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

В ожидании Меркурия В ожидании Меркурия

Меркурий единственная планета Солнечной системы без атмосферы с магнитным полем

Наука и жизнь
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
Как молния выбирает цель Как молния выбирает цель

Как молния находит молниеотвод среди множества других привлекательных целей?

Наука и жизнь
«Напоминает анекдот про Винни-Пуха»: Россия и Украина оценили перспективы переговоров о транзите газа «Напоминает анекдот про Винни-Пуха»: Россия и Украина оценили перспективы переговоров о транзите газа

Россия и Украина обменялись мнениями о перспективах контракта на транзит газа

Forbes
Три пощёчины Три пощёчины

Фёдор Редлих о судьбе австрийцев в Советской России

Дилетант
Полуголая модель прервала финал Лиги чемпионов ради свадьбы с россиянином Полуголая модель прервала финал Лиги чемпионов ради свадьбы с россиянином

На поле стадиона в Мадриде выбежала блондинка в черном купальнике

Cosmopolitan
Коллекция Bikkembergs весна–лето 2019 создана для путешественников Коллекция Bikkembergs весна–лето 2019 создана для путешественников

Новая коллекция Bikkembergs

Esquire
Неделя потребления: ди-джей в Большом и поясная сумка в Berluti Неделя потребления: ди-джей в Большом и поясная сумка в Berluti

Чем нам запомнилась эта неделя

Forbes
Тонкая и звонкая: 9 звезд с самой узкой талией Тонкая и звонкая: 9 звезд с самой узкой талией

Кто из звезд сегодня может похвастать самыми изящными изгибами

Cosmopolitan
Как правильно выбрать телескоп и смотреть звезды Как правильно выбрать телескоп и смотреть звезды

Основные этапы выбора и особенности разных типов телескопов

CHIP
«Это можно считать пытками». Как Басманный суд арестовывал Бойко-Великого «Это можно считать пытками». Как Басманный суд арестовывал Бойко-Великого

Василий Бойко-Великий отправился в СИЗО на два месяца, несмотря на болезни

Forbes
Впервые в истории РБК, «Ведомости» и «Коммерсантъ» вышли с одинаковой протестной полосой Впервые в истории РБК, «Ведомости» и «Коммерсантъ» вышли с одинаковой протестной полосой

Она посвящена требованию проверить действия органов

Playboy
Секс-драйв: «майбах» в мире секс-игрушек — Womanizer InsideOut Секс-драйв: «майбах» в мире секс-игрушек — Womanizer InsideOut

Он черный. Стильный. И вытворяет такое

Cosmopolitan
Писатель Сергей Кумыш — о том, почему стоит отправиться в Кампанию Писатель Сергей Кумыш — о том, почему стоит отправиться в Кампанию

Италия — не только Рим, Неаполь или Сицилия

РБК
«Яндекс — российская Кремниевая долина»: Аркадий Волож о самой перспективной области в IT и новой магии «Яндекс — российская Кремниевая долина»: Аркадий Волож о самой перспективной области в IT и новой магии

Аркадий Волож — о том, какой новый глобальный сервис Россия может подарить миру

Forbes
Воплотить невоплощаемое Воплотить невоплощаемое

Псевдорецензии Станислава Лема

Наука и жизнь
Паразиты, львы и мир без женщин: 10 лучших фильмов этого лета Паразиты, львы и мир без женщин: 10 лучших фильмов этого лета

В этом году большие режиссеры не сговариваясь выпустили по новому фильму:

Forbes
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
Как первый раз поцеловать девушку? 7 советов, чтобы это было незабываемо Как первый раз поцеловать девушку? 7 советов, чтобы это было незабываемо

Ты же хочешь, чтобы все прошло идеально?

Playboy
Карта местности Карта местности

Блогер, телеведущий и актриса в путешествии по живописным местам России

Grazia
Созерцательная терапия Созерцательная терапия

Исследования исцеляющих аспектов медитации

Yoga Journal
Спецназ Спецназ

Пять способов борьбы с жировыми складками перед отпуском

Собака.ru
Выйти из себя Выйти из себя

О настоящем, где каждый может выбрать себе идентичность по вкусу

Esquire
Небо. Самолет. Девушка Небо. Самолет. Девушка

Ровно двадцать лет назад погибли Джон Кеннеди-младший и Кэролин Бессетт

Tatler
Урбанистика: Команда краеведов «Гэнгъ» Урбанистика: Команда краеведов «Гэнгъ»

Сити-блогеры Максим Косьмин, Ксения Сидорина, Алексей Шишкин, Мария Тычинина

Собака.ru
Эмоциональное истощение: 8 вопросов для диагностики и 4 совета для исцеления Эмоциональное истощение: 8 вопросов для диагностики и 4 совета для исцеления

Какие у нас есть способы восстановиться от стресса и вернуть себе равновесие

Psychologies
Новый штраф с камер: как выглядит «письмо счастья» Новый штраф с камер: как выглядит «письмо счастья»

Больше 100 фиксирующих непропуск пешеходов камер появятся в Москве к концу года

РБК
Воли не видать Воли не видать

Певица, прекратив выступать по состоянию здоровья, может не вернуться на сцену

StarHit
Как найти девушку, если ты интроверт? 6 лайфхаков, после которых все получится Как найти девушку, если ты интроверт? 6 лайфхаков, после которых все получится

Интровертность — не приговор!

Playboy
Преступление и наказание. Чем обернется для России дело о сбитом «Боинге» Преступление и наказание. Чем обернется для России дело о сбитом «Боинге»

Добиться признания ответственности России в катастрофе может быть затруднительно

Forbes
Открыть в приложении