В статье, опубликованной в онлайн-выпуске журнала Science, профессор UMMS Джоб Деккер, доктор философии, и его коллеги демонстрируют новые доказательства общего принципа конденсированной митотической организации и структуры хромосом, которые легко адаптируются и являются общими для всех клеток. Это новое понимание того, как хромосомы разбираются и собираются заново во время деления клеток, позволит исследователям начать отвечать на основные вопросы об эпигенетическом наследовании, а также о таких заболеваниях человека, как хромосомные нарушения и рак.
«За последние несколько десятилетий возникли противоречивые теории относительно того, как ДНК организована внутри этих хромосом», — сказал д-р. Деккер, содиректор программы по системной биологии в UMMS и старший автор научного исследования. «Теперь у нас есть модель, которая объединяет эти, казалось бы, противоречивые данные и указывает на единый и простой процесс для конденсированной организации хромосом во всех типах клеток.
Обладая этими знаниями, мы можем начать задавать очень конкретные вопросы о том, как работает наследование и что происходит, когда процесс идет наперекосяк."
Одна из наиболее широко известных биологических структур в клетке, плотно закрученная и удлиненная хромосома с ее классической X-образной структурой, легко различима под микроскопом и на протяжении десятилетий часто используется в учебниках и научно-популярной литературе. Несмотря на такую распространенность, технические ограничения микроскопических исследований привели к появлению конкурирующих моделей того, как ДНК организована внутри этих хромосом.
В нормальном состоянии ДНК клетки распределена в ядре клетки на относительно большой площади.
Предыдущая работа Деккера и его коллег показала, что точки взаимодействия вдоль хромосомы влияют на экспрессию генов и являются причиной того, что разные типы клеток по-разному организованы в трех измерениях. Но для того, чтобы разделиться и успешно распределиться между каждой дочерней клеткой, хромосомы должны быть плотно конденсированы и аккуратно упакованы для транспортировки и передачи дочерним клеткам.
Одна из теорий утверждала, что длинные молекулы ДНК иерархически скручены в последовательно более толстые волокна, чтобы в конечном итоге сформировать митотические хромосомы, похожие на колбасу.
Альтернативный набор моделей предполагал, что ДНК образует серию петель, которые затем прикрепляются к линейной осевой структуре, которая формирует основу хромосомы.
Обе модели поддерживались разными линиями экспериментальных данных, что не позволяло опровергнуть или опровергнуть теорию.
Чтобы изолировать трехмерную структуру хромосомы во время метафазы, авторы использовали комбинацию технологий захвата конформации хромосомы (3C, 5C и Hi-C), разработанную лабораторией Dekker за последнее десятилетие, чтобы нанести на карту точки контакта вдоль митотической хромосома в разных типах клеток синхронизирована для одновременного деления. Сложные наборы данных, полученные в результате, стали основой для понимания трехмерной структуры и пространственной организации этих хромосом.
Затем Деккер и его команда во главе с Леонидом Мирным, доктором философии, доцентом Массачусетского технологического института, разработали сложное компьютерное моделирование с использованием полимерных моделей молекулы ДНК для двух конкурирующих теорий организации митотических хромосом.
Подключив каждую модель к моделированию, Деккер, Мирный и его коллеги обнаружили, что полученные ими данные о конформации хромосом несовместимы с классической иерархической моделью. Вместо этого они обнаружили, что во время метафазы хромосома упаковывалась в двухфазный процесс. На первом этапе образуются петли хроматина от 80000 до 120000 пар оснований ДНК, исходящие от каркаса и линейно уплотняющие хромосому.
За этим последовало осевое сжатие хромосомы, очень похожее на сжатие пружины, в результате чего получился аккуратный, плотно сложенный пакет.
«Каждый тип клеток, будь то клетки крови, кожи или печени, имеет уникальную структуру и организацию, которая тесно связана с экспрессией и функцией генов», — сказал Деккер. "Когда клетка начинает делиться, эта структура разбирается.
Специфические паттерны или организация, привязанные к типу клеток, удаляются, и формируется универсальная митотическая хромосома. В результате каждая клетка конденсируется и переупаковывается таким образом, который является общим для всех типов клеток и указывает на фундаментальный процесс клеточной биологии."
«Когда вы смотрите на конденсированную хромосому, она кажется высокоорганизованной», — сказал Деккер. "Но правда в том, что процесс очень вариабельный и адаптируемый, потому что эти петли хроматина формируются случайным образом вдоль хромосом, что делает процесс невероятно надежным и адаптируемым."
Наталья Наумова, доктор философии, докторант UMMS и один из ведущих авторов исследования сказала: «Мы не ожидали, что хромосома будет организована таким образом.
Этот случайный процесс, который является локально случайным, приводит в более глобальном масштабе к высокой степени стабильности и устойчивости, которая необходима для успешного деления клеток."
Следующий шаг для Деккера, Мирного и их команды — определить, что именно управляет разборкой и повторной сборкой хромосомы. "Поскольку большая часть транскрипции в значительной степени прекращается в митозе, и многие белки отделяются от хромосомы, что-то должно отвечать за повторную сборку хромосом после деления клеток в соответствии с их типом клеток. Понимание организации митотической хромосомы поможет понять, как что-то идет не так при заболевании, вызванном хромосомным расстройством, таким как рак или синдром Дауна."