Эухроматин в живых клетках оказался конденсированным, а не открытым
Исследование показало, что ДНК и связанные с ней белки в активных областях генома конденсированы, но на молекулярном уровне ведут себя как вязкая жидкость. Это открытие значительно расширяет понимание физической природы экспрессируемых участков генома в живых человеческих клетках.
Геном человека обладает огромной способностью к компактизации. Если вытянуть все 46 хромосом в одну линию, их общая длина составит два метра, однако они упакованы в ядро диаметром всего около десяти микрометров. Для этого нити ДНК наматываются на группы гистоновых белков, формируя нуклеосомы. Нуклеосомы вместе с другими белками складываются в более компактные структуры — хроматин. Несмотря на технологический прогресс, физические характеристики активного, или эухроматина, оставались загадкой.
Новое исследование раскрывает, что в живых человеческих клетках эухроматин конденсирован, а не деконденсирован и открыт, и на уровне нуклеосом ведёт себя как жидкость. На уровне хромосом (микрометровый масштаб) хроматин стабилен и ведёт себя как твёрдое тело, что может ограничивать повреждения ДНК, уменьшая запутывание длинных молекул.
Группа под руководством профессора Кадзухиро Маэсимы из SOKENDAI и Национального института генетики исследовала эухроматин, чтобы определить его физические характеристики. Команда использовала комбинацию геномики, визуализации отдельных нуклеосом и компьютерного моделирования.
Ранее считалось, что эухроматин имеет открытую, менее конденсированную конформацию, чтобы крупные белки, участвующие в транскрипции, могли получить доступ к ДНК. Вместо этого исследователи обнаружили, что эухроматин в живых клетках формирует конденсированные домены, которые на уровне отдельных нуклеосом ведут себя как вязкая жидкость, а на хромосомном уровне — как твёрдое тело.
Результаты были опубликованы 5 апреля в Science Advances.
«Мы показали, что эухроматин в живых человеческих клетках не обязательно существует в виде открытых структур, а по сути формирует конденсированные домены», — заявил Маэсима.
Исследователи вводили в живые клетки флуоресцентно меченые нуклеотиды и визуализировали нуклеосомы с помощью микроскопов сверхвысокого разрешения. «Нуклеосомы, основные единицы хроматина, флуктуировали и вели себя как жидкость внутри конденсированных доменов эухроматина», — пояснил Маэсима. Это наблюдение бросает вызов традиционным представлениям.
«Динамичное, жидкообразное поведение нуклеосом позволяет осуществлять активную транскрипцию даже в конденсированном эухроматине», — отметил Маэсима. Соавтор работы Сиори Иида добавила: «Конденсированные домены могут защищать ДНК от радиационных повреждений за счёт уменьшения физического доступа к ДНК и снижения образования реактивных химических веществ».
В отличие от нуклеосомного уровня, на хромосомном уровне эухроматин вёл себя как твёрдое тело. Учёные предполагают, что это позволяет избежать избыточного запутывания длинной геномной ДНК и сохранить её целостность.
Новая модель конденсированной структуры эухроматина, предложенная исследователями, объясняет механизм уменьшения «липкости» хроматина через ацетилирование гистонов. Это открывает структуру хроматина для размещения крупных транскрипционных или репликационных комплексов и регуляции экспрессии генов. Учёные также отмечают, что конденсация и организация хроматина могут играть важную роль в дифференцировке клеток, поскольку хроматиновые домены в недифференцированных эмбриональных стволовых клетках мыши, например, более текучи и менее чётко определены.
«Наша конечная цель — выяснить, как информация генома ищется и считывается в живых клетках», — сказал Маэсима. Данное исследование поможет лучше понять регуляцию генов, репликацию и репарацию ДНК в живых клетках. Новые методы визуализации, разработанные командой, также позволят изучать другие наноразмерные молекулы и их динамику внутри клетки.