Ученые обнаружили «зону Златовласки» для организации ДНК
В открытии, которое может переопределить понимание клеточной устойчивости и адаптивности, ученые из Scripps Research раскрыли секретные взаимодействия между первичным неорганическим полимером фосфата, известным как полифосфат (polyP), и двумя основными строительными блоками жизни: ДНК и элементом магнием. Эти компоненты образовали кластеры крошечных жидких капель, также известных как конденсаты, с гибкими и адаптивными структурами.
PolyP и магний участвуют во многих биологических процессах. Таким образом, результаты могут привести к новым методам настройки клеточных реакций, которые могут иметь эффективные приложения в трансляционной медицине.
Исследование, опубликованное в Nature Communications, раскрывает деликатную «зону Златовласки» — определенный диапазон концентрации магния — где ДНК обертывается вокруг конденсатов polyP-магниевых ионов. Подобно тонкой яичной скорлупе, покрывающей жидкоподобную внутреннюю часть, эта, казалось бы, простая структура может помочь клеткам организовывать и защищать свой генетический материал.
Микроскопические изображения показали, что ДНК обволакивает себя конденсатом, создавая тонкий барьер, похожий на яичную скорлупу. Эта оболочка может влиять на транспортировку молекул, а также замедлять слияние: процесс, в котором два конденсата сливаются в один. Без оболочек ДНК конденсаты polyP-магниевых ионов легко сливаются — подобно тому, как сливаются капли масла и уксуса в бутылке с заправкой для салата при встряхивании.
Однако тщательное исследование показало, что в целом слияние замедлялось в разной степени в зависимости от длины ДНК. Исследователи подозревали, что более длинная ДНК вызывала большую запутанность на поверхностях конденсата — подобно тому, как длинные волосы запутываются сильнее, чем короткие.
Исследователи использовали криоэлектронную томографию для тщательного изучения поверхностей конденсата. Используя электроны вместо света, эта техника захватывает трехмерные изображения высокого разрешения образцов, которые были быстро заморожены для сохранения их структур. Новые изображения показали, что ДНК образует нити, выступающие из поверхностей конденсата, напоминающие спутанные волосы.
Еще одно важное открытие: образование оболочки ДНК происходило только в определенном диапазоне концентрации магния — слишком много или слишком мало, и оболочка не материализовалась. Этот эффект «Златовласки» подчеркивает, как клетки могут регулировать структуру конденсата, размер и функцию, просто настраивая параметры управления.
«Хотя мы думаем о клеточных интерфейсах как о границах, они также создают новый ландшафт, предоставляя поверхность для организации молекул», — отмечают исследователи. «ДНК на самом деле может не быть запутанным беспорядком на поверхности, а вместо этого организована этими конденсатами».
Ученые подозревают, что взаимодействие ДНК с конденсатами polyP в клетках может распространять локальные изменения в суперспирализации ДНК на большие расстояния, что приводит к более широким изменениям в экспрессии генов и функционировании клеток. Исследование этого эффекта является одной из следующих целей научной команды.
«Мы воодушевлены перспективами использования этих открытий для разработки новых инструментов клеточного контроля — потенциально более простых и экономически эффективных подходов к управлению биоматерией в биомедицине», — говорят исследователи.