Конкурс «био/мол/текст»-2015

Эта работа опубликована в номинации «Наглядно о ненаглядном» конкурса «био/мол/текст»-2015.

---

Более полную информацию можно найти в книге - Коряков Д.Е., Жимулев И.Ф. Хромосомы. Структура и функции. Новосибирск: Изд-во СО РАН, 2009 г. — 258 с., ISBN 978-5-7692-1045-7

---

Спонсором номинации «Лучшая статья о механизмах старения и долголетия» является фонд «Наука за продление жизни». Спонсором приза зрительских симпатий выступила фирма Helicon.

---

Спонсоры конкурса: лаборатория биотехнологических исследований 3D Bioprinting Solutions и студия научной графики, анимации и моделирования Visual Science.

В 2015 году исполняется 100 лет хромосомной теории наследственности. Ее основные положения были сформулированы Т. Морганом, А. Стёртевантом, Г. Мёллером и К. Бриджесом в книге «Механизм менделевской наследственности», вышедшей в Нью-Йорке в 1915 году. Позднее, в 1933 году, Томас Морган получил Нобелевскую премию за открытие генетической роли хромосом, и это была первая Нобелевская премия за работы по генетике («Биомолекула»: «Повелитель мух»). Юбилею теории была посвящена международная конференция «Хромосома 2015», прошедшая с 24 по 28 августа 2015 года в Новосибирском Академгородке. В холле перед залом заседаний был вывешен постер, на котором можно проследить историю исследований хромосом от самых первых рисунков, сделанных в 1842 году Карлом Нэгели, до последних Нобелевских премий, полученных за исследования теломер и перепрограммирование соматических клеток. Размер постера не позволял поместить на него все значимые открытия, поэтому очень субъективно были выбраны лишь некоторые явления, события, методы и технологии, которые определили развитие генетики, цитогенетики и молекулярной биологии на десятилетия. Уменьшенная копия постера входила в набор материалов конференции, выданный каждому участнику, а также есть на сайте Института молекулярной и клеточной биологии СО РАН.

Нижеизложенный текст — это краткие комментарии к постеру, а более полную информацию можно найти в книге: Коряков Д.Е., Жимулев И.Ф. Хромосомы. Структура и функции. Новосибирск: Изд-во СО РАН, 2009 г. — 258 с., ISBN 978-5-7692-1045-7.

Генетическая роль хромосом

Каждый организм воспроизводит лишь себе подобных, и даже в мелких чертах внешности и поведения детей можно увидеть сходство с их родителями. Первый шаг на пути к пониманию, почему так происходит, сделал монах из австрийского города Брюнн (сейчас это чешский Брно) Г. Мендель (G. Mendel). В 1865 году на заседании Брюннского общества испытателей природы он сделал доклад под названием «Опыты над растительными гибридами» (Versuche über Pflanzen-Hybriden), а в 1866 году опубликовал его в сборнике трудов этого общества. Монах-естествоиспытатель описал результаты скрещиваний разных форм гороха и предположил наличие особых факторов, от которых зависят внешние признаки растения. Закономерности наследования этих факторов позднее были названы законами Менделя. Однако современники не поняли значения этого открытия и забыли про него, и лишь в 1900 году Г. де Фриз (H. de Vries, Нидерланды), К. Корренс (C. Correns, Германия) и Э. Чермак (E. Tschermak, Австрия) независимо друг от друга переоткрыли законы Менделя.

Задолго до всех этих исследований, которые сейчас бы назвали генетическим анализом, ученые, занимавшиеся ботаникой, зоологией, эмбриологией, гистологией и физиологией, заложили основу цитогенетики — науки о хромосомах. В разных статьях и книгах приоритет открытия хромосом отдан разным людям, но чаще всего годом их открытия называют 1882, а их первооткрывателем — немецкого анатома В. Флемминга (W. Flemming). Однако справедливее было бы сказать, что он не открыл хромосомы, а лишь собрал и упорядочил в своей фундаментальной книге «Клеточное вещество, ядро и деление клетки» (Zellsubstanz, Kern und Zellteilung) все, что было известно о них на тот момент. Сам же термин «хромосома» ввел в науку немецкий гистолог Х. Вальдейер (H. Waldeyer) в 1888 году, и в буквальном переводе термин означает «окрашенное тело».

