ДНК. Ме­ха­низ­мы хра­не­ния и об­ра­бот­ки ин­фор­ма­ции. Часть I

Много людей ис­поль­зу­ет тер­мин ДНК. Но ста­тей, нор­маль­но опи­сы­ва­ю­щих, как она ра­бо­та­ет почти нет (по­нят­ных не био­ло­гам). Я уже опи­сы­вал в общих чер­тах устрой­ство клет­ки и самые ос­но­вы ее энер­ге­ти­че­ских про­цес­сов. Те­перь пе­рей­дем к ДНК.
ДНК хра­нит ин­фор­ма­цию. Это знают все. Но вот как она это де­ла­ет?

Нач­нем с того, где она в клет­ке хра­нит­ся. При­мер­но 98% хра­нит­ся в ядре. Осталь­ное в ми­то­хон­дри­ях и хло­ро­пла­стах (в этих ре­бя­тах про­те­ка­ет фо­то­син­тез). ДНК — это огром­ный по­ли­мер, со­сто­я­щий из мо­но­мер­ных зве­ньев. Вы­гля­дит при­мер­но так.



Что мы тут видим? Во-​первых ДНК — двух­це­по­чеч­ная мо­ле­ку­ла. По­че­му это так важно — чуть позже. Далее мы видим синие пя­ти­уголь­ни­ки. Это мо­ле­ку­лы дез­ок­сири­бо­зы (такой сахар, чуть мень­ше глю­ко­зы. От ри­бо­зы от­ли­ча­ет­ся от­сут­стви­ем одной OH груп­пы, что при­да­ет ста­биль­но­сти мо­ле­ку­ле ДНК, в от­ли­чие от РНК, в ко­то­рой ис­поль­зу­ет­ся ри­бо­за. Даль­ше, для про­сто­ты опущу при­став­ку дез­ок­си и буду про­сто го­во­рить ри­бо­за, да про­стят нас ще­пе­тиль­ные то­ва­ри­щи). Ма­лень­кие круж­кИ — остат­ки фос­фор­ной кис­ло­ты. Ну и соб­ствен­но есть азо­ти­стые ос­но­ва­ния. Всего их 5, но в ДНК в ос­нов­ном встре­ча­ют­ся 4. Это Аде­нин, Гу­а­нин, Тимин и Ци­то­зин. То есть, есть ри­бо­за с ко­то­рой свя­за­но азо­ти­стое ос­но­ва­ние. Вме­сте они об­ра­зу­ют так на­зы­ва­е­мые нук­лео­зи­ды, ко­то­рые свя­зы­ва­ют­ся друг с дру­гом с по­мо­щью остат­ков фос­фор­ной кис­ло­ты. Таким об­ра­зом мы по­лу­ча­ем длин­ную цепь, со­сто­я­щую из мо­но­ме­ров. Те­перь по­смот­ри­те на уве­ли­чен­ную левую цепь. Ви­ди­те C и G со­еди­не­ны тремя пунк­тир­ны­ми ли­ни­я­ми, а T и A двумя. Что это зна­чит? Да, ДНК со­сто­ит из двух цепей, но что удер­жи­ва­ет их вме­сте? Есть такая штука, как во­до­род­ная связь. Вы­гля­дит при­мер­но так. На атомы кис­ло­ро­да (O) и азота (N) фор­ми­ру­ет­ся ча­стич­ный от­ри­ца­тель­ный заряд, а на во­до­ро­де (H) — по­ло­жи­тель­ный. Это при­во­дит к фор­ми­ро­ва­нию сла­бых свя­зей.



Связи дей­стви­тель­но очень сла­бые. Их энер­гия может быть в 200 раз ниже энер­гии ко­ва­лент­ных свя­зей (об­ра­зу­ют­ся за счет пе­ре­кры­тия пары элек­трон­ных об­ла­ков, на­при­мер связь в мо­ле­ку­ле CO2). Од­на­ко таких свя­зей много. В каж­дой нашей клет­ке ДНК цепи свя­за­ны почти 16 мил­ли­ар­да­ми сла­бых свя­зей, не мало, со­глас­ны?

