Ученые из Калифорнийского университета Беркли и Нью-Йоркского Медицинского колледжа Альберта Эйнштейна выяснили, что формирование структуры ядерной ДНК происходит с участием разделения жидких фаз ядерных белков. В результате фазовых переходов белка HP1a на разных стадиях деления эмбриональных клеток в их ядрах возникают компартменты, необходимые для правильного формирования конститутивного гетерохроматина. Исследование опубликовано в Nature.

Гетерохроматин — участки ДНК, которые находятся в конденсированном (сильно сжатом и компактном) состоянии, с которых практически ничего не «читается». Факультативный гетерохроматин способен декомпактизироваться и переходить в активное состояние, с которым взаимодействуют полимеразы и регуляторы транскрипции. В форме факультативного хроматина существуют, например, нерабочие половые хромосомы или тканеспецифичные хромосомные участки (в результате гены, которые активны, например, в печени, «молчат» в клетках глаза). Конститутивный хроматин, наоборот, содержит очень мало генов, расположен в центромерах, теломерах, ядрышковом организаторе и некоторых других участках хромосом (в некоторых хромосомах его больше, чем в других, например, в Y-хромосоме), и в активное, развернутое состояние возвращаться не может.

Конститутивный хроматин имеет множество тандемных повторов (сателлиты и транспозоны) и из-за малого давления отбора подвержен сильной изменчивости. Он составляет около шести с половиной процентов человеческого генома, и его функции до сих пор мало изучены. Считается, что он участвует в разделении хроматид во время митоза, а также важен для поддержания правильной структуры ДНК внутри ядра и геномной стабильности и играет роль в процессах репарации ДНК. С нарушениями структуры конститутивного хроматина связаны такие генетические заболевания, как синдром Робертса и синдром ICF (Immunodeficiency—Centromeric instability—Facial anomalies syndrome), которые возникают вследствие нарушения механизма деления клеток.

Возникающие сферические очаги HP1a в эмбриональных клетках дрозофил, которые иногда сливаются

Компактизация хроматина обеспечивается за счет взаимодействия ДНК с белками. В гетерохроматиновых участках белок гистон H3 ацетилирован по лизиновому аминокислотному остатку, благодаря чему повышены его щелочные свойства, и он легче связывается с кислыми фосфатными группами ДНК. Это происходит с участием его «партнера» — белка HP1. Некоторые аминокислоты гетерохроматиновых гистонов бывают еще и метилированы, что также повышает их способность связывать ДНК; с этой же целью может быть метилирована и сама ДНК.

Многие участки гетерохроматина выдвинуты к периферии клеточного ядра и прикреплены к ядерной мембране изнутри. Некоторые, однако, с мембраной не связаны и объединяют, как правило, несколько хромосом. Ученые предположили, что это возможно вследствие фазового разделения компонентов — механизма, который участвует в создании правильной структуры и других компартментов клетки, таких, как само ядро и цитозоль.

Выяснилось, что белок HP1a у дрозофил (один из их паралогов HP1), излюбленного модельного организма для изучения структуры хроматина, демонстрирует способности к жидкостному расслоению как in vitro, так и in vivo. На ранних эмбриональных стадиях в клетках (циклы 11-14) он способен создавать сферические «очаги», демонстрирующие характеристики, свойственные жидким веществам, при этом представляющие собой отдельные структуры. Такие очаги растут и иногда сливаются. После перехода к митотической профазе они рассасываются (когда HP1a выводится из хроматина). При этом концентрация их не меняется, так что количество вещества, считают ученые, этот процесс не регулирует. По-видимому, формирование таких очагов позволяет надлежащим образом делить пространство на компартменты, необходимые для создания правильной структуры гетерохроматина.

Кроме того, в клетках как дрозофил, так и млекопитающих, динамические характеристики гетерохроматиновых доменов свидетельствовали об идущих внутри них процессах фазового разделения жидкостей. Они оказались чувствительны к разрыву слабых гидрофобных связей, и внутри доменов медленнее ожидаемого идут диффузионные процессы. Кроме того, флуоресцентный анализ показал, что движение разных макромолекул в этих участках скоординированно, что является характерным индикатором наличия межфазного натяжения. Ученые также показали, что инертные зонды выводятся (стерически исключаются) из зон высокой концентрации HP1a быстрее, чем это происходит во взятых в качестве контроля зонах с высокой концентрацией другого хроматинового белка, H2А, что подтверждает гипотезу о механизмах фазового разделения, работающих в зонах HP1a.

Ученые делают вывод, что гетерохроматиновые домены формируются за счет такого жидкостного разделения фаз, и итоговая структура содержит как жидкие, так и стабильные компартменты. Это объясняет многие аспекты «странного поведения» гетерохроматина, в том числе взаимодействие разных его участков и чувствительность к температурным изменениям. Изучение биофизических характеристик такой структуры, считают ученые — ключ к пониманию механизмов работы гетерохроматина.