Роль ионов кальция в конденсации хромосом перед делением клетки

Японские исследователи под руководством Университета Осаки выявили ключевую роль ионов кальция (Ca²⁺) в упаковке хромосом во время митоза. Высокодетальная визуализация живых клеток показала, что в присутствии Ca²⁺ хромосомы становятся компактными и глобулярными, а в его отсутствие — волокнистыми и распущенными.

Перед делением клетки реплицированные хромосомы конденсируются и выстраиваются по экватору веретена деления на стадии метафазы митоза. Хотя структура хромосом поддерживается модификациями гистонов, скаффолдными белками и катионами, удаление скаффолдных белков не влияет на конденсацию. Это указывало на существование другого ключевого фактора.

Исследование, опубликованное в Scientific Reports, показало, что таким фактором являются ионы Ca²⁺. Кальций — универсальный вторичный мессенджер, участвующий в том числе в регуляции клеточного цикла. Во время митоза и Ca²⁺, и ионы магния (Mg²⁺) высвобождаются из внутриклеточных хранилищ и связываются с хроматином, причём Ca²⁺ связывается в 6–8 раз больше, что предполагает его более важную роль.

Команда под руководством Хидеаки Таката, Киити Фукуи и Риняпорн Пенгчат сначала подтвердила, что Ca²⁺ необходим для предотвращения неправильного выравнивания хромосом. Затем с помощью метода FLIM–FRET (оценка молекулярных взаимодействий на основе затухания флуоресценции) учёные показали, что в отсутствие внутриклеточного Ca²⁺ хромосомы становятся менее компактными.

Тот же метод продемонстрировал, что изменения уровня Ca²⁺ в живых клетках HeLa напрямую влияют на степень упаковки хромосом: повторное добавление Ca²⁺ вызывало их конденсацию. Таким образом, Ca²⁺ контролирует переход между конденсацией и деконденсацией.

«Хотя предыдущие исследования демонстрировали упаковку нуклеосом на изолированном хроматине, такие данные необходимо подтверждать in vivo, как это сделали мы с помощью высокочувствительной техники FLIM–FRET, обеспечивающей высокое пространственное разрешение», — отмечает первый автор работы Риняпорн Пенгчат.

Сканирующая электронная микроскопия позволила визуализировать структуру хромосом с высоким разрешением. «Ca²⁺ оказывает концентрационно-зависимый эффект на структуру хромосом, — объясняет автор-корреспондент Хидеаки Таката. — С ростом уровня Ca²⁺ хромосомы меняются от распущенных волокнистых структур до компактных глобулярных».

Исследователи предполагают, что в отсутствие Ca²⁺ отрицательно заряженная ДНК хуже нейтрализуется, что препятствует её конденсации и задерживает вступление клетки в прометафазу. «Мы считаем, что недостаток Ca²⁺ нарушает организацию хромосом на веретене, вызывая их неправильное выравнивание, — говорит автор-корреспондент Киити Фукуи. — И наоборот, нормальный рост уровня Ca²⁺ во время митоза способствует конденсации хромосом после разрушения ядерной оболочки».