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

Оградить и уничтожить Оградить и уничтожить

Геохимические барьеры – средство защиты природы от человеческой деятельности

Популярная механика
Год удачных приобретений. Почему вина Бордо 2018 года для длительной выдержки? Год удачных приобретений. Почему вина Бордо 2018 года для длительной выдержки?

Как сезон контрастов отразился на винах Бордо

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
Всем шампанского Всем шампанского

Флора Фишбах выросла в Шампани, чтобы нравиться всему миру

Vogue
5 шагов к осознанной благотворительности 5 шагов к осознанной благотворительности

Как люди приходят в благотворительность и с чего начать свой путь

Psychologies
7 видов поцелуев: их значение и техника (просто незаменимый гид) 7 видов поцелуев: их значение и техника (просто незаменимый гид)

Стань настоящим профессионалом в поцелуях!

Playboy
Спецназ Спецназ

Пять способов борьбы с жировыми складками перед отпуском

Собака.ru
«Сейчас тряхнет». Что происходило на борту SSJ 100 перед катастрофой в Шереметьево «Сейчас тряхнет». Что происходило на борту SSJ 100 перед катастрофой в Шереметьево

Отчет о катастрофе Sukhoi Superjet 100 в аэропорту Шереметьево

Forbes
Новые законы антикварного рынка: как обставить квартиру с пользой для кошелька Новые законы антикварного рынка: как обставить квартиру с пользой для кошелька

Рынок антиквариата терпит небывалый кризис

Forbes
Миллионеры на поле. Самые высокооплачиваемые футболисты мира-2019 Миллионеры на поле. Самые высокооплачиваемые футболисты мира-2019

Первое место в списке футболистов с самым высоким доходом заняли Месси и Роналду

Forbes
Как на вулкане! Как на вулкане!

Первозданная красота балийской природы сливается с красотой Елены Чернявской

Maxim
Само несовершенство. Почему женщины не любят себя Само несовершенство. Почему женщины не любят себя

Как полюбить себя, если с самого детства от вас требовали быть идеалом

Forbes
«Не просто устала». Как работа влияет на женщину в постродовой депрессии «Не просто устала». Как работа влияет на женщину в постродовой депрессии

Как формируется этот диагноз «послеродовая депрессия» и при чем тут работа

Forbes
Адвокат Валерий Зинченко: Почему правовая информация из интернета может быть опасна для бизнеса и здоровья Адвокат Валерий Зинченко: Почему правовая информация из интернета может быть опасна для бизнеса и здоровья

Наравне с телемедициной популярность набирает онлайн-юриспруденция

СНОБ
Физики и лирики Физики и лирики

Противоположные модели выясняют, каким должен быть идеальный седан бизнес-класса

АвтоМир
Лазерный указ Лазерный указ

Какие лазерные (и не только) технологии ждут нас в ближайшем будущем

Grazia
Елена Борщева, Анджелина Джоли, Дженнифер Лопес и еще 7 звездных ЭКО-мам Елена Борщева, Анджелина Джоли, Дженнифер Лопес и еще 7 звездных ЭКО-мам

Известные артистки, чьи малыши появились на свет благодаря процедуре ЭКО

Cosmopolitan
5 веских причин сходить на двойное свидание (тебе понравится) 5 веских причин сходить на двойное свидание (тебе понравится)

Самое время попробовать что-то новенькое!

Playboy
8 правил, как поддерживать отношения на расстоянии (и есть ли смысл?) 8 правил, как поддерживать отношения на расстоянии (и есть ли смысл?)

Ты здесь, она — там. Может ли из этого что-то получиться

Playboy
Сесть в тюрьму или погибнуть. Почему дело сестер Хачатурян — дело каждой из нас Сесть в тюрьму или погибнуть. Почему дело сестер Хачатурян — дело каждой из нас

Как и почему российских женщин лишили возможности бороться за свою жизнь

Forbes
Давай поужинаем: 5 самых унылых идей для твоего свидания, и чем их заменить Давай поужинаем: 5 самых унылых идей для твоего свидания, и чем их заменить

Мы поможем тебе, наконец, перестать терпеть фиаско на свиданиях

Playboy
«В разводе я обвиняю свекровь» «В разводе я обвиняю свекровь»

Часто мы повторяем сценарии и ролевые модели, заложенные еще в детстве

Psychologies
Прозрачная «вторичка» Прозрачная «вторичка»

Депутаты хотят запретить манипуляции с историей подержанных автомобилей

АвтоМир
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
Никто не похвалит вас за то, что вы стали лучше Никто не похвалит вас за то, что вы стали лучше

Работая над собой, мы хотим, чтобы окружающие заметили перемены в нас

Psychologies
Особенности вторичного рынка мужской одежды Особенности вторичного рынка мужской одежды

Особенности мужского рынка вторичных вещей (ресейла) и перепродажи

Esquire
Большие самолеты, большие данные Большие самолеты, большие данные

В этом году концерну Airbus исполнилось 50 лет

Популярная механика
Что познается в сравнении? Что познается в сравнении?

Сравнение – яд для самоуважения, но также может быть инструментом самопознания

Psychologies
Для Москвы разработали план попадания в десятку самых посещаемых городов Европы Для Москвы разработали план попадания в десятку самых посещаемых городов Европы

К 2025 году Москва должна войти в десятку самых посещаемых городов в Европе

Forbes
Продажи начались! Продажи начались!

Российский рынок стал первым для кросс-купе Renault

АвтоМир
Открыть в приложении