67 гостей
Як складена ДНК | Журнал Популярна Механіка
У кожній клітині людини - за винятком статевих - є 23 пари хромосом, в кожній з яких міститься від 1,7 до 8,5 см ДНК. Якщо витягнути ДНК всіх хромосом в ланцюжок, то її довжина складе близько 2 м. Сумарна ДНК всіх клітин організму набере вже 20 млрд км - цього з запасом вистачить на те, щоб кілька десятків разів протягнути нитку до Сонця і назад. Залишається лише дивуватися, з яким чудовим майстерністю все це упаковано в клітинному ядрі, розмір якого вимірюється в мікрометрів.
ДНК не просто пасивно зберігається, як плівка в касеті. Вона повинна постійно працювати і відкривати інформацію то одного, то іншого ділянки ланцюжка для зчитування білків. В результаті клітці доводиться паралельно вирішувати дві практично взаємовиключні завдання. Однак еволюція знайшла вельми витончені підходи, і багато хто з них ми починаємо розкривати лише в останні роки. Сьогодні в цій області регулярно відбуваються справжні прориви. Вони не тільки багато чого пояснюють на фундаментальному рівні, а й відкривають дорогу для лікування старих хвороб і створення нових ліків.
Спагеті в желатині
До початку 1970-х уже було прекрасно відомо, що основою спадковості є дезоксирибонуклеїнова кислота, ДНК. У 1953 році Джим Уотсон і Френсіс Крік відкрили її структуру, яка пояснила ключовий механізм копіювання генетичної інформації: подвійна спіраль може розділятися, як застібка-блискавка, після чого на кожній нитці синтезується нова копія, так що в підсумку виходять дві двоспіральні молекули.
Однак на той час вже майже сотню років було відомо, що в клітинному ядрі, крім ДНК, присутня приблизно рівну за масою кількість білків, які разом з нуклеїнової кислотою утворюють якесь «ядерна речовина» - хроматин. І якщо спочатку вважалося, що саме білки служать носіями спадкової інформації, то з виявленням істинної ролі ДНК роль білків в хроматині виявилася досконалою загадкою.
Намагаючись з'ясувати функції цих білків, вчені з Королівського коледжу Лондона навіть ставили експерименти на моделі, в якій роль ядра грав прозорий контейнер з рідким желатином, а хроматином були варені спагетті. Ретельно збовтуючи банку, британці намагалися розглянути виникнення на її стінках структур, схожих на фрагменти реального ядра під мікроскопом. Якщо вірити авторам, іноді це навіть майже виходило.
Ну а «вишенькою на торті» цих безладних даних стало спостереження Моріса Уїлкинса - глави лабораторії, в якій працювали Уотсон і Крик, - який показав, що за допомогою рентгена в клітинних ядрах можна розглянути внутрішні періодичні структури. Пояснити ці дані також не вдавалося.
Курки з Друрі-Лейн
Коли в детективі набирається така велика кількість непрямих доказів, на сцені повинен з'явитися неперевершений детектив, бажано з Лондона, який складе всі шматочки мозаїки в єдину картину. На жаль, в історії хроматину такого не знайшлося, і вийти на розгадку вченим допомогли жителі не Бейкер-стріт, а Друрі-Лейн.
Ця фешенебельний вулиця колись прославилася своїми публічними будинками, потім найстарішим в Лондоні театром, а в майбутньому, можливо, залишиться відома своєю роллю в історії науки. У 1970-х тут розташовувався курник факультету біофізики Королівського коледжу Лондона, і препарати курячої крові, які отримали Ада і Дональд Олінс, допомогли розкрити таємницю хроматину. Виявилося, що якщо правильно підібрати режим екстракції ядерного матеріалу з курячих червоних кров'яних тілець, то можна зловити такий момент, коли ДНК вже здебільшого розплутати, але ще не повністю втратила пов'язані з нею білки. Працюючи з кров'ю курчат з Друрі-Лейн, подружжя Олінс розглянули такі препарати в електронний мікроскоп і побачили характерну картину «намистин на нитці» - нитка ДНК з регулярно нанизаними на неї комплексами білків. Ці намистини - нуклеосоми - виявилися основою організації хроматину у всіх ядерних організмів.
1.6 гігабайти у спадок На відміну від кремнієвої пам'яті в гаджетах, спадковість в ДНК закодована послідовністю з чотирьох нуклеотидів - аденіну, гуаніну, тиміну і цитозину. Відповідно, кожна «елементарна осередок» може приймати чотири значення, а не два, як в комп'ютерах. Кожному нуклеотиду відповідає два біта інформації, і загальний набір ДНК в 6,5 млрд нуклеотидів (в нестатевих, соматичних клітинах) містить близько 1,6 ГБ - приблизно по 800 МБ від тата і від мами. Це може здатися несерйозним, але щільність упаковки спадкової інформації лежить далеко за межами всього, що є сучасній електроніці. 1,6 ГБ покладені в ядро діаметром близько 6 мкм, та ще в «неархівірованном» і готовому для роботи вигляді. Для порівняння, типова щільність запису в найсучасніших жорстких дисках складає близько 1 ТБ на квадратний дюйм. Якщо просто розкласти ДНК на площині, то інформаційна щільність такого носія становитиме 300 000 ТБ на квадратний дюйм!
