Наш спадковий матеріал впорядкований у клітинних ядрах зовсім інакше, ніж це описують підручники. Адже хроматин, що складається з ДНК та білків, утворює хаотичні складки й клубки замість того, щоб впорядковано прилягати до все товстіших волокон. Це виявили в результаті першого безпосереднього спостереження за хроматином у неушкоджених клітинах. Так, з’явилися цілком нові уявлення про поєднання форми і функцій ДНК, повідомляють науковці у журналі «Science».
ДНК з білками поєднуються у хроматинові нитки, подібні на перлове намисто. Але як вони розташовані в ядрі клітини, дотепер знали лише теоретично. Ілюстрація демонструє попередню думку, описану в підручниках: «намисто» складається з акуратно поскладаних волокон, що поступово стають товстішими. Зображення: Darryl Leja/ NHGRI
ДНК – носій спадкової інформації, тобто свого роду довідкове бюро для всіх клітин організму. Відповідно, вона безмежна: ДНК лише з однієї клітини має приблизно два метри довжини, а спадковий матеріал усіх клітин нашого організму, складений докупи, сягнув би звідси до карликової планети Плутон.
Проте як цей довжелезний ланцюжок поміщається лише в шести мікрометрах клітинного ядра? Власне це питання залишається нез’ясованим навіть сьогодні – по 60 роках після відкриття ДНК.
Відомо, що ДНК з білками зв’язуються у гістони, а потім – у хроматин, – як перлинки в коралях. Згідно з теорією, з хроматину складаються хромосоми. Більшість підручників зазначає: хроматинові нитки перетворюються на все товстіші волокна – спочатку від 30, а потім до 120 і 320 нанометрів завтовшки. І вже потім вони поєднуються в хромосоми.
Чи це насправді так, дотепер не вдавалося вияснити, адже не існувало жодного методу спостереження, який би не передбачав руйнування чи пошкоджень клітини. «Це один з найупертіших викликів біології: побачити вищу структуру ДНК, як вона поєднана з функціями геному», – пояснила керівник дослідження Клода О’ши (Clodagh O'Shea) з Інституту біологічних досліджень імені Джонаса Солка в Ла-Хойї.
Власне цей виклик прийняла вона з колегами. Дослідники винайшли такий фарбник, який вибірково приєднує метал до ДНК, роблячи видимою структуру хроматину, не змінюючи її і не руйнуючи. Так, дослідникам вдалося підготувати спадковий матеріал в клітинному ядрі непошкодженої клітини і з допомогою електронної томографії відтворити в тривимірному форматі.
Несподіваний результат: від описаних у підручниках впорядкованих волокон і структур не було і сліду. Навпаки: хроматин у клітинному ядрі утворював хаотичні кластери, в яких спадковий матеріал по-різному складався в складки або згортався в клубки, засвідчують знимки.
Хроматинова структура, визначена новим методом (спереду). Електронно-мікроскопічний вигляд і щільність пакування (позаду). Зображення:Salk Institute/ Clodagh O'Shea.
«Наприклад, ми спостерегли хроматичний ланцюжок з короткими ланками, на яких хроматин здавався складений штабелями, – розповіли дослідники. – Потім знову попався ланцюжок, спірально закручений. Інший повторюваний зразок – петлі різних величин всередині та поміж нитками хроматину».
Ця на вигляд хаотична структура хроматину суперечить поширеній теорії – тож підручники потрібно цілком переписати. «Наші результати засвідчують, що хроматин не мусить утворювати стійку структуру вищого порядку, аби пристосуватися до клітинного ядра, – пояснила О'ши. – Натомість щільність пакування ДНК становить основу для утворення різних структур».
Ступінь щільності також визначає, де можна зчитати ДНК, кажуть дослідники. Необхідні для цього ферменти розправляють складки чи клубки. «Тобто щільність пакування контролює функціональну активність нашого геному та можливість доступитися до нього», – пояснила О'ши.
Так була розгадана одна з найбільших таємниць нашого спадкового матеріалу. Завдяки новій можливості спостерігати за хроматином в живому часі відтепер науковці можуть безпосередньо досліджувати, як вища структура ДНК впливає на її активність.
«Це відкриває нові можливості в науці, і в медицині. Візуалізація волокон хроматину в клітинному ядрі – новаторське досягнення», – пишуть у супровідному до дослідження коментарі Даніел Ларсон (Daniel Larson) і Том Містелі (Tom Misteli) з Американського національного Інституту боротьби з раком.
Erbgut torpediert Theorie
Salk Institute/ Science, 28.07.2017
Зреферувала Соломія Кривенко