За последние десятилетия наука о хроматине из чисто описательной цитологической дисциплины превратилась в область системной биологии, активно использующую высокопроизводительное секвенирование для реконструкции пространственной организации генетической «начинки» клеточного ядра.
Под термином «хроматин» понимают комплекс геномной ДНК и белков, в виде которого генетический материал упакован в ядре эукариотической клетки (впрочем, сложная упаковка генома присуща не только эукариотам, а, например, еще и археям).
Этот термин в 1879 году предложил немецкий цитолог Вальтер Флемминг. Он изучал митоз с помощью светового микроскопа и обнаружил, что в определенный момент в ядре клетки появляются легко визуализируемые нитевидные структуры.
Сам Флемминг считал, что введенный им термин надолго не закрепится:
«Слово “хроматин” будет существовать, пока его химическая природа остается неизвестной. Пока же им следует обозначать нитевидные, легко окрашиваемые структуры в ядре делящейся клетки».
Вряд ли Флемминг мог предположить, что через более чем сто лет слово «хроматин» не только не исчезнет из словаря клеточной и молекулярной биологии, но и будет регулярно появляться в заголовках статей ведущих научных журналов, а сама наука о хроматине из области цитогенетики вырастет в динамично развивающееся междисциплинарное направление на стыке биологии, химии и информатики.
Но давайте обо всем по порядку.
Бурное изучение химической природы ДНК, начавшееся в первой половине XX века и завершившееся триумфальным открытием структуры ДНК Уотсоном и Криком, положило начало новой главе в изучении хроматина. В 1960-х годах биологи занялись исследованием белковой составляющей хроматина, а также его эпигенетических модификаций.
Однако несмотря на все успехи «охотников за хроматином», в те годы всё еще не было убедительного ответа на «детский» вопрос: как длинная, очень длинная молекула ДНК (у человека длиной 2 м в каждой клетке) умещается в крошечном пространстве клеточного ядра?
Во второй половине XX века специалисты по электронной микроскопии всерьез занялись изучением пространственной организации хроматина в клеточном ядре и достигли в этом существенных успехов.
Так, в 1974 году была описана нуклеосома — «диск» из восьми молекул гистонов, на который намотана ДНК длиной примерно 200 пар оснований.
Однако попытки идентифицировать с помощью электронной микроскопии в хроматине структуры более высокого порядка дали неоднозначные результаты. Дело в том, что пробоподготовка препаратов для электронной микроскопии приводит к появлению множества артефактов, поэтому ряда структурных элементов хроматина, визуализируемых с помощью электронного микроскопа, в действительности в живой клетке просто нет.
Принципиально новая глава в изучении хроматина открылась на рубеже XX–XXI веков в связи с развитием методов высокопроизводительного секвенирования хроматина. Благодаря приходу биоинформатики в классическую цитологию биологи получили беспрецедентную возможность изучать пространственную организацию хроматина в живой клетке на уровне взаимодействий отдельных участков генома!
Новые методы
Новые методы изучения организации хроматина, которые называют C-методами по названию первого разработанного из них — Chromosome Conformation Capture, — основываются на идее, что фрагменты генома, контактирующие друг с другом и, следовательно, располагающиеся рядом, можно сшить в одну молекулу ДНК, которую далее можно отсеквенировать и узнать последовательности взаимодействующих участков.
Один из самых популярных методов для изучения пространственной организации хроматина — Hi-C. Он позволяет изучать на полногеномном уровне взаимодействия различных участков генома.
«Перелом случился с изобретением метода Hi-C в 2009 году, — рассказывает “Биомолекуле” Екатерина Храмеева, кандидат биологических наук, старший преподаватель Сколтеха,
— Статья с описанием метода Hi-C, вышедшая в Science, насчитывает около 3000 цитирований, что очень много. Hi-C — это, возможно, один из самых сложных протоколов в молекулярной биологии, в основном из-за своей многоступенчатости».
Продолжить путешествие внутрь клеточного ядра можно здесь. Биомолекула благодарит вас за то, что вы прочитали эту статью до конца.
А пока будем рады вашим лайкам и подписке на наш канал — здесь мы рассказываем много интересного из мира науки! 💚