Арганізацыя геному ў эўкарыятычных клетках
Геномы эўкарыятычных клетак, такіх як жывёлы, расліны, грыбы і пратысты, маюць складаны і высокаўпарадкаваны ўзровень арганізацыі. У адрозненне ад пракарыёт, у якіх звычайна кальцавая ДНК размешчана ў адной вобласці (нуклеоідзе), эўкарыятычныя клеткі захоўваюць большую частку свайго генетычнага матэрыялу ў ядры ў выглядзе лінейных храмасом. Каб змясціць доўгую ДНК у малое ядро, застаючыся пры гэтым лёгкадаступнай для экспрэсіі і рэплікацыі генаў, эўкарыятычныя клеткі распрацавалі эфектыўную і дынамічную сістэму ўпакоўкі ДНК. Такая арганізацыя геному — гэта не толькі пытанне «захоўвання», але і «рэгулявання» таго, калі і дзе працуюць гены.
1. Асноўныя кампаненты эўкарыятычнага геному
Геном эўкарыяты складаецца з ДНК, згрупаванай у некалькі храмасом. Колькасць храмасом адрозніваецца ў розных відаў; у чалавека 46 храмасом (23 пары), у рысу — 24, а ў некаторых раслін іх можа быць сотні. Акрамя ядзернага геному, у эўкарыётаў ДНК таксама знаходзіцца ў такіх арганэлах, як мітахондрыі (амаль ва ўсіх эўкарыёт) і хларапласты (у раслін і водарасцяў). ДНК у гэтых арганэлах звычайна меншая па памеры і нясе важныя гены, звязаныя з клеткавым дыханнем або фотасінтэзам.
Унутры ядзернага геному ёсць гены, якія кадуюць бялкі, гены, якія кадуюць РНК (напрыклад, рРНК, тРНК, міРНК), і некадзіруючыя вобласці, колькасць якіх часта значна перавышае колькасць рэгіёнаў, якія фактычна кадуюць бялкі. Некадзіруючыя вобласці не абавязкова «бескарысныя»; многія з іх функцыянуюць як рэгуляторныя элементы, такія як прамотары, энхансеры, глушыльнікі і ізалятары, якія кантралююць актыўнасць генаў.
2. Упакоўка ДНК: ад падвойнай спіралі ДНК да храмасом
Даўжыня эўкарыятычнай ДНК незвычайная: калі б ДНК у адной клетцы чалавека расцягнулі, яна б дасягнула каля двух метраў у даўжыню, нават нягледзячы на тое, што ядро клеткі мае дыяметр усяго некалькі мікраметраў. Гэтая праблема пераадольваецца дзякуючы шматслаёвай упакоўцы з выкарыстаннем гістонавых бялкоў і іншых структурных бялкоў.
а. Нуклеасома: асноўная адзінка храмаціну
Найбольш базавым узроўнем упакоўкі з'яўляецца нуклеасома, якая ўяўляе сабой ДНК, абгорнутую вакол комплексу з васьмі гістонавых бялкоў (гістонавы актамер). Прыкладна 147 пар асноў ДНК абгортваюцца вакол гістонаў, утвараючы структуру «пацеркі на нітцы». Паміж нуклеасомамі знаходзяцца лінкерныя ніткі ДНК рознай даўжыні, часта стабілізаваныя гістонам H1.
б. Храмацінавыя валокны і пашыраныя ўзроўні ўпакоўкі
Нуклеасомы не спыняюцца на «пацеркавай» структуры; яны могуць узаемадзейнічаць і ўтвараць больш шчыльныя валокны. Класічна іх часта называюць 30-нм валокнамі, хоць дэталі гэтых структур у жывых клетках больш дынамічныя і не заўсёды аднастайныя. Акрамя таго, храматынавыя валокны ўтвараюць пятлі, замацаваныя на каркасе ядзернага бялку, такім чынам арганізуючы ДНК прасторава.
