Как ДНК сворачивается в хромосому

Может показаться, что структура хромосомы давно и подробно исследована: в каждом учебнике можно найти пошаговые иллюстрации того, как клетке удаётся «утрамбовать» два метра хромосомной ДНК в крохотнейшее клеточное ядро. Первый этап — оборачивание нити ДНК на шайбообразные комплексы белков гистонов. Но получившиеся ДНК-белковые «бусы» нужно как-то ужимать — особенно если речь идёт о делении клетки, когда вся ДНК максимально уплотняется и хромосомы приобретают более или менее оформленный внешний вид. Дальнейшие этапы компактизации в изобилии иллюстрируются учебными картинками, но, по словам Леонида Мирного (Leonid Mirny) из Массачусетского технологического института (США), такие изображения показывают лишь многообразие моделей компактизации хромосом. Ну а модели эти как будто уверяют нас в том, что о сворачивании ДНК в ядре всё давно известно, однако чаще всего это лишь умозрительные гипотезы.

Чтобы понять, какая из моделей подходит к реальным хромосомам, Леонид Мирный и его сотрудники объединились с лабораторией Джоба Деккера (Job Dekker) из Медицинского центра Массачусетского университета (США), дабы воспользоваться созданной там специальной методикой Hi-C. Она позволяет оценить, насколько близко друг от друга располагаются разные области в ДНК. По тому, как часто та или иная область ДНК встречается с другими, можно узнать, как «ужата» вся молекула.

При этом исследователи опирались на свою раннюю работу, в которой показали, что ДНК почти всё время проводит в состоянии так называемой фрактальной глобулы, не образуя сплетений, петель и узлов. Это состояние нарушается только перед делением. Кроме того, тогда с помощью метода оценки взаимоположения фрагментов ДНК удалось определить, что гены, которые используются клеткой чаще всего, сближаются друг с другом, образуя области с облегчённым доступом, а малоиспользуемые гены собираются в более упакованные кластеры. Если учесть, что разные типы клеток преимущественно используют разные гены, то можно было бы ожидать, что структура хромосомы будет варьироваться от клетки к клетке.

В новой статье, опубликованной в Science, исследователи описывают трёхмерное строение хромосомы в тот момент, когда клетка собирается делиться. В это время любая специфика в строении хромосом исчезает, и они принимают ту форму, которая удобна для аппарата деления. Однако, как отмечают авторы работы, притом что хромосомы похожи друг на друга, если их сравнивать целиком, на уровне отдельных зон, их структура может различаться. То есть у одной хромосомы какой-то участок будет сконденсирован так, а у другой тот же участок — вот этак.

В целом же в компактизации хромосомы всё раскладывается на два действия — выпетливание и образование оси компактизации. Сначала на хромосоме образуются петли, состоящие из 80–120 тысяч пар нуклеотидов. Концы петли сдвигаются и формируют нечто вроде платформы из ДНК и дополнительных «платформенных» белков. Поскольку петель много, их основания в итоге образуют ось, на которой эти петли болтаются. Понятно, что в результате такой операции длинная нитка хромосомы сильно укорачивается: получившаяся ось заметно короче «цельнодлинной» хромосомы.

Недавно группа исследователей из Северо-Западного университета (США) сообщила, что за выпетливание ДНК в момент компактизации хромосом отвечают особые белки конденсины. В ближайшем будущем Леонид Мирный, Джоб Деккер и их коллеги собираются объединиться с этим коллективом, чтобы окончательно прояснить молекулярный механизм первой стадии компактизации хромосом перед делением.

Что же до второй стадии, когда эти болтающиеся петли начинают как-то уплотняться вокруг оси, то тут исследователи пока мало что знают, хотя в общих чертах действия хромосомы понятны. Остаётся надеяться, что устройство хромосом перестанет быть чистой теорией в самом ближайшем будущем, поскольку без точной информации о том, как ведёт себя ДНК на разных этапах жизни клетки, не могут обойтись ни генетика, ни эпигенетика, ни прочие области молекулярной и клеточной биологии.

Подготовлено по материалам MIT News. Изображение на заставке принадлежит Shutterstock.