Микроскопические капли раскрывают секретную архитектуру ДНК
Шесть футов человеческой ДНК, втиснутой в крошечное ядро, опираются на элегантную систему нуклеосом, фибрилл и высокоорганизованных фазово-разделённых конденсатов.
Учёным удалось получить самые подробные на сегодняшний день изображения того, как хроматиновые фибриллы и нуклеосомы располагаются внутри этих каплевидных структур, показывая, как молекулярная архитектура определяет поведение конденсата.
Как клетки умещают шесть футов ДНК в крошечные ядра
Внутри каждой человеческой клетки биология решает необычайную задачу: упаковать примерно шесть футов ДНК в ядро, которое составляет всего лишь одну десятую толщины человеческого волоса, сохраняя при этом полную функциональность генетического материала.
Чтобы достичь такого уровня сжатия, ДНК обвивает белки, образуя нуклеосомы. Эти нуклеосомы соединяются, как бусины на нитке, образуя длинные нити, которые сворачиваются в хроматиновые фибриллы. Затем фибриллы ещё больше уплотняются, чтобы поместиться внутри ядра.
В течение многих лет учёные не знали точно, как происходит эта заключительная стадия компактизации. Всё изменилось в 2019 году, когда исследователь HHMI Майкл Розен и его коллеги из Юго-Западного медицинского центра Техасского университета показали, что лабораторно созданные нуклеосомы могут собираться в безмембранные капли, называемые конденсатами. Они обнаружили, что это происходит посредством фазового разделения – процесса, похожего на образование капель масла в воде, – что может отражать процесс плотной упаковки хроматина в живых клетках.
Изучение скрытого поведения хроматиновых конденсатов
Хроматиновые конденсаты содержат сотни тысяч быстро движущихся молекул. Когда эти молекулы объединяются, они проявляют новые свойства, которыми отдельные компоненты по отдельности не обладают. Это групповое поведение определяет формирование капель, их целостность и сохранение физических характеристик.
Чтобы детально изучить эти свойства и механизмы компактизации хроматина внутри клеток, исследователям необходимо было детально изучить внутреннее расположение нуклеосом и хроматиновых фибрилл внутри капель.
Группа Розен в сотрудничестве с исследователем HHMI Элизабет Вилья из Калифорнийского университета в Сан-Диего, Розаной Коллепардо-Гевара из Кембриджского университета и Чжихэном Юем из исследовательского кампуса Janelia исследовательского центра Janelia, наконец, достигла этой цели.
Используя передовые технологии визуализации в Janelia, учёные получили самые детальные на сегодняшний день визуализации молекулярной структуры внутри синтетических хроматиновых конденсатов. Затем те же методы были применены для исследования хроматина внутри реальных клеток.
Группа исследователей под руководством исследователя HHMI Майкла Розена получила самые детальные на сегодняшний день изображения молекул в синтетических хроматиновых конденсатах — каплевидных структурах компактизированной ДНК. В этих видеороликах показаны изображения хроматинового конденсата, полученные с помощью криоэлектронной томографии, на которых видны отдельные нуклеосомы, составляющие каплю, а затем представлена высокоразрешающая реконструкция нуклеосом в хроматиновом конденсате. Фото: Чжоу и др.
Что визуализация высокого разрешения открывает о структуре конденсата
Комбинируя эти изображения с компьютерным моделированием и световой микроскопией, исследовательская группа смогла проанализировать расположение отдельных молекул внутри капель и их взаимодействие. Это помогло им начать понимать закономерности образования и функционирования конденсатов.
Одним из ключевых открытий стало то, что длина линкерной ДНК между нуклеосомами влияет на общую организацию структур. Расстояние между ними определяет взаимодействие хроматиновых волокон и формирует более крупную сеть внутри конденсатов.
Эти структурные особенности прояснили, почему некоторые типы хроматина легче подвергаются фазовому разделению, чем другие, и почему конденсаты, образованные из разных форм хроматина, обладают разными материальными свойствами. Исследователи также обнаружили, что синтетические конденсаты, полученные в лабораторных условиях, очень похожи на плотно упакованный хроматин, присутствующий внутри живых клеток.
«Эта работа позволила нам впервые связать структуру отдельных молекул с макроскопическими свойствами их конденсатов», — говорит Розен. «Я уверен, что мы находимся лишь на вершине айсберга — мы и другие исследователи разработаем ещё более совершенные способы исследования этих структурно-функциональных взаимосвязей на мезоуровне (промежуточном уровне)».
Основы понимания биомолекулярной конденсации
Это исследование выходит за рамки хроматина. Новые данные предоставляют модель для изучения широкого спектра биомолекулярных конденсатов, которые играют ключевую роль в таких процессах клетки, как регуляция генов и реакция на стресс.
Изучение того, как собираются и функционируют эти каплевидные структуры, может также прояснить, что происходит при нарушении конденсации. Считается, что такие нарушения способствуют развитию ряда заболеваний, включая нейродегенеративные заболевания и рак.
«Благодаря этому исследованию мы лучше поймём, как аномальная конденсация может приводить к различным заболеваниям, и, возможно, это поможет нам разработать новое поколение терапевтических средств», — говорит Хуабинь Чжоу, научный сотрудник лаборатории Розена и ведущий автор нового исследования.
