Учёные сжали ДНК под давлением в 3000 атмосфер, чтобы раскрыть секреты упаковки генетического материала

Нуклеосомы наматывают и защищают нашу ДНК как крошечные катушки жизни. Учёные сжали эти структуры под экстремальным давлением, чтобы увидеть, как природа сохраняет их устойчивость и организованность. Автор: Национальный институт исследования генома человека

Что происходит, когда вы сжимаете ДНК? Может ли давление раскрыть что-то о том, как упакован, защищён и доступен наш генетический материал?

Доктор Кушол Гупта, структурный биолог из Пенсильванского университета, обратился к синхротронному источнику Корнелла (CHESS), чтобы исследовать этот вопрос. Он обнаружил, что повышение давления может быть одним из лучших способов заглянуть в то, как жизнь организует себя на атомном уровне.

В новом исследовании, опубликованном в журнале Chromosome Research, Гупта и его коллеги использовали рентгеновское рассеяние под высоким давлением (HP-SAXS) в CHESS, чтобы изучить, как различные части нашей ДНК, особенно нуклеосомы, реагируют на экстремальный физический стресс.

Эксперименты проводились с использованием специальной гидростатической ячейки высокого давления, способной достигать более 400 мегапаскалей (МПа) — примерно в 4000 раз выше атмосферного давления, или в четыре раза больше давления на дне Марианской впадины.

Раскрытие хроматинового кода

Внутри каждой клетки ДНК плотно упакована в материал под названием хроматин, который состоит из ДНК и белков, помогающих организовать геном и контролировать активность генов.

Нуклеосомы — это молекулярные «катушки», которые организуют нашу ДНК, помогая упаковать почти два метра генетического материала в каждую крошечную клетку. Каноническая нуклеосома состоит из ДНК, намотанной вокруг ядра белков гистона H3. Но не все нуклеосомы одинаковы. Некоторые находятся в центромере — области хромосомы, играющей ключевую роль в делении клетки, и содержат специализированный белок CENP-A, вариант гистона H3.

«Центромерные нуклеосомы уникальны как по своему составу, так и по функции», — сказал Гупта. «Но понять, что делает их физически отличными от обычных нуклеосом, было сложно, особенно в реалистичных, растворных средах».

Гупта, кристаллограф по образованию, специализируется на использовании методов рассеяния для изучения биологических структур и хотел выйти за рамки статических снимков этих частиц. Он хотел увидеть, как они ведут себя, изгибаются и реагируют под давлением.

То, что они обнаружили, было весьма показательным.

Зачем нужно давление?

Команда Гупты применила увеличивающееся давление до 300 мегапаскалей, или примерно в 3000 раз выше атмосферного, к образцам нуклеосом в растворе. Это имитирует стресс, испытываемый глубоководными организмами, а также человеческой ДНК, где генетический материал плотно упакован в хроматиновые структуры.

Результаты показали заметный контраст между двумя типами нуклеосом.

«По мере увеличения давления мы увидели, что обычные нуклеосомы начали частично разворачиваться. По сути, ДНК разматывалась с гистонового ядра», — сказал Гупта. «Но центромерные нуклеосомы, содержащие CENP-A, держались вместе гораздо лучше. Они были структурно более устойчивыми».

Гупта был удивлён, когда оба типа нуклеосом вернулись к своей первоначальной форме после снятия давления. «Мы не ожидали этого. Деформация была в значительной степени обратимой», — сказал он.

Новые возможности для исследований

Для исследований хроматина specifically способность использовать давление в качестве структурного зонда может помочь учёным понять:

• Как хромосомы сохраняют свою целостность во время деления клетки
• Как регулируется экспрессия генов через тонкие физические изменения
• Как жизнь выживает в экстремальных условиях, таких как глубокий океан

Эта работа подчёркивает потенциал HP-SAXS как мощного неинвазивного инструмента для изучения структуры и динамики хроматина в растворе.

Больше информации: Kushol Gupta et al, Solution conformational differences between conventional and CENP-A nucleosomes are accentuated by reversible deformation under high pressure, Chromosome Research (2025). DOI: 10.1007/s10577-025-09769-z