Сейчас сложно сказать, кто сделал первое описание хромосом. В 1842 году швейцарский ботаник К. Нэгели (C. Nägeli) опубликовал работу, в которой изобразил некие тельца, возникающие на месте ядра во время деления клетки при образовании пыльцы у лилии и традесканции. Возможно, это и были первые рисунки хромосом. Первое (1873 год) подробное описание митоза у плоского червя Mesostoma ehrenbergii принадлежит, как считают, немецкому зоологу А. Шнайдеру (F.A. Schneider). Он описал не просто отдельные стадии митоза, которые видели и до него, а всю последовательность сложных изменений ядра: возникновение на его месте нитевидных телец, их расхождение в противоположные стороны и формирование новых ядер в дочерних клетках. Другой тип деления — мейоз — впервые подробно описал Э. ван Бенеден (E. van Beneden, Бельгия) в 1883 году, наблюдая за образованием гамет у аскариды. Он обнаружил, что в мейозе число хромосом уменьшается вдвое, а при оплодотворении восстанавливается, и, несмотря на различие в размерах, мужская и женская гаметы привносят в зиготу равное число хромосом.

В 1902 году Т. Бовери (T. Boveri, Германия) и в 1902–1903 годах У. Сеттон (W. Sutton, США) независимо друг от друга выдвинули гипотезу о генетической роли хромосом. Т. Бовери обнаружил, что зародыш морского ежа может нормально развиваться только при наличии у него хотя бы одного, но полного набора хромосом. Также он установил, что разные хромосомы не идентичны друг другу по своему составу. У. Сеттон же изучал гаметогенез у саранчи и понял, что поведение хромосом в мейозе и при оплодотворении полностью объясняет закономерности расхождения менделевских факторов и образования их новых комбинаций.

Экспериментальное подтверждение этих идей было получено в опытах с плодовой мушкой дрозофилой в первой четверти XX века в США Т. Морганом (T. Morgan) и его сотрудниками К. Бриджесом (C. Bridges), А. Стёртевантом (A. Sturtevant) и Г. Мёллером (H. Muller). Они сформулировали «хромосомную теорию наследственности», согласно которой передача наследственной информации связана с хромосомами, в которых линейно расположены гены. Эти выводы были опубликованы в 1915 году в книге «Механизм менделевской наследственности» (The mechanism of mendelian heredity). В 1933 году за открытие роли хромосом в наследственности Т. Морган получил Нобелевскую премию. Хотя его молодые сотрудники и не были номинированы, но Т. Морган поделил призовые деньги с А. Стёртевантом и К. Бриджесом, а Г. Мёллер получил «свою» Нобелевскую премию в 1946 году за открытие радиационного мутагенеза.

Одним из важных свидетельств генетической функции хромосом было доказательство роли половых хромосом в определении пола. К. Бриджес в 1921–1925 годах сформулировал балансовую теорию определения пола у дрозофилы. Он показал, что пол зависит от баланса (соотношения) числа X-хромосом и наборов аутосом. При этом Y-хромосома в определении пола у дрозофилы (в отличие от человека) не участвует.

После переоткрытия законов Менделя довольно скоро выяснилось, что классическое «менделевское» наследование получается не всегда, и существует тип наследования признаков, называемый цитоплазматическим. В 1909 году К. Корренс и Э. Баур (E. Baur, Германия) независимо опубликовали результаты опытов с растениями, у которых побеги были либо белыми, либо зелеными. Оказалось, что цвет побега наследуется исключительно по материнской линии, и семена с зеленых побегов всегда давали зеленых потомков, а с белых — всегда белых. Происхождение пыльцы не играло никакой роли. Э. Баур в отличие от К. Корренса дал правильное объяснение этому явлению. Он считал, что хлоропласты, как и ядро, несут наследственные факторы, от которых зависит зеленый цвет.

У Менделя разные признаки гороха наследовались независимо. То, что это правило выполняется далеко не всегда, показали опыты английских генетиков У. Бэтсона (W. Bateson), Э. Саундерс (E. Saunders) и Р. Пеннета (R. Punnett) с растениями душистого горошка. Результаты опытов были опубликованы в 1905–1906 годах. Позднее Т. Морган с сотрудниками в экспериментах с дрозофилой также показали, что множество пар признаков наследуется сцепленно. Их разъединение и появление новых комбинаций происходит лишь иногда в результате кроссинговера, то есть обмена участками между гомологичными хромосомами.

Цитологические доказательства кроссинговера были получены в 1931 году: К. Штерн (C. Stern, США) использовал для этого дрозофил, а Х. Крейгтон (H. Creighton, США) и Б. МакКлинток (B. McClintock, США) — кукурузу. Они показали, что гомологичные хромосомы во время мейоза действительно способны обмениваться своими участками. Необходимо отметить, что Барбара МакКлинток вообще сыграла выдающуюся роль в генетике и за одно из своих открытий — мобильных генетических элементов (особых последовательностей ДНК, способных перемещаться по геному) — в 1983 году была награждена Нобелевской премией.

