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.

Трёхмерная модель 4-й хромосомы человека

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 хоромосомы 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).