Впервые засняли сворачивание ДНК в сперматозоидах в реальном времени

Исследователи из Института нано-бионаук (WPI-NanoLSI) Университета Канадзавы и их коллеги совершили прорыв в понимании упаковки ДНК в сперматозоидах. С помощью высокоскоростной атомно-силовой микроскопии (HS-AFM) они зафиксировали в реальном времени процесс конденсации ДНК, индуцированной протаминами (PRM). Это даёт ключевое понимание для исследований фертильности, стабильности генома и будущих медицинских применений. Результаты опубликованы в Nucleic Acids Research.

В большинстве клеток ДНК обёрнута вокруг белков-гистонов, что обеспечивает её рыхлую упаковку и доступность для активности генов. Однако в сперматозоидах гистоны заменяются протаминами, которые обеспечивают экстремальную конденсацию ДНК. Эта компактизация необходима для защиты генетического материала при оплодотворении, эффективной доставки ДНК к яйцеклетке, а также влияет на фертильность и развитие эмбриона.

Несмотря на важность, точные этапы того, как протамины сворачивают ДНК в высокостабильные структуры, оставались неясными. Предыдущие методы визуализации давали лишь статичные снимки. Теперь Ричард В. Вонг и его коллеги впервые использовали съёмку в реальном времени, чтобы раскрыть весь процесс конденсации.

С помощью HS-AFM команда напрямую визуализировала пошаговое преобразование структур ДНК по мере связывания с протаминами. Исследование представляет новую модель CARD (Coil-Assembly-Rod-Doughnut), описывающую процесс конденсации через четыре стадии:

1. Стадия клубка (Coil): ДНК образует свободные петли.
2. Стадия сборки (Assembly): протамины связываются, повышая структурную организацию.
3. Стадия стержня (Rod): ДНК становится более компактной.
4. Стадия бублика/тороида (Doughnut/Toroid): формируется окончательная стабильная структура.

Кроме того, учёные обнаружили, что эта упаковка обратима — структура может меняться в зависимости от условий окружающей среды. Эти данные имеют большое значение для понимания мужского бесплодия, биологии хроматина и генной терапии.

Исследования фертильности могут получить новые инструменты для диагностики и лечения мужского бесплодия. Генная терапия может быть усовершенствована за счёт лучшего понимания компактизации ДНК и её роли в доставке генетического материала. Синтетическая биология и нанотехнологии также могут использовать эти открытия для разработки новых методов манипулирования структурами ДНК.

«Наши результаты дают динамическую картину того, как протамины формируют структуру хроматина сперматозоидов — процесс, необходимый для фертильности и стабильности генома. Это исследование не только углубляет наше понимание репродукции, но и имеет далеко идущие последствия для генетики и лечения бесплодия», — говорит ведущий автор Ричард В. Вонг.