ДНК в хромосомах образует около 10 тысяч петель, которые нужны не только для компактной укладки, но и для управления активностью генов.

Известно, что длина ДНК из ядра человеческой клетки, если её вытянуть в прямую нить, будет равна примерно двум метрам. Размеры же клетки – микроскопические, так что, очевидно, двухметровая ДНК в ней уложена каким-то хитроумным способом. Как мы знаем, она распределена по 46 хромосомам, но каждая хромосома – это не просто вдвое-втрое-вчетверо сложенная молекула, это сложнейший белково-нуклеиновый комплекс, в котором можно выделить несколько уровней компактизации. Сама ДНК свернуться до такой степени не может, ей должны помогать белки гистоны, и взаимодействие её с гистонами на разных этапах укладки до сих пор активно изучается молекулярными биологами. И хотя слово «хромосома» сейчас известно всем, не сказать, чтобы мы полностью представляли, как она устроена.

Человеческие хромосомы с теломерными участками на концах, окрашенными жёлтым. (Фото Peter Lansdorp / Visuals Unlimited / Corbis.)

Участок 20-й хромосомы с восемью доменами, шесть из которых собраны в настоящие петли, скрепленные белком CTCF. (Рисунок Suhas S.P. Rao et al. / Baylor College of Medicine.)

Пространственная модель участка ДНК длиной 5 млн пар оснований, петельные домены выделены разными цветами. (Фото Erez Lieberman Aiden / Baylor College of Medicine.)

Потому-то работу исследователей из Медицинского колледжа Бэйлора (США), напечатанную в Cell, можно без преувеличения назвать эпохальной. Они построили трёхмерную карту человеческого генома с разрешением в килобазу, то есть в тысячу пар нуклеотидов: на ней можно увидеть все петли, изгибы и прочее, если они образованы не менее чем 1 000 генетических ДНК-«букв». Что-то похожее в прошлом году публиковали биологи из Калифорнийского университета в Сан-Диего (США), однако, по их собственному признанию, новая карта в 5-10 раз точнее.

В своей работе Эрец Либерман Эйден (Erez Lieberman Aiden) с сотрудниками использовал метод Hi-C, специально созданный для пространственного структурного картирования генома. Нити ДНК контактируют друг с другом во множестве точек, и, если зафиксировать эти контакты, можно получить своеобразный трёхмерный «портрет» спутанных нуклеиновых кислот. В упомянутом методе фиксацию осуществляют формальдегидом, затем ДНК разрезают специальными ферментами – в результате получается много ветвистых фрагментов (ведь контакты, которые были в ядре клетки, так и остаются зафиксированными). Затем концы фрагментов сшиваются, и у нас в руках оказываются маленькие нуклеиновые кольца. На них вешают специальную молекулярную метку, за которую их можно «вытащить» из реакционной смеси, после чего секвенируют – прочитывают последовательность нуклеотидов.

Метод Hi-C, разработанный некоторое время назад, был модифицирован так, чтобы сшивание в кольца происходило также в клеточном ядре, то есть чтобы пространственное расположение нитей ДНК сохранялось в натуральном виде как можно дольше (даже поле обработки их формальдегидом и разрезающими ферментами). Разумеется, после секвенирования полученные последовательности обработали с помощью алгоритма, позволявшего вычислить истинно близкие участки.

Когда две области ДНК обычно контактируют между собой? Когда они образуют петлю. Предполагалось, что человеческая ДНК образует около миллиона петель, но оказалось, что их гораздо меньше – порядка 10 тысяч. У них есть специальная «скрепка», белок CTCF, по молекуле которого сидит на каждой нити в точке их соединения. Такие петли собирались в крупные хромосомные отделы-компартменты, а те, в свою очередь, в ещё более крупные субкомпартменты, которых оказывалось всего шесть. Петельные компартменты отличались рисунком связанных с ними гистонов, что, скорее всего, нужно для регуляторной настройки разных областей генома.

Запетливание ДНК нужно не только для того, чтобы её можно было компактнее уложить. В геноме есть специальные регуляторные области, называемые промоторами и энхансерами, которые нужны для управления транскрипцией, синтезом РНК на ДНК. Промоторы и энхансеры связываются с особыми белками, с помощью которых и влияют на активность генов. Энхансеры обычно действуют на промоторы, однако давно было замечено, что они находятся довольно далеко от тех последовательностей, с которыми работают. Но это если представлять ДНК в виде прямой нити. Новые же данные подтвердили старую гипотезу о том, что энхансеры и промоторы, даже разделённые тысячами нуклеотидов, могут сближаться в узлах петель. По словам исследователей, в одной из разновидностей клеток (а в экспериментах «участвовали» несколько видов клеток) регуляторные элементы были найдены в узлах примерно 30% ДНК-петель.

Хромосомы делятся на гомологичные и негомологичные. Гомологичные – те, которые несут одинаковый набор генов, но достались по одной от каждого родителя, соответственно, один и тот же ген будет в мамином варианте (или аллеле) и в папином. Можно было бы ожидать, что структура петель в гомологичных хромосомах будет похожа. Действительно, у них выпетливались похожие участки, хотя здесь и были некоторые отличия, связанные, вероятно, с тем, что у многих генов должна работать только одна копия. Зато очень сильно отличались друг от друга парные Х-хросомомы, что понятно – у женщин одна половая хромосома находится в спящем состоянии.

Что же до клеточных разновидностей – а среди них была даже одна мышиная – то многие петли повторялись в их геномах, независимо от их типа. С другой стороны, многие петли, очевидно, были предназначены для активации специальных, нужных только этой клетке генов. То есть пространственная структура ДНК вносит дополнительный вклад в управление геномом, и некоторые мутации в регуляторных некодирующих областях ДНК могут быть вредными как раз потому, что разрушают пространственные контакты между энхансерами и промоторами, из-за чего гены не могут работать так, как надо.

Полученные результаты крайне важны, однако понятно, что здесь предстоит ещё уйма исследовательской работы. Потребности клетки в разных генах меняются по ходу жизни, и, возможно, ДНК-петлям свойственна определённая динамика: некоторые из них образуются, некоторые распадаются.

Не будем также забывать, что хромосомы в том виде, в котором мы их знаем, то есть в виде хорошо оформленных палочек и «иксов», существуют только в момент деления клетки. Обычно же некоторые их участки расплетены в той или иной степени, некоторые остаются компактными, и, в общем, внутренность клеточного ядра представляет собой белково-нуклеиновый суп из перепутанных нитей сорока шести хромосом. И для управления и структурирования всей этой мешанины клетка может использовать самые разный инструменты. Например, год назад молекулярные биологи из Калифорнийского технологического института (США) сообщили про особые некодирующие РНК, которые играют роль своеобразных «магнитов», взаимодействуя сразу со многими генами, подлежащими в данный момент инактивации, помогая тем самым упаковать их в архив.