У кожній клітині людини - за винятком статевих - є 23 пари хромосом, у кожній з яких міститься від 1,7 до 8,5 см ДНК. Якщо витягнути ДНК всіх хромосом в ланцюжок, то її довжина складе близько 2 м. Сумарна ДНК всіх клітин організму набере вже 20 млрд км - цього з запасом вистачить на те, щоб кілька десятків разів протягнути нитку до Сонця і назад. Залишається лише дивуватися, з якою чудовою майстерністю все це упаковано в клітинному ядрі, розмір якого вимірюється в мікрометрах.
ДНК не просто пасивно зберігається, як плівка в касеті. Вона повинна постійно працювати і відкривати інформацію то однієї, то іншої ділянки ланцюжка для зчитування білкам. У результаті клітині доводиться паралельно вирішувати дві практично взаємовиключні завдання. Однак еволюція знайшла дуже витончені підходи, і багато з них ми починаємо розкривати лише в останні роки. Сьогодні в цій області регулярно відбуваються справжні прориви. Вони не тільки багато пояснюють на фундаментальному рівні, а й відкривають дорогу для лікування старих хвороб і створення нових ліків.
Спагетті в желатині
На початку 1970-х вже було прекрасно відомо, що основою спадковості є дезоксирибонуклеїнова кислота, ДНК. У 1953 році Джим Вотсон і Френсіс Крік відкрили її структуру, яка пояснила ключовий механізм копіювання генетичної інформації: подвійна спіраль може розділятися, як застібка-блискавка, після чого на кожній нитці синтезується нова копія, так що в результаті виходять дві двоспіральні молекули.
Однак до того часу вже майже сотню років було відомо, що в клітинному ядрі, крім ДНК, присутня приблизно рівна за масою кількість білків, які разом з нуклеїновою кислотою утворюють якусь «ядерну речовину» - хроматин. І якщо спочатку вважалося, що саме білки служать носіями спадкової інформації, то з виявленням справжньої ролі ДНК роль білків у хроматині виявилася досконалою загадкою.
Намагаючись з'ясувати функції цих білків, вчені з Королівського коледжу Лондона навіть ставили експерименти на моделі, в якій роль ядра грав прозорий контейнер з рідким желатином, а хроматином були варені спагеті. Ретельно збалтуючи банку, британці намагалися розглянути виникнення на її стінках структур, схожих на фрагменти реального ядра під мікроскопом. Якщо вірити авторам, іноді це навіть майже виходило.
Ну а «вишенькою на торті» цих безладних даних стало спостереження Моріса Вілкінса - глави лабораторії, в якій працювали Уотсон і Крік, - який показав, що за допомогою рентгена в клітинних ядрах можна розглянути внутрішні періодичні структури. Пояснити ці дані також не вдавалося.
Курки з Друрі-Лейн
Коли в детективі набирається така велика кількість непрямих доказів, на сцені повинен з'явитися неперевершений сищик, бажано з Лондона, який складе всі шматочки мозаїки в єдину картину. На жаль, в історії хроматину такого не знайшлося, і вийти на розгадку вченим допомогли жителі не Бейкер-стріт, а Друрі-Лейн.
Ця фешенебельна вулиця колись прославилася своїми публічними будинками, потім найстарішим у Лондоні театром, а в майбутньому, можливо, залишиться відома своєю роллю в історії науки. У 1970-х тут розташовувався курник факультету біофізики Королівського коледжу Лондона, і препарати курячої крові, які отримали Ада і Дональд Олінс, допомогли розкрити таємницю хроматину. Виявилося, що якщо правильно підібрати режим екстракції ядерного матеріалу з курячих червоних кров'яних тілець, то можна зловити такий момент, коли ДНК вже здебільшого розплутана, але ще не повністю втратила пов'язані з нею білки. Працюючи з кров'ю курчат з Друрі-Лейн, подружжя Олінс розглянули такі препарати в електронний мікроскоп і побачили характерну картину «намистин на нитці» - нитку ДНК з регулярно нанизаними на неї комплексами білків. Ці намистини - нуклеосоми - виявилися основою організації хроматину у всіх ядерних організмів.
1.6 гігабайту у спадок
На відміну від кремнієвої пам'яті в гаджетах, спадковість у ДНК закодована послідовністю з чотирьох нуклеотидів - аденіну, гуаніну, тиміну та цитозину. Відповідно, кожна «елементарна комірка» може приймати чотири значення, а не два, як у комп'ютерах. Кожному нуклеотиду відповідає два біти інформації, і загальний набір ДНК в 6,5 млрд нуклеотидів (у неполових, соматичних клітинах) містить близько 1,6 ГБ - приблизно по 800 МБ від тата і від мами. Це може здатися несерйозним, але щільність упаковки спадкової інформації лежить далеко за межами всього, що доступно сучасній електроніці. 1,6 ГБ укладені в ядро діаметром близько 6 мкм, та ще в «неархівованому» і готовому для роботи вигляді. Для порівняння, типова щільність запису в найсучасніших жорстких дисках становить близько 1 ТБ на квадратний дюйм. Якщо просто розкласти ДНК на площині, то інформаційна щільність такого носія складе 300 000 ТБ на квадратний дюйм!
Котушки і намистини
Дослідження майбутнього нобелівського лауреата Роджера Корнберга показали, що нуклеосоми схожі не стільки на намистини, скільки на котушки. ДНК не продета крізь них, а намотана навколо комплексу, основу якого утворюють гістони. На той час вони були відомі вченим мало не сотню років. Було показано, що гістони становлять більшу частину ядерних білків, що вони дуже стійкі до зовнішнього впливу і несуть на поверхні позитивні заряди. Але їхня роль в організації хроматину стала великим сюрпризом: вбивцею виявився дворецький.
Виходило, що проблему компактизації ДНК клітина вирішує приблизно так само, як кравці або кабелеукладачі, - намотує її на котушку. Тільки замість однієї великої використовується дуже багато маленьких котушок, по одній штуці на кожні 200 підстав. На кожній нуклеосомі нитка робить лише два витки, і негативно заряджена ДНК надійно пов'язується з позитивними молекулами гістонів.
Це досить несподіване, але зате розумне рішення: з одного боку, маленькі котушки дозволяють ефективно упакувати нуклеїнову нитку, а з іншого - між котушками залишаються значні ділянки «голої» ДНК, де з нею можуть вільно взаємодіяти регуляторні білки. Такі вільні ділянки виступають у геномі в ролі книжкових закладок або міток, що розділяють сектори жорсткого диска.