Ученые разрешили спор о структуре центромеры, обнаружив ее динамические изменения

Исследователи из Института медицинских исследований Стоуэрс разработали инновационный метод подсчета флуоресцентных молекул в кластере и применили его, чтобы разрешить давний спор в клеточной биологии о том, как ДНК формирует уникальную хромосомную структуру — центромеру. Понимание ее архитектуры объясняет, как клетки избегают ошибок деления и катастрофических последствий неправильного числа хромосом.

Центромеры располагаются в точке перекрестия «X»-образной дуплицированной хромосомы и связывают ее нити перед делением. За них «цепляется» клеточный аппарат, чтобы растащить хромосомы к полюсам клетки.

Было известно, что в центромере формируется нуклеосома — участок ДНК, намотанный на белковое ядро. В его состав входит уникальный белок Cse4 (у дрожжей). Однако общая архитектура этой нуклеосомы оставалась неизвестной. Дженнифер Гертон, Ph.D., и ее коллеги использовали визуализацию в живых клетках, чтобы раскрыть состав белкового ядра центромеры. Исследование опубликовано 20 июля 2012 года в журнале Cell.

«Понимание центромер критически важно для поддержания целостности генома», — говорит Гертон. — «Потеря хромосомы катастрофична для любой клетки. Если это происходит в половых клетках, это связано с такими состояниями, как синдром Дауна».

Ранее было предложено как минимум 6 различных моделей структуры центромеры. «Мы обнаружили, что центромерные нуклеосомы меняют свою структуру во время клеточного деления, — объясняет Гертон. — Это объясняет, почему разные группы наблюдали разные структуры: они, вероятно, смотрели на разные фазы клеточного цикла».

Для решения вопроса научные советники Института Джей Анру, Ph.D., и Брайан Слоттер, Ph.D., объединили два метода микроскопии. Они исследовали дрожжевые клетки, экспрессирующие белок Cse4, помеченный зеленым флуоресцентным белком (GFP). Это позволило отследить и подсчитать количество молекул Cse4 в центромерной нуклеосоме живой клетки.

У дрожжей 16 хромосом, каждая с одной центромерой. Если бы каждая центромера содержала только одну копию Cse4, то флуоресцентная точка в клетке должна быть в 16 раз ярче, чем одна молекула GFP. Именно такой сигнал ученые наблюдали перед началом деления. Однако на стадии анафазы, когда хромосомы расходятся к полюсам, интенсивность сигнала возрастала.

«К нашему удивлению, мы быстро поняли, что наблюдаем 16 молекул Cse4-GFP в начале клеточного цикла и 32 молекулы Cse4-GFP в анафазе», — говорит Слоттер. — «Это означало, что состав комплекса меняется».

Дальнейший анализ показал, что при входе в анафазу один из компонентов центромерной нуклеосомы вытесняется из ядерного комплекса и заменяется дополнительной молекулой Cse4. Это меняет форму и размер центромеры.

Команда под руководством первого автора Манджунаты Шивараджу, Ph.D., подтвердила эти находки другими методами. Они обнаружили свидетельства взаимодействия двух молекул Cse4 в центромере во время анафазы, чего не наблюдалось в остальные фазы цикла.

Данная работа публикуется одновременно с параллельным исследованием на человеческих клетках, проведенным Ямими Далал, Ph.D., из Национального института рака. «Время структурных изменений различается у дрожжей и человека, и мы визуализировали нуклеосомы иначе, но наши выводы одинаковы: центромеры человека и дрожжей претерпевают сходные динамические изменения в ходе клеточного цикла», — отмечает Гертон.

«Большинство раковых клеток — анеуплоидны [имеют аномальное число хромосом]», — говорит Шивараджу. — «Знание о том, что центромеры проходят через эту структурную осцилляцию, может рассказать нам, как анеуплоидия возникает на молекулярном уровне».

Гертон также подчеркивает, что работа подтверждает ценность дрожжей как модельного организма: «Тот факт, что структура нуклеосомы консервативна между человеком и дрожжами, показывает, что дрожжи — фантастическая модель для изучения молекулярных механизмов деления клеток».