Хромосомы не всегда имеют X-образную форму: исследователи бросают вызов устоявшимся представлениям

Хроматин — смесь ДНК и белков — в ядре клетки представляет собой запутанный клубок генетической информации. При подготовке к делению (митозу) хроматин конденсируется в палочковидные хромосомы, что позволяет клетке аккуратно разделить генетический материал между двумя новыми клетками.

Международная группа исследователей из Института Фрэнсиса Крика, Имперского колледжа Лондона, Университета Васэда и Онкологического института Японского фонда исследования рака пересмотрела представление о форме хромосом. Оказалось, что это не всегда стабильные X-образные структуры — они постоянно меняются в процессе деления клетки.

Исследователи попытались объяснить странный феномен, происходящий во время митоза: хромосомы изначально представляют собой длинные нити одинаковой ширины, но затем непрерывно укорачиваются и утолщаются. Их последняя работа, опубликованная в EMBO Reports, описывает механизм этого динамического изменения формы.

Форму хромосом определяет белковый комплекс конденсин, который помогает сворачивать и уплотнять ДНК. Учёные спорят о том, как именно это происходит: активно ли конденсин выдавливает петли ДНК или же эти белковые комплексы захватывают случайные контакты между нитями ДНК.

Исследователи провели долговременную визуализацию хромосом в лаборатории. Они наблюдали, как при вступлении клеток в митоз за примерно 12 минут формируются отдельные хромосомы, которые к 20-й минуте становятся короче и толще. При искусственной паузе в делении многие хромосомы продолжали укорачиваться и утолщаться до конца записи (шесть часов).

Измерения длины и ширины плеч хромосом в различные моменты времени показали:

• Короткие плечи быстро сокращались в первые 30 минут, а затем сохраняли относительно постоянную форму.
• Длинные плечи продолжали укорачиваться и утолщаться до конца эксперимента.

Это говорит о том, что короткие плечи хромосом относительно быстро достигают конечного состояния до начала следующей стадии деления, а длинные хромосомы могут не достичь этого устойчивого состояния. Измерения привели команду к выводу, что хромосомы стремятся к «конечной округлости» — наиболее физически стабильному соотношению.

Достижение устойчивого состояния путём захвата ДНК

Чтобы осмыслить измерения, исследователи создали компьютерные симуляции изменения формы. Эти относительно простые симуляции воспроизвели то, что команда наблюдала в лаборатории: более длинным цепям требуется гораздо больше времени для достижения стабильной длины, тогда как короткие цепи достигают устойчивого состояния почти сразу.

Симуляции поддержали теорию о том, что механизм случайного захвата объясняет, как конденсин формирует хромосомы. Моделирование случайного захвата нитей ДНК привело к формам, аналогичным наблюдаемым в лаборатории, что указывает на этот путь достижения хромосомами устойчивого состояния.

Недостижимое состояние для большинства

Результаты этих междисциплинарных экспериментов показывают хромосомы в новом свете: они гораздо более динамичны, чем предполагает классическая X-образная форма из учебников.

Исследование показало, что длительность пребывания хромосом в митозе определяет, достигнут ли они конечной формы, и что случайный захват нитей ДНК способствует этому процессу. Интересно, что большинство хромосом будут продолжать пытаться достичь этой стабильной овальной формы, но так и не достигнут её.