Poszczególne komórki dzielą się w procesie zwanym mitozą, podczas którego skopiowane DNA komórki jest rozdzielane między dwie powstałe komórki potomne. Pomimo ostatnich postępów w biologii komórki, mechanizm, dzięki któremu DNA ulega kondensacji podczas mitozy, jest nadal słabo poznany. Naukowcy niedawno śledzili małe odcinki DNA owinięte wokół białek histonowych, zwane nukleosomami, aby lepiej scharakteryzować zachowanie nukleosomów podczas podziału komórki.

DNA jest zorganizowane jako chromatyna, czyli dynamiczne struktury składające się z DNA, RNA i białek, które regulują dostępność genów do ekspresji i ogólną konfigurację materiału genetycznego w komórce. Białka histonowe, na przykład, są dodatnio naładowanymi białkami, które wiążą się z ujemnie naładowanym DNA. DNA owija się wokół tych białek histonowych, tworząc nukleosomy, które pomagają skondensować prawie sześć stóp ludzkiego genomowego DNA w jądro o średnicy zaledwie 10 mikrometrów.

Podczas mitozy DNA ulega kondensacji przed podziałem między dwie komórki potomne. Kompleks białkowy zwany kondensynami bierze udział w składaniu skondensowanych chromosomów. Jednak naukowcy nadal nie są pewni, w jaki sposób komórki osiągają składanie chromosomów podczas podziału komórki.

Aby zbadać tę kwestię, zespół badaczy z Narodowego Instytutu Genetyki w Mishima w Japonii, będącego częścią Organizacji Badawczej ds. Informacji i Systemów (ROIS), wykorzystał obrazowanie pojedynczych nukleosomów w celu ujawnienia czynników wpływających na organizację i zagęszczanie chromosomów podczas mitozy w żywych komórkach.

Zespół opublikował badanie 25 sierpnia w Komunikacja przyrodnicza.

„Mitotyczny montaż chromosomów jest niezbędnym procesem przekazywania replikowanych chromosomów do dwóch komórek potomnych podczas podziału komórki. Podczas gdy czynniki białkowe, takie jak kondensyny, odgrywają kluczową rolę w tym procesie, nie jest jasne, jak nukleosomy, budulce chromatyny, zachowują się podczas montażu chromosomów i jak kondensyny działają na nukleosomy, aby zorganizować chromosomy.

„Aby zbadać te kwestie, śledziliśmy ruch pojedynczych nukleosomów podczas podziału komórek w żywych komórkach ludzkich, używając mikroskopu o superrozdzielczości” – powiedział Kazuhiro Maeshima, profesor w Narodowym Instytucie Genetyki i SOKENDAI (Uniwersytet Studiów Zaawansowanych) w Mishima w Japonii.

Zespół zaobserwował, że nukleosomy są znacznie bardziej ograniczone podczas mitozy w porównaniu do komórek w interfazie. Nukleosomy były najbardziej ograniczone, gdy chromosomy były przesuwane do przeciwległych biegunów komórki podczas anafazy, określonej fazy podziału komórki. Ograniczenia te zostały poluzowane podczas telofazy, ostatniej fazy podziału komórki, gdy rozpoczyna się dekompakcja chromosomów.

Zespół przeprowadził również eksperymenty z wyczerpywaniem kondensyny, aby zbadać proces ograniczania podczas mitozy. Odkryli, że wyczerpywanie kondensyny powodowało nieprawidłowe kształty chromosomów i zwiększony ruch nukleosomów. Ta obserwacja potwierdza model organizacji chromosomów, w którym kondensyny tworzą pętle, aby ograniczyć nukleosomy. Co ważne, Yuji Sakai z Yokohama City University był w stanie powtórzyć swoje obserwacje, korzystając z modelowania obliczeniowego.

„Nasze odkrycia ujawniły, że w miarę jak chromosomy są składane podczas podziału komórki, ruch nukleosomów staje się coraz bardziej ograniczony. Kondensyny działają jak „cząsteczkowe sieciujące” wiązania, utrzymując nukleosomy na miejscu, aby zorganizować chromosomy. Ponadto interakcje między nukleosomami, ułatwione przez ogony białek histonowych, pomagają w dalszym zagęszczaniu chromosomów” — powiedział Kayo Hibino z National Institute of Genetics i SOKENDAI.

Modelowanie obliczeniowe zespołu i brak kondensyny na obrzeżach chromosomów sugerują, że inne czynniki ograniczające mogą przyczyniać się do kondensacji chromosomów podczas mitozy. Poprzez zmniejszenie ładunku dodatniego na białkach histonowych za pomocą odczynnika trichostatyny A (TSA), naukowcy zaobserwowali zwiększony ruch nukleosomów, podobny do wyników eksperymentów z wyczerpywaniem kondensyny.

Ogólnie rzecz biorąc, zespół odkrył, że kondensyny są odpowiedzialne za ograniczanie nukleosomów wokół osi chromosomu podczas mitozy poprzez tworzenie pętli, a interakcje nukleosom-nukleosom poprzez ogony histonowe przyczyniają się do globalnej kondensacji chromosomów. Dalsze badania są konieczne, aby dokładnie określić, w jaki sposób kondensyny tworzą pętle DNA i w jaki sposób interakcje nukleosom-nukleosom i tworzenie pętli współdziałają, aby złożyć chromosomy.