Jak se utvářejí chromozomy při buněčném dělení

Vědci z Evropské laboratoře molekulární biologie (EMBL) ukázali, jak se překrývající se smyčky DNA skládají na sebe v dělících se buňkách, aby vytvořily tyčovité chromozomy. Pro úspěšné buněčné dělení musí být chromozomální DNA zabalena do kompaktních tyčovitých struktur. Defekty v tomto procesu mohou vést k buněčné smrti nebo nemocem, jako je rakovina. Nová studie ukázala, jak chromozomy během buněčného dělení mění tvar. Určité proteinové komplexy pomáhají skládat DNA do překrývajících se smyček, které se vzájemně odpuzují, a pak se skládají do tyčinkovité struktury. Je to poprvé, co vědci přímo pozorovali celý chromozom ve vysokém rozlišení v dělící se buňce.

Mezi mnoha zázraky života patří schopnost buňky dělit se a umožnit tak organismům růst a obnovovat se. K tomu musí buňka duplikovat svou DNA – svůj genom – a rovnoměrně ji rozdělit do dvou nových dceřiných buněk. Pro přípravu 46 chromozomů lidské buňky pro transport do dceřiných buněk během buněčného dělení tvoří každý chromozom kompaktní strukturu ve tvaru X se dvěma tyčinkovitými kopiemi. Jak buňka tohoto výkonu dosáhne, zůstává velkou neznámou.

Nyní poprvé vědci EMBL přímo pozorovali tento proces pod mikroskopem ve vysokém rozlišení pomocí nové metody sledování chromatinu. Nová studie ukazuje, že dlouhé molekuly DNA každého chromozomu tvoří během buněčného dělení řadu překrývajících se smyček, které se navzájem odpuzují. V důsledku tohoto odpuzování se pak smyčky DNA naskládají a vytvoří tyčovité chromozomy.

Sledování chromozomální DNA ve vysokém rozlišení

Vědci již dlouho předpokládali důležitost smyček DNA při budování a udržování chromozomální struktury. Kondenziny, poprvé identifikované v 90. letech 20. století, jsou velké proteinové komplexy, které vážou DNA během buněčného dělení a vytlačují ji, aby tvořila smyčky různých velikostí. Předchozí studie z EMBL objasnily strukturální mechaniku tohoto procesu a zásadní roli kondenzinů při balení chromozomů do forem, které lze snadno přesouvat mezi buňkami. Ve skutečnosti mohou mutace ve struktuře kondenzinu vést k vážným defektům segregace chromozomů a vést k buněčné smrti, tvorbě rakoviny nebo vzácným vývojovým poruchám nazývaným „kondenzinopatie“.

„Pozorování toho, jak k procesu smyčkování dochází v buněčném měřítku a jak přispívá ke struktuře chromozomů, je náročné,“ řekl Andreas Brunner, postdoktorand v Ellenberg Group EMBL Heidelberg a hlavní autor nového článku. „Je to proto, že metody pro vizualizaci DNA s vysokým rozlišením jsou obvykle chemicky drsné a vyžadují vysoké teploty, které společně narušují přirozenou strukturu DNA.“

Technika LoopTrace

Kai Beckwith – bývalý postdoktor v Ellenberg Group a v současnosti docent na Norské univerzitě vědy a technologie (NTNU) – se rozhodl tento problém vyřešit. Beckwith a kolegové použili metodu, jak jemně odstranit jeden řetězec DNA z buněk v různých fázích buněčného dělení, přičemž struktura chromozomů zůstala neporušená. Poté mohli použít cílené sady značek vázajících DNA k pozorování organizace tohoto nepokrytého řetězce DNA na úrovni nanometrů. Tato technika, nazvaná LoopTrace, pomohla výzkumníkům přímo pozorovat DNA v dělících se buňkách, když se postupně tvořily smyčky a záhyby. „Andreas a já jsme byli schopni vizualizovat strukturu chromozomů, když začaly měnit tvar,“ řekl Beckwith. „To bylo zásadní pro pochopení toho, jak byla DNA kondenzinovými komplexy poskládaná.“

Smyčky uvnitř smyček

Z dat vědci zjistili, že během buněčného dělení tvoří DNA smyčky ve dvou fázích. Nejprve tvoří stabilní velké smyčky, které se pak rozdělí na menší, krátkodobé vnořené smyčky, čímž se v každé fázi zvyšuje zhutnění. Tento proces umožňují dva typy komplexů kondenzinových proteinů.

Aby vědci pochopili, jak tato smyčka nakonec vede k tyčovitým chromozomům, vytvořili výpočetní model založený na dvou jednoduchých předpokladech. Nejprve DNA tvoří překrývající se smyčky – nejprve velké a pak malé – po celé své délce pomocí kondenzinů. Ve druhém kroku se tyto smyčky navzájem odpuzují kvůli své struktuře a chemii DNA. Když vědci vložili tyto dva předpoklady do svého modelu, zjistili, že právě to vede k vytvoření tyčovité struktury chromozomů. „Uvědomili jsme si, že tyto smyčky řízené kondenzací jsou mnohem větší, než se dříve myslelo, a že bylo velmi důležité, aby se velké smyčky do značné míry překrývaly,“ řekl Beckwith. „Pouze tyto vlastnosti nám umožnily rekapitulovat nativní strukturu mitotických chromozomů v našem modelu a pochopit, jak mohou být během buněčného dělení rozděleny.“

V budoucnu vědci plánují tento proces podrobněji studovat, zejména aby pochopili, jak další faktory, jako jsou molekulární regulátory, ovlivňují tento proces zhutňování. V roce 2024 obdržel Jan Ellenberg a jeho tým finanční prostředky ve výši 3,1 milionu EUR jako pokročilý grant ERC na studium principů skládání chromozomů během dělení buněk a po něm. „Náš nejnovější článek publikovaný ve vědeckém časopise Cell představuje milník chápání toho, jak je buňka schopna sbalit chromozomy pro jejich přesnou segregaci do dceřiných buněk,“ řekl Jan Ellenberg, hlavní vědecký pracovník z EMBL Heidelberg. „Bude to základem pro pochopení molekulárního mechanismu změny měřítka genomu pro věrnou dědičnost a pro racionální předpověď, jak by bylo možné v budoucnu předejít chybám v tomto procesu - které jsou základem lidských onemocnění.“

Mezitím druhá studie týmu Ellenberg, vedená Andreasem Brunnerem a nedávno publikovaná v Journal of Cell Biology, ukazuje, že mechanismus vnořené smyčky je zásadní pro biologii buněk a pokračuje během růstové fáze buňky další rodinou proteinových komplexů, nazývaných koheziny. „Byli jsme překvapeni, když jsme zjistili, že stejný základní princip sekvenční a hierarchické tvorby smyček DNA se používá buď k těsnému sbalení chromozomů během dělení na bezpečně pohyblivé entity, nebo k jejich následnému rozbalení, aby bylo možné číst informace, které obsahují,“ řekl Ellenberg. „Nakonec malé, ale klíčové mechanické rozdíly, jako je nepřekrývající se povaha kohezinem řízených smyček ve srovnání se silně se překrývajícími kondenziny řízenými smyčkami, by mohly být dostatečné k vysvětlení obrovských rozdílů, které vidíme ve tvaru, který genom nabývá v interfázi a mitóze pod mikroskopem.“

Zdroj: Tisková zpráva Evropské laboratoře molekulární biologie (EMBL).