2 метра ДНК в точке меньше пылинки — раскрыт механизм, который делает жизнь возможной

В каждой клетке человека содержится около 2 метров ДНК, упакованных в ядро толщиной меньше 100 микрон — и природа делает это безошибочно и постоянно. Молекула наматывается на белки, образуя нуклеосомы, те собираются в цепочки, а цепочки формируют хроматиновые нити, которые занимают строго упорядоченное пространство в ядре. Но долго оставалось неясно, как хроматин способен уплотняться ещё сильнее и при этом сохранять доступность для всех процессов, связанных с работой генов.

Молекула ДНК сама по себе слишком длинная, чтобы разместиться в клетке свободно, поэтому она оборачивается вокруг комплекса из восьми белков-гистонов. Такой обёрнутый участок напоминает шарик с витком нити — это и есть нуклеосома. Они соединяются друг с другом в цепочки, образуя первые уровни упаковки генетического материала, которые позволяют хранить огромный объём информации в чрезвычайно компактном виде, но при этом сохранять доступ для чтения и регуляции генов.

В 2019 году группа Майкла Розена из Юго-Западного медицинского центра Техасского университета обнаружила, что синтетические нуклеосомы в растворе могут собираться в каплевидные структуры без мембран — конденсаты. Они ведут себя как масляные капли в воде: сливаются, разделяются и существуют благодаря фазовому разделению. Учёные предположили, что схожие механизмы помогают хроматину уплотняться в клетках без жёстких каркасов.

Чтобы подтвердить эту идею, необходимо было увидеть, как располагаются нуклеосомы и хроматиновые волокна внутри таких капель. Но до недавнего времени никто не мог получить изображение с нужным разрешением, чтобы проследить структуру конденсатов изнутри.

Эту проблему решили исследователи из UT Southwestern, Калифорнийского университета в Сан-Диего, Кембриджа и исследовательского центра Janelia (HHMI). Они получили самые детальные на сегодня изображения молекул внутри синтетических хроматиновых конденсатов и применили ту же методику для изучения нативного хроматина в клетках.

Помогла крио-электронная томография (cryo-ET), позволяющая создавать трёхмерные карты биологических структур в состоянии, близком к естественному. Сначала образцы мгновенно замораживали до –180 °C, фиксируя положение каждой молекулы. Затем использовали крио-фокусированный ионный пучок, чтобы аккуратно вырезать слои толщиной около 100 нм — достаточно тонкие для получения высокого разрешения. Cryo-ET делала десятки снимков каждого слоя под разными углами, а вычислительная обработка объединяла их в подробные 3D-модели, показывающие расположение волокон внутри конденсата.

Дополнительно команда использовала компьютерное моделирование и оптическую микроскопию, чтобы проследить взаимодействия хроматиновых нитей и структуру сети конденсатов. Одним из ключевых результатов стало выяснение роли линкерной ДНК — короткого сегмента, соединяющего соседние нуклеосомы. Оказалось, что её длина напрямую влияет на то, как волокна группируются и укладываются внутри каплевидной структуры: небольшие различия в длине приводят к совершенно иному способу упаковки.

Работа помогает объяснить, каким образом клетки одновременно компактно размещают метры генетического материала и сохраняют его функциональность — что долгие годы казалось почти невозможным.