Домены эукариотических геномов и петли ДНК хромосом: введение
Хорошо известно, что эукариотический геном разделен на ряд относительно независимых функциональных доменов; ими являются единицы репликации ( репликоны ) и единицы транскрипции ( транскриптоны ). В течение многих лет в литературе обсуждается вопрос о том, соответствуют ли этим функциональным доменам некие структурные домены хроматина . На возможность существования таких структурных доменов косвенно указывают результаты экспериментов по картированию областей предпочтительной чувствительности к нуклеазам организованной в хроматин геномной ДНК. Первоначальные наблюдения Вайнтрауба и соавт. [ Weintrauh ea 1976 ], показавших предпочтительную доступность активных генов для нуклеаз, были впоследствии дополнены демонстрацией того, что области предпочтительной чувствительности к нуклеазам распространяются далеко за пределы кодирующей области [ Lawson ea 1982 , Hebbes ea 1988 , Jantzen ea 1986 , Levy-Wilson ea 1989 ]. В некоторых случаях такие области могут включать ряд функционально связанных генов, как, например, в кластерах глобиновых и альбуминовых генов. Интересно, что области предпочтительной чувствительности к нуклеазам, которые обычно отождествляют с транскрипционно-активными доменами хроматина, имеют достаточно четкие границы [ Lawson ea 1982 , Hebbes ea 1988 , Jantzen ea 1986 , Levy-Wilson ea 1989 ]. Именно это обстоятельство и позволило предположить, что данные области соответствуют неким структурным единицам хроматина, в рамках которых ДНК может быть упакована более компактным или менее компактным способом. Компактная упаковка молекулы ДНК , имеющей длину около 2 м, в ядре эукариотической клетки, диаметр которого составляет около 10 мкм, осуществляется в несколько этапов. Для настоящей дискуссии интерес представляет третий уровень компактизации ДНК в силу того, что структурные единицы этого уровня (закрепленные на хромосомном остове петли ДНК) соизмеримы по длине с функциональными доменами генома. Первые экспериментальные свидетельства того, что эукариотическая ДНК организована в большие (20-100 т.п.н.) петли, были получены более 20 лет назад в экспериментах по изучению седиментационных свойств так называемых нуклеоидов , представляющих собой относительно компактные комплексы ДНК с негистоновыми белками, устойчивые к обработке концентрированными солевыми растворами (например, 2 М NaCl) [ Cook ea 1975 ]. Было показано, что ДНК в составе нуклеоидов отрицательно суперспирализована (очевидной причиной чего является освобождение связанных на нуклеосомах супервитков). Внесение однонитевых разрывов в ДНК нуклеоидов приводит к постепенной релаксации суперспирального напряжения. Полная релаксация может быть достигнута в том случае, когда вносится один разрыв на 50-100 т.п.н. ДНК. Из этого наблюдения был сделан вывод о том, что ДНК в нуклеоидах организована в топологически замкнутые домены (петли), размер которых составляет 10-200 т.п.н. Эти петли можно непосредственно наблюдать на электронно-микроскопических фотографиях распластанных метафазных хромосом и интерфазных ядер, из которых были предварительно удалены гистоны. На таких фотографиях можно видеть некие белковые структуры (в случае метафазных хромосом последние сохраняют форму хромосом) с прикрепленными петлями ДНК, контурная длина которых составляет от 20 до 90 т.п.н [ McCready ea 1979 , Mullinger ea 1979 , Paulson J.R., Laemmli ea 1977 , Hancock ea 1982 ].
Подчеркнем еще раз, что как упомянутые белковые структуры, так и участки прикрепления к ним петель ДНК устойчивы к экстракции концентрированными солевыми растворами. Размеры петель ДНК можно определить с помощью нескольких различных способов (включая упомянутые выше). Подробное обсуждение этих способов выходит за рамки настоящей статьи. Дополнительную информацию можно найти в опубликованных обзорах [ Hancock ea 1982 , Razin ea 1996 ]. Оценки среднего размера петель ДНК несколько различаются, однако во всех случаях полученные величины (20-200 т.п.н.) соизмеримы с длиной репликонов и транскриптонов. Предположение о том, что на уровне организации хромосомной ДНК в петли может существовать определенная корреляция между структурной и функциональной организацией генома, инициировала целую серию исследований, конечной целью которых было получение ответа на вопрос о специфичности организации ДНК в петли. Этот вопрос включает две составные части, а именно:
1. Имеют ли основания петель специфические позиции в геноме?
2. Происходит ли прикрепление петель ДНК к скелетным элементам хромосомы посредством специфических последовательностей ДНК? В течение последних 20 лет исследователи пытались ответить на данные вопросы, используя различные методические подходы. В основном, предметом изучения являлись свойства последовательностей ДНК, взаимодействующих со скелетными структурами ядра. К сожалению, полученные результаты оказались весьма противоречивыми. В следующих разделах мы кратко обсудим экспериментальные подходы, использованные для решения вопроса о специфичности организации ДНК в петли, после чего более подробно остановимся на разработанной в нашей лаборатории новой экспериментальной процедуре, которая впервые позволила построить карты, отражающие характер организации в петли протяженных областей генома человека и других эукариотических организмов.
