Раскручивание ДНК выявило новую силу, формирующую геномы

Достижения в микроскопии позволили исследователям впервые визуализировать петли цепей ДНК. Изображения показывают, как человеческий геном организуется в трёхмерном пространстве с гораздо более высоким разрешением, чем было возможно ранее.

Результаты, опубликованные в журнале Molecular Cell, также показывают, что процесс копирования ДНК в РНК — транскрипция — косвенно формирует архитектуру генома. Международная команда под руководством Пии Космы из Центра геномной регуляции (CRG) в Барселоне и Мелике Лакадамяли из Медицинской школы Перельмана Пенсильванского университета обнаружила, что транскрипция генерирует силу, которая движется по цепям ДНК, как рябь по воде.

Эта сила, известная как суперспирализация, заставляет структурные белки — когезины — «скользить» по цепям ДНК, меняя архитектуру каркаса и преобразуя общую форму генома. Хотя известно, что организация генома регулирует транскрипцию генов, впервые исследователи обнаружили, что транскрипция, в свою очередь, влияет на организацию генома посредством суперспирализации.

По мнению исследователей, открытие этой новой силы может иметь значение для понимания генетических заболеваний, таких как синдром Корнелии де Ланге, вызванный мутациями в генах, кодирующих когезин или его регуляторы. Результаты также могут быть актуальны для нарушений развития, связанных с укладкой хроматина, и открывают новые направления исследований в области хрупкости генома и развития рака.

Исследователи изучили биологические механизмы, которые позволяют упаковать два метра ДНК в тесное пространство каждой человеческой клетки. В этом конденсированном состоянии ДНК, также известная как хроматин, содержит множество петель, которые сближают различные, обычно удалённые друг от друга области генома. Возникающая физическая близость важна для транскрипции ДНК в РНК, которая затем производит белки, что делает петлеобразование хроматина фундаментальным биологическим механизмом для здоровья и болезней человека.

По словам Вики Негуэмбор, научного сотрудника CRG и первого автора статьи: «Петли хроматина позволяют отдельным клеткам включать и выключать различную информацию, поэтому, например, нейрон или мышечная клетка с одной и той же геномной информацией могут вести себя так по-разному. Петли — это также один из способов компактизации генома для размещения в ядре».

«Наше открытие важно, потому что оно показывает, что биологический процесс транскрипции играет дополнительную роль помимо своей фундаментальной задачи создания РНК, которая в конечном итоге превращается в белки. Транскрипция косвенно и эффективно уплотняет геном и помогает различным его областям взаимодействовать друг с другом».

Предыдущие методы изучения этого процесса могли предсказать, где расположены петли, но не их фактическую форму или то, как они выглядят внутри клеток. Для повышения разрешения изображений исследователи использовали специальный тип микроскопии, использующий мощные лазеры в определённых химических условиях для отслеживания «мигания» флуоресцентных молекул. Эта техника обеспечивает десятикратно более высокое разрешение, чем обычная микроскопия. В сочетании с передовыми методами анализа изображений она позволила идентифицировать петли хроматина и удерживающие их структуру, подобно скрепкам, когезины внутри неповреждённых клеток.