МОЛЕКУЛЯРНАЯ БИОЛОГИЯ, 2015, том 49, № 1, с. 26-45
= ОБЗОРЫ =
УДК 576.315
КОМПАРТМЕНТАЛИЗАЦИЯ КЛЕТОЧНОГО ЯДРА И ПРОСТРАНСТВЕННАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ ГЕНОМА
© 2015 г. А. А. Гаврилов1*, С. В. Разин1,2
Институт биологии гена Российской академии наук, Москва 119334 2Биологический факультет Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова, Москва 119992
Поступила в редакцию и принята к печати 08.07.2014 г.
Ядро эукариотической клетки — одна из наиболее сложно устроенных органелл. Несмотря на отсутствие мембран, ядерное пространство разделено на множество компартментов, в которых происходят различные процессы, связанные с активностью генома. К важнейшим ядерным компартментам относятся ядрышки, ядерные спеклы, РМЬ-тельца, тельца Кахаля, тельца гистоновых локусов, Ро1усотЬ-тельца, инсуляторные тельца, транскрипционные и репликационные фабрики. Структурной основой для ядерной компартментализации служит сама геномная ДНК, занимающая большую часть ядерного пространства. Ядерные компартменты, в свою очередь, направляют пути укладки хромосом, предоставляя площадку для пространственного взаимодействия индивидуальных геномных локусов. В настоящем обзоре мы обсудим общие принципы пространственной организации интерфазных хромосом, сконцентрировав внимание на вопросах хромосомных территорий и хроматиновых доменов, а также рассмотрим структуру и функции важнейших ядерных компартментов. Мы покажем, что функциональная ком-партментализация клеточного ядра тесно связана с пространственной организцией генома, и что подобная форма организации высоко динамична и базируется на стохастических процессах.
Ключевые слова: ядерные компартменты, пространственная организация генома, топологически-ассо-циированные домены, ламино-ассоциированные домены, ядрышко-ассоциированные домены, хромосомные территории, репликационные фабрики, транскрипционные фабрики, Ро1усотЬ-тельца, инсуляторные тельца, РМЬ-тельца, тельца Кахаля, тельца гистоновых локусов, ядерные спеклы.
COMPARTMENTALIZATION OF THE CELL NUCLEUS AND SPATIAL ORGANIZATION OF THE GENOME, by A. A. Gavrilov1*, S. V. Razin12 ^Institute of Gene Biology, Russian Academy of Sciences, Moscow, 119334 Russia; 2Biology Department, Moscow State University, Moscow, 119992 Russia; *e-mail: aleksey.gavrilov@mail.ru). The eukaryotic cell nucleus is one of the most complex cell organelles. Despite the absence of membranes, the nuclear space is divided into numerous compartments where different processes involved in the genome activity take place. The most important nuclear compartments include nucleoli, nuclear speckles, PML bodies, Cajal bodies, histone locus bodies, Polycomb bodies, insulator bodies, transcription and replication factories. The structural basis for the nuclear compartmentalization is provided by genomic DNA that occupies most of the nuclear volume. Nuclear compartments, in turn, guide the chromosome folding by providing a platform for the spatial interaction of individual genomic loci. In this review, we discuss fundamental principles of higher order genome organization with a focus on chromosome territories and chromosome domains, as well as consider the structure and function of the key nuclear compartments. We show that the functional compartmentalization of the cell nucleus and genome spatial organization are tightly interconnected, and that this form of organization is highly dynamic and is based on stochastic processes.
Keywords: nuclear compartments, genome spatial organization, topologically associated domains, lamina associated domains, nucleolus associated domains, chromosome territories, replication factories, transcription factories, Polycomb bodies, insulator bodies, PML bodies, Cajal bodies, histone locus bodies, nuclear speckles.
DOI: 10.7868/S0026898415010036
Принятые сокращения: мякРНК — малые ядрышковые РНК; мяРНК — малые ядерные РНК; РНП — рибонуклеопротеид; FISH (fluorescence in situ hybridization) — флуоресцентная in situ гибридизация; HiC (high-throughput chromosome conformation capture) — высокопроизводительная фиксация конформации хромосомы; SINE (short interspersed element) — короткие перемежающиеся повторы.
* Эл. почта: aleksey.gavrilov@mail.ru
ВВЕДЕНИЕ
Ядерный компартмент можно определить как место в клеточном ядре, где концентрируется определенный набор макромолекул. Ядерные компарт-менты часто отождествляют с так называемыми ядерными тельцами — функционально зависимыми агрегатами макоромолекул, вовлеченными в различные процессы, происходящие в клеточном ядре [1—4]. Наиболее узнаваемый компартмент этого типа — ядрышко (рис. 1а). Другие компартменты включают в себя следующие типы (но не ограничиваются ими): околоядрышковый компартмент, тельца Кахаля, PML (ND 10)-тельца, тельца ги-стоновых локусов, спеклы, транскрипционные и репликационные фабрики (рис. 1). Большинство этих компартментов впервые обнаружили с помощью световой и электронной микроскопии. Так, тельца сплайсинга, которые могут быть выявлены путем окрашивания малых ядерных РНК (мяРНК) и белков, вовлеченных в сборку сплай-сосомы (например, 8С35), впервые описали как гранулы в межхроматиновом пространстве, видимые в электронный микроскоп. Схожим образом с помощью световой микроскопии в нейронах позвоночных животных были визуализированы тельца Кахаля. Развитие техники иммуноокра-шивания параллельно с идентификацией белков, входящих в состав ядерных телец, позволило осуществлять быструю визуализацию ядерных телец с их последующим анализом с помощью конфокальной микроскопии.
Долгое время ядерные тельца изучали независимо от пространственной организации интерфазных хромосом. Между тем, всегда было известно, что геномная ДНК участвует в биогенезе многих ядерных компартментов. К примеру, ядрышки формируются вокруг транскрибирующихся генов рРНК. Многие ядерные компартменты собираются вокруг определенных геномных локусов, например тельца гистоновых локусов, а также транскрипционные и репликационные фабрики. Даже если геномная ДНК не вовлечена непосредственно в сборку ядерных компартментов (как в случае спеклов, параспек-лов, PML-телец и некоторых других компартментов), она по-прежнему играет весомую роль в позиционировании этих компартментов, поскольку ядерное пространство заполнено хроматином, в то время как указанные компартменты локализованы в свободных от хроматина участках. Таким образом, можно утверждать, что геном, упакованный в пространстве ядра, составляет основу ядерной компартментализации, которая, в свою очередь, прямо связана с активностью генома [5—8]. Кроме того, следует отметить, что некоторые хро-матиновые структуры также нередко причисляют к ядерным компартментам, например кластеры центромерного гетерохроматина (хромоцентры), периламеллярный (периферический) и околояд-
рышковый слои (рис. 1б) [9], Polycomb-тельца и некоторые другие компартменты. Наконец, пространство, занятое хроматином, и так называемый межхроматиновый домен (рис. 1в) [10, 11] тоже представляют собой вполне определенные пространственные компартменты, хотя и не соответствуют определению ядерного компартмента, данному в начале.
В настоящем обзоре мы рассмотрим в деталях взаимозависимость между генной активностью, пространственной организацией хромосом и функциональной компартментализацией клеточного ядра.
ПРОСТРАНСТВЕННАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ ГЕНОМА
Общие принципы укладки хромосом, хроматиновые домены
В эукариотических клетках очень длинная нить ДНК (гаплоидный набор хромосом человека содержит около 2 м ДНК) упакована в сравнительно небольшом объеме клеточного ядра, обычно диаметром около 10 мкм. Несмотря на многократную компактизацию, ДНК остается доступной для таких процессов, как транскрипция и репликация. Механизмы упаковки ДНК в хроматин вот уже 40 лет составляют предмет интенсивных научных исследований. Считается, что ДНК компактизуется на нескольких иерархических уровнях, первый из которых — наматывание ДНК на октамер гисто-нов с образованием нуклеосом [12]. Предполагается, что нуклеосомная цепь сворачивается далее в так называемую 30 нм фибриллу, которая формирует дополнительные петли или другие супер-скрученные структуры. Из всех этих структур детально охарактеризована только нуклеосомная частица [13]. Структура 30 нм фибриллы остается неясной [14], и само существование этой фибриллы в живых клетках ставится под сомнение рядом авторов [15—19]. Что касается высших уровней упаковки хроматина, то имеющиеся экспериментальные данные настолько противоречивы, что построение интегрированной картины пространственной организации генома не представляется возможным [19—21].
Принципиальная сложность долгое время заключалась в недостатке экспериментальных подходов, позволяющих изучать укладку нити ДНК в интактном ядре. Появление метода фиксации конформации хромосомы (Chromosome Conformation Capture, 3C) [22], основанного на принципе in situ лигирования близко расположенных фрагментов ДНК [23], и развитие полногеномных подходов на основе метода 3С (в частности, HiC) [24, 25] позволили существенно продвинуться в решении вопросов, связанных с пространственной организацией генома. Кроме опи-
сания многочисленных примеров пространственного взаимодействия между удаленными регуляторными элементами, такими как промоторы, энхансеры и инсуляторы [26—30], по результатам HiC-анализа была предложена модель глобулярной организации генома [17]. Согласно этой модели геном подразделяется на топологически изолированные глобулярные домены, именуемые топологически ассоциированными доменами (topologically associated domains, TAD), или просто топологическими доменами (рис. 1г). Эти домены имеют средний размер около 1 млн.п.н. в клетках человека и мыши [31] и 100 т.п.н. в клетках дрозофилы [32]. Участки генома, расположенные в пределах одного топологического домена, контактируют друг с другом более часто, чем участки из разных доменов. Разбиение генома на домены консервативно в клетках разного типа одного организма и даже у организмов родственных таксонов, таких как человек и мышь [31]. Это свидетельствует о том, что геномные элементы
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.