Оптимизация анализа упаковки ДНК в единичных клетках дрозофилы

Исследователи из Сколтеха и их коллеги оптимизировали анализ данных для метода изучения 3D-структуры ДНК в единичных клетках дрозофилы (Drosophila). Новый подход позволяет с большей достоверностью изучать уникальные способы упаковки ДНК в отдельных клетках и приблизиться к пониманию механизмов этого фундаментального процесса. Работа опубликована в журнале Nature Communications.

Проблема усреднения в Hi-C

Для изучения упаковки ДНК широко используется метод Hi-C (хромосомной конформационной capture). Однако классическому Hi-C требуются десятки микрограмм ДНК, что означает усреднение данных по миллионам клеток. Это скрывает особенности упаковки в отдельных клетках и не позволяет определить, какие взаимодействия происходят в одной и той же клетке.

«Мы видим определённые структуры, такие как топологически ассоциированные домены (TADs), на усреднённых картах контактов, но не знаем, являются ли они артефактами усреднения или действительно существуют в отдельных клетках», — отмечает соавтор работы Михаил Гельфанд.

Адаптация Hi-C для единичных клеток

Чтобы преодолеть это ограничение, исследователи усовершенствовали методику single-cell Hi-C (snHi-C). Команда Сколтеха под руководством Михаила Гельфанда и Екатерины Храмеевой оптимизировала обработку данных для этого метода.

Коллеги из Института биологии гена РАН и МГУ совместно с Франко-российским междисциплинарным научным центром им. Ж.-В. Понселе адаптировали процедуру snHi-C для экспериментов с клетками дрозофилы.

Ключевая проблема и её решение

После стандартных этапов Hi-C («заморозка» хроматина, разрезание и сшивание близко расположенных фрагментов ДНК) ДНК из одной клетки в каждом лунке амплифицировали с помощью полимеразы из бактериофага phi29. Этот фермент генерирует много ДНК из минимального количества матрицы и допускает меньше ошибок.

Однако выяснилось, что эта полимераза может совершать случайные «перескоки» между молекулами ДНК, создавая искусственные «связи», которые алгоритмы Hi-C не могут отличить от реальных взаимодействий. Исследователям пришлось разработать тест на аутентичность, чтобы отсеять случайные перескоки.

Результаты на дрозофиле и эволюционные вопросы

Применив новую методику к клеткам дрозофилы, учёные обнаружили, что в отличие от данных по клеткам млекопитающих, TADs присутствуют в каждой отдельной клетке дрозофилы. Эти домены гораздо более упорядочены, чем у млекопитающих.

Для объяснения формирования этих стабильных доменов предложены две модели:

1. Модель «липкого» хроматина, где разные регионы имеют разное сродство для образования контактов.
2. Механизм экструзии петель, при котором крупные белковые комплексы создают петли в нити, сближая удалённые регионы.

«Один из самых интересных вопросов — схожи ли правила укладки хроматина у разных видов», — отмечает соавтор Александра Галицына.

Перспективы исследований

Команда планирует продолжать изучение архитектуры хроматина, механизмов формирования петель и TADs у разных организмов, включая губок, дрожжей и амёб. Также учёных интересует, как изменения в организации хроматина могут быть связаны с болезнями, развитием организма и старением.

«Предполагая, что архитектура хроматина тесно связана с экспрессией генов, ответы на эти вопросы могут раскрыть регуляторные предпосылки развития, старения и болезней человека», — заключает Екатерина Храмеева.