Хроматин внутри ядер высокоорганизован. Так, гетерохроматин часто отделяется от транскрипционно активного эухроматина, что приводит к образованию компартментов. Сам эухроматин организован в транскрипционно неактивные домены, перемежающиеся очагами транскрипционной активности [1]. При этом считается, что активно транскрибируемая ДНК менее плотно упакована.

В настоящее время подходы к прямым измерениям жесткости транскрипционно активного хроматина весьма ограничены. Использование дополнительных методов прямого наблюдения, даже связанных с необходимостью специфической обработки ядер, могло бы расширить наши возможности понимания принципов организации клеточных ядер. Для выделенных клеточных ядер, фиксированных в суспензии и помещенных на подложку, зачастую характерна относительно гладкая форма без отличительных особенностей морфологии. Очевидно, что в таком виде невозможно использовать АСМ для исследования внутренней структуры ядра. Но естественная эластичность ядер позволила нам реализовать новый подход к исследованию организации ядерной структуры посредствам АСМ. Механическое воздействие (центробежное ускорение) преобразует особенности внутриядерной организации в изменение рельефа поверхности ядра.

Ядра нормальных клеток фибробластов были полностью сплющены при механическом воздействии, тогда как ядра раковых клеток HeLa были чрезвычайно устойчивыми. В деформированных ядрах HeLa АСМ выявила сильно разветвленный ландшафт, собранный из ~ 400 нм глобул с закрытой упаковкой, и их структура менялась в ответ на внешнее воздействие. Изолированные ядра нормальных и раковых клеток разительно отличались по устойчивости ДНК к механическому воздействию. Как ни парадоксально, более транскрипционно активный и менее оптически плотный хроматин ядер раковых клеток продемонстрировал более высокую физическую жесткость. Высокая концентрация ингибитора транскрипции актиномицина D привела к полному уплощению ядер HeLa, что может быть связано с расслаблением сверхскрученной ДНК, склонной к деформации [2]. Действие ингибиторов топоизомераз I и II приводило к снятию суперскрученности и значительному уплощению ядра, тогда как действие ДНК-интеркалятора, наоборот, приводило к увеличению суперскрученности и, как следствие, устойчивости хроматина к механическому воздействию [3].

Мы показали, что рельеф поверхности является следствием структурных особенностей ядра. Природа высокой устойчивости хроматина к деформации обусловлена суперскрученностью ДНК. А устойчивость к деформации ядерного хроматина коррелирует с фундаментальными биологическими процессами в ядре клетки, такими как транскрипция.



1. Transcription organizes euchromatin via microphase separation Lennart Hilbert, Yuko Sato, Ksenia Kuznetsova, Tommaso Bianucci, Hiroshi Kimura,Frank Jülicher, Alf Honigmann, Vasily Zaburdaev & Nadine L. Vastenhouw NATURE COMMUNICATIONS | (2021) 12:1360 | https://doi.org/10.1038/s41467-021-21589-3|

2. AFM imaging of the transcriptionally active chromatin in mammalian

cells’ nuclei V.Yu. Bairamukov, M.V. Filatov, R.A. Kovalev, N.D. Fedorova, R.A. Pantina,A.V. Ankudinov, E.G. Iashina, S.V. Grigoriev, E.Yu. Varfolomeeva, BBA - General Subjects 1866 (2022) 130234

3. Структурные особенности механически деформированных ядер HeLa, наблюдаемые методом атомно-силовой микроскопии. В. Ю. Байрамуков, М. В. Филатов, Р. А. Ковалев, Р. А. Пантина, С. В. Григорьев, Е. Ю. Варфоломеева. Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования, 2022, № 10, с. 42–47 DOI: 10.31857/S1028096022100041

Chromatin inside the nuclei is highly organized. Thus, heterochromatin is often separated from transcriptionally active euchromatin, which leads to the formation of compartments. Euchromatin itself is organized into transcriptionally inactive domains interspersed with foci of transcriptional activity [1]. At the same time, it is believed that the actively transcribed DNA is less densely packed.

Currently, approaches to direct measurements of transcriptionally active chromatin stiffness are very limited. The use of additional methods of direct observation, even those related to the need for specific processing of nuclei, could expand our understanding of the principles of the organization of cell nuclei. Isolated cell nuclei fixed in suspension and placed on a substrate are often characterized by a relatively smooth shape without distinctive morphological features. Obviously, in this form it is impossible to use AFM to study the internal structure of the nuclei. But the natural elasticity of the nuclei allowed us to implement a new approach to the study of the organization of the nuclear structure through AFM. Mechanical action (centrifugal acceleration) transforms the features of the internuclear organization into a change in the relief of the nuclei surface.

The nuclei of normal fibroblast cells were completely flattened by mechanical action, whereas the nuclei of HeLa cancer cells were extremely stable. In the deformed HeLa nuclei, AFM revealed a highly branched landscape assembled from ~400 nm globules with a closed package, and their structure changed in response to external influences. Isolated nuclei of normal and cancer cells differed strikingly in the resistance of DNA to mechanical action. Paradoxically, the more transcriptionally active and less optically dense chromatin of cancer cell nuclei demonstrated higher physical rigidity. The high concentration of the transcription inhibitor actinomycin D led to a complete flattening of the HeLa nuclei, which may be due to the relaxation of supercoiled DNA prone to deformation [2].The action of topoisomerase inhibitors I and II led to the removal of supercoiling and significant flattening of the nucleus, whereas the action of the DNA intercalator, on the contrary, led to an increase in supercoiling and, as a consequence, chromatin stability to mechanical action [3].

We have shown that the surface relief is a consequence of the structural features of the nuclei. The nature of chromatin's high resistance to deformation is due to DNA supercoiling. And the resistance to deformation of nuclear chromatin correlates with fundamental biological processes in the cell nucleus, such as transcription.



1. Transcription organizes euchromatin via microphase separation Lennart Hilbert, Yuko Sato, Ksenia Kuznetsova, Tommaso Bianucci, Hiroshi Kimura,Frank Jülicher, Alf Honigmann, Vasily Zaburdaev & Nadine L. Vastenhouw NATURE COMMUNICATIONS | (2021) 12:1360 | https://doi.org/10.1038/s41467-021-21589-3|

2. AFM imaging of the transcriptionally active chromatin in mammalian

cells’ nuclei V.Yu. Bairamukov, M.V. Filatov, R.A. Kovalev, N.D. Fedorova, R.A. Pantina,A.V. Ankudinov, E.G. Iashina, S.V. Grigoriev, E.Yu. Varfolomeeva, BBA - General Subjects 1866 (2022) 130234

3. Structural Peculiarities of Mechanically Deformed HeLa Nuclei Observed by Atomic-Force Microscopy V. Yu. Bairamukov, M. V. Filatov, R. A. Kovalev, R. A. Pantina, S. V. Grigoriev, E. Yu. Varfolomeeva Structural Peculiarities of Mechanically Deformed HeLa Nuclei Observed by Atomic-Force Microscopy. J. Surf. Investig. 16, 854–859 (2022). https://doi.org/10.1134/S1027451022050263