ДНК «танцует»: первое объяснение движения генетического материала в ядре клетки

Новые симуляции показали, что ДНК течёт внутри ядра клетки, как в поставленном линейном танце. Это первое крупномасштабное объяснение того, как генетический материал движется в работающей клетке.

«Предыдущие работы в основном фокусировались на том, что происходит с ДНК на микроуровне», — говорит соавтор исследования Майкл Шелли. — «Люди не особо задумывались о том, что происходит в большем масштабе».

Шелли и коллеги смоделировали движение хроматина — функциональной формы ДНК внутри ядра. Хроматин похож на бусы на нитке: шарообразные скопления генетического материала связаны нитями ДНК. Исследователи предполагают, что молекулярные машины вдоль ДНК заставляют сегменты хроматина выпрямляться и натягиваться. Это выравнивает соседние нити в одном направлении. Такое выравнивание, в свою очередь, приводит к каскадному «вальсу» генетического материала, перемещающемуся по ядру.

Этот «танец» ДНК может играть роль в экспрессии генов, репликации и ремоделировании, хотя точные эффекты остаются неясными. Результаты были опубликованы онлайн 22 октября в Proceedings of the National Academy of Sciences.

Полученные данные помогают объяснить измерения, о которых сообщили в 2013 году учёные, включая Александру Зидовску из Гарвардского университета. Помимо известных мелкомасштабных движений отдельных генов, эксперимент выявил большие области хроматина, которые синхронно смещались в ядре клетки со скоростью доли микрона за несколько секунд. Однако учёные не смогли определить причину или детали этого движения.

Шелли имел опыт изучения того, как плавают микробы. Схожая физика заставила его заинтересоваться механизмом миграции ДНК. Для расследования он объединился с Дэвидом Сентийяном из Калифорнийского университета в Сан-Диего и Зидовской, ныне работающей в Нью-Йоркском университете.

Исследователи изучили два способа, которыми молекулярная машина вдоль молекулы ДНК может двигать близлежащий генетический материал: притягивая и отталкивая. Молекулярная машина не может прилагать результирующую силу. Это означает, что, притягивая один фрагмент ДНК, она должна удерживать и тянуть что-то ещё. Две силы, тянущие внутрь, компенсируют друг друга, давая нулевую результирующую силу и заставляя сегмент ДНК сокращаться. Если же машина, наоборот, толкает наружу, силы аналогично компенсируются, и сегмент ДНК удлиняется.

Эти сокращения и удлинения происходят внутри вязкой жидкости, заполняющей ядро клетки. Движение ДНК создаёт поток в жидкости, который может переориентировать соседние участки молекул.

С помощью компьютерного моделирования исследователи изучили, как сокращение и удлинение влияют на клубок хроматина, заключённый в сферическом ядре. Когда участки ДНК сокращались, возникающий поток направлял соседние нити в другую сторону, блокируя любые скоординированные движения. Удлинение создавало потоки жидкости, которые выравнивали соседнюю ДНК в одном направлении. Это выравнивание приводило к каскадному эффекту, сдвигающему большие участки ДНК в одну сторону.

«Это похоже на то, как часть ядра вдруг решает, что мы все немного сдвинемся в эту сторону, затем другой кусочек говорит, что мы все сдвинемся в другую сторону», — говорит Шелли. — «Хроматин как бы бродит вокруг».

Шелли предполагает, что это покачивание ДНК может помочь распределить по ядру молекулярные машины, ответственные за экспрессию конкретного гена. Чтобы точно это выяснить, потребуются более сложные симуляции, а также дополнительные эксперименты по изучению того, как хроматин «отплясывает».