Немного о месте и предназначении мобильных генетических элементов в про- и эукариотических геномах: «Мобильные генетические элементы прокариот: стратификация „общества“ бродяжек и домоседов», «Геном человека: полезная книга, или глянцевый журнал?», «„Мусорная“ ДНК управляет эволюцией млекопитающих?» — Ред.

Еще одним вариантом обмена участками является сестринский хроматидный обмен (СХО). Если при кроссинговере обмениваются хроматиды разных хромосом, то в случае СХО обмениваются хроматиды внутри одной хромосомы. Впервые СХО увидел американский генетик Д. Тейлор (J. Taylor) в 1958 году.

С кроссинговером, хоть и неоднозначно, но связано формирование в профазе мейоза особой структуры из пары гомологичных хромосом — синаптонемного комплекса. Он был открыт в 1956 году независимо двумя американскими цитологами: М. Мозесом (M. Moses) у речного рака и Д. Фоцеттом (D. Fawcett) у мыши.

Многообразие хромосом

Если понимать под хромосомами любые носители наследственной информации, то они исключительно разнообразны по размеру, форме, внешнему виду, составу и числу. Хромосомы вирусов и бактерий могут быть кольцевыми и линейными. Хромосомы хлоропластов и митохондрий имеют кольцевую форму. Ядерные хромосомы эукариот имеют линейную форму, и именно они в виде телец X- и V-образной формы обычно приходят на ум при упоминании хромосом. Их называют митотическими или метафазными, поскольку такой вид они имеют во время деления — митоза (а метафаза — это одна из его стадий).

В 1912 году российский ботаник и цитолог С.Г. Навашин показал, что метафазные хромосомы обладают индивидуальным набором признаков, включающим размер, соотношение длин плеч, наличие спутников и перетяжек. Используя положение центромеры или соотношение длин плеч, С.Г. Навашин предложил классификацию митотических хромосом, которую используют и по сей день: метацентрики, субметацентрики, акроцентрики и телоцентрики.

Число хромосом у разных видов организмов может варьировать в самых широких пределах: от двух (у пары видов растений и одного из австралийских муравьев) до 1440 у папоротника Ophioglossum reticulatum и даже 1600 у морской радиолярии Aulacantha scolymantha. У человека число хромосом составляет 46, и оно было определено только в 1955 году, а опубликовано в 1956 цитогенетиком китайского происхождения Д. Чио (J. Tjio) в соавторстве со своим руководителем А. Леваном (A. Levan) в Швеции. Несколькими месяцами позже число подтвердили британцы Ч. Форд (C. Ford) и Д. Хамертон (J. Hamerton). Количество хромосом человека пытались определить еще с конца XIX века. В разных случаях получались разные значения: 18, 24, 47 или 48, — и только в 1955 году убедились, что хромосом у человека 46. В честь этого события на здании Института генетики Университета шведского города Лунда (где это событие и случилось) в 2003 году была открыта мемориальная доска с изображением той самой метафазной пластинки, по которой и были посчитаны хромосомы. Любопытно, что число хромосом шимпанзе (48) было выяснено на 15 лет раньше.

Общепринято, что число хромосом у каждого вида живых организмов постоянно, и в подавляющем большинстве случаев так и есть. Однако у некоторых животных и растений существуют так называемые сверхчисленные, или добавочные, хромосомы. Все хромосомы основного набора называют A-хромосомами. Они присутствуют всегда, и потеря или добавление хотя бы одной из них ведет к серьезным последствиям. Добавочные же хромосомы называют B-хромосомами, и их главные особенности — необязательность наличия и непостоянство числа. Впервые сверхчисленные хромосомы были найдены Э. Уилсоном (E. Wilson, США) в 1906 году у клопа Metapodius terminalis.

Своеобразный тип хромосом, названный хромосомами типа «ламповых щеток», можно видеть в профазе первого деления мейоза при формировании ооцитов у птиц, рыб, рептилий и земноводных. Впервые их упоминает в своей фундаментальной книге (1882) В. Флеминг, который обнаружил эти хромосомы у аксолотля. Название они получили за сходство с ершиком для чистки керосиновых ламп.

