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. 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. 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, 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 (рис. 1).
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.
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.
Источник: БИОМОЛЕКУЛА
