Биомолекулярное скольжение в наномасштабе

В клетках эукариот (растений и животных) основными упаковочными единицами ДНК являются нуклеосомы. Каждая нуклеосома состоит из сегмента ДНК, намотанного на восемь белков-гистонов. Для экспрессии генов и синтеза белков требуется «чтение» ДНК, что подразумевает её временное разворачивание. Детальное изучение и визуализация динамики ДНК–гистонов и нуклеосом критически важны для понимания этого процесса.

Микихиро Шибата из Университета Канадзава и его коллеги впервые получили видеозаписи динамики нуклеосом с гистоновым вариантом H2A.Z, который связан с различными биологическими процессами. Видео зафиксировали спонтанное скольжение нуклеосом H2A.Z по субстрату. Исследование опубликовано в журнале Nano Letters.

Гистоновые варианты, такие как H2A.Z, отличаются от канонических форм (например, H2A) в стабильной упаковке нуклеосом. Они образуют нестабильные нуклеосомы со специфическими биологическими функциями; считается, что H2A.Z играет роль в раннем эмбриональном развитии и дифференцировке стволовых клеток. Динамика нуклеосом H2A.Z в физиологических условиях была в основном неизвестна. Учёные использовали высокоскоростную атомно-силовую микроскопию (HS-AFM) — мощный наноинструмент для визуализации молекулярных структур и их динамики с высоким пространственно-временным разрешением.

Для наблюдения динамики ДНК–гистонов в экспериментах HS-AFM нуклеосому необходимо разместить на субстрате. ДНК должна легко адсорбироваться на субстрате, но при этом взаимодействие субстрат–ДНК должно быть достаточно слабым, чтобы не подавлять динамические процессы. Учёные подготовили субстраты, нанеся пиллар[5]арены на поверхность слюды. Эти молекулы с пентагональной трубчатой структурой образуют тонкую плёнку, создающую идеальную поверхность для наблюдения динамики нуклеосом.

Исследователи изучили временную эволюцию системы, состоящей из частицы нуклеосомы, помещённой на нить ДНК. Эксперименты с каноническими гистонами H2A подтвердили стабильность таких нуклеосом: значительных изменений со временем не наблюдалось. Однако для варианта H2A.Z картина была иной. HS-AFM с временным разрешением 0.3 с зафиксировала события скольжения, при которых частица нуклеосомы перемещалась вдоль нити ДНК.

Эти результаты могут привести к лучшему пониманию биохимических механизмов, лежащих в основе экспрессии генов. «Представленная здесь визуализация одиночных молекул с помощью HS-AFM может помочь раскрыть взаимосвязь между динамикой нуклеосом и регуляцией генов… в ближайшем будущем», — отмечают исследователи.

Высокоскоростная атомно-силовая микроскопия

Общий принцип атомно-силовой микроскопии (AFM) заключается в сканировании поверхности образца очень маленьким остриём. Во время горизонтального (xy) сканирования остриё, закреплённое на кантилевере, следует вертикальному (z) профилю образца, вызывая измеримую силу на кантилевере. Величина силы в точке xy соотносится со значением z; полученные в результате сканирования данные xyz формируют карту высот, дающую структурную информацию об образце.

В высокоскоростной AFM (HS-AFM) принцип работы сложнее: кантилевер заставляют колебаться с частотой, близкой к резонансной. При движении острия по поверхности вариации амплитуды (или частоты) колебаний кантилевера — возникающие из-за взаимодействия острия с поверхностью образца — регистрируются, так как они являются мерой локального значения «z». AFM не использует линзы, поэтому её разрешение не ограничено дифракционным пределом, как, например, в рентгеноструктурном анализе.

HS-AFM позволяет получать видео, где интервал между кадрами зависит от скорости генерации одного изображения (путем xy-сканирования образца). Исследователи из Университета Канадзава в последние годы усовершенствовали HS-AFM, что позволило применять её для изучения биохимических молекул и биомолекулярных процессов в реальном времени. Микихиро Шибата и его коллеги применили этот метод для изучения динамики нуклеосом, обнаружив процесс скольжения частиц нуклеосом вдоль нити ДНК.