Молекулярные моторы организуют хромосомы в петли для деления клеток

Исследователи из MIT разработали модель, объясняющую, как клетки упорядочивают и конденсируют хромосомы перед делением. Согласно модели, ключевую роль играют белки-моторы, которые «выдавливают» петли из ДНК.

Конденсация через петли

Перед делением клетки должны упаковать свои хромосомы — каждая из которых в развернутом виде в тысячу раз длиннее ядра — в компактные, обособленные структуры. Пассивное «скрепление» хромосом привело бы к образованию беспорядочного шара.

Используя компьютерное моделирование, команда под руководством Леонида Мирного показала, что множество молекулярных «машин», действующих независимо, могут преобразовать запутанные хромосомы в серию крошечных петель. Это конденсирует каждую хромосому и позволяет ей отделиться от других.

Исследователи предполагают, что в живых клетках, когда они вступают в метафазу, множество молекул конденсина садятся на хромосомы и начинают процесс экструзии петель. Каждый комплекс конденсина состоит из двух моторов, движущихся по хромосоме в противоположных направлениях. Каждое событие образования петли мало по сравнению с размером хромосомы, но коллективно они самоорганизуют хромосому в конденсированную структуру. У человека этот процесс обычно занимает около 20 минут.

Генетическая регуляция

В другой работе, опубликованной в Cell Reports, та же группа предложила модель, объясняющую, как экструзия петель молекулярными моторами разделяет хромосомы на отдельные домены во время интерфазы (фазы жизненного цикла между делениями).

Эта модель объясняет, почему гены и регуляторные элементы внутри хромосомных доменов взаимодействуют друг с другом больше, чем с соседними доменами. Домены разделены границами, где с хромосомой связаны разнообразные белки. Эти границы предотвращают распространение петель из одного региона в другой, сближая регуляторные элементы с генами внутри границ и изолируя их от генов снаружи.

Петли во время интерфазы постоянно образуются и разрушаются в динамическом процессе. Когда клетка готовится к делению, границы, по мнению ученых, удаляются, и конденсин формирует гораздо больше петель для конденсации хромосом.

Гипотеза и подтверждение

Хотя биологи еще не доказали, что конденсин и когезин могут действовать как молекулярные моторы, есть предположения об этом из-за их структурного сходства с другими клеточными белками-моторами.

Гипотеза экструзии петель была предложена в 2012 году Джоном Марко из Северо-Западного университета. Новые работы, опубликованные в Cell Reports, eLife и Biophysical Journal, представляют собой модели, подтверждающие эту идею.

«Никто никогда напрямую не наблюдал этот механизм экструзии петель. Если он существует, он решит множество проблем», — говорит Леонид Мирный. «Мы поймем, как конденсируются хромосомы, как они разделяются, как гены общаются с энхансерами. Многие вещи могут быть объяснены этим механизмом».