DNA-pakking: Et av naturens suverene underverker
Oversatt herfra.

Kromosomer er tettpakket DNA. De to 'søsterkromatidene' til et kromosom, etter å ha blitt nøyaktig duplisert under profase og sikret med sentromerer, er ordnet med alle de andre kromosomene på spindelaksen i metafasen. Like etter vinsjes de fra hverandre i anafase til datterceller. Denne forseggjorte koreografien finner sted hver gang en celle deler seg. Cellesyklusen er fascinerende for alle som har vært vitne til den under et lysmikroskop, som du kan se her: lenke.

Men hvordan ble kromosomene dannet før cellesyklusen starter? Der ligger en sann historie om forbausende spesifisert kompleksitet som biokjemikere fortsatt prøver å forstå.

Bilde 1. Cellekjerne bygd opp av kromosomer -bygd av DNA

Hånd-over-hånd-innpakning
De fleste har måttet vikle elektriske ledninger eller tau fra et sammenfiltret rot til en ordnet sammenslått tilstand for lagring, ved hjelp av hånd-over-hånd-bevegelser. Forskere har visst at i kjernen er et molekyl kalt cohesin involvert i å pakke DNA inn i kromatin (byggesteinene til kromosomer). Løkkene som dannes av cohesin vil bli kveilet og superkveilet ytterligere før modning. Det tradisjonelle bildet av cohesin var at det krysset DNA-tråder som en glidering som omkranser strengen. Det bildet har blitt revidert, melder Ruth Williams for The Scientist. Den fungerer mer som den menneskelige måten å pakke ledninger hånd-over-hånd på:
Omtrent 2 meter med DNA er stappet inn i hver av menneskekroppens cellekjerner, selv bare omtrent 10 μm i diameter. For å oppnå denne pakkebragden, pakkes DNA rundt proteiner for å lage kromatinfibre, og kondenseres videre til tett konsentrerte løkker. Dannelsen og vedlikeholdet av disse løkkene avhenger i stor grad av to proteinkomplekser - kohesin og kondensin - som hver tar ansvar i forskjellige faser av cellesyklusen. Men hvordan disse kompleksene kranglet det trevlete kromatinet til underkastelse har til dette punktet vært litt av en svart boks.

Bilde 2. DNA pakket i kromosom

Kohesin og kondensin er ringformet som smultringer, noe som får forskere til å foreslå at kromatin på en eller annen måte kan tre gjennom midten. Men arbeid av kromatinbiolog Jan-Michael Peters fra Research Institute of Molecular Pathology i Wien, og kolleger viser nå at, i hvert fall i cohesins tilfelle, griper proteinkomplekset DNA og trekker det, og overfører det fra en del av seg selv til en annen, omtrent som en person som drar tau kan føre det fra hånd til hånd. [Uthevelse lagt til.]

Hvordan passerer et molekyl en tråd, fra hånd til hånd uten hender eller øyne? Forskeren la ut en infografikk for å vise hva Peters og teamet fant. Cohesin har et 'hengsel'-domene som festes til DNA. Hengslet beveger seg mot ett av to 'hode'-domener. Det andre hodet klemmer seg fast på tråden flere basepar ned, og frigjør hengslet for å tilbakestille og flytte det ned til en annen posisjon.
Det må absolutt være mer på gang, for dette forklarer ikke hva som skjer med oppstrømsseksjonen som ble rullet inn. Papiret med åpen tilgang i Cell av Bauer et al., "Cohesin formidler DNA-løkkeekstrudering ved en "sving og klemme ' mekanisme" -lenke , som sier at hver svingning av hengslet danner en løkke av DNA (se forrige aprils artikkel om løkkeekstrudering -lenke). Flere løkker parallelle med hverandre begynner prosessen med å arrangere DNA for tett pakking. En annen spiller kalt NIPBL assosierer med cohesin til et cohesin-NIPBL-kompleks under hvert 50-nm-trinn, og bruker en ATP på hver sving.

