Домени еукаріотичних геномів і петлі ДНК хромосом: введення.

Добре відомо, що еукаріотичний геном розділений на ряд відносно незалежних функціональних доменів; ними є одиниці реплікації (репліконов) і одиниці транскрипції (транскріптони). Протягом багатьох років в літературі обговорюється питання про те, чи відповідають цим функціональним доменам деякі структурні домени хроматину. На можливість існування таких структурних доменів опосередковано вказують результати експериментів по картування областей переважною чутливості до нуклеаз організованою в хроматин геномної ДНК. Початкові спостереження Вайнтрауб і співавт. [Weintrauh ea 1976], що показали кращу доступність активних генів для нуклеаз, були згодом доповнені демонстрацією того, що області кращою чутливості до нуклеаз поширюються далеко за межі кодуючої області [Lawson ea 1982, Hebbes ea 1988, Jantzen ea 1986, Levy-Wilson ea 1989 ]. У деяких випадках такі області можуть включати ряд функціонально зв’язаних генів, як, наприклад, у кластерах глобінових і альбумінових генів. Цікаво, що області кращою чутливості до нуклеаз, які зазвичай ототожнюють з транскрипційно-активними доменами хроматину, мають досить чіткі межі [Lawson ea 1982, Hebbes ea 1988, Jantzen ea 1986, Levy-Wilson ea 1989]. Саме ця обставина і дозволило припустити, що дані області відповідають певним структурним одиницям хроматину, в рамках яких ДНК може бути упакована більш компактним-менш компактним способом. Компактна упаковка молекули ДНК, що має довжину близько 2 м, в ядрі еукаріотичної клітини, діаметр якого становить близько 10 мкм, здійснюється в кілька етапів. Для справжньої дискусії інтерес представляє третій рівень компактизації ДНК в силу того, що структурні одиниці цього рівня (закріплені на хромосомному остові петлі ДНК) сумірні по довжині з функціональними доменами геному. Перші експериментальні свідчення того, що еукаріотичних ДНК організована у великі (20-100 т.п.н.) петлі, були отримані більш 20 років тому в експериментах з вивчення седиментаційних властивостей так званих Нуклеоїд, що представляють собою відносно компактні комплекси ДНК з негістоновимі білками, стійкі до обробки концентрованими сольовими розчинами (наприклад, 2 М NaCl) [Cook ea 1975]. Було показано, що ДНК у складі Нуклеоїд негативно суперспіралізована (очевидною причиною чого є звільнення пов’язаних на нуклеосоми супервітков). Внесення однониткових розривів в ДНК Нуклеоїд призводить до поступової релаксації суперспірального напруги. Повна релаксація може бути досягнута в тому випадку, коли вноситься один розрив на 50-100 т.п.н. ДНК. З цього спостереження було зроблено висновок про те, що ДНК в Нуклеоїд організована в топологічно замкнуті домени (петлі), розмір яких становить 10-200 т.п.н. Ці петлі можна безпосередньо спостерігати на електронно-мікроскопічних фотографіях розпластаних метафазних хромосом та інтерфазних ядер, з яких були попередньо видалені гістони. На таких фотографіях можна бачити якісь білкові структури (у разі метафазних хромосом останні зберігають форму хромосом) з прикріпленими петлями ДНК, контурна довжина яких становить від 20 до 90 т.п.н [McCready ea 1979, Mullinger ea 1979, Paulson JR, Laemmli ea 1977, Hancock ea 1982].
Підкреслимо ще раз, що як згадані білкові структури, так і ділянки прикріплення до них петель ДНК стійкі до екстракції концентрованими сольовими розчинами. Розміри петель ДНК можна визначити за допомогою декількох різних способів (включаючи згадані вище). Детальний обговорення цих способів виходить за рамки цієї статті. Додаткову інформацію можна знайти в опублікованих оглядах [Hancock ea 1982, Razin ea 1996]. Оцінки середнього розміру петель ДНК трохи різняться, проте у всіх випадках отримані величини (20-200 т.п.н.) сумірні з довжиною репліконов і транскріптонов. Припущення про те, що на рівні організації хромосомної ДНК в петлі може існувати певна кореляція між структурною і функціональною організацією геному, ініціювала цілу серію досліджень, кінцевою метою яких було отримання відповіді на питання про специфічність організації ДНК у петлі. Це питання включає дві складові частини, а саме:
1. Чи мають підстави петель специфічні позиції в геномі?
2. Чи відбувається прикріплення петель ДНК до скелетних елементів хромосоми за допомогою специфічних послідовностей ДНК? Протягом останніх 20 років дослідники намагалися відповісти на дані питання, використовуючи різні методичні підходи. В основному, предметом вивчення були властивості послідовностей ДНК, що взаємодіють з скелетними структурами ядра. На жаль, отримані результати виявилися досить суперечливими. У наступних розділах ми коротко обговоримо експериментальні підходи, використані для вирішення питання про специфічність організації ДНК у петлі, після чого більш докладно зупинимося на розробленій в нашій лабораторії нової експериментальної процедурою, яка вперше дозволила побудувати карти, що відображають характер організації в петлі протяжних областей генома людини і інших еукаріотичних організмів.

Comments are closed.