Onderzoekers van de Gerlich Group van IMBA - Instituut voor Moleculaire Biotechnologie van de Oostenrijkse Academie van Wetenschappen - ontdekten een moleculair mechanisme dat speciale fysieke eigenschappen verleent aan chromosomen bij het delen van menselijke cellen om hun getrouwe transport naar het nageslacht mogelijk te maken. Het team liet zien hoe een chemische modificatie een scherpe oppervlaktegrens op chromosomen tot stand brengt, waardoor ze perforatie door microtubuli van het spindelapparaat kunnen weerstaan. De bevindingen zijn gepubliceerd in het tijdschrift Nature .

Wanneer cellen zich delen, moeten ze precies één genoomkopie naar elk van de twee dochtercellen transporteren. Getrouwe genoomsegregatie vereist het verpakken van extreem lange chromosomale DNA-moleculen in afzonderlijke lichamen, zodat ze efficiënt kunnen worden verplaatst door de mitotische spil, een filamentsysteem dat bestaat uit duizenden microtubuli. De nieuwe bevindingen van de Gerlich Research Group van IMBA - Instituut voor Moleculaire Biotechnologie van de Oostenrijkse Academie van Wetenschappen - werpen licht op hoe mitotische chromosomen weerstand bieden aan de constante duw- en trekkrachten die door de microtubuli worden gegenereerd. "Te midden van dit complexe systeem worden de verschillende fysieke eigenschappen aan de chromosomen verleend door de niveaus van histonacetylering, een chemische modificatie in de chromatinevezel, te veranderen", zegt IMBA-groepsleider Daniel Gerlich.

Eerder werk had aangetoond dat in delende cellen de chromatinevezels in lussen worden gevouwen door een groot eiwitcomplex dat condensine wordt genoemd. De rol van condensine alleen kon echter niet verklaren waarom chromosomen verschijnen als dichte lichamen met een scherp oppervlak in plaats van een losse structuur die lijkt op een flessenborstel. Sommige studies suggereerden een rol van histonacetylering bij het reguleren van het niveau van verdichting tijdens celdeling, maar het samenspel van histonacetylering met condensine en de functionele relevantie ervan bleef onduidelijk. "Met ons werk zijn we nu in staat om de twee mechanismen conceptueel te ontwarren", zegt Gerlich.

Het team varieerde de niveaus van condensine en histonacetylering om hun precieze effecten te bestuderen. Het verwijderen van condensine verstoorde de langwerpige vorm van chromosomen in delende cellen en verminderde hun weerstand tegen trekkrachten, maar had geen invloed op hun mate van verdichting. De combinatie van condensine-uitputting met een behandeling die de niveaus van histonacetylering verhoogt, veroorzaakte enorme chromatine-decompressie in delende cellen en perforatie van chromosomen door microtubuli.

De onderzoekers veronderstelden dat chromatine gedurende het grootste deel van de celcyclus is georganiseerd als een gezwollen gel (wanneer het relatief sterk geacetyleerd is) en dat deze gel tijdens de celdeling tot een onoplosbare vorm verdicht wanneer de acetyleringsniveaus globaal afnemen. Vervolgens ontwikkelden ze een test om de oplosbaarheid van chromatine te onderzoeken door mitotische chromosomen in kleine stukjes te fragmenteren. De fragmenten van mitotische chromosomen vormden druppeltjes vloeibaar chromatine, maar toen het acetyleringsniveau werd verhoogd, losten de chromatinefragmenten op in het cytoplasma. Deze waarnemingen ondersteunen een model waarin een globale vermindering van chromatine-acetylering tijdens mitose een onmengbare chromatinegel met een scherpe fasegrens tot stand brengt, wat een fysieke basis vormt voor resistentie tegen microtubulusperforatie.

Met verdere experimenten met puur chromatine dat in vitro werd gereconstitueerd, en door de toegang tot chromatine door verschillende oplosbare macromoleculen te onderzoeken, ontdekte het team dat niet-mengbaar chromatine een structuur vormt met een hoge negatieve lading die negatief geladen macromoleculen en microtubuli uitsluit. "Onze studie laat zien hoe DNA-lusvorming door het condensinecomplex samenwerkt met een chromatinefasescheidingsproces om mitotische chromosomen te bouwen die weerstand bieden aan zowel trek- als duwkrachten die door de spil worden uitgeoefend. De deacetylering van histonen tijdens celdeling verleent daarom unieke fysieke eigenschappen aan chromosomen die nodig zijn voor hun trouwe afscheiding", besluit Daniel Gerlich.