Хромосомні петлі, які допомагають компактно укласти величезну молекулу ДНК у клітинному ядрі, виникають завдяки білковій «застібці».
Ми навчилися читати послідовність ДНК, але досі погано уявляємо собі, як наша двометрова ДНК вкладається в мікроскопічному клітинному ядрі. Відомо, що геном людини розбитий на 46 хромосом (ми говоримо про диплоїдний хромосомний набір, тобто коли кожна хромосома представлена материнською і батьківською копіями), і кожна з них являє собою складний білково-нуклеїновий комплекс, в якому можна виділити кілька рівнів компактизації - ДНК багаторазово згортається, згинається, щоб займати якомога менше місця. Сама вона звернутися 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.
Рік тому ми розповідали про роботу дослідників з Медичного коледжу Бейлора, які побудували тривимірну карту людського геному, на якій можна було побачити всі петлі, вигини та інше, якщо вони утворені не менше ніж 1 000 генетичних ДНК «букв». Раніше думали, 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, у ще більші субкомпартменти.
Нова модель змусила переглянути деякі популярні уявлення про організацію хромосоми. На найнижчому рівні компактизації нитка ДНК намотується на молекулярні шайби, складені з білків гістонів; як раніше вважали, такі шайби, звані нуклеосомами, вкладаються у високоорганізовану нитку-фібрилу завдовжки 30 нанометрів. З часом почали накопичуватися дані про те, що в реальності, в живій клітині ДНК організована не так жорстко, проте тільки ось такий перерахунок петель прямо показав, що 30-нанометрові фібрили, якщо і існують, то лише на певних етапах життя клітини.
Як формуються петлі? Враховуючи, що білок CTCF служить їм застібкою, і що у нього є спеціальні місця зв'язування в ДНК, можна було б припустити, що пара CTCF відразу сідає на ці ділянки, а ДНК просто простягається через білковий комплекс, подібно до того, як ми простягаємо через вузол шнурок на черевику. Однак модель, яку ті ж автори разом з колегами з Університету Райса, Стенфорда та Інституту Броуда пропонують у своїй новій статті, виглядає інакше: у ній вже сформувався комплекс з двох молекул білка сідає на будь-яку ділянку ДНК, після чого нитка нуклеїнової кислоти починає простягатися через «скріпку». ДНК-петля росте доти, доки не білки CTCF не зустрінуть у ній свої послідовності, з якими вони міцно зв'язуються. Тобто вивертання йде до тих пір, поки не спрацює «застібка», а спрацює вона тоді, коли зустрінуться обидва її компоненти: білковий комплекс і певна послідовність нуклеотидів, яку ці білки «люблять».
Формування ДНК-петель моделювали на комп'ютері. Однак, по-перше, вона узгоджується з раніше отриманими експериментальними даними, в тому числі і щодо поведінки білка CTCF. По-друге, з її допомогою вдалося передбачити результати нових дослідів, в яких з ДНК або видаляли, або додавали послідовності зв'язування з CTCF, після чого аналізували зміни в укладанні ланцюга нуклеїнової кислоти - зникнення і поява просторових структур в ДНК було таким, яке показувала модель.
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 - у світлі нових даних стає зрозуміло, як регуляторні ділянки ДНК можуть керувати роботою далекосяжних від них генів.
Також очевидно, що механізм запетливания хромосоми сам по собі грає роль одного з найважливіших механізмів регуляції генетичної активності.
Тепер дослідникам належить зрозуміти, як такі петлі і білок CTCF взаємодіють з молекулярними машинами ремонту ДНК, її подвоєння і синтезу РНК.