Разные, как две капли воды

Известно, что все клетки многоклеточного организма имеют одинаковый геном. Впрочем, данное утверждение не совсем точно — столь длинный код не может триллионократно копироваться без единой ошибки, чтобы все копии были абсолютно идентичны, но большинство «опечаток» всё же остаются незамеченными из-за избыточности генетического кода. Одно «слово» — код одной аминокислоты, или триплет, — может быть заменено другим, синонимичным ему, и такого рода «опечатка» не приведёт к смысловой замене в кодируемом белке.

Выходит, сотни и тысячи типов клеток, различающихся в зависимости от местоположения и функции, развиваются из одной и той же зиготы. Значит, один набор хромосом формирует и округлый со вмятинкой посередине безъядерный эритроцит, и многоядерную веретенообразную клетку поперечнополосатой мышечной ткани, и тянущие друг к другу руки отростков нейроны, и секреторную клетку поджелудочной железы, и все остальные клетки, в которых производятся специфические, только им необходимые белки и проходят такие разные химические реакции?

Клетки, на которые поделится зигота, несмотря на свою видимую идентичность, имеют огромный потенциал вариабельности. Так и две капли воды, кажущиеся абсолютно одинаковыми, могут иметь совершенно разный состав примесей, разное микробное «население» и ещё множество недоступных невооружённому глазу отличий. Но если с каплями всё понятно (они могут быть неразличимы на вид, но взяты из разных водоёмов или содержать разные добавки), то оплодотворённая яйцеклетка одна, и никто не добавляет вещества в поделившиеся клетки извне. Как же так получается? Если геном одинаков, а клетки все разные, — здесь явно задействованы какие-то механизмы, не связанные с последовательностью нуклеотидов в цепочке. Такие изменения иногда называют «надгеномными». Они происходят в течение жизни организма и могут передаваться потомству, хотя не влияют на последовательность ДНК (см. «Рыбки Danio rerio наследуют модификации ДНК от отца» [3]). Изучением таких изменений занимается наука эпигенетика, рассказывающая про три основных способа надгеномного регулирования:

1. Метилирование ДНК (добавление к некоторым участкам метильной группы — СН₃).
2. Некодирующие РНК (не содержат информации о белке, но выступают в роли регуляторов, способных «включать» и «выключать» гены и контролировать мобильные элементы генома) [4].
3. Модификация гистонов (этот путь предоставляет большие возможности для воплощения самых разнообразных фантазий природы: есть широкий спектр меток, которые можно присоединять к гистонам, чтобы управлять их работой и влиять таким образом на активность генов).

Драгоценное кружево и узелковое письмо: зачем и как ДНК упаковывают в хроматин

Если бы мы смогли посмотреть на молекулу ДНК, мы увидели бы, что она похожа на очень длинную (примерно 1 метр — а ведь она умещается в клеточном ядре!) тонкую нить, плавающую, на первый взгляд, спутанным, но на деле — организованным комком в ядре клетки. Но простота такой модели обманчива (потому что в действительности всё намного интереснее) — перед тем, как клетка делится, нить упаковывается ещё плотнее, определённым образом «наматываясь на катушку», состоящую из белков-гистонов, образуя нуклеосому (структурную единицу хроматина).

Зачем вообще образуется хроматин? Во-первых, упаковка ДНК в организованную структуру даёт широкий простор для регуляции считывания информации, заложенной в ней. Какие-то участки можно оставить более открытыми, какие-то — более закрытыми, влияя тем самым на то, какая информация будет считываться. Во-вторых, нить в развёрнутом виде длинная, тонкая, может легко запутаться, порваться, а повреждение её чревато серьёзными последствиями (вплоть до гибели клетки). Нить ДНК уязвима для веществ, растворённых в цитоплазме клетки (туда она попадает после того, как в процессе деления защитный «сейф» ядерной оболочки, где клетка хранит своё главное богатство, растворяется), её запросто может без всякого злого умысла покромсать на кусочки какой-нибудь фермент. Оставить тонкую нить ДНК без защиты никак нельзя.

Вот представьте: вы купили в магазине большой моток дорогого прелестного и невероятно тонкого кружева ручной работы. Что будет, если вы его в размотанном виде начнёте протаскивать его сквозь терновые заросли? Правильно, оно порвётся в клочки. Но если его красиво, аккуратно и компактно упаковать, этого не произойдёт. Наша ДНК — творение куда более сложное, ценное, прекрасное и, не побоюсь этого слова, грандиозное, потому что ещё и несет на себе важное послание — нуклеотидный текст, ошибки в котором могут стать причиной серьёзных заболеваний, в том числе онкологических. Поэтому эволюция позаботилась о создании эффективного механизма упаковки такого бесценного сокровища — это и есть хроматин, о котором говорилось выше.

В генах нити ДНК, как в узелковом письме инков (кипу), записаны инструкции по сборке белков из аминокислот. От плотности «обмотки» вокруг гистонов зависит, какие гены будут «видны» транскрипционным факторам (ТФ) [5], прочитаны ими, и, следовательно, какие гены будут работать. Когда клетки делятся самым распространённым — митотическим — способом, внутри родительской клетки удваиваются и затем делятся между двумя дочерними все их составные компоненты, в том числе и ДНК. Для упаковки удвоенного количества ДНК в хроматин клетке нужно в два раза больше гистонов, этих строительных блоков, создающих каркас архитектуры хроматина.

Производство гистонов и производство ДНК в клетке чётко скоординированы. Эти два процесса похожи на циркачей, выполняющих совершенно синхронные трюки. Гистоны не возникают в нужное время и в нужном месте сами собой. Они производятся в цитоплазме клетки, поэтому им надо ещё как-то добраться до ядра, где спрятана клеточная ДНК. Транспортирует эти «кирпичики» на стройку специальный белок Asf1. Он относится к классу шаперонов — вспомогательных белков, которые отвечают за целостность и эффективность различных белков-партнёров. Именно Asf1 занимается высокоточной доставкой гистонов — то есть, является поставщиком строительного материала к месту возведения очередного шедевра природной архитектуры — хроматина.

Эй, прибавь-ка ходу, машинист!

Asf1, который занимается перевозкой димера (объединения из двух молекул) гистонов H3—H4, может фосфорилироваться (присоединять остаток фосфорной кислоты) ферментом TLK1 (tousled-like kinase). Исследователи нашли сайты фосфорилирования — «крючочки», куда фермент может «повесить» фосфатную группу. С помощью метода масс-спектрометрии их нанесли на карту, показав, что фосфорилирование происходит во многих точках «хвостика» молекулы, содержащего сериновые и треониновые аминокислотные остатки. TLK1 особенно активен в тот промежуток времени, когда удваивается ДНК и синтезируются гистоны, — в S-фазе интерфазы (синтетического периода в промежутке между клеточными делениями), — затем его количество в клетке уменьшается. Фосфорилируя белок Asf1, TLK1 превращает его в высокоскоростной и сверхточный товарный поезд, обеспечивающий немедленную доставку «строительных материалов» к месту удвоения ДНК и сборки хроматина. Таким образом, учёные вышли на новый уровень понимания того, как регулируется развитие клеток. Верные и стоящие на своём месте гистоны определяют судьбу клетки: правильно ли она делает, если хочет стать непохожей на других? Стимулирует ли она рост и развитие организма, или встала на кривую дорожку, которая приведёт к онкологическому заболеванию?

В дальнейшем команда исследователей собирается глубже вникнуть в процесс дупликации хроматина и найти методы воздействия на деление и развитие опухолевых клеток с помощью TLK1 (например, нарушить поставки к ним гистонов при удвоении ДНК), постаравшись сделать раковые клетки менее устойчивыми.

Статья написана на основе пресс-релиза [1] и оригинальной публикации [2].

Литература

1. Enzyme controls transport of genomic building blocks. (2014). Københavns Universitet;
2. Ilnaz M. Klimovskaia, Clifford Young, Caroline B. Strømme, Patrice Menard, Zuzana Jasencakova, et. al.. (2014). Tousled-like kinases phosphorylate Asf1 to promote histone supply during DNA replication. Nat Commun. 5;
3. Элементы: «Рыбки Danio rerio наследуют модификации ДНК от отца»;
4. Обо всех РНК на свете, больших и малых;
5. Таинственный код нашего генома;
6. Загадочное путешествие некодирующей РНК Xist по X-хромосоме.