В ходе митоза гигантские молекулы ДНК компактизируются в очень компактные тельца, митотические хромосомы. Молекулы действительно большие, это у человека несколько сантиметров одна молекула, и важно, чтобы в ходе митоза они никак не повредились. Повреждения происходят крайне редко, и это удивительно, потому что, казалось бы, огромное скопление хромосом — у человека их 46, — они как-то движутся, растаскиваются в разные стороны, но повреждения ДНК не происходит, и мутации не возникают. А это было бы опасно. Почему это происходит?

Очень важный момент, который играет ключевую роль, — это то, что хромосомы не могут слипаться друг с другом. ДНК, белки, одинаковые по свойствам, могли бы налипать друг на друга, сталкиваться друг с другом. Этого не происходит. Почему этого не происходит — это на самом деле удивительно. Разгадку надо искать в том, как устроена периферия хромосом.

То, что периферия хромосом устроена немного не так, как вся остальная хромосома, было известно очень давно, еще в начале XX века, когда хромосомы изучали еще только в световом микроскопе. И уже тогда было показано, что на периферии хромосом находится слой материала, который немного по своим свойствам… Тогда не умели изучать химию клетки, белки, РНК — это все было неизвестно, но по своим свойствам как она красится, оно просто было немножко другое. То есть одни красители красят периферию хромосомы, другие не красят. Этот слой называли по-разному. Сейчас устоявшийся термин — это перихромосомный слой (или перихромосомный материал). Возможно, именно этот слой играет роль в том, чтобы хромосомы, например, не слипались друг с другом.

На самом деле было и огромное количество других гипотез, которые пользовались действительно большой популярностью, их активно обсуждали. Одна из ключевых гипотез была связана с тем, какие компоненты были выявлены в перихромосомном слое. Уже тогда появились способы анализа белков, анализа РНК, и оказалось, что с поверхностью хромосом связана часть белков, которые в интерфазе находятся в ядрышке. То есть в той самой крупной органелле ядра, где происходит синтез рибосомной РНК, она взаимодействует с белками. Эти комплексы незрелой рибосомной РНК, какие-то белки как раз и выявляются на периферии хромосом.

Приписать им какую-то функцию было тяжело, поэтому возникла идея, что хромосомы на самом деле являются паровозиками, которые растаскивают материал — белки, РНК, белки ядрышка, — чтобы они равномерно распределились по дочерним клеткам в митозе. Идея странная, потому что, даже если просто они будут растворены по всей клетке, когда клетка поделится пополам, они прекрасно разойдутся пополам по двум клеткам. Казалось бы, зачем? Но идея белков-пассажиров, которые садятся и за счет хромосом растаскиваются, была очень популярна. Была маленькая сложность у этой теории в том, что количество белка, которое на самом деле находится на периферии хромосом, ничтожно мало. Большая часть находится в цитоплазме. Но эту проблему игнорировали.

Была еще одна интересная гипотеза, заключающаяся в том, что это действительно какой-то слой, который защищает тело хромосом, хромосомной ДНК. Нуклеиновая кислота защищает от тех нуклеаз, которые есть в клетке, и после разрушения ядерной оболочки хромосомы могут с ними провзаимодействовать. Тоже интересная идея. Сейчас мы знаем, что хромосомы на самом деле не защищены от проникновения белков и почти любые белки способны и проникать в хромосому, и проходить через нее. Хромосома не такая плотная, как думали тогда. Поэтому были идеи разной популярности, но истина оказалась немного другая.

В 2015 году в Nature вышла статья, в которой был сделан методически сложный, но идеологически простой эксперимент. Авторы решили посмотреть, что препятствует тому, чтобы хромосомы не слипались друг с другом. Ключевая проблема для понимания того, что сохраняет целостность генома. Они разработали относительно простой алгоритм, как это можно посмотреть, не тратя много времени исследователя, то есть автоматизированно. И дальше посмотрели огромное количество белков, которые могут влиять на этот процесс.

Идея была такая: убираем белок 1, 2, 4, 5 и смотрим, не приведет ли это к тому, что хромосома слипнется. Было проверено более тысячи белков, и оказалось, что удаление одного из этих белков приводит к тому, что хромосомы слипаются друг с другом. Это очень давно известный белок, по-русски его принято называть Ki-67. Его хорошо знают те, кто занимается опухолями. У него есть замечательное свойство, что он есть только в тех клетках, которые активно размножаются, активно пролиферируют.

Рекомендуем по этой теме:
2169
Искусственные хромосомы дрожжей

Если клетка покоится, то в ней этого белка выявить существующими методами не удается. Опухолевые клетки, предполагается, размножаются интенсивнее, чем нормальные. И его использовали для диагностики, для выявления опухолей, для характеристики их свойств, насколько активно они пролиферируют. Это важные характеристики и с научной точки зрения, и с точки зрения прогноза лечения болезни и подбора тактики лечения. С точки зрения диагностики выяснение пролиферативной активности опухолевых клеток достаточно важно, потому что традиционная химиотерапия в значительной степени строится на понимании свойств опухоли.

Если это активно пролиферирующая опухоль, то это одни химиотерапевтические препараты, которые действуют на митоз, на процесс расхождения хромосом в том числе, но, естественно, необязательно. А если это клетки непролиферирующие, то такие вещества вообще не будут работать, нужны другие препараты. И на самом деле подобрать препараты в этой ситуации бывает намного тяжелее. А в случае лимфомы, где невозможно удаление опухоли, потому что опухоль распределена часто по всему организму, ее лечить практически невозможно, если опухоль плохо пролиферирует. Ее можно контролировать, но полностью убрать нельзя. А если опухоль агрессивная, можно сказать, злокачественная, то, наоборот, с помощью химиотерапевтических препаратов с ней можно бороться. Поэтому выяснение свойств пролиферативного статуса имеет огромное значение, причем именно опухолевых клеток.

Но функция этого белка была абсолютно неизвестна. Влияет на одно, на другое, но слабо. А оказалось, что он как раз и препятствует тому, чтобы хромосомы не слипались друг с другом. Белок перихромосомного слоя, это было давно известно. В перихромосомном слое его концентрация действительно достаточно велика. Когда стали смотреть на его структуру и то, как он локализуется на поверхности хромосом, выяснилась замечательная вещь.

Это гигантский белок, действительно очень крупный. Он присоединен одним концом, причем строго одним концом, к хромосоме, а вторым торчит в сторону цитоплазмы. В итоге получается, что хромосома — это ершик: тело хромосомы, от которого во все стороны торчат молекулы этого белка. И эти молекулы несут положительный заряд. Можно было показать, что, если этот заряд уменьшать, способность разъединять хромосомы уменьшается. Наличие заряда, который придает белок Ki-67, и препятствует слиянию хромосом. Они отталкиваются друг от друга. Чистая это электростатика или как-то сложнее — это еще предстоит выяснить, но это уже хорошая зацепка.

В этой истории самый загадочный момент — это каким образом этот белок позиционируется точно на поверхности хромосомы. Почему он не пролезает внутрь, почему он именно на поверхности и способен за счет этого препятствовать слипанию хромосом. Наверное, это будет выяснено в ближайшие годы. Но уже сейчас можно сказать, что функция одного из компонентов хромосом начиная с 2015 года стала чуть более ясной, если не возникнет какое-нибудь опровержение.