Если рассматривать конформацию ДНК абстрактно, в виде случайного блуждания, наш вопрос о жесткости молекулы преобразуется в вопросы о длине «шага» и количестве «шагов». На визуализациях двойная спираль ДНК кажется прямой на отрезке длиной около 100 нанометров (это десятая часть миллионной доли метра). Иными словами, если схематично изобразить молекулу ДНК с помощью отрезков и спросить, какой длины они должны быть, ответом будет 100 нанометров. (В науке прямые участки полимеров, характеризующие гибкость цепи, называются сегментами Куна в честь швейцарского химика Вернера Куна, и их длину можно рассчитывать по математическим формулам.) Для понимания масштаба отмечу, что ширина (диаметр) двойной спирали составляет примерно 2 нанометра, а длина участка, на котором лесенка ДНК совершает полный оборот (длина витка), слегка превышает 3 нанометра, то есть для такой изящной спирали сегмент Куна у ДНК довольно велик.
Итак, мы можем представить 1 метр ДНК в виде 10 миллионов прямых «шагов». Получается, чтобы ответить на вопрос, насколько же большим будет этот метр ДНК, отпущенный в свободное плавание в клеточной среде, нам нужно понять, какое расстояние покроет случайное блуждание из 10 миллионов шагов по 100 нанометров каждый. Простое вычисление даст ответ: около 0,3 миллиметра, или 300 микрометров. (Это квадратный корень из 10 миллионов, или примерно 3000 шагов, умноженные на длину шага в 100 нанометров.) Полученное число гораздо больше, чем диаметр ядра, не превышающий нескольких микрометров, и даже больше, чем диаметр типичной клетки человека, составляющий от 10 до 100 микрометров.
Здесь вы могли бы возразить, что ваш геном – это не единая неразрывная нить, а массив ДНК, разбитый на 23 хромосомы. (Почти все ваши клетки содержат 46 попарно сгруппированных фрагментов каждой из двух копий вашего генома. Есть и исключения: в яйцеклетках и сперматозоидах хранится лишь одна копия, а в эритроцитах млекопитающих и вовсе нет ДНК.) Конечно, фрагментация упрощает задачу пространственной упаковки ДНК, но не настолько: 1-я хромосома человека, крупнейшая из всех, состоит из 249 миллионов п. н., что соответствует длине примерно 8,5 сантиметра и размеру пятна случайного блуждания (по сути, клубка) около 90 микрометров – а это по-прежнему гораздо больше клеточного ядра. Чтобы было легче сопоставить размеры, я изобразил типичную человеческую клетку с ядром внутри и произвольные клубки ДНК метровой и 8,5-сантиметровой (как в 1-й хромосоме) длины.
Вообще-то упаковка ДНК должна нас восхищать – но не из-за длины человеческого генома, а из-за жесткости, делающей ДНК неподатливой для заточения в клетку. Пространство, в которое должна упаковываться молекула, гораздо, гораздо меньше того пространства, которое она заняла бы, плавая свободно в водном мире.
ДНК внутри ядер наших клеток не предоставлена самой себе, как макаронина или случайный блуждающий, и не утрамбована, как одежда в наскоро собранном чемодане, а изящно и компактно упакована. Значительная часть нашей ДНК намотана на маленькие катушки диаметром около 10 нанометров, состоящие из белков гистонов.
Но 10 нанометров – это существенно меньше, чем сегмент Куна у ДНК, поэтому для наматывания ДНК на катушки прикладывается большая сила, порождаемая главным образом электрическим притяжением между отрицательно заряженной ДНК и положительно заряженной внешней поверхностью гистонов. Расположение положительно заряженных аминокислот соответствует периодичности бороздок двойной спирали, что предельно увеличивает электрические силы. И снова мы наблюдаем самосборку в действии: физические характеристики ДНК и гистонов, особенно их заряд и форма, позволяют им выстраивать четко определенную рабочую структуру. На каждой катушке намотаны около 150 п. н. почти в два витка, длина ДНК между катушками колеблется от 20 до 90 п. н., и за всей этой конструкцией закрепилось выразительное название «бусины на нитке»8.
Далее эти бусы укладываются в петли и компактизируются дополнительно. Ученые долгое время пытались вычислить их конечную форму, основываясь на данных экспериментов, в которых, как правило, извлекали ДНК из клеток либо консервировали клетки с помощью фиксаторов. Самая популярная версия предполагала, что ДНК-белковые бусы формируют волокна толщиной 30 нанометров, а затем эти волокна собираются в тяжи диаметром от 120 нанометров. Но недавно ученые под руководством Клоды О'Ши из Института Солка при Калифорнийском университете в Сан-Диего разработали метод маркировки ДНК без повреждения ядер, который позволяет метить ДНК атомами металла, легко различимыми под электронным микроскопом9. Этот метод выявил вместо ожидаемых волокон преимущественно свободные цепочки диаметром от 5 до 24 нанометров. Более того, цепочки оказались в разной степени закрученными либо прямыми в зависимости от того, делились клетки или нет. Возможно, упаковка ДНК менее однородна и более динамична, чем считалось ранее.
