Что организует геном в ядре?

Пространственное разделение активной и неактивной фракций генома в клеточном ядре критически важно для контроля экспрессии генов. Новое исследование раскрывает ведущие механизмы такого разделения и переворачивает наше представление о ядре.

Эукариотические хромосомы состоят из хроматина — комплекса ДНК и ассоциированных белков. В зависимости от транскрипционной активности и степени компактизации можно выделить два типа хроматина, которые пространственно разделены в ядре. Высококонденсированная фракция состоит из регионов хроматина, содержащих мало генов, и является транскрипционно неактивной. Она называется гетерохроматином и расположена на периферии ядра, близко к ядерной мембране. Эухроматин, напротив, обогащён генами и соответствует активной фракции генома. Он занимает внутренние регионы ядра, менее плотно упакован и, следовательно, более доступен для белковых машин, необходимых для экспрессии генов. Эта общая картина организации генома обнаруживается практически во всех типах эукариотических клеток, но механизмы, устанавливающие характерное распределение, остаются плохо изученными. Исследование, проведённое командой под руководством Ирины Соловей из Биоцентра LMU, в сотрудничестве с Джобом Деккером (Медицинская школа Университета Массачусетса) и физиками из группы Леонида Мирного в MIT (Институт медицинской инженерии и науки), теперь предполагает, что движущей силой в сегрегации хроматина является неактивный гетерохроматин, и что в «дефолтной» архитектуре распределение эу- и гетерохроматина обратное. Новые результаты опубликованы в ведущем журнале Nature.

Было предложено множество механизмов для объяснения того, как хроматин разделяется внутри ядра, однако ни один из них не был окончательным, во многом потому, что трудно анализировать взаимодействия двух типов хроматина в контексте обычных ядер, где гетерохроматин прикреплён к ядерной мембране. «Для нашего исследования мы поэтому выбрали так называемые инвертированные клеточные ядра», — говорит Соловей. Она и её мюнхенские коллеги обнаружили эти ядра около 10 лет назад в сетчатке ночных млекопитающих, где они ограничены фоторецепторными клетками, известными как палочки. В палочках плотно конденсированный гетерохроматин упакован в интерьере ядер, в то время как активный эухроматин локализован непосредственно под ядерной мембраной — уникальное исключение из общего правила. Оказалось, что гетерохроматиновое ядро ядер палочек служит микролинзой, конденсирующей свет и таким образом улучшающей оптические свойства ночной сетчатки. Последующее исследование той же группы раскрыло механизм инверсии, показав, что в этих атипичных ядрах отсутствуют два белковых комплекса, которые в норме связывают гетерохроматин с внутренней поверхностью ядерной мембраны, ядерной ламиной.

Используя данные, полученные комбинацией современных методов микроскопии и молекулярной биологии, исследователи создали полимерные модели отдельных хромосом и целых ядер. Моделируя поведение этих полимеров в разных условиях, они смогли исследовать роль взаимодействий внутри и между двумя фракциями хроматина и ядерной ламиной. Эти исследования показали, что взаимодействия только между гетерохроматиновыми регионами сами по себе достаточны для сегрегации хроматина, тогда как взаимодействия внутри эухроматина для этого процесса необязательны. «Наши результаты указывают, что инвертированное ядро концептуально представляет собой дефолтную ядерную архитектуру», — говорит Мирный; «в то время как взаимодействия гетерохроматина с ядерной ламиной необходимы для построения обычной архитектуры». «В этом отношении, — говорит Соловей, — интригующим является вопрос, почему большинство эукариот имеют обычные ядра и какова может быть функциональная значимость позиционирования гетерохроматина на ядерной периферии».