Котушки і намистини
Дослідження майбутнього нобелівського лауреата Роджера Корнберга показали, що нуклеосоми схожі не стільки на намистини, скільки на котушки. ДНК не протягнута крізь них, а намотана навколо комплексу, основу якого утворюють гістони. На той час вони були відомі вченим мало не сотню років. Було показано, що гістони складають більшу частину ядерних білків, що вони дуже стійкі до зовнішнього впливу і несуть на поверхні позитивні заряди. Але їх роль в організації хроматину стала великим сюрпризом: вбивцею виявився дворецький.
Виходило, що проблему компактизации ДНК клітина вирішує приблизно так само, як кравці або кабелеукладчики, - намотує її на котушку. Тільки замість однієї великої використовується дуже багато маленьких котушок, по одній штуці на кожні 200 підстав. На кожній нуклеосоме нитка робить всього два витка, і негативно заряджена ДНК надійно зв'язується з позитивними молекулами гістонів.
Це досить несподіване, але зате розумне рішення: з одного боку, маленькі котушки дозволяють ефективно упакувати нуклеїнових нитку, а з іншого - між котушками залишаються значні ділянки «голої» ДНК, де з нею можуть вільно взаємодіяти регуляторні білки. Такі вільні ділянки виступають в геномі в ролі книжкових закладок або міток, які поділяють сектора жорсткого диска.
Намотування на нуклеосоми дозволяє «стиснути» ДНК приблизно в шість-сім разів. Але на цьому компактизація хроматину, звичайно, не закінчується: самі котушки з'єднуються один з одним «стопками», торець до торця. Тільки стопки нуклеосом в хроматині не ідеально прямі, а трохи повернені один відносно одного і утворюють велику суперспіраль - 30-нанометровій фибриллу, яка скорочує довжину ДНК ще в шість-сім разів. Саме в такому вигляді хроматин існує і працює в ядрі більшу частину життя клітини. Але і це ще не межа компактизации.
помпони хромосом
Максимальної щільності укладання ДНК у клітині досягає перед її поділом. В цей час комплекси ДНК і білків - хромосоми - навіть видно в оптичний мікроскоп. Вони утворюються за допомогою своєрідного клітинного макраме: 30-нанометровій фібрила складається в петлі, закріплені біля основи, як нитки помпона на шапці. Досить розташувати безліч таких клубків в лінію, щоб вийшли ті самі X- і Y-хромосоми, які знайомі всім.
Структура хромосом, їх відмінності один від одного і поведінку при розподілі були добре вивчені ще на початку XX століття, ці відомості залишаються актуальними і донині. Однак їхня доля після поділу залишається погано зрозумілою. Розпускаючись назад, чи зберігають вони свої місця до наступного поділу? Чи випадково їх розташування, або у кожної хромосоми є своє строго заданий місце? Чи можуть хромосоми мінятися місцями один з одним, і як цей процес впливає на активність генів? .. Лише в останні роки, озброївшись усім арсеналом методів сучасної генетики та молекулярної біології, вчені починають знаходити відповіді на ці питання.
Перші результати виглядають несподіваними: виявляється, кожна з хромосом дійсно має своє «виділене посадочне місце». Більш того, зазвичай ці місця дуже консервативні і однакові навіть між такими різними видами, як людина і миша. З іншого боку, «розсадження» хромосом може радикально змінюватися навіть в одній і тій же клітині - якщо, наприклад, вона змінює «професію» або перероджується в ракову. Цікаво, що при цьому активні гени розташовуються ближче до центру ядра, а «відключені» - у периферії.
Виявлення такого високорівневого порядку в, здавалося б, добре вивченому клітинному ядрі, безумовно, дуже незвично і інтригуюче. Поки що ми не розуміємо, як виглядає і чим визначається внутрішня архітектура хроматину на глобальному рівні. Але дещо вже ясно: вона точно не схожа на варені спагетті, за допомогою яких вчені намагалися вивчати хроматин півстоліття тому.
Стаття «Чудо упаковки. Як складена ДНК »опублікована в журналі« Популярна механіка »( №2, Березень 2017 ).
Розпускаючись назад, чи зберігають вони свої місця до наступного поділу?Чи випадково їх розташування, або у кожної хромосоми є своє строго заданий місце?
Чи можуть хромосоми мінятися місцями один з одним, і як цей процес впливає на активність генів?
