Организация ДНК в реальном времени: как движение ДНК контролирует активность генов
Хромосомы, хранящие нашу генетическую информацию, находятся в постоянном движении, несмотря на плотную упаковку для размещения в ядре. Это позволяет специфическим регионам вступать в контакт и активировать ген. Группа ученых из Института науки и технологий Австрии (ISTA), Принстонского университета и Института Пастера в Париже визуализировала этот динамический процесс, получив новые данные о физических характеристиках ДНК.
Как ДНК помещается в ядро клетки
ДНК — это полимер, расположенный в ядре каждой клетки. Длина полимера ДНК может достигать метров, в то время как размер ядра составляет порядка микрон. Чтобы поместиться в крошечное ядро, ДНК компактизируется, наматываясь как на катушку, и далее сжимается в форму хромосом.
Несмотря на сильную конденсацию, хромосомы не статичны — они постоянно колеблются. Эти динамические движения очень важны. Для активации конкретного гена два региона на полимере, называемые энхансер и промотор, должны сблизиться и связаться друг с другом. Только тогда клеточные механизмы считывают информацию гена и образуют молекулу РНК, что в конечном итоге приводит к синтезу белков.
Визуализация регионов гена
Экспериментальные ученые из Принстона разработали метод отслеживания этих двух элементов ДНК в течение определенного времени в эмбрионе мухи. С помощью генетических манипуляций элементы ДНК были мечены флуоресцентно: энхансерный регион светился зеленым, а промоторный — синим. Используя live imaging (микроскопию живых клеток с интервальной съемкой), ученые смогли визуализировать движение флуоресцентных точек в эмбрионах мух.
Когда две точки сближались, ген активировался, и включалось дополнительное красное свечение, так как РНК также была помечена красными флуорофорами. Это дало визуальную информацию о моменте контакта энхансера и промотора и много данных об их траекториях движения.
ДНК плотно упакована и демонстрирует быстрое движение
Для анализа большого набора данных о стохастическом движении были применены две упрощенные физические модели:
- Модель Рауза: предполагает, что каждый мономер полимера — это упругая пружина. Предсказывает рыхлую структуру и быструю диффузию (случайное движение, при котором регионы гена иногда встречаются).
- Модель «фрактального глобула»: предсказывает очень компактную структуру и, следовательно, медленную диффузию.
Удивительно, но данные показали, что система описывается комбинацией этих двух моделей — высокой плотностью упаковки, ожидаемой от модели фрактального глобула, и диффузией, которая описывается статистикой модели Рауза.
Из-за сочетания плотной упаковки и быстрого движения связывание этих двух регионов гена зависит от расстояния между ними вдоль хромосомы гораздо меньше, чем предполагалось ранее. Если такая система постоянно находится в жидком и динамическом состоянии, дальняя коммуникация происходит намного эффективнее.
Это исследование объединяет миры биологии и физики, давая новое понимание характеристик хромосомы, что может помочь детальнее изучить взаимодействие и активацию генов.