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

Длинные руки «Буяна» Длинные руки «Буяна»

В 2015 году мы узнали, что наносить ракетные удары можно из Каспийского моря

Популярная механика
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
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
Машина для любви, а не для войны: история легендарного «хиппи-буса» от VW Машина для любви, а не для войны: история легендарного «хиппи-буса» от VW

Как бюргеры сделали американцев бродягами, беспаспортными и безработными

Maxim
Поле битвы: Земля Поле битвы: Земля

Эпо­ха су­пер­дер­жав за­кон­чи­лась

GQ
Деньги будут, но не сразу: как заработать на долгосрочных трендах Деньги будут, но не сразу: как заработать на долгосрочных трендах

Четыре сектора рынка, которые могут принести высокую доходность

Forbes
Секрет долголетия и процветания за $99: как бывшая жена Сергея Брина заработала $690 млн Секрет долголетия и процветания за $99: как бывшая жена Сергея Брина заработала $690 млн

История основательницы проекта 23andMe Анны Войжитски

Forbes
Ирина Хакамада «Дочь вправе жить, как хочет!» Ирина Хакамада «Дочь вправе жить, как хочет!»

Бывший политик рассказала о даре необычного ребенка о том, как преодолеть кризис

StarHit
Тряпку в зубы Тряпку в зубы

Учителя заставляли Евгения Стычкина отмывать стену с матерными надписями

StarHit
Задуманный в СССР, рожденный в России: МиГ-29К Задуманный в СССР, рожденный в России: МиГ-29К

В 1988 году состоялся первый полет первого палубного истребителя ОКБ МиГ

Популярная механика
Как подключить и настроить беспроводную мышку к ноутбуку или компьютеру Как подключить и настроить беспроводную мышку к ноутбуку или компьютеру

Подключение и использование на ПК беспроводных мышек имеет свои нюансы

CHIP
Король хип-хопа. На чем сделал миллиардное состояние рэпер Jay-Z Король хип-хопа. На чем сделал миллиардное состояние рэпер Jay-Z

Что сделало Jay-Z первым хип-хоп исполнителем с десятизначным состоянием

Forbes
Зяблик, развесёлый чиж и компания Зяблик, развесёлый чиж и компания

Сегодня речь пойдёт о птицах семейства вьюрковых отряда воробьинообразных

Наука и жизнь
У кошки блоги! У кошки блоги!

Эти звезды Интернета не умеют писать и фотографировать (у них лапки)

Добрые советы
Ваш ребенок — интроверт: семь признаков Ваш ребенок — интроверт: семь признаков

У детей-интровертов есть масса преимуществ

Psychologies
Конгресс США обнародовал проект санкций против «Северного потока— 2» Конгресс США обнародовал проект санкций против «Северного потока— 2»

Новый проект санкций США

Forbes
Фитнес на пляже Фитнес на пляже

На морском побережье обычные упражнения в разы эффективнее

Лиза
Не только о себе думаем Не только о себе думаем

Хотите сделать мир лучше? Бьюти-бренды готовы предоставить вам такую возможность

Glamour
У крупнейшего российского автодилера большие проблемы. Что случилось? У крупнейшего российского автодилера большие проблемы. Что случилось?

В отношении главы «РОЛЬФ» возбуждено уголовное дело

РБК
Милли Бобби Браун: Инопланетянка Милли Бобби Браун: Инопланетянка

Милли Бобби Браун буквально бомбардируют предложениями

Караван историй
Иллюзия бесплатного: во что нам обходится иррациональное финансовое поведение Иллюзия бесплатного: во что нам обходится иррациональное финансовое поведение

Знаете ли вы, почему таблетка за 300 рублей помогает лучше, чем за 10?

Forbes
Cosmo-истории: «Я переехала в Милан, и вот как изменились мои модные привычки» Cosmo-истории: «Я переехала в Милан, и вот как изменились мои модные привычки»

Диана Королева переехала в Милан и отказалась от натурального меха и шпилек

Cosmopolitan
Блогеры и бренды. Как люксовые марки пытаются идти в ногу со временем Блогеры и бренды. Как люксовые марки пытаются идти в ногу со временем

Что получают бренды, не побоявшиеся ассоциировать себя с новыми героями

Forbes
Анастасия: «В брачном контракте все завещаю Юлиану» Анастасия: «В брачном контракте все завещаю Юлиану»

Супруги рассказали «СтарХиту», с какими проблемами столкнулись в браке

StarHit
Кто такая 16-летняя Грета Тунберг и за что ее номинировали на Нобелевскую премию Кто такая 16-летняя Грета Тунберг и за что ее номинировали на Нобелевскую премию

16-летняя Грета Тунберг претендует на Нобелевскую премию мира

Популярная механика
«Режим ошпаренной кошки оставьте за воротами» «Режим ошпаренной кошки оставьте за воротами»

Как создать нормальный психоневрологический интернат

Русский репортер
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
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
В звуках музыки В звуках музыки

Зальцбург притягивает любителей истории, ценителей прекрасного и горнолыжников

Лиза
Как профессия муравьёв влияет на их обучаемость Как профессия муравьёв влияет на их обучаемость

Эксперимент учёных выявил связь между профессиями муравьёв и их обучаемостью

Популярная механика
Открыть в приложении