Порядок внутри клеточного ядра

Можно увидеть некий порядок. Это видно по тому, как распределен конденсированный и деконденсированный хроматин. Часть участков ДНК, достаточно незначительная (это всего несколько процентов от всей молекулы ДНК), работает в любой клетке, то есть гены экспрессируются активно. Остальная часть не работает, и поэтому она находится в конденсированном состоянии, то есть с помощью белков молекула ДНК достаточно плотно упакована.

В микроскоп это прекрасно видно. Темные участки — это конденсированный хроматин, в котором экспрессия каких-то генов или участков некодирующих РНК тоже происходит, но на очень низком уровне, по крайней мере в нормальном состоянии. И есть диффузный хроматин, где часть белков с хроматина ушла, он деконденсировался, идет активная работа тех генов, которые находятся в этих участках. Взаимная локализация конденсированного и диффузного (деконденсированного) хроматина имеет определенную логику.

Обычно конденсированный хроматин находится на периферии ядра, его там больше всего, и может находиться вокруг ядрышка. Ядрышко — основное место, где идет синтез рибосомных генов. Вокруг него часто формируется слой конденсированного хроматина, и это достаточно общая схема, которая чаще всего происходит, но не единственная. Бывает иногда, что, например, нет слоя конденсированного хроматина вокруг ядрышка. У растений это скорее правило. Почему так? Никто не знает.

Что определяет, что действительно конденсированный хроматин на периферии, а активный, работающий — в середине? По-видимому, это связано с тем, что хроматин способен взаимодействовать с периферией ядра, то есть с ядерной оболочкой. На ядерной оболочке есть определенные белки, которые взаимодействуют преимущественно с конденсированным хроматином, и за счет этого конденсированный хроматин располагается на периферии.

Естественно, любое правило подразумевает исключение. Самое красивое исключение — это случай клеток сетчатки. В сетчатке у человека, у мыши есть два типа клеток: палочки и колбочки. Палочки отвечают за черно-белое зрение, а колбочки — за цветное. Ядро палочек, но не у всех, а у некоторых видов устроено абсолютно неканоническим образом. Наоборот, весь хроматин находится в середине ядра, а активно работающий диффузный хроматин на периферии. То есть полная инверсия того, что есть.

Во-первых, как это происходит? По-видимому, это происходит в связи с тем, что здесь теряются связи с ядерной оболочкой, и это показано в экспериментах. Если убрать те белки ядерной оболочки, которые отвечают за взаимодействие с хроматином, то конденсированный хроматин отходит от ядерной оболочки и имеет тенденцию слипаться где-то в середине ядра в комок, хотя детально механизм не расшифрован.

Второй вопрос — а зачем это нужно? Когда начали разбираться с функциональными причинами такого устройства ядра, казалось бы странного, обратили внимание на следующий момент: такая организация ядра палочек не у всех видов. Это могут быть очень разные виды, эволюционно отдаленные друг от друга, то есть здесь нет никакой эволюционной логики. Но у них есть одно общее свойство: это виды, которые живут ночью. Дальше шли спекуляции, но, по-видимому, наличие плотного центра внутри ядра выступает в роли линзы, которая правильным образом преломляет свет, чтобы он не рассеивался, а, наоборот, поступал на чувствительные сегменты глаза, которые у млекопитающих находятся за ядром. Ядро — препятствие, для того чтобы свет попал и глаз его воспринял. Якобы такое скопление с высоким преломлением этому способствует. Может быть, со временем придумают другое объяснение.

Если смотреть, где локализуется конденсированный и неконденсированный хроматин, это интересно, но сейчас есть возможности более точно смотреть на организацию ядра и отдельных его компонентов. Самые интересные работы связаны с анализом хромосомных территорий.

Каждая хромосома в ходе интерфазы и в методе — это компактное тельце, палочка. Она частично деконденсируется, окружающие хромосомы тоже деконденсируются и занимают весь объем ядра. Каждая хромосома занимает вполне определенный объем, который принято называть хромосомной территорией. То есть это та часть объема ядра, где находится данная хромосома. С помощью достаточно стандартных в наше время методов флуоресцентной гибридизации in situ эти участки можно выявлять.

Метод технически уже достаточно простой. Есть небольшие участки ДНК, комплементарные к данной хромосоме, они связываются с флуоресцентной меткой и способны просто по принципу комплементарности связываться с участками данной хромосомы. Естественно, чтобы выявить всю хромосому, отдельных зондов должно быть огромное, безумное количество. Но это сделать на самом деле довольно несложно. И более того, это сейчас, когда работают с какими-то распространенными объектами — с человеком, с мышкой, — сами зонды можно не делать, можно их просто купить. Но если какой-то экзотический объект, надо хромосомы выделять и потом делать зонды. Можно посмотреть, где находится каждая конкретная хромосома у человека. Первая, вторая, третья, десятая — можно определить положение любой хромосомы.

