ДНК составляет лишь половину объёма хромосом. Всё остальное — оболочка неизвестной функциональности


    Трёхмерная модель 4-й хромосомы человека

    В школе нас учили, что в ядре каждой клетки содержатся нитевидные структуры под названием хромосомы, в которых хранятся гены — единицы наследственности, расположенные в линейном порядке. Гены закодированы в составе макромолекулы ДНК. Но всё не так просто, как кажется.

    С самого момента своего открытия в 1882 году хромосомы подверглись тщательному и пристальному изучению, в том числе с помощью оптических и электронных микроскопов. Удивительно, но учёным до сих пор не удаётся чётко понять, как организована их структура.

    Десятилетиями учёные концентрировали свои усилия на исследовании, в основном, хроматина. Это основное функциональное вещество хромосом, представляющее собой комплекс ДНК, РНК и белков. Именно в составе хроматина происходит реализация генетической информации, а также репликация и репарация ДНК.

    Одна из главных загадок — как происходит упаковка (фолдинг) хроматина. Долгое время предполагали, что упаковка происходит случайным образом, но в последнее время появились другие теории. Некоторые учёные предполагают, что упаковка происходит по образцу расплава полимера. Есть мнения, что хромосомы проходят через цепочку взаимосвязанных процессов упаковки, от винтовой навивки вокруг нуклеосомы, до соленоидального 30 нм волокна, а затем к спирали большего размера. В конце концов, есть третий класс теорий, которые предполагают, что хромосомы состоят из петель хроматина, сдерживаемых негистонными белками.

    Последняя из перечисленных моделей структуры хромосомы в последнее время получила дополнительное подтверждение. В 2013 году продвинутые методы микроскопии наглядно показали, каким образом в ядре клетки образуется линейная матрица из хроматиновых петель (см. работу Натальи Наумовой из Университета Массачусетса с коллегами, опубликованную в журнале Science). На видео более показано, как происходит самоорганизация хромосом.

    Организация митотических хромосом (сопроводительный материал к статье Натальи Наумовой с коллегами 2013 года)


    Впрочем, все эти исследования хроматина по большому счёту игнорировали тонкий поверхностный слой, который на хромосомах обнаружили ещё методом классической микроскопии в 1968 году. Этот периферийный слой исследовали слабо, а его состав и строение оставались практически неизвестными. По умолчанию предполагалось, что это просто некая аморфная масса, которая прилипла к хромосомам.

    Проблема в том, что мы можем изучить хромосомы только в определённых условиях, поэтому у нас нет чёткого представления о том, как они выглядят на самом деле.

    Группа британских учёных из Эдинбургского университета уже несколько лет изучает внешнее покрытие хромосом. Несколько лет назад они доказали, что сборка внешней части хромосомы обязательно требует наличия белка Ki-67. Учёные предположили, что покрытие хромосом изготовлено с участием этого белка.

    Новое исследование, проведённое группой учёной, содержит результаты 3D-моделирования структуры хромосомы, а также описание оболочки. По оценке учёных, данный материал составляет до 47% объёма хромосомы. В то же время функциональность этого материала по-прежнему остаётся неясной.

    Предположительно, отдельные хромосомы благодаря оболочке изолируются друг от друга во время ключевого процесса деления клеток. Вероятно, этот материал помогает также избежать ошибок при делении клеток. Известно, что с таким ошибочным делением связаны некоторые виды раковых опухолей и врождённые болезни человека.

    Впервые в истории науки учёные составили детальные 3D-модели всех 46 хромосом человека. Это удалось сделать благодаря использованию нового метода 3-D-CLEM, который сочетает оптическую и электронную микроскопию и позволил снять хромосомы с беспрецедентным разрешением.


    Схематичное описание всех этапов процесса 3-D-CLEM, который занимает от 5,5 до 19,5 дней

    В результате учёные осуществили моделирование длины, ширины, площади поверхности, объёма и плотности упаковки ДНК в хромосомах.



