Пространственное разделение активных и неактивных фракций генома в ядре клетки имеет решающее значение для контроля экспрессии генов. Новое исследование раскрывает ведущие механизмы такого разделения и переворачивает наше представление о ядре с ног на голову.
Эукариотические хромосомы построены из хроматина, комплекса ДНК и связанных белков. В зависимости от транскрипционной активности и степени уплотнения можно выделить два типа хроматина, и эти два типа пространственно разделены внутри ядра. Высококонденсированная фракция состоит из участков хроматина, содержащих мало генов и транскрипционно неактивных. Он называется гетерохроматином и расположен на периферии ядра, близко к ядерной мембране. Эухроматин, с другой стороны, обогащен генами и соответствует активной части генома. Он занимает внутренние области ядра, менее плотно упакован и, следовательно, более доступен для белковых механизмов, необходимых для экспрессии генов. Этот общий образец организации генома обнаружен практически во всех типах эукариотических клеток, но механизмы, определяющие характерное распределение, остаются малоизученными.
Исследование, проведенное группой под руководством Ирины Соловей из Ludwig-Maximilians-Universitaet (LMU) в Мюнхенском биоцентре в сотрудничестве с Джобом Деккером (Медицинская школа Массачусетского университета) и физиками из группы Леонида Мирного в Массачусетском технологическом институте (Институт медицинской инженерии и науки) теперь предполагает, что движущей силой сегрегации хроматина является неактивный гетерохроматин и что в «стандартном» распределении хроматина эухроматин и гетерохроматин меняются местами. Новые результаты опубликованы в журнале Nature.
Было предложено множество механизмов, объясняющих сегрегацию хроматина внутри ядра, однако ни один из них не был окончательным, в основном потому, что трудно анализировать взаимодействия двух типов хроматина в контексте обычных ядер с гетерохроматином. прикреплены к ядерной мембране. «Поэтому для нашего исследования мы выбрали так называемые перевернутые ядра клеток», - говорит Соловей. Она и ее мюнхенские коллеги обнаружили эти ядра около 10 лет назад в сетчатке млекопитающих, ведущих ночной образ жизни, где они ограничены типом фоторецепторных клеток, известных как палочки. У палочек плотно конденсированный гетерохроматин упакован внутри ядер, а активный эухроматин локализован непосредственно под ядерной мембраной - уникальное исключение из общего правила. Оказалось, что ядро гетерохроматина ядер палочек служит микролинзой, конденсирующей свет и тем самым улучшающей оптические свойства в ночной сетчатке. Последующее исследование, проведенное той же группой, раскрыло механизм инверсии, обнаружив, что в этих атипичных ядрах отсутствуют два белковых комплекса, которые обычно связывают гетерохроматин с внутренней поверхностью ядерной мембраны, ядерной пластинкой.
Используя данные, полученные с помощью комбинации современной микроскопии и методов молекулярной биологии, исследователи создали полимерные модели отдельных хромосом и целых ядер. Моделируя поведение этих полимеров в различных условиях, они смогли исследовать роль взаимодействий внутри и между двумя фракциями хроматина и ядерной ламиной. Эти исследования показали, что для сегрегации хроматина достаточно взаимодействий только между гетерохроматиновыми областями, тогда как взаимодействия внутри эухроматина для этого процесса не нужны.
«Наши результаты показывают, что перевернутое ядро концептуально представляет ядерную архитектуру по умолчанию», - говорит Мирный; «в то время как взаимодействие гетерохроматина с ядерной пластинкой необходимо для построения традиционной архитектуры.«В этом отношении, - говорит Соловей, - интересно спросить, почему большинство эукариот имеют обычные ядра и какова может быть функциональная значимость расположения гетерохроматина на ядерной периферии».