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細胞分裂における染色体の凝縮の理解

この研究は細胞分裂中の染色体凝縮における重要な要素を明らかにしている。

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分裂中の染色体の挙動分裂中の染色体の挙動細胞分裂中の染色体凝縮に関する重要な知見
目次

染色体は、私たちの細胞の中で遺伝情報を持つ重要な構造なんだ。DNAがヒストンと呼ばれるタンパク質に巻きついてできていて、これをクロマチンって呼ぶんだ。細胞が分裂する時に大事な役割を果たしてるよ。細胞分裂のプロセスは複雑で、染色体がよりコンパクトな形に凝縮することが、適切な分離と全体的な機能のために重要なんだ。

クロマチンの構造

クロマチンはDNAとタンパク質でできてる。DNAは負の電荷を持っていて、正の電荷を持つヒストンタンパク質に巻きついて「ヌクレオソーム」っていう構造を作るんだ。顕微鏡で見ると、このヌクレオソームは糸の上のビーズみたいに見えるよ。このヌクレオソームの糸と、他のタンパク質やRNAが一緒になって細胞内のクロマチンを形成するんだ。

細胞が分裂してないとき、インターフェーズって呼ばれる状態ではクロマチンはあまりコンパクトじゃない。ただ、細胞が分裂する段階に入ると、クロマチンは凝縮して有糸分裂染色体を形成しなきゃいけない。この凝縮は、細胞が分裂するときに遺伝物質が娘細胞に均等に分配されるために必要なんだ。

クロマチン凝縮におけるタンパク質の役割

細胞分裂の時、クロマチンの凝縮を手助けするタンパク質がいくつかある。特に、コンダンシンやトポイソメラーゼIIαがよく研究されてる。これらはクロマチンをコンパクトにして、染色体が正しく分裂できる形に整えてくれるんだ。でも、関与するタンパク質については理解が進んでるけど、染色体凝縮に至る具体的な物理的メカニズムはまだ謎なんだ。

クロマチン凝縮における物理的力

タンパク質の他に、染色体凝縮に影響を与える2つのタイプの物理的力がある。

  1. 二価カチオン: これはマグネシウム(Mg2+)のような正の電荷を持つイオンなんだ。負の電荷を持つヌクレオソームと相互作用して、一緒にくっつくのを助けて凝縮させるんだ。細胞が分裂の準備をしているとき、自由なMg2+のレベルが上がって、染色体の凝縮を助けるんだ。

  2. 減少力と高分子混雑: 細胞の内部は、タンパク質やRNAなどさまざまな分子で混雑してる。この混雑した環境が「減少力」と呼ばれる力を生み出すんだ。クロマチンが狭いスペースにあると、他の大きな分子がクロマチンを押し縮めて、さらに凝縮を促進するんだ。

生細胞におけるクロマチン密度の観察

これらの力がクロマチンの凝縮にどう寄与するかを研究するために、研究者たちは新しいイメージング技術を開発したんだ。それが、方向に依存しない異常干渉コントラスト(OI-DIC)顕微鏡と共焦点レーザー走査顕微鏡(CLSM)を組み合わせたものなんだ。この技術を使って、研究者たちは生きている細胞の中で染色体の周りの分子の密度を視覚化して測定できるようになったんだ。

この先進的なイメージングシステムを使って、研究者たちは細胞分裂の異なる段階にあるヒト細胞に注目した。細胞が有糸分裂を進めるにつれて、染色体の周りの分子の密度が増加することを発見した。この密度の増加は、染色体の凝縮と一致していたんだ。

環境の変化がクロマチン密度に与える影響

研究者たちは環境の変化がクロマチンの密度や凝縮にどう影響するかも探ったんだ。

  1. 高張処理: 高張溶液(細胞内部より溶質濃度が高いもの)をかけると、細胞質の密度が増加した。この変化によって染色体がより密にパッキングされる状態、すなわち「ハイパー凝縮」になったんだ。

  2. 低張処理: 反対に、細胞を低張溶液(溶質濃度が低いもの)で処理すると、細胞質の密度が下がって、染色体がよりリラックスして、つまりあまり凝縮しない状態になったんだ。

異なる細胞タイプを使ったさらなる調査

この研究はヒト細胞だけじゃなくて、染色体が大きいインディアンムントジャック細胞も調べたんだ。ここでも、クロマチン密度や高張・低張処理の影響について同様の結果が見られた。これは観察された現象がいろんな細胞タイプに共通するかもしれないことを示唆しているんだ。

クロマチンの挙動に関するin vitro研究

研究者たちは自分たちの発見を強化するために、染色体を構成する材料であるネイティブクロマチンを使ってin vitro実験を行ったんだ。ポリエチレングリコール(PEG)やウシ血清アルブミン(BSA)などを加えた時、クロマチンの構造にどんな影響が出るかをテストしたんだ。

