Визуализация генома: созданы первые 3D-структуры активной ДНК

Ученые впервые определили трехмерные структуры интактных геномов млекопитающих из отдельных клеток, показав, как ДНК всех хромосом сложным образом складывается, чтобы поместиться внутри клеточных ядер.

Исследователи из Кембриджского университета и Лаборатории молекулярной биологии MRC использовали комбинацию визуализации и до 100 000 измерений близости различных участков ДНК друг к другу для изучения генома в эмбриональной стволовой клетке мыши. Стволовые клетки — это «мастер-клетки», которые могут развиваться или «дифференцироваться» практически в любой тип клеток организма.

Используя новый подход, исследователи смогли определить структуры активных хромосом внутри клетки и то, как они взаимодействуют друг с другом, образуя целый геном. Это важно, потому что знание того, как ДНК упакована внутри клетки, позволяет ученым изучать, как взаимодействуют между собой определенные гены и контролирующие их участки ДНК. Структура генома контролирует, когда и насколько сильно гены «включаются» или «выключаются», что играет критическую роль в развитии организмов и, при нарушении, в возникновении заболеваний.

В сопровождающих видео исследователи проиллюстрировали структуру интактного генома из одной конкретной эмбриональной стволовой клетки мыши. Каждая из 20 хромосом клетки окрашена по-разному. В другом видео активные генетические области окрашены в синий цвет, а области, взаимодействующие с ядерной ламиной (плотной фибриллярной сетью внутри ядра), — в желтый.

Структура показывает, что геном организован так, что наиболее активные генетические области находятся внутри и пространственно отделены от менее активных областей, связанных с ядерной ламиной. Последовательное разделение этих областей одинаковым образом в каждой клетке позволяет предположить, что эти процессы могут управлять укладкой хромосом и генома и, таким образом, регулировать важные клеточные события, такие как репликация ДНК и деление клеток.

Профессор Эрнест Лоу, чья группа разработала подход, отметил: «Знание того, где находятся все гены и контрольные элементы в данный момент, поможет нам понять молекулярные механизмы, которые контролируют и поддерживают их экспрессию. В будущем мы сможем изучить, как это меняется по мере дифференцировки стволовых клеток».

Исследование опубликовано в журнале Nature. Доктор Том Коллинз из Wellcome отметил, что визуализация генома в 3D с такой беспрецедентной детализацией может помочь в изучении клеток с аномальными геномами, например, раковых, чтобы лучше понять, что именно идет не так, вызывая болезнь.