Международная группа ученых разработала новую технику микроскопии и обнаружила, что «негенетическая» часть митотических хромосом может составлять до половины их объема. Результаты исследования опубликованы в журнале Molecular Cell.

Хромосомы — это комплексы белков и нуклеиновых кислот, которые находятся в ядрах клеток эукариот. Поскольку в этом случае клетки делятся с помощью митоза, их хромосомы называют митотическими. Примечательно, что первые описания этих структур датируются еще XIX веком, однако, несмотря на развитие техник микроскопии, точное устройство митотических хромосом до сих пор неизвестно. Их изучение осложняется тем, что наблюдать хромосомы можно только во время митоза, когда они достаточно плотно упакованы и сохраняют форму.

Большинство моделей, объясняющих устройство хромосом, исходит из того, что хроматин — собственно белки, ДНК и РНК — занимает почти весь их объем. Вместе с тем недавние исследования показали, что деление клетки также зависит от присутствия на хромосомах антигена Ki-67. В ходе митоза этот белок покидает ядрышко хромосомы (интерфаза) и к окончательному делению клетки (телофаза) перемещается на периферию хромосомы. При этом слой Ki-67, покрывающий хромосому, может составлять до 160 нанометров.

Чтобы проверить эти наблюдения, ученые из Эдинбургского университета и других учреждений разработали технику микроскопии 3D-CLEM. В ее основе лежит сочетание световой и сканирующей электронной микроскопии (SBF SEM) с компьютерным моделированием. На первом этапе световой микроскоп фиксирует компоненты хромосом с помощью флуоресцентных меток, после чего изображение сопоставляется с контрастным электроноплотным «пятном» от сканирующего микроскопа. Затем на базе полученных данных строится 3D-модель.

Последовательность выполнения 3D-CLEM. / © Daniel G. Booth et al., Molecular Cell, 2016

Метод тестировался на клетке с одной копией альфоидной ДНК в искусственной хромосоме человека (HAC), а также линии клеток пигментного эпителия (RPE1) с 46 человеческими хромосомами. Наблюдения проводились в различных фазах митоза, в частности на ранней профазе (первое возникновение хромосом) и метафазе. После рендеринга система позволила детально рассмотреть все основные участки хромосом: кинетохор (белковая структура в центромере), белок структурной поддержки (SMC2) и периферический Ki-67, и оценить их размер.

Сравнение хромосом RPE1 показало, что в метафазе их общий объем составил 176 кубических микрометров против 110 кубических микрометров в профазе. Это противоречило недавнему исследованию, проведенному только с помощью световой микроскопии: 450–800 против 240 кубических микрометров соответственно. При этом новые данные светового микроскопа также оказались завышены, но в пользу профазы: 635 против 256 кубических микрометров. Показатели искусственной хромосомы были изъяты из рассмотрения из-за небольшого размера.

Соотношение белковой массы на периферии хромосом. Несмотря на толщину слоя, содержание в хромосомах Ki-67 составляет лишь 1,6 процента. / © Daniel G. Booth et al., Molecular Cell, 2016

Отдельно ученые проанализировали объем Ki-67 и его роль в процессе митоза. Для этого они моделировали ситуацию, когда часть хромосом RPE1 не имела этого антигена. В результате наблюдаемыми остались только 20 хромосом, тогда как остальные «слиплись» — это согласуется со структурирующей ролью Ki-67. Толщина сохранного слоя белка на хромосомах составила около 70 нанометров в профазе, или 30–47 процентов от объема хромосом в зависимости от фазы. Таким образом, на хроматин приходилось лишь 53–70 процентов объема хромосом.

По словам авторов, результаты стали неожиданными даже для них самих. Метод 3D-CLEM они назвали новаторским, поскольку он впервые позволил подтвердить предположения о необоснованности теории, царившей последний сто лет.

«Нам предстоит пересмотреть свои представления об устройстве хромосом и особенностях их сегрегации во время деления клеток. Ведь оказалось, на этом этапе генетический материал покрывается толстым слоем совсем другого материала», — сообщил соавтор работы Билл Ирншоу (Bill Earnshaw).