Растянутая изо всех клеток ДНК в нашем теле могла бы дотянуться до Плутона. Как же каждая крошечная клетки упаковывает двухметровой длины ДНК в ядре в одну тысячную миллиметра в диаметре?

ученые из Salk Institute and the University of California, San Diego впервые предоставили беспрецедентную картину 3D структуры хроматина человека -- комбинации ДНК и белков -- в ядрах живых клеток человека.

В изобретательном исследовании ученые идентифицировали новую окраску ДНК, это вместе с продвинутой микроскопией в комбинированной технологии, обозначенной ChromEMT, позволило визуализовать детально структуру хроматина в клетках на стадии покоя и во время митоза. Выявление структуры хроматина в ядре живых клеток может помочь пересмотреть организацию ДНК, представленную в учебниках, и даже изменить подход к лечению болезней.

"Одной из наиболее непокорных проблем биологии является открытие высоко упорядоченной структуры ДНК в ядре и как это связано с её функцией в геноме," говорит Clodagh O'Shea. " Чрезвычайно важно для этой биологически значимой структуры ДНК определить функцию и активность генов."

Когда Francis Crick и James Watson определили первичную структуру ДНК как двойную спираль, ученые удивились, как ДНК организовывается далее, чтобы позволить всей её длине быть упакованной в ядре, так что клеточный аппарат копирования мог действовать в разных точках во время активного клеточного цикла. Рентгеновские лучи и микроскопия показали, что первичный уровень организации хроматина связан со 147 основаниями ДНК, намотанных вокруг белков, чтобы сформировать приблизительно в 11 nanometers (nm) в диаметре т. наз. нуклеосомы. Эти нуклеосомы "бусинки на нитке" затем, как полагают, укладываются в определенные волокна, увеличивающиеся в диаметре (30, 120, 320 nm etc.), вплоть до тех пор, пока они не образуют хромосомы. Возникла проблема, никто не наблюдал хроматин в этих дискретных промежуточных размерах в клетках, которые не были бы разрушены и имели свою ДНК сильно преобразованной, эта модель из учебников иерархической организации хроматина в интактных клетках оставалась неподтвержденной.

Чтобы преодолеть эту проблему по визуализации хроматина в интактом ядре O'Shea's коллектив занялись поиском окраски и в конечном итоге нашли краску, которая позволяла точно манипулировать со светом, подвергаясь сложной серии химических реакций, которые должны были в основном "обрисовывать" поверхность ДНК металлом так, что локальная структура и 3D организация полимера становились видны в живой клетке. Коллектив вместе с University of California, San Diego, professor and microscopy expert Mark Ellisman, использовали прогрессивную форму электронной микроскопии, позволяющей наклонять (tilts) выборки в электронном луче, позволяя реконструировать 3D структуру. O'Shea's группа назвала технику, комбинирующую их окраску хроматина с электронно-микроскопической томографией, ChromEMT.

Группа использовала ChromEMT чтобы получить изображение и измерить хроматин в покоящихся клетках человека и в клетках во время митозов, когда ДНК компактизуется в сою наиболее плотную форму -- 23 пары митотических хромосом, обычной картины человеческого генома. Неожиданно, они не увидели какой-либо структуры наивысшего порядка из учебника.

"Модель из учебника это карикатурная иллюстрация," сказал Horng Ou. "Хроматин, который экстрагируется из ядра и подвергается преобразованию in vitro -- в пробирке --может совсем не походить на хроматин интактной клетки, так что чрезвычайно важно увидеть его in vivo ."

То что увидели ученые из группы O'Shea's в покоящихся и делящихся клетках, был хроматин, чьи "бусинки на нитке" не формировали какой-либо структуры высшего порядка, подобных предполагаемым в 30 или 120 или в 320 nanometers. Вместо этого, он формировали полу-гибкую цепь, которую они кропотливо измеряли как постоянно варьирующую в пределах своей длины между 5 и 24 нанометрами, сгибающуюся и изгибающуюся, чтобы достичь разных уровней сжатости (compaction). Это показало, что плотность упаковки хроматина, а не некая высшего порядка структура, предопределяет, какие области генома активны и какие супрессированы.

С помощью своей 3D микроскопической реконструкции, исследователи оказались способны проникать на глубину объема 250 nm x 1000 nm x 1000 nm всех деталей хроматина и нарисовали в своем воображении, как крупная молекула, подобная молекуле РНК полимеразы, которая транскрибирует ДНК, может управляться варьирующей плотностью упаковки хроматина, подобно полёту воздушных судов в видеоиграх, пересекающих серию каньонов, чтобы достичь определенной точки генома. Помимо потенциального разрушения модели организации ДНК из учебников, ученые пришли к выводу, что контроль допуска к хроматину может быть пригодным подходом для предупреждения, диагностики и лечения болезней, таких как рак.

"Мы показали, что хроматин не нуждается в образовании дискретных структур высшего порядка, чтобы соответствовать ядру," добавляет O'Shea. "Плотность его упаковки, которая может меняться и ограничивать доступность хроматина, предоставляет локальную и глобальную структурную основу, посредством которой разные комбинации последовательностей ДНК, вариации и модификации нуклеосом могут быть интегрированы в ядро изящно, тонко регулируя функциональную активность и доступность нашего генома."

Последующие исследования проверят, действительно ли структура хроматина универсальна среди разных типов клеток и даже среди разных организмов.