Количественный анализ структуры хроматина ставит под сомнение классическую модель статичной регулярности

Согласно недавнему исследованию группы учёных под руководством Кадзухиро Маэсимы из RIKEN SPring-8 Center и RIKEN Advanced Science Institute (Япония), ДНК в человеческом геноме организована в нерегулярно свёрнутые волокна во время деления клетки.

ДНК обёрнута вокруг белков-гистонов, образуя нуклеосомные волокна, которые плотно упаковываются в хромосомы крупными белковыми комплексами — конденсинами. Многие предыдущие исследования предполагали, что нуклеосомы организованы в регулярные волокнистые структуры диаметром 30 нанометров, что легло в основу классической модели общей структуры хромосом. Однако другие работы указывали, что такие регулярные структуры существуют только в специализированных типах клеток.

Чтобы разрешить это противоречие, Маэсима и его коллеги исследовали структуру хромосом в митотических (делящихся) клетках HeLa с помощью трёх различных методов:

• Криоэлектронная микроскопия — позволяет наблюдать замороженные гидратированные биологические структуры с высоким разрешением без артефактов, характерных для обычной ЭМ.
• Рентгеновское рассеяние на малых углах (SAXS) — детектирует повторяющиеся структуры в растворах биологических образцов.
• Рентгеновское рассеяние на сверхмалых углах (USAXS) — новый тип SAXS, способный разрешать повторяющиеся структуры на бо́льших масштабах.

Все три метода дали согласованные результаты. Исследователи обнаружили повторяющиеся структуры примерно каждые 11 нанометров, но не на бо́льших расстояниях. Это указывает, что хроматин организован как «бусины на нити» с нерегулярной схемой укладки. Метод USAXS дополнительно показал, что хромосомы имеют фрактальную природу: одна и та же организация повторяется на разных масштабах, а структуры формируют стержневидную форму.

Авторы предлагают два возможных объяснения стержневидной и крупномасштабной организации хромосом:

1. Конденсины связываются с определёнными участками ДНК, заставляя её формировать самоорганизующиеся петли, которые взаимодействуют друг с другом и создают повторяющиеся структуры вдоль оси хромосомы.
2. Одного лишь образования регулярно повторяющихся петель может быть достаточно для генерации наблюдаемой стержневидной формы из-за сил отталкивания между соседними петлями.

Учёные предполагают, что нерегулярная укладка делает хромосомы более гибкими, поскольку такая организация накладывает меньше физических ограничений, чем регулярная структура. Они также считают, что нерегулярная укладка характерна и для хроматина в интерфазных (неделящихся) клетках, так как она делает ДНК более доступной для молекулярных машин, осуществляющих транскрипцию РНК и репликацию ДНК.

«Мы сосредоточились на хромосомах в делящихся клетках, — говорит Маэсима, — но предполагаем, что аналогичная нерегулярная укладка существует и в интерфазных клетках, и сейчас проверяем это предположение».