Исследователи используют лазерные «пинцеты» для изучения структуры и динамики хроматина

Каждая клетка нашего тела содержит ДНК, которая несёт инструкции для нашего развития и функционирования. Удивительно, но целых два метра ДНК упакованы в ядре клетки размером всего в десятки микрон. Это достигается за счёт упаковки ДНК в компактную структуру — хроматин. Его базовый уровень организации обеспечивается намоткой ДНК на белки-гистоны, образуя структуру, похожую на «бусины на нити». Затем формируются более сложные структуры — хромaтосомы — с помощью специального линкерного гистона, который соединяет эти «нити».

Упаковка генома крайне важна, но она также снижает доступность для клеточных машин, которые считывают ДНК и транскрибируют её гены. Таким образом, степень и форма упаковки хроматина у конкретного гена сильно влияют на его экспрессию. В частности, известно, что линкерные гистоны играют ключевую роль в сохранности и экспрессии генома, а их нарушения могут приводить к серьёзным заболеваниям, таким как рак и аутизм. Однако самые базовые вопросы о том, как они связываются с ДНК, остаются без ответа.

Недостаток понимания этих процессов связан с динамической природой линкерных гистонов, что затрудняет их изучение обычными методами, основанными на усреднённых данных по множеству молекул. Чтобы преодолеть эту проблему, лаборатория профессора Каплана разработала уникальный метод на основе оптических пинцетов. Этот подход позволяет захватывать отдельные молекулы хроматина и воздействовать на них силой сфокусированного лазерного луча.

В экспериментах одна цепь ДНК медленно отделяется от комплементарной цепи, подобно расстёгиванию молнии, по всей структуре хроматосомы. Принцип измерения прост: в точках, где гистон контактирует с ДНК, даже самым слабым образом, «молния» застревает, и требуется приложить больше силы, чтобы преодолеть контакт гистон-ДНК и продвинуться дальше.

Используя этот подход, доктор Рудницкий и его коллеги обнаружили, что контакты между гистонами и ДНК гораздо более протяжённые, чем считалось ранее, и что хроматосомы на самом деле значительно крупнее. Более того, они обнаружили удивительную гибкость в структуре линкерных гистонов: существуют две разные формы хроматосом — одна симметричная и компактная, а вторая асимметричная и более расслабленная.

Примечательно, что переход между этими формами в отдельной молекуле может управляться внешне самой машиной транскрипции. Это говорит о том, что клетка использует переход между стабильной и нестабильной формами хроматосомы для контролируемого регулирования доступа к ДНК.

Учитывая ключевую роль хроматосом в поддержании правильной экспрессии нашего генома, эти открытия добавляют важный слой к пониманию роли архитектуры хроматина в здоровье и болезнях.