Виртуозное сворачивание ДНК внутри клеток – больше чем простое интеллектуальное упражнение. Экспрессия генов – транскрипция того или иного участка ДНК в РНК с возможной трансляцией в белки – сильно зависит от упаковки и организации ДНК. Области ДНК, намотанные на гистоновые катушки либо уплотненные как-то иначе, относительно недоступны для механизмов декодирования генетический информации. Один и тот же ген может быть «включен» или «выключен» в зависимости от сложности его обнаружения. Иными словами, упаковка ДНК влияет на ее функции, и физическая организация этой молекулы служит мощным инструментом регулирования деятельности клетки. Широчайший спектр заболеваний – от нарушений нервно-психического развития и редких аутоиммунных болезней до расщепления нёба – обусловлен некорректной упаковкой ДНК10, а вовсе не изъянами в генах, кодирующих важные для нервной системы, иммунитета или скелета белки. Часто подобные нарушения связаны с дефектами белков, которые модифицируют гистоны[24], повышая или понижая их аффинность друг к другу или к ДНК – например, за счет изменения заряда.
В последние два десятилетия ученые выяснили, что факторы, определяющие, какие области генома наматываются на гистоны, заложены в самой последовательности ДНК и отчасти обусловлены механическими свойствами двойной спирали11. Как мы знаем, длина относительно прямых сегментов ДНК составляет около 100 нанометров. Показатель жесткости в некоторой степени зависит от последовательности нуклеотидов, то есть «букв» A, Ц, Г, T. Одни группы нуклеотидов обладают меньшей жесткостью, чем другие, или в силу своей формы склоняют цепь к легкому изгибу. В той ДНК, которая в итоге оказывается в составе нуклеосом[25], эти более изогнутые или гибкие области, как маленькие шарниры, обычно располагаются через 10 нуклеотидов друг от друга. Длина витка двойной спирали тоже составляет 10 нуклеотидов: поднимись вы по винтовой лестнице ДНК на 10 ступенек, окажетесь лицом в ту же сторону, что и в исходной точке. Это значит, что все шарниры ориентированы в одном направлении и каждый фрагмент ДНК загибается к гистонной катушке. Анализ связывания ДНК с гистонами показывает, что последовательности без таких повторяющихся нуклеотидных пар реже оказываются намотанными. Таким образом, сама нуклеотидная последовательность кодирует механическую информацию о том, как именно она должна быть упакована. ДНК – молекула поистине экстраординарная, искусно совмещающая кодирование и механической, и биохимической, и генетической информации!
Архитектура нуклеосом и волокон ДНК вводит нас в обширную тему регуляторных схем, с помощью которых клетки контролируют свою активность, включая и выключая гены. В четвертой главе мы познакомимся с другими стратегиями принятия решений, реализуемыми по более быстрым и сложным схемам.
Задачу по ужатию ДНК в ограниченном пространстве решают не только ваши клетки. Ни один из живых организмов не позволяет ДНК свободно укладываться в виде случайно блуждающей цепи. Это актуально даже для не совсем живой природы: плотнее всего ДНК упакована в вирусах, маленьких капсулах генетического материала, которые заражают живые клетки и завладевают их механизмами репликации. Не все вирусы содержат двухнитевую ДНК, у некоторых геном представлен однонитевой ДНК либо даже одно– или двухнитевой РНК. Обладатели двухнитевой ДНК, к которым относятся вирусы герпеса и оспы, вынуждены упаковывать эту жесткую молекулу в белковую оболочку (капсид) диаметром всего несколько десятков нанометров, что опять же меньше сегмента Куна для двойной спирали ДНК. (Двухнитевая РНК даже жестче двухнитевой ДНК, а вот одиночные нити что ДНК, что РНК куда более гибкие.)
У вируса с двухцепочечной ДНК изогнутый, стиснутый полимер давит на капсид, пытаясь расправиться. Когда капсид открывается – например, в момент заражения клетки, – это внутреннее давление помогает протолкнуть ДНК в клетку-мишень. Можно ли измерить давление сжатой ДНК? Представьте, как закрытый капсид открывается и ДНК вырывается наружу. Теперь представьте, как капсид сжимается со всех сторон под внешним давлением и затем открывается. Если наружное давление меньше внутреннего, ДНК все равно выйдет наружу. Если же наружное давление больше, ДНК останется внутри. Изменяя внешнее давление и наблюдая, выходит ли при этом ДНК, можно определить давление внутри вирусной частицы (вириона).
Представить описанное несложно, однако на практике не обойтись без хитроумных трюков, один из которых около 15 лет назад применила команда Уильяма Гелбарта из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе. Естественное открытие капсида запускается, когда вирус встречается с особыми белками на поверхности клетки-мишени. Добавляя эти белки в пробирку с вирусными частицами, открывать капсиды можно «по требованию». Вирионы рассеяны в водном растворе. При добавлении в раствор крупных молекул растет