Исследование методом световой микроскопии выявило изменения молекулярной плотности при конденсации митотических хромосом

Учёные, изучающие деление клеток, разработали специальную систему световой микроскопии и использовали её для анализа молекулярной плотности клеточной среды. Их результаты дают новое представление о конденсации митотических хромосом в живых клетках человека.

Исследование опубликовано в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences 27 августа 2024 года.

Команда разработала систему микроскопии с ориентационно-независимым дифференциально-интерференционным контрастом (OI-DIC), совмещённую с конфокальным лазерным сканирующим микроскопом, способную точно картировать разность оптических путей и оценивать молекулярные плотности.

Конденсация митотических хромосом — это важный процесс для передачи реплицированных хромосом двум дочерним клеткам во время деления. Чтобы изучить физические основы этого процесса, учёные исследовали, участвует ли в нём сила деплеционного притяжения, которая притягивает крупные структуры в переполненной клеточной среде.

В процессе конденсации хроматиновые нити уплотняются в короткие хромосомы, что делает их жёсткими и способными противостоять силам растяжения со стороны веретена деления. Хотя несколько участвующих в этом процессе белков (конденсины, топоизомераза IIα) идентифицированы, физические основы конденсации оставались неясными.

Новая система микроскопии позволила получить согласованные высококачественные изображения разности оптических путей и конфокальные изображения для определения точных абсолютных плотностей в живых клетках. OI-DIC-визуализация способна создавать 3D-объёмное изображение показателя преломления и молекулярной плотности (сухой массы) в живых клетках.

Команда проанализировала абсолютные плотности в цитоплазме и нуклеоплазме на разных стадиях клеточного цикла в клетках человека HCT116 (раковые клетки толстой кишки) и клетках индийского мунтжака DM. Клетки индийского мунтжака (оленя) имеют самый низкий среди млекопитающих набор хромосом, что делает их идеальными для исследования митоза.

Анализ показал, что молекулярная плотность вокруг хромосом увеличивалась по мере перехода от профазы к анафазе митоза, что совпадало с конденсацией хромосом. Однако молекулярная плотность снижалась в телофазе, когда начиналась деконденсация хромосом.

Обработка митотических клеток гипотоническим или гипертоническим раствором вызывала согласованные изменения уровня конденсации хромосом. Гипертоническая обработка быстро повышала плотность и индуцировала конденсацию хромосом, а гипотоническая — оказывала противоположный эффект.

Результаты, полученные на клетках индийского мунтжака DM (фибробласты с очень крупными митотическими хромосомами), подтвердили данные по клеткам человека HCT116. Это говорит о том, что транзиторное повышение плотности среды вокруг хромосом может быть общей чертой митотических клеток.

Учёные обнаружили, что более высокие концентрации макромолекул конденсируют хроматин и делают его более жёстким и твёрдообразным in vitro. Впервые было показано, что деплеционное притяжение/макромолекулярное уплотнение превращает волокнистые конденсаты хроматина, образованные катионами, в жидкие капли in vitro.

Результаты позволяют предположить, что повышение деплеционного притяжения делает хромосомы более жёсткими, обеспечивая точную передачу хромосом при делении клетки. Временное повышение молекулярной плотности, по-видимому, индуцируется разрушением ядерной мембраны во время митоза.

При разрушении ядерной мембраны ядерная оболочка, ядерные поровые комплексы, ядерная ламина и ядрышки разбираются на мелкие фрагменты. В результате цитоплазматические и ядрышковые факторы становятся доступны для хромосом и в полной мере способствуют увеличению деплеционного притяжения. Это даёт новое представление о физических основах конденсации митотических хромосом в живых клетках человека.

В этом исследовании было обнаружено, что митотические хромосомы конденсируются под действием физической силы — деплеционного притяжения — во время деления клетки. В дальнейшем учёные планируют выяснить, как физические свойства ДНК и физические силы, влияющие на них, способствуют процессам, связанным с ДНК, включая транскрипцию, репликацию и репарацию.