Роль гистоновых хвостов в динамике нуклеосом раскрыта с помощью высокоскоростной атомно-силовой микроскопии

Нуклеосомы — основные упаковочные единицы ДНК у растений и животных — состоят из сегмента ДНК, обёрнутого вокруг восьми белков-гистонов. Во время экспрессии генов они участвуют в динамических структурных изменениях: скольжении, разворачивании ДНК и других взаимодействиях ДНК–гистон. Ключевую роль в этих процессах играют концевые структуры гистонов — их «хвосты».

Модификации гистоновых хвостов меняют функциональность гистона. Микихиро Шибата из Университета Канадзавы и его коллеги впервые провели видеозапись нуклеосом без гистоновых хвостов, показав, что их отсутствие значительно повышает динамическую активность нуклеосомы. Исследование опубликовано в Nano Letters.

Метод и ключевые наблюдения

Учёные использовали высокоскоростную атомно-силовую микроскопию (HS-AFM) — метод нановизаулизации молекулярных структур и их динамики с высоким пространственным и временным разрешением. В качестве подложки применялась плёнка пиллар[5]аренов (молекул с пентагональной трубчатой структурой), к которой нуклеосомы легко адсорбировались без подавления их динамики.

• На нуклеосомах, у которых все восемь гистонов не имели хвостов, скольжение и разворачивание/повторное обёртывание ДНК происходили чаще, чем у канонических (нормальных) нуклеосом. Это указывает, что без хвостов взаимодействие гистон–ДНК ослаблено, и ДНК легче отсоединяется.
• Для изучения роли конкретных хвостов были подготовлены нуклеосомы, где без хвоста был только один тип гистона (H2A, H2B, H3 или H4). Эксперименты HS-AFM показали, что повышенная частота динамики наблюдается у нуклеосом без хвостов H2B и H3. Следовательно, канонические гистоны H2B и H3 критически важны для стабильности нуклеосомы.

Ограничения и перспективы

Исследователи не смогли наблюдать фактическое движение гистоновых хвостов — вероятно, из-за того, что временное разрешение исследования (0.3 секунды) было значительно медленнее скорости их динамики обёртывания/развёртывания. Тем не менее, работа чётко доказывает, что хвосты гистонов H2B и H3 являются основными регуляторами динамики нуклеосом.

Как отмечают учёные, в будущем «метод мечения кончиков гистоновых хвостов может позволить HS-AFM захватывать движение самих гистоновых хвостов».

Справка: Высокоскоростная атомно-силовая микроскопия (HS-AFM)

В HS-AFM колебания кантилевера с иглой около резонансной频率 регистрируются при сканировании поверхности. Изменения амплитуды или частоты колебаний, возникающие из-за взаимодействия иглы с поверхностью образца, используются для построения карты высот (xyz-данных). Метод не использует линзы, поэтому его разрешение не ограничено дифракционным пределом.

HS-AFM позволяет получать видео, где интервал между кадрами зависит от скорости генерации одного изображения. Специалисты из Института нанонаук о жизни (WPI-NanoLSI) Университета Канадзавы развили метод для изучения биохимических молекул и процессов в реальном времени.