Внутри каждой человеческой клетки происходит удивительная молекулярная организация. Примерно два метра ДНК должны быть упакованы в ядро, размер которого составляет всего одну десятую ширины человеческого волоса. При этом ДНК должна оставаться достаточно доступной для выполнения своих жизненно важных функций.
Чтобы это стало возможным, ДНК накручивается на белки, образуя нуклеосомы. Эти нуклеосомы соединяются, как бусины на нитке, и складываются в хроматиновые волокна. Затем волокна уплотняются еще сильнее, чтобы поместиться внутри ядра.
В течение многих лет исследователям не было до конца ясно, как происходит этот дополнительный уровень компактизации хроматина. В 2019 году исследователь HHMI Майкл Розен и его команда из Юго-западного медицинского центра Техасского университета сообщили, что созданные в лаборатории нуклеосомы естественным образом группируются в безмембранные капли, называемые конденсатами. Они обнаружили, что этот процесс происходит посредством фазового разделения — явления, похожего на образование капель масла в воде, и полагают, что это отражает механизм конденсации хроматина внутри живых клеток.
Конденсаты хроматина состоят из сотен тысяч быстро движущихся молекул. Когда они собираются вместе, проявляются эмерджентные свойства, которых нет у отдельных молекул. Эти групповые характеристики определяют, как образуются конденсаты и как они поддерживают свои физические свойства.
Для детального понимания этих свойств ученым необходимо было наблюдать хроматиновые волокна и нуклеосомы глубоко внутри капель. Группа Розена, работая с исследователем HHMI Элизабет Виллой из Калифорнийского университета в Сан-Диего, Росаной Коллепардо-Геварой из Кембриджского университета и Чжихеном Ю из Janelia Research Campus HHMI, достигла этой цели.
Используя передовые инструменты визуализации в Janelia, исследователи получили наиболее детальные на сегодняшний день изображения расположения молекул внутри синтетических хроматиновых конденсатов. Эти изображения позволяют напрямую увидеть, как хроматиновые волокна и нуклеосомы упакованы в каплевидных структурах. Те же методы визуализации были применены для изучения хроматина в реальных клетках.
Объединив эти изображения с компьютерным моделированием и световой микроскопией, команда проанализировала молекулярные структуры и взаимодействия внутри синтетических конденсатов. Это позволило им начать раскрывать, как образуются капли и как они себя ведут.
Одним из важных открытий стало то, что длина линкерной ДНК между нуклеосомами влияет на общую организацию структур. Это расположение определяет, как взаимодействуют хроматиновые волокна, и формирует сеть внутри конденсатов.
Эти особенности прояснили, почему некоторые хроматиновые волокна легче подвергаются фазовому разделению, а также почему конденсаты, построенные из разных типов хроматина, обладают различными материальными свойствами. Исследователи также обнаружили, что синтетические конденсаты очень похожи на уплотненный хроматин, который находится в клетках.
«Работа позволила нам впервые связать структуры отдельных молекул с макроскопическими свойствами их конденсатов», — отмечает Розен. — «Я уверен, что мы только на вершине айсберга — что мы и другие ученые найдем еще лучшие способы развития этих структурно-функциональных взаимосвязей на мезоуровне (промежуточном масштабе)».
Полученные результаты выходят далеко за рамки хроматина. Подход предлагает модель для изучения многих видов биомолекулярных конденсатов, которые представляют собой безмембранные капли, участвующие в основных клеточных задачах — от регуляции генов до стрессовых реакций.
Понимание того, как эти структуры собираются и функционируют, также может пролить свет на то, что происходит при нарушении конденсации — проблеме, которая, как считается, способствует развитию различных заболеваний, от нейродегенеративных расстройств до рака.
«Проводя это исследование, мы лучше поймем, как аномальная конденсация может приводить к различным заболеваниям, и, потенциально, это поможет нам разработать новое поколение терапевтических средств», — говорит Хуабин Чжоу, постдокторант в лаборатории Розена и ведущий автор нового исследования.
