Учёные впервые детально рассмотрели внутреннюю структуру капель конденсированной ДНК
Внутри человеческих клеток биология совершила величайшую упаковку: ей удалось уместить около двух метров ДНК в ядро, размер которого примерно в десять раз меньше толщины человеческого волоса, сохранив при этом функциональность молекул.
Для сжатия ДНК наматывается на белки, образуя нуклеосомы, которые соединяются, как бусины на нити. Эти нити сворачиваются в компактные хроматиновые волокна, которые дополнительно конденсируются внутри ядра.
Механизм этой дополнительной конденсации был неясен. В 2019 году исследователь HHMI Майкл Розен и его команда из Медицинского центра UT Southwestern сообщили, что синтетические нуклеосомы, созданные в лаборатории, собираются в безмембранные капли — конденсаты. Это происходит в процессе фазового разделения, подобного образованию капель масла в воде, который, как считают учёные, имитирует компактизацию хроматина в клетках.
Взгляд внутрь хроматиновых конденсатов
Эти хроматиновые конденсаты, состоящие из сотен тысяч быстро движущихся молекул, обладают эмерджентными свойствами — поведением, которое отсутствует у отдельных молекул, но проявляется, когда они работают вместе. Эти свойства определяют, как формируются капли и поддерживают свои физические характеристики.
Чтобы лучше понять эти качества, которые могут помочь узнать, как хроматин уплотняется в клетках, учёным необходимо заглянуть глубоко внутрь капель и изучить отдельные хроматиновые волокна и нуклеосомы.
Теперь Розен и его команда вместе с исследователями под руководством Элизабет Виллы (Калифорнийский университет в Сан-Диего), Росаны Коллепардо-Гевары (Кембриджский университет) и Чжихэна Ю (кампус Janelia Research Campus HHMI) выяснили, как это сделать.
Используя передовую визуализацию в Janelia, они получили самые детальные на сегодняшний день изображения молекул внутри синтетических хроматиновых конденсатов, впервые увидев, как хроматиновые волокна и нуклеосомы упакованы внутри капелевидных структур. Этими же методами команда также визуализировала и проанализировала нативный хроматин в клетках.
Их работа опубликована в журнале Science.
Понимание формирования конденсатов
Эти визуализации в сочетании с компьютерным моделированием и световой микроскопией позволили команде изучить структуры и взаимодействия отдельных молекул внутри синтетических хроматиновых конденсатов, что дало начало пониманию того, как формируются и функционируют капли.
Команда обнаружила, что длина линкерной ДНК, соединяющей нуклеосомы, влияет на расположение структур, что, в свою очередь, определяет взаимодействия между хроматиновыми волокнами и сетевое строение конденсатов.
Эти физические особенности помогают объяснить, почему одни хроматиновые волокна лучше подвергаются фазовому разделению, чем другие, и почему конденсаты, образованные разными типами хроматина, имеют разные эмерджентные материальные свойства. Исследователи также обнаружили, что синтетические конденсаты, полученные в лаборатории, структурно имитируют компактизированную ДНК внутри клеток.
«Эта работа позволила нам впервые связать структуры отдельных молекул с макроскопическими свойствами их конденсатов, — говорит Розен. — Я уверен, что мы только в начале пути — мы и другие исследователи придумаем ещё более совершенные способы установления этих структурно-функциональных взаимосвязей на мезо- (промежуточном) уровне».
План для изучения конденсатов
Помимо хроматина, новая работа предоставляет план для изучения и понимания организации и функции многих типов биомолекулярных конденсатов. Эти безмембранные капли выполняют множество важных функций по всей клетке — от регуляции экспрессии генов до реакции на стресс.
Понимание того, как формируются и функционируют эти капелевидные структуры, может помочь исследователям понять, что происходит, когда конденсация идёт неправильно — потенциальный фактор, способствующий различным заболеваниям, от нейродегенеративных состояний до рака.
«Благодаря этому исследованию мы лучше поймём, как аномальная конденсация может привести к различным заболеваниям и, потенциально, это поможет нам разработать новое поколение терапевтических средств», — говорит Хуабин Чжоу, постдокторант в лаборатории Розена и ведущий автор нового исследования.