Для Тома Сантанджело одноклеточные микроорганизмы, называемые археями, подобны древним мореплавателям, выживающим в самых экстремальных условиях на Земле, включая вулканические жерла в глубоком океане.
Ученый из Университета штата Колорадо изучает, как эти выносливые микробы, которые составляют одну из трех выживших областей жизни, проявляют свои гены, производят свою энергию и процветают в жаркой, лишенной света среде.
Оказывается, мы не так уж сильно отличаемся - во всяком случае, биохимически - от архей в конце концов.
Сантанджело, доцент кафедры биохимии и молекулярной биологии, был в команде, которая обнаружила поразительные параллели между тем, как клетки архей и более сложные клетки, включая клетки человека и животных, упаковывают и хранят свой генетический материал. Прорывное исследование, опубликованное в журнале Science ранее в этом году, предоставило доказательства того, что клетки архей и эукариот имеют общий механизм компактизации, организации и структурирования своих геномов.
Исследование возглавила Каролин Люгер, в настоящее время структурный биолог из Университета Колорадо в Боулдере. Большинство результатов, опубликованных в Science, были получены, когда Люгер был преподавателем CSU, с 1999 по 2015 год.
Небольшой обзор биологии средней школы: Эукариоты - это клетки с ядром и мембранными органеллами, включая клетки грибов, растений и животных, включая человека. Они отличаются от своих менее сложных собратьев, прокариот, отсутствием ядра. Хотя археи и бактерии являются прокариотами, они лишь отдаленно связаны между собой. Археи, вероятно, являются предками эукариот и имеют много общих белков, контролирующих экспрессию генов.
Один из самых фундаментальных процессов жизни - механика, с помощью которой ДНК изгибается, складывается и втискивается в клеточное ядро, - характерен для всех эукариот, от микроскопических протистов до растений и людей.
Внутри ядра каждой эукариотической клетки упаковано несколько футов генетического материала, который уплотнен очень специфическим образом. Небольшие участки ДНК намотаны, как нить на катушку, примерно два раза вокруг восьми небольших белков, называемых гистонами. Весь этот комплекс ДНК-гистон называется нуклеосомой, а цепочка компактных нуклеосом называется хроматином. В 1997 году Люгер и его коллеги впервые сообщили о точной структуре эукариотических нуклеосом с помощью рентгеновской кристаллографии.
Сотрудник научной статьи Джон Рив в 1990-х годах обнаружил, что гистоновые белки встречаются не только у эукариот, но и в безъядерных клетках архей. Ривз и Люгер начали совместную работу по кристаллизации хроматина архей на основе гистонов и сравнении этой структуры с хроматином эукариот.
После многих лет остановок и стартов, а также проблем с выращиванием надежных кристаллов гистонов архей - Люгер назвал это «сложной кристаллографической проблемой» - ученым удалось разрешить структуру хроматина архей, выявив его структурное сходство с эукариотами.
Согласно данным, ДНК архей образовывала длинные, извилистые, повторяющиеся суперспирали. Исследователи не были уверены, была ли структура реальной или артефактом эксперимента. Вот где команда Сантаджело из CSU предоставила ключевой опыт.
"Моя группа взялась за определение того, представляет ли структура, выделенная в кристаллах, биологически значимую структуру", - сказал он.
Команда Сантанджело создала варианты гистонов архей и проверила, как поживают клетки, разрушая суперспираль ДНК. Они обнаружили, что чем больше они дестабилизировали структуру, тем больнее становились клетки. Их усилия подчеркнули достоинства структуры, которую определила группа Люгера.
Работа в команде, предоставившей такую фундаментальную информацию, как происхождение наших клеток, была одним из самых приятных моментов в карьере Сантанджело.
«Я думаю, что основное влияние статьи заключается в том, что идея уплотнения ДНК в эти структуры является очень древней идеей, которой, вероятно, более 1 миллиарда лет», - сказал Сантанджело. «На сцену вышли гистоновые белки, и как только они проникли в геномы и начали упаковывать их, они в значительной степени стали незаменимыми для тех клеток, которые их кодировали».
Сантанджело продолжит исследования структуры, функций и энергетических трансакций архей - тех древних мореплавателей, которые теперь окончательно представляют собой предковый прототип человеческой клеточной активности.