Совершенно особое место среди всех типов хромосом занимают политенные хромосомы, которые имеют вид длинных толстых шнуров с поперечными полосками. Их открыл французский эмбриолог Э. Бальбиани (E. Balbiani) в 1881 году в ядрах клеток слюнных желез личинок комара Chironomus plumosus. Политенные хромосомы сыграли выдающуюся роль в развитии генетики, цитогенетики и молекулярной биологии. С их помощью была показана линейность расположения генов и однозначно доказана генетическая роль хромосом. На политенных хромосомах дрозофил был впервые описан хромосомный полиморфизм диких популяций. Именно на политенных хромосомах были открыты гены белков теплового шока — компонентов системы, охраняющей клетки всех организмов от стрессорных воздействий. Политенные хромосомы сыграли ключевую роль в исследовании системы дозовой компенсации у дрозофилы.

Эволюция хромосом и геномов

В современных цитогенетических исследованиях важную роль играет дифференциальная окраска. Впервые способность хромосом окрашиваться дифференциально (то есть неодинаково по длине) продемонстрировали англичане С. Дарлингтон (C. Darlington) и Л. Ла Кур (L. La Cour) в 1938 году. Другой важный метод исследования — это гибридизация in situ, которая позволяет определить положение любого фрагмента ДНК на хромосоме. В основе метода лежит способность нуклеиновых кислот образовывать двуцепочечные молекулы, как ДНК—ДНК, так и РНК—ДНК. Придумали этот метод в 1969 году Д. Голл (J. Gall) и М. Пардью (M. Pardue) из США и Х. Джон (H. John), М. Бирнстил (M. Birnstiel) и К. Джонс (K. Jones) из Великобритании.

Комбинация этих методов дает возможность подробно исследовать эволюцию хромосом и геномов , а неизменным спутником эволюционного процесса являются хромосомные перестройки. По мере эволюции вида в его хромосомах неизбежно возникают перестройки, которые меняют порядок генов по сравнению с предковым видом. Чем дальше виды уходят друг от друга, тем больше хромосомных перестроек их отличает, и тем больше меняется порядок генов. Известны разные типы перестроек: делеции (потеря), дупликации (удвоение) и транслокации (перемещение) участков хромосом, которые обнаружил К. Бриджес в 1916, 1919 и 1923 годах соответственно. Еще один тип — это инверсии (поворот участка хромосомы на 180°), описанные А. Стёртевантом в 1921 году. Кроме того, существует особый тип перестроек, называемый Робертсоновской транслокацией (или центрическим слиянием). Первым ее описал американец У. Робертсон (W. Robertson) в 1916 году, сравнивая хромосомные наборы близких видов саранчи. Суть этой перестройки сводится к слиянию двух акроцентрических хромосом в одну метацентрическую или субметацентрическую. Существует и обратный процесс — центрическое разделение. В этом случае мета- или субметацентрическая хромосома делится на две акроцентрических.

На «Биомолекуле» можно найти внушительную подборку статей, так или иначе затрагивающих эволюцию геномов и изменения генетического кода: «Вирусные геномы в системе эволюции», «Под „генную гармошку“», «Аллополиплоидия, или как разные геномы научились жить под одной крышей», «Полные геномы галапагосских вьюрков наконец-то раскрыли механизмы их эволюции», «Как составлялся геном эукариот: эндосимбиоз VS. непрерывный горизонтальный перенос»; «Таинственный код нашего генома», «Эволюция генетического кода», «У истоков генетического кода: родственные души», «Такие разные синонимы» и др. — Ред.

Положение хромосом в ядре

В конце XIX века Т. Бовери выдвинул идею о том, что хромосомы в интерфазном ядре не перемешаны случайным образом, а каждая из них занимает свое пространство. В 1909 году для обозначения этого пространства он ввел термин «хромосомная территория». Первые доказательства существования хромосомных территорий были получены лишь в 1982 году немецким исследователем Т. Кремером (T. Cremer) с соавторами. Позднее они визуализировали эти территории с помощью флуоресцентных красителей разного цвета. Оказалось, что хромосомы крупного размера с гораздо большей вероятностью можно найти в периферической части ядра, тогда как мелкие сосредоточены в основном в центральной. Кроме этого, на периферии ядра расположены районы хромосом, обедненные генами. Районы же, обогащенные генами, наоборот, расположены ближе к центру ядра.

Состав хромосом. ДНК

Хромосомы представляют собой структуры, состоящие из сложного комплекса ДНК, РНК и белков. Такой комплекс называется хроматином.

