Человеческие искусственные хромосомы (HAC) могут быть полезными инструментами как для понимания того, как функционируют хромосомы млекопитающих, так и для создания синтетических биологических систем, но в течение последних 20 лет они были ограничены неэффективной искусственной центромерой. В журнале Cell от 25 июля исследователи сообщают, что они добились прогресса в этом ключевом компоненте.
«Раньше центромеру называли черным ящиком хромосомы», - говорит Бен Блэк, профессор биохимии и биофизики Пенсильванского университета.«Если вы изучаете какой-либо биологический процесс, вы хотите иметь возможность построить его, и в этом мы добились прогресса».
У млекопитающих центромеры - центральная точка Х-образной хромосомы - гарантируют, что хромосома наследуется при делении клетки, выступая в качестве якоря для волокон веретена, которые тянут дублированную хромосому пополам. Генетическая последовательность естественной центромеры человека представляет собой тысячи повторений последовательности из 171 пары оснований. Центромерная ДНК также должна быть эпигенетически модифицирована в клетке, чтобы функционировать должным образом. Считается, что эти эпигенетические метки (белки и химические метки вдоль ДНК) устанавливаются в центромерах белками CENP человека.
HAC первого поколения опирались как на повторяющуюся центромерную последовательность, так и на CENP-B. Но повторяющаяся последовательность затрудняет клонирование центромер для изучения в лаборатории. Поэтому «все синтетические хромосомы, о которых недавно сообщалось, используют подходы, которые преднамеренно удаляют повторяющиеся элементы», - говорит Блэк, что делает пока невозможным перенос методов, которые работают с искусственными хромосомами дрожжей, на HAC.
Команда Блэка создала два новых HAC: ни один из них не использует CENP-B, и один не повторяется. «Мы хотели посмотреть, сможем ли мы нарушить правила, наделив ДНК, которую мы поместили в клетку, эпигенетическими маркерами с самого начала», - говорит Блэк. Их улучшения устраняют необходимость в CENP-B, делают HAC более надежными для наследования в клеточной культуре и дают исследователям возможность изучать их с помощью геномных подходов, что ранее было невозможно..
CENP-B, хотя и не существенный для естественных хромосом, до сих пор считался необходимым для формирования искусственных центромер. Близкородственный белок, CENP-A, на самом деле является важным эпигенетическим маркером центромер, и Блэк и его команда смогли направить сборку CENP-A на входящую ДНК HAC.
HAC следующего поколения, созданные Блэком и его командой, позволят более тщательно изучить основные компоненты функциональных хромосом. Поскольку версия их HAC не имеет длинного повторяющегося участка, команда Блэка смогла использовать геномные подходы для анализа последовательности, в которой формируются центромеры. Более надежные HAC также откроют дверь для сложных синтетических биологических систем, которым требуются более длинные последовательности, чем могут поместиться в вирусах, что является нынешним распространенным способом доставки синтетических генетических систем.