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

Точечный старт Точечный старт

История отечественного авиаконструктора – Владимира Мясищева

Популярная механика
Добиваемся цели по-женски: техника «Семь раз по три минуты» Добиваемся цели по-женски: техника «Семь раз по три минуты»

У женщин есть эффективные инструменты для достижения поставленных задач

Psychologies
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
«Русские родители напоминают снегоуборочные машины». Эстер Войджицки о том, как вырастить девочек из списка Forbes «Русские родители напоминают снегоуборочные машины». Эстер Войджицки о том, как вырастить девочек из списка Forbes

Автор бестселлера «Как воспитать успешного человека» Эстер Войджицки

Forbes
Папа может: 8 вдохновляющих фильмов ко Дню отца Папа может: 8 вдохновляющих фильмов ко Дню отца

Фильмы о том, что значит быть отцом

РБК
Из какого класса? Из какого класса?

Большой седан Kia K900 очень хочет попасть в высшее общество

АвтоМир
Что делать, если бывшая продолжает тебе писать после расставания Что делать, если бывшая продолжает тебе писать после расставания

Почему тебе пишет бывшая и что делать в этой непростой ситуации

Playboy
«Для меня это тотальный кризис»: Вексельберг рассказал, как его жизнь изменилась из-за санкций США «Для меня это тотальный кризис»: Вексельберг рассказал, как его жизнь изменилась из-за санкций США

Российский миллиардер Виктор Вексельберг дал первое большое интервью

Forbes
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
Можно ли добиться успеха в жизни, если вас не любили в детстве Можно ли добиться успеха в жизни, если вас не любили в детстве

В силах каждого «недолюбленного» взрослого изменить свое отношение к себе

Forbes
Коктейль «Манхеттен»: рецепт и история одного из самых легендарных напитков в мире Коктейль «Манхеттен»: рецепт и история одного из самых легендарных напитков в мире

Время побывать в нью-йоркском богемном обществе

Playboy
Эхо СССР: почему взрывы потрясли не только Дзержинск Эхо СССР: почему взрывы потрясли не только Дзержинск

Российские региональные власти демонстрируют технократическое мышление

Forbes
Мода: Андрей Кравцов Мода: Андрей Кравцов

Дизайнер, создавший бренд SH’U («Шью»)

Собака.ru
Молодой папа. Почему мужчин надо учить родительству Молодой папа. Почему мужчин надо учить родительству

Мужчины хотят быть хорошими отцами, проблема в том, что они этого не умеют

Forbes
Лучшие мойки воздуха для дома: рейтинг 2019 года Лучшие мойки воздуха для дома: рейтинг 2019 года

Какую мойку воздуха выбрать среди множества моделей

CHIP
Осмий: тяжёлый, дорогой и совсем не пчела Осмий: тяжёлый, дорогой и совсем не пчела

Элемент с самой высокой плотностью

Наука и жизнь
Хирург без скальпеля Хирург без скальпеля

Встреча c одним из ведущих российских врачей, имя которого знают во всем мире

StarHit
Хочешь пробежать марафон? Самая честная инструкция от тех, кто добежал до финиша Хочешь пробежать марафон? Самая честная инструкция от тех, кто добежал до финиша

Тренер и марафонцы-новички рассказывают, как добежать до финиша

Playboy
Cosmo-истории: «Я переехала в Милан, и вот как изменились мои модные привычки» Cosmo-истории: «Я переехала в Милан, и вот как изменились мои модные привычки»

Диана Королева переехала в Милан и отказалась от натурального меха и шпилек

Cosmopolitan
Вы сможете купить очень редкие и классные часы Вы сможете купить очень редкие и классные часы

За такими моделями охотится каждый коллекционер

GQ
Встреча века Встреча века

В Пушкинcком стартуют выставки коллекций Сергея Щукина и Fondation Louis Vuitton

Vogue
Почему Павел Дуров перестал есть? Почему Павел Дуров перестал есть?

Уже неделю основатель Telegram только пьет воду, чтобы эффективнее работать

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

Сверхзвуковые пассажирские лайнеры Ту-144 и Concorde

Популярная механика
Ретро ФМ Ретро ФМ

Марина Филиппова оформила дом 1970‑х годов в Тосканской деревне

AD
Ты принимаешь душ слишком часто, считают ученые Ты принимаешь душ слишком часто, считают ученые

В среднем человек тратит два года своей жизни на мытье

Maxim
Бабушка, живущая в сети: как пенсионерка зарабатывает больше миллиона рублей в месяц благодаря YouTube Бабушка, живущая в сети: как пенсионерка зарабатывает больше миллиона рублей в месяц благодаря YouTube

Проект приносит по 1,2 млн рублей выручки и около 300 000 рублей прибыли в месяц

Forbes
Три четверти бизнесменов не успели поставить онлайн-кассы к 1 июля Три четверти бизнесменов не успели поставить онлайн-кассы к 1 июля

Предпринимателям, не успевшим подключить онлайн-кассы, могут грозить штрафы

Forbes
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
Капиталисты бьются за рабочих: почему растут инвестиции в HR-технологии Капиталисты бьются за рабочих: почему растут инвестиции в HR-технологии

Спрос на трудовые ресурсы растет, а население стареет

Forbes
Самые крутые овощные коктейли с алкоголем (их все можно приготовить дома) Самые крутые овощные коктейли с алкоголем (их все можно приготовить дома)

Кто сказал, что овощи и алкоголь не сочетаются

Playboy
Открыть в приложении