В течение многих лет исследователи считали, что ДНК внутри только что оплодотворенной яйцеклетки изначально представляет собой структурный «чистый лист» — рыхлый и неорганизованный пучок, который обретает порядок только тогда, когда эмбрион начинает использовать свои собственные гены. Согласно этой традиционной точке зрения, геном оставался в значительной степени неструктурированным до тех пор, пока он не «проснулся» и не запустил свою генетическую программу.
Новое исследование, опубликованное в журнале Nature Genetics, опровергает это давно устоявшееся предположение. Профессор Хуанма Вакеризас и его коллеги сообщают, что геном уже на этой самой ранней стадии демонстрирует неожиданно высокий уровень организации. Команда разработала новую технологию под названием Pico-C, которая позволяет ученым изучать трехмерную структуру генома с поразительной детализацией. С помощью этого подхода они обнаружили, что задолго до полной активации генома — этапа, известного как активация зиготного генома — уже формируется сложная трехмерная структура ДНК.
Этот ранний способ сворачивания ДНК — не просто структурная диковинка. Расположение ДНК в пространстве определяет, какие гены могут быть активированы в процессе развития. Этот контроль необходим для правильного функционирования клеток и помогает предотвратить аномалии развития и заболевания.
«Раньше мы считали период до пробуждения генома временем хаоса, — объясняет Нура Мазиак, ведущий автор исследования. — Но, присмотревшись внимательнее, чем когда-либо прежде, мы видим, что на самом деле это высокоорганизованная строительная площадка. Каркас генома возводится точным, модульным способом задолго до того, как будет полностью включен выключатель».
Технология Pico-C отображает сворачивание ДНК у плодовых мушек.
Открытие было сделано с использованием плодовой мухи (Drosophila), модельного организма, широко используемого в генетических исследованиях. В течение первых нескольких часов после оплодотворения эмбрион плодовой мухи быстро делит свои ядра, образуя тысячи клеток за короткое время. Такая высокая скорость развития делает ее идеальной системой для изучения организации и регуляции геномов.
Используя свой высокочувствительный метод Pico-C, исследователи картировали трехмерное расположение генома плодовой мухи на ранних стадиях развития. Они обнаружили, что ДНК образует петли и сворачивается в соответствии с модульным паттерном, позволяя различным регуляторным сигналам влиять на определенные участки генома. Эта сложная архитектура гарантирует, что генетическая информация подготавливается и позиционируется для активации именно тогда, когда это необходимо.
Помимо получения подробных изображений структуры ДНК, метод Pico-C требует лишь очень небольших образцов — примерно в десять раз меньше материала, чем стандартные методы. Такая эффективность позволяет с гораздо большей точностью исследовать, как сворачивание ДНК влияет на регуляцию генов и как нарушения этой архитектуры могут способствовать развитию заболеваний.
Когда в клетках человека происходит разрушение архитектуры генома
Хотя структурный «чертеж» был впервые обнаружен у плодовых мушек, его значение распространяется и на биологию человека. В сопутствующем исследовании, опубликованном в журнале Nature Cell Biology под руководством профессора Ульрике Кутай и ее коллег из ETH Zürich в Швейцарии, исследователи применили ту же стратегию высокоточного картирования к клеткам человека.
Они исследовали, что происходит, когда удаляются молекулярные «якоря», стабилизирующие трехмерную структуру генома. Результаты оказались поразительными. Когда эта структурная основа разрушается, клетки человека интерпретируют это как вирусную атаку. Эта неверная интерпретация активирует врожденную иммунную систему клетки, создавая ложную тревогу, которая может привести к воспалению и заболеваниям.
«Эти два исследования рассказывают полную историю, — говорит Хуанма. — Первое показывает нам, как тщательно формируется трехмерная структура генома на заре жизни. Второе демонстрирует катастрофические последствия для здоровья человека, если этой структуре будет позволено разрушиться».
Данное исследование было профинансировано Советом медицинских исследований и Академией медицинских наук (АМН) в рамках гранта АМН на присвоение звания профессора.
Источник: www.sciencedaily.com
