Новое исследование, проведенное учеными из Медицинской школы Перельмана при Пенсильванском университете, опубликованное на этой неделе в журнале Science, описывает, как центромера стабилизируется во время репликации. ДНК в ядре упакована в комплексы белок / ДНК, называемые нуклеосомами. Оказывается, центромера отличается не только последовательностью ДНК, но и особым типом нуклеосомы, в которую входит белок CENP-A.Старший автор Бен Э. Блэк, доктор философии, доцент кафедры биохимии и биофизики, и его команда из Пенсильвании описали структуру CENP-A почти пять лет назад.
Вопрос, который задали исследователи, заключался в следующем: как клетка гарантирует, что CENP-A-содержащие нуклеосомы остаются и, таким образом, продолжают маркировать центромеру во время массивных изменений, которым клетка подвергается при делении?Проще говоря, он включает дополнительный белок, называемый CENP-C. «В целом моя лаборатория заинтересована в лучшем понимании молекулярных основ наследования и роли центромеры как« локуса контроля »для сохранения наследственности», — говорит Блэк.Его команда применила комплекс биофизических методов для изучения структуры и стабильности CENP-A-содержащих нуклеосом в пробирке. Их данные показывают, что нуклеосомы, несущие CENP-A, имеют неожиданно гибкую структуру, принимая расслабленную конформацию в отсутствие CENP-C и более компактную форму в его присутствии.
Этот вызванный CENP-C сдвиг формы коррелирует с изменениями в том, как ДНК оборачивается вокруг нуклеосом центромеры, делая структуру похожей на структуру живых клеток.Их находки также касаются вопроса стабильности молекул CENP-A на центромерах. В нормальных условиях CENP-A связывает центромеры и практически никогда не отпускает. Действительно, когда авторы проследили, где белки «находятся» в живых клетках, они обнаружили, что, в отличие от традиционных нуклеосом, которые упаковывают ДНК по всей остальной хромосоме, CENP-A-содержащие нуклеосомы, по-видимому, никогда не диссоциируют после того, как вновь сгенерированный белок CENP-A сначала доставляется к центромере в течение короткого временного окна после деления клетки. «CENP-A в основном цементируется в центромере происхождения», — объясняет Блэк.
Но в клетках, лишенных CENP-C, CENP-A легко диссоциирует, предполагая, что связывание CENP-C с CENP-A является тем, что придает этой стабильности.В течение последних 20 лет исследователям было известно, что часть наследования хромосом контролируется эпигенетикой, предполагающей, что движущей силой являются белковые катушки, вокруг которых наматывается ДНК, а не то, что закодировано в самой последовательности ДНК. Эти катушки построены из гистоновых белков, и химические изменения в этих катушечных белках могут ослабить или усилить их взаимодействие с ДНК.
Это, в свою очередь, изменяет экспрессию гена в большую или меньшую сторону. В случае центромеры, он отмечает место, где волокна веретена прикрепляются независимо от лежащей в основе последовательности ДНК.
Ранее Блэк и другие исследователи хромосом установили, что CENP-A является ключевым эпигенетическим белком центромеры и заменяет обычный гистоновый белок H3. CENP-A привлекает другие белки и при делении клеток создает массивную структуру, называемую кинетохорой, для разрыва дублированных хромосом во время деления клетки.Блэк отмечает, что эти данные предлагают модель эпигенетической биологии, отличную от традиционного взгляда на нуклеосомы как на статические каркасы, на которых собираются ключевые функциональные молекулы. Вместо этого данные группы предполагают, что варианты гистонов и посттрансляционные модификации, которые изменяют биологические свойства нуклеосом за счет изменения формы (путем добавления или удаления сайтов стыковки ферментов), делают нуклеосомы активными участниками деления клеток и экспрессии генов.
«Концептуально это очень похоже на размышления о том, как можно регулировать ферменты — их активность можно включать и выключать», — объясняет он. «В данном случае мы не говорим о том, как ферменты влияют на химическую реакцию; мы говорим о том, как нуклеосома и вся эта часть хромосомы стабилизируются. Если стабильность теряется, то хромосома и все гены продолжают он не будет точно доставлен в каждую клетку при делении.
Это своего рода генетическая катастрофа, которая является отличительной чертой раковых клеток. Или, если это происходит в линиях сперматозоидов или яйцеклеток, это приводит к самопроизвольным абортам или детям с такими заболеваниями, как Синдром Дауна ".
Этот способ регуляции и стабилизации нуклеосом вполне может быть общим для других эпигенетических процессов, добавляет Блэк. Действительно, он говорит, что результаты предполагают, что другие варианты гистонов и посттрансляционные модификации гистонов могут выполнять ту же функцию, что и в случае центромеры с CENP-A и CENP-C, например, в регуляции экспрессии генов.
«Я не знаю, насколько широко это происходит, — говорит он, — но я был бы очень удивлен, если бы это было единственное место в природе, которое эволюционировало, чтобы воспользоваться преимуществом того факта, что форма нуклеосом может регулироваться белком. -обязательные события ".Блэк говорит, что опосредованная CENP-A стабильность может объяснить, как ооциты сохраняют эпигенетическую информацию, которая сохраняет точность наследования хромосом на протяжении стольких лет фертильности, и сейчас он готовится проверить эту гипотезу.