Как молекулярные кластеры в ядре клетки взаимодействуют с хромосомами

Новое исследование показало, что кластеры образуют маленькие стабильные капли и могут придавать геному гелеобразную структуру.

Клетка хранит весь свой генетический материал в своем ядре в виде хромосом, но это еще не все, что там спрятано. Ядро также является домом для небольших тел, называемых ядрышками — кластеров белков и РНК, которые помогают строить рибосомы.

Используя компьютерное моделирование, химики из Массачусетского технологического института теперь обнаружили, как эти тела взаимодействуют с хромосомами в ядре и как эти взаимодействия помогают ядрышкам существовать в виде стабильных капель внутри ядра.

Используя компьютерное моделирование, химики из Массачусетского технологического института обнаружили, как ядерные тела, называемые ядрышками, изображенные оранжевым цветом, взаимодействуют с хромосомами в ядре, и как эти взаимодействия помогают ядрышкам существовать в виде стабильных капель внутри ядра. Кредит: Предоставлено исследователями. Под редакцией MIT News.

Их результаты также предполагают, что взаимодействия хроматина с ядерным телом приводят к тому, что геном приобретает гелеобразную структуру, которая способствует стабильным взаимодействиям между геномом и механизмами транскрипции. Эти взаимодействия помогают контролировать экспрессию генов.

«Эта модель вдохновила нас на мысль, что геном может иметь гелеобразные особенности, которые могут помочь системе кодировать важные контакты и способствовать дальнейшему преобразованию этих контактов в функциональные результаты», — говорит Бин Чжан, доцент кафедры химии Pfizer-Laubach. из Массачусетского технологического института, ассоциированный член Института Броуда Гарварда и Массачусетского технологического института и старший автор исследования.

Аспирант Массачусетского технологического института Ифэн Ци является ведущим автором статьи, опубликованной 24 ноября 2021 года в журнале Nature Communications .

Моделирование капель

Большая часть исследований Чжана сосредоточена на моделировании трехмерной структуры генома и анализе того, как эта структура влияет на регуляцию генов.

В новом исследовании он хотел расширить свое моделирование, включив ядрышки. Эти маленькие тела, которые разрушаются в начале клеточного деления и затем реформируются позже в процессе, состоят из более чем тысячи различных молекул РНК и белков. Одна из ключевых функций ядрышек — производство рибосомной РНК, компонента рибосом.

Недавние исследования показали, что ядрышки существуют в виде нескольких жидких капель. Это озадачило, потому что в нормальных условиях несколько капель должны со временем слиться в одну большую каплю, чтобы минимизировать поверхностное натяжение системы, — говорит Чжан.

«Вот где проблема становится интересной, потому что в ядре каким-то образом эти множественные капли могут оставаться стабильными в течение всего клеточного цикла, в течение примерно 24 часов», — говорит он.

Чтобы исследовать это явление, Чжан и Ци использовали метод, называемый молекулярно-динамическим моделированием, который может моделировать, как молекулярная система изменяется с течением времени. В начале моделирования белки и РНК, составляющие ядрышки, случайным образом распределяются по ядру, и моделирование отслеживает, как они постепенно образуют маленькие капельки.

В свою симуляцию исследователи также включили хроматин, вещество, которое составляет хромосомы и включает белки, а также ДНК . Используя данные предыдущих экспериментов, в которых анализировалась структура хромосом, команда Массачусетского технологического института рассчитала энергию взаимодействия отдельных хромосом, что позволило им обеспечить реалистичное представление трехмерных структур генома.

Используя эту модель, исследователи смогли наблюдать, как образуются капельки ядрышек. Они обнаружили, что если бы они моделировали компоненты ядрышка самостоятельно, без хроматина, они, как и ожидалось, со временем слились бы в одну большую каплю. Однако после того, как хроматин был введен в модель, исследователи обнаружили, что ядрышки образуют несколько капель, как и в живых клетках.

Исследователи также выяснили, почему это происходит: капли ядрышек привязываются к определенным участкам хроматина, и как только это происходит, хроматин действует как тормоз, препятствующий слиянию ядрышек друг с другом.

«Эти силы по сути задерживают систему на эти маленькие капельки и препятствуют их слиянию», — говорит Чжан. «Наше исследование является первым, кто подчеркивает важность этой сети хроматина, которая может значительно замедлить слияние и остановить систему в ее капельном состоянии».

Генный контроль

Ядрышки — не единственные небольшие структуры, обнаруженные в ядре; другие включают ядерные спеклы и ядерную пластинку, оболочку, которая окружает геном и может связываться с хроматином.

• Группа Чжана сейчас работает над моделированием вклада этих ядерных структур, и их первоначальные результаты показывают, что они помогают придать геному более гелеобразные свойства, говорит Чжан.
• «Это соединение, которое мы наблюдали между хроматином и ядерными тельцами, не специфично для ядрышек. Это характерно и для других ядерных тел », — говорит он. «Эта концентрация ядерных тел в корне изменит динамику организации генома и, скорее всего, превратит геном из жидкости в гель».
• По его словам, это гелеобразное состояние облегчило бы взаимодействие различных участков хроматина друг с другом, чем если бы структура существовала в жидком состоянии. Поддержание стабильных взаимодействий между удаленными участками генома важно, потому что гены часто контролируются участками хроматина, физически удаленными от них.

Источник

Метки: Генетика