Складывание генома теперь имеет практический пример. Новое пошаговое описание с точностью до минуты показывает, как клетки быстро упаковывают длинные клубки хромосом в крошечные, плотно свернутые пучки, необходимые для клеточного деления. Клетки наматывают хромосомы на петли, а затем скручивают петли в структуры винтовой лестницы, сообщают исследователи Медицинского института Говарда Хьюза 18 января 2018 года в журнале Science.
«Это самый фундаментальный процесс генетики», - говорит соавтор исследования и исследователь Медицинского института Говарда Хьюза (HHMI) Джоб Деккер. Если упаковка идет неправильно, хромосомы могут разорваться и оказаться не в том месте, что является признаком рака.
Новая работа раскрывает биологическую загадку, которая насчитывает более века, говорит Деккер, когда ученые впервые увидели хромосомы под микроскопом.
Большую часть времени хромосомы наших клеток натянуты в ядре, как распущенный моток пряжи. Рассеянные нити выглядят как маленькие капли, говорит Деккер, биохимик из Медицинской школы Массачусетского университета. Но во время митоза, когда наши клетки готовятся разделиться на две части и передать генетический материал дочерним клеткам, хромосомы скручиваются, упаковывая примерно шесть футов ДНК в микроскопические пакеты. По словам Деккера, клетки могут легко доставлять эти уплотненные X-образные самородки своим дочерям. Затем хромосомы снова сминаются, снова превращаясь в капли.
Ученые ранее выяснили, как клетки структурировали эти рыхлые, рассеянные хромосомы. А четыре года назад Деккер и его коллеги сообщили о структуре плотно упакованных хромосом - наборе последовательных петель. Но, по его словам, главный вопрос заключался в том, как клетки переходят из одного состояния в другое и обратно - причем так быстро.«Весь процесс занимает от 10 до 15 минут, - говорит он. «Это невероятно».
Это также было предметом ожесточенных споров. Некоторые исследователи считали, что клетки закручивают свои хромосомы в спирали, в то время как другие думали, что клетки просто застревают в петлях.
Деккер вместе с Уильямом Эрншоу из Центра клеточной биологии Wellcome Trust Эдинбургского университета, Леонидом Мирным из Массачусетского технологического института и коллегами использовали генетический трюк для синхронизации куриных клеток в лаборатории, чтобы все они начали упаковывают свои хромосомы одновременно. Затем ученые сделали снимки хромосом в разные моменты времени.
В течение нескольких минут исследователи смогли увидеть желеобразные шарики ДНК, собранные в веревочные стержни.
Затем команда закрепила хромосомы на месте, соединив вместе все места, где соприкасались отдельные нити. Анализ последовательности ДНК этих соединений дал команде подсказки об архитектуре хромосом.«Если вы знаете, какая часть веревки находится рядом с какой, вы можете реконструировать ее трехмерную структуру», - говорит Деккер.
Эти данные, наряду с компьютерным моделированием процесса складывания, позволяют исследователям проверить предсказания о том, как хромосомы превращаются из шарика в стержень. «Поскольку структуры совершенно разные, вы думаете: «О, это должен быть очень сложный и трудный процесс», - говорит Деккер.
Но на самом деле все происходит за несколько простых шагов, как обнаружила команда. Небольшие кольцеобразные белковые моторы, называемые конденсинами, проталкивают хромосомы через кольца, образуя петли. Конденсин II сплетает хромосомы в цепочку из широких петель, а затем другой белок, конденсин I, расщепляет большие петли на более мелкие. Затем петли, сотни на хромосому, закручиваются, как винтовая лестница.
Такая элегантная и эффективная стратегия упаковки может объяснить, как клетки могут так надежно связывать свои хромосомы снова и снова, каждый раз, когда клетка делится, говорит Деккер.
Новая работа обещает объединить два ранее противоречащих взгляда на митотические хромосомы. Хромосомы могут быть организованы в виде множества петель, но они также могут быть спиральными, говорит Деккер. «Я нахожу это чрезвычайно удовлетворительным, - говорит он. «Я всегда стремлюсь к согласованности. Если вы сталкиваетесь с наборами данных, которые якобы говорят вам о двух разных вещах, можете ли вы найти способ, чтобы они оба были правильными?»