ДНК как химическое вещество открыл и выделил в чистом виде молодой швейцарский исследователь Ф. Мишер (F. Miescher), работая в 1868–1869 годах в университете немецкого города Тюбингена. Он изучал химический состав лейкоцитов, источником которых служил гной с бинтов из местной хирургической клиники. Ф. Мишер разработал метод разделения ядер и цитоплазмы клеток и анализировал состав ядер. Помимо белков и липидов он обнаружил вещество, которое назвал нуклеином (от слова nucleus — ядро), а сейчас оно известно как ДНК. То, что именно ДНК является носителем наследственной информации, первыми установили в 1944 году американцы О. Эйвери (O. Avery), К. МакЛауд (C. MacLeod) и М. МакКарти (M. McCarty) в экспериментах по заражению мышей пневмококками.

Структуру молекулы ДНК в виде двойной спирали расшифровали в 1953 году Ф. Крик (F. Crick), Д. Уотсон (J. Watson), М. Уилкинс (M. Wilkins) и Р. Франклин (R. Franklin), работавшие в Великобритании. За это открытие первые три исследователя получили Нобелевскую премию в 1962 году (историю открытия увлекательно описал в книге «Двойная спираль» Джеймс Уотсон, очень рекомендуем — Ред.). Среди лауреатов нет Розалинды Франклин, поскольку она умерла от рака за четыре года до этого. Известно, что молекула ДНК состоит из последовательности четырех типов нуклеотидов: аденина, тимина, гуанина и цитозина . За разработку метода определения их последовательности (секвенирования) в 1980 году Нобелевской премии были удостоены П. Берг (P. Berg, США), У. Гилберт (W. Gilbert, США) и Ф. Сэнгер (F. Sanger, Великобритания).

Помимо четырех «классических» нуклеотидов в ДНК находят и их эпигенетически модифицированные варианты: метилцитозин и метиладенин («Шестое ДНК-основание: от открытия до признания»). А для некоторых бактериофагов Bacillus subtilis описано включение в ДНК «РНК-ового» урацила — Ред.

Если вначале секвенирование было трудоемким процессом, который позволял за раз «прочитать» лишь небольшой фрагмент, то по мере развития технологии стало возможным определить, например, полную последовательность митохондриальной ДНК человека (1981 год). В 1990 году был запущен амбициозный проект с целью полного секвенирования человеческого генома, а первый результат был представлен в 2001 году («Биомолекула»: «Геном человека: как это было и как это будет»). При этом секвенирование одного генома обошлось в колоссальную сумму — сотни миллионов долларов. Но технологии не стоят на месте, и появление новых методов позволило снизить затраты в тысячи раз . Теперь секвенирование целого генома стало рядовым событием, и в 2009 году был запущен проект Genome 10K. Его цель — это секвенирование и полная «сборка» в хромосомы 10 тысяч геномов животных.

«Закон» Мура прямо таки обречен на достижение конечных точек в разных науках (куда только его удалось притянуть). Биология даже обогнала электронику: постепенное падение стоимости секвенирования в 2007-м ушло в крутое пике, приближая эру рутинного чтения геномов в сельских фельдшерских пунктах по полисам ОМС. Правда, в обозримой перспективе все же придется раскошелиться — долларов на 1000 плюс транспортные расходы: «Технология: $1000 за геном». Но и о таком могли лишь мечтать до появления новых методов секвенирования ДНК: «454-секвенирование (высокопроизводительное пиросеквенирование ДНК)». И для понимания базовых (на уровне клетки) процессов развития организма и победы над онкозаболеваниями мечтать есть еще о чем: «Секвенирование единичных клеток (версия — Metazoa)» — Ред.

Новые технологии позволили развиться такому направлению, как исследование древней ДНК («Биомолекула»: «Древняя ДНК: Привет из прошлого»). Стало возможным выделять ДНК из костей возрастом десятки тысяч лет, и в 2008 году, например, был секвенирован митохондриальный геном неандертальца. Исследование древней ДНК, да и всю современную молекулярную биологию невозможно представить без использования ПЦР — полимеразной цепной реакции. За ее открытие американец К. Муллис (K. Mullis) получил в 1993 году Нобелевскую премию.

Состав хромосом. Белки́

ДНК в хромосомах претерпевает несколько последовательных уровней упаковки, и на самом первом уровне двойная спираль ДНК оборачивается вокруг белковой глобулы, образуя нуклеосому («Биомолекула»: «Катится, катится к ДНК гистон»). В состав глобулы входят четыре типа белков, называемых гистонами. В 1982 году английский молекулярный биолог А. Клюг (A. Klug) получил Нобелевскую премию за расшифровку трехмерной структуры нуклеосом. Косвенно нуклеосомы отмечены еще одной Нобелевской премией — в 1910 году ее получил немецкий биохимик А. Коссель (A. Kossel) за изучение химического состава веществ, образующих ядро клетки, и в том числе за открытие гистонов.

