Чтобы мобильные генетические элементы не портили нужные гены, клетка постоянно держит «прыгающую ДНК» в плотноупакованном состоянии.

Известно, что в клеточном ядре ДНК плавает не сама по себе, а вместе белками, и белков этих сидит на ДНК очень много. Одни из самых многочисленных и самых важных – это гистоны, чья задача – упаковать нить ДНК так, чтобы она занимала как можно меньше места. Если бы не гистоны, клетка просто не смогла бы вместить в себя свой же генетический материал, а так, благодаря нескольким стадиям компактизации, ДНК многократно ужимается и помещается в ядро.

Два механизма транспозиции: первый (сверху) – «вырезать и вставить», второй (снизу) – «скопировать и вставить». (Иллюстрация Broad Institute.)

К моменту деления вся ДНК в клетке переходит в плотноупакованное состояние, так что мы можем видеть чётко оформленные хромосомы, которые с помощью специальных молекулярных машин расходятся к полюсам делящейся клетки. (Фото Dr. Gopal Murti / Visuals Unlimi

Но с плотно упакованной ДНК не могут работать другие белки – те, которые занимаются считыванием информации с генов. Чтобы ген проявил себя, с него сначала нужно снять копию РНК, которая потом отправится (после ещё нескольких молекулярных процедур) в цитоплазму, где на РНК сядут рибосомы и начнут синтезировать белок. Однако если ДНК очень сильно компактизована, с ней не смогут взаимодействовать ни ферменты, синтезирующие РНК, ни регуляторные белки, которые управляют активностью этих ферментов. Поэтому часть генетического материала в клетке всегда поддерживается в разархивированном виде. Компактное и некомпактное состояние ДНК называют гетерохроматином и эухроматином, где хроматин – это, собственно, комплекс из ДНК и белков; в эухроматине «объятия» белков-упаковщиков заметно ослаблены, так что с эухроматиновой ДНК могут связываться другие белки.

По ходу жизни потребности клетки в тех или иных генах меняются: пока она только растёт и у неё ещё нет никакой определённой функции, в ней работают одни гены, но потом, когда клетка становится мышечной, или нервной, или кожной, ей становится нужна уже другая информация. Соответственно, одни гены распаковываются, а другие упаковываются обратно. Считается, что переход из гетерохроматина в эухроматин и обратно – один из главных способов регуляции активности генов, и что некоторые заболевания возникают как раз потому, что в клетке некстати распаковался какой-то кусок ДНК. Например, клетка вполне может стать злокачественной, если в ней вдруг проснуться гены, стимулирующие деление, которые после того, как клетка стала взрослой и определилась со своей функцией, должны спать мёртвым сном. Поскольку за упаковку отвечают гистоны, то можно представить, с каким тщанием специалисты изучают, от чего зависит упаковочная активность этих белков.

Однако есть в ДНК участки, которые находятся в плотноупакованном состоянии всегда и на волю почти никогда не выходят (за исключением тех случаев, когда перед делением нужно сделать копию хромосомы) – их называют конститутивным гетерохроматином. Исследователи из Университета Северной Каролины в Чапел-Хилл полагают, что эти участки служат своеобразным местом заключения для мобильных генетических элементов – транспозонов. Так называют особые последовательности в ДНК, которые могут более-менее автономно перемещаться по геному. Часто их называют «прыгающими генами», хотя далеко не всегда транспозоны несут в себе какую-то информацию, которую можно назвать геном. Некоторые из них перемещаются с помощью механизма «вырезать и вставить» – транспозон физически уходит из одного места, чтобы вставить себя в другой участок ДНК. Другие поступают иначе, рассеивая свои копии по геному (механизм «копировать и вставить»). Считается, что, по крайней мере, часть транспозонов произошла от вирусов, которые некогда попали в клетку, да так в ней и остались.

Как можно понять, мобильные элементы могут доставить много неприятностей: «прыгающий ген» может оказаться внутри последовательности, кодирующей какой-нибудь белок, или же внутри какого-то регуляторного фрагмента, так что и белок-кодирующая последовательность, и регуляторный участок станут безнадёжно испорченными. Иными словами, для клетки жизненно важно научиться держать мобильные элементы под контролем. И вот Роберту Дуронио (Robert J. Duronio) и его коллегам удалось напрямую увидеть, как работает один из механизмов укрощения «прыгающих генов». Они заменили у дрозофил нормальный ген одного из гистонов на мутантный, который не позволял плотно упаковать ДНК. И, во-первых, как пишут авторы работы в Genes & Development, не все мухи после такой операции погибли в раннем возрасте, около 2% выжило. Во-вторых – удивительно, однако активность генов у дрозофил в целом не слишком изменилась, причём это касалось даже тех генов, которые обычно находятся в плотноупакованных участках. Но у мутантов от нормальных мух было и одно существенное отличие – у мутантных дрозофил по геному стали активно прыгать транспозоны. Всё выглядело так, как будто мобильные генетические элементы вдруг получили свободу, выйдя из молекулярной тюрьмы, и принялись активно копировать самих себя. Разумеется, против транспозонов у клетки есть несколько инструментов, и эксперимент показал, что при отключении механизма компактизации ДНК у дрозофил повысилась активность особой разновидности небольших регуляторных РНК, чья функция – обезвреживать транспозоны.

Хотя иногда от прыгающих генов бывает польза (так, год назад мы писали, что мобильные генетические элементы научили млекопитающих беременности (http://www.nkj.ru/news/25720/)), их всё-таки желательно держать взаперти, и плотная упаковка ДНК как раз даёт клетке хорошую возможность надёжно обезвредить транспозоны. Что же до того, что активность генов у дрозофил-мутантов с разархивированной ДНК почти не изменилась, то, возможно, тут сыграли свою роль компенсаторные и аварийные механизмы, которые поддержали регуляцию генов в нормальном состоянии и тем самым позволили выжить некоторым из подопытных мух.