Физическая причина формы хромосомы обнаружена

Исследователи из Автономного университета Барселоны определили, почему метафазные хромосомы имеют характерную удлинённую цилиндрическую форму. Результаты показывают, что эта морфология связана со способностью хромосомы к самоорганизации.

Работа даёт решение фундаментального вопроса в структурной биологии: почему метафазные хромосомы имеют свою характерную форму? Предложенное решение согласуется со структурой метафазного хроматина и с наномеханическими свойствами хроматина и хромосом. Это исследование на стыке биологии (структура хроматина высшего порядка) и физических наук (супрамолекулярные структуры и наноматериалы). Такой подход выходит за рамки возможностей современной структурной биологии, основанной на рентгеновской кристаллографии, так как позволяет изучать огромную супрамолекулярную сборку, которую нельзя кристаллизовать.

В ядре клетки молекулы геномной ДНК связаны с гистоновыми белками и образуют длинные хроматиновые филаменты, содержащие множество нуклеосом. Предыдущие исследования под руководством профессора Жоана-Рамона Дабана показали, что во время деления клетки хроматиновые филаменты складываются в многослойные планарные структуры. Это привело к модели тонкой пластины, согласно которой конденсированные хромосомы образованы множеством слоёв хроматина, ориентированных перпендикулярно оси хромосомы.

Измерения профессора Дабана показывают, что хромосомы разных видов животных и растений сильно различаются по размеру (что зависит от количества содержащейся в них ДНК), но во всех случаях хромосомы представляют собой удлинённые цилиндры с относительно схожими пропорциями (отношение длины к диаметру составляет примерно 13). Это исследование демонстрирует, что данную морфологию можно объяснить, если рассматривать хромосомы как самоорганизующиеся супрамолекулярные структуры, образованные слоями планарного хроматина, имеющими разную энергию взаимодействия нуклеосом-нуклеосом в разных областях.

Нуклеосомы на периферии хромосомы менее стабилизированы притягивающими взаимодействиями с другими нуклеосомами, что создаёт поверхностный потенциал, дестабилизирующий структуру. Хромосомы — гладкие цилиндры, потому что такая морфология имеет более низкую поверхностную энергию, чем структуры с неровными поверхностями. Нарушение симметрии, вызванное разными значениями поверхностной энергии в теломерах и на боковой поверхности, объясняет удлинённую структуру хромосом.

Результаты наномеханических исследований растяжения хроматина и хромосом, полученные другими авторами, были использованы для проверки предложенной супрамолекулярной структуры. Количественно показано, что межнуклеосомные взаимодействия между слоями хроматина могут объяснить работу, необходимую для упругого растяжения хромосом. Хромосомы можно рассматривать как гидрогели с ламеллярной жидкокристаллической организацией.

Эти гидрогели обладают выдающимися упругими свойствами, потому что, помимо ковалентных связей остова ДНК, у них есть притягивающие ионные взаимодействия между нуклеосомами, которые могут восстанавливаться при деформации хромосомы. Такая способность к самовосстановлению наблюдалась в нанотехнологических исследованиях других гидрогелей, стабилизированных ионными взаимодействиями. В клетке это может быть полезно для поддержания целостности хромосом во время митоза.