Но вер­нем­ся к числу свя­зей между ос­но­ва­ни­я­ми. Ци­то­зин и Гу­а­нин свя­за­ны тремя свя­зя­ми, а Аде­нин и Тимин — двумя. Это при­во­дит к тому, что Г и Ц свя­зан­ны куда проч­нее, чем А и Т. Неко­то­рым ор­га­низ­мам нужна осо­бая ста­биль­ность свя­зей ДНК, на­при­мер жи­ву­щим при вы­со­ких тем­пе­ра­ту­рах. При на­гре­ва­нии ДНК со­дер­жа­щая боль­ше ГЦ пар более ста­биль­на. Так что хо­чешь жить в гей­зе­ре — имей много ГЦ пар. Хотя по­след­ние ис­сле­до­ва­ния го­во­рят, что явной связи между GC со­ста­вом (% ГЦ пар от всех пар) и тем­пе­ра­ту­рой оби­та­ния нет. Стоит ска­зать, что ва­рьи­ру­ет он силь­но. Так у Candidatus Carsonella ruddii PV (внут­ри­кле­точ­ный эн­до­сим­бионт) он при­мер­но 16%, у нас с вами почти 41%, а у Anaeromyxobacter K (бак­те­рия вполне себе сред­них раз­ме­ров) до­сти­га­ет 75%.

Тут вы мо­же­те ви­деть связь GC со­ста­ва с раз­ме­ром ге­но­ма бак­те­рий. Mb — мил­ли­он пар нук­лео­ти­дов. По­ка­за­тель до­воль­но ва­ри­а­тив­ный. Его, кста­ти, часто юзают как фичу при обу­че­нии раз­лич­но­го рода клас­си­фи­ка­то­ров. Сам недав­но писал клас­си­фи­ка­тор для рас­по­зна­ния па­то­ге­нов на ос­но­ве сырых дан­ных се­кве­ни­ро­ва­ния и ока­за­лось, что GC со­став даже по од­но­му риду вполне себе можно ис­поль­зо­вать.



Пока не забыл. По­че­му важно, что ДНК двух­це­по­чеч­ная? На ос­но­ве одной цепи можно вос­ста­но­вить дру­гую. Если в одной цепи по­вре­жден кусок на­про­тив по­сле­до­ва­тель­но­сти Аденин-​Аденин-Цитозин, то мы точно знаем, что до по­вре­жде­ния там был Тимин-​Тимин-Гуанин. Таким об­ра­зом на­ли­чие вто­рой цепи поз­во­ля­ет на­деж­ней хра­нить ин­фор­ма­цию.

Круто! Те­перь вер­нем­ся к самой мо­ле­ку­ле ДНК. Это це­поч­ка из 4х типов зве­ньев. Од­на­ко на­сколь­ко длин­ная? У Candidatus Carsonella ruddii PV уже упо­мя­ну­то­го выше всего 160 000 нук­лео­ти­дов. У нас с вами 3.2 мил­ли­ар­да (в га­п­ло­ид­ной клет­ке, то есть с одним на­бо­ром хро­мо­сом. У боль­шин­ства наших кле­ток их два). Ка­жет­ся много, да? На самом деле нет. У од­но­кле­точ­ной амебы (Amoeba dubia) он при­мер­но 670 мил­ли­ар­дов пар нук­лео­ти­дов. Ка­жет­ся что это бес­ко­неч­но длин­ная це­поч­ка, по­это­му да­вай­те пе­ре­ве­дем раз­мер в лю­би­мые нам метры. Если все наши хро­мо­со­мы (их 46, не за­бы­ва­ем; 23 по две копии на каж­дую) раз­вер­нуть и вы­тя­нуть в одну линию, по­лу­чит­ся при­мер­но 2х мет­ро­вая це­поч­ка. ДНК одной амебы хва­тит, чтоб опо­я­сать фут­боль­ный ста­ди­он. Но к чему я веду? Ядро, в ко­то­ром ДНК хра­нит­ся не очень боль­шое. У нас оно в сред­нем диа­мет­ром в 6 мкм. Не очень то много, если хо­чешь свер­нуть 2х мет­ро­вую нить, пусть и очень тон­кую. При­чем нужно не про­сто за­пи­хать нить в ядро. Нужно свер­нуть таким об­ра­зом, чтобы в любой мо­мент можно было обес­пе­чить до­ступ к лю­бо­му ее участ­ку. За­да­ча слож­ная. И с ней успеш­но справ­ля­ют­ся спе­ци­а­ли­зи­ро­ван­ные белки. Они со­зда­ют ряд спи­ра­лей и пе­тель, ко­то­рые обес­пе­чи­ва­ют все более и более вы­со­кие уров­ни упа­ков­ки и не до до­пус­ка­ют спу­ты­ва­ния ДНК в гор­ди­ев узел. Да­вай­те по­го­во­рим о том, как она упа­ко­вы­ва­ет­ся.

