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

Ураганная энергия Ураганная энергия

Как направить в мирное русло энергию ураганов

Популярная механика
«Тормозят всех подряд». Водители жалуются на частые проверки ГИБДД «Тормозят всех подряд». Водители жалуются на частые проверки ГИБДД

Может ли инспектор ГИБДД останавливать машину для проверки документов

РБК
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
Infiniti QX60: Прибавка мощности Infiniti QX60: Прибавка мощности

Внешность у Infiniti Qx60 привычная, вместительность – на зависть конкурентам

АвтоМир
Воздушный бой Воздушный бой

Дроны-истребители, способные уничтожать разведывательные и ударные беспилотники

Популярная механика
7 женских качеств, которые мужчины называют самыми привлекательными 7 женских качеств, которые мужчины называют самыми привлекательными

Какие качества мужчины называют самыми важными, фантазируя о будущей супруге

Psychologies
11 самых ожидаемых фильмов июля: Спайдермен, Симба и паразиты 11 самых ожидаемых фильмов июля: Спайдермен, Симба и паразиты

Как Marvel переживет потерю Железного человека и Кэпа?

Playboy
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
Суд отправил топ-менеджера «Рольфа» под домашний арест Суд отправил топ-менеджера «Рольфа» под домашний арест

Басманный суд отправил топ-менеджера «Рольфа» Анатолия Кайро под домашний арест

Forbes
Заводной мандарин Заводной мандарин

Узники китайских лагерей рассказывают про общество будущего

Русский репортер
Крутой воппер Крутой воппер

Дэниел Шварц возрождает Burger King, сеть быстрого питания с 60-летней историей

Forbes
Как найти время на себя, если его никогда не хватает? Как найти время на себя, если его никогда не хватает?

Откажитесь от многозадачности и начните все успевать

Psychologies
Кроссовки дня: посвященные ядовитым змеям «асиксы» от команды журнала Sneaker Freaker Кроссовки дня: посвященные ядовитым змеям «асиксы» от команды журнала Sneaker Freaker

Кроссовки в честь австралийской тигровой змеи

Esquire
Проблема «сабстанса» в офшорах: стоит ли волноваться владельцам яхт? Проблема «сабстанса» в офшорах: стоит ли волноваться владельцам яхт?

Как владельцу яхты действовать в новых условиях «сабстанса»

Forbes
Ненавистная работа может подготовить вас к работе мечты Ненавистная работа может подготовить вас к работе мечты

Многие до сих пор считают, что главное — выбрать работу по душе

Psychologies
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
Самый дорогой объектив по цене Kia Rio: Sony 600 mm F4 GM OSS Самый дорогой объектив по цене Kia Rio: Sony 600 mm F4 GM OSS

На что способен объектив почти за 1 млн рублей? Разбираемся в обзоре

CHIP
Алкогений: Хамфри Богарт Алкогений: Хамфри Богарт

История пьянства и творчества Хамфри Богарта

Maxim
Корпоративный дракон. Может ли у компании быть сразу три гендиректора Корпоративный дракон. Может ли у компании быть сразу три гендиректора

У крупного американского производителя муки King Arthur Flour сразу три CEO

Forbes
Пора отпустить старые обиды Пора отпустить старые обиды

Старые обиды могут нанести ощутимый вред физическому и психическому здоровью

Psychologies
Как объяснить странную погоду этой весной? Ответ дает новая климатическая модель Как объяснить странную погоду этой весной? Ответ дает новая климатическая модель

Как потепление Арктики влияет на атмосферное струйное течение

Forbes
Трансформация Сельмы Блэр Трансформация Сельмы Блэр

Как болезнь Сельмы Блэр меняет ее тело, голос, цель в жизни и стиль в одежде

Tatler
День в истории: 22 июня 1941 года. День, когда вторжение немцев застало советскую армию врасплох День в истории: 22 июня 1941 года. День, когда вторжение немцев застало советскую армию врасплох

22 июня в истории СССР

Esquire
Не скрипи! Не скрипи!

Как не допустить развития болезни суставов?

Лиза
3 варианта идеального холостяцкого завтрака (5 минут и минимум усилий) 3 варианта идеального холостяцкого завтрака (5 минут и минимум усилий)

Колбаса, гречка, яйца — все, что вы любите

Playboy
50 оправданий людей, которые не хотят меняться 50 оправданий людей, которые не хотят меняться

Что мешает нам стать другими, даже если мы знаем, что перемены необходимы

Psychologies
Не протесты, а раскопки. Как федеральные каналы освещали протесты в центре Москвы Не протесты, а раскопки. Как федеральные каналы освещали протесты в центре Москвы

В повестке новостей телеканалов не нашлось места освещению марша протеста

Forbes
Выше нос! Выше нос!

Компания BMW представила обновленный кроссовер X1

АвтоМир
Экспресс-обзор: 7 удивительных поездов Экспресс-обзор: 7 удивительных поездов

Добраться из пункта А в пункт Б можно разными способами

Вокруг света

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

Популярная механика
Открыть в приложении