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, to dodatnio naładowane białka, 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 wielkości zaledwie 10 mikrometrów (1 x 10^-6 m) w poprzek.

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 to rozwiązać, zespół naukowców z Narodowego Instytutu Genetyki w Mishima w Japonii, będącego częścią Research Organization of Information and Systems (ROIS), wykorzystał obrazowanie pojedynczych nukleosomów, aby ujawnić czynniki, które przyczyniają się do organizacji i zagęszczania chromosomów podczas mitozy w żywych komórkach (film).

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, budulec chromatyny, zachowują się podczas montażu chromosomów i jak kondensyny działają na nukleosomy, aby zorganizować chromosomy. Aby zbadać te punkty, śledziliśmy ruch pojedynczych nukleosomów podczas podziału komórki w żywych komórkach ludzkich przy użyciu mikroskopu o superrozdzielczości”, powiedział Kazuhiro Maeshima, profesor w Narodowym Instytucie Genetyki i SOKENDAI (Uniwersytet Studiów Podyplomowych) 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 (Movie).

Nasze odkrycia ujawniły, że w miarę jak chromosomy są składane podczas podziału komórki, ruch nukleosomów staje się coraz bardziej ograniczony. Kondensyny działają jak „molekularne sieciowniki”, utrzymując nukleosomy na miejscu, aby zorganizować chromosomy. Ponadto interakcje między nukleosomami, ułatwione przez ogony białek histonowych, pomagają w dalszym zagęszczaniu chromosomów.

Kayo Hibino z Narodowego Instytutu Genetyki 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 (rysunek), 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 (rysunek). Konieczne są dalsze badania, aby dokładnie określić, w jaki sposób kondensyny tworzą pętle DNA i w jaki sposób interakcje nukleosom-nukleosom i tworzenie pętli współdziałają, aby złożyć chromosomy.

Dodatkowymi współautorami tych badań są: Katsuhiko Minami, Masa A. Shimazoe z Genome Dynamics Laboratory w Narodowym Instytucie Genetyki oraz Graduate Institute for Advanced Studies w SOKENDAI, oba w Mishima w Japonii; Sachiko Tamura z Genome Dynamics Laboratory w Narodowym Instytucie Genetyki; Masatoshi Takagi z Cellular Dynamics Laboratory w RIKEN Cluster for Pioneering Research w Wako w Japonii oraz Laboratory for Cell Function Dynamics w RIKEN Center for Brain Science w Wako w Japonii; Toyoaki Natsume z Graduate Institute for Advanced Studies w SOKENDAI, Molecular Cell Engineering Laboratory w Narodowym Instytucie Genetyki w Mishima w Japonii oraz Research Center for Genome & Medical Sciences w Tokyo Metropolitan Institute of Medical Science w Tokio w Japonii; Masato T. Kanemaki z Graduate Institute for Advanced Studies w SOKENDAI, Molecular Cell Engineering Laboratory w National Institute of Genetics w Mishima w Japonii oraz Wydziału Nauk Biologicznych Uniwersytetu Tokijskiego w Tokio w Japonii; a także Naoko Imamoto z Cellular Dynamics Laboratory w RIKEN Cluster for Pioneering Research i Graduate School of Medical Safety Management w Jikei University of Health Care Sciences w Osace w Japonii.