Сразу скажу, упа­ко­вы­ва­ет­ся она очень по раз­но­му. Но если от­ки­нуть эк­зо­ти­ку, то оста­ет­ся два спо­со­ба. Пер­вый ха­рак­те­рен для бак­те­рий, вто­рой для эу­ка­ри­от (или иначе ядер­ных).
 

Упа­ков­ка ДНК у бак­те­рий

Нач­нем с бра­тьев наших мень­ших. Бак­те­рии сами по себе об­ла­да­ют не очень боль­шим ге­но­мом, в сред­нем от 1 до 5 мил­ли­о­нов пар нук­лео­ти­дов. Наи­бо­лее ха­рак­тер­ное их от­ли­чия от нас в том, что у них нет ядра и ДНК пла­ва­ет в клет­ке. Не со­всем пла­ва­ет, оно ча­стич­но при­креп­ле­но к кле­точ­ной мем­бране и тоже свер­ну­то, но не так силь­но как у нас.

Вто­рое. Бак­те­ри­аль­ная ДНК чаще всего коль­це­вая. Так ее проще ко­пи­ро­вать (нет кон­цов, ко­то­рые могут по­те­рять­ся при ко­пи­ро­ва­нии и не нужно при­ду­мы­вать ме­ха­низ­мы со­хра­не­ния кон­цов). Обыч­но такое коль­цо одно, но у неко­то­рых бак­те­рий их может быть 2 или 3. Есть еще коль­ца по­мень­ше (от пары тысяч до пары сотен тысяч остат­ков).Имя им плаз­ми­ды, и это во­об­ще от­дель­ная ис­то­рия.



Вер­нем­ся к упа­ков­ке ДНК. ДНК упа­ко­вы­ва­ют белки-​гистоны (есть еще ги­сто­но­по­доб­ные белки). ДНК это дез­ок­си­ри­бо­ну­кле­и­но­вая кис­ло­та. Кис­ло­та. Это зна­чит что она от­ри­ца­тель­но за­ря­же­на (за счет остат­ков фос­фор­ной кис­ло­ты). По­это­му белки, свя­зы­ва­ю­щие ее по­ло­жи­тель­но за­ря­же­ны. Таким об­ра­зом они могут свя­зы­ва­ют­ся с ДНК. ДНК бак­те­рий вме­сте с бел­ка­ми ее упа­ко­вы­ва­ю­щи­ми фор­ми­ру­ют нук­лео­ид, при этом на долю ДНК при­хо­дит­ся 80% от его массы. Вы­гля­дит это при­мер­но так. То есть коль­це­вая ДНК де­лит­ся на до­ме­ны по 40 тысяч пар нук­лео­ти­дов. Затем про­ис­хо­дит скру­чи­ва­ние. Внут­ри до­ме­нов тоже про­ис­хо­дит скру­чи­ва­ния, но его сте­пень в раз­ных до­ме­нах от­ли­ча­ет­ся. В сред­нем сте­пень упа­ков­ки бак­те­ри­аль­ной ДНК ва­рьи­ру­ет от сотни до ты­ся­чи раз.



Есть еще при­коль­ное видео.
 

Упа­ков­ка ДНК у эу­ка­ри­от

Тут все куда ин­те­рес­ней. Наше ДНК хо­ро­шо упа­ко­ва­на и спря­та­на внут­ри ядра. И она куда эф­фек­тив­ней упа­ко­ва­на, неже­ли у бак­те­рий. Во время ми­то­за (де­ле­ние клет­ки) раз­мер 22й хро­мо­со­мы со­став­ля­ет 2 мкм. Если ее рас­пу­тать и вы­тя­нуть, она будет уже 1,5 см. Что со­от­вет­ству­ет сте­пе­ни упа­ков­ки в 10 000 раз. Это около мак­си­маль­ная сте­пень упа­ков­ки нашей ДНК. Во время де­ле­ния нужно мак­си­маль­но упа­ко­вать ДНК, что бы эф­фек­тив­но раз­де­лить ее между до­чер­ни­ми клет­ка­ми. В обы­ден­ной жизни сте­пень ком­пак­ти­за­ции со­став­ля­ет при­мер­но 500 раз. Со слиш­ком упа­ко­ван­ной ДНК слож­но счи­ты­вать ин­фор­ма­цию.
 

