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

Электрическая ракета, которая изменит войну Электрическая ракета, которая изменит войну

Барражирующие боеприпасы «Ланцет», которые могут в корне изменить войны будущего

Популярная механика
Здесь танцуют! Здесь танцуют!

Французская Революция сделала надпись «Здесь танцуют» на месте Бастилии

Наука и жизнь
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
«Убийственно красив»: зачем инцелы ложатся под нож хирурга «Убийственно красив»: зачем инцелы ложатся под нож хирурга

Красота требует жертв. В XXI веке на эти жертвы все чаще идут мужчины

Psychologies
Музыкальный генерал Музыкальный генерал

Хочу предложить вниманию читателей атрибуцию, точка в которой ещё не поставлена

Дилетант
Как ноут подключить к телевизору через Wi-Fi Как ноут подключить к телевизору через Wi-Fi

Подключение ноутбука к телевизору по Wi-Fi без проводов

CHIP
Отбила желание: мужчины, которые завязали с отношениями после неудачного романа Отбила желание: мужчины, которые завязали с отношениями после неудачного романа

Звездные браки не всегда оказываются идеальными

Cosmopolitan
Porsche Macan: средство против скупости Porsche Macan: средство против скупости

Обновленный Porsche Macan вышел на российский рынок

АвтоМир
Семейный капитал Семейный капитал

С ростом доходов и числа наследников встает вопрос расширения жилой площади

АвтоМир
Тэрон Эджертон: «Играть Элтона Джона, во всех смыслах и при всем моем уважении, было сюром» Тэрон Эджертон: «Играть Элтона Джона, во всех смыслах и при всем моем уважении, было сюром»

Тэрон Эджертон рассказал, каково играть ныне живущую легенду музыки

Esquire
Мы пришли в «Севкабель Порт» Мы пришли в «Севкабель Порт»

Кластер у моря превратился в порт приписки не только для главных опенэйров лета

Собака.ru
«Транснефть» договорилась об условиях первой компенсации за грязную нефть в «Дружбе» «Транснефть» договорилась об условиях первой компенсации за грязную нефть в «Дружбе»

Первые компенсации за грязную нефть в трубопроводе «Дружба» от «Транснефти»

Forbes
Два колеса фортуны Два колеса фортуны

Какие правила нарушают мотоциклисты и чем это грозит?

АвтоМир
Как сказать девушке, что тебе нужно личное пространство (и не обидеть ее) Как сказать девушке, что тебе нужно личное пространство (и не обидеть ее)

В выстраивании личных границ нужно быть очень деликатным

Playboy
Этика и синтетика Этика и синтетика

Звезда электропопа Sophie разрушает границы и стереотипы

Vogue
Toyota Supra Toyota Supra

После долгих лет забвения японский спорткар вернулся во всей своей красе

Quattroruote
Главные тенденции мужской моды сезона весна–лето 2020 Главные тенденции мужской моды сезона весна–лето 2020

Недели мужской моды сезона весна–лето 2020 позади

Esquire
Дело сестер Хачатурян или дело всей России: можно ли защитить себя и не сесть в тюрьму Дело сестер Хачатурян или дело всей России: можно ли защитить себя и не сесть в тюрьму

Почему российское правосудие носит обвинительный характер

Esquire
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
Пирамида Солнца. Как бывший автомеханик создал аферу, жертвой которой стал холдинг Баффета Пирамида Солнца. Как бывший автомеханик создал аферу, жертвой которой стал холдинг Баффета

Бывший автомеханик втянул инвесторов в пирамиду

Forbes
Отпуск со скидкой Отпуск со скидкой

На чем можно и нужно экономить в поездке

Лиза
Вексельберг рассказал об ограничении общения с Блаватником из-за санкций США Вексельберг рассказал об ограничении общения с Блаватником из-за санкций США

В 2018 году американский Минфин включил Вексельберга в SDN-лист

Forbes
Летной погоды! Летной погоды!

Grazia собрала специальные предложения на летний отдых от разных отелей

Grazia
Проекции, нарциссы и фрустрация. Как «История игрушек 4» стала лучшим кино-психоанализом для взрослых Проекции, нарциссы и фрустрация. Как «История игрушек 4» стала лучшим кино-психоанализом для взрослых

«История игрушек 4» — один из самых лучших фильмов года... для взрослых

Forbes
Давайте жить дружно Давайте жить дружно

Рассказываем, как перестать быть конфликтным человеком

StarHit
Лучшие рестораны, кафе и бары в московских парках Лучшие рестораны, кафе и бары в московских парках

Вина и закуски в кафе и ресторанах Парка Горького

Forbes
Предприниматель Дарья Лисиченко — о Konkovo market, аренде и брендах Предприниматель Дарья Лисиченко — о Konkovo market, аренде и брендах

О большой переделке ТК «Коньково» в Konkovo market

РБК
Новой Джейн Биркин не будет. Вице-президент Hermès об инстаграм-блогерах, очереди за сумками и диджитализации моды Новой Джейн Биркин не будет. Вице-президент Hermès об инстаграм-блогерах, очереди за сумками и диджитализации моды

Флориан Краен рассказал, почему сегодня нельзя быть консервативными

Forbes
Боржоми, коровы и перевалы. Тест-драйв Jeep Wrangler в Грузии Боржоми, коровы и перевалы. Тест-драйв Jeep Wrangler в Грузии

Как ведет себя на сменяющихся пейзажах Грузии новый Jeep Wrangler

РБК
«Как мимолётное виденье...» «Как мимолётное виденье...»

Девочке, родившейся в доме Ивана Вульфа, была уготована необычная судьба

Наука и жизнь
Открыть в приложении