新しいクロマチントレース方法は、高解像度でDNAループプロセスのロックを解除します

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2025-03-25 00:51:00

多くの驚異の中には、生物が分裂するセルの能力があり、したがって生物が自分自身を成長させて更新できるようにすることです。このため、細胞はそのDNA（そのゲノム）を複製し、2つの新しい娘細胞に等しく分離する必要があります。細胞分裂中に娘細胞への輸送のためにヒト細胞の46の染色体を調製するために、各染色体は2つのロッドのようなコピーを持つコンパクトなX字型構造を形成します。セルがこの偉業を達成する方法はほとんど不明のままです。

現在、初めて、EMBL科学者は、新しいクロマチントレース法を使用して、このプロセスを顕微鏡下で高解像度で直接観察しました。新しい研究は、各染色体の長いDNA分子が、互いに反発する細胞分裂中に一連のオーバーラップループを形成することを示しています。この反発の結果、DNAループは積み上げて棒状の染色体を形成します。

高解像度で染色体DNAを追跡します

科学者は、染色体構造の構築と維持におけるDNAループの重要性を長い間仮定してきました。 1990年代に最初に特定されたコンデンシンは、細胞分裂中にDNAを結合し、それを押し出してさまざまなサイズのループを作成する大きなタンパク質複合体です。 EMBLからの以前の研究は、このプロセスの構造力学と、染色体を細胞間で簡単に移動できる形に詰めることにおけるそれらの重要な役割に光を当ててきました。

実際、コンデンシン構造の変異は、重度の染色体分離欠陥を引き起こし、細胞死、癌の形成、または「コンデンシノパシー」と呼ばれるまれな発達障害を引き起こす可能性があります。

ただし、このループプロセスが細胞スケールでどのように発生し、染色体構造に貢献するかを観察することは困難です。これは、通常、高解像度でDNAを視覚化する方法が化学的に過酷であり、高温が必要であり、それが一緒になってDNAの天然構造を破壊するためです。」

Andreas Brunner、HeidelbergのEllenberg GroupのEmblのPostdocで、新しい論文の主著者

Kai Beckwith – Ellenbergグループの元Postdocであり、現在はノルウェー科学技術大学（NTNU）の准教授である – この問題を解決するために着手しました。 Beckwithと同僚は、細胞分裂のさまざまな段階で細胞内のDNAの1つの鎖を穏やかに除去する方法を使用し、染色体構造をそのまま維持しました。その後、DNA結合ラベルのターゲットを絞ったセットを使用して、この発見されたDNA鎖のナノスケール組織を観察することができました。 Looptraceと呼ばれるこの手法は、研究者がループと折りたたみを徐々に形成する際に細胞を分割するDNAを直接観察するのに役立ちました。

「アンドレアスと私は、染色体が形を変え始めたときに染色体の構造を視覚化することができました」とベックウィズは言いました。 「これは、DNAがコンデンシン錯体によってどのように折りたたまれたかを理解するために重要でした。」

ループ内のループ

彼らのデータから、科学者は細胞分裂中に、DNAが2つの段階でループすることを認識しました。第一に、安定した大きなループを形成し、より小さく、短命のネストされたループに細分化し、各段階で圧縮を増加させます。 2種類のコンデンシンタンパク質複合体がこのプロセスを可能にします。

このループが最終的にロッド型の染色体を生成する方法を理解するために、研究者は2つの単純な仮定に基づいて計算モデルを構築しました。第一に、観察されたように、DNAは、コンデンシンの助けを借りて、その長さにわたって重複するループを形成します。第二に、これらのループは、その構造とDNAの化学により互いに反発します。科学者がこれらの2つの仮定を自分のモデルに供給したとき、彼らはこれが棒状の染色体構造を引き起こすのに十分であることを発見しました。

将来、研究者はこのプロセスをより詳細に研究することを計画しています。特に、分子調節因子などの追加要因がこの圧縮プロセスにどのように影響するかを理解することを計画しています。 2024年、Jan Ellenbergと彼のチームは、ERC Advanced Grantとして310万ユーロの資金を受け取り、細胞分裂中およびそれに続く染色体の折りたたみ原則を研究しました。

「科学ジャーナルに掲載された最新の論文 細胞 EMBL Heidelbergの上級科学者であるJan Ellenberg氏は、次のように述べています。

それまでの間、Andreas Brunnerが率い、最近公開されたEllenbergチームの2番目の研究が Journal of Cell Biology、ネストされたループメカニズムは細胞の生物学の基本であり、細胞の成長段階で続き、コヒーシンと呼ばれる別のファミリーのDNAループを形成するタンパク質複合体を形成することを示しています。

「連続的および階層的なDNAループ形成の同じコア原理を使用して、分裂中に染色体を安全に可動性のあるエンティティにしっかりと詰めるか、その後それらを封じ込めて封じ込めて封じ込められた情報を読み出すことに驚きました」とエレンバーグは言いました。 「最終的には、コンセンシン駆動の強いループと比較してコヒーシン駆動ループの非重複性の性質など、小さいながらも重要な機構の違いは、ゲノムが微小顕微鏡下での界面と有糸分裂で採取する形で見られる大きな違いを説明するのに十分かもしれません。」

ソース：

ヨーロッパの分子生物学研究所

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