Forskare från Gerlich-gruppen vid IMBA—Institute of Molecular Biotechnology of the Austrian Academy of Sciences—upptäckte en molekylär mekanism som ger speciella fysikaliska egenskaper till kromosomer i att dela mänskliga celler för att möjliggöra deras trogna transport till avkomman. Teamet visade hur en kemisk modifiering etablerar en skarp ytgräns på kromosomerna, vilket gör det möjligt för dem att motstå perforering av mikrotubuli i spindelapparaten. Resultaten publiceras i tidskriften Nature .

När celler delar sig behöver de transportera exakt en genomkopia till var och en av de två dottercellerna. Trofast genomsegregation kräver packning av extremt långa kromosomala DNA-molekyler i diskreta kroppar så att de effektivt kan flyttas av den mitotiska spindeln, ett filamentsystem som består av tusentals mikrotubuli. De nya rönen från Gerlich Research Group vid IMBA—Institute of Molecular Biotechnology of the Austrian Academy of Sciences—kastar ljus på hur mitotiska kromosomer motstår de konstanta tryck- och dragkrafter som genereras av mikrotubulierna. "Mitt i detta komplexa system tillförs de distinkta fysikaliska egenskaperna till kromosomerna genom att ändra nivåerna av histonacetylering, en kemisk modifiering i kromatinfibern", säger IMBA Group Leader Daniel Gerlich.

Tidigare arbete hade visat att kromatinfibrerna i delande celler viks till slingor av ett stort proteinkomplex som kallas kondensin. Kondensinets roll kunde dock inte ensamt förklara varför kromosomerna uppträder som täta kroppar med en vass yta snarare än en lös struktur som liknar en flaskborste. Vissa studier hade föreslagit en roll av histonacetylering för att reglera nivån av kompaktering under celldelning, men samspelet mellan histonacetylering och kondensin och dess funktionella relevans förblev oklart. "Med vårt arbete kan vi nu konceptuellt skilja de två mekanismerna isär," säger Gerlich.

Teamet varierade nivåerna av kondensin- och histonacetylering för att studera deras exakta effekter. Att ta bort kondensin störde den långsträckta formen av kromosomer i delande celler och sänkte deras motstånd mot dragkrafter men påverkade inte deras nivå av kompaktering. Att kombinera kondensinutarmning med en behandling som ökar nivåerna av histonacetylering orsakade massiv kromatindekomprimering i delande celler och perforering av kromosomer av mikrotubuli.

Forskarna antog att kromatin är organiserat som en svullen gel under större delen av cellcykeln (när den är relativt starkt acetylerad) och att denna gel komprimeras till en olöslig form under celldelning när acetyleringsnivåerna globalt minskar. De utvecklade sedan en analys för att undersöka lösligheten av kromatin genom att fragmentera mitotiska kromosomer i små bitar. Fragmenten av mitotiska kromosomer bildade droppar av flytande kromatin, men när acetyleringsnivån ökades löstes kromatinfragmenten upp i cytoplasman. Dessa observationer stödjer en modell där en global minskning av kromatinacetylering under mitos etablerar en oblandbar kromatingel med en skarp fasgräns, vilket ger en fysikalisk grund för resistens mot mikrotubulusperforering.

Med ytterligare experiment som involverade rent kromatin som rekonstituerades in vitro, och genom att undersöka kromatinåtkomst av olika lösliga makromolekyler, fann teamet att oblandbart kromatin bildar en struktur med tät negativ laddning som utesluter negativt laddade makromolekyler och mikrotubuli. "Vår studie visar hur DNA-loopning av kondensinkomplexet samarbetar med en kromatinfasseparationsprocess för att bygga mitotiska kromosomer som motstår både drag- och tryckkrafter som utövas av spindeln. Deacetyleringen av histoner under celldelning ger därför unika fysikaliska egenskaper till kromosomer som är krävs för deras trogna segregation", avslutar Daniel Gerlich.