ДНК у хромосомах утворює близько 10 тисяч петель, які потрібні не тільки для компактного укладання, а й для управління активністю генів.
Відомо, що довжина ДНК з ядра людської клітини, якщо її витягнути в пряму нитку, дорівнюватиме приблизно двом метрам. Розміри ж клітини - мікроскопічні, так що, очевидно, двометрова ДНК в ній покладена якимось хитромудрим способом. Як ми знаємо, вона розподілена по 46 хромосомах, але кожна хромосома - це не просто вдвічі-втричі-вчетверо складена молекула, це складний білково-нуклеїновий комплекс, в якому можна виділити кілька рівнів компактизації. Сама ДНК згорнутися до такої міри не може, їй повинні допомагати білки гістони, і взаємодія її з гістонами на різних етапах укладання досі активно вивчається молекулярними біологами. І хоча слово «хромосома» зараз відоме всім, не сказати, щоб ми повністю уявляли, як вона влаштована.
Тому роботу дослідників з Медичного коледжу Бейлора (США), надруковану в Cell, можна без перебільшення назвати епохальною. Вони побудували тривимірну карту людського геному з роздільною здатністю в кілобазу, тобто в тисячу пар нуклеотидів: на ній можна побачити всі петлі, вигини та інше, якщо вони утворені не менше ніж 1 000 генетичних ДНК «букв». Щось схоже минулого року публікували біологи з Каліфорнійського університету в Сан-Дієго (США), однак, за їхнім власним визнанням, нова карта в 5-10 разів точніша.
У своїй роботі Ерец Ліберман Ейден (Erez Lieberman Aiden) зі співробітниками використовував метод Hi-C, спеціально створений для просторового структурного картування генома. Нитки ДНК контактують один з одним у багатьох точках, і, якщо зафіксувати ці контакти, можна отримати своєрідний тривимірний «портрет» сплутаних нуклеїнових кислот. У згаданому методі фіксацію здійснюють формальдегідом, потім ДНК розрізають спеціальними ферментами - в результаті виходить багато гілкових фрагментів (адже контакти, які були в ядрі клітини, так і залишаються зафіксованими). Потім кінці фрагментів зшиваються, і у нас в руках виявляються маленькі нуклеїнові кільця. На них вішають спеціальну молекулярну мітку, за яку їх можна «витягнути» з реакційної суміші, після чого секвенують - прочитують послідовність нуклеотидів.
Метод Hi-C, розроблений деякий час тому, був модифікований так, щоб зшивання в кільця відбувалося також у клітинному ядрі, тобто щоб просторове розташування ниток ДНК зберігалося в натуральному вигляді якомога довше (навіть поле обробки їх формальдегідом і розрізаючими ферментами). Зрозуміло, після секвенування отримані послідовності обробили за допомогою алгоритму, що дозволяв обчислити істинно близькі ділянки.
Коли дві області ДНК зазвичай контактують між собою? Коли вони утворюють петлю. Передбачалося, що людська ДНК утворює близько мільйона петель, але виявилося, що їх набагато менше - близько 10 тисяч. У них є спеціальна «скріпка», білок CTCF, за молекулою якого сидить на кожній нитці в точці їх з'єднання. Такі петлі збиралися у великі хромосомні відділи-компартменти, а ті, в свою чергу, в ще більш великі субкомпартменти, яких виявлялося всього шість. Петельні компартменти відрізнялися малюнком пов'язаних з ними гістонів, що, швидше за все, потрібно для регуляторного налаштування різних областей геному.
Запетливание ДНК нужно не только для того, чтобы её можно было компактнее уложить. У геномі є спеціальні регуляторні області, звані промоторами і енхансерами, які потрібні для управління транскрипцією, синтезом РНК на ДНК. Промотори та енхансери зв'язуються з особливими білками, за допомогою яких і впливають на активність генів. Енхансери зазвичай діють на промотори, проте давно було помічено, що вони знаходяться досить далеко від тих послідовностей, з якими працюють. Але це якщо представляти ДНК у вигляді прямої нитки. Нові ж дані підтвердили стару гіпотезу про те, що енхансери і промотори, навіть розділені тисячами нуклеотидів, можуть зближуватися у вузлах петель. За словами дослідників, в одному з різновидів клітин (а в експериментах «брали участь» кілька видів клітин) регуляторні елементи були знайдені у вузлах приблизно 30% ДНК-петель.
Хромосоми діляться на гомологічні та негомологічні. Гомологічні - ті, які несуть однаковий набір генів, але дісталися по одній від кожного батька, відповідно, один і той же ген буде в маминому варіанті (або аллелі) і в татовому. Можна було б очікувати, що структура петель у гомологічних хромосомах буде схожа. Дійсно, у них випетлювалися схожі ділянки, хоча тут і були деякі відмінності, пов'язані, ймовірно, з тим, що у багатьох генів повинна працювати тільки одна копія. Зате дуже сильно відрізнялися один від одного парні Х-хросоми, що зрозуміло - у жінок одна статева хромосома знаходиться в сплячому стані.
Що ж до клітинних різновидів - а серед них була навіть одна мишача - то багато петлі повторювалися в їх геномах, незалежно від їх типу. З іншого боку, багато петлів, очевидно, були призначені для активації спеціальних, потрібних тільки цій клітині генів. Тобто просторова структура ДНК вносить додатковий внесок в управління геномом, і деякі мутації в регуляторних некодуючих областях ДНК можуть бути шкідливими якраз тому, що руйнують просторові контакти між енхансерами і промоторами, через що гени не можуть працювати так, як треба.
Отримані результати вкрай важливі, проте зрозуміло, що тут чекає ще безліч дослідницької роботи. Потреби клітини в різних генах змінюються по ходу життя, і, можливо, ДНК-петлям властива певна динаміка: деякі з них утворюються, деякі розпадаються.
Не будемо також забувати, що хромосоми в тому вигляді, в якому ми їх знаємо, тобто у вигляді добре оформлених паличок і «іксів», існують тільки в момент ділення клітини. Зазвичай же деякі їх ділянки розплетені в тій чи іншій мірі, деякі залишаються компактними, і, загалом, внутрішність клітинного ядра являє собою білково-нуклеїновий суп з переплутаних ниток сорока шести хромосом. І для управління і структурування всієї цієї мішанини клітина може використовувати найрізноманітніший інструменти. Наприклад, рік тому молекулярні біологи з Каліфорнійського технологічного інституту (США) повідомили про особливі некодуючі РНК, які відіграють роль своєрідних «магнітів», взаємодіючи відразу з багатьма генами, що підлягають в даний момент інактивації, допомагаючи тим самим упакувати їх в архів.