C-концевые части молекул гистонов плотно свернуты, а N-концевые не имеют определенной структуры и свободно расходятся в стороны. В 1963–1964 годах было обнаружено, что некоторые аминокислотные остатки в гистонах могут быть ковалентно модифицированы, то есть ацетилированы или метилированы. Сейчас список модификаций значительно расширился, к остаткам аминокислот могут быть присоединены как относительно простые группы — метильная, ацетильная, фосфатная, — так и сложные крупные молекулы: биотин, олигопептиды или цепочки ADP-рибозы. Модификации появляются в основном на N- и, в гораздо меньшей степени, на С-концевой частях молекул гистонов.

Согласно теории гистонового кода, модификации, которые присутствуют на нуклеосомах в данном участке хроматина, не случайны, а «кодируют» какой-либо процесс. Такую точку зрения сформулировали в 2000–2001 годах Б. Штраль (B. Strahl, США), С. Эллис (C. Allis, США) и Т. Йенувайн (T. Jenuwein, Австрия). Схематично процесс работы гистонового кода можно составить из трех этапов. На первом этапе работают ферменты, которые производят модификацию определенных остатков в гистонах. На втором этапе с модифицированными аминокислотами связываются белки, имеющие для этой цели специальные домены. Каждый из доменов подходит только к «своей» модификации. На последнем же этапе эти связавшиеся белки привлекают другие белковые комплексы, запуская тем самым какой-то процесс.

В 2007 году был начат проект modENCODE. В его реализации участвует множество лабораторий по всему миру, одной из задач которых является построение профилей распределения самых разных белков и модификаций гистонов на хромосомах дрозофилы и нематоды Caenorhabditis elegans.

Эпигенетика

С белками хромосом и модификациями гистонов самым тесным образом связано понятие «эпигенетика» , которое ввел в науку английский биолог К. Уоддингтон (C. Waddington) в 1939 году. Он подразумевал под эпигенетикой события, которые приводят к превращению зиготы в многоклеточный организм со всеми его дифференцированными тканями, то есть события, которые заставляют по очереди работать в одних клетках одни гены, а в других другие. При классическом («генетическом») наследовании происходит передача признаков из одного поколения особей в другое. В этом случае фенотип зависит от взаимодействия рецессивного и доминантного аллелей гена, которые отличаются последовательностями ДНК. При эпигенетическом наследовании происходит передача функционального состояния гена («вкл» или «выкл») внутри особи из одного клеточного поколения в другое. Это состояние меняется по мере развития особи и не связано с последовательностью нуклеотидов, а зависит от модификаций гистонов.

Молекулярные и даже медицинские аспекты эпигенетики обильно обсуждались на «Биомолекуле»: «Развитие и эпигенетика, или история о минотавре», «Эпигенетические часы: сколько лет вашему метилому?», «Эпигенетика поведения: как бабушкин опыт отражается на ваших генах?», «Пилюли для эпигенома». — Ред.

По мере развития многоклеточного организма из зиготы происходит постепенная дифференцировка клеток из тотипотентных в плюрипотентные, затем в мультипотентные, унипотентные и наконец в полностью дифференцированные клетки, из которых ничего другого уже не получится. На каждом из этих этапов работают свои наборы генов, и после прохождения стадии эти гены инактивируются. С последовательностью ДНК генов ничего не происходит, меняется белковый состав хромосомы в данном участке и, как следствие, эпигенетическое состояние генов.

Процесс дифференцировки задуман природой как однонаправленный и не предусматривает возврата на более ранние стадии развития. Однако в 1962 году англичанин Д. Гёрдон (J. Gurdon) провел знаменитые опыты с лягушкой Xenopus laevis («Биомолекула»: «Нобелевская премия по физиологии и медицине (2012): индуцированные стволовые клетки»). Он пересаживал ядра из эпителиальных клеток тонкого кишечника взрослой лягушки в ооцит, лишенный собственного ядра. В 726 попытках ему удалось получить из этих ооцитов четырех взрослых лягушек. Следующим знаменитым экспериментом было создание в Шотландии овцы Долли Я. Уилмутом (I. Wilmut) и К. Кэмпбеллом (K. Campbell) с коллегами, о чем сообщили в 1997 году. Ядро из клетки молочной железы взрослой овцы перенесли в ооцит, откуда собственное ядро было удалено, затем ооцит пересадили суррогатной матери. Из 277 попыток эмбрионы сформировались в 29, родились из них всего три, а до взрослого состояния дожила только Долли. Все эти эксперименты доказывают, что ядра из клеток, прошедших все развитие до полной дифференцировки, можно «перепрограммировать», то есть перезапустить уже законченную эпигенетическую программу заново.

