Ученые из Израильского технологического института Техниона использовали «лазерный пинцет», чтобы лучше понять структуру ДНК, пролив свет на плохо изученные механизмы, влияющие на то, как гены выражаются в организме человека. Работа ученых была опубликована в академическом журнале Molecular Cell.

Хроматин содержится в ДНК, важнейшем коде человеческого тела, который предоставляет инструкции, необходимые для функционирования и развития. Хотя считается, что в человеческом теле около двух метров ДНК, обнаруженной в ядре каждой отдельной клетки, она сжата до размеров всего в несколько десятков микрон. Это связано с тем, как сама ДНК упакована в компактную структуру, известную как хроматин. Сам хроматин организован путем обертывания цепей ДНК вокруг определенного белка, называемого гистонами.

Говорят, что структура, подобная катушке, в конечном итоге напоминает бусинки на веревочке. Эти «нити» затем соединяются с особым типом гистона, называемым линкерным гистоном, который помогает нити формироваться в более сложные структуры, называемые хроматосомами. Преимущество упаковки человеческого генома в этой форме состоит в том, что она позволяет ему физически вписаться в клетку. Однако это затрудняет доступ к нему, что может создать проблемы для механизмов внутри клетки, которые должны считывать ДНК. В результате способ экспрессии гена в конечном итоге зависит от конкретного метода упаковки.

Как именно это работает, до сих пор остается загадкой, и ученые изо всех сил пытались найти ответ. Но одна вещь, которая была обнаружена, - это роль линкерных гистонов в организации этой упаковки. Другими словами, если линкерный гистон неисправен, это может привести к неправильной упаковке, что может привести к неидеальной экспрессии гена.

По мнению некоторых экспертов, считается, что конечный результат нарушения функций линкерных гистонов может проявляться в виде аутизма или серьезных заболеваний, таких как рак. Но как гистоны-линкеры на самом деле связывают ДНК в первую очередь, остается загадкой, что еще больше затрудняет исследование вопроса с использованием обычных методов.

Но нетрадиционный метод - это именно то, что использовал доктор Сергей Рудницкий. Ученый и его команда разработали новый метод, основанный на «оптическом пинцете» - методе, в котором используется сфокусированный лазерный луч для захвата отдельных молекул и приложения к ним силы. Сам метод был впервые предложен американским ученым еврейского происхождения Артуром Ашкином в 1986 году. Он был основан на многолетних исследованиях, проведенных им в 1970-х годах, которые позже легли в основу работы Стивена Чу 1986 года об использовании оптического пинцета для охлаждения и захвата нейронных атомов. Чу получил за это Нобелевскую премию по физике в 1997 году. Позже сам Ашкин получил за это Нобелевскую премию по физике в 2018 году.

Через время эта технология была использована в других секторах, а в 2010 году была принята Тель-Авивским университетом для исследований в области нанотехнологий. С помощью этого лазерного пинцета Рудницкий под руководством профессоров Ариэля Каплана и Филиппа Меламеда смогли медленно отделить одну нить ДНК от остальных. Процесс работает аналогично расстегиванию молнии, при котором нить медленно удаляется из хроматосомы. Однако это не гладкий процесс, поскольку нить ДНК может застрять, если она вступит в малейший контакт с гистоном. Когда это происходит, прилагается больше силы для дальнейшего продвижения.

Как оказалось, контакт гистонов с ДНК намного шире, а хроматосомы намного больше, чем считалось ранее. Сами линкерные гистоны также были на удивление гибкими по структуре, поскольку хроматосома могла перемещаться между двумя различными формами: симметричной и компактной и расслабленной и асимметричной. Но можно внешне контролировать переход между этими формами через механизмы транскрипции в клетках.

По словам ученых, вполне возможно, что клетка использует этот переход для регулирования своего доступа к ДНК. Кроме этого, данные результаты чрезвычайно важны, так как они проливают свет на плохо изученные функции экспрессии генома, что может способствовать дальнейшему изучению роли хроматина и хроматосом в здоровье и болезнях.