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

Ледяные колокольчики Ледяные колокольчики

Что это за ледяные колокольчики, в изрядном числе свисающие над водой?

Наука и жизнь
Простой вопрос, ответ на который приблизит к счастью Простой вопрос, ответ на который приблизит к счастью

Чтобы жить счастливо, нужно понимать зачем

Psychologies
Там, где свет слушает звук Там, где свет слушает звук

Как и для чего создаются гиперспектрометры и мультиспектральные камеры

Наука и жизнь
Зачем нужны положительные и отрицательные эмоции Зачем нужны положительные и отрицательные эмоции

Эмоции — это наше настоящее отношение к людям и событиям

Psychologies
Зажигаем звезды Зажигаем звезды

Подборка историй о людях, которые двигают прогресс небывалым

ТехИнсайдер
Свадьба не по правилам Свадьба не по правилам

Брачная церемония – серьезный рубеж в отношениях двоих

Psychologies
Я умею искать кота: выбираем трекер для животных Я умею искать кота: выбираем трекер для животных

Расскажем о поводках будущего: Bluetooth- и GPS-трекерах для животных

CHIP
Как победить страх провала в жизни и в бизнесе: советы «морского котика» Как победить страх провала в жизни и в бизнесе: советы «морского котика»

Отрывок из книги бывшего спецназовца и основателя медиахолдинга Hurricane Group

Forbes
Сезонность курса: правда ли, что летний рубль дороже зимнего? Сезонность курса: правда ли, что летний рубль дороже зимнего?

Почему в начале года рынок ждет укрепления рубля, а к концу — ослабления

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
Что почитать этим летом: лучшая фантастика первой половины 2019 года Что почитать этим летом: лучшая фантастика первой половины 2019 года

Первая половина года оказалась богата на новинки в жанре научной фантастики

Популярная механика
С сайта «Коммерсанта» исчезла статья о поставке истребителей в Египет С сайта «Коммерсанта» исчезла статья о поставке истребителей в Египет

Статья о поставке Египту российских истребителей исчезла с сайта «Коммерсанта»

Forbes
Штраф за пробку: какие ловушки ждут автомобилистов Штраф за пробку: какие ловушки ждут автомобилистов

Автомобилисты стали чаще жаловаться на ошибочные, по их мнению, штрафы с камер

РБК
Альтернатива айфону: 8 смартфонов с OC Android Альтернатива айфону: 8 смартфонов с OC Android

ОС Android сегодня стоит на почти 90% всех смартфонов

РБК
Тест телевизора LG OLED 55C97LA: фантастическая картинка, превосходный дизайн Тест телевизора LG OLED 55C97LA: фантастическая картинка, превосходный дизайн

LG OLED 55C9 является замечательным телевизором

CHIP
#прохобби: ресторанный бизнес и рыбалка Сергея Миронова #прохобби: ресторанный бизнес и рыбалка Сергея Миронова

Владелец ресторанов «Мясо & Рыба» рассказал о ресторанном деле и своем увлечении

РБК
Война в Африке Война в Африке

С огромным трудом британцам удалось остановить немецкие войска в Северной Африке

Дилетант
Колесо фортуны Колесо фортуны

Ноотропы: стоит ли пробовать допинг для интеллекта

Tatler
Объявление кибервойны: противостояние держав приняло опасный оборот Объявление кибервойны: противостояние держав приняло опасный оборот

Новая холодная война уже не кажется просто броской журналистской метафорой

Forbes
День архитектора. Автор «Ельцин Центра» и «Гиперкуба» в «Сколково» о том, как сделать Москву столицей мира День архитектора. Автор «Ельцин Центра» и «Гиперкуба» в «Сколково» о том, как сделать Москву столицей мира

Чем живет архитектор и автор многих известных проектов Борис Бернаскони?

Forbes
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
«Нет ничего лучше, чем быть академиком и завлабом» «Нет ничего лучше, чем быть академиком и завлабом»

Каким бы оказался сегодня монолог академика Ж. И. Алфёрова?

Наука и жизнь
Отпуск: меньше планирования — меньше стрессов Отпуск: меньше планирования — меньше стрессов

Впереди долгожданный сезон отпусков, а с ним и неминуемый стресс

Psychologies
Укрощение светских львиц: как 20-летние «инстаграмщицы» вытесняют «тяжелый люкс» и зарабатывают миллионы Укрощение светских львиц: как 20-летние «инстаграмщицы» вытесняют «тяжелый люкс» и зарабатывают миллионы

Как и сколько зарабатывают излюбленные мишени критики «тяжелого люкса»

Forbes
Коктейль «Манхеттен»: рецепт и история одного из самых легендарных напитков в мире Коктейль «Манхеттен»: рецепт и история одного из самых легендарных напитков в мире

Время побывать в нью-йоркском богемном обществе

Playboy
Профи против Профи против

Что происходит в сфере пластической хирургии и косметологии

Cosmopolitan
20 фактов о детском здоровье (Летняя версия) 20 фактов о детском здоровье (Летняя версия)

Эксперт-педиатр развеяла множество живучих мифов о детском здоровье

Добрые советы
Какие часы носит Конор Макгрегор? Какие часы носит Конор Макгрегор?

Честно говоря, проще ответить на вопрос, какие часы он не носит

GQ
Кофе за 50 рублей и ЗОЖ в меню: как изменится российский рынок кофеен Кофе за 50 рублей и ЗОЖ в меню: как изменится российский рынок кофеен

Число кофеен в России и Европе в ближайшие годы вырастет в полтора раза

Forbes
Словарь экстрима: 10 самых необычных новых видов спорта (мы и не знали о них!) Словарь экстрима: 10 самых необычных новых видов спорта (мы и не знали о них!)

Уверены, ты даже не слышал половину этих названий

Playboy
Открыть в приложении