Трехмерный геном
Найдены новые доказательства значимости 3D-структуры генома
и возможности передачи ее по наследству
Алина Чернова, «Биомолекула»
Наука находит все новые и новые доказательства того, что за то, какими мы рождаемся, отвечают не только гены, но и множество других факторов.
Судя по всему, кроме генетического кода и разнообразных регуляторных молекул значение имеет также то, каким образом гены уложены в ядрах наших клеток.
(На рисунке с сайта roboticstomorrow.com показана трехмерная модель человеческого генома).
Молекулы ДНК очень большие, и упаковать их в маленькое ядро – это целое искусство. В недавней работе российских исследователей освещены нюансы такой упаковки в соматической и половой клетке, подчеркивающие консервативность этой черты генома.
Группа ученых Новосибирска и Москвы провели исследование, посвященное сравнению пространственной организации генома сперматозоидов с геномом фибробластов (клеток соединительной ткани, которые часто используются в различных экспериментах), и опубликовали статью в журнале Genome Biology [1]. В работе изучали сперматозоиды – клетки с самой плотной упаковкой ДНК (в силу их малого размера) – и показали, что особенности упаковки ДНК не влияют на крупномасштабную организацию генома. 3D-структура генома сперматозоидов, несмотря на отличия, оказалась схожа со структурой генома фибробластов, а также других клеток, изученных ранее.
В работе использовали метод Hi-C [2, 3], который применяется для обнаружения взаимодействий между разными частями генома. Сначала сшивают все участки генома, сближенные в пространстве, что достигается за счет обработки ДНК формальдегидом. После этого весь геном режут на маленькие кусочки специальными белками – рестриктазами и растворяют в сравнительно большом объеме воды, что позволяет разнести фрагменты на большое расстояние друг от друга за счет разведения. Затем все участки сшивают в случайном порядке, и остается только определить, какие именно фрагменты ДНК оказываются сшитыми между собой, то есть, какие из них были близко расположены друг к другу. Для этого используют секвенирование – метод определения последовательности нуклеотидов в ДНК. По итогам данного эксперимента строятся матрицы контактов, демонстрирующие частоту взаимодействия разных участков генома между собой, что дает представление о 3D-организации ДНК в ядре.
Графическое представление матрицы контактов – это таблицы, в строках и столбцах которых отложены последовательно все участки генома, начиная с первой хромосомы и до последней (номера указаны рядом с матрицами), а в ячейках таблицы цветом указана относительная частота контактов между двумя соответствующими локусами. Красный цвет означает наибольшее количество контактов, а синий цвет – минимальное. Из результатов эксперимента видно, что в сперматозоидах и фибробластах наблюдаются похожие паттерны. Несмотря на более плотную упаковку генома сперматозоидов и неактивность их генов, 3D-организация ДНК у двух видов клеток схожа (рис. 1).
Рисунок 1. Матрицы пространственных контактов ДНК фибробластов и сперматозоидов. Показаны полногеномные матрицы пространственных контактов ДНК сперматозоидов (а) и фибробластов (в) и внутрихромосомные контакты хромосомы 19 (б, г) для этих типов клеток. Красный цвет означает наибольшее количество контактов, а синий цвет – минимальное количество контактов. Белые полосы соответствуют некартируемым участкам. Рисунок из [1].
Полученные данные важны для понимания того, как работает геном, как отдельные гены согласовывают свою активность. Известны примеры, когда незначительные, казалось бы, мутации приводят к серьезным изменениям пространственной организации ДНК, что в свою очередь приводит к катастрофическим последствиям для организма. Понимание того, как работает геном, открывает новые возможности для профилактики и лечения заболеваний.
«Пространственная организация генома сейчас – одна из горячих тем в биологии, так как стало понятно, что то, каким образом ДНК уложена в ядре, какие участки длинной молекулы ДНК оказываются сближенными в пространстве, а какие разнесены на большое расстояние друг от друга, – все это сильно влияет на активность генов. Таким образом, 3D-организация генома – это пока мало исследованный, новый уровень регуляции работы генов. Сперматозоиды – настоящая находка для понимания принципов работы этого уровня регуляции. Дело в том, что их ДНК упаковывается в ядро принципиально иначе, чем во всех остальных клетках организма. Все гены зрелого сперматозоида неактивны, а значит, можно понять, как работа генов сказывается на организации генома. Сперматозоиды несут только половину нормального набора хромосом, и эта особенность позволяет точнее анализировать контакты разных хромосом в ядре. Если говорить о результатах, то для меня они были достаточно неожиданными – все эти особенности практически никак не сказываются на крупномасштабной 3D-организации генома. То есть, на больших масштабах геном сперматозоида уложен так же, как и в остальных исследованных ранее клетках. Это интересный результат еще и потому, что сперматозоиды передают свой геном в следующее поколение, и теперь мы знаем, что помимо генетической информации (набора ДНК) передается и 3D-структура молекул ДНК», – рассказывает Нариман Баттулин, первый автор публикации в Genome Biology.
Исследователи продолжат работу над данным вопросом. Планируется изучить специфическую 3D-организацию генома сперматозоида на более тонких уровнях. Также, следуя классическому принципу в биологии «Хочешь узнать, как это работает – сломай его часть и посмотри, что будет», ученые начали проект по экспериментальному изменению пространственной организации генома в эмбриональных стволовых клетках мыши.
Литература
- Battulin et al. (2015). Comparison of the three-dimensional organization of sperm and fibroblast genomes using the Hi-C approach. Genome Biol. 16, 77;
- биомолекула: «Загадочное путешествие некодирующей РНК Xist по X-хромосоме»;
- биомолекула: «Истории из жизни Х-хромосомы круглого червя-гермафродита».
Портал «Вечная молодость» http://vechnayamolodost.ru
03.03.2015