Французские биофизики исследовали движение хроматина — комплекса ДНК и белков — внутри живой клетки с помощью магнитных наночастиц. В результате выяснилось, что хроматин движется внутри ядра не как гель, образованный из сшитой полимерной сети, а как вязкая жидкость. Исследование опубликовано в Science.
Информация о матричных РНК, кодирующих белки, записана в генах. Гены, в свою очередь, составляют ДНК. А ДНК у эукариот вместе с белками составляет хроматин, который уложен в линейные хромосомы. Состояние хроматина и особенности его движения влияют на доступность генов для считывания и синтеза на их матрице РНК, поэтому то, как хроматин движется внутри ядер клеток, интересует ученых.
Несмотря на интерес, большинство методов, которые ученые используют, чтобы вызвать движение хроматина внутри клетки, довольно грубы. Они основаны на приложении силы ко всей клетке сразу, клеточному ядру или к большим участкам генома. В то время как способов приложения силы к небольшим участкам хроматина до сих пор не существует.
Чтобы исправить такое положение дел и исследовать механику хроматина подробнее, биофизики под руководством Антуана Кулона (Antoine Coulon) из Института Кюри решили использовать магнитные наночастицы. Они приготовили наночастицы на основе ферритина, присоединенные к двум флуоресцентным белкам и репрессору тетрациклина. А в хроматин клеток ученые искусственно ввели последовательности из операторов тетрациклина. Биофизики предполагали, что в исследуемых клетках операторы свяжутся с репрессорами, и магнитные наночастицы окажутся в определенном участке хроматина. При этом наблюдать их можно будет благодаря флуоресценции белков.
Так ученые ввели магнитные наночастицы в клетки, и большая часть из них оказалась прикреплена к нужной области хроматина внутри клеточного ядра. Для приложения силы к наночастицам биофизики использовали микроскопические стержни, которые притягивали к себе магнитные наночастицы в присутствии внешнего магнитного поля.
Чтобы исследовать особенности движения хроматина в ядре клетки, ученые провели серию экспериментов, в которых с периодичностью в несколько минут включали и отключали внешнее магнитное поле. При этом сила, действующая на наночастицы не превосходила значения в несколько пиконьютонов. В процессе этих экспериментов авторы наблюдали, как определенный участок (локус) хроматина расправлялся и двигался в направлении магнитного стержня, а при отключении внешнего поля, собирался и возвращался на некоторое расстояние назад.
Чтобы описать движение локуса, ученые решили использовать модель Рауза из полимерной физики — она описывает движение одноцепочечного полимера, который состоит из мономеров, соединенных колеблющимися пружинами, в вязкой среде. И несмотря на простоту этой модели, предсказанная на ее основе зависимость приложенной к локусу силы от перемещения хорошо совпала с полученными экспериментальными данными.
И хотя часть данных плохо совпадала с предсказанными, ученые связали это с дополнительными взаимодействиями локуса с цепями хроматина, находящимися вблизи. Модификация теории Рауза, учитывающая эти взаимодействия, дала еще более точные совпадения с экспериментальными данными.
Так как теория Рауза описывает одноцепочечные полимеры, не образующие сшитую полимерную сеть, поведение хроматина в ядре, по мнению биофизиков, напоминало поведение жидкости. При этом в более ранних исследованиях ученые склонялись к тому, что хроматин ведет себя, как вязкоупругий гель, образованный сшитыми полимерными цепями.
В результате ученые показали, что для перемещения хроматина на несколько микрометров в живой клетке достаточно приложения небольшой силы в пиконьютон, а само движение больше напоминает движение жидкости, чем сплетенного полимера. Но авторы статьи подчеркивают, что их результаты противоречат более ранним исследованиям, в которых поведение хроматина было схоже с поведением геля. Поэтому, считают ученые, необходимо провести дополнительные исследования хроматина, не вводя в него искусственные последовательности, которые могут влиять на результаты экспериментов.
Хотя движение хроматина ученые еще не исследовали досконально, много работ посвящено его структуре и упаковке в ядре. Например, недавно мы рассказывали о том, как благодаря усовершенствованному окрашиванию, исследователям удалось прямо в клетке изучить трехмерную структуру хроматина.
Михаил Бойм