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 -; кластеры белков и РНК, которые помогают строить рибосомы.

Используя компьютерное моделирование, химики 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.

Их открытия 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 помочь в дальнейшем преобразовании этих контактов в функциональные выходы ».

Бин Чжан, доцент кафедры химии в Массачусетском технологическом институте, ассоциированный член Бродского института Гарварда и Массачусетского технологического института, старший автор исследования

Аспирант Массачусетского технологического института Ифэн Ци является ведущим автором статьи, которая сегодня публикуется в 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 тельца, которые разрушаются в начале деления клеток и затем реформируются позже в процессе, состоят из более чем тысячи различных молекул РНК и белков. Одна из ключевых функций ядрышек – продуцировать рибосомную РНК, компонент рибосом.

Недавние исследования показали, что ядрышки существуют в виде множества жидких капель. Это вызывало недоумение, потому что при 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 эти множественные капли каким-то образом 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 свое моделирование 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 вычислила 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, как только 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 когда это происходит, хроматин действует как тормоз, препятствующий слиянию ядрышек друг с другом.

«Эти силы по сути задерживают систему в 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».

Контроль генов

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 в настоящее время работает над моделированием вклада этих ядерных структур, и их первоначальные результаты показывают, что они помогают придать геному более гелеобразные свойства, говорит Чжан

.

«Эта связь, которую мы наблюдали между хроматином и ядерными телами, не является специфической для ядрышек. Она также характерна 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»

Это гелеобразное состояние облегчило бы взаимодействие различных участков хроматина друг с другом, чем если бы структура существовала в жидком состоянии, – говорит он. Поддержание стабильных взаимодействий между удаленными участками генома важно, потому что гены часто контролируются участками хроматина, физически удаленными от них.

Исследование финансировалось Национальным институтом здравоохранения и Фондом Гордона и Бетти Мур.