生理学的なレベルのカチオンで処理すると、クロマチンの繊維が凝縮して液滴を形成したんだ。PEGを加えると、以前は繊維状だった構造から液体のような液滴ができるようになったんだ。さらにPEGの濃度を上げると、これらの液滴が硬くなって、クロマチンの物理的特性が高まったことを示唆しているんだ。

クロマチン混雑の背後にあるメカニズム

研究者たちは、有糸分裂中の分子密度の増加がいくつかの要因によるかもしれないと提案したんだ。細胞が分裂の準備をしているとき、リボソームや核小体のような以前に分かれていた細胞成分が混ざり合って、高密度のタンパク質やRNAが生成される。この混合が染色体の周りに分子の混雑を引き起こすんだ。

この混雑が外部からの圧力を提供して、染色体のさらなる凝縮を促進するんだ。この発見は、この現象が高等生物において進化した可能性があって、大きな染色体の成功的な分裂を助けるためのものであることを示しているんだ。

研究の意義

この研究は、細胞分裂中の染色体の挙動を導く物理的原則についての理解を深めるんだ。高分子混雑や減少力の役割を理解することで、細胞が遺伝情報を正確に伝達する方法に対する洞察が得られるんだ。この研究の結果は、細胞分裂がうまくいかない病気、例えば癌の理解にも影響を与えるかもしれない。

結論

細胞分裂中の染色体の凝縮は、タンパク質と物理的力の複雑な相互作用を伴う重要なプロセスなんだ。この研究は、先進的なイメージング技術を使って染色体の挙動についての理解を深めるだけでなく、細胞プロセスのメカニクスについてのさらなる探求の道を開くものなんだ。この発見は細胞環境の重要性を示唆していて、こうした条件を操作することで染色体の挙動に影響を与えられる可能性があり、医療科学において有用な戦略になるかもしれないよ。

オリジナルソース

タイトル: Orientation-Independent-DIC imaging reveals that a transient rise in depletion force contributes to mitotic chromosome condensation

概要: Genomic information must be faithfully transmitted into two daughter cells during mitosis. To ensure the transmission process, interphase chromatin is further condensed into mitotic chromosomes. Although protein factors like condensins and topoisomerase II are involved in the assembly of mitotic chromosomes, the physical bases of the condensation process remain unclear. Depletion force/macromolecular crowding, an effective attractive force that arises between large structures in crowded environments around chromosomes, may contribute to the condensation process. To approach this issue, we investigated the "chromosome milieu" during mitosis of living human cells using orientation-independent-differential interference contrast (OI-DIC) module combined with a confocal laser scanning microscope, which is capable of precisely mapping optical path differences and estimating molecular densities. We found that the molecular density surrounding chromosomes increased with the progression from prometaphase to anaphase, concurring with chromosome condensation. However, the molecular density went down in telophase, when chromosome decondensation began. Changes in the molecular density around chromosomes by hypotonic or hypertonic treatment consistently altered the condensation levels of chromosomes. In vitro, native chromatin was converted into liquid droplets of chromatin in the presence of cations and a macromolecular crowder. Additional crowder made the chromatin droplets stiffer and more solid-like, with further condensation. These results suggest that a transient rise in depletion force, likely triggered by the relocation of macromolecules (proteins, RNAs and others) via nuclear envelope breakdown and also by a subsequent decrease in cell-volumes, contributes to mitotic chromosome condensation, shedding light on a new aspect of the condensation mechanism in living human cells. Significance StatementMitotic chromosome condensation is an essential process to transmit replicated chromosomes into two daughter cells during cell division. To study the underlying physical principles of this process, we focused on depletion force/macromolecular crowding, which is a force that attracts large structures in crowded cell environments. Using newly developed special light microscopy, which can image the molecular density of cellular environments, we found that crowding around chromosomes increases during cell division. In vitro, higher concentrations of macromolecules condense chromatin and make it stiffer and more solid-like. Our results suggest that the rise in depletion force renders chromosomes more rigid, ensuring accurate chromosome transmission during cell division.

著者: Kazuhiro Maeshima, S. Iida, S. Ide, S. Tamura, T. Tani, T. Goto, M. Shribak

最終更新: 2024-02-15 00:00:00

言語: English

ソースURL: https://www.biorxiv.org/content/10.1101/2023.11.11.566679

ソースPDF: https://www.biorxiv.org/content/10.1101/2023.11.11.566679.full.pdf

ライセンス: https://creativecommons.org/licenses/by-nc/4.0/

変更点: この要約はAIの助けを借りて作成されており、不正確な場合があります。正確な情報については、ここにリンクされている元のソース文書を参照してください。

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