Как хромосомы формируются для деления клетки: учёные раскрывают механизмы образования ДНК-петель
Способность клетки делиться, позволяя организмам расти и обновляться, — одно из чудес жизни. Для этого клетка должна удвоить свою ДНК (геном) и равномерно распределить её между двумя новыми дочерними клетками.
Чтобы подготовить 46 хромосом человеческой клетки к транспорту в дочерние клетки во время деления, каждая хромосома формирует компактную Х-образную структуру с двумя стержневидными копиями. Как клетка достигает этого, во многом оставалось неизвестным.
Теперь учёные из EMBL впервые напрямую наблюдали этот процесс в высоком разрешении под микроскопом, используя новый метод трассировки хроматина. Исследование опубликовано в журнале Cell.
Новое исследование показывает, что длинные молекулы ДНК каждой хромосомы во время клеточного деления образуют серию перекрывающихся петель, которые отталкиваются друг от друга. В результате этого отталкивания ДНК-петли укладываются в стопку, формируя стержневидные хромосомы.
Трассировка хромосомной ДНК в высоком разрешении
Учёные давно предполагали важность ДНК-петель в построении и поддержании структуры хромосом. Конденсины — крупные белковые комплексы, впервые идентифицированные в 1990-х годах, — связывают ДНК во время клеточного деления и «выдавливают» её, создавая петли разного размера.
Предыдущие исследования EMBL пролили свет на структурную механику этого процесса и его ключевую роль в упаковке хромосом в формы, которые можно легко перемещать между клетками.
Мутации в структуре конденсина могут приводить к серьёзным дефектам сегрегации хромосом, гибели клеток, образованию рака или редким нарушениям развития, называемым «конденсинопатиями».
«Однако наблюдать, как этот процесс образования петель происходит на клеточном уровне и способствует структуре хромосом, — сложная задача», — сказал Андреас Бруннер, постдок в группе Элленберга в EMBL Гейдельберг и ведущий автор новой работы.
Это связано с тем, что методы визуализации ДНК с высоким разрешением обычно химически агрессивны и требуют высоких температур, что вместе нарушает нативную структуру ДНК.
Кай Беквит — бывший постдок в группе Элленберга, а ныне доцент Норвежского университета естественных и технических наук (NTNU) — занялся решением этой проблемы. Беквит и коллеги использовали метод для мягкого удаления одной цепи ДНК в клетках на разных стадиях клеточного деления, сохраняя структуру хромосом нетронутой. Затем они могли использовать целевые наборы ДНК-связывающих меток для наблюдения за наномасштабной организацией этой обнажённой цепи ДНК.
Эта техника, названная LoopTrace, помогла исследователям напрямую наблюдать за ДНК в делящихся клетках, когда она постепенно формировала петли и складки.
«Андреас и я смогли визуализировать структуру хромосом, когда они начинали менять форму», — сказал Беквит. «Это было решающим для понимания того, как ДНК сворачивалась комплексами конденсина».
Петли внутри петель
Из своих данных учёные поняли, что во время клеточного деления ДНК формирует петли в два этапа. Сначала образуются стабильные крупные петли, которые затем подразделяются на более мелкие, недолговечные вложенные петли, увеличивая компактизацию на каждом этапе. Два типа белковых комплексов конденсина обеспечивают этот процесс.
Чтобы понять, как это образование петель в конечном итоге приводит к стержневидным хромосомам, исследователи построили вычислительную модель, основанную на двух простых предположениях. Во-первых, как наблюдалось, ДНК с помощью конденсинов формирует перекрывающиеся петли — сначала крупные, а затем мелкие — по всей своей длине.
Во-вторых, эти петли отталкиваются друг от друга из-за своей структуры и химии ДНК. Когда учёные заложили эти два предположения в свою модель, они обнаружили, что этого достаточно для возникновения стержневидной структуры хромосомы.
«Мы поняли, что эти петли, формируемые конденсином, намного крупнее, чем считалось ранее, и что очень важно, чтобы крупные петли значительно перекрывались», — сказал Беквит.
«Только эти особенности позволили нам воспроизвести нативную структуру митотических хромосом в нашей модели и понять, как они могут сегрегировать во время клеточного деления».
В будущем исследователи планируют изучить этот процесс более подробно, особенно чтобы понять, как дополнительные факторы, такие как молекулярные регуляторы, влияют на процесс компактизации.
«Наша новая статья... знаменует собой веху в нашем понимании того, как клетка способна упаковывать хромосомы для их точной сегрегации в дочерние клетки», — сказал Ян Элленберг, старший научный сотрудник EMBL Гейдельберг.
«Это станет основой для понимания молекулярного механизма масштабирования генома для точного наследования и, следовательно, рационального прогнозирования того, как можно предотвратить ошибки в этом процессе, лежащие в основе заболеваний человека».
Тем временем второе исследование группы Элленберга под руководством Андреаса Бруннера, недавно опубликованное в Journal of Cell Biology, показывает, что механизм вложенных петель фундаментален для биологии клеток и продолжается во время фазы роста клетки с другим семейством формирующих ДНК-петли белковых комплексов, называемых когезинами.
«Мы были удивлены, обнаружив, что один и тот же основной принцип последовательного и иерархического образования ДНК-петель используется либо для плотной упаковки хромосом во время деления в безопасно перемещаемые объекты, либо для их распаковки впоследствии, чтобы считать содержащуюся в них информацию», — сказал Элленберг.
«В конечном счёте небольшие, но ключевые механистические различия, такие как неперекрывающаяся природа петель, формируемых когезином, по сравнению с сильно перекрывающимися петлями, формируемыми конденсином, могут быть достаточными, чтобы объяснить огромные различия в форме, которую геном принимает в интерфазе и митозе под микроскопом».