в. Метафазныя храмасомы
Падчас дзялення клетак (мітозу і меёзу) храматын шчыльна кандэнсуецца, утвараючы метафазныя храмасомы, якія лёгка бачныя пад мікраскопам. Гэтая кандэнсацыя неабходная для дакладнага падзелу ДНК на даччыныя клеткі без заблытвання або разрыву.
3. Храмацін: эўхрамацін і гетэрахрамацін
Арганізацыя геному таксама звязана з тым, як ДНК «адкрываецца» або «закрываецца» для доступу транскрыпцыйным механізмам.
– Эўхрамацін — гэта больш друзлая форма храматыну, багацейшая на актыўныя гены і лягчэй транскрыбуецца. Гэты ўчастак, як правіла, больш «адкрыты», што дазваляе транскрыпцыйным фактарам і РНК-палімеразе звязвацца з ДНК.
– Гетэрахрамацін — гэта больш кампактная форма храматыну, звычайна з нізкай транскрыпцыйнай актыўнасцю. Гетэрахрамацін можа быць канстытутыўным (заўсёды кампактным, напрыклад, у цэнтрамерах і тэламерах) або факультатыўным (можа змяняцца ў залежнасці ад тыпу клеткі або стадыі развіцця, напрыклад, інактываваная Х-храмасома ў самак млекакормячых).
Гэта адрозненне адлюстроўвае тое, што ўпакоўка ДНК — гэта не проста фізічная структура, але і механізм рэгуляцыі генаў.
4. Структурныя элементы храмасом: цэнтрымеры, тэламеры і паходжанне рэплікацыі
Кожная эўкарыятычная храмасома мае ключавыя часткі, якія забяспечваюць генетычную стабільнасць і спадчыннасць:
– Цэнтрамера — гэта вобласць, дзе ўтвараюцца кінетахоры, бялковыя структуры, якія злучаюць храмасомы з валокнамі верацяна дзялення падчас дзялення клеткі. Цэнтрамера неабходная для правільнага падзелу сястрынскіх храматыд.
– Тэламеры — гэта канцы храмасом, якія складаюцца са спецыфічных паўтораў ДНК і ахоўных бялкоў. Тэламеры перашкаджаюць успрыманню канцоў храмасом як пашкоджанай ДНК і прадухіляюць зліццё паміж храмасомамі. Скарачэнне тэламер адбываецца падчас рэплікацыі ДНК, і фермент тэламераза можа падаўжаць іх у некаторых клетках.
– Пачатак рэплікацыі (ori) — гэта пачатковая кропка рэплікацыі ДНК. У эўкарыёт на адной храмасоме ёсць шмат oris, што дазваляе рэплікацыі адбывацца хутчэй і больш эфектыўна.
5. Трохмерная архітэктура геному ў ядры
Сучасныя даследаванні паказваюць, што геном не выпадковым чынам размешчаны ў ядры клеткі. ДНК размешчана ў трохмернай прасторы, уплываючы на экспрэсію генаў.
а. Тэрыторыя храмасом
Кожная храмасома, як правіла, займае пэўную вобласць у ядры, якая называецца тэрыторыяй храмасом. Нягледзячы на тое, што паміж храмасомамі існуе ўзаемадзеянне, тэрытарыяльнае падзел дапамагае падтрымліваць парадак і памяншаць заблытванне.
б. Цыкл і дыстанцыйны кантакт
Гены могуць актывавацца энхансерамі, якія лінейна аддаленыя, але прасторава блізкія, праз утварэнне храматынавых завес. Такія бялкі, як CTCF і кагезінавы комплекс, адыгрываюць важную ролю ў фарміраванні і падтрыманні гэтых завес.
c. TAD (тапалагічна звязаныя дамены)
Геном таксама падзелены на дамены ўзаемадзеяння, якія называюцца TAD, — гэта вобласці ДНК, якія часцей узаемадзейнічаюць самі з сабой, чым з іншымі вобласцьамі. TAD дапамагаюць гарантаваць, што энхансеры актывуюць «патрэбныя» гены і прадухіляюць актывацыю непажаданых.
