Как хромосомы меняют свою форму при дифференцировке клеток

Хромосомы человека в интерфазе плотно упакованы в ядре. Помимо базовой структурной единицы — нуклеосома, — известно о существовании мегабазовых глобулярных единиц — топологически ассоциированных доменов (TAD). Несколько TAD формируют A- и B-субядерные компартменты: A-компартменты содержат много активных генов, B — мало или ни одного.

Считалось, что позиции границ TAD стабильны, а организация A/B-компартментов различается между типами клеток и меняется при дифференцировке, но этот процесс никогда не наблюдали напрямую.

Ученые из RIKEN Center for Biosystems Dynamics Research впервые детально наблюдали изменения A/B-компартментов в процессе дифференцировки эмбриональных стволовых клеток мыши (mESCs). Они обнаружили:

• Многие геномные регионы переключались между компартментами (A→B или B→A).
• Эти переключения хорошо коррелировали с изменением времени репликации ДНК (с раннего на позднее или наоборот).
• Переход A→B сопровождался перемещением к периферии ядра и репрессией генов.
• Переход B→A сопровождался перемещением к внутренней части ядра и активацией генов.

Это указывает, что изменения компартментов представляют собой физическое перемещение участков хромосом в 3D-пространстве ядра.

Ключевое открытие: Изменения компартментов (B→A) происходили на 1–2 дня раньше, чем активация генов и смена времени репликации (с позднего на раннее). Это позволяет предположить, что изменение конформации хромосом может быть предпосылкой для изменений в экспрессии генов и репликации.

Механизм изменений:

• Изменения происходят в основном за счет сдвига границ A/B-компартментов, а не появления новых изолированных компартментов.
• Поскольку границы компартментов соответствуют части границ TAD, большинство переключений затрагивало один отдельный TAD.
• Переключение на уровне единичного TAD было подтверждено в одиночных клетках с помощью метода single-cell Repli-seq.
• Профили A/B-компартментов менялись постепенно и однородно в популяции дифференцирующихся клеток, временно напоминая состояние стволовых клеток, производных от эпибласта (EpiSC).

Вывод: A/B-компартменты меняются в основном за счет перемещения отдельных TAD на границе раздела компартментов в противоположный компартмент. Накопление таких событий может отражать изменения в состоянии дифференцировки (например, от ESCs к EpiSCs).

Исследование, опубликованное в Nature Genetics, впервые показало, что изменения конформации хромосом предшествуют изменениям в экспрессии генов и времени репликации ДНК, и что эти изменения регулируются на уровне единичных TAD.