На протяжении нескольких десятилетий биологи пытались разгадать тайну конденсации хромосом в характерные стержни после деления клетки. Международная группа исследователей сделала решающий шаг, визуализировав это явление. Визуализации основана на технологии отслеживания ДНК LoopTrace. Благодаря этой технологии, разработанной командой Европейской лаборатории молекулярной биологии (EMBL) под руководством Андреаса Бруннера, постдокторанта группы Элленберга в EMBL в Гейдельберге, исследователи смогли наблюдать этот процесс.
Центральная роль конденсинов в сворачивании ДНК В основе этого механизма лежат сложные белки, называемые конденсинами. Открытые в 1990-х годах, они захватывают и сворачивают ДНК, образуя петли разного размера, что позволяет создавать уникальную архитектуру хромосом.
Предыдущие работы в EMBL уже выявили сложную роль этих конденсинов в конденсации хромосом, которая является обязательным условием эффективного обмена генетической информацией между клетками. Однако этот процесс не лишен опасностей. Исследователи показали, что определенные мутации, влияющие на структуру конденсинов, могут нарушить их правильное функционирование. В результате возникают серьезные дефекты в сегрегации хромосом, приводящие к гибели клеток, развитию опухолей или редких генетических заболеваний. В некоторых исследованиях для описания этой группы нарушений используется термин «конденсинопатии», хотя в научной литературе он еще мало используется.
До этого методы наблюдения за ДНК были ограничены: часто проводимые при высокой температуре, они изменяли молекулярную структуру, не позволяя достоверно увидеть естественную динамику генома. «Наблюдение этого петлеобразного процесса в клеточном масштабе и понимание его вклада в структуру хромосом представляет собой настоящую проблему», — объясняет Андреас Бруннер в пресс-релизе. . «Мы с Андреасом смогли зафиксировать точный момент начала реконфигурации хромосом», — объясняет Беквит, — «и это было важно для понимания того, как конденсины управляют сворачиванием ДНК».
На основании полученных данных команда выявила двухэтапный процесс: сначала вдоль ДНК образуются большие стабильные петли, а затем они делятся на более мелкие, переходные, вложенные друг в друга петли, которые взаимодействуют и отталкиваются друг от друга. Это взаимное отталкивание помогает оптимально структурировать хромосому, которая затем принимает окончательную форму стержня.
Исследователи разработали компьютерную модель, основанную на этих двух принципах: образовании петель и их взаимном отталкивании. Результаты, опубликованные в журнале Cell, подтвердили, что этих механизмов достаточно для объяснения типичной формы хромосом. «Мы обнаружили, что петли, индуцируемые конденсином, гораздо больше, чем предполагалось, и что их перекрытие имеет большое значение», — объясняет Беквит, — «Только объединив эти элементы, мы смогли точно воспроизвести нативную структуру митотических хромосом и понять их сегрегацию во время деления».