6. Эпігенетыка: рэгуляванне генаў без змены паслядоўнасці ДНК
Арганізацыя эўкарыятычных геномаў моцна залежыць ад эпігенетычных механізмаў, якія ўяўляюць сабой змены, што ўплываюць на экспрэсію генаў без змены паслядоўнасці асноў ДНК. Два асноўныя механізмы:
– Мадыфікацыі гістонаў, такія як ацэтыляванне, метыляванне, фасфараляванне і ўбіквітынаванне. Ацэтыляванне гістонаў звычайна робіць храматын больш адкрытым і павялічвае транскрыпцыю, у той час як некаторыя формы метылявання могуць актываваць або рэпрэсаваць транскрыпцыю ў залежнасці ад месцазнаходжання астатку.
– Метыляванне ДНК, якое звычайна адбываецца па цытазінах у CpG-кантэкстах у жывёл. Метыляванне ДНК часта асацыюецца з падаўленнем транскрыпцыі і ўтварэннем гетэрахрамаціну.
Эпігенетыка дазваляе аднаму і таму ж геному ствараць розныя тыпы клетак з рознымі функцыямі, такія як нервовыя клеткі, мышачныя клеткі і клеткі крыві, праз розныя мадэлі экспрэсіі генаў.
7. Геномы арганэл: мітахондрыі і хларапласты
Акрамя ядзернага геному, эўкарыёты валодаюць мітахандрыяльнымі геномамі, а расліны — хларапластамі. Арганэлярныя геномы звычайна кальцавыя і ў многіх відаў перадаюцца па матчынай лініі. Нягледзячы на тое, што колькасць генаў у мітахондрыях адносна невялікая, іх функцыя жыццёва важная для выпрацоўкі энергіі. Цікава, што многія гены, якія раней знаходзіліся ў гэтых арганэлах, падчас эвалюцыі мігравалі ў ядро, таму функцыя арганэл часта залежыць ад бялкоў, закадаваных ядзерным геномам.
8. Уплыў арганізацыі геному на здароўе і эвалюцыю
Правільная арганізацыя геному забяспечвае генетычную стабільнасць. Пашкоджанне тэламер, памылкі ў фарміраванні храматыну або парушэнне эпігенетычнай рэгуляцыі могуць справакаваць розныя захворванні, у тым ліку рак і парушэнні развіцця. Напрыклад, змены ў заканамернасцях метылявання ДНК могуць актываваць анкагены або дэактываваць гены-супрэсары пухлін. Акрамя таго, змены ў структуры храмасом, такія як транслакацыі, могуць аб'ядноўваць два гены, што прыводзіць да ўтварэння шкодных зліццёвых бялкоў.
У працэсе эвалюцыі арганізацыя геному дазваляе змяняцца: дубляванне генаў, рэкамбінацыя і змены ў рэгуляторных элементах могуць ствараць новыя функцыі, не змяняючы ўсю сістэму. Такім чынам, эўкарыятычная складанасць у значнай ступені вынікае са здольнасці дакладна рэгуляваць экспрэсію генаў праз шматслаёвую арганізацыю геному.
Выснова
Арганізацыя геному ў эўкарыятычных клетках — гэта высокаструктураваная і дынамічная сістэма, якая пачынаецца ад нуклеасом як асноўнай адзінкі, праз утварэнне эўхрамаціну і гетэрахрамаціну, і заканчваецца трохмернымі архітэктурамі, такімі як храмасомныя тэрыторыі і TAD. Усе гэтыя ўзроўні арганізацыі адыгрываюць вырашальную ролю ў забеспячэнні кампактнасці, абароны, рэплікацыі, перадачы ў спадчыну і экспрэсіі ДНК у адпаведнасці з патрэбамі клеткі. Дзякуючы эпігенетычным механізмам і прасторавай рэгуляцыі ў ядры, эўкарыятычныя клеткі здольныя дакладна кантраляваць сотні і тысячы генаў. Разуменне арганізацыі геному мае вырашальнае значэнне не толькі для фундаментальнай біялогіі, але і з'яўляецца ключом да разумення хвароб, старэння і будучых біятэхналагічных інавацый.
