Исследователи измерили силы между нуклеосомами с помощью ДНК-нанопинцетов

Способ упаковки геномной ДНК в ядре клетки определяет паттерны экспрессии генов. Мюнхенские исследователи использовали ДНК-нанопинцеты для измерения сил между нуклеосомами — базовыми упаковочными единицами ядерной ДНК.

Каждая человеческая клетка содержит около двух метров дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК). Эта геномная ДНК упакована в ядро диаметром менее 10 микрометров. Основная упаковочная единица — это частица из белков-гистонов, вокруг которой обёрнута ДНК. Эти структуры, сравнимые с маленькими катушками, называются нуклеосомами. При рассмотрении под электронным микроскопом ДНК, упакованная в нуклеосомы, напоминает бусины на нити.

Следующий уровень упаковки предполагает взаимное взаимодействие нуклеосом, и результирующие структуры высшего порядка ещё не полностью охарактеризованы. Команда учёных под руководством Хендрика Дица из Технического университета Мюнхена и Филиппа Корбера из Биомедицинского центра LMU сделала существенный шаг к решению этой загадки: впервые им удалось напрямую измерить силы притяжения, действующие между нуклеосомами. Результаты опубликованы в журналах Science Advances и Nano Letters.

ДНК-оригами: Интеграция нуклеосом в пинцет

Диц, заведующий кафедрой экспериментальной биофизики в TUM, использует ДНК в качестве строительного материала для создания молекулярных структур — технология, известная как ДНК-оригами. Его команда использовала этот метод для создания структур из двух жёстких ДНК-стержней, соединённых гибким шарниром, который действует как пружина. Их можно использовать как пинцет для измерения силы взаимодействия между нуклеосомами. Одна нуклеосома прикреплена к каждому плечу пинцета. «Мы можем контролировать положение и ориентацию нуклеосом в ДНК-пинцете с очень высокой точностью, — говорит Диц. — Это очень важно для возможности реально измерить взаимодействия».

Исследователи из LMU взяли на себя задачу разработки структур нуклеосом, которые можно интегрировать в пинцет. Филипп Корбер объясняет: «Обычно два двухцепочечных конца ДНК, намотанной вокруг нуклеосомы, находятся очень близко друг к другу. Но нам нужны были два выступающих одноцепочечных участка ближе к середине. Это была серьёзная проблема, поскольку такая конфигурация может дестабилизировать всю структуру. Нашему сотруднику Коринне Лилег тем не менее удалось найти правильные места для этих "ручек"».

Исследователям удалось измерить очень слабое взаимодействие между интегрированными нуклеосомами, эквивалентное силе притяжения 1.6 ккал/моль, на расстоянии около 6 нанометров (нм). Ориентация нуклеосом относительно друг друга практически не влияла на силу. Однако определённые химические модификации в гистоновых белках ещё больше ослабляли взаимодействия.

Проблема 30-нм фибриллы

Результат может помочь разрешить текущий научный спор. Согласно современной теории, нуклеосомы образуют своего рода суперспираль диаметром 30 нанометров — так называемую 30-нм фибриллу. Однако до сих пор эта структура высшего порядка никогда не наблюдалась в живых клетках. Вопрос о том, принимает ли хроматин действительно форму такой суперспирали, остаётся крайне спорным. Действительно, крошечные силы притяжения между нуклеосомами, которые исследователям теперь удалось измерить, по-видимому, противоречат этой теории. «Наши данные указывают на очень мягкие структуры, которые легко деформируются под внешними воздействиями», — говорит Диц.

То, как нуклеосомы организованы в структуры высшего порядка, является фундаментально важным вопросом, поскольку это имеет глубокие последствия для контроля экспрессии генов. Только те гены, которые находятся в относительно некомпактном хроматине, доступны для «активации», позволяющей клеточным механизмам производить кодируемые ими белки.

Регуляция генов через упаковку ДНК нарушается в раковых клетках

«За последние десять лет стало ясно, что многие изменения и мутации, превращающие клетки в раковые, происходят на этом уровне», — говорит Корбер. В раковой клетке нарушаются нормальные механизмы, определяющие, какие гены активны, а какие нет. Геномные области, которые должны быть недоступны, остаются открытыми, и наоборот. «Однако, если дефектна только упаковка, а не сам ген, в принципе должно быть возможно восстановить правильную упаковку».

Исследователи планируют использовать технику молекулярного пинцета для изучения других структур. «В биологии ориентация структур относительно друг друга всегда важна, — говорит Корбер. — Теперь у нас есть своего рода молекулярный зажим, который мы можем использовать для специфического контроля пространственной ориентации структур друг относительно друга».