Hvordan genomet er pakket ind i kromosomer, der trofast kan flyttes under celledeling

Forskere fra Gerlich-gruppen ved IMBA-Institute of Molecular Biotechnology of the Austrian Academy of Sciences-opdagede en molekylær mekanisme, der giver specielle fysiske egenskaber til kromosomer ved at dele menneskelige celler for at muliggøre deres trofaste transport til afkommet. Holdet viste, hvordan en kemisk modifikation etablerer en skarp overfladegrænse på kromosomerne, hvilket giver dem mulighed for at modstå perforering af mikrotubuli i spindelapparatet. Resultaterne er publiceret i tidsskriftet Nature .

Når celler deler sig, skal de transportere præcis én genomkopi til hver af de to datterceller. Trofast genomsegregering kræver pakning af ekstremt lange kromosomale DNA-molekyler i diskrete legemer, så de effektivt kan flyttes af den mitotiske spindel, et filamentsystem, der består af tusindvis af mikrotubuli. De nye resultater fra Gerlich Research Group ved IMBA—Institute of Molecular Biotechnology of the Austrian Academy of Sciences—kaster lys på, hvordan mitotiske kromosomer modstår de konstante skubbe- og trækkræfter genereret af mikrotubulierne. "Midt i dette komplekse system tildeles de forskellige fysiske egenskaber kromosomerne ved at ændre niveauerne af histonacetylering, en kemisk modifikation i kromatinfiberen," siger IMBA-gruppeleder Daniel Gerlich.

Tidligere arbejde havde vist, at kromatinfibrene i delende celler er foldet til løkker af et stort proteinkompleks kaldet kondensin. Kondensinets rolle kunne dog ikke alene forklare, hvorfor kromosomerne fremstår som tætte kroppe med en skarp overflade frem for en løs struktur, der ligner en flaskebørste. Nogle undersøgelser havde foreslået en rolle af histonacetylering i reguleringen af ​​komprimeringsniveauet under celledeling, men samspillet mellem histonacetylering og kondensin og dets funktionelle relevans forblev uklart. "Med vores arbejde er vi nu i stand til konceptuelt at skille de to mekanismer ad," siger Gerlich.

Holdet varierede niveauerne af kondensin- og histonacetylering for at studere deres præcise virkninger. Fjernelse af kondensin forstyrrede den aflange form af kromosomer i delende celler og sænkede deres modstand mod trækkræfter, men påvirkede ikke deres komprimeringsniveau. Kombination af kondensinudtømning med en behandling, der øger niveauerne af histonacetylering, forårsagede massiv kromatindekompaktering i delende celler og perforering af kromosomer af mikrotubuli.

Forskerne antog, at kromatin er organiseret som en opsvulmet gel gennem det meste af cellecyklussen (når den er relativt højt acetyleret), og at denne gel komprimeres til en uopløselig form under celledeling, når acetyleringsniveauerne globalt falder. De udviklede derefter et assay til at undersøge opløseligheden af ​​kromatin ved at fragmentere mitotiske kromosomer i små stykker. Fragmenterne af mitotiske kromosomer dannede dråber af flydende kromatin, men når acetyleringsniveauet blev øget, opløstes kromatinfragmenterne i cytoplasmaet. Disse observationer understøtter en model, hvor en global reduktion af kromatin-acetylering under mitose etablerer en ikke-blandbar kromatingel med en skarp fasegrænse, hvilket giver et fysisk grundlag for resistens mod mikrotubuli-perforering.

Med yderligere eksperimenter, der involverede ren kromatin, der blev rekonstitueret in vitro, og ved at undersøge kromatinadgang med forskellige opløselige makromolekyler, fandt holdet, at ublandbart kromatin danner en struktur tæt i negativ ladning, der udelukker negativt ladede makromolekyler og mikrotubuli. "Vores undersøgelse viser, hvordan DNA-looping af kondensinkomplekset samarbejder med en kromatinfaseseparationsproces for at bygge mitotiske kromosomer, der modstår både trækkende og skubbekræfter, der udøves af spindlen. Deacetyleringen af ​​histoner under celledeling giver derfor unikke fysiske egenskaber til kromosomer, der er kræves for deres trofaste adskillelse," slutter Daniel Gerlich.