Есть несколь­ко уров­ней упа­ков­ки ДНК эу­ка­ри­от

Пер­вый — нук­ле­осом­ный уро­вень. 8 белков-​гистонов фор­ми­ру­ют ча­сти­цу на ко­то­рую на­ма­ты­ва­ет­ся ДНК. Затем еще один белок ее фик­си­ру­ет. Вы­гля­дит при­мер­но так.




По­лу­ча­ют­ся сво­е­го рода бусы. Плот­ность упа­ков­ки бла­го­да­ря этому воз­рас­та­ет в 7-10 раз. Далее нук­ле­осо­мы упа­ко­вы­ва­ют­ся в фиб­ри­лы. Немно­го по­хо­же на со­ле­ни­од. Тут сум­мар­ная сте­пень упа­ков­ки может до­сти­гать 60 раз.



Сле­ду­ю­щий этап ком­пак­ти­за­ции ДНК свя­зан с об­ра­зо­ва­ни­ем пет­ле­об­раз­ных струк­тур, ко­то­рые на­зы­ва­ют­ся хро­мо­ме­ра­ми. Фиб­ри­ла раз­би­та на участ­ки по 10 — 80 тысяч пар азо­ти­стых ос­но­ва­ний. В ме­стах раз­бив­ки на­хо­дят­ся гло­бу­лы неги­сто­но­вых бел­ков. ДНК — свя­зы­ва­ю­щие белки узна­ют гло­бу­лы неги­сто­но­вых бел­ков и сбли­жа­ют их. Об­ра­зу­ет­ся устье петли. Сред­няя длина петли вклю­ча­ет при­мер­но 50 тысяч ос­но­ва­ний. Эту струк­ту­ру на­зы­ва­ют ин­тер­фаз­ной хро­мо­не­мой. И имен­но в ней наше ДНК на­хо­дит­ся боль­шую часть вре­ме­ни. Уро­вень упа­ков­ки здесь до­сти­га­ет 500-1500 раз.

При необ­хо­ди­мо­сти клет­ка может еще боль­ше ком­пак­ти­зи­ро­вать ге­не­ти­че­ский ма­те­ри­ал. Идет об­ра­зо­ва­ние более круп­ных пе­тель из хро­мо­мер­ной фиб­рил­лы. Эти петли в свою оче­редь об­ра­зу­ют новые петли (петли в петли… и это не вя­за­ние). Ко­то­рые в ко­неч­ном счете фор­ми­ру­ют хро­мо­со­му.

В целом про­цесс упа­ков­ки можно опи­сать при­мер­но так.



В итоге из нитей ДНК мы по­лу­ча­ем, при де­ле­нии, су­пер­скру­чен­ные струк­ту­ры, ко­то­рые можно уви­деть под мик­ро­ско­пом. Их мы и зовем хро­мо­со­ма­ми.



Соб­ствен­но ве­ще­ство хро­мо­сом зо­вет­ся хро­ма­ти­ном. И сте­пень его упа­ков­ки от­ли­ча­ет­ся в за­ви­си­мо­сти от участ­ка хро­мо­со­мы. Есть эу­х­ро­ма­тин и ге­те­ро­хро­ма­тин. Эу­х­ро­ма­тин это до­воль­но рас­пле­тен­ная об­ласть хро­ма­ти­на, в ней ДНК на­хо­дит­ся на хро­мо­мер­ном уровне (упа­ков­ка в 500 — 1000 раз). Здесь про­ис­хо­дит ак­тив­ное счи­ты­ва­ние ин­фор­ма­ции. На­при­мер, если сей­час клет­ка ак­тив­но син­те­зи­ру­ет белок А, то об­ласть ДНК, его ко­ди­ру­ю­щая будет в со­сто­я­нии эу­х­ро­ма­ти­на, что бы фер­мен­ты, «чи­та­ю­щие» ДНК могли до нее до­брать­ся. Ге­те­ро­хро­ма­тин же со­дер­жит ту часть ДНК, ко­то­рая клет­ке не особо нужна сей­час. То есть ДНК мак­си­маль­но плот­но упа­ко­ва­на, дабы не пу­тать­ся под но­га­ми. В за­ви­си­мо­сти от по­треб­но­стей клет­ки одни об­ла­сти хро­ма­ти­на могут ча­стич­но рас­пле­тать­ся, в то время как дру­гие — спле­тать­ся. Таким об­ра­зом еще и осу­ществ­ля­ет­ся ре­гу­ля­ция (очень гру­бое при­бли­же­ние), ведь к скру­чен­ной об­ла­сти не до­брать­ся, и зна­чит ее не про­чи­тать.

Про­дол­же­ние сле­ду­ет...