    «Разработанный нами метод визуализации для изучения хромосом по-настоящему революционный, — говорит д-р Дэниель Бут (Daniel Booth) из Эдинбургского университета. — Впервые изученная структура всех 46 человеческих хромосом заставила нас переосмыслить идею о том, что они состоят почти полностью из хроматина. Это предположение оставалось неизменным почти 100 лет».

    На самом деле хроматин составляет лишь от 53% до 70% в составе хромосом. Всё остальное — это оболочка, которая оказалась гораздо толще, чем предполагалось.

    Понимание структуры хромосом и оболочки, а также процесса деления поможет изучить и предотвратить развитие некоторых заболеваний.

    Научная работа опубликована 10 ноября 2016 года в журнале Molecular Cell (doi: 10.1016/j.molcel.2016.10.009, pdf).

    Поделиться публикацией
    Комментарии 20
      0
      Кто-нибудь может прокомментировать видео, что это за волоски и как происходит «сжатие», кроме магии я на видео ничего больше не увидел.
        0
        Скорее всего это ренатурация днк (сборка). Обратный процесс денатурация — разворачивание цепочки, который необратим. А «волоски» плохо изученная «оболочка».
        0
        Всегда удивляла сложность биологических структур, особенно этого «кирпичика» жизни — клетки. Просто поразительна глубина организации всего этого действа. И, как мне кажется, очень важно для человечества проводить подобные исследования. Но… Возможно я ошибаюсь в общем, но складывается впечатление, что исследования подобного уровня происходят исключительно «за бугром», что очень огорчает.
          0
          Вы не ошибаетесь, они происходят почти исключительно «за бугром». Во-первых это очень дорого, а во-вторых в СССР по историческим причинам это направление было не очень развито, а в РФ новые направления фундаментальных исследований развиваются с трудом.
            +3
            https://ru.wikipedia.org/wiki/Генетика_в_СССР

            Кратко: учёных расстреляли, посадили заниматься этим эффективных менеджеров. Через 20 начали гонять недорасстрелянных, и объявили лженаукой. Итого, было потрачено ~50 лет в мусорку. Естественно, когда нет специалистов, которые могут рассказать про свои достижения, нет и учеников, которые этим могли бы воспользоваться. Ну и в цикл всё это.
              +3
              Да. Это мракобесие сейчас продолжается в том же духе (закон о ГМО в РФ). Правда, время другое уже, расстрелы генетиков никто не поддержит, из жалости к ним, конечно.
                +3
                тогда тоже так думали, что время не то, ученые же, наукой занимаются.
                достаточно объявить по ТВ что генетики делают вредное гмо, и слегка намекнуть что они любят детей и друг-друга, и еще сказать что все проблемы населения от них, и найдётся куча желающих расстрелять учёных.
                после уничтожения продуктов бульдозером, я думаю что время очень даже то.
                нашлись же добровольцы сесть за руль бульдозера, и найдутся для расстрелов учёных.

                и уже есть куча добровольцев для поездок в соседнюю страну и расстрела местных жителей.
                а казалось бы, жили в одной стране, один народ, не должно быть добровольцев для такого.
                а хватает агитации по ТВ и низкого уровня жизни, и находятся добровольцы на всё что хочешь.
                0
                Кроме того для таких исследований нужны приборы которые в СССР было сделать трудно.
                0
                Интернет нивелирует эти различия. Кто вам мешает принимать участие в создании трёхмерной модели живой клетки?
                http://www.dailytechinfo.org/news/8570-uchenye-rabotayut-nad-sozdaniem-pervoy-trehmernoy-modeli-zhivoy-kletki.html
                  0
                  Интернет интернетом… Но, по моему личному мнению, научно-исследовательские центры, построенные по последнему слову техники, квалифицированные специалисты и должное финансирование — это необходимая база для большинства передовых исследований. А без этого, но благодаря интернету, мы можем только читать статьи (по Вашей ссылке, например) о том, как несколько исследовательских центров сделали открытие и в чем его соль. Как и никто не мешал индейцам, например, смотря на европейцев, строить корабли и ружья, вот я к чему.
                    0
                    А кто вам мешает, используя Интернет, самому научить нейросеть искать факторы роста или цитокины для управления процессами организма?
                    https://hi-tech.mail.ru/news/google-ai-experiments/
                      0
                      То есть, по Вашему, бОльшая часть фундаментальных исследований может обойтись без затрат на постройку и эксплуатацию лабораторий?

