Как ДНК помещается в клетке: два метра внутри ядра

Как ДНК помещается в клетке, если в большинстве ядросодержащих клеток человека её суммарная длина составляет около двух метров? Само ядро имеет размер всего несколько микрометров. ДНК длиннее своего «контейнера» в сотни тысяч раз — и при этом она не может быть просто спрессована в плотный комок: клетке постоянно нужен доступ к генам, чтобы читать, копировать и ремонтировать их.

Эти два метра — не одна непрерывная нить. ДНК распределена между хромосомами. В обычной диплоидной клетке человека до репликации находятся два набора хромосом — один получен от матери, другой от отца.

Если мысленно вытянуть все их молекулы ДНК и сложить длины, получится примерно два метра. Главный секрет такой упаковки — ДНК не лежит внутри ядра свободно. Она соединена с белками и образует сложную, постоянно меняющуюся структуру — хроматин.

Первый уровень: ДНК наматывается на белковые «катушки»

Основная единица хроматина называется нуклеосомой.

В её центре находятся восемь белков-гистонов. Участок ДНК длиной примерно 147 пар оснований оборачивается вокруг этого комплекса почти два раза. В результате длинная молекула превращается в цепочку повторяющихся структур.

На классических электронных микрофотографиях такая организация напоминает бусины на нити: «бусины» — нуклеосомы, а короткие участки ДНК между ними соединяют их друг с другом. В 1997 году Каролин Люгер и её коллеги получили структуру нуклеосомной частицы с разрешением 2,8 ангстрема. Работа показала почти атомную картину того, как ДНК изгибается вокруг восьми гистонов и удерживается на их поверхности.

Это стало одним из ключевых структурных объяснений того, как огромный геном вообще может быть организован внутри ядра. Но гистоны нужны не только для экономии места. Если бы задача состояла лишь в том, чтобы максимально плотно упаковать ДНК, клетка столкнулась бы с другой проблемой: добраться до нужного гена стало бы практически невозможно.

Нуклеосомы поэтому работают скорее как регулируемая упаковка. Они могут становиться более или менее доступными для белков, которые считывают ДНК, копируют её или устраняют повреждения. Специальные белковые комплексы способны перемещать нуклеосомы, перестраивать их или временно освобождать участок ДНК.

Хроматин — не аккуратно свернутая пружина

В старых учебных схемах упаковку генома часто изображали как последовательную лестницу: двойная спираль ДНК, затем нуклеосомы, затем всё более толстые и идеально упорядоченные волокна.

Реальная картина оказалась сложнее. Современные методы визуализации показывают, что внутри живой клетки хроматин не обязательно образует одну универсальную ровную «30-нанометровую нить». Нуклеосомные цепочки могут складываться в гибкие и довольно нерегулярные структуры разной плотности.

Поэтому правильнее представлять геном не как кабель, аккуратно намотанный по строгой схеме, а как динамический полимер, организация которого постоянно меняется. На более крупном масштабе хроматин образует петли и пространственные области. Разные части одной хромосомы могут сближаться, хотя в линейной последовательности ДНК между ними находятся сотни тысяч или миллионы пар оснований.

Сами хромосомы в интерфазном ядре также занимают определённые области — так называемые хромосомные территории. Такая трёхмерная организация решает сразу две задачи. Она позволяет сильно уменьшить пространство, занимаемое геномом, и одновременно сохраняет возможность быстро добираться до определённых участков ДНК.

Причём степень упаковки неодинакова по всему ядру. Одни участки хроматина более доступны и активно используются клеткой, другие организованы плотнее. Эти состояния могут меняться в зависимости от типа клетки, её активности и внешних сигналов.

Именно поэтому клетка кожи и нейрон содержат практически одну и ту же последовательность ДНК, но работают совершенно по-разному. Дело не только в том, какие гены находятся в геноме, но и в том, какие его участки доступны для работы в конкретной клетке.

Упаковать — и всё равно оставить доступ

Особенно наглядно способность клетки менять упаковку видна во время деления. Перед разделением клетки хроматин резко уплотняется, и появляются хорошо знакомые по учебникам компактные хромосомы.

Это временное состояние удобно для безопасного распределения копий генома между двумя дочерними клетками. После деления хромосомы снова становятся гораздо менее компактными. Большую часть жизни клетки наша ДНК не выглядит как набор плотных X-образных структур.

Она существует в виде организованного, но динамичного хроматина внутри ядра. Поэтому ответ на вопрос о двух метрах ДНК оказывается интереснее простого «она очень сильно скручена». Клетка использует несколько уровней организации: ДНК наматывается на гистоны, нуклеосомы взаимодействуют друг с другом, хроматин формирует петли и более крупные пространственные структуры.

И всё это постоянно перестраивается. Главная инженерная задача клетки — не упаковать геном как можно плотнее. Нужно одновременно сделать его компактным, защитить от повреждений и оставить нужные участки доступными в нужное время.

Именно поэтому два метра ДНК могут существовать внутри микроскопического ядра и при этом оставаться рабочей инструкцией, а не просто очень хорошо упакованной молекулой.