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

Наука «Аполлонов» Наука «Аполлонов»

Какие новые знания дали человечеству полёты американских астронавтов на Луну?

Наука и жизнь
Министерский удел Министерский удел

Семья Александра Ткачева собрала самый дорогой земельный банк в стране

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
«Дурной пример заразителен». Автомобилистов ждет важное нововведение «Дурной пример заразителен». Автомобилистов ждет важное нововведение

О законопроекте, позволяющем обжаловать штрафы ГИБДД через интернет

РБК
11 богатейших американок младше 40 лет, заработавших состояние самостоятельно 11 богатейших американок младше 40 лет, заработавших состояние самостоятельно

Самые богатые селф-мейд женщины США в возрасте до 40 лет

Forbes
Кто они такие: самые известные «инстаграмщицы», которые выбились в высший свет Кто они такие: самые известные «инстаграмщицы», которые выбились в высший свет

С чего начинали и кем стали знаменитые инста-модели

Cosmopolitan
Автопортрет Автопортрет

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

Playboy
Царь в ударе Царь в ударе

Кит Харингтон отправился в реабилитационный центр

StarHit
Театр: Елизавета Боярская Театр: Елизавета Боярская

Звезда МДТ показала в Малом зале Филармонии мультимедийный спектакль «1926»

Собака.ru
Сообщения вместо живого общения Сообщения вместо живого общения

Пять особенностей виртуального общения, которые нам сильно вредят

Лиза
«Спаситель» ненастоящий? Кто компенсирует убытки за проданного Рыболовлевым Леонардо «Спаситель» ненастоящий? Кто компенсирует убытки за проданного Рыболовлевым Леонардо

Картина «Спаситель мира» вышла на первый план по количеству скандалов

Forbes
Игра в кубики Игра в кубики

Минималистичный дом по проекту архитектора Самуэля Ламаса

AD
Фитнес вашей мечты Фитнес вашей мечты

Главный секрет успешной тренировки – найти свою мотивацию

Домашний Очаг
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
«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
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
«Ужас без конца». Что будет с ценами на бензин после 1 июля «Ужас без конца». Что будет с ценами на бензин после 1 июля

Ожидается подорожания топлива даже в случае продления соглашения о заморозке цен

РБК
Юлия Пересильд: «Это были лучшие съемки в моей жизни» Юлия Пересильд: «Это были лучшие съемки в моей жизни»

Актриса Юлия Пересильд рассказала о драме Sheena667 и о самом важном в профессии

Grazia
«Чем хуже у меня что-то получается, тем больше мне это нравится» «Чем хуже у меня что-то получается, тем больше мне это нравится»

Не лишаем ли мы себя удовольствия от процесса?

Psychologies
10 женщин в краудфандинге. Рейтинг ForbesWoman 10 женщин в краудфандинге. Рейтинг ForbesWoman

Самые успешные краудфандинговые кампании, запущенные женщинами

Forbes
Самые высокооплачиваемые спортсмены мира — 2019. Рейтинг Forbes Самые высокооплачиваемые спортсмены мира — 2019. Рейтинг Forbes

Рейтинг самых высокооплачиваемых спортсменов мира

Forbes
Голос Америки Голос Америки

30 июня выходит сериал «Самый громкий голос в комнате» с участием Сиенны Миллер

Grazia
Какие модные террасы появились в Париже этим летом Какие модные террасы появились в Париже этим летом

Французский Vogue собирает места, где парижские модницы наслаждаются солнцем

Vogue
Кроссовер за миллион. Тест-драйв Renault Arkana Кроссовер за миллион. Тест-драйв Renault Arkana

Arkana больше всего удивляет ценой

РБК
Британская контрразведка начала расследовать лоббистскую кампанию против «российского олигарха» Британская контрразведка начала расследовать лоббистскую кампанию против «российского олигарха»

Британская контрразведка MI5 начала расследование лоббистской кампании

Forbes
Путешествие в Петербург: Esquire Weekend впервые прошел в Северной столице Путешествие в Петербург: Esquire Weekend впервые прошел в Северной столице

15 июня Esquire Weekend впервые прошел в Санкт-Петербурге

Cosmopolitan
Обзор универсальной гладильной системы Tefal IXEO: один за всех Обзор универсальной гладильной системы Tefal IXEO: один за всех

Это не утюг и не отпариватель, а устройство 2 в 1. Что особенного в Tefal IXEO

CHIP
Музыка: Shortparis Музыка: Shortparis

Shortparis — ошеломляющий музыкальный коллектив, уничтожающий жанровые рамки

Собака.ru
Как выбрать паяльник: советы для новичков Как выбрать паяльник: советы для новичков

Электрический паяльник — вещь действительно незаменимая в современном быту

CHIP
Этим летом смотрим редкие часы Cartier и китайские сокровища в Пекине Этим летом смотрим редкие часы Cartier и китайские сокровища в Пекине

Восток-Запад в тысяче объектов

Vogue
Открыть в приложении