Биологи создали «периодическую таблицу» для клеточных ядер

Спустя 150 лет после создания Дмитрием Менделеевым периодической таблицы, классифицирующей атомы по свойствам их ядер, команда биологов представила новую систему классификации для ядер клеток и обнаружила метод превращения одного типа ядра в другой.

Исследование, опубликованное в журнале Science, объединило несколько независимых работ. Одна из них велась в рамках консорциума DNA Zoo, включающего десятки институтов, таких как Медицинский колледж Бейлора, Центр теоретической биологической физики (CTBP) в Университете Райса, Университет Западной Австралии и SeaWorld.

Учёные DNA Zoo классифицировали, как хромосомы длиной в несколько метров упаковываются внутри ядер различных видов.

«Смотрели ли мы на червей, морских ежей, асцидий или кораллы — мы постоянно видели одни и те же паттерны укладки», — говорит соавтор исследования доктор Ольга Дудченко.

Команда осознала, что наблюдает лишь варианты двух основных архитектур ядра:

• В одних видах хромосомы организованы, как страницы газеты, с внешними краями с одной стороны и сложенной серединой — с другой.
• В других — каждая хромосома смята в маленький шар.

Возник вопрос: как виды переключаются между этими типами в ходе эволюции и можно ли превратить одно ядро в другое в лаборатории?

Параллельно команда из Нидерландов под руководством доктора Бенджамина Роуленда из Института рака обнаружила нечто неожиданное. Мутация в белке конденсине II, важном для деления клеток, вызывала полную реорганизацию хромосом в человеческих клетках.

Когда команды встретились на конференции, они поняли, что Клэр Хоэнкамп (соавтор) случайно нашла способ превратить человеческое ядро из одного типа в другой. Анализ геномов DNA Zoo показал, что эволюция уже многократно «ставила» этот эксперимент: мутации, ломающие конденсин II, обычно меняли архитектуру ядра.

Пандемия COVID-19 и закрытие лабораторий заставили учёных проверить роль конденса II с помощью компьютерного моделирования. Команда доктора Хосе Онучика в CTBP создала программу, симулирующую влияние этого белка на цепочки из сотен миллионов генетических «букв» в хромосомах.

«Наши симуляции показали, что, уничтожив конденсин II, можно заставить человеческое ядро реорганизоваться так, чтобы оно стало похоже на ядро мухи», — пояснил Онучик.

Моделирование выполнила группа под руководством постдока Сумитабхи Брахмачари.

«Мы начали с невероятно широкого обзора 2 миллиардов лет эволюции ядра и обнаружили, что так многое сводится к одному простому механизму, который мы можем смоделировать и воспроизвести в пробирке. Это захватывающий шаг на пути к новому типу геномной инженерии — в 3D!» — заявил Брахмачари.