Пересадка ядер соматических клеток в ооцит — это не единственный способ перезапуска эпигенетической программы. В последнее десятилетие были достигнуты колоссальные успехи в перепрограммировании соматических ядер путем искусственной активации в них генов, характерных для эмбриональных стволовых клеток. В 2006 году японские исследователи К. Такахаши (K. Takahashi) и Ш. Яманака (S. Yamanaka) получили из фибробластов мыши клетки, хоть и не идентичные эмбриональным стволовым, но очень похожие на них по морфологии, набору экспрессирующихся генов, способности к делению и дифференцировке. Они назвали такие клетки индуцированными плюрипотентными стволовыми клетками (ИПСК; iPS cells) . Перепрограммирование произошло в результате искусственного запуска всего четырех генов (Oct3/4, Sox2, c-Myc и Klf4), которые работают в нормальных стволовых клетках. В 2007 году та же японская группа под руководством Ш. Яманака и — независимо от нее — коллектив Д. Томсона (J. Thomson) в США получили iPS клетки уже из фибробластов человека. Японцы перепрограммировали их с помощью тех же генов, что и в случае мыши, а американцы активировали гены Oct4, Sox2, Nanog и Lin28. За открытие перепрограммирования клеток Д. Гёрдон и Ш. Яманака получили в 2012 году Нобелевскую премию.

О блестящих перспективах и отрезвляющих сомнениях в области применения ИПСК: «Французским исследователям удалось омолодить клетки столетних людей», «Снежный ком проблем с плюрипотентностью». — Ред.

Гетерохроматин

Одним из объектов исследования многообразных эпигенетических процессов является гетерохроматин. Его как более темные участки хромосом открыл в 1907 году немецкий цитолог С. Гутхерц (S. Gutherz), а термины «гетерохроматин» и «эухроматин» ввел в 1928 году другой немецкий цитолог Э. Хайц (E. Heitz). Если совсем кратко, то эухроматин — это части хромосом, в которых расположено подавляющее большинство генов, тогда как гетерохроматин — это в основном районы с некодирующей ДНК, состоящей из коротких многократно повторенных последовательностей. Кроме этого, эу- и гетерохроматин различаются временем репликации в течение S-фазы клеточного цикла. Первым это отличие описал в 1959 году А. Лима-де-Фария (A. Lima-de-Faria, США), исследуя процесс репликации ДНК в семенниках у саранчи Melanoplus differentialis. Он показал, что гетерохроматин и начинает, и заканчивает репликацию своей ДНК позже эухроматина.

Важным свойством гетерохроматина является способность инактивировать помещенные в него эухроматиновые гены. Это явление называется эффектом положения мозаичного типа. Оно было обнаружено в 1930 году Г. Мёллером у дрозофилы. В результате хромосомной перестройки ген white попал в гетерохроматин. Этот ген отвечает за красный цвет глаз, а если он не работает, то глаза становятся белыми. У Г. Мёллера же получились мухи, глаза которых были ни красными, ни белыми, а пятнистыми, и у разных мух пятна были разной формы и размера. Это объясняется тем, что сам ген остается неповрежденным, а лишь случайным образом инактивируется в одних клетках глаза и работает в других.

Несмотря на многолетние исследования, процесс формирования гетерохроматина во многом до сих пор не ясен, особенно его самый первый этап. Предполагают, что ключевую роль в нем играет процесс, схожий с интерференцией РНК («Биомолекула»: «Обо всех РНК на свете, больших и малых»). За открытие этого явления два американца Э. Файр (A. Fire) и К. Мелло (C. Mello) получили Нобелевскую премию в 2006 году. Процесс интерференции сложен и многостадиен, но если не вдаваться в детали, то введение в клетку двухцепочечной РНК, гомологичной какому-либо гену, приводит к инактивации этого гена.

Теломеры

Теломерами называют особые структуры на концах хромосом. После выяснения молекулярного механизма репликации ДНК стало ясно, что имеет место так называемая «проблема концевой репликации» теломер. В силу особенностей этого процесса одна из вновь синтезированных дочерних цепей ДНК оказывается короче материнской цепи, и с каждым новым клеточным делением хромосомы должны становиться все короче и короче. Следовательно, должен существовать механизм, который как-то удлиняет теломеры или как минимум не дает им укорачиваться. Прежде других обратили внимание на эту проблему один из первооткрывателей двойной спирали ДНК Д. Уотсон (1972 год) и российский исследователь А.М. Оловников (1973 год).

