Вчені з EMBL вперше зафіксували, як людські хромосоми набувають своєї характерної паличкоподібної форми під час поділу клітини, використовуючи революційний метод під назвою LoopTrace.
Спостерігаючи, як у високій роздільній здатності формуються накладені петлі ДНК, вони виявили, що спочатку утворюються великі петлі, потім — вкладені менші петлі, які відштовхуються одна від одної, створюючи компактні структури. Це нове відкриття не тільки змінює наше розуміння механіки хромосом, але й може допомогти пояснити помилки, що ведуть до раку та генетичних порушень.
Таємниця поділу хромосом
Однією з найвражаючих здібностей живих клітин є їхня здатність до поділу, що дозволяє організмам рости, відновлюватися та оновлювати себе. Для цього клітина спочатку має зробити точну копію своєї ДНК і гарантувати, що кожна дочірня клітина отримає повний набір генетичної інформації.
У людей це означає ретельне упакування 46 хромосом і їх рівномірний розподіл. Перед поділом кожна хромосома трансформується в компактну Х-подібну структуру, що складається з двох ідентичних, паличкоподібних копій. Проте те, як саме клітини реорганізовують і впорядковують свою ДНК для цього процесу, досі залишалося загадкою.
Тепер, вперше, вчені з EMBL безпосередньо візуалізували цей процес у високій роздільній здатності, використовуючи нову методику трасування хроматину. Їхнє дослідження показало, що під час поділу клітини довгі нитки ДНК утворюють серію накладених петель, які відштовхуються одна від одної. Це відштовхування змушує петлі складатися шарами, що зрештою надає кожній хромосомі її характерну паличкоподібну форму.
Створення хромосом шляхом утворення петель
Вчені давно припускали, що петлі ДНК відіграють важливу роль у побудові та підтримці структури хромосом. Ще в 1990-х роках були ідентифіковані конденсини — великі білкові комплекси, що зв’язуються з ДНК під час поділу клітини і витягують її, створюючи петлі різного розміру. Попередні дослідження EMBL пролили світло на механіку цього процесу та його ключову роль у впакуванні хромосом у форми, які легко переміщуються між клітинами.
Насправді мутації в структурі конденсинів можуть призводити до серйозних порушень у розподілі хромосом, що викликає загибель клітин, рак або рідкісні генетичні захворювання, відомі як конденсинопатії.
Вирішення проблеми візуалізації ДНК
«Спостерігати за цим процесом на рівні клітини вкрай складно», — пояснив Андреас Бруннер, науковий співробітник групи Елленберга в EMBL Heidelberg та один із провідних авторів дослідження. «Методи візуалізації ДНК зазвичай передбачають використання агресивних хімічних речовин і високих температур, що руйнує природну структуру ДНК».
Кай Беквіт, колишній науковий співробітник EMBL, розробив метод, який дозволяє делікатно видалити одну з ниток ДНК у клітинах на різних стадіях поділу, зберігаючи структуру хромосом. Потім вони застосували спеціальні мітки, що зв’язуються з ДНК, щоб візуалізувати її просторову організацію. Ця методика, названа LoopTrace, дозволила дослідникам безпосередньо спостерігати за процесом утворення петель ДНК у клітинах, що діляться.
«Це було критично важливим для розуміння того, як конденсини складають ДНК», — сказав Беквіт.
Вкладені петлі та компактність ДНК
Аналізуючи отримані дані, вчені виявили, що ДНК утворює петлі у два етапи. Спочатку формуються стабільні великі петлі, а потім вони поділяються на дрібніші, короткочасні вкладені петлі, підвищуючи ступінь компактності. Цей процес забезпечується двома типами білкових комплексів конденсину.
Щоб зрозуміти, як ці петлі зрештою утворюють паличкоподібну форму хромосоми, дослідники побудували комп’ютерну модель на основі двох простих припущень:
- ДНК утворює накладені петлі — спочатку великі, а потім дрібніші.
- Ці петлі відштовхуються одна від одної через свою структуру та хімічні властивості ДНК.
Коли ці параметри були введені в модель, вона показала, що цього достатньо для формування паличкоподібної хромосоми.
Ключова роль накладених петель
«Ми зрозуміли, що петлі, утворені конденсином, набагато більші, ніж ми думали раніше. Крім того, для правильного формування хромосоми важливо, щоб великі петлі значною мірою перекривалися», — зазначив Беквіт.
Нові дослідження та фінансування
У майбутньому дослідники планують детальніше вивчити цей процес, зокрема те, як молекулярні регулятори впливають на упаковку ДНК. У 2024 році група Яна Елленберга отримала грант у розмірі 3,1 млн євро від Європейської дослідницької ради (ERC Advanced Grant) для подальшого вивчення принципів згортання хромосом під час і після поділу клітини.
Важливий прорив у біології хромосом
«Ця публікація в журналі Cell є значним кроком вперед у нашому розумінні того, як клітини упаковують хромосоми для точного розподілу між дочірніми клітинами», — сказав Ян Елленберг. «Це стане основою для розробки методів запобігання помилкам у цьому процесі, що викликають генетичні захворювання».
Спільний механізм у всіх фазах клітинного циклу
Ще одне дослідження команди Елленберга, опубліковане в Journal of Cell Biology, показує, що механізм вкладених петель є фундаментальним для клітинної біології. Він продовжує діяти і після поділу клітини, завдяки іншому класу білкових комплексів — когезинам.
«Нас здивувало, що один і той самий принцип утворення вкладених петель використовується як для щільного пакування хромосом під час поділу, так і для їхнього розпаковування після цього», — сказав Елленберг. «Виявляється, ключова різниця між конденсинами та когезинами полягає в тому, що петлі конденсинів значною мірою перекриваються, тоді як петлі когезинів — ні».
Це дослідження відкриває нові горизонти для вивчення динаміки хромосом та потенційних методів лікування генетичних захворювань.