Организация ДНК в хромосомах может объясняться слабыми взаимодействиями между нуклеосомами

Исследование, опубликованное в журнале Small Structures, демонстрирует, что многослойная организация ДНК, предложенная ранее на основе экспериментов в UAB, полностью совместима со структурными и функциональными свойствами хромосом.

Эта организация может быть объяснена слабыми взаимодействиями между нуклеосомами — повторяющимися блоками, которые упаковывают двойную спираль ДНК.

Проблема упаковки ДНК

Очень длинные молекулы геномной ДНК в эукариотических организмах должны быть плотно упакованы, чтобы поместиться в микрометрические размеры хромосом, компактизированных во время митоза. Гистоновые белки формируют хроматиновые филаменты из множества нуклеосом. Центральная часть каждой нуклеосомы (коровая частица) — это цилиндрическая структура (5.7 нанометров в высоту и 11 в диаметре), образованная примерно двумя витками ДНК (147 пар оснований), обёрнутыми вокруг октамера гистонов.

Многослойная модель

Физически последовательная и реалистичная структурная модель организации ДНК должна быть совместима со всеми ограничениями, накладываемыми наблюдаемыми свойствами хромосом: высокой концентрацией ДНК, удлинённой цилиндрической формой, самоассоциацией хроматина, а также с эффективной защитой ДНК от топологического запутывания и механических разрывов.

Используя методы просвечивающей электронной микроскопии, атомно-силовой микроскопии и крио-электронной томографии, исследователи UAB наблюдали, что хроматин, выделенный из хромосом в условиях метафазы, образует плоские многослойные пластины, где каждый слой имеет толщину, соответствующую мононуклеосомному листу.

На основе этих результатов предложена модель, согласно которой хроматиновый филамент в хромосомах складывается по регулярному паттерну, образуя множество слоёв, уложенных вдоль оси хромосомы. Эта многослойная модель совместима со всеми структурными ограничениями, а также объясняет геометрию хромосомных полос и транслокаций, наблюдаемых в цитогенетических анализах.

Хромосомы как самоорганизующиеся жидкие кристаллы

Нуклеосомы — повторяющиеся строительные блоки. Показано, что изолированные коровые частицы нуклеосом обладают высокой тенденцией к взаимодействию «лицом к лицу», образуя крупные столбчатые структуры.

В многослойной модели хромосом повторяющееся слабое взаимодействие между нуклеосомами вызывает укладку множества слоёв хроматина. Эти низкоэнергетические взаимодействия в наномасштабе объясняют самоорганизацию целых хромосом, которые можно рассматривать как ламеллярные жидкие кристаллы, внутренне сшитые ковалентным остовом одной молекулы ДНК.

Спонтанное образование чётко определённых трёхмерных паттернов согласуется с современными исследованиями в нанонауке и нанотехнологиях, где получают множество впечатляющих структур, самоорганизованных из различных биологических и синтетических повторяющихся блоков.