Структура хромосомных центромер меняется во время деления

Учёные разгадали загадку, откуда взялось несколько видов центромер, за которые клетка растаскивает хромосомы по полюсам деления при размножении.

Во время деления перед клеткой стоит сложная задача: правильным образом распределить хромосомы между дочерними клетками. В зависимости от вида деления (митоз это или мейоз) в дочерние клетки расходятся гомологичные хромосомы или же сестринские хроматиды. Но в любом случае хромосому тащат за центромеру — особую структуру, которая, если нарисовать хромосому в классической Х-образной форме, будет находиться как раз в перемычке икса. Центромера отличается по структуре ДНК и связанных с ней белков от остальной хромосомы. Хотя в целом принцип упаковки ДНК здесь соблюдён: нить нуклеиновой кислоты наматывается на «шайбу» из белков гистонов, формируя элементарную единицу строения хромосомы — нуклеосому.

При делении к центромере крепятся особые молекулярные «канаты», которые начинают тянуть хромосому (или хроматиду) к полюсам деления. Понятно, что от строения центромеры зависит весьма много: неправильная центромера может стать причиной неправильного расхождения хромосом, а это чревато самыми разными болезнями, от синдрома Дауна до рака. Однако, хотя клеточное деление — один из самых интенсивно изучаемых феноменов, до сих пор учёные не имели единого мнения о структуре центромеры. Было известно, что в состав центромерной нуклеосомы входит особая модификация гистона H3. С другой стороны, по разным данным у центромер насчитали шесть разных структур. Вопрос о том, как они соотносятся друг с другом и с клеточным делением, долгое время был большой головной болью для клеточных биологов.

Учёным из Института медицинских исследований Стауэрса (США) удалось раскрыть эту загадку. По их словам, в ходе деления центромера просто меняет структуру, и, рассматривая клетку на разных этапах клеточного цикла, действительно можно насчитать несколько разных центромер. Выяснить это удалось с помощью остроумного методического решения. Исследователи работали с дрожжевыми клетками, у которых в состав центромеры входит гистон Cse4. Чтобы можно было наблюдать за его судьбой, к нему пришили зелёный флюоресцирующий белок. Но исследователи не просто наблюдали за светящимися точками в дрожжевых клетках: они сравнивали интенсивность светимости на разных этапах клеточного цикла.

У дрожжей 16 хромосом, и если в каждой из них есть по центромере, а в каждой центромере сидит по одной копии Cse4, то суммарная светимость клетки должна быть в 16 раз больше, чем светимость одной молекулы Cse4 со светящимся белком. Так и было до того момента, когда клетка начала непосредственно делиться. А когда хромосомы стали расходиться по полюсам, светимость клетки возросла ещё вдвое (то есть она светилась в 32 раза сильнее, чем одна молекула белка).

Иными словами, как пишут исследователи в журнале Cell, центромера обладает переменной структурой, причём эта переменность проявляется, казалось бы, в самый неподходящий момент. Это можно сравнить с тем, как если бы кран поднимал бетонную плиту вместе со строителями, а те вдруг решили поменять крепления между подъёмным тросом и плитой. В случае с центромерой один из белков нуклеосомного комплекса уходит, и на его место приходит ещё одна копия Cse4. После распределения хромосом одна молекула Cse4 покидает центромеру.

Похожие результаты, но с клетками человека были получены группой учёных из Национального онкологического института (США), которые опубликовали свои данные в том же журнале. То есть такие преобразования центромер не есть особенность дрожжей, а свойственны, скорее всего, самым разным организмам и типам клеток. Очевидно, у клетки есть причины для того, чтобы так усложнять себе жизнь. Пока же учёные радуются разрешению важной загадки, связанной с клеточным делением. Возможно, теперь станет ясным механизм некоторых аномалий развития: чтобы хромосомы разошлись неправильно, клетке нужно лишь забыть поменять перед делением один белок центромеры на другой.

Подготовлено по материалам Института медицинских исследований Стауэрса.