Мусорная ДНК. Путешествие в темную материю генома

Белок CENP-A необходим для «вербовки» всех прочих белков, требующихся для того, чтобы веретено деления успешно занималось своим делом. Когда клетка активно делится, CENP-A способствует выстраиванию на нужном месте более 40 различных белков. Процесс идет постадийно, подобно добавлению кирпичиков «Лего» в определенном порядке. Сразу же после того, как продублированные хромосомы окажутся растащенными на противоположные края клетки, этот большой комплекс, содержащий множество белков, снова распадается. Весь процесс может занять меньше часа. Мы толком не знаем, что контролирует все его стадии, но какие-то из них управляются чисто физическими свойствами. Обычно ядро окружено мембраной, сквозь которую непросто проникнуть крупным белковым молекулам. Когда клетка готова к пространственному разделению продублированных хромосом, этот барьер временно разрывается, и белки могут присоединиться к хромосоме на том участке, где расположена центромера¹⁰. Представьте себе, что вы переезжаете и вызвали грузчиков. Они готовы заняться вашей мебелью, однако не могут приступить к работе, пока вы не откроете дверь и не впустите их.

Вопрос места

Перед нами по-прежнему маячит сложная концептуальная проблема. ДНК-последовательность центромеры, мягко говоря, не везде одинакова. При этом жизненно важно, чтобы белок CENP-A направлялся в строго определенное место. Откуда же клетка знает, где должна располагаться центромера на каждой хромосоме? Почему на человеческой хромосоме 1 она всегда примерно в середине, а на хромосоме 14 — всегда ближе к концу?

Чтобы разобраться в этом, нужно выстроить более сложный образ ДНК наших клеток. Пресловутая двойная спираль ДНК — картинка, которую знают все. Возможно, она даже символ всей современной биологии. Но эта картинка не дает полного представления о ДНК. Собственно, ДНК — это очень длинная веретенообразная молекула. Если растянуть ДНК одной человеческой клетки в единую линию, длина такой линии составит 2 метра (если вы соедините вместе генетический материал из всех хромосом, содержащихся в клетке). Но эта ДНК как-то должна помещаться в ядре клетки, а его диаметр — всего лишь сотая миллиметра.

Попробуйте-ка запихнуть штуковину, длина которой равна высоте Эвереста, в капсулу размером с мячик для гольфа. Если штуковина — веревка, у вас ничего не получится. А вот если вместо веревки взять волоконце тоньше человеческого волоса, тогда вы, скорее всего, справитесь с задачей.

ДНК человека длинная, но очень тонкая, так что ее вполне можно уместить в ядре клетки. Но тут, как всегда в таких случаях, есть трудность. Мало запихнуть ДНК в небольшой объем. Представьте себе гирлянду с лампочками, которую вы вешаете на новогоднюю елку. Если после праздников вы снимете гирлянду и просто запихнете в коробку, все эти лампочки и провода займут там много места. Кроме того, снова вытащив ее через год, вы почти наверняка обнаружите, что все провода безнадежно перепутались. Чтобы их распутать, уйдет масса времени, и есть немалая вероятность, что вы порвете какие-то провода и разобьете какие-то лампочки. И, конечно, во всей этой мешанине очень непросто добраться до какой-то определенной лампочки.

Но если вы отличаетесь маниакальной аккуратностью, вы закрутите каждую цепочку лампочек вокруг куска картона, а потом уж спрячете гирлянду до следующего Нового года, когда ваша тщательность вознаградится: вы с радостью извлечете гирлянду из удивительно маленькой коробки, куда вы сумели поместить все лампочки и провода. Вы не только сэкономите пространство в шкафу — такой способ позволит вам быстро размотать гирлянду. Провода не запутаются и не лопнут. И вы всегда с легкостью доберетесь до вашей любимой лампочки.

То же самое происходит и в наших клетках. ДНК не хранится в виде неопрятной кучи генетического материала, кое-как набитого в ядро. Напротив, эта молекула обернута вокруг определенных белков. Благодаря этому ДНК не запутывается и не рвется, а кроме того, ее можно аккуратно и в хорошо структурированном виде разместить в небольшом объеме, и клетка при необходимости легко получит доступ к различным участкам ДНК, чтобы включать или выключать отдельные гены.

ДНК в наших клетках обернута вокруг особых белков — гистонов. Упрощенно это показано на рис. 6.3. Восемь гистонов (по 2 белка 4 типов) образуют октамер. ДНК обвивается вокруг него, как скакалка вокруг компактно уложенных 8 теннисных мячей. По всему нашему геному разбросано несметное количество таких октамеров.

CENP-A — близкий родственник гистонов, его аминокислотная последовательность почти такая же, как у них, но есть и важные отличия. Возле центромеры отсутствуют обе копии одного из стандартных гистонов[16]. Вместо них в октамере находится CENP-A (см. рис. 6.4¹¹). Близ центромеры каждой хромосомы имеются тысячи таких октамеров, содержащих CENP-A.

Рис. 6.3. ДНК (сплошная черная полоса) обернута вокруг наборов из восьми гистонов (в каждом наборе — по два гистона четырех типов).