-Her har vi analysert hvordan sløyfeekstrudering medieres av humane kohesin-NIPBL-komplekser, som muliggjør kromatinfolding i interfaseceller. Vi har identifisert DNA-bindingsseter og storskala konformasjonsendringer som kreves for løkkeekstrudering og har bestemt hvordan disse er koordinert. Resultatene våre antyder at DNA translokeres av en spontan 50 nm-sving av cohesins hengsel, som overlater DNA til ATPase-hodet til SMC3, hvor DNA ved binding av ATP klemmes av NIPBL. Under denne prosessen "hopper NIPBL skip" fra hengslet mot SMC3-hodet og kan dermed koble den spontane hengselsvingen til ATP-avhengig DNA-klemming. Disse resultatene avslører mekanistiske prinsipper for hvordan cohesin-NIPBL og muligens andre SMC-komplekser medierer sløyfeekstrudering.

Bilde 3. DNA-replikering (Kilde: O. Grasso)

Bemerkelsesverdige videoer laget med superoppløsnings atom-mikroskopi viser delene av cohesin som gjennomgår konformasjonsendringer. Disse hånd-over-hånd-bevegelsene fungerer i mørket uten øyne, og bruker ATP for energi. De gjør det riktig hver gang!

Fraktal organisasjon
Vår kjennskap til løkker av tau eller snorer kan ikke oversettes til strukturen til et fullført kromosom. På nanometerskalaen må man ta hensyn til tiltrekningen av molekyler, inkludert DNA, proteiner, vann og andre deler av blandingen. Sløyfene og superspolene til kromatin deltar i tiltreknings- og frastøtningskrefter, og forvirrer de pene hierarkiske bildene av kromosompakking som vises i lærebøker.
Forskere ved Postech Physics i Korea brukte en synkrotron-, røntgen- og kryoelektronmikroskopi av intakte kromosomer for å se dypere inn i den resulterende pakken. Resultatene deres antydet en annen organisasjonsmodell: en fraktal modell.

Pakkemekanismen som kondenserer kromosomene til en milliondel av størrelsen uten noen sammenfiltring og 3D-strukturen som muliggjør dette har forundret forskere i over et halvt århundre. Imidlertid har det vært vanskelig å observere kromosomene i deres opprinnelige tilstand. Forskerne måtte ty til å oppdage bare noen komponenter av kromosomene eller utlede deres kondenserte tilstand fra å se på deres utkveilede tilstand ....
Gjennom studien bekreftet forskerteamet at kromosomene ble dannet i en fraktal struktur i stedet for den hierarkiske strukturen som er angitt i tidligere studier. I tillegg ble det presentert en fysisk modell som viser pakkingsprosessen til kromosomer.
Detaljer om dette arbeidet ble publisert i PNAS av Sung et al., "Stokastisk kromatinpakking av 3D mitotiske kromosomer avslørt av koherente røntgenstråler." -lenke .

Bilde 4. Ett DNA-molekyl kan romme informasjonsinnhold i 7,7 millioner bibler (Kilde: W. Gitt)

Filmer i artikkelen viser at molekylene hele tiden beveger seg og vibrerer, som forventet med atomer og molekyler i umiddelbar nærhet. Hvordan DNA-trådene holdes sammen for prosessen med mitose, som involverer den "forvirrende komprimeringsmekanismen fra et DNA-molekyl til et kromosom og dets feilfrie utpakking til DNA-molekyler igjen" uten å bli håpløst forvrengt i prosessen, må telle som en av de naturens suverene underverker. Se hvordan de beskriver nøyaktigheten til DNA-pakking til tross for alle interaksjonene og bevegelsene til de tilstøtende molekylene:

DNA-molekyler er informasjonslagrings-molekyler i atomskala som fremmer pålitelig informasjonsoverføring via feilfrie repetisjoner av replikasjoner og transkripsjoner. Bemerkelsesverdig nøyaktighet ved å komprimere et par meter langt DNA til et objekt i mikrometerskala, og omvendt, gjør kromosomet til en av de mest spennende strukturene fra både fysisk og biologisk synspunkt.

Et arbeid i fremgang
Denne korte titten på noen av de indre funksjonene til DNA-pakking bør tjene til å vekke vår ærefrykt og fascinasjon. På en eller annen måte fungerer alt! DNA blir duplisert, organisert, separert i to celler, og livet går videre. Spørsmål om "hvordan disse molekylkompleksene på 11 nanometer skala er romlig organisert, for å danne mikrometerstore kromosomer" og tilbake igjen, vil garantert inspirere undring og forskning i flere tiår fremover.