Rambler's Top100 Russian / Francais / English
Первый русский гид по университетам Швейцарии
 

Публикации в швейцарской прессе

FNS Horizons

Новая модель ДНК

Способ, которым генотип свернут внутри клеточного ядра, влияет на генную активность и тем самым на существование клетки. Исследовательская группа Тимоти Ричмонда из EPFZ доказывает, что старая модель ДНК ошибочна.

Автор: Феликс Штрауманн (Felix Straumann)

FNS Horizons №67, декабрь 2005, стр. 26-27

 


Модель нити ДНК толщиной 30 миллионных частей миллиметра (изображение слева). В основе этой модели лежат наблюдения за структурой тетрануклеосомы (картинка справа). Изображение Nature

Природа любит порядок так же и внутри клеточного ядра. ДНК, носитель генетической информации, на самом деле не является бесформенным клубком, но, напротив - хорошо упорядоченный и плотноупакованный в структуру под названием хроматин (chromatine). 2 метра генной нити могут помещаться внутри ядра клетки.

Особый интерес представляет структура хроматина, потому что она коррелированна с его функцией. Действительно, доступность волокна ДНК в хроматине, который определяет возможность определить (читать и переводить) гены. Углублённое знание этой структуры является критическим для возможности объяснения ключевых феноменов жизни клетки, таких как трансформация клеток-штаммов в соматические клетки или трансформация здоровых клеток в опухолевые.

Тридцать лет назад мы считали, что знаем трехмерную организацию ДНК. Модель, которую учили в средних школах и университетах, должна быть все-таки поправлена в соответствии с работами команды Тимоти Ричмонда (Timothy Richmond) из Института молекулярной биологии и биофизики EPFZ (Institut de biologie moleculaire et de biophysique de l’EPFZ).


Нуклеосома, первый уровень упаковки.
Двойная спираль ДНК дважды огибает комплекс гистонных протеинов. Точное положение уплотнительного протеина H 1 требует еще уточнения.
Иллюстрация Матиас Бадер (Mathias Bader)

ДНК в клеточном ядре организована в несколько уровней упаковки. Нуклеосома (nucleosome) – комплекс гистонных протеинов (proteines histones), окруженный двойной спиралью ДНК – представляет собой базовую единицу. Каждое клеточное ядро заключает в себе 25 млн. нуклеосом, скрепленных подобно жемчугу в ожерелье. Все учебники по биологии показывают, как эта структура под названием «жемчужное ожерелье» свернута в форме компактной винтообразной структуры, называемой соленоидом, создавая тем самым уровень дополнительной упаковки ДНК.

«Это представление ошибочно», - заявляет профессор Ричмонд. Его команда недавно опубликовала в журналах Science* и Nature** результаты, которые ясно показывают, что так называемая структура «жемчужное ожерелье» ДНК устроена не в форме спирали, а зигзагом.

Зигзаговая структура определяет не только гены, которые активированы, но она также имеет следствием то, что гены, очень удалённые на волокне ДНК, внезапно оказываются поблизости друг к другу. Протеины, служащие для расшифровки ДНК или для регулирования выражения генов, способны тем самым регулировать синхронно и координированно отдаленные генетические информации.

Старый спор

Публикация этих результатов, полученных в рамках Национального исследовательского центра «Структурная биология» (Pole de recherche national «Biologie structurale»), положил конец старому научному спору. «Эта зигзаговая структура была обнаружена еще 20 лет назад», - объясняет Томас Шалх (Thomas Schalch), автор статьи, опубликованной в журнале Nature. В прошлом некоторые ученые уже отдавали приоритет этой гипотезе, но не могли ее доказать по причине недостаточно отработанных техник той эпохи. По мнению исследователя, почти невозможно различить на первый взгляд две структуры: соленоидальную или зигзаговую. Редкие намеки на зигзаговую конфигурацию приписывались техническим недоработкам и ошибкам, совершенным во время экспериментов. Спиралевидная модель в конечном итоге была признана правильной, потому что проще.

Время, посвященное внесению ясности в научном споре, содействовало разработке более точной методологии. Изучение хроматина представляет огромные трудности, главная из которых состоит в том, что хроматин стремится агрегироваться in vitro (в пробирке) в бесформенные клубки. «Поэтому очень сложно определить его структуру», - отмечает Тимоти Ричмонд. И лишь после развития молекулярной биологии стало возможно получить искусственные последовательности ДНК, которые образуют с гистонами четко определённые структуры. Биологи Цюриха смогли изучить in vitro трехмерную структуру комплекса гистонов, используя последовательность ДНК, про которое они знали, что она особенно легко крепится к комплексу гистонов. Таким образом, они смогли воссоздать сердце нуклеосомы в условиях, позволяющим ее кристаллизацию и определение структуры.


Второй уровень упаковки. Вопреки тому, что полагали до сих пор, структура «жемчужного ожерелья» ДНК закручивается не в форме спиралевидной структуры (а), а в форме зигзага (b). Изображения Science

Доверие

Поскольку совокупность результатов базируется исключительно на опытах in vitro, скептики считают, что зигзаговая структура не существует в клеточных ядрах живых организмов. Но профессор верит: «Мы убеждены, что хроматин имеет ту же структуру в живых клетках». Остается кроме того узнать, как другой протеин, гистон Н1, влияет на структуру. Команда из Цюриха не смогла ещё изучить его, но другая работа Тимоти Ричмонда, опубликованная в прошлом году в журнале Science, показывает, что гистон Н1 не изменяет значительно структуру ДНК под названием «жемчужное ожерелье».

Исключительное значение для биологии

Эти впечатляющие результаты были получены благодаря долгим годам исследований. Профессор Ричмонд работает над структурой ДНК уже с постдокторского периода в Кембридже, с конца 1970-х годов. Разделение структуры нуклеосомы в 1997 году в Цюрихе стало знаменательным событием в его исследованиях. Все эти работы внесёны в список фундаментальных исследований и таким образом совсем не направлены к будущим прикладным сферам. Взамен, они имеют исключительное значение для биологии и медицины, так как гистоны обладают важной функцией для регулирования выражения генов. Теперь понятно, что недостаточно знать последовательность ДНК, важно также понимать, как эта последовательность организована в пространстве.


Структура тетрануклеосомы, определенная командой Тима Ричмонда, показывает, что две нуклеосомы, сложенные одна в другую, соединены с двумя другими нуклеосомами, расположенными напротив, посредством прямой нити ДНК. Эти две кипы соответственно сложены в противоположном направлении.

Таким образом, изучение протеинов, которые образуют структуру ДНК, представляет исключительно важный интерес, но до сих пор оставалось без внимания: «Большинство знаний о регулировании выражения генов происходит из изучения бактерий», - подчеркивает Тимоти Ричмонд. В противоположность более развитым организмам, имеющим клеточное ядро, их ДНК – практически «обнажённая», это означает, что регулирование генов совсем немного подвержено влиянию структуры ДНК.

Исследователь убежден, что влияние структуры ДНК на выражение генов высших организмов сих пор было недооценено из-за отсутствия знаний. Но ситуация меняется, эта область исследований, l’epigenetique , приобретает растущее значение.

* Science ,том 306, стр.1571–1573
** Nature, том 436, стр.138–141

Ссылки по теме:

  • Архитектор в царстве молекул
    Благодаря самоассоциирующимся молекулярным элементам Стефан Матиль (Stefan Matile) и его команда из отделения органической химии Университета Женевы смог создать искусственные поры, которые можно использовать как универсальные детекторы химических реакций.
    FNS Horizons №66, Septembre 2005, p. 20-21
    "Architecte au royaume des molecules" par Patrick Roth

  • Федеральная политехническая школа Цюриха (Eidgenossische Technische Hochschule Zurich - ETHZ) - основана в 1855 году, согласно рейтингам лучших университетов мира, является лидирующим университетом Европы в исследованиях и образовании. Федеральная политехническая школа Цюриха (ETH Zurich) - место учебы, исследований и работы 18’000 человек 80 национальностей. Имеет 15 отделений, предлагающих бакалаврские, магистерские и докторские программы в области техники, математики и естественных наук. 21 лауреат Нобелевской премии связан с историей ETH Zurich.
    По-русски - http://www.uni-ch.ru/ethz.htm, по-немецки и по-английски - http://www.ethz.ch/

 

© FNS Horizons, 2005
© uni-CH.RU, перевод с французского, 2006



© uni-CH.RU 1999-2005 | info@uni-ch.ru | 10.02.2006

  Рейтинг@Mail.ru   Rambler's Top100