Упаковка генома: пошаговый процесс

Теперь у складывания генома есть "инструкция". Новое пошаговое описание с минутным разрешением раскрывает, как клетки быстро упаковывают длинные спутанные хромосомы в крошечные, плотно скрученные пучки, необходимые для деления клетки. Клетки наматывают хромосомы в петли, а затем скручивают эти петли в структуры, напоминающие винтовую лестницу, сообщают исследователи Медицинского института Говарда Хьюза 18 января 2018 года в журнале Science.

"Это самый фундаментальный процесс генетики", — говорит соавтор исследования Джоб Деккер. Если упаковка нарушается, хромосомы могут разорваться и оказаться не в том месте — что является признаком рака.

Новая работа решает биологическую загадку, датирующуюся более чем вековой давностью, когда ученые впервые увидели хромосомы под микроскопом.

Большую часть времени хромосомы наших клеток вытянуты в ядре, как распутанный клубок ниток. Но во время митоза, когда наши клетки готовятся разделиться надвое и передать генетический материал дочерним клеткам, хромосомы скручиваются, упаковывая примерно шесть футов ДНК в микроскопические пакеты. Затем хромосомы снова распадаются на "капли".

Ученые ранее выяснили, как клетки структурируют эти свободные, диффузные хромосомы. А четыре года назад Деккер и коллеги сообщили о структуре плотно упакованных хромосом — массиве последовательных петель. Но большой вопрос заключался в том, как клетки переходят из одного состояния в другое и обратно — и так быстро. "Весь процесс занимает 10–15 минут", — говорит он.

Это также было предметом ожесточенных споров. Одни исследователи считали, что клетки скручивают хромосомы в спирали, другие — что клетки просто придерживаются петель.

Деккер вместе с Уильямом Эрншоу из Университета Эдинбурга, Леонидом Мирным из Массачусетского технологического института и коллегами использовали генетический трюк, чтобы синхронизировать клетки цыплят в лаборатории, чтобы они все начали упаковывать хромосомы одновременно. Затем ученые сделали "снимки" хромосом в разные моменты времени.

В течение нескольких минут исследователи могли видеть, как желеобразные капли ДНК организуются в веретенообразные стержни.

Затем команда зафиксировала хромосомы на месте, соединив все точки, где отдельные нити соприкасались. Анализ последовательности ДНК в этих соединениях дал команде ключи к пониманию архитектуры хромосом. "Если вы знаете, какая часть веревки находится рядом с какой, вы можете восстановить ее 3D-структуру", — говорит Деккер.

Эти данные вместе с компьютерным моделированием процесса складывания позволили исследователям проверить гипотезы о том, как хромосомы переходят из состояния "капли" в состояние "стержня". "Но на самом деле все происходит в несколько простых шагов", — обнаружила команда.

Небольшие кольцеобразные белковые моторы, называемые конденсинами, проталкивают участки хромосом через кольца, образуя петли. Конденсин II сплетает хромосомы в цепь широких петель, а затем другой белок, конденсин I, разделяет большие петли на более мелкие. Затем сотни петель на хромосому закручиваются, как винтовая лестница.

Такая элегантная и эффективная стратегия упаковки может объяснить, как клетки могут так надежно упаковывать свои хромосомы снова и снова при каждом делении.

Новая работа обещает объединить две ранее противоречивые точки зрения на митотическую хромосому. Хромосомы могут быть организованы в массив петель, но они также могут быть спиральными, говорит Деккер. "Я нахожу это чрезвычайно удовлетворительным. Я всегда стремлюсь к консилиенции. Если вы сталкиваетесь с наборами данных, которые, предположительно, говорят вам две разные вещи, можете ли вы найти способ, чтобы они оба были правы?"