Как геном упаковывается в хромосомы для точного распределения при делении клеток

Исследователи из группы Герлиха в IMBA обнаружили молекулярный механизм, который придает хромосомам в делящихся клетках человека особые физические свойства, позволяющие точно распределять их между дочерними клетками. Ученые показали, как химическая модификация создает на поверхности хромосом резкую границу, позволяющую им сопротивляться перфорации микротрубочками веретена деления. Результаты опубликованы в журнале Nature.

При делении клетке необходимо передать по одной точной копии генома каждой из двух дочерних клеток. Для этого чрезвычайно длинные молекулы хромосомной ДНК должны быть упакованы в дискретные тела, чтобы митотическое веретено (система из тысяч микротрубочек) могло их эффективно перемещать. Новое исследование объясняет, как хромосомы сопротивляются постоянным толкающим и тянущим силам, создаваемым микротрубочками. «Особые физические свойства хромосомам придает изменение уровня ацетилирования гистонов — химической модификации внутри хроматинового волокна», — говорит руководитель группы IMBA Даниэль Герлих.

Ранее было показано, что в делящихся клетках хроматиновые волокна складываются в петли крупным белковым комплексом — конденсином. Однако одна лишь его роль не объясняла, почему хромосомы выглядят как плотные тела с резкой поверхностью, а не как рыхлая структура, напоминающая ёршик. Некоторые работы предполагали роль ацетилирования гистонов в регуляции уровня компактизации при делении, но взаимодействие этого процесса с конденсином и его функциональное значение оставались неясными. «Наша работа позволяет концептуально разделить эти два механизма», — заявляет Герлих.

Команда варьировала уровни конденсина и ацетилирования гистонов, чтобы изучить их точное влияние. Удаление конденсина нарушало вытянутую форму хромосом и снижало их устойчивость к растягивающим силам, но не влияло на уровень компактизации. Сочетание деплеции конденсина с повышением уровня ацетилирования гистонов вызывало массивную декомпактизацию хроматина в делящихся клетках и перфорацию хромосом микротрубочками.

Исследователи выдвинули гипотезу, что хроматин организован как набухший гель на протяжении большей части клеточного цикла (когда он относительно высокоацетилирован), а при делении, когда уровень ацетилирования глобально снижается, этот гель компактизуется в нерастворимую форму. Они разработали тест для проверки растворимости хроматина, фрагментируя митотические хромосомы на мелкие части. Фрагменты митотических хромосом образовывали капли жидкого хроматина, но при повышении уровня ацетилирования фрагменты растворялись в цитоплазме. Эти наблюдения подтверждают модель, согласно которой глобальное снижение ацетилирования хроматина во время митоза создает несмешиваемый хроматиновый гель с резкой фазовой границей, что обеспечивает физическую основу для устойчивости к перфорации микротрубочками.

Дальнейшие эксперименты с реконструированным in vitro чистым хроматином и проверка доступа к хроматину различных растворимых макромолекул показали, что несмешиваемый хроматин образует структуру с высокой плотностью отрицательного заряда, которая исключает отрицательно заряженные макромолекулы и микротрубочки.

«Наше исследование показывает, как образование петель ДНК комплексом конденсина кооперируется с процессом фазового разделения хроматина, чтобы построить митотические хромосомы, устойчивые как к растягивающим, так и к толкающим силам веретена. Деацетилирование гистонов во время деления клетки придает хромосомам уникальные физические свойства, необходимые для их точного распределения», — заключает Даниэль Герлих.