе

Forbes
Этим летом наряжайтесь как Элтон Джон, в пух и прах Этим летом наряжайтесь как Элтон Джон, в пух и прах

«Рокетмен» — отличный повод примерить вещи в духе сценических костюмов поп-идола

Vogue
Вернись к «Соренто»: кроссовер здорового человека Вернись к «Соренто»: кроссовер здорового человека

Пройдет пару лет и мы будем говорить, что так теперь не делают...

Maxim
Бари Алибасов отметил тройной день рождения после сообщений о своей смерти Бари Алибасов отметил тройной день рождения после сообщений о своей смерти

Накануне дня рождения Бари Алибасов попал в больницу с отравлением

Cosmopolitan
Что нужно сделать в воскресенье, чтобы легче пережить рабочую неделю? Что нужно сделать в воскресенье, чтобы легче пережить рабочую неделю?

Что стоит сделать в воскресенье, чтобы облегчить начало трудовых будней

Psychologies
Встреча века Встреча века

В Пушкинcком стартуют выставки коллекций Сергея Щукина и Fondation Louis Vuitton

Vogue
«Сериалы разрушают мою сексуальную жизнь» «Сериалы разрушают мою сексуальную жизнь»

Опросы показали, что просмотр сериалов заменил парам секс

Psychologies
Вечный король Вечный король

Уже десять лет фанаты Майкла Джексона верят, что он инсценировал смерть

StarHit
Плохие новости для бизнеса: чем грозит отмена сроков давности за налоговые преступления Плохие новости для бизнеса: чем грозит отмена сроков давности за налоговые преступления

Судьям предлагают считать неуплату налогов преступлением без срока давности

Forbes
10 фактов о сериале «Рассказ служанки» 10 фактов о сериале «Рассказ служанки»

Подробности создания проекта «Рассказ служанки», которые вы могли не знать

РБК
Открыть в приложении