Интенсивное исследование теломер началось после того, как в 1978 году американцы Э. Блэкберн (E. Blackburn) и Д. Голл секвенировали теломеру у инфузории Tetrahymena thermophila. Оказалось, что теломеры содержат последовательность из шести нуклеотидов, повторенную от 20 до 70 раз. В 1985 году К. Грейдер (C. Greider) и Э. Блэкберн все у той же инфузории открыли фермент, названный теломеразой, задачей которого является достраивание теломер. В 2009 году Э. Блэкберн, К. Грейдер и Д. Шостак (J. Szostak, США) получили Нобелевскую премию за исследование теломер и открытие фермента теломеразы («Биомолекула»: «„Нестареющая“ Нобелевская премия: в 2009 году отмечены работы по теломерам и теломеразе», «Старение — плата за подавление раковых опухолей?»).

Дозовая компенсация

Огромное число видов живых организмов, и человек в их числе, имеет негомологичные половые хромосомы, например, X и Y. При этом возникает необходимость в процессе, который называется дозовой компенсацией. Суть его заключается в следующем: поскольку число аутосом одинаково и у самцов, и у самок, то число аутосомных генов, а следовательно, и количество их продуктов, также будет одинаковым. А вот количество продуктов, синтезированных с генов, расположенных в половой хромосоме, у одного пола будет в 2 раза больше, чем у другого. Получается диспропорция, которую надо как-то регулировать, то есть уравнять «дозу генов». Решить эту проблему призвана система дозовой компенсации («Биомолекула»: «Истории из жизни Х-хромосомы круглого червя-гермафродита», «Загадочное путешествие некодирующей РНК Xist по X-хромосоме»).

В 1949 году М. Барр (M. Barr) и Е. Бертрам (E. Bertram) из Канады исследовали нейроны кошек и обнаружили в ядрах небольшие темноокрашенные тельца. Позднее оказалось, что подобные тельца есть в ядрах и других млекопитающих, но только у самок — у самцов их нет. Позднее эта структура была названа «тельцем Барра». В 1959 году С. Оно (S. Ohno, США) показал, что тельце Барра — это инактивированная X-хромосома. В 1961 и 1962 годах независимо М. Лайон (M. Lyon, США), Л. Рассел (L. Russell, США) и Э. Бойтлер (E. Beutler, США) выдвинули гипотезу, согласно которой у самок млекопитающих одна из двух X-хромосом инактивируется, и выбор ее случаен. Таким способом система дозовой компенсации млекопитающих уравнивает число работающих X-хромосом у разных полов: у самцов Х-хромосома всего одна, а у самок из двух только одна работает.

У дрозофилы природа изобрела другой механизм, противоположный по сути механизму млекопитающих: единственная X-хромосома самцов гиперактивируется и работает как две X-хромосомы самок. То, что суммарная активность двух копий какого-либо гена из X-хромосомы у самок и одной копии у самцов дрозофилы одинакова, было обнаружено еще на заре развития генетики. Это сделали К. Штерн в 1929 году и Г. Мёллер в 1931 году, так что дрозофила — это первый организм, у которого нашли дозовую компенсацию.

Ну и наконец...

Пара слов об открытии, которое не связано напрямую с хромосомами, но его очень активно используют, в том числе и для исследования разных сторон жизни хромосом. В 2008 году О. Шимомура (O. Shimomura), М. Чалфи (M. Chalfie) и Р. Циен (R. Tsien) из США получили Нобелевскую премию за открытие, выделение и применение зеленого флуоресцирующего белка (GFP) медузы Aequorea victoria. С помощью молекулярных манипуляций можно соединить ген белка GFP с геном любого другого белка и получить химерный белок, который будет выполнять как свою исходную функцию, так и светиться зеленым цветом. Это дает возможность видеть, в каких клетках работает белок, в ядре или цитоплазме, в каких частях хромосом. Кроме зеленого (GFP) сейчас известны красный (RFP) и желтый (YFP) флуоресцирующие белки .

О многообразии флуоресцентных белков и их применении в биологических исследованиях рассказывают материалы: «Флуоресцирующая Нобелевская премия по химии», «Флуоресцентные белки: разнообразнее, чем вы думали!», «„Нарисуем“ живую клетку». А о биолюминесценции у наземных и морских организмов и работе люциферин-люциферазной системы — статьи: «Биолюминесценция: возрождение», «Микроскопическое свечение космического масштаба». — Ред.