Разделение жидких фаз в ядре оказалось необходимо для формирования гетерохроматина

Ученые из Калифорнийского университета Беркли и Нью-Йоркского Медицинского колледжа Альберта Эйнштейна выяснили, что формирование структуры ядерной ДНК происходит с участием разделения жидких фаз ядерных белков. В результате фазовых переходов белка HP1a на разных стадиях деления эмбриональных клеток в их ядрах возникают компартменты, необходимые для правильного формирования конститутивного гетерохроматина. Исследование опубликовано в Nature.

Гетерохроматин — участки ДНК, которые находятся в конденсированном (сильно сжатом и компактном) состоянии, с которых практически ничего не «читается». Факультативный гетерохроматин способен декомпактизироваться и переходить в активное состояние, с которым взаимодействуют полимеразы и регуляторы транскрипции. В форме факультативного хроматина существуют, например, нерабочие половые хромосомы или тканеспецифичные хромосомные участки (в результате гены, которые активны, например, в печени, «молчат» в клетках глаза). Конститутивный хроматин, наоборот, содержит очень мало генов, расположен в центромерах, теломерах, ядрышковом организаторе и некоторых других участках хромосом (в некоторых хромосомах его больше, чем в других, например, в Y-хромосоме), и в активное, развернутое состояние возвращаться не может.

Конститутивный хроматин имеет множество тандемных повторов (сателлиты и транспозоны) и из-за малого давления отбора подвержен сильной изменчивости. Он составляет около шести с половиной процентов человеческого генома, и его функции до сих пор мало изучены. Считается, что он участвует в разделении хроматид во время митоза, а также важен для поддержания правильной структуры ДНК внутри ядра и геномной стабильности и играет роль в процессах репарации ДНК. С нарушениями структуры конститутивного хроматина связаны такие генетические заболевания, как синдром Робертса и синдром ICF (Immunodeficiency—Centromeric instability—Facial anomalies syndrome), которые возникают вследствие нарушения механизма деления клеток.

Компактизация хроматина обеспечивается за счет взаимодействия ДНК с белками. В гетерохроматиновых участках белок гистон H3 ацетилирован по лизиновому аминокислотному остатку, благодаря чему повышены его щелочные свойства, и он легче связывается с кислыми фосфатными группами ДНК. Это происходит с участием его «партнера» — белка HP1. Некоторые аминокислоты гетерохроматиновых гистонов бывают еще и метилированы, что также повышает их способность связывать ДНК; с этой же целью может быть метилирована и сама ДНК.

Многие участки гетерохроматина выдвинуты к периферии клеточного ядра и прикреплены к ядерной мембране изнутри. Некоторые, однако, с мембраной не связаны и объединяют, как правило, несколько хромосом. Ученые предположили, что это возможно вследствие фазового разделения компонентов — механизма, который участвует в создании правильной структуры и других компартментов клетки, таких, как само ядро и цитозоль.

Выяснилось, что белок HP1a у дрозофил (один из их паралогов HP1), излюбленного модельного организма для изучения структуры хроматина, демонстрирует способности к жидкостному расслоению как in vitro, так и in vivo. На ранних эмбриональных стадиях в клетках (циклы 11-14) он способен создавать сферические «очаги», демонстрирующие характеристики, свойственные жидким веществам, при этом представляющие собой отдельные структуры. Такие очаги растут и иногда сливаются. После перехода к митотической профазе они рассасываются (когда HP1a выводится из хроматина). При этом концентрация их не меняется, так что количество вещества, считают ученые, этот процесс не регулирует. По-видимому, формирование таких очагов позволяет надлежащим образом делить пространство на компартменты, необходимые для создания правильной структуры гетерохроматина.

Кроме того, в клетках как дрозофил, так и млекопитающих, динамические характеристики гетерохроматиновых доменов свидетельствовали об идущих внутри них процессах фазового разделения жидкостей. Они оказались чувствительны к разрыву слабых гидрофобных связей, и внутри доменов медленнее ожидаемого идут диффузионные процессы. Кроме того, флуоресцентный анализ показал, что движение разных макромолекул в этих участках скоординированно, что является характерным индикатором наличия межфазного натяжения. Ученые также показали, что инертные зонды выводятся (стерически исключаются) из зон высокой концентрации HP1a быстрее, чем это происходит во взятых в качестве контроля зонах с высокой концентрацией другого хроматинового белка, H2А, что подтверждает гипотезу о механизмах фазового разделения, работающих в зонах HP1a.

Ученые делают вывод, что гетерохроматиновые домены формируются за счет такого жидкостного разделения фаз, и итоговая структура содержит как жидкие, так и стабильные компартменты. Это объясняет многие аспекты «странного поведения» гетерохроматина, в том числе взаимодействие разных его участков и чувствительность к температурным изменениям. Изучение биофизических характеристик такой структуры, считают ученые — ключ к пониманию механизмов работы гетерохроматина.

А об обращении процессов старения у мышей, связанном, в том числе, с восстановлением работы ферментов, отвечающих за формирование гетерохроматина, можно почитать здесь.

Анна Казнадзей



Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.
Американцы составили водную карту поверхности Луны

Основываясь на уточненных спектроскопических данных, американские астрофизики составили первые количественные карты содержания воды на поверхности Луны. Полученные данные показали, что основным источником воды на поверхности Луны является солнечный ветер. А составленные карты могут потом быть использованы для уточнения теоретических моделей поведения летучих веществ на безвоздушных космических объектах. Работа опубликована в Science Advances.