                      Если это и впрямь так, то какого черта тогда твориться? Почему тратятся огромные деньги на исследования, если достаточно ПК и доступа в интернет? Это что, заговор ученых?
                        0
                        Просто сам принцип науки предполагает избыточность данных. Много исследователей в разных странах работают над модными (прорывными) направлениями. С одной стороны это хорошо, в смысле перепроверки и оттачивания открытых эффектов. С ругой стороны, наука разных стран содержится своей страной, что очень затратно, как раз в смысле фундаментальных исследований (очень дорогое оборудование). Попытка решить эту проблему посредством краудфандинга (аналог «Кикстартер») недостаточна, хотя развиваются и такие направления:
                        http://www.fastercures.org/
                          0
                          Как очевидец, могу попытаться вас заверить, что в науках о биологических процессах избыточности очень-очень мало. Скорее наоборот, очень часто выводы пытаются делать не имея достаточно данных и надеясь угадать. Из-за этого регулярно проявляются проблемы с невоспроизводимостью результатов и т.п. В прорывных направлениях всё тоже довольно сложно т.к. методы, что называется «push to the limit», от чего очень часто наблюдаемые «эффекты» являются не тем, за что их принимают, что опять же снижает надежность получаемых результатов.
                            0
                            Если учесть, что объём информации, записанной в ДНК, около 2,2 петабайт:
                            https://geektimes.ru/post/166889/
                            То явно видна недостаточность.
                            Тогда КАК считывать, сжимать и извлекать такие массивы данных?
                            Какие технологии применять?
                            Лазером, как у Гаряева?
                            Приёмником сверхвысокой частоты, как у Загускина.С.Л.
                            «Ритмы клетки и здоровье человека»

                            https://www.youtube.com/watch?v=wiM_zYiQ_N4

                            http://www.biophys.ru/lib/books/sci-books/419-zaguskin-2010
                0
                не пойму, ДНК – это вообще цельная молекула или «псевдомолекула», разбитая на куски (в 46-ти хромосомах у человека)?
                  +2

                  ДНК это молекула состоящая из нуклеотидов, в виде длинной цепочки, которая может быть компактной или размотанной(денатурированной). Когда говорят "ДНК человека" имеют ввиду совокупность всех таких молекул, которые хранятся в 46 хромосомах, и составляют геном человека.


                  Больше информации тут:
                  ДНК
                  ГЕНОМ

                  0
                  Подобное у нас тоже есть, https://youtu.be/pWmw3ies6dU?t=936
                    +1
                    Есть мнения, что хромосомы проходят через цепочку взаимосвязанных процессов упаковки, от винтовой навивки вокруг нуклеосомы

                    Это не мнение, а научный факт, даже структура нуклеосомы уже с точностью до атома известна, например вот.
                    есть третий класс теорий, которые предполагают, что хоромосомы состоят из петель хроматина, сдерживаемых негистонными белками

                    В 1983 это может и было гипотезой, но теперь это тоже подтверждено. Помимо гистонов нуклеосмного «ядра», есть ещё белки которые «склеивают» нуклеосомы между собой.
                    В плане строения хроматина (волокна из нуклеосом) основная интрига сейчас в том, как именно нуклеосомы группируются в группах 2-100 единиц. Есть уже структуры хроматина полученные с помощью Cryo-EM, но они в не слишком физиологических условиях получены, да и не исключено, что Cryo-EM только часть вариантов упаковки видит. Исследованию в этом направлении идут, лет через 5-10 скорее всего основные вопросы прояснятся.
                      0
                      Ну да — в статье куча старой информации, которая выдается за новую. Например белок Ki-67 открыт уже более 20 лет назад, и антитела к нему уже давно используются для определения активности клеток при раке простаты, молочной железы, почек, что помогает определить прогноз заболевания.

                    Только полноправные пользователи могут оставлять комментарии. Войдите, пожалуйста.

                    Самое читаемое