Оказалось, что есть логика, где располагаются хромосомы. Это связано, как ни странно, с активностью данной хромосомы в данном типе клеток. Если в хромосоме много активных генов, то есть много деконденсированного хроматина, она оказывается где-то поближе к середине. Если хромосома неактивная, там мало активных последовательностей, то статистически значимо с некоторой вероятностью она окажется на периферии. Не обязательно, не стопроцентно будет так, но частота будет гораздо выше. Возникает трехмерная логика в том пространстве, которое есть.

Это отдельная хромосомная территория. На самом деле можно посмотреть, где она располагается, какую форму имеет. А отдельные гены? Здесь ситуация еще интереснее. Можно предположить, что вся хромосома активная. Наверное, гены, которые тоже активны в этой хромосоме, будут где-то внутри нее. Оказалось, что это далеко не всегда так и во многих случаях как раз не так. Когда стали смотреть конкретные гены, которые активно работают в этой хромосоме, оказалось, что очень часто ген находится вне хромосомной территории. Причем это не общее свойство, которое всегда так, что он всегда вне территории, но почему-то выпал. Это как раз связано с работой гена.

Это смотрели на развивающихся клетках, в которых в ходе развития происходит экспрессия определенных генов, и можно смотреть, где эти гены локализуются. Пока гены неактивны, они находятся внутри хромосомной территории. По мере того как ген активируется, он понемногу выходит из хромосомной территории и локализуется вне этой хромосомной территории.

Интересный вопрос: а как это происходит? Здесь надежного понимания до сих пор нет. Очень хочется думать, что это происходит каким-то активным образом. Известно, что в ядре есть актин, по актиновому филаменту в цитоплазме могут двигаться какие-то компоненты, они отвечают за подвижность клетки — у животных больше за подвижность клетки, у растений по ним движутся всякие пузырьки. В ядре — это недавно выяснилось — тоже есть актин. Было несколько работ, которые говорят, что актин действительно отвечает за то, чтобы активным образом, направленно перемещать какой-то ген в какую-то определенную точку. Эти работы счетны, количество тех, которым можно верить, уместится на одной руке. И то ли это исключение, то ли это ошибка эксперимента — это еще предстоит выяснить.

Похоже, что в большинстве случаев никакого направленного транспорта нет. Происходит то же самое, что происходило с конденсированным хроматином. Если он связывается с периферией, с ядерной оболочкой, то через некоторое количество времени он там и окажется. В ядре, если посмотреть на подвижность локуса какого-нибудь гена, он не стоит на месте, он чуть-чуть движется. Эта подвижность при определенных условиях может меняться, может увеличиваться, уменьшаться.

Есть определенные факторы, которые ограничивают или, наоборот, способствуют подвижности локуса. Если ген, например, ни с чем не связан, то он будет двигаться, флуктуировать, постепенно он куда-то уплывет случайным образом на самом деле, без какого-то направленного механизма. Если ему там есть с чем связаться, например с периферией ядра, если бы это был локус неактивного хроматина, в случае активного хроматина есть органеллы, выявленные внутри ядра, около которых часто находится активный ген, и, может быть, они с ним связываются. Случайным образом попадая, ген может связаться. Основной массив данных заставляет склоняться к такому прочтению этих событий.

Мы сейчас действительно очень много узнали про трехмерную организацию ядра, про те события, которые сопровождают активизацию работы генов или связаны, наоборот, с дифференцировкой, когда одни гены перестают экспрессироваться, а другие, напротив, начинают экспрессироваться. Эти события в той или иной степени связаны с изменением трехмерной организации. Поэтому очень часто, когда люди думают о том, что значит изменение этого положения, они говорят, что, может быть, положение в ядре — это некоторый способ регуляции работы гена. Если он поменял свое положение, он активировался. На самом деле так это или не так, то есть действительно ли это фактор, который влияет на работу гена, — это большой вопрос.

Возможен и альтернативный взгляд: если он поменял уровень активности своей работы, тогда он имеет возможность переместиться достаточно случайным образом. Это разговор из серии «яйцо или курица», и вполне возможно, что такая попытка разделения несколько искусственна. А может быть, и не искусственна. Что значит положение в ядре, как оно регулируется, как это влияет на работу генов, как это влияет на самые разные процессы — это предстоит еще выяснить.