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

ЗППП ЗППП

Триппер, сифилис, хламидиоз – слова, пугающие любого мужчину

Maxim
Как выбрать удочку? 7 основных типов для разных видов летней рыбалки Как выбрать удочку? 7 основных типов для разных видов летней рыбалки

Чтобы ни одна рыба не проплыла мимо

Playboy
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
Ищите женщину. Как найти баланс кадров в сфере IT Ищите женщину. Как найти баланс кадров в сфере IT

Гендерное разнообразие приносит бизнесу чисто практический результат

Forbes
Театр: Елизавета Боярская Театр: Елизавета Боярская

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

Собака.ru
Андрей Артемов о дебюте в Париже и запуске линии сумок и денима Андрей Артемов о дебюте в Париже и запуске линии сумок и денима

Дизайнер рассказал, как ему удалось сделать российский бренд успешным

Vogue
Удержаться на плаву Удержаться на плаву

Вьетнамцы острова Фукуок. Все их существование связано с водой

Вокруг света
Вызов принят Вызов принят

6 июня выходит новый фильм из серии «Люди Икс» – «Темный Феникс»

Grazia
Самый громкий провал американского авиапрома: Boeing-2707 Самый громкий провал американского авиапрома: Boeing-2707

Сверхзвуковые пассажирские лайнеры Ту-144 и Concorde

Популярная механика
В ожидании криптовесны. Стоит ли ждать либерализации цифровых активов в России? В ожидании криптовесны. Стоит ли ждать либерализации цифровых активов в России?

Чего ждать инвесторам в криптоактивы в течение ближайших лет

Forbes
«Каждый шаг мы вынуждены обсуждать с юристами». Глава Wintershall Dea – о ставке на газ, ценах на нефть и санкциях «Каждый шаг мы вынуждены обсуждать с юристами». Глава Wintershall Dea – о ставке на газ, ценах на нефть и санкциях

Интервью с главой Wintershall Dea — европейского нефтегазового гиганта

Forbes
Колумнистка Elle заявила, что в 1990-х ее изнасиловал Дональд Трамп. Раньше его обвиняли в домогательствах Колумнистка Elle заявила, что в 1990-х ее изнасиловал Дональд Трамп. Раньше его обвиняли в домогательствах

Джин Кэрролл обвинила Дональда Трампа в изнасиловании

Esquire
Элементарно, Ватсон! Элементарно, Ватсон!

Лето – лучшее время для путешествия по Англии

Cosmopolitan
Кантемир Балагов: Кантемир Балагов:

В прокат выходит фильм «Дылда» — вторая работа Кантемира Балагова

Esquire
«Я рада, что не нашла свою любовь до 40» «Я рада, что не нашла свою любовь до 40»

Отсутствие постоянного партнера — больная тема для многих людей

Psychologies
Как доброта делает нас сильными Как доброта делает нас сильными

В чем проявляется сила: в твердости характера или в открытости и чуткости

Psychologies
«Прививки — лучший способ оставаться здоровым». Интервью с экспертом по инфекционной безопасности Джули Гербердинг «Прививки — лучший способ оставаться здоровым». Интервью с экспертом по инфекционной безопасности Джули Гербердинг

В рамках ПМЭФ Forbes Woman встретился с Джули Гербердинг

Forbes
Зачем нам 5G: Huawei рассказала о развитии сетей нового поколения Зачем нам 5G: Huawei рассказала о развитии сетей нового поколения

Еще не везде ловит 4G, но уже вовсю идет разработка и тестирование 5G

CHIP
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
Как победить прокрастинацию? Как победить прокрастинацию?

Чем может обернуться привычка откладывать все на завтра и как с ней справиться?

9 месяцев
Самые популярные смотровые площадки мира: 9 мест, где лучше всего любоваться видом Самые популярные смотровые площадки мира: 9 мест, где лучше всего любоваться видом

Лучше места для обзора с высоты выше птичьего полета

Playboy
Интервью с Франческо Рагацци (Moncler, Palm Angels): «Я смотрю на американскую культуру своими итальянскими глазами» Интервью с Франческо Рагацци (Moncler, Palm Angels): «Я смотрю на американскую культуру своими итальянскими глазами»

Франческо Рагацции — о работе в эпоху, когда культуры смешиваются друг с другом

Esquire
Как перестать беспокоиться и начать жить Как перестать беспокоиться и начать жить

Если вы хотите оградить себя от всех стрессов сразу, у вас ничего не получится

Psychologies
Ловушки майского указа Путина. Как власти могут повторить ошибки позднего СССР Ловушки майского указа Путина. Как власти могут повторить ошибки позднего СССР

В дискуссиях об экономической политике предлагаются противоречивые рецепты

Forbes
Что стоит за заявлением российского ученого о генетическом редактировании эмбрионов? Что стоит за заявлением российского ученого о генетическом редактировании эмбрионов?

Генетик Денис Ребриков хочет стать вторым в мире ученым, после Хэ Цзянькуя

Forbes
В центре Москвы готовится к открытию первый в России Curio Collection by Hilton В центре Москвы готовится к открытию первый в России Curio Collection by Hilton

Новый пятизвездочный Chekhoff Hotel Moscow

Cosmopolitan
50 важных идей, чтобы наслаждаться жизнью 50 важных идей, чтобы наслаждаться жизнью

Список утверждений, которые помогут по-новому взглянуть на жизненные ценности

Psychologies
Пучок ароматной зелени Пучок ароматной зелени

Немного об использовании пряноароматических растений в кулинарии

Наука и жизнь
Как правильно принимать витамины и зачем это нужно Как правильно принимать витамины и зачем это нужно

Какую роль витамины играют в обменных процессах и как не навредить организму

РБК
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
Открыть в приложении