Пространственная организация ДНК в ядре как способ укладки и регуляции

Ядро – клеточный компартмент, окружённый двойной мембраной – ядерной оболочкой. Внутренняя среда ядра сообщается с цитоплазмой через поры, но, в целом, ДНК в ядре находится за достаточно серьёзным физическим барьером. Хромосомы уложены в виде сложных трёхмерных структур – это, пожалуй, одни из самых сложных структур в клетке. В ранней интерфазе каждая хромосома занимает определенное положение в ядре, и, как правило, его уже не меняет. На уровне ядра геном статичен. Эухроматин и гетерохроматин, активные и неактивные участки генома, соответственно, пространственно разобщены. Однако между клетками различия в укладке хроматина могут быть очень существенны. 

Широко известна и хорошо изучена укладка ДНК с помощью гистонов, но здесь мы обсудим более высокие уровни укладки ДНК в ядре.

 Хромосомы формируют хромосомные территории, в рамах которых участки хромосомы взаимодействуют друг с другом. В результате хромосомы приобретают определённую, достаточно стабильную, структуру, например, при исследовании хромосомы III дрожжей было установлено, что она формирует гибкое кольцо, в котором теломеры с разных концов приближены друг к другу. Взаимодействия внутри хромосом встречаются гораздо чаще, чем межхромосомные, которые происходят на границах хромосомных территорий. Короткие хромосомы с большой концентрацией генов формируют хромосомные территории в центре ядра, а более длинные с меньшей концентрацией генов располагаются по периферии. Транскрипционно неактивные фрагменты локализуются на периферии ядра и у ядрышек. Участки на границе хромосомных территоий богаты сайтами связывания белка CTCF, но как именно поддерживается граница домена пока не ясно.

Неактивный гетерохроматин связывается с ламинами – белками, выстилающими ядерную оболочку изнутри. Размер связанных с ламинами участков - 0.1–10 млн. п.н. При изменении профиля экспрессии, например при дифференцировке клетки, некоторые участки могут отсоединяться от её оболочки и уходить в области активного хроматина. Вокруг кластеров рРНК из разных хромосом, сближенных пространственно, формируется особая область, ядрышко, где идёт транскрипция рРНК с участием РНК-полимеразы I, а по периферии его также располагается область гетерохроматина. Домены гетерохроматина, связанные на ядерной оболочке и на ядрышках сходны по размеру. После деления домены, связанные у ядрышка, могут перемещаться на оболочку ядра. В области пор на ядерной оболочке, напротив, связывается эухроматин. Таким образом, ядерная оболочка играет определённую роль в пространственной организации хроматина.

Хромосомы формируют структурные домены в рамках территорий, где взаимодействия между последовательностями более вероятны, чем между доменами. Таким образом геномах человека и мыши сформировано порядка 2000 кластеров. В их составе активные гены располагаются внутри, а инактивированные снаружи. Внутри кластеров выделяются компартменты двух типов, A-и B-, при этом взаимодействия протекают преимущественно внутри типа. Они чередуются на хромосоме, размер их порядка 5 миллионов п.н. Это распределение тканеспецифично. Транскрипционно неактивные B- компартменты связываются с ядерной оболочкой и ядрышками, а активные A-компартменты – в фокусах транскрипции. На границе хромосомных территорий находятся особые домены хроматина, небольшие по сравнению с компартментами A и B.

В компартментах А и В формируются домены порядка 400 000 – 500 000 п.н. Они участвуют в координации экспрессии генов. В них удаленные друг от друга активные петли группируются вместе и отделяются от неактивного хроматина, а регуляторные последовательности взаимодействуют с промоторами контролируемых ими генов. Дело в том, что активность генов может регулироваться довольно удалёнными от него участками, которые могут располагаться более чем в 100 000 пар нуклеотидов от них, в дистальной области. Промоторы и такие дистальные области генов взаимодействуют, образуя петлю, это один из механизмов активации генов. Это взаимодействие позволяет собрать необходимые для транскрипции белковые комплексы, привлечь к промоторной области РНК-полимеразу II и факторы элонгации. Разные гены могут взаимодействовать с разными дистальными регионами, а под контролем одного дистального региона могут находиться несколько генов. Все эти взаимодействия определяются структурой таких небольших доменов, которые можно считать структурно-функциональной единицей организации генома. Таких структур, однако, не найдено у бактерий, дрожжей и растений.

Общая организация хроматина может сильно варьировать от клетки к клетке, но она хорошо воспроизводится на «тонком» уровне – менее 1 млн. п.н. Окончательно представление о трёхмерной структуре хроматина ещё не сформировалось, однако уже ясно, что распределение ДНК в ядрах не является случайным и процессы транскрипции, во многом, регулируются на данном уровне.