На перекрестке хромосом: определена структура ключевой молекулы клеточного деления

Ученые из Школы медицины Университета Пенсильвании (University of Pennsylvania's School of Medicine) определили структуру ключевой молекулы, играющей центральную роль в том, как дуплицируется и затем распределяется между двумя дочерними клетками ДНК, приводя к образованию двух точных копий материнской клетки. Без этой молекулы во время клеточного деления могут быть потеряны целые хромосомы.

Адъюнкт-профессор кафедры биохимии и биофизики доктор философии Бэн Блэк (Ben Black) и постдокторант его лаборатории доктор философии Николина Секулик (Nikolina Sekulic) описали структуру молекулы CENP-A, структурирующей часть хромосомы, называемую центромерой, в статье, опубликованной в журнале Nature. Центромера – ограниченная область хромосомы, с которой тесно взаимодействуют специальные молекулы, называемые волокнами веретена деления, помогающие разделению дочерних клеток во время деления клетки.

«Мы получили первое изображение с высоким разрешением молекул, управляющих наследованием генетической информации при делении клетки», - говорит Блэк. «Это большой шаг вперед к решению головоломки, над которой ученые бьются уже более 150 лет».

В течение последних 15 лет уже известно, что клеточное деление скорее регулируется эпигенетическими процессами, серией действий, оказывающих влияние на белковую «катушку», на которую плотно намотана ДНК, чем закодировано в последовательностях самой ДНК. «Катушки» состоят из гистоновых белков, и химические изменения в этих белках могут либо усилить, либо ослабить их взаимодействие с ДНК. Эпигенетика изменяет считывание генетического кода, в некоторых случаях влияя на экспрессию генов. В случае центромеры эпигенетические изменения помечают сайт, у которого независимо от основной последовательности ДНК прикрепляются волокна веретена деления. Молекула CENP-А, предположительно, является ключевым эпигенетическим белковым маркером.

Однако каким образом CENP-A помечает центромеры оставалось загадкой. Группа Блэка обнаружила структурные особенности, придающие CENP-А способность отмечать локализацию центромеры на каждой хромосоме. Это важно, так как при клеточном делении без молекулы CENP-A или без метки, определяющей локализацию созданной ею центромеры, теряется вся хромосома и все находящиеся в ней гены.

Блэк расшифровал структуру молекулы CENP-A, определив, каким образом она специфически отмечает локализацию центромеры на каждой хромосоме, и догадался, как эпигенетическая метка правильно копируется при каждом клеточном делении. Ученые установили, что CENP-A изменяет форму нуклеосомы, частью которой является, делая ее структуру более жесткой, чем структура нуклеосом, не содержащих CENP-A. Нуклеосома – это нить ДНК, намотанная на «катушка» из гистоновых белков. Помеченная молекулой CENP-A нуклеосома несколько раз копируется, создавая уникальную эпигенетическую область, отличную от других областей хромосомы. CENP-A замещает гистон Н3 в нуклеосомах, находящихся у центромеры.

В процессе деления клетки идентификатор центромеры CENP-A привлекает другие белки и выстраивает массивную структуру, кинетохор, разделяющую дуплицированные хромосомы.

«Помимо значительного прогресса в понимании молекул, управляющих наследственностью человека, эта работа приближает нас к захватывающей перспективе, когда в наших руках окажутся ключевые эпигенетические компоненты, позволяющие создавать клинически полезные искусственные хромосомы, которые мы сможем наследовать наряду со своими собственными – и с такой же высокой надежностью», - говорит Блэк.

Источник