3. Функциональная компартментализация ядра

При рассмотрении механизмов реализации генетической информации на уровне транскрипции и посттранскрипционных модификаций РНК чаще всего не принимается во внимание пространственная внутриклеточная организация макромолекулярных комплексов, обеспечивающих осуществление этих механизмов. Имеются, по крайней мере, две причины, по которым такого рода вопросам в современных исследованиях уделяется недостаточное внимание. Во-первых, большинство молекулярно-генетических исследований механизмов транскрипции проводится в бесклеточных системах, где вполне удовлетворительно выявляются отдельные компоненты функциональных макромолекулярных комплексов и их биохимические функции. Во-вторых, такие эксперименты сопряжены со значительными методическими сложностями и в настоящее время, как правило, ограничиваются различными приложениями микроскопии в сочетании с молекулярными зондами. Однако переход с фундаментального молекулярного уровня исследований в бесклеточных системах ("метаболического котла") на более высокий, учитывающий пространственную организацию биохимических процессов, неизбежен, так как именно на нем реализуются жизненно важные принципы интеграции и регуляции метаболизма живого организма во всех его проявлениях.

Концепция функциональной компартментализации эукариотической клетки в настоящее время общепринята и основывается на признании существования многочисленных внутриклеточных органелл, одной из которых является ядро. Наличие дискретных микрокомпартментов в отдельных органеллах менее очевидно, однако реально подтверждается в эксперименте. Результаты, полученные при использовании нескольких независимых подходов, указывают на компартментализацию процессов репликации, транскрипции и процессинга РНК в эукариотических ядрах. Так, синтез ДНК и РНК тонко организован во времени и пространстве. Интерфазные хромосомы занимают в ядрах вполне определенные микрокомпартменты (хромосомные зоны или территории) и не перемешаны друг с другом. При этом их пространственная структура высокоупорядочена.

1. Интерфазные хромосомы в ядре

В разделе 1.3 уже кратко обсуждался петельно-доменный уровень структурной организации хромосом эукариот, который отражает разделение интерфазных хромосом на дискретные домены по функциональному признаку. Наибольшее число экспериментальных данных в пользу наличия таких функциональных доменов было получено в исследованиях хромосом дрозофилы в связи с мозаичным эффектом положения, в которых использовались методы генетического анализа в сочетании с цитологическими наблюдениями политенных хромосом. Феномен эффекта положения и молекулярные механизмы, лежащие в его основе, будут более подробно рассмотрены в разделе 3.2.4. Говоря коротко, эффект положения заключается в том, что перенос активно транскрибируемых генов к неактивным гетерохроматизированным участкам хромосом часто сопровождается значительным подавлением транскрипционной активности генов в их новом положении на хромосоме. Возможен поиск генов, ингибирующих или усиливающих эффект положения генов-репортеров, уровень экспрессии которых легко устанавливается фенотипически, например по изменению интенсивности окраски глаз. Многие из идентифицированных таким образом генов кодируют структурные компоненты хроматина или ферменты, ковалентно модифицирующие эти компоненты.

Эффект положения рассматривается в настоящее время в качестве универсального явления, характерного для всех эукариотических хромосом. Он наглядно демонстрирует наличие в интерфазных хромосомах высокоупорядоченной доменной структуры, тесно связанной с транскрипционной активностью соответствующих участков генома. Распределение участков хроматина с разным уровнем конденсированности в интерфазных хромосомах упорядочено и, по-видимому, является видовым признаком организма. Имеются указания на то, что структурные компоненты конденсированного хроматина оказывают влияние на пространственное расположение соответствующих частей хромосом в ядре. Следовательно, такая их микрокомпартментализация может играть важную роль в регуляции экспрессии генов.

Уже в ранних цитологических экспериментах (С. Рабл, 1885 г.) было показано, что теломерные участки хромосом клеток слюнных желез саламандр располагаются вблизи ядерной оболочки. В настоящее время установлена локализация на периферии ядер теломер политенных хромосом дрозофилы, а также теломерных участков хромосом Schizosaccharomyces pombe в фазе G₂ клеточного цикла. С помощью конфокальной иммунофлуоресцентной микроскопии продемонстрировано, что перинуклеарную локализацию теломер дрожжей S. cerevisiae обеспечивают, по крайней мере, два белка – Sir3 и Sir4 (silent information regulators), которые также требуются для наследуемой инактивации генов в специфических доменах хромосом, расположенных в локусе, определяющем тип спаривания у дрожжей, и вблизи теломерных последовательностей. В такого рода экспериментах была установлена связь между ядерной локализацией конкретных участков хромосом и их транскрипционной активностью.

В отличие от теломерных участков хромосом, активно экспрессирующиеся гены локализуются преимущественно во внутренних частях интерфазных ядер. При этом, по мнению Д.Б. Лоуренса и соавторов (1993 г.), отдельные гены внутри ядер располагаются упорядоченно. В частности, было установлено, что активно транскрибируемые гены вируса Эпштейна–Барр и онкогена neu находятся в разных местах внутренних 50% ядерного объема, а ген дистрофина – вблизи ядерной оболочки. В этой серии экспериментов три неактивных гена, кодирующих альбумин, тяжелую цепь сердечного миозина и нейротензин, локализовали в составе конститутивного гетерохроматина на периферии ядер или вблизи ядрышка. Используя микрооблучение ультрафиолетовым светом и гибридизацию с зондами, показали, что отдельные хромосомы занимают внутри ядра дискретные, хотя и обширные, территории. Компоненты аппарата сплайсинга обнаруживают в ядрах на периферии территорий, занимаемых индивидуальными хромосомами, так же как и треки синтезируемой РНК (см. ниже). В соответствии с моделью Т. Кремера (1993 г.), внутриядерное пространство между территориями, занимаемыми индивидуальными хромосомами, представляет собой единый компартмент, в котором происходят транскрипция, сплайсинг, созревание транскриптов и их транспорт. Этот компартмент тесно ассоциирован с активно транскрибируемыми генами, которые располагаются на периферии хромосомных территорий в составе выступающих петель хроматина. Несмотря на большую функциональную важность обсуждаемого вопроса, истинная природа интерфейса между активными генами отдельных хромосомных территорий и межхроматиновым компартментом остается неясной из-за слабого понимания пространственной структуры ДНК на высших уровнях ее упаковки в хромосомах.