ИСТИНА

Изучение конденсации ДНК важно как с фундаментальной точки зрения для понимания механизмов функционирования и выживания микроорганизмов, так и с практической, медицинской, т.к. упорядоченная конденсация ДНК обеспечивает антибиотикоустойчивость микроорганизмов, что представляет одну из важнейших медицинских проблем современности. ДНК - длинный, сильно заряженный гетерополимер. В разбавленном растворе при диаметре около 2 нм длина ДНК может составлять несколько сантиметров. Диаметр бактерии Escherichia coli (простейший, наиболее изученный, прокариатический одноклеточный микроорганизм) составляет около 0,5 μ, длина не превышает 2 μ. ДНК локализована в пределах нуклеоида, который занимает 15% - 25% объема клетки. Столь драматичное уменьшение объема, занимаемого ДНК - следствие ее конденсации. У конденсации ДНК есть определенное сходство с самоорганизацией белков. Конденсация ДНК, однако, отличается от сворачивания белка: уникальная глобулярная структура не образуется. Современными методами молекулярной биологии (3С, Hi-C) удалось обнаружить, что организация ДНК различна в разных клетках. ДНК в нуклеоиде находится в локальном, а не в глобальном минимуме энергии. В каждой клетке ДНК имеет свою конформацию. Бактериальный нуклеоид эволюционно является промежуточным инженерным решением между свободной (от белка) упаковки ДНК в вирусах и полностью определяемой белками (гистонами) упаковкой ДНК в эукариотических клетках. В вирусах двойная спираль ДНК может иметь различные типы жидкокристаллической упаковки. В эукариотах заряженные белки (гистоны) формируют совместно с ДНК нуклеосомы. Нуклеосомы складываются и, после нескольких сжатий, образуют хроматин хромосомы. По окончании экспоненциальной фазы роста клетки и переходе в стационарную фазу начинает сказываться недостаток пищи (голодание). Универсальным ответом Escherichia coli на стресс голодания является усиление синтеза специфических гистоноподобных белков DPS, которые связываются с ДНК. В условиях голода DPS становятся очень активными и могут сильно изменять структуру бактериальной ДНК (хромосомы). При стрессе голодания поддержание упорядоченности динамическим способом становится невозможным, и бактерии задействуют другой, энергонезависимый механизм поддержания упорядоченности и защиты жизненно важных структур (ДНК) – создание устойчивых молекулярных структур, как в неживой природе. Одним из механизмов является внутриклеточная нано(био)кристаллизация ДНК с DPS (о других конденсированных состояниях ниже). Этот механизм помогает избежать повреждения нуклеоида и дает возможность возобновления активности бактериальных клеток при улучшении внешних условий. Клетки в популяции не идентичны, они гетерогенны. Можно ожидать различной упаковки ДНК в разных клетках популяции. Промежуточное инженерное решение для бактериального нуклеоида означает, что, изучая бактериальные клетки, мы должны увидеть конденсацию ДНК, присущую не только собственно бактериальным клеткам (внутриклеточные нанокристаллы), но и конденсацию, подобную конденсации в вирусах и эукариотах (т.е. жидкокристаллические и нуклеосомоподобные структуры). Используя модификации электронной микроскопии, электронной томографии и рентгеновского рассеяния синхротронного излучения, мы установили, что в популяции покоящихся (голодающих) клеток не существует единого способа конденсации ДНК. Обнаружено существование нескольких типов структур, а именно: нанокристаллическая, жидкокристаллическая и новая, свернутая нуклеосомоподобная структура. Неоднородность (гетерогенность) клеток позволяет гибко реагировать на изменения окружающей среды и повышает способность популяции выживать в стрессовых условиях. Неоднородность является причиной наблюдения несколько типов структурной конденсации ДНК в покоящихся клетках Escherichia coli. К настоящему времени упорядоченные молекулярные структуры удалось наблюдать в ряде бактерий, спорах бактерий, в поверхностных слоях бактерий и архей, в вирусных частицах, что позволяет выдвинуть гипотезу о существовании некого общего механизма энергонезависимого, статического поддержания упорядоченности живыми организмами простейшего уровня сложности в условиях действия неблагоприятных внешних факторов. Накопленный опыт позволяет утверждать, что для дальнейшего изучения конденсации ДНК в клетках следует использовать, наряду с перечисленными методами, самую современную криоэлектронную и рентгеновскую микроскопии.