Биологи впервые показали, как ДНК сворачивается в живые капли внутри клеток
По данным Science Advances, исследователи из Юго-западного медицинского центра Техасского университета совместно с коллегами из Калифорнийского университета в Сан-Диего, Кембриджа и института Janelia впервые смогли подробно рассмотреть, как ДНК упаковывается в ядре клетки. Это открытие помогает понять, каким образом генетический материал компактно помещается в ядро, не теряя способности функционировать, что является одной из самых сложных задач биологии.
Около двух метров ДНК умещаются в клеточное ядро, которое по толщине меньше человеческого волоса. Чтобы вместить этот огромный молекулярный «свиток», нити ДНК обвивают белки, формируя нуклеосомы. Эти нуклеосомы соединяются в длинные хроматиновые волокна, которые далее складываются в более плотные структуры, создавая сложную трехмерную упаковку внутри ядра. Но долгое время оставалась загадкой, каким образом эти волокна уплотняются ещё сильнее, оставаясь функциональными.
Конденсаты — капли без мембраны
Группа ученых под руководством Майкла Розена обнаружила, что синтетические нуклеосомы в лабораторных условиях могут объединяться в капли без мембраны, которые исследователи называют конденсатами. Эти капли ведут себя подобно маслу в воде, отделяясь от окружающей среды, и повторяют процесс естественной компактизации хроматина в клетках.
Чтобы изучить их физику и структуру, ученым потребовалось «заглянуть внутрь» капель на молекулярном уровне. Для этого они применили криоэлектронную томографию (крио-ЭТ), метод, позволяющий создавать трехмерные изображения биологических молекул почти в нативном состоянии. Сначала образцы мгновенно замораживали до −180 °C, что фиксировало каждую молекулу на месте. Затем с помощью криофокусированного ионного луча нарезали их на срезы толщиной всего 100 нанометров, что позволило получить изображения с высокой детализацией.
Десятки проекций каждого среза снимались под разными углами, после чего вычислительные алгоритмы объединяли их в подробные трехмерные модели. Эти данные позволили увидеть, как хроматиновые волокна и нуклеосомы организуются внутри капель.
Как ДНК складывается внутри ядра
Комбинируя крио-ЭТ с компьютерным моделированием и световой микроскопией, исследователи выяснили, что длина линкерной ДНК — участка между нуклеосомами — критически влияет на то, как волокна складываются и формируют конденсаты. Это объясняет, почему одни типы хроматина легче разделяются на фазы, а другие — более стабильны.
«Эта работа позволила впервые связать структуру отдельных молекул с поведением целого конденсата», — сказал Розен. «Я уверен, что мы только приоткрыли верхушку айсберга».
Значение для здоровья и клеточной биологии
Ведущий автор исследования Хуабинь Чжоу подчеркнул, что понимание поведения конденсатов важно для медицины.
«Благодаря изучению этих капель мы лучше понимаем, как аномальная конденсация ДНК может приводить к заболеваниям», — сказал он.
Результаты также открывают путь для изучения других биомолекулярных конденсатов, участвующих в регуляции генов, реакциях на стресс и поддержании внутренней организации клетки. Например, нарушения этих процессов могут объяснять, почему одни клетки стареют быстрее, а другие сохраняют стабильность.
Маленькие капли, большие идеи
Синтетические конденсаты точно повторяют поведение хроматина в живой клетке, что позволяет ученым рассматривать отдельные нуклеосомы как бусины на нитке, собирающиеся в сложное ожерелье. Эти данные дают уникальную возможность понять, как молекулы взаимодействуют в плотной среде и какие структурные особенности определяют работу ядра.
По мнению ученых, понимание организации ДНК на этом уровне не только углубляет фундаментальные знания о клетке, но и может способствовать созданию новых медицинских технологий. Например, открытие помогает разрабатывать методы лечения заболеваний, связанных с нарушением упаковки генетического материала, и проектировать более эффективные терапии.
