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

Сеть знает обо всем, что вы делали Сеть знает обо всем, что вы делали

Популярные социальные сети собирают данные о пользователях

CHIP
Враг хорошего: что не стоит делать с SSD Враг хорошего: что не стоит делать с SSD

Несколько действий, которые не стоит выполнять с твердотельными накопителями

CHIP
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
В унисон с «Артеком» В унисон с «Артеком»

30 и 31 мая в «Артеке» прошел 12-й Международный конкурс «Детская новая волна»

OK!
«Потому, что мы все умрем»: микросага о любви Киану Ривза к мотоциклам «Потому, что мы все умрем»: микросага о любви Киану Ривза к мотоциклам

Киану Ривз и любовь к мотоциклам

Maxim
Нюансы платной трассы Нюансы платной трассы

Магистраль М11 позволяет сократить время в пути от Москвы до Санкт-Петербурга

АвтоМир
Твиты британки об отсутствии черных актеров в «Чернобыле» вызвали истерику в сети. Почему? Твиты британки об отсутствии черных актеров в «Чернобыле» вызвали истерику в сети. Почему?

Где граница допустимой нереалистичности в художественном кино?

Playboy
Упражнение на доверие: как амнистия капиталов подтолкнет бизнес и власть к новому социальному контракту Упражнение на доверие: как амнистия капиталов подтолкнет бизнес и власть к новому социальному контракту

Вторичные эффекты деофшоризации окажутся важнее, чем сама редомициляция капитала

Forbes
Семь чудес света Семь чудес света

Кому выпадет честь быть крестным отцом сына принца Гарри и Меган Маркл

Tatler
«Никогда не думал, что побываю на своих похоронах». Суд начал рассматривать ходатайство об аресте Голунова «Никогда не думал, что побываю на своих похоронах». Суд начал рассматривать ходатайство об аресте Голунова

В суд Голунова привезли из 71-й городской клинической больницы

Forbes
Советы отцов-миллиардеров. Чему титаны бизнеса учат своих детей Советы отцов-миллиардеров. Чему титаны бизнеса учат своих детей

Советы о бизнесе и жизни, которые миллиардеры дали своим детям

Forbes
Какие напольные весы точнее: аналоговые или электронные? Какие напольные весы точнее: аналоговые или электронные?

Они всегда говорят правду: маленькие дети, пьяные взрослые и напольные весы!

Maxim
ASUS ZenBook S13: зачем ноутбуку военные стандарты ASUS ZenBook S13: зачем ноутбуку военные стандарты

Современные ноутбуки весьма разнообразны, но в массе своей похожи

Популярная механика
Везде успела Везде успела

Телеведущая Регина Тодоренко – о том, почему не нужно быть идеальными родителями

Домашний Очаг
Пучок ароматной зелени Пучок ароматной зелени

Немного об использовании пряноароматических растений в кулинарии

Наука и жизнь
Третья мировая война, которая так и не началась: российский десант в Косово Третья мировая война, которая так и не началась: российский десант в Косово

Двадцать лет назад состоялся знаменитый «бросок на Приштину»

Популярная механика
Диванные эксперты Диванные эксперты

У производителей мягкой мебели есть ответ на любой запрос

AD
Биотех по-большому: как биомедицинские стартапы собираются зарабатывать на содержимом кишечника Биотех по-большому: как биомедицинские стартапы собираются зарабатывать на содержимом кишечника

Микробиом кишечника способен вызвать ожирение, депрессию и даже рак

Forbes
Какой фотоаппарат выбрать начинающему фотографу в 2019 году? Какой фотоаппарат выбрать начинающему фотографу в 2019 году?

Теряетесь в параметрах, не знаете, что лучше: зеркалка или беззеркалка?

CHIP
От великого до смешного От великого до смешного

Всем известно, что именно хоккеисты – самые большие фаталисты!

Playboy
Продажи начались! Продажи начались!

Российский рынок стал первым для кросс-купе Renault

АвтоМир
Простой вопрос, ответ на который приблизит к счастью Простой вопрос, ответ на который приблизит к счастью

Чтобы жить счастливо, нужно понимать зачем

Psychologies
Александр Кузнецов: «Надо бороться не за Александр Кузнецов: «Надо бороться не за

«РБК Стиль» поговорил с Александром Кузнецовым о любви к «Игре престолов»

РБК
«Каким шампунем пользуется президент?»: вопросы от бизнеса к прямой линии Владимира Путина «Каким шампунем пользуется президент?»: вопросы от бизнеса к прямой линии Владимира Путина

Какие бы вопросы российские предприниматели задали президенту 20 июня

Forbes
Три мифа о детской агрессии Три мифа о детской агрессии

Установки, которые мешают родителям скорректировать агрессивное поведение детей

Psychologies
«Причудливый способ вывести деньги»: что вызывает вопросы в деле основателя «Рольф» Сергея Петрова «Причудливый способ вывести деньги»: что вызывает вопросы в деле основателя «Рольф» Сергея Петрова

Балансовая стоимость «Рольф Эстейт» по итогам 2014 года составила 4,2 млрд

Forbes
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
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
«Те, кто услышит меня сегодня, могут заработать побольше». Игорь Сечин об «экономическом шовинизме» США и акциях Тesla «Те, кто услышит меня сегодня, могут заработать побольше». Игорь Сечин об «экономическом шовинизме» США и акциях Тesla

На ПМЭФ глава «Роснефти» выступил с подчеркнуто жесткой по отношению к США речью

Forbes
Что делать, если тебя повысили на работе, а твой друг остался на прежнем месте Что делать, если тебя повысили на работе, а твой друг остался на прежнем месте

Конкуренция между друзьями за повышение не должна заканчиваться драмой

Playboy
Открыть в приложении