Хромосомные петли, которые помогают компактно уложить огромную молекулу ДНК в клеточном ядре, возникают благодаря белковой «застёжке».

Мы научились читать последовательность ДНК, однако до сих пор плохо представляем себе, как наша двухметровая ДНК укладывается в микроскопическом клеточном ядре. Известно, что геном человека разбит на 46 хромосом (мы говорим о диплоидном хромосомном наборе, то есть когда каждая хромосома представлена материнской и отцовской копиями), и каждая из них представляет собой сложнейший белково-нуклеиновый комплекс, в котором можно выделить несколько уровней компактизации — ДНК многократно сворачивается, сгибается, чтобы занимать как можно меньше места. Сама она 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.

Домены ДНК, красный и синий, удерживаемые застёжкой из белков CTCF (жёлтым). (Иллюстрация Rice University.)

Домен ДНК, удерживаемый белковой «застёжкой». (Иллюстрация A. Sanborn, S. Rao / Baylor College of Medicine.)

Формирование ДНК-петли: нить ДНК протягивается через комплекс CTCF до тех пор, пока белки CTCF не встретят «свою» последовательность нуклеотидов, с которой могут прочно связаться. (На рисунке один из белков такую последовательность нашёл, другой же её про

Год назад мы рассказывали о работе исследователей из Медицинского колледжа Бэйлора, построивших трёхмерную карту человеческого генома, на которой можно было увидеть все петли, изгибы и прочее, если они образованы из не менее чем 1 000 генетических ДНК-«букв». Раньше думали, 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.

Новая модель вынудила пересмотреть некоторые популярные представления об организации хромосомы. На самом нижнем уровне компактизации нить ДНК наматывается на молекулярные шайбы, сложенные из белков гистонов; как ранее полагали, такие шайбы, называемые нуклеосомами, укладываются в высокоорганизованную нить-фибриллу длиной 30 нанометров. Со временем стали накапливаться данные о том, что в реальности, в живой клетке ДНК организована не так жёстко, однако только вот такой пересчёт петель прямо показал, что 30-нанометровые фибриллы, если и существуют, то лишь на определённых этапах жизни клетки.

Как формируются петли? Учитывая, что белок CTCF служит им застёжкой, и что у него есть специальные места связывания в ДНК, можно было бы предположить, что пара CTCF сразу садится на эти участки, а ДНК просто протягивается через белковый комплекс, подобно тому, как мы протягиваем через узел шнурок на ботинке. Однако модель, которую те же авторы вместе с коллегами из Университета Райса, Стэнфорда и Института Броудов предлагают в своей новой статье, выглядит иначе: в ней уже сформировавшийся комплекс из двух молекул белка садится на любой участок ДНК, после чего нить нуклеиновой кислоты начинает протягиваться через «скрепку». ДНК-петля растёт до тех пор, пока не белки CTCF не встретят в ней свои последовательности, с которыми они прочно связываются. То есть выпетливание идёт до тех пор, пока не сработает «застёжка», а сработает она тогда, когда встретятся оба её компонента: белковый комплекс и определённая последовательность нуклеотидов, которую эти белки «любят».

Формирование ДНК-петель моделировали на компьютере. Однако, во-первых, она согласуется с ранее полученными экспериментальными данными, в том числе и относительно поведения белка CTCF. Во-вторых, с её помощью удалось предсказать результаты новых опытов, в которых из ДНК либо удаляли, либо добавляли последовательности связывания с CTCF, после чего анализировали изменения в укладке цепи нуклеиновой кислоты – исчезновение и появление пространственных структур в ДНК было таким, какое показывала модель.

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 – в свете новых данных становится понятно, как регуляторные участки ДНК могут управлять работой далеко отстоящих от них генов.
Также очевидно, что механизм запетливания хромосомы сам по себе играет роль одного из важнейших механизмов регуляции генетической активности.

Теперь исследователям предстоит понять, как такие петли и белок CTCF взаимодействуют с молекулярными машинами ремонта